土壤质地测量装置

土壤是农业生产和人类赖以生存的物质基础，土壤质量的优劣直接关系到农产品质量、人类健康以及经济社会的可持续发展。国务院发布关于开展第三次全国土壤普查的通知，普查对象为全国耕地、园地、林地、草地等农用地和部分未利用地的土壤。土壤检测数据是客观评价土壤质量状况、实施土壤利用评价、管理和决策的基本依据。本次土壤普查时间紧、任务重，对检测数据的质量和准确性要求很高。如何高效、高质地执行土壤的检测，对每个土壤检测实验室都是一项极大的挑战。按照《国务院关于开展第三次全国土壤普查的通知》中检测实验室的条件要求，入围的实验室必须具备《第三次全国土壤普查土壤样品制备、保存、流转和检测技术规范》中规定的场地条件、设备设施、检测能力、仪器设备、人员队伍和资质认定批准等资格，故此常规检测项目必备的仪器设备需求量并不会太大，一些实验室可以根据自身实际情况增购部分仪器。而在应对土壤质地、酸碱度、全盐量、有机质、总碳、全氮和养分等理化指标的检测，绝大部分实验室还在采用传统的手工分析法，而手工法分析速度慢、分析过程耗时复杂、需占用大量的人力物力、结果的准确度依赖于具体操作者的主观意识和操作技能，无法满足实验室大批量、高质量的检测需求。面对检测任务不断增加、部门减员增效的要求和检测质量的提高等，要求检测实验室要优化工作步骤并将实验室分析过程标准化。实验室的自动化分析及由此带来的信息化的改进特别值得关注。斯卡拉分析仪器公司根据土壤的标准方法，结合不同的自动化检测技术，将多项经典的手工操作的分析方法组合起来，实现了检测分析的自动化和分析过程的标准化。提高效率、将人从繁琐的分析过程中解放出来、标准化的分析过程得到了更精准的分析结果。标准不同，检测项目也不尽相同，在该领域中对于仪器的需求及要求是相当高的。根据《第三次土壤普查土壤样品检测技术规范》的规定和要求，土壤机械组成、土壤酸碱度-全盐量、有机质/总碳&全氮以及各种形态碳和营养元素等都需要使用不同理化指标进行检测。1. 土壤机械组成（土壤质地）的自动分析1.1 土壤机械组成的检测标准土壤机械组成的测定，就是测定不同直径的土壤颗粒组成，进而确定土壤质地。土壤质地在土壤形成和土壤的农业利用中具有重要意义。根据LY/T 1225－1999、GB/T 33469-2016、《耕地质量等级》附录D、《土壤分析技术规范》等标准规范，检测方法有吸管法和比重计法。吸管法繁琐，但精确，比重计法操作简单，精度较差，而且计算麻烦。这两种方法都是以司笃克斯（Stokes）定律和土粒在静水中沉降的规律为基础。无论吸管法还是比重计法，均大致分为土粒的分散、粗土粒的筛分、细土粒的沉降分离和测定四个步骤。整个测量过程耗时较长，中间过程控制比较困难。1.2 斯卡拉的土壤机械组成机械人自动分析仪斯卡拉根据吸管法提供了两款机器人分析仪用于机械组成的自动化分析。机器人分析仪实际上是一个三维样品处理平台，搭载相应机械臂、机械手、样品和液体处理装置、精确的电子移液系统和加热控制单元将手工处理的步骤自动化。仪器可执行24小时无人值守地工作、确保整个分析过程的可靠性。SP2000机器人分析仪SP50样品制备机器人2.土壤酸碱度-全盐量的自动测定土壤pH是土壤的基本性质和肥力的重要影响因素之—。土壤pH的测量根据GB/T 33469－2016和LY/T 1239 － 1999 标准规范采用电极法测定：称取10g风干土壤样品至高型烧杯中，加入25ml水搅拌1-2分钟，使土粒充分分散，静置30分钟后用pH计测定。每测5-6个样品后需用标准溶液检查。土壤水溶性盐总量是盐碱土的一个重要属性，是限制作物生长的障碍因素，全盐量的测定根据GB/T 33469－2016、LY/T 1251－1999标准规范有质量法和电导法，质量法测量过程耗时繁琐，电导法是利用土壤的电导率和土壤水溶性盐总量呈线性关系得出，比质量法简便快速得多。斯卡拉的土壤pH&EC机器人自动分析仪可同时测量土壤的pH和EC值（电导）。由于土壤的pH和EC的土水比不同，仪器的设计实际是两通道独立分析系统，一个机械手装载pH&搅拌器&浸提液注液装置，另一个机械手2装有电导率&搅拌器&浸提液注液装置，两通道独立分开测量。可以自动执行电极自动校正、自动添加浸提液、样品搅拌、清洗、测量pH-EC值、自动温度补偿ATC、计算结果和报告输出等。3. 有机质/总碳&全氮的自动测定3.1 有机质&总碳测定的标准方法：传统的有机质的分析有重铬酸钾氧化法，该方法对个别形态的有机碳存在氧化不完全的问题，分析时必须严格控制体系的温度，防止酸性重铬酸盐溶液在高于180 ℃时分解。土壤中存在的Cl-、Fe2+及锰化合物的干扰。在实际应用中，这种方法操作繁琐，重铬酸钾是一类致癌物，硫酸是强腐蚀性的易制毒化学品，也带来了安全和环境污染的严重问题。《第三次全国土壤普查土壤样品检测技术规范》中也给出了杜马斯燃烧法：《土壤中总碳和有机质的测定元素分析仪法》 。该方法实际符合ISO10694；EN15936和HJ 695-2014，目前在国际和国内的土壤分析领域早已被大量应用，但国内相对应的标准方法还比较滞后。据斯卡拉了解，有关部门已经开始该方法的编制。燃烧法的主要优点是：高温下保证样品中各种形式的碳燃烧完全，样品前处理的工作量最小，分析速度快、不产生有毒有害物质、整个过程可实现全自动化分析。3.2 各种形态碳的定义标准对总碳的定义实际上是样品以有机碳、无机碳和元素碳形式存在的碳的总量。现有的ISO10694、EN15936等标准，TOC的值可通过差减法和直接测量法检测：差减法是通过TC和TIC测量结果的差值获得。总碳（TC）通过高温燃烧法测量。无机碳（TIC）的测定是通过酸化反应-曝气吹扫的方法测定。直接测量法是首先手工酸化除去土壤样品中的无机碳，ISO10694规定，为确保完全除去无机碳，加酸除无机碳的过程需要等待至少4小时，除去无机碳后，样品通过高温燃烧分解，可直接测量出总有机碳的值。有机质=有机碳*1.724无论差减法、直接测量法还是通过重铬酸钾氧化法所测出的有机碳实际上均包含了元素碳的量，元素碳的形式包括木炭、煤和石墨等，它实际上也在自然界广泛存在，元素碳是有别于有机碳的另外一种碳源，不是生物可利用的，不能供应土壤微生物所需的能量和养分，不能促进植物生长发育。故此，在土壤管理中，单独测量这种第三类碳可以更准确地测定生物可利用的碳含量，从而确定与微生物、土壤生物活动和环境有关的碳源。为此，DIN19539-2016标准采用不同温度下测量各种形态的碳，用于TOC，EC和TIC的测量，该方法是在有氧的条件下，使用高温燃烧炉在不同温度下分解各种形态的碳。400℃释放检测的是有机碳，600℃下检测元素碳，900℃下检测无机碳。一次进样分别测量出有机碳，元素碳和总无机碳的值。3.3 全氮的标准方法：NY/T 1121.24－2012法采用传统的凯氏定氮法，该方法虽然精确的、可靠的，但是它也存在很多明显的缺点，例如:a)需要较长的分析时间 ；b)使用浓硫酸和强碱溶液，带来严重的安全和环境污染的问题；d)必须由熟练的技术人员操作。LY/T 1228－2015连续流动分析仪法（森林土壤）：《森林土壤氮的测定》规范采用连续流动法测量全氮实际上是半自动的方法，样品也必须先进行外部消解，消解完成后通过分析仪完成后面的自动分析工作。LY/T 1228 － 2015 元素分析仪法（森林土壤）：《森林土壤氮的测定》是全自动的方法，通过自动进样器连续进样,不需要人看管 不需要复杂的样品前处理过程 不产生有毒有害物质；精度高，而且操作简便。3.4 斯卡拉Primacs系列土壤有机质/总碳&总氮元素分析仪Primacs系列采用高温催化燃烧的原理、可提供快速、高效、精确的总氮(蛋白质)、总有机碳(有机质)、总碳(TC)、无机碳(TIC)和元素碳(可选)的全自动分析。内置双检测器，采用热导检测器(TCD)测量氮，非分散红外检测器(TCD)测量碳。内置100为自动进样器，采样自动除灰的坩埚进样，可直接分析固体和液体样品。该仪器既可按照传统的燃烧法通过差减法或直接测量法全自动测量土壤TC，IC、TOC和有机质。也可按照DIN19539-2016方法A和方法B测量TOC，TIC和EC的含量，无需任何硬件切换，仅需软件中选择即可执行不同模式的分析。Primacs系列是目前全球唯一一款可全自动分析土壤有机质的分析仪，该仪器具有自动休眠和自动唤醒功能，可在夜间无人值守自动运行，大大提高分析效率。该仪器将土壤有机质分析过程全自动化，将操作者从繁琐的湿化学分析过程中解放出来，标准化、快速、环保、安全、大批量地进行分析，消除了人为主观因素和操作水平差异造成的影响，得到更精确可靠的分析结果。4. 土壤养分的自动分析-斯卡拉San++系列连续流动分析法用于土壤的全磷/有效磷、全氮/铵、全钾/速效钾/缓效钾、钠、全硼/有效硼、全硫/有效硫/硫酸根、硝态氮、有效硅、有效铁等指标的自动分析仪连续流动分析仪由自动进样器、蠕动泵、化学反应单元、分析模板、检测器和数据处理器组成。仪器最大的意义是将繁琐的化学分析如消解、蒸馏、萃取、透析及离子交换等过程自动化。适用过程繁琐的化学指标的分析。连续流动分析仪其实在土壤养分的分析已经应用很普遍了。不同指标根据标准方法处理土壤样品，如全磷、全钾通过碱熔、有效磷通过碳酸氢钠浸提，速效钾通过乙酸铵浸提，处理后的样品溶液放在自动进样器上即可通过仪器完成各指标的自动分析。San系列是集适用性和多功能性于一体的全自动化学分析仪器，可完成从开机、停机、稀释、重复、清洗到原始数据储存的过程全部自动化。利用各种自动模式组合，对分析过程的稀释、加样、混合、加热、透析、抽提、UV消解等进行自动控制。斯卡拉的土壤自动化分析仪的检测的方法完全符合《全国第三次土壤普查土壤样品检测技术规范》中的方法 ，通过自动化的分析，我们可以将一部分人从疲于应付常规的测量中解放出来，既节约了人力资源和分析成本，也提高了工作效率和分析结果的质量，有效地优化您的工作流程，提高您的质量管理能力，助您将实验室分析的可靠性和效率都提升到更高水平。

土壤水力参数，如田间持水量（FC）和永久萎蔫点（PWP），在灌溉管理、干旱风险评估和土地利用规划等方面发挥着重要作用。这些水力特性是动态的，随土壤类型、作物类型和生长季而变化。传统方法估算大尺度水力特性费时费力，而土壤传递函数（PTF）作为一种替代方法，已被用于使用易测量的土壤特性（如土壤粒级、有机碳和容重）来估计土壤水力特性。这些预测参数在很大程度上受各种内在土壤特性如土壤质地、结构、有机质、容重和孔隙度的影响。随着光谱技术的不断发展，因其快速、低成本和无损测量，许多研究者已经利用可见近红外（Vis-NIR）光谱预测了土壤特性，而使用光谱数据绘制印度土壤类型水力特性的研究非常有限。基于此，在本研究中，一组研究团队在印度卡纳塔克邦高原北部地区收集了558个土壤样本，在实验室中测量了其FC， PWP和土壤含水量，并利用ASD FieldSpec光谱仪测量土壤光谱反射率。通过支持向量机、随机森林和偏最小二乘回归三个模型预测FC和PWP。其中，2/3的数据集用于校准（368个样品），1/3的数据集用于验证（190个样品）。本研究目标为通过不同统计技术检验实验室Vis-NIR光谱数据估算水力参数的有用性。研究区域图【结果】卡纳塔克邦高原北部土壤光谱反射率分布（平均值和标准偏差）（N = 558）。FC和PWP预测模型的性能（50 次迭代）验证集FC和PWP预测值和观测值散点图（RF方法）（变性土-绿点，淋溶土-红点，弱育土-蓝点，新成土-黄点）。传统PTF方法预测验证集FC和PWP含水量的性能。【结论】验证结果表明，与PLSR模型相比，RF和SVM性能较好。与田间持水量（R2=0.66-0.69和RMSE=7.25-7.51%）相比，永久萎蔫点预测良好（R2=0.70-0.74，RMSE=5.44-5.74%）。在土纲中，Vis-NIR光谱（R2=0.34&0.42）对变性土FC和PWP的预测不佳，对淋溶土（0.44&0.52）和弱育土（0.55&0.65）的预测结果一般，而对新成土（0.83&0.76）预测结果较好。总体而言，结果与传统PTF方法相当。目前结果表明，可见近红外光谱有助于快速准确地估计该国半干旱地区的水力特性。

随着《土壤污染防治行动计划》(以下简称“土十条”)的发布，很多业内人士分析认为，未来5年我国的土壤检测市场潜力巨大，可高达520亿元。　　土壤污染实际状况的把握和风险管控的前提是采样的代表性和检测的准确性。但是笔者在考察中发现，实际操作时，土壤采样的代表性、采样密度以及检测准确性等有时却成为土壤检测的技术瓶颈。　　事实上，土壤本身是个高度不均匀的介质，采样误差远远大于分析误差。　　有研究对1亩地这样一个土体性质变化不大的地块随机选取9 个样点，分别采集9 个土样，分析土壤有效磷含量。结果发现样品间的方差是平行样的6倍，是仪器读数重复的73倍，足见采样误差比起仪器分析误差大得多。　　同样，另一个案例对一个长40米宽32米的田块进行8米×8米的网格采样，对所采的20个样品分析全氮发现，采样误差远远大于分析误差。　　因此土壤污染研究中的采样问题可能成为时下土壤检测行业的瓶颈。为此我们有必要说说土壤采样如何减少误差这一问题。　　土壤是个开放体系。在生态系统中，土壤位于水圈、大气圈、岩石圈和生物圈的核心圈。土壤圈本身是个开放体系，和4个圈层存在着物质和能量的交换。大气圈和水圈的污染物质一部分会进入土壤，造成土壤污染。　　根据进入途径的不同，重金属等污染物在空间分布上有着很大的差别。对于通过点源如冶炼厂的污染排放进入土壤的污染物，其以污染点为中心分布，同时，污染物的空间分布还受常年主导风向的影响显著，点源的影响范围和程度受到点源的排放量、烟囱高度、地形、气象条件的影响。　　对于水源污染，一般呈现沿着河流两岸污染的线型分布特征，且受地形影响很大。由于土壤具有较大的吸附性能，进入稻田后，重金属在田块中非常不均匀。据日本科学家研究，一个54米长的田块中，镉、锌、铅等元素的浓度可以相差一倍，镉分别是2.02毫克/千克和1.04毫克/千克，铜分别是348毫克/千克~168毫克/千克，锌分别是101毫克/千克~53.1毫克/千克 且田块左右两侧数值也不尽相同。　　而在我国台湾地区的研究中，一个50米的田块进水口的镉浓度可以高达7.0毫克/千克，而出水口可以低到0.2毫克/千克，相差高达35倍。如果没有多点采样，容易对田块的污染状况造成误判。　　在大气、水、土壤等环境要素中，唯有土壤是最不均匀的介质。土壤是一个多相的疏松多孔体系，同时也是一个胶体体系、化学体系、生物体系，还是一个氧化还原体系。　　所以污染物进入土壤后会发生各种各样的物理、化学和生物学过程而重新分布。固然到达土壤表面的污染物主要分布于土壤的表面，但重金属主要是被黏土矿物部分吸附，因此其之后的分布则受到黏土矿物分布的影响。　　有研究测定土壤表层0~15厘米的土壤镉含量为5.0毫克/千克，但如果分离出其黏土部分，测定到的镉含量则高达18毫克/千克。由于土壤中镉主要吸附在其中的黏粒上，所以采集土样时主要土壤质地的差异将带来显著的影响。　　因此，在耕作过程中，土壤颗粒的再分布容易造成土壤重金属的分异。有日本科学家研究表明，在进行犁耙田后，由于土壤黏粒的上浮以及随后其沉淀于土壤表层，水田表层3厘米土层的重金属含量可以比其下的土层高出一倍以上。所以采样时务必上下均匀取样，否则容易带来误差。　　在进行重金属分析的采样过程中，除了避免采样工具和器具带入的污染外，必须确定采样方式(蛇形、对角线、梅花点等)，进行多点采样(通常5点或以上)、采集混合样 单点采样则必须是上下均匀采样。　　而对其他有机污染物的采样，考虑到污染物的性质(挥发性、光分解等)，更应该采取各种相对应的采样对策，以确保采样带来的误差降到最小。