经验案例

土壤离子超标监测土壤特性：水

土壤作为一个复杂的系统支持植物的生长。它做到这一点的能力不仅取决于充足的营养供应，还取决于充足的水和空气供应。这需要足够的孔隙空间以允许植物（根）生长，但同时为植物呼吸提供大量用于储存和通气的水。
一般来说，水会导致土壤矿物颗粒膨胀和收缩并相互粘附。通过这种方式，它可以启动结构聚合过程。它还与许多化学反应密切相关，这些化学反应使初级和次级粘土矿物风化（例如水解），将化学养分释放到土壤溶液中并产生酸度。
在土壤中，水储存在孔隙中以及由于土壤颗粒（即粘土、淤泥和沙子）的物理聚集而产生的有机和无机土壤矿物颗粒表面。通过这种方式，大量的水可以保持在土壤中。据估计，对于 1 m 的深度，田间容量的土壤可以容纳大约 800,000 L (0.8 ML) 的水。
然而，土壤储水量从来都不是永久性的，在空间和时间上表现出很大的变化。在土壤表面附近尤其如此，在自然系统下，水通过人工系统中的降水和灌溉来添加。在水进入土壤的同时，它可以在活跃的根部存在的情况下迅速去除。在这方面，水以气态形式（即蒸腾和蒸发）被去除。在植物不利用水的地方，水可以以液体形式排出（例如，深排入地下水）。
要了解水实际上是如何保持在土壤中并为植物提供的，重要的是要了解它如何结合和释放。首先要意识到的是，单个水 (H 2 O) 分子是中性的。也就是说，与氧原子相关的负电荷（即-2）等于与两个单独的氢原子相关的正电荷的数量（即每个+1）。
然而，总电荷是不对称的。也就是说，带负电荷的电子不是均匀分布的。这是因为较大且带正电的氧原子对这些电子施加更强的拉力。因此，电子在水分子的氧端停留的时间更长。其结果是，水分子的氧端是部分地（d - ）阴性和氢端部分（d +）阳性。

水分子的这些特征有两个重要的影响。首先，许多土壤矿物颗粒具有带负电的表面（即粘土矿物结构的暴露的和带负电的氧原子）。这些带负电的氧原子吸引水分子的部分（d -）带正电的一面。这种吸引力导致形成强大的粘附力。
只需在干燥的土壤上滴几滴水，就可以看到一个简单的实验，它突出了这种吸引力的强度。水分子立即被吸附，散布在土壤上，形成几分子厚的薄膜。这称为附着水。粘附水的程度虽然约为 10 个分子厚，但不能用于植物吸收。
其次，水分子通过氢（H）键相互吸引。这种类型的结合称为内聚力，使水分子将自身附着在粘附水上。由于内聚力而保留在土壤中的水称为内聚水。这种水流动性稍大，通常可供植物使用。然而，分子不像粘附水那样定向。
结合粘附力/内聚力导致相当厚的水膜被保持在土壤颗粒表面上。因为保持水的力是表面吸引力，土壤的表面积越大，吸附的水量就越大。出于实际目的，这意味着粘土或有机土壤比沙质土壤可以容纳更多的水。
剩余的土壤水保留在通气孔中，通常由于重力而通过排水去除。它通常不适用于植物，因为它会在降雨或灌溉后的两天内移出剖面。
可交换的阳离子，如钙 (Ca 2+ )、镁 (Mg 2+ )、钾 (K + ) 和钠 (Na + )，它们在土壤溶液中以及粘土和腐殖质的带电表面上很常见，也被吸引到水分子的氧端（即更负端）。因此，阳离子可以从土壤颗粒的固体基质中去除并进入土壤溶液。
在土壤溶液中，阳离子被定向的水分子壳包围。这是土壤溶液中阳离子的正常状态。据说它们是水合的。与阳离子相关的水分子数（即水合半径）是离子电荷和阳离子大小的函数。