經驗案例

土壤離子元素傳感器土壤反應（pH）

從農業的角度來看，pH 值很重要，因為它強烈影響植物生長、養分利用率、元素毒性和微生物活性。在農業意義上，土壤 pH 值間接影響植物生長。

這是因為根據土壤的 pH 值，各種礦物質養分很容易以不同的濃度獲得。在特定的 pH 值水平下，某些礦物質營養素與其他礦物質一起保留，植物無法獲得。
例如，對于棉花，土壤 pH 值應在 5.5 – 7.0 的范圍內。如果 pH 值大于 7，某些營養素（例如鋅）的可用性可能會受到限制。在土壤中度（即pH 7-8.5）至強堿性（即> 8.5）的干旱和半干旱棉花種植區可能就是這種情況。

相反，如果 pH 值小于 5，則磷、鈣、鎂和鉬等一些營養物質的可用性非常低，因此植物吸收受到限制。
此外，一些通常不溶的陽離子（例如鐵和鋁）可能會釋放到土壤溶液中。由于許多植物根部對鋁毒性的敏感性，結果將降低植物活力。
調整土壤 pH 值通常會導致養分重新吸附或釋放回土壤溶液中。因此，有人認為 pH 值是唯一最重要的土壤診斷化學測量值。
術語 pH 是潛在氫的縮寫。這是因為 pH 值表示土壤溶液中 H+ 活性的濃度。表達如下：
pH = -log (H+)
土壤反應或 pH 值描述了土壤的酸度或堿度。的pH值刻度范圍是0 -14。介于 0 和 7 之間的值被認為是酸性的，1.0 的 pH 值表示非常酸，而 6.0 的 pH 值表示弱酸。
7 到 14 之間的值被稱為堿性或堿性；數值越大表示堿度越強。值 7 是刻度的中點，是中性的。純水的pH值是中性的。
因為 pH 值是對數的，從 pH 值 7 開始，每個數字的酸度都比之前的高十倍 (x10)。例如，土壤 pH 值為 6 的酸性比中性（即 pH 值 7）高 10 倍。此外，pH 值為 5 的土壤比中性（pH 值 7）的酸性強 100 倍。換句話說，氫離子越多，土壤越酸。
土壤 pH 值的范圍（即大多數土壤的 95%）通常在 4 到 10 之間。酸性和堿性土壤的分布通常是氣候的函數。
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產的地方最為常見。這是因為鈣、鎂、鉀和鈉的大部分可交換陽離子被浸出。這個過程的發生是因為以兩種方式之一將弱酸（即碳酸）引入土壤剖面。
在大氣中，當雨滴在空氣中形成并落下時，二氧化碳溶解在雨水中形成碳酸：
H2O (aq) + CO2 (g) ↔ H2CO3 (aq)
這種弱酸對植物和動物無害，但在很長一段時間內，它能夠溶解巖石，如長石和石灰石。這是因為在土壤溶液中且 pH 值高于 6 時，碳酸會迅速分解以釋放 H+ 離子，如下所示：
H2CO3 ↔ H+ (水溶液) + HCO3- (水溶液)
現在有過量的 H+，因此該稀釋溶液呈酸性，H+ 的額外釋放發生如下：
HCO3- (水溶液) ↔ H+ (水溶液) + CO32- (水溶液)
這就是為什么在與大氣平衡時，水的 pH 值為 5.6 的微酸性。這也是為什么在高降雨量地區發現天然酸性土壤類型的原因。

碳酸是弱酸，僅部分離解以釋放 H+，而強酸幾乎完全離解。碳酸太弱，在 pH < 5 時不能分解太多，但在堿性（pH > 7）和中性土壤中具有顯著的酸化作用，可以釋放植物養分并促進礦物風化。
此外，由于在高降雨量地區土壤有機質 (OM) 的產生量通常較大，因此微生物會催化碳酸。
在這里，細菌介導了腐爛的 OM 氧化成 CO2。可以通過用簡單的碳水化合物 (CH2O) 表示 OM 來考慮這種氧化反應。整體反應如下：
CH2O (s) + O2 (g) → H2O (aq) + CO2 (g) ↔ 2H+ (aq) + CO32- (aq)
將這些反應推向正確的土壤過程包括根呼吸和微生物對土壤有機質的分解。在這兩種情況下，都會產生高濃度的 CO2。
因此，滲出的水呈微酸性，逐漸導致土壤酸化。這是因為滲濾水取代并浸出土壤剖面中的可溶性可交換陽離子（即鈣、鎂、鉀和鈉）。交換陽離子已被氫離子（即H+）取代。
相反，堿性土壤（例如 Calcarosol、Vertosol 和 Sodosol）是蒸發蒸騰量超過降雨量的干旱和半干旱景觀的同義詞，這有利于可交換陽離子的保留和積累。
在這些氣候區，土壤的堿性是底土層中碳酸鈣含量的函數。
碳酸鹽從最初被吹到土壤表面的富含碳酸鹽的粉塵 (CaCO3) 中積累。如上所述，降水中的水 (H2O) 與大氣和土壤中的二氧化碳 (CO2) 結合形成弱碳酸 (H2CO3)。
土壤表面和土壤表面的碳酸鈣與碳酸發生反應。這會溶解 CaCO3，釋放 Ca2+ (aq) 使其移動，這兩種離子通過滲透水更深地轉移到土壤剖面中：
H2CO3 + CaCO3 (s) ↔ Ca2+ (aq) + 2HCO3- (aq)
深度干燥條件導致次生碳酸鹽沉淀：
Ca2+ + 2HCO3- + H2O ↔ CO2 + CaCO3 (s)

因此，高 pH 值表明土壤已被可交換陽離子完全飽和，并且土壤中存在游離 CaCO3。碳酸鹽含量高的土壤剖面的 pH 值約為 8.3。
碳酸鹽（例如 CaCO3）可能以結核或擴散區的形式存在。與鹽酸 (HCl) 一起泡騰表明存在碳酸鹽。
為了測量 pH 值，實驗室方法需要在不同比例的土壤/液體系統中使用玻璃電極 pH 計。液體是蒸餾水或一系列鹽類（例如 0.01 M 氯化鈣 - CaCl2），土壤與水的比例從 1:1（即 pH1:1）到 1:5（即 pH1:5）。
首選 CaCl2 溶液（即 pHCaCl2），因為水會過度稀釋土壤溶液，因此會導致大多數土壤類型的 pH 值高估約 0.5。然而，在澳大利亞，通常測定土壤 pH 值 1:5。terraGIS 中顯示的所有數據均使用 pH1:5 方法確定。
無論使用何種方法，提取物均使用 pH 計測量，該計顯示含有已知 pH 值溶液的玻璃電極與測試溶液之間的電位差。
為了確定土壤 pH1:5，使用電測法，進行以下步驟：
將 5 克土壤放入彈出式管中；
加入25毫升蒸餾水；
將密封的頂管放在紡車上；
20 分鐘后取出彈出式管；和，
使用 pH 計測量和記錄土壤。