经验案例

土壤离子元素传感器土壤反应（pH）

从农业的角度来看，pH 值很重要，因为它强烈影响植物生长、养分利用率、元素毒性和微生物活性。在农业意义上，土壤 pH 值间接影响植物生长。

这是因为根据土壤的 pH 值，各种矿物质养分很容易以不同的浓度获得。在特定的 pH 值水平下，某些矿物质营养素与其他矿物质一起保留，植物无法获得。
例如，对于棉花，土壤 pH 值应在 5.5 – 7.0 的范围内。如果 pH 值大于 7，某些营养素（例如锌）的可用性可能会受到限制。在土壤中度（即pH 7-8.5）至强碱性（即> 8.5）的干旱和半干旱棉花种植区可能就是这种情况。

相反，如果 pH 值小于 5，则磷、钙、镁和钼等一些营养物质的可用性非常低，因此植物吸收受到限制。
此外，一些通常不溶的阳离子（例如铁和铝）可能会释放到土壤溶液中。由于许多植物根部对铝毒性的敏感性，结果将降低植物活力。
调整土壤 pH 值通常会导致养分重新吸附或释放回土壤溶液中。因此，有人认为 pH 值是唯一最重要的土壤诊断化学测量值。
术语 pH 是潜在氢的缩写。这是因为 pH 值表示土壤溶液中 H+ 活性的浓度。表达如下：
pH = -log (H+)
土壤反应或 pH 值描述了土壤的酸度或碱度。的pH值刻度范围是0 -14。介于 0 和 7 之间的值被认为是酸性的，1.0 的 pH 值表示非常酸，而 6.0 的 pH 值表示弱酸。
7 到 14 之间的值被称为碱性或碱性；数值越大表示碱度越强。值 7 是刻度的中点，是中性的。纯水的pH值是中性的。
因为 pH 值是对数的，从 pH 值 7 开始，每个数字的酸度都比之前的高十倍 (x10)。例如，土壤 pH 值为 6 的酸性比中性（即 pH 值 7）高 10 倍。此外，pH 值为 5 的土壤比中性（pH 值 7）的酸性强 100 倍。换句话说，氢离子越多，土壤越酸。
土壤 pH 值的范围（即大多数土壤的 95%）通常在 4 到 10 之间。酸性和碱性土壤的分布通常是气候的函数。
酸性土壤在降雨量高且自由排水有利于酸的浸出和生物生产的地方最为常见。这是因为钙、镁、钾和钠的大部分可交换阳离子被浸出。这个过程的发生是因为以两种方式之一将弱酸（即碳酸）引入土壤剖面。
在大气中，当雨滴在空气中形成并落下时，二氧化碳溶解在雨水中形成碳酸：
H2O (aq) + CO2 (g) ↔ H2CO3 (aq)
这种弱酸对植物和动物无害，但在很长一段时间内，它能够溶解岩石，如长石和石灰石。这是因为在土壤溶液中且 pH 值高于 6 时，碳酸会迅速分解以释放 H+ 离子，如下所示：
H2CO3 ↔ H+ (水溶液) + HCO3- (水溶液)
现在有过量的 H+，因此该稀释溶液呈酸性，H+ 的额外释放发生如下：
HCO3- (水溶液) ↔ H+ (水溶液) + CO32- (水溶液)
这就是为什么在与大气平衡时，水的 pH 值为 5.6 的微酸性。这也是为什么在高降雨量地区发现天然酸性土壤类型的原因。

碳酸是弱酸，仅部分离解以释放 H+，而强酸几乎完全离解。碳酸太弱，在 pH < 5 时不能分解太多，但在碱性（pH > 7）和中性土壤中具有显着的酸化作用，可以释放植物养分并促进矿物风化。
此外，由于在高降雨量地区土壤有机质 (OM) 的产生量通常较大，因此微生物会催化碳酸。
在这里，细菌介导了腐烂的 OM 氧化成 CO2。可以通过用简单的碳水化合物 (CH2O) 表示 OM 来考虑这种氧化反应。整体反应如下：
CH2O (s) + O2 (g) → H2O (aq) + CO2 (g) ↔ 2H+ (aq) + CO32- (aq)
将这些反应推向正确的土壤过程包括根呼吸和微生物对土壤有机质的分解。在这两种情况下，都会产生高浓度的 CO2。
因此，渗出的水呈微酸性，逐渐导致土壤酸化。这是因为渗滤水取代并浸出土壤剖面中的可溶性可交换阳离子（即钙、镁、钾和钠）。交换阳离子已被氢离子（即H+）取代。
相反，碱性土壤（例如 Calcarosol、Vertosol 和 Sodosol）是蒸发蒸腾量超过降雨量的干旱和半干旱景观的同义词，这有利于可交换阳离子的保留和积累。
在这些气候区，土壤的碱性是底土层中碳酸钙含量的函数。
碳酸盐从最初被吹到土壤表面的富含碳酸盐的粉尘 (CaCO3) 中积累。如上所述，降水中的水 (H2O) 与大气和土壤中的二氧化碳 (CO2) 结合形成弱碳酸 (H2CO3)。
土壤表面和土壤表面的碳酸钙与碳酸发生反应。这会溶解 CaCO3，释放 Ca2+ (aq) 使其移动，这两种离子通过渗透水更深地转移到土壤剖面中：
H2CO3 + CaCO3 (s) ↔ Ca2+ (aq) + 2HCO3- (aq)
深度干燥条件导致次生碳酸盐沉淀：
Ca2+ + 2HCO3- + H2O ↔ CO2 + CaCO3 (s)

因此，高 pH 值表明土壤已被可交换阳离子完全饱和，并且土壤中存在游离 CaCO3。碳酸盐含量高的土壤剖面的 pH 值约为 8.3。
碳酸盐（例如 CaCO3）可能以结核或扩散区的形式存在。与盐酸 (HCl) 一起泡腾表明存在碳酸盐。
为了测量 pH 值，实验室方法需要在不同比例的土壤/液体系统中使用玻璃电极 pH 计。液体是蒸馏水或一系列盐类（例如 0.01 M 氯化钙 - CaCl2），土壤与水的比例从 1:1（即 pH1:1）到 1:5（即 pH1:5）。
首选 CaCl2 溶液（即 pHCaCl2），因为水会过度稀释土壤溶液，因此会导致大多数土壤类型的 pH 值高估约 0.5。然而，在澳大利亚，通常测定土壤 pH 值 1:5。terraGIS 中显示的所有数据均使用 pH1:5 方法确定。
无论使用何种方法，提取物均使用 pH 计测量，该计显示含有已知 pH 值溶液的玻璃电极与测试溶液之间的电位差。
为了确定土壤 pH1:5，使用电测法，进行以下步骤：
将 5 克土壤放入弹出式管中；
加入25毫升蒸馏水；
将密封的顶管放在纺车上；
20 分钟后取出弹出式管；和，
使用 pH 计测量和记录土壤。