土壤酸堿度、含水量和有機(jī)質(zhì)測量方法對比

陳富偉，李 偉

（西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

在生態(tài)系統(tǒng)中，土壤是重要組成部分，土壤還是最基本的生產(chǎn)資料，為植物的生長提供水分養(yǎng)料。土壤安全是保證農(nóng)作物安全的基礎(chǔ)，是幫助人類能夠健康生存的重要組成部分。保護(hù)土壤安全就是保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，達(dá)成人與自然的和諧發(fā)展目標(biāo)。面對現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)峻形勢，我國已經(jīng)把生態(tài)工程建設(shè)作為建設(shè)重點(diǎn)。土壤在生態(tài)環(huán)境中充當(dāng)著舉足輕重的角色。土壤酸堿度影響著土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的存在狀態(tài)，進(jìn)而影響植物生長所需營養(yǎng)物質(zhì)。植物生長所需要的主要水分也由土壤來提供，土壤水含量的高低對植物的生長至關(guān)重要。有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的衡量指標(biāo)，同時(shí)也影響到土壤中微生物的生存條件。

土壤安全威脅著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益和人口與資源的可持續(xù)性發(fā)展。土壤是人們賴以生存的基礎(chǔ)，人類需要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土壤，了解土壤。在研究土壤質(zhì)量的過程中，土壤的酸堿度含水量和有機(jī)質(zhì)含量是重要指標(biāo)。因此有必要對土壤酸堿度、含水量和有機(jī)質(zhì)含量等測定方法開展研究。操作中科學(xué)可行的測量土壤相關(guān)理化性質(zhì)方法可使人類更直觀方便的了解土壤。本文通過介紹在中國知網(wǎng)檢索到的土壤酸堿度、含水量和有機(jī)質(zhì)含量的測量方法，分析現(xiàn)有測量方法的優(yōu)勢與不足，旨在找出最合適的測量方法，其意義在于測量方法應(yīng)在保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確的情況下，以更少的實(shí)驗(yàn)成本來完成實(shí)驗(yàn)。

1 土壤酸堿度

土壤pH值，即土壤酸堿度，是土壤中重要的一種理化性質(zhì)，它對土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的存在狀態(tài)和形式、土壤的其他理化性質(zhì)、微生物相關(guān)活動(dòng)狀態(tài)和植物的生長發(fā)育有很大的影響［1］。伴隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的過量使用，土壤的酸化程度變得越來越高，因此有必要加強(qiáng)土壤pH的測量，降低土壤的酸化程度，土壤pH值是土壤懸濁液氫離子活度的負(fù)對數(shù)，將經(jīng)過預(yù)處理的土壤制成懸濁液測定土壤酸堿度，可以用比色法和電位法兩種方法測定土壤pH值。

1.1 比色法

酸堿指示劑隨著pH值的不同而呈現(xiàn)不同顏色。因此，可以采用試紙比色法測定土壤的pH值，對比參考試紙標(biāo)準(zhǔn)變色范圍，讀出土壤pH值。比色法在測量pH過程中受到限制也較少，可以隨身攜帶試紙進(jìn)行測量，適用于在野外直接測定pH值。雖然準(zhǔn)確度低，但在測定結(jié)果中0.5個(gè)pH單位準(zhǔn)確度測量仍然是可靠準(zhǔn)確的［2］。

1.2 電位法

電位法通常指用pH計(jì)測量pH值。先將pH計(jì)用緩沖溶液校準(zhǔn)，然后用pH計(jì)測量制取的土壤懸濁液pH值。用pH計(jì)測量土壤pH時(shí)，參比電極和甘汞電極構(gòu)成一個(gè)原電池，兩電極之間產(chǎn)生一個(gè)電位差，參比電極電位保持不變，pH計(jì)通過構(gòu)成的原電池的電位差大小測量出試液的pH值，pH計(jì)上顯示出示數(shù)，可以直接讀出pH值［3］，一般實(shí)驗(yàn)室都配備有pH計(jì)，所以采用pH計(jì)測定pH值較為方便，實(shí)驗(yàn)測量受干擾因素較少，結(jié)果真實(shí)可信。

2 土壤含水量

土壤水按照狀態(tài)可分為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種。土壤水分按類型可分為化學(xué)自由水、吸濕水和結(jié)合水三種。植物可以吸收利用的是自由水，植物不能吸收利用吸濕水和結(jié)合水。自由水包含重力水、毛管水和膜狀水。重力水是受到重力作用沉降的水，毛管水是保持在毛管中的水，膜狀水是保持在吸濕水以外的水膜［5］。吸濕水是因受到分子引力和靜電引力而附著在土壤顆粒表面的水，一般在105℃以上才會(huì)脫離土壤。化學(xué)結(jié)合水是與土壤構(gòu)成一體的一類水，一般要在600～700℃下才能脫離土壤。測量出化學(xué)自由水和吸濕水的含量就是土壤含水量。土壤含水量對于農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展至關(guān)重要，測定出土壤含水量的結(jié)果對于種植農(nóng)作物和安排灌溉抗旱具有重要意義。土壤含水量的測定方法要做到速度快、成本低和操作簡單。常用的測定土壤含水量的方法有烘干稱重法、土壤水分傳感器法和射線測定法等。

2.1 烘干稱重法

烘干稱重法又被稱作重量法，在105℃恒溫下，將土壤樣品烘干至恒重，烘干前后兩次稱量之差就是土壤含水量。可以采用的烘干方法還有紅外線烘干、酒精烘干和烘箱烘干等。在烘干操作時(shí)可以把多個(gè)樣品進(jìn)行烘干取平均值以降低實(shí)驗(yàn)誤差。烘干法測定土壤含水量操作簡單，測得的結(jié)果較為準(zhǔn)確。其不足之處是在采樣時(shí)不可以采取同一層土壤進(jìn)行測量，需要分層采樣測量［5］。而且在烘干操作時(shí)溫度較高，土壤易發(fā)生化學(xué)變化，從而影響最后測量結(jié)果，應(yīng)在烘干操作時(shí)嚴(yán)格把控時(shí)間。

2.2 傳感器法

水分傳感器有直接顯示和二次傳感兩種類型［5］。以U型水銀柱顯示器在直接顯示傳感器中精密度最高，讀數(shù)最為準(zhǔn)確，誤差較小。但實(shí)驗(yàn)操作過程中如果有水銀灑出會(huì)污染環(huán)境，危害人體健康。二次傳感顯示器實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化測量［6］，可以直接讀出土壤含水量，較為方便。研究發(fā)現(xiàn)二次傳感器還可以用于土壤水勢的測量［7］。傳感器法測量土壤水分含量可以做到隨時(shí)隨地測量，不受地理位置限制，測量快速，成本較低。缺點(diǎn)是測定土壤含水量受傳感器本身影響較大，對傳感器的生產(chǎn)廠家制造標(biāo)準(zhǔn)要求較高，儀器生產(chǎn)需要做到高精密度產(chǎn)出。

2.3 射線測定法

射線法測定土壤含水量，是根據(jù)射線穿透過土壤過程中衰變的能量與土壤含水量有函數(shù)關(guān)系，通過函數(shù)圖像計(jì)算出土壤水分含量。射線法有中子儀法、X-射線法和γ-射線法等。中子儀法是衰減能量的中子數(shù)和土壤含水量有確定的函數(shù)關(guān)系［8］，從而求出土壤含水量。采用中子儀測量法測定過程中不受土壤深度的影響。但中子儀設(shè)備昂貴，且對人體有輻射危害，一般實(shí)驗(yàn)室不具備實(shí)驗(yàn)條件。CT是將X-射線經(jīng)過土壤時(shí)衰減能量變化轉(zhuǎn)換為圖像，顯示出土壤內(nèi)部組成后再分析計(jì)算出土壤含水量。CT也是一種發(fā)展技術(shù)較為成熟方便的射線法測定土壤水含量的方法，但測量過程中受土壤容量的影響［9］。

3 土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中最活躍的部分，它包括各類含碳有機(jī)化合物，是土壤肥力的基礎(chǔ)，可以說沒有土壤有機(jī)質(zhì)就沒有土壤肥力。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的主要來源，可以提供植物所需要的各種養(yǎng)分。土壤有機(jī)質(zhì)促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的形成，降低土壤粘性，減少耕作阻力，提高耕作質(zhì)量。土壤有機(jī)質(zhì)為植物提供營養(yǎng)物質(zhì)，為微生物提供能源物質(zhì)，同時(shí)也是組成土壤結(jié)構(gòu)的重要因子［10］。土壤有機(jī)質(zhì)直接影響土壤溫度、通氣狀況、土壤肥性、保墑性、緩沖性和土壤可耕性。可采用三種主要方法干燒法、灼燒法和化學(xué)氧化法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量。

3.1 干燒法

干燒法［11］是將土壤樣品在不含有CO2的惰性氣流或直接在O2氣流中進(jìn)行燃燒釋放出CO2到達(dá)檢測點(diǎn)，再通過檢測儀器測量出所生成的CO2含量，計(jì)算出土壤有機(jī)質(zhì)含量。土壤中的有機(jī)質(zhì)經(jīng)過干燒法可以全部分解，不受其他物質(zhì)的干擾，測量結(jié)果相對準(zhǔn)確。但干燒法操作起來相對復(fù)雜、耗時(shí)，需要精密的儀器進(jìn)行處理分析，分析操作成本較高，不適合小型普通實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

3.2 灼燒法

灼燒法是將土壤的自由水和吸濕水烘干去除后稱其重量再將土壤樣品置于350～1000℃灼燒一段時(shí)間，再稱樣品重量，兩次重量之差即是土壤樣品中有機(jī)質(zhì)的重量【12】。灼燒法只是簡單的物理變化過程，不產(chǎn)生化學(xué)污染，缺點(diǎn)是土壤中碳酸鹽的分解和結(jié)構(gòu)水的失去使得該法測量的土壤有機(jī)質(zhì)含量偏高［12］。灼燒法操作相對簡單，可以快速測定大量土壤樣品中有機(jī)質(zhì)的含量。目前，TOC分析儀［13］測定土壤有機(jī)質(zhì)含量的方法已經(jīng)被普遍認(rèn)同，可以完成土壤有機(jī)質(zhì)含量的批量測定。

3.3 化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法是指在酸性條件下用重鉻酸鉀或高錳酸鉀作氧化劑，將土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行氧化，記錄下所消耗的氧化劑的量。丘林法較為常用［14］，將土壤有機(jī)質(zhì)利用過量的K2Cr2O7-H2SO4標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行氧化，再使用FeSO4標(biāo)準(zhǔn)溶液回滴剩余的K2Cr2O7溶液，利用公式計(jì)算出土壤有機(jī)質(zhì)的含量。化學(xué)氧化法的優(yōu)點(diǎn)是在一般實(shí)驗(yàn)室就可以完成測量土壤有機(jī)質(zhì)含量的操作，但在實(shí)驗(yàn)中要使用大量的濃硫酸、鉻鹽易造成二次污染。特別是濃硫酸在操作過程中容易對人體的皮膚造成腐蝕傷害，因此化學(xué)氧化法測定土壤中有機(jī)質(zhì)含量時(shí)要注意操作規(guī)范和實(shí)驗(yàn)安全。實(shí)驗(yàn)用化學(xué)藥品易造成環(huán)境污染，要達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)才能進(jìn)行排放。

4 結(jié)語

土壤酸堿度、含水量和有機(jī)質(zhì)的測量方法存在需要完善和改進(jìn)的地方，需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。在測定土壤酸堿度時(shí)，采用比色法雖簡單方便，而用pH計(jì)進(jìn)行測量時(shí)，得到的pH值更為準(zhǔn)確，因此測量土壤pH值時(shí)可采用電位法較準(zhǔn)確地測量出土壤酸堿度。對土壤含水量的測定可采用土壤水分傳感器法，它本身測量較為方便，可以做到實(shí)時(shí)實(shí)地進(jìn)行測量，測量結(jié)果也較為準(zhǔn)確。而烘干稱重法在實(shí)驗(yàn)操作過程中需要嚴(yán)格把控烘干時(shí)間，對實(shí)驗(yàn)操作要求較高。射線測定法測定土壤含水量時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程有較大的輻射，不建議采用這種方法測定土壤含水量。可采用化學(xué)氧化法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，化學(xué)氧化法在普通實(shí)驗(yàn)室就具備實(shí)驗(yàn)條件，氧化還原滴定是實(shí)驗(yàn)室常規(guī)性操作實(shí)驗(yàn)，操作簡便，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般較為準(zhǔn)確。而干燒法對實(shí)驗(yàn)室設(shè)備要求較高，精密分析儀器價(jià)格昂貴，一般實(shí)驗(yàn)室不具備實(shí)驗(yàn)條件。灼燒法測定的土壤含水量結(jié)果偏高，不如化學(xué)氧化法測定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確。

在現(xiàn)在仍有很多其他土壤酸堿度、含水量和有機(jī)質(zhì)含量的測定方法處于研究中，有些新的研究方法已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，只是尚未確定其可靠性，需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)去證明其可行性。今后對測量方法需要進(jìn)行更加深入地研究，逐步完善技術(shù)手段，改進(jìn)儀器設(shè)備，以期望達(dá)到實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確快速，實(shí)驗(yàn)成本低效率高，誤差小，符合科學(xué)測量標(biāo)準(zhǔn)。今后的發(fā)展前景向著實(shí)驗(yàn)速度快、結(jié)果準(zhǔn)確、操作安全和實(shí)驗(yàn)成本低的方向發(fā)展。