鹽漬土溶液電導率與滲透勢換算關系及其在鹽度分級中的應用

摘要：提出并驗證了使用方程Ψs=50×EC作為土壤溶液滲透勢（Ψs）與電導率（EC）換算關系，統一通用方程的可行性。結果表明，50份土樣Ψs的實測值與計算值間不存在顯著差異（P>0.05）。另外，使用該方程和其他已知經驗方程換算后發現，中國以Ψs為指標的鹽漬土鹽度分級區間與國際上常用的以飽和浸提液電導率為指標的土壤鹽度分級區間基本一致。

關鍵詞：飽和浸提液；電導率；滲透勢；土壤鹽度

中圖分類號：S156.4；S151.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）10-2481-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.10.009

Abstract： A equation of Ψs=50×EC was proposed for an universal equation to estimate osmotic potential（Ψs） from electrical conductivity（EC） in saturated pasted solution of salt-affect soils. The results showed that the prediction of Ψs of 50 soil samples based on this equation was not significantly（P>0.05） different from Ψs measurement. Additional，the salinity degrees of saline soil in China expressed as Ψs was basically consistent with those of saline soil expressed as EC of saturated paste extracts（ECe） in the international community when Ψs was converted into ECe.

Key words： saturation extract； electrical conductivity； osmotic potential； soil salinity

稀溶液條件下，土壤溶液滲透勢（Ψs）與溶液總濃度（TEC）存在如下的關系：

Ψs=-R×T×i×TEC （1）

式中，Ψs為土壤溶液或浸提液的滲透勢，單位為大氣壓atm；R為氣體常數，即0.083，單位為（L·atm）/（K·mol）；T為絕對溫度273+t ℃，單位為K；i為等滲系數；TEC為土壤溶液或浸提液濃度，單位為mol。

若將大氣壓轉換為-kPa，則乘以系數101.3，即

Ψs（-kPa）=101.3×R×T×i×TEC （2）

對于土壤溶液或浸提液而言，其TEC與電導率（EC）之間存在如下關系：

TEC≈10×EC （3）

式中，TEC的單位為mmolc/L，即meq/L。

將（3）式分別代入（2）式，則：

Ψs（kPa）=-101.3×R×T×i×10×EC/1 000 （4）

當TEC以mmolc/L為單位時，將土壤溶液看作是強電解質，作近似計算，則i=2。同時，由于土壤溶液或浸提液EC隨溫度的變化而變化[1]，因此通常采用25 ℃作為參考溫度，使用該溫度下的EC值作為表征參數。因此，在25 ℃，將R=0.083 L·atm/K·mol和i=2代入（4）式，計算得：

Ψs（kPa）≈-50×EC （5）

方程（5）可以看作是Ψs-EC關系的通用方程。本研究對該方程的準確性與可行性進行了分析，并應用該方程對國內學者提出的基于Ψs的土壤鹽度分級體系與國際上常用的飽和浸提液電導率（ECe）鹽度分級體系進行了對比，以期為相關研究提供理論依據與借鑒。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

土壤取樣地點位于新疆生產建設兵團第一師五團、六團、十團、十二團、新疆維吾爾自治區阿克蘇市沙雅縣，共五個剖面，每個剖面按20 cm間隔取樣，取樣深度200 cm，共50份土樣，代表南疆鹽漬土。取樣區內，土壤質地主要為沙土和沙壤土。土樣帶回室內，自然風干，粉碎，過2 mm篩。

1.2 土壤飽和浸提液制備

土壤飽和浸提液的制備參照美國鹽土實驗室[2]的方法。取250 g土樣，放入500 mL的塑料杯中，緩慢加入無二氧化碳的去離子水，邊加水邊攪拌，同時不斷在實驗臺上振蕩塑料杯，直至土壤完全飽和。飽和泥漿的判斷標準：反射光線時，泥漿發亮；傾斜塑料杯時泥漿稍微流動。飽和泥漿靜止16 h，然后用布氏漏斗抽濾，得到飽和浸提液。

1.3 測定方法

采用DDS-307型電導率儀測定土壤飽和浸提液EC（ECe），FM-9J型冰點滲透壓計測其Ψs。

1.4 數據處理

試驗所得數據采用SPSS12.0進行統計分析。回歸分析應用Regression中的Nonlinear程序。

2 結果與分析

2.1 供試土樣Ψs與ECe的統計分析

由表1可知，供試土樣ECe的最小值和最大值分別為0.75、34.31 mS/cm，變異系數為75.94%，供試土樣Ψs的變化區間為-35.00～-1 688.00 kPa，變異系數為76.17%。ECe和Ψs的變異系數均較大，說明供試土樣的鹽度變化較大。

2.2 Ψs與EC的關系方程

供試土樣Ψs與EC間的散點圖如圖1所示。從圖1可見，Ψs與EC間存在顯著的正相關關系。回歸分析表明，Ψs與EC間可進行線性擬合，其擬合方程分別為：

Ψs（kPa）≈-49.59×EC（r2=0.95，n=50） （6）

式中，Ψs為土壤浸提液滲透勢，EC為土壤浸提液電導率，經檢驗均具有極顯著統計學意義（P< 0.01）。方程（5）與方程（6）的系數十分接近，說明前述的推導過程是正確的。

2.3 Ψs與EC關系方程的檢驗

為了驗證方程（5）和（6）的準確性，將50份土樣的Ψs的實測值分別與計算值進行了比較分析（圖2A）。由圖2A可以看出，實測值與計算值間相差較小。50個土壤浸提液滲透勢的實測值與方程（5）和（6）計算值相對誤差在5%以內的分別占76%和64%。T檢驗表明，50份土樣Ψs的實測平均值為-688.16 kPa，（5）式計算值的平均值為-694.20 kPa，（6）式計算值的平均值為-688.48 kPa，差異不顯著（P>0.05），即實測值與計算值來源于同一樣本。另外，將實測值與（5）式的計算值進行回歸分析，結果表明，存在極顯著的相關性（r2=0.996，P<0.01）（圖2B）；方程（6）的計算值與實測值間也存在極顯著的相關性（r2=0.996，P<0.01）（圖2C）。理論上，如果計算值與實測值相等，那么回歸直線的斜率應該為1，常數項應該為0，決定系數（r2）應該為1。比較圖2B和圖2C，兩者的決定系數（r2）同為0.996，斜率1.003比0.995更接近1，但常數項3.799比3.830更接近0。這表明（5）式與（6）式的推算結果十分接近，因此，可以應用方程（5）推算南疆鹽漬化土壤的Ψs。

2.4 Ψs-EC關系方程在土壤鹽度分級中的應用

曾憲修等[3，4]提出使用土壤溶液Ψs作為土壤鹽度分級的指標（表2）。根據方程（5）將Ψs換算為EC即可得到基于土壤溶液EC的鹽度分級體系（表2）。

3 小結與討論

本研究結果表明，南疆地區可以使用方程Ψs=50×EC進行土壤溶液Ψs的計算。曾憲修等[3，4]研究江蘇濱海地區采用方程Ψs=48×EC-25（N=61，r2=0.990），研究黃淮海平原地區采用方程Ψs=56×EC+1（N=350，r2=0.990），研究寧夏地區采用方程Ψs=54×EC-47（N=46，r2=0.990）。付華等[5]研究河西走廊采用方程Ψs=51×EC+122（N=17，r2=0.990）。Jurinak等[6]研究河西走廊采用方程Ψs=51×EC+122（N=22）。以上研究均表明由EC推算Ψs的計算均為50左右。將本研究的EC值依次代入以上各方程，將其計算結果與方程（5）的計算結果進行比較分析。方程（5）計算值的平均數為-694.20 kPa，各方程計算值的平均數依次分別為-641.40、-778.47、-702.70、 -830.05、-555.34 kPa。T檢驗分析結果表明，這些平均值與-694.20 kPa之間無顯著差異（P>0.05）。因此，使用Ψs=50×EC方程作為Ψs-EC關系的統一通用方程是可行的。

土壤溶液Ψs與EC換算關系研究具有一定的現實意義，因為Ψs的測定需要較為昂貴的儀器設備，而EC測定分析儀器價格較低，普通實驗室均可配備。因此，國際上通常采用土壤飽和浸提液電導率（ECe）作為土壤鹽度分級指標[2]，美國鹽漬土鹽度分級標準亦同國際通用指標，即輕度鹽土4 mS/cm≤ECe<8 mS/cm；中度鹽土，8 mS/cm≤ECe<16 mS/cm；重度鹽土，ECe≥16 mS/cm。。而且，土壤飽和含水量一般接近土壤田間水分含量的2倍，因此，ECe與土壤溶液EC（ECs）的關系為[7]：

ECs≈2×ECe （7）

按方程（7）將ECe換算為ECs后，比較國內和國際分級指標可以發現，二者土壤鹽度分級的土壤溶液電導率區間基本一致。這表明，采用方程Ψs=50×EC進行國內外鹽漬土相關研究的比較與分析是可行的。因此，Ψs=50×EC可以作為Ψs-EC關系的統一通用方程。從該方程可以發現，中國使用的基于土壤溶液Ψs的土壤鹽度分級區間與國際上常用的基于ECe的土壤鹽度分級區間基本一致。

參考文獻：

[1] CAMPBELL R B，BOWER C A，RICHARDS L A. Change of electrical conductivity with temperature and the relation of osmotic pressure to electrical conductivity and ion concentration for soil extracts[J]. Soil Science Society of America Journal，1949，13：66-69.

[2] U S S L S. Diagnoses and improvement of saline and alkali soils[M].Washington：U S Government Printing Office，1954.

[3] 曾憲修，俞仁培，祝壽權.鹽分與植物生長關系及土壤鹽堿化分級[A].王遵親.中國鹽漬土[C].北京：科學出版社，1993.

[4] 曾憲修.河南商丘鹽漬土與作物耐鹽度[A].俞仁培.黃淮海平原治理與開發研究論文集（1983—1985）土壤水鹽運動與堿化防治[C].北京：科學出版社，1987.

[5] 付 華，朱興運，閆順國.鹽漬化土壤滲透勢的電導測定及其應用[J].草業學報，1994，3（3）：71-75.

[6] JURINAK J J，SUAREZ D L. The chemistry of salt-affected soils and waters[A]. TANJI K K. Agricultural and Salinity Assessment and Management[C].New York：American Society of Civil Engineers，1990.

[7] AYERS R S，WESTCOT D W.“Water Quality for Agriculture” FAO Irrigation and Drainage Paper No.29[M].Rome：FAO，1985.