system: [SYSTEM]

user: 4. 讨论 前处理方法是为了去除原有样品中的胶结物和分离团粒物质，以达到沉积物颗粒分散的效果。激光粒度仪在进行样品粒度测量时采用的前处理方法包括加入化学药品去除样品中增加颗粒黏结的成分，或使用超声波震荡的方法击碎土壤中的絮凝颗粒，这些前处理方法中化学药品的分配及顺序将会对土壤粒度测量产生影响。前处理中加入H 2 O 2 是为了去除土壤样品中的有机质，HCl除去碳酸盐、铁氧化物及部分粘土矿物，(NaPO 3 ) 6 分散剂会将土壤颗粒更好的分散，超声波震荡把土壤中的颗粒更好的震荡开，还有化学分离石英方法剔除长石、云母和细颗粒此生黏土矿物等成分。黄土中的有机质的碳酸钙含量较高，北方红色风化壳中的次生粘土矿物和游离氧化物会产生胶结作用，风成红粘土粘性较高，南方红土中不含游离碳酸钙物质，沙漠沉积物中造成颗粒絮凝的物质较少，湖泊沉积物及海洋沉积物因水动力和风力等多重因素影响粒度特征较为复杂，各类沉积物由于搬运动力及沉积环境的变化其粒度产生独特性，因此在对沉积物进行粒度测量时，不同前处理方法会对测量结果的真实性产生影响。砂黄土带由于地处黄土和沙漠的交互地界，其影响土壤颗粒产生团聚的矿物不一致，分析6种不同的前处理方法对砂黄土粒度测量产生的影响。 图1. 不同前处理方法后砂黄土的粒度频率曲线 Bettersize2000激光粒度仪本身具有超声波震荡功能，所有前处理方法都分别加入了H 2 O 2 、HCl、(NaPO 3 ) 6 分散剂或经过超声波分散，因此粒度频率曲线差异很小。表1中数据显示，方法A、B、D、E (C、F除外)的<2 μm的黏粒含量都在6.00%以上，表明经过这些方法前处理后黏粒含量增加。经过方法A、B、E处理后的平均粒径Φ值变大，从中值粒径(图2)也看出，这三种方法都使得Φ值增大，颗粒变细，使得样品的总体粒径趋于细粒化，粒度频率曲线向细粒端靠近。整体中值粒径标准差为0.32，6种前处理方法下的中值粒径标准差依次为方法B (0.37) > 方法C (0.36) > 方法E (0.34) > 方法A (0.33) > 方法D (0.28) > 方法F (0.26)，方法A、E与整体差异较小，表明按照A、E方法前处理后测得的中值粒径曲线比其他方法波动更接近整体水平，测量结果更为稳定和可靠。 图2. 不同前处理方法后砂黄土中值粒径(Φ)的比较 沙漠和黄土在成因上具有相似性，属于风力作用下的同期异相沉积。沙漠-黄土交错带地处东亚夏季风西北边缘，砂黄土粒度特征对指示冬季风强弱变化较为敏感 [ 3 ]。根据本文不同前处理方法后测得砂黄土平均粒径变化范围为26.22~77.75 μm (4.03~5.92Φ)，中值粒径为21.13~72.06 μm之间。不同前处理方法下末次间冰期黄土平均粒径的平均值为5.99 μm，古土壤平均粒径的平均值为6.10 μm [ 5 ]；洛川剖面S4古土壤中值粒径在13.36 μm左右 [ 6 ]；延安新区马兰黄土剖面 [ 12 ] 经过不同前处理得到的平均粒径在13.33~38.41 μm之间。黄土以粉砂组分含量为主，属于粉尘沉积，物质来源为高空风飏粉尘堆积。砂黄土中含较多的粗组分，则说明除来源于远源粉尘外，还有近源粉尘沉积，即来自上风向沙漠区部分粗粉砂颗粒。砂黄土粒度频率曲线与黄土高原的黄土粒度频率曲线大体一致，但其主峰与次峰的差别相较黄土更为明显。砂黄土粒度频率曲线的主峰更靠近粗粒组分方向，这些粗粒组分是冬季风盛行的近距离、低空搬运的粉尘物质。而本次实验测试(C方法)，与黄土1~10 μm的次峰(细粒组分)相比，砂黄土呈现出峰值为5~8 μm起伏较小的次峰以及0.02~2 μm之间的超细粒组分，砂黄土较黄土分布更靠西北，部分细颗粒组分表现更显著 [ 27 ]。超细粒组分是大量近距离上风区以及少量沉积于当地的粉尘，经过次生的化学或生物化学作用形成胶体和盐类化合物等的次生物质；而次峰是高空西风气流搬运的原始常态粉尘物质 [ 28 ]。 4.1. 超声波及分散剂对粒度测量的影响 经过超声波震荡得到的黏粒含量较高，平均粒径较小，其原因可能是：1) 处理后得到的细颗粒其中一部分是超声波击碎碳酸盐(原生和次生)的产物 [ 13 ]。2) 砂黄土沉积后的风化成壤作用比细粒黄土较弱，粗颗粒物质较多，吸附能力不如细粒黄土，样品在等待测量过程中发生再凝聚的可能性降低 [ 14 ]。3) 样品进入测量仪器后，震荡时间越长，平均粒径逐渐减小 [ 14 ]。方法A和方法E，即单独经过超声波分散和仅加入(NaPO 3 ) 6 分散剂得到超细粒组分及次峰峰值较高，平均粒径和中值粒径Φ值较大，黏粒含量平均值(6.38%、6.10%)比单独加HCl的方法C (4.57%)要大，粒径明显变细，分散效果较好。这种前处理后测试结果与鹿化煜等 [ 5 ] 对黄土粒度研究中得出的结论相一致，即单独加(NaPO 3 ) 6 分散剂和经过超声波分散得到的细颗粒含量比单独加H 2 O 2 和HCl较多。方法E的黏粒含量比方法A少，平均粒径和中值粒径Φ值大，表示分散剂含量多少对粒度测量有影响，会在一定程度上阻碍细小黏土的再聚集，但影响结果比超声波震荡小 [ 15 ]。 4.2. 碳酸钙对粒度测量的影响 干旱半干旱地区的黄土中碳酸盐含量较高，因此需要通过前处理方法进行去除。张永双等 [ 22 ] 发现陕北、晋西的砂黄土即使经过方法A和E处理后，黏土矿物与超细碳酸钙仍呈不可分离的强结合团聚状态。方法C和F都加入了HCl是去除沉积物中的碳酸盐，结果是方法C和方法F的黏粒含量最小，分别为4.57%和4.82%，粉砂含量比其他方法要高，为70.60%和70.09%。方法C中0.02~2 μm的超细粒组分峰值最小，方法F的主峰峰值最大，粗颗粒含量较多。平均粒径Φ值都较小，分别为5.21Φ和5.08Φ。其原因可能是强酸会破坏矿物组成，洗酸不够彻底时，PH较低加重了粘土絮凝颗粒的产生，导致颗粒土壤凝聚 [ 16 ] [ 17 ]。黏粒含量减少的另外一种可能原因是，前处理时多次洗酸过程将样品中的部分细颗粒洗掉，造成结果的真实性降低 [ 18 ]。王君波 [ 9 ] 等对湖泊沉积物影响的研究也表明，如果在前处理中使用HCl，反应后的洗酸过程很重要，要进行多次洗酸，使样品呈中性再测量，可减少较强酸性造成的颗粒絮凝。 4.3. 有机质对粒度测量的影响 一般而言，考虑到有机质对沉积物粒度测量的影响，前处理中要加入H 2 O 2 ，但由于区域气候、地形、土壤质地、植被和生物条件不同导致沉积物中有机质含量不同。从质地上看，与典型黄土和粘黄土相比，砂黄土中有机质含量极少，其平均值为0.23% [ 29 ]。晋西北人工林地和荒地的有机质含量分别为7.21 g∙kg −1 、9.23 g∙kg −1 [ 30 ]。加入H 2 O 2 的方法B、D、F与其他方法相比，偏度及峰度较大，主峰含量较多，表明颗粒较粗的砂黄土在除去有机质后粒度分布的峰态明显变宽，粗颗粒组分含量明显增加。孙有斌等 [ 7 ] 对北黄海沉积物粒度研究中也发现，对于较粗的沉积物除去有机质和碳酸盐后，其粒度频率曲线的峰态变宽，平均粒径和>32 μm的粗颗粒含量增加。说明尽管砂黄土有机质含量较低，但有机质对沉积物粒径还是会产生影响。鹿化煜等 [ 5 ] 研究发现，经过多种步骤的前处理方法没有得到最好的分散效果。方法F的主峰含量最高，平均粒径和中值粒径Φ值最小也证明了这一点。方法B平均粒径的Φ值最大，为5.29Φ。方法D与方法B相比，黏粒含量(6.17% < 6.75%)较小，粉砂粒含量较大，为69.19% > 67.81%，砂粒含量较小，主峰峰值较高。表明粗粒组分百分含量增加，细粒组分百分含量减少。有机质会与粘土矿物形成有机质复合体，从而参与和强化粘土物质的胶结作用，所以还是需要加入H 2 O 2 去除砂黄土中的有机质，但可以适当减少电热板加热时间，以加快实验进程 [ 19 ]。 4.4. 与传统方法(F)的比较 差异系数Y i 可以定量分析前处理方法对粒度测量结果的影响 [ 20 ]，因此引入差异系数来反映同一样品测量结果的不同前处理方法与传统方法的差异性。 Y i = ( X i − X s ) / X s × 100 % 其中：X s --前处理F法(传统方法)的粒度测量结果，X i --任一种前处理方法的粒度指标。Y i 值越大，说明与传统方法差异越大，反之亦然。图3显示，平均粒径的差异系数中，方法A和方法B的值最大，均为4.00%，方法D的值最小，为1.56%。不同前处理方法中值粒径的差异系数表明，方法C中值粒径的差异系数最大，为2.47%，方法D的值最小，为0.96%。因此，差异系数表明，前处理方法A、B、C，即超声波震荡、单独去除有机质以及碳酸盐对砂黄土粒度测量的影响比分散剂和综合运用多种方法要大。方法D的差异系数较小，表明方法D和方法F得到的结果较为相似。方法B得到的平均粒径和中值粒径都比方法D要小，黏粒含量较多。 图3. 不同前处理方法的差异系数 方法B得到的黏粒含量较多，平均粒径和中值粒径较小，但与传统方法的差异系数较大，因此需要用<2 μm细颗粒含量增加、频率曲线呈单峰且中值粒径最小以及差异系数等多种指标来综合分析分散效果，才能得出最适合砂黄土粒度测量的前处理方法。但对于超声波震荡、加入分散剂或去除有机质、碳酸盐对沉积物粒度测量影响不大，以及在分散效果类似的情况下，应优先选择前处理步骤较少的方法 [ 8 ]。