土壤pH 測(cè)定的影響因素探討

李朝英,鄭 路,2

(1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心,憑祥532600;2 廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,憑祥532600)

土壤酸堿性受氣候、地形、母質(zhì)、植被、人類活動(dòng)及鹽基飽和度等多種因素影響,是土壤的重要化學(xué)性質(zhì)之一[1-2]。土壤酸堿性與土壤諸多理化性質(zhì)密切相關(guān),對(duì)土壤養(yǎng)分存在的形態(tài)和有效性、微生物活性、營(yíng)養(yǎng)元素的傳遞和有效吸收以及植物生長(zhǎng)發(fā)育有很大影響;同時(shí),土壤酸堿性還是重金屬元素吸附和解析及污染物降解的關(guān)鍵因素之一[3-5]。隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展,土壤酸化程度日益加劇,隨之引發(fā)了土壤退化、農(nóng)作物減產(chǎn)、重金屬污染程度加重等諸多問(wèn)題,制約了土地可持續(xù)性發(fā)展。土壤酸堿性通常以土壤pH 衡量,準(zhǔn)確測(cè)定土壤pH 對(duì)改良土壤、發(fā)展農(nóng)林及保護(hù)環(huán)境等有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。土壤pH 測(cè)定方法主要為電位法,其操作方便,檢測(cè)高效,適用于實(shí)驗(yàn)室日常檢測(cè)分析。但是,不同資料所述電位法中,樣品處理時(shí)間及靜置時(shí)間、懸液測(cè)定狀態(tài)等存在差異,至今無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),也未見(jiàn)相關(guān)比較討論[6-7]。此外,國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)指出水、氯化鉀浸提液用于酸性和中性土壤pH 測(cè)定,氯化鈣浸提液用于堿性土壤pH 測(cè)定,而3 種浸提液測(cè)定土壤pH 的比較及其相關(guān)性分析少有報(bào)導(dǎo),如何選擇使用并不清楚[8-10]。目前,多以水浸提液測(cè)定pH,但該方法重復(fù)性不好,尤其是檢測(cè)pH 變化較大的樣品,讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)間偏長(zhǎng),檢測(cè)誤差大。鑒于此,本試驗(yàn)在不同檢測(cè)條件下測(cè)定土壤pH,探討土壤pH 測(cè)定的影響因素,并對(duì)3 種浸提液所測(cè)土壤pH 進(jìn)行比較分析,探討三者的相關(guān)性,以期探尋pH 測(cè)定誤差產(chǎn)生的原因,確定適宜的檢測(cè)條件,為土壤pH 測(cè)定提出一種優(yōu)選方法,為準(zhǔn)確測(cè)定土壤pH 提供可行的參考與指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

氯化鉀、氯化鈣、pH 4.01 標(biāo)液、pH 6.86 標(biāo)液均為分析純;水為去離子水。

pH 計(jì)(復(fù)合電極)、磁力攪拌器、往復(fù)式振蕩器。

1.2 樣品采集與處理

2018年4月在中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心青山實(shí)驗(yàn)場(chǎng)人工林樣地采集11個(gè)土壤樣品,在廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站設(shè)置的伏波實(shí)驗(yàn)場(chǎng)人工林樣地采集10個(gè)土壤樣品。土壤樣品風(fēng)干后,去除殘留的植物殘?bào)w,壓碎過(guò)孔徑2 mm 篩,裝袋標(biāo)識(shí)。

1.3 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣西憑祥市(21°57′—22°19′N,106°39′—106°59′E)的青山實(shí)驗(yàn)場(chǎng)和伏波實(shí)驗(yàn)場(chǎng),屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候,年均氣溫21.5 ℃,年均降水量1200—1400 mm,土壤為花崗巖發(fā)育成的赤紅壤和紅壤。

1.4 試驗(yàn)方法

(1)土壤樣1—9 共稱取9 份,每個(gè)樣8 g,9 份土壤均分為3 組,按液土比2.5∶1加入20 mL 水。各組分別振蕩5 min、30 min、60 min 后,分別靜置0 min、30 min、60 min,將轉(zhuǎn)子放入待測(cè)液,待轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定后,將電極放入攪拌中懸液測(cè)定土壤pH水(表示以水浸提所測(cè)pH)。以上試驗(yàn)重復(fù)3 次。

(2)土壤樣1—9 共稱取5 份,每個(gè)樣8 g,按液土比2.5∶1加入20 mL 水,振蕩30 min 后,分別靜置30 min、60 min、120 min、180 min、240 min,將電極放入攪拌中懸液測(cè)定土壤pH。

(3)土壤樣1—9 共稱取6 份,每個(gè)樣8 g,6 份土壤均分為2 組,按液土比2.5∶1加入20 mL 水,振蕩30 min 后,靜置30 min,一組將電極放入上清液中測(cè)定,一組將電極放入攪拌中懸液測(cè)定土壤pH。

(4)土壤樣1—21 共稱取9 份,每個(gè)樣8 g,9 份土壤均分為3 組,3 組分別按液土比2.5∶1加1 mol∕L氯化鉀浸提液20 mL、0.01 mol∕L 氯化鈣浸提液20 mL、水20 mL,振蕩30 min 后,靜置30 min,將電極放入攪拌中懸液測(cè)定土壤pH。以氯化鉀、氯化鈣浸提液所測(cè)pH 分別表示為pH氯化鉀、pH氯化鈣。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及繪圖,使用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品處理及測(cè)定初始時(shí)間對(duì)土壤pH 測(cè)定的影響

由表1 可見(jiàn),相同振蕩時(shí)間下,靜置0 min 所測(cè)pH 的標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)偏高,靜置30 min、60 min 所測(cè)pH 的SD均呈下降趨勢(shì)。振蕩5 min、靜置60 min 所測(cè)結(jié)果與振蕩30 min、靜置30 min 或60 min 及振蕩60 min、靜置30 min 或60 min 的SD趨于一致,且小于0.12,說(shuō)明以上條件下檢測(cè)穩(wěn)定,精密度良好。長(zhǎng)時(shí)間振蕩后立即測(cè)定或者較短時(shí)間振蕩后靜置時(shí)間不足均會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果有一定影響,說(shuō)明振蕩與靜置對(duì)測(cè)定的作用并不等同,兩者不能相互取代。不同振蕩時(shí)間下,懸液靜置0 min 所測(cè)pH 與靜置30 min、60 min 均有顯著差異,靜置30 min、60 min 所測(cè)pH 無(wú)顯著差異。

由表2 可見(jiàn),振蕩時(shí)間與靜置時(shí)間交互作用Sig.=0.996(P＞0.05),說(shuō)明兩者交互無(wú)顯著性影響。可見(jiàn),振蕩5 min、靜置60 min 后可開(kāi)始檢測(cè),振蕩30 min、靜置30 min 后可開(kāi)始檢測(cè),這兩種做法的樣品準(zhǔn)備時(shí)間短,檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定。

表1 不同振蕩時(shí)間與靜置時(shí)間所測(cè)土壤pHTable 1 Soil pH measured by different oscillation time and standing time

表2 振蕩時(shí)間與靜置時(shí)間對(duì)土壤pH 測(cè)定結(jié)果的影響Table 2 Effects of oscillation time and standing time on soil pH determination results

2.2 樣品測(cè)定時(shí)限對(duì)土壤pH 測(cè)定的影響

由圖1 可見(jiàn),振蕩30 min 后,懸液靜置30 min、60 min、120 min、180 min 所測(cè)pH 趨于一致,懸液靜置240 min 所測(cè)pH 有明顯波動(dòng)。靜置30—60 min、靜置30—120 min 所測(cè)pH 變幅分別為0—0.07、0—0.09,靜置30—180 min 所測(cè)pH 變幅為0—0.13,靜置30—240 min 所測(cè)pH 變幅為0.02—0.29,其中有4個(gè)樣品的pH 變幅超過(guò)0.15, 說(shuō)明懸液靜置120 min、180 min、240 min 所測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性依次下降。本試驗(yàn)在28 ℃室溫下進(jìn)行,pH 計(jì)開(kāi)啟了溫度補(bǔ)償功能,可排除溫度對(duì)測(cè)定的影響,說(shuō)明懸液隨靜置時(shí)間延長(zhǎng)發(fā)生的變化影響了測(cè)定結(jié)果。以上結(jié)果表明,為了保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確穩(wěn)定,懸液靜置時(shí)間在30—120 min 為宜。

圖1 懸液靜置不同時(shí)間的測(cè)定結(jié)果Fig.1 Determination results of suspension standing for different time

2.3 測(cè)定狀態(tài)對(duì)土壤pH 測(cè)定結(jié)果的影響

由表3 可見(jiàn),pH 小于6 的樣品,測(cè)定上清液、攪拌中懸液的pH 差值在0.13 以內(nèi),SD分別為0.01—0.16、0.02—0.11。pH 大于6 的樣品,兩種狀態(tài)的pH 差值為0.10—0.48,SD分別為0.06—0.20、0.04—0.09?？梢?jiàn),pH 小于6 的樣品兩種狀態(tài)的測(cè)定結(jié)果差異小于pH 大于6 的樣品,攪拌中懸液所測(cè)pH 精密度高于上清液。方差分析表明,pH 小于6 的樣品兩種測(cè)定狀態(tài)的pH 無(wú)顯著差異,pH 大于6 的樣品兩種測(cè)定狀態(tài)的pH 有顯著差異,說(shuō)明不同測(cè)定狀態(tài)對(duì)pH 不同的樣品測(cè)定結(jié)果有不同影響。

由圖2 可見(jiàn),樣3、樣7、樣8、樣9 在攪拌中懸液所測(cè)結(jié)果穩(wěn)定用時(shí)在20—60 s,上清液所測(cè)結(jié)果穩(wěn)定用時(shí)在80—100 s,說(shuō)明電極在攪拌中懸液的響應(yīng)速度快于上清液,更有利于pH 檢測(cè)分析。

表3 兩種不同測(cè)定狀態(tài)所測(cè)土壤pH(n=3)Table 3 Soil pH measured by different determination status of samples(n=3)

圖2 四個(gè)樣品在兩種測(cè)定狀態(tài)不同時(shí)間點(diǎn)的測(cè)定結(jié)果Fig.2 Determination results of 4 samples of two determination status at different time points

2.4 不同浸提液所測(cè)土壤pH 比較

由圖3 可見(jiàn),pH水高于pH氯化鉀、pH氯化鈣,pH水與pH氯化鉀、pH氯化鈣的差值分別在0.61—1.70、0.81—1.15,3 種浸提液所測(cè)pH 有顯著差異。

圖3 三種浸提液所測(cè)土壤pH 結(jié)果的比較Fig.3 Comparison of soil pH measured by 3 kinds of extracts

對(duì)3 種浸提液所測(cè)土壤pH 進(jìn)行相關(guān)性分析,pH水與pH氯化鉀的擬合線性方程為y=1.230x+0.130(R2=0.922),pH水與pH氯化鈣的擬合線性方程為y=0.986x+1.018(R2=0.990),pH氯化鉀與pH氯化鈣的擬合線性方程為y=0.744x+0.952(R2=0.936)。三種浸提液所測(cè)pH 趨勢(shì)一致,具有顯著相關(guān)性,所擬合的線性方程具有良好相關(guān)性,說(shuō)明三者測(cè)定值之間可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算。其中pH水與pH氯化鈣的相關(guān)性較高,兩者轉(zhuǎn)換計(jì)算的誤差較小。

由表4 可見(jiàn),21個(gè)土壤樣品根據(jù)pH水與pH氯化鈣和pH氯化鉀的擬合線性方程,測(cè)得的pH氯化鈣和pH氯化鉀轉(zhuǎn)換計(jì)算為水浸提液的pH,分別為pH氯化鈣轉(zhuǎn)換值、pH氯化鉀轉(zhuǎn)換值。pH氯化鈣轉(zhuǎn)換值與pH水的差值在0.03—0.30,差值大于0.20 的樣品占14%,差值在0.10—0.19 的樣品占38%,差值小于0.10 的樣品占48%。pH氯化鈣的SD在0.04 以內(nèi)。pH氯化鉀轉(zhuǎn)換值與pH水的差值在0.02—1.34,差值大于0.20 樣品占67%,差值在0.10—0.19 的樣品占9.5%,差值小于0.10 的樣品占23.5%。pH氯化鉀的SD在0.11 以內(nèi)。pH水的SD在0.02—0.32,高于pH氯化鈣、pH氯化鉀。在同樣檢測(cè)條件下,pH氯化鈣、pH氯化鉀讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)間均在30 s 以內(nèi),較pH水的穩(wěn)定時(shí)間短,說(shuō)明pH氯化鈣、pH氯化鉀干擾因素小,精密度較高,測(cè)定穩(wěn)定,重復(fù)性良好;pH水測(cè)定結(jié)果變異較大,精密度欠佳。21個(gè)土壤樣品的pH 在4—9,pH氯化鈣轉(zhuǎn)換值與pH水差值較小。pH 小于5 的土壤,pH氯化鉀轉(zhuǎn)換值與pH水接近,兩者差值小于0.45;pH 在5—9 的土壤,pH氯化鉀轉(zhuǎn)換值與pH水差值有增大趨勢(shì),說(shuō)明氯化鈣浸提液可用于多種土壤pH 測(cè)定,氯化鉀浸提液適用土壤范圍有限。所測(cè)pH氯化鈣穩(wěn)定快捷,與pH水接近。因此,采用氯化鈣浸提液測(cè)定土壤pH 具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表4 三種浸提液所測(cè)土壤pH 的轉(zhuǎn)換計(jì)算及差異比較(n=3)Table 4 Conversion calculation and difference comparison of soil pH measured by 3 kinds of extracts(n=3)

3 結(jié)論與討論

土壤pH 取決于土壤溶液中H+、Al3+與OH-的差值大小。土壤懸液中交換性離子與土壤顆粒表面交換性H+、Al3+與OH-的交換情況以及電極的液接電位變化等均可造成pH 的偏移。此外,有研究發(fā)現(xiàn),未引入H+的條件下,土壤鹽分量變化也會(huì)引起pH 的明顯變化?？梢?jiàn),影響土壤pH 的機(jī)理較為復(fù)雜[11-12]。

為了使土壤懸液達(dá)到平衡,保證pH 測(cè)定準(zhǔn)確,林業(yè)行標(biāo)提出振蕩1—2 min、靜置30 min 后測(cè)定;農(nóng)業(yè)行標(biāo)提出攪拌5 min、靜置60—180 min 測(cè)定;國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)指出振蕩60 min、靜置60—180 min 測(cè)定;環(huán)境行標(biāo)及土壤普查技術(shù)規(guī)范指出振蕩或攪拌2 min、靜置30 min,在60 min 內(nèi)完成檢測(cè)。本試驗(yàn)表明,振蕩5 min、靜置30 min,所測(cè)pH 不穩(wěn)定;振蕩5 min、靜置60 min,以及振蕩30 min 或60 min、靜置30 min 或60 min,在120 min 以內(nèi)完成檢測(cè),所測(cè)pH 穩(wěn)定,是適宜的檢測(cè)條件。本試驗(yàn)提出的樣品處理時(shí)間及靜置時(shí)間與現(xiàn)行農(nóng)業(yè)行標(biāo)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求一致,與環(huán)境行標(biāo)及林業(yè)行標(biāo)有所不同[13-14]。

現(xiàn)有資料對(duì)于土壤pH 待測(cè)液狀態(tài)有不同說(shuō)法,如測(cè)定攪拌中的懸液、上清液和濾液等,關(guān)于待測(cè)液狀態(tài)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響存在分歧[14-15]。本試驗(yàn)表明,電極置于攪拌中懸液測(cè)定,能迅速甩掉電極玻璃球上的水膜,減小液接電位的影響,提升電極的響應(yīng)速度及靈敏度,較測(cè)定上清液更易于保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性[16-18]。這與林業(yè)行標(biāo)所述不同,但與農(nóng)業(yè)行標(biāo)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)所述一致。本試驗(yàn)還表明,pH 小于6 的土壤樣品在兩種測(cè)定狀態(tài)下所測(cè)結(jié)果差異較小,pH 大于6 的土壤樣品在兩種測(cè)定狀態(tài)下所測(cè)結(jié)果差異大于0.3。液接電位導(dǎo)致的pH 變化一般小于0.3,說(shuō)明除了液接電位外,還受其他因素影響?，F(xiàn)有資料對(duì)此未見(jiàn)相關(guān)報(bào)導(dǎo),有待于進(jìn)一步探討[19-20]。

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)方法指出水與氯化鉀浸提液用于酸性和中性土壤pH 測(cè)定,氯化鈣浸提液限于堿性土壤的測(cè)定。本試驗(yàn)表明,pH氯化鉀、pH氯化鈣均小于pH水,三者存在顯著性差異,但三者有良好的相關(guān)性,可進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算。尤其是pH氯化鈣與pH水?dāng)M合的線性方程斜率接近1,相關(guān)系數(shù)R2大于0.98,兩者相關(guān)性較高。由于氯化鈣、氯化鉀浸提液的離子強(qiáng)度較高,電極響應(yīng)速度迅速,液接電位影響減小,檢測(cè)結(jié)果重復(fù)性好;水的離子強(qiáng)度較弱,電極響應(yīng)速度慢,液接電位影響明顯,易造成讀數(shù)偏移,檢測(cè)結(jié)果重復(fù)性差。pH水的精密度低于pH氯化鉀、pH氯化鈣。試驗(yàn)表明,所測(cè)pH氯化鈣根據(jù)pH氯化鈣與pH水的線性方程轉(zhuǎn)換計(jì)算值與pH水的差異較小,兩者有較強(qiáng)的可比性及參考性。pH 小于5 的土壤,pH氯化鉀的轉(zhuǎn)換計(jì)算值與pH水差異較小,pH 在5—9 的土壤,pH氯化鉀轉(zhuǎn)換值與pH水差異增大,兩者可比性欠佳?？梢?jiàn),氯化鈣浸提液所測(cè)pH氯化鈣精度高,誤差小,適用于酸性、弱酸性及中性土壤的pH 測(cè)定,是土壤pH 測(cè)定的優(yōu)選方法,可代替水浸提法測(cè)定土壤pH[21-23]。本試驗(yàn)所述與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)所述有所不同,但與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提出的土壤pH 通用測(cè)定方法一致。本試驗(yàn)樣地所屬區(qū)域?yàn)榈湫湍蟻啛釒夂?土壤多為酸性、中性,所用土壤樣中堿性土壤少,其pH水與pH氯化鈣有待進(jìn)一步研究比較。

當(dāng)前對(duì)土壤pH 測(cè)定方法的研究及選擇通常忽視了土壤復(fù)雜多樣的情況對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響,很少提及測(cè)定干擾的排除。本試驗(yàn)對(duì)土壤pH 測(cè)定方法中的主要檢測(cè)條件進(jìn)行了分析,對(duì)檢測(cè)條件進(jìn)行了優(yōu)化,提出了土壤pH 準(zhǔn)確測(cè)定的方法。然而土壤pH 的檢測(cè)條件只是準(zhǔn)確測(cè)定的基本前提,并不能完全避免液接電位、土壤可溶鹽等干擾而引發(fā)的檢測(cè)誤差,以及檢測(cè)重復(fù)性差、精密度差的問(wèn)題。氯化鈣浸提液測(cè)定土壤pH,避免了水浸提測(cè)定存在的液接電位、電極響應(yīng)慢以及土壤可溶鹽等方面的干擾,提高了檢測(cè)準(zhǔn)確性。尤其是酸性及中性土壤的pH氯化鈣轉(zhuǎn)換值與pH水有良好的可比性,為準(zhǔn)確測(cè)定土壤pH 及深入研究土壤提供了可行的參考。