土壤pH 測定的影響因素探討

李朝英,鄭 路,2

(1 中國林業科學研究院熱帶林業實驗中心,憑祥532600;2 廣西友誼關森林生態系統國家定位觀測研究站,憑祥532600)

土壤酸堿性受氣候、地形、母質、植被、人類活動及鹽基飽和度等多種因素影響,是土壤的重要化學性質之一[1-2]。土壤酸堿性與土壤諸多理化性質密切相關,對土壤養分存在的形態和有效性、微生物活性、營養元素的傳遞和有效吸收以及植物生長發育有很大影響;同時,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鍵因素之一[3-5]。隨著工業和農業的發展,土壤酸化程度日益加劇,隨之引發了土壤退化、農作物減產、重金屬污染程度加重等諸多問題,制約了土地可持續性發展。土壤酸堿性通常以土壤pH 衡量,準確測定土壤pH 對改良土壤、發展農林及保護環境等有著重要的現實意義。土壤pH 測定方法主要為電位法,其操作方便,檢測高效,適用于實驗室日常檢測分析。但是,不同資料所述電位法中,樣品處理時間及靜置時間、懸液測定狀態等存在差異,至今無統一標準,也未見相關比較討論[6-7]。此外,國內標準指出水、氯化鉀浸提液用于酸性和中性土壤pH 測定,氯化鈣浸提液用于堿性土壤pH 測定,而3 種浸提液測定土壤pH 的比較及其相關性分析少有報導,如何選擇使用并不清楚[8-10]。目前,多以水浸提液測定pH,但該方法重復性不好,尤其是檢測pH 變化較大的樣品,讀數穩定時間偏長,檢測誤差大。鑒于此,本試驗在不同檢測條件下測定土壤pH,探討土壤pH 測定的影響因素,并對3 種浸提液所測土壤pH 進行比較分析,探討三者的相關性,以期探尋pH 測定誤差產生的原因,確定適宜的檢測條件,為土壤pH 測定提出一種優選方法,為準確測定土壤pH 提供可行的參考與指導。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

氯化鉀、氯化鈣、pH 4.01 標液、pH 6.86 標液均為分析純;水為去離子水。

pH 計(復合電極)、磁力攪拌器、往復式振蕩器。

1.2 樣品采集與處理

2018年4月在中國林業科學研究院熱帶林業實驗中心青山實驗場人工林樣地采集11個土壤樣品,在廣西友誼關森林生態系統國家定位觀測研究站設置的伏波實驗場人工林樣地采集10個土壤樣品。土壤樣品風干后,去除殘留的植物殘體,壓碎過孔徑2 mm 篩,裝袋標識。

1.3 試驗地概況

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

1.4 試驗方法

(1)土壤樣1—9 共稱取9 份,每個樣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,將轉子放入待測液,待轉子轉動穩定后,將電極放入攪拌中懸液測定土壤pH水(表示以水浸提所測pH)。以上試驗重復3 次。

(2)土壤樣1—9 共稱取5 份,每個樣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定土壤pH。

(3)土壤樣1—9 共稱取6 份,每個樣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定,一組將電極放入攪拌中懸液測定土壤pH。

(4)土壤樣1—21 共稱取9 份,每個樣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定土壤pH。以氯化鉀、氯化鈣浸提液所測pH 分別表示為pH氯化鉀、pH氯化鈣。

1.5 數據處理

采用Excel 2013 軟件進行數據統計及繪圖,使用SPSS 19.0 軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 樣品處理及測定初始時間對土壤pH 測定的影響

由表1 可見,相同振蕩時間下,靜置0 min 所測pH 的標準偏差(SD)偏高,靜置30 min、60 min 所測pH 的SD均呈下降趨勢。振蕩5 min、靜置60 min 所測結果與振蕩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,說明以上條件下檢測穩定,精密度良好。長時間振蕩后立即測定或者較短時間振蕩后靜置時間不足均會對測定結果有一定影響,說明振蕩與靜置對測定的作用并不等同,兩者不能相互取代。不同振蕩時間下,懸液靜置0 min 所測pH 與靜置30 min、60 min 均有顯著差異,靜置30 min、60 min 所測pH 無顯著差異。

由表2 可見,振蕩時間與靜置時間交互作用Sig.=0.996(P＞0.05),說明兩者交互無顯著性影響。可見,振蕩5 min、靜置60 min 后可開始檢測,振蕩30 min、靜置30 min 后可開始檢測,這兩種做法的樣品準備時間短,檢測結果準確穩定。

表1 不同振蕩時間與靜置時間所測土壤pHTable 1 Soil pH measured by different oscillation time and standing time

表2 振蕩時間與靜置時間對土壤pH 測定結果的影響Table 2 Effects of oscillation time and standing time on soil pH determination results

2.2 樣品測定時限對土壤pH 測定的影響

由圖1 可見,振蕩30 min 后,懸液靜置30 min、60 min、120 min、180 min 所測pH 趨于一致,懸液靜置240 min 所測pH 有明顯波動。靜置30—60 min、靜置30—120 min 所測pH 變幅分別為0—0.07、0—0.09,靜置30—180 min 所測pH 變幅為0—0.13,靜置30—240 min 所測pH 變幅為0.02—0.29,其中有4個樣品的pH 變幅超過0.15, 說明懸液靜置120 min、180 min、240 min 所測結果的穩定性依次下降。本試驗在28 ℃室溫下進行,pH 計開啟了溫度補償功能,可排除溫度對測定的影響,說明懸液隨靜置時間延長發生的變化影響了測定結果。以上結果表明,為了保證測定結果的準確穩定,懸液靜置時間在30—120 min 為宜。

圖1 懸液靜置不同時間的測定結果Fig.1 Determination results of suspension standing for different time

2.3 測定狀態對土壤pH 測定結果的影響

由表3 可見,pH 小于6 的樣品,測定上清液、攪拌中懸液的pH 差值在0.13 以內,SD分別為0.01—0.16、0.02—0.11。pH 大于6 的樣品,兩種狀態的pH 差值為0.10—0.48,SD分別為0.06—0.20、0.04—0.09。可見,pH 小于6 的樣品兩種狀態的測定結果差異小于pH 大于6 的樣品,攪拌中懸液所測pH 精密度高于上清液。方差分析表明,pH 小于6 的樣品兩種測定狀態的pH 無顯著差異,pH 大于6 的樣品兩種測定狀態的pH 有顯著差異,說明不同測定狀態對pH 不同的樣品測定結果有不同影響。

由圖2 可見,樣3、樣7、樣8、樣9 在攪拌中懸液所測結果穩定用時在20—60 s,上清液所測結果穩定用時在80—100 s,說明電極在攪拌中懸液的響應速度快于上清液,更有利于pH 檢測分析。

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

圖2 四個樣品在兩種測定狀態不同時間點的測定結果Fig.2 Determination results of 4 samples of two determination status at different time points

2.4 不同浸提液所測土壤pH 比較

由圖3 可見,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pH 有顯著差異。

圖3 三種浸提液所測土壤pH 結果的比較Fig.3 Comparison of soil pH measured by 3 kinds of extracts

對3 種浸提液所測土壤pH 進行相關性分析,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pH 趨勢一致,具有顯著相關性,所擬合的線性方程具有良好相關性,說明三者測定值之間可以進行轉換計算。其中pH水與pH氯化鈣的相關性較高,兩者轉換計算的誤差較小。

由表4 可見,21個土壤樣品根據pH水與pH氯化鈣和pH氯化鉀的擬合線性方程,測得的pH氯化鈣和pH氯化鉀轉換計算為水浸提液的pH,分別為pH氯化鈣轉換值、pH氯化鉀轉換值。pH氯化鈣轉換值與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。pH氯化鉀轉換值與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。pH水的SD在0.02—0.32,高于pH氯化鈣、pH氯化鉀。在同樣檢測條件下,pH氯化鈣、pH氯化鉀讀數穩定時間均在30 s 以內,較pH水的穩定時間短,說明pH氯化鈣、pH氯化鉀干擾因素小,精密度較高,測定穩定,重復性良好;pH水測定結果變異較大,精密度欠佳。21個土壤樣品的pH 在4—9,pH氯化鈣轉換值與pH水差值較小。pH 小于5 的土壤,pH氯化鉀轉換值與pH水接近,兩者差值小于0.45;pH 在5—9 的土壤,pH氯化鉀轉換值與pH水差值有增大趨勢,說明氯化鈣浸提液可用于多種土壤pH 測定,氯化鉀浸提液適用土壤范圍有限。所測pH氯化鈣穩定快捷,與pH水接近。因此,采用氯化鈣浸提液測定土壤pH 具有明顯優勢。

表4 三種浸提液所測土壤pH 的轉換計算及差異比較(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,有研究發現,未引入H+的條件下,土壤鹽分量變化也會引起pH 的明顯變化。可見,影響土壤pH 的機理較為復雜[11-12]。

為了使土壤懸液達到平衡,保證pH 測定準確,林業行標提出振蕩1—2 min、靜置30 min 后測定;農業行標提出攪拌5 min、靜置60—180 min 測定;國際標準指出振蕩60 min、靜置60—180 min 測定;環境行標及土壤普查技術規范指出振蕩或攪拌2 min、靜置30 min,在60 min 內完成檢測。本試驗表明,振蕩5 min、靜置30 min,所測pH 不穩定;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 以內完成檢測,所測pH 穩定,是適宜的檢測條件。本試驗提出的樣品處理時間及靜置時間與現行農業行標、國際標準的要求一致,與環境行標及林業行標有所不同[13-14]。

現有資料對于土壤pH 待測液狀態有不同說法,如測定攪拌中的懸液、上清液和濾液等,關于待測液狀態對測定結果的影響存在分歧[14-15]。本試驗表明,電極置于攪拌中懸液測定,能迅速甩掉電極玻璃球上的水膜,減小液接電位的影響,提升電極的響應速度及靈敏度,較測定上清液更易于保證測定結果的準確性[16-18]。這與林業行標所述不同,但與農業行標與國際標準所述一致。本試驗還表明,pH 小于6 的土壤樣品在兩種測定狀態下所測結果差異較小,pH 大于6 的土壤樣品在兩種測定狀態下所測結果差異大于0.3。液接電位導致的pH 變化一般小于0.3,說明除了液接電位外,還受其他因素影響。現有資料對此未見相關報導,有待于進一步探討[19-20]。

國內標準方法指出水與氯化鉀浸提液用于酸性和中性土壤pH 測定,氯化鈣浸提液限于堿性土壤的測定。本試驗表明,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性,可進行轉換計算。尤其是pH氯化鈣與pH水擬合的線性方程斜率接近1,相關系數R2大于0.98,兩者相關性較高。由于氯化鈣、氯化鉀浸提液的離子強度較高,電極響應速度迅速,液接電位影響減小,檢測結果重復性好;水的離子強度較弱,電極響應速度慢,液接電位影響明顯,易造成讀數偏移,檢測結果重復性差。pH水的精密度低于pH氯化鉀、pH氯化鈣。試驗表明,所測pH氯化鈣根據pH氯化鈣與pH水的線性方程轉換計算值與pH水的差異較小,兩者有較強的可比性及參考性。pH 小于5 的土壤,pH氯化鉀的轉換計算值與pH水差異較小,pH 在5—9 的土壤,pH氯化鉀轉換值與pH水差異增大,兩者可比性欠佳。可見,氯化鈣浸提液所測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 測定,是土壤pH 測定的優選方法,可代替水浸提法測定土壤pH[21-23]。本試驗所述與國內標準所述有所不同,但與國際標準提出的土壤pH 通用測定方法一致。本試驗樣地所屬區域為典型南亞熱帶氣候,土壤多為酸性、中性,所用土壤樣中堿性土壤少,其pH水與pH氯化鈣有待進一步研究比較。

當前對土壤pH 測定方法的研究及選擇通常忽視了土壤復雜多樣的情況對測定結果的影響,很少提及測定干擾的排除。本試驗對土壤pH 測定方法中的主要檢測條件進行了分析,對檢測條件進行了優化,提出了土壤pH 準確測定的方法。然而土壤pH 的檢測條件只是準確測定的基本前提,并不能完全避免液接電位、土壤可溶鹽等干擾而引發的檢測誤差,以及檢測重復性差、精密度差的問題。氯化鈣浸提液測定土壤pH,避免了水浸提測定存在的液接電位、電極響應慢以及土壤可溶鹽等方面的干擾,提高了檢測準確性。尤其是酸性及中性土壤的pH氯化鈣轉換值與pH水有良好的可比性,為準確測定土壤pH 及深入研究土壤提供了可行的參考。