耕地土壤pH 測定方法比較研究

黃 翔，陳 鋼，2，洪 娟，2，杜 雷，程維舜，王素萍，羅 茜，張貴友，姜 利，張利紅

（1.武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，武漢 430345；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，武漢 430070）

酸堿性（pH）是土壤重要的化學(xué)性質(zhì)之一，不僅影響土壤微生物活性，對土壤中養(yǎng)分存在的形態(tài)和有效性、土壤的理化性狀以及植物的生長發(fā)育都有很大的影響［1］。近10 年來，隨著化肥的施用量不斷增長，土壤酸化問題尤其嚴(yán)重。因此，找到一種能夠準(zhǔn)確、快速的測定土壤pH 對評估耕地質(zhì)量和制訂相應(yīng)合理的改良措施具有重要指導(dǎo)作用［2］。常用的pH 測試方法主要有pH 試紙、混合指示劑比色法和電極電位法。現(xiàn)實過程中受測試精度和設(shè)備價格的限制，電極電位法因其快速、準(zhǔn)確的獲取結(jié)果而被廣泛采用［3］。截至目前為止，國內(nèi)在科研和實際生產(chǎn)中土壤pH 測定的主要依據(jù)是國家林業(yè)局1999 年發(fā)布的《森林土壤pH 的測定》（LY/T1239—1999）［4］和農(nóng)業(yè)部2006 年發(fā)布的《土壤檢測》第二部分《土壤pH 的測定》（NY/T1121.2—2006）［5］以及農(nóng)業(yè)部2007年發(fā)布的（NY/T1377—2007）［6］等標(biāo)準(zhǔn)。2005 年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了《土壤質(zhì)量-pH 的測定》（ISO 10390：2005）的國際標(biāo)準(zhǔn)［7］。比較土壤pH 國際標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)測試方法的差異，主要表現(xiàn)在液土比大小、振蕩時間和靜置時間等的不一致（表1）。也有研究表明，使用不同的液土比對土壤pH 進(jìn)行測試，通過對測試結(jié)果線性回歸是可以實現(xiàn)不同測定方法結(jié)果之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換［8］，但是目前采用國際國內(nèi)2種標(biāo)準(zhǔn)測定不同耕地類型土壤pH 的比較分析尚未見報道，這也限制了國際標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)的廣泛應(yīng)用。

表1 國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)待測液制備條件差異

中國幅員遼闊，耕地面積約1.3 億hm2，占國土面積的13.5% 左右，作物種植和耕地類型多樣，不同耕地類型土壤的pH 差異也很大，其表層土壤的pH為4.5~8.5［9-11］。測定耕地土壤的pH 多采用國內(nèi)方法，不同研究采用的液土比不盡相同，主要采用2.5∶1 和5∶1 兩種，致使測定的結(jié)果之間存在差異；除此之外，耕地土壤內(nèi)含物比較復(fù)雜，浸提靜置后，一些難溶性雜質(zhì)會懸浮在浸提液中對pH 的測試造成一定的影響，長期如此也會縮短測試電極的使用壽命，因此使用過濾手段降低這一因素的影響很有必要。本研究以中國幾種不同耕地類型土壤為研究對象，使用國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)測定pH，分析比較2 種標(biāo)準(zhǔn)之間的差異和相關(guān)性，增加浸提液過濾處理，對影響pH 測定因素進(jìn)行分析探討，旨在為耕地土壤pH 的測試提供指導(dǎo)，以期獲得一種詳盡、實用和重復(fù)性好的檢測方法。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與制備

不同地區(qū)耕地土壤樣品采集信息見表2。在每個耕地選取種植作物、基本均勻的耕地，布設(shè)5 個50 m×50 m 的樣地，每個樣地按“S”行布點取樣20份，采樣深度為0~20 cm，將20 份土樣去除植物根系石塊，混勻后用四分法裝至樣品袋帶回實驗室分析。土壤樣品室內(nèi)風(fēng)干，去除殘留的植物根系，壓碎后過2 mm 篩保存［12］。

1.2 試驗設(shè)計

中國標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1239—1999、NY/T 1121.2—2006和NY/T 1377—2007 3種土壤pH 的測試方法與國際標(biāo)準(zhǔn)之間的差異主要是待測液制備條件的差異。本研究主要依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 1121.2—2006）的測定標(biāo)準(zhǔn)，以水為浸提液，分別設(shè)置了4 組試驗，通過控制水土比、振蕩時間和測試液是否過濾研究影響pH 測定結(jié)果的因素，比較2 種標(biāo)準(zhǔn)測定結(jié)果之間的差異，具體試驗設(shè)計見表3。

表3 試驗設(shè)計

1.3 土壤pH 的測定

國際標(biāo)準(zhǔn)采用量匙量取土壤。試驗用水為二級水標(biāo)準(zhǔn)并去除CO2，試驗溫度均控制在（20±2）℃，使用梅特勒FE28 型pH 儀測定，電極使用復(fù)合電極（LE438），每個土樣做3 次重復(fù)，求平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均用SAS 8.0分析，并用Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水土比對土壤pH 測定的影響

在改變水土比的條件下，不同耕地類型土壤pH的測定結(jié)果見表4。從總體來看，當(dāng)水土比從2.5∶1提高到5∶1 時，相同前處理條件下從水稻土（南方）到水稻土（北方）pH 分別平均增加0.10、0.07、0.08、0.05 和0.10 個單位。

2.2 振蕩時間及測試液過濾對土壤pH 測定的影響

在改變振蕩時間和測試液過濾條件下，不同耕地類型土壤pH 的測定結(jié)果經(jīng)方差分析表明，隨著振蕩時間的增加，同種耕地類型土壤，相同水土比條件下，無論浸提液是否過濾，各種耕地類型土壤pH 均未表現(xiàn)出明顯的變化（表4）。

表4 不同水土比和振蕩時間下pH 測定結(jié)果（平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差）

2.3 pH 測定影響因素方差分析

雙因素方差分析（表5）顯示，依據(jù)試驗Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的結(jié)果，土壤pH 的測定主要受水土比的影響，振蕩時間和水土比之間無顯著的交互作用。

表5 影響因素方差分析

2.4 國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)測定結(jié)果比較分析

2.4.1 國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)土壤pH 測定結(jié)果的比較國際標(biāo)準(zhǔn)測定不同耕地土壤pH 的平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為7.01±0.04、6.19±0.02、8.10±0.02、5.09±0.02和7.52±0.03，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 1121.2—2006）測試結(jié)果平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為6.91±0.02、6.12±0.02、8.02±0.04、5.04±0.01 和7.43±0.03，兩者標(biāo)準(zhǔn)測試的結(jié)果之間基本無差異（圖1）。

圖1 國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)測定耕地土壤pH 結(jié)果比較

2.4.2 國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)測定結(jié)果相關(guān)性分析 對使用國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T1121.2—2006）的測定結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析（圖2），結(jié)果表明2 種標(biāo)準(zhǔn)的測定結(jié)果達(dá)到極顯著相關(guān)（R2=0.999 2，P<0.000 1），其相關(guān)性方程為y=0.988 7x-0.001 6，表明這2 種方法測試的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖2 國際標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果相關(guān)性分析

3 討論

土壤pH 是影響土壤肥力的一個重要指標(biāo)，其不僅影響土壤微生物活性，而且影響土壤理化性質(zhì)以及植被對土壤有效養(yǎng)分的吸收和利用［13］。因此，準(zhǔn)確測定土壤pH 對耕地質(zhì)量的管理和評估具有重要意義。

本研究采用國際和國內(nèi)（NY/T 1121.2—2006）標(biāo)準(zhǔn)測定不同耕地類型土壤pH，對2 種標(biāo)準(zhǔn)測定結(jié)果進(jìn)行比較分析，設(shè)置了不同水土比、振蕩時間和浸提液過濾過程，研究其對pH 測定的影響。研究結(jié)果表明，只有液土比對土壤pH 測定產(chǎn)生一些影響，但不顯著，另外2 個因素對土壤pH 測定影響甚微。國際標(biāo)準(zhǔn)測定土壤pH 采用體積比（水土比為5∶1），可以適用于所有類型的種植土壤，而中國對土壤pH 測試都使用質(zhì)量比，這樣勢必會增加一定的工作強度。pH 測試方法放入國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中，對振蕩時間都有不同的要求，本研究結(jié)果表明，在5~60 min，振蕩時間對土壤pH 測試沒有顯著影響，因此，在分析大批量或者超大批量的土壤pH時，可以采用振蕩5 min即可滿足測試要求，縮短工作時間，提高工作效率。另外，由于耕地土壤內(nèi)含物質(zhì)比較復(fù)雜，土壤樣品浸提后，一些難溶物，特別是漂浮的微小雜質(zhì)會對pH計的電極產(chǎn)生一定的干擾，從而降低pH 計測試的精度，延長儀器測試樣品的穩(wěn)定時間。依據(jù)儀器工程師的使用建議，本研究增加了對浸提液進(jìn)行過濾的環(huán)節(jié)，同時也保證過濾和測試整個過程在120 min 內(nèi)全部完成。研究發(fā)現(xiàn)，浸提液過濾對土壤pH 測試結(jié)果沒有任何影響，并且浸提液經(jīng)過濾后，測試液大部分處于澄清狀態(tài)，儀器測試穩(wěn)定時間縮短，重復(fù)性好。此外，溫度對土壤pH 測試會產(chǎn)生較大的影響，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對測試溫度沒有做詳細(xì)的規(guī)定，但國際標(biāo)準(zhǔn)在pH 計的校正和測試環(huán)節(jié)均明確指出需在（20±2）℃條件下進(jìn)行，因此，國際標(biāo)準(zhǔn)在測試溫度方面的要求明顯高于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。對使用國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)測定5 種不同類型耕地土壤pH 測試結(jié)果進(jìn)行比較分析（圖1），其中果園、大棚西瓜和青稞地土壤從酸性到堿性，國際標(biāo)準(zhǔn)測定結(jié)果顯著高于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)（P<0.05）。由此可見，酸堿性不同土壤使用不同的測試標(biāo)準(zhǔn)可能會影響到最終結(jié)果的可比性。本研究中，國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)測定結(jié)果達(dá)到極顯著相關(guān)（R2=0.999 2，P<0.000 1），其相關(guān)性方程為y=0.988 7x-0.001 6，可以進(jìn)行2 種方法結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。吳淑娟等［3］于2018 年使用國際標(biāo)準(zhǔn)（土水比1∶5）和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)（土水比1∶2.5）對5 種不同的草地土壤pH 進(jìn)行了比較研究，并建立了2 種方法的線性回歸方程：y=0.946 8x+0.479 1（R2=0.998 8，P<0.000 1），為推進(jìn)土壤pH 的測試使用國際標(biāo)準(zhǔn)提供了有力支撐。

4 結(jié)論

國際標(biāo)準(zhǔn)適用于所有類型耕地土壤pH 的測定，與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)測定結(jié)果具有顯著的相關(guān)性（R2=0.999 2，P<0.000 1），兩者之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換。

振蕩時間和浸提液過濾對測定結(jié)果無顯著影響，但浸提液經(jīng)過濾后，測試液大部分處于澄清狀態(tài)，儀器測試穩(wěn)定時間縮短，重復(fù)性好，且對pH 計的電極磨損降低，可以提高pH 計電極的使用壽命。