經驗案例

土壤離子超標監測土壤特性：水

土壤作為一個復雜的系統支持植物的生長。它做到這一點的能力不僅取決于充足的營養供應，還取決于充足的水和空氣供應。這需要足夠的孔隙空間以允許植物（根）生長，但同時為植物呼吸提供大量用于儲存和通氣的水。
一般來說，水會導致土壤礦物顆粒膨脹和收縮并相互粘附。通過這種方式，它可以啟動結構聚合過程。它還與許多化學反應密切相關，這些化學反應使初級和次級粘土礦物風化（例如水解），將化學養分釋放到土壤溶液中并產生酸度。
在土壤中，水儲存在孔隙中以及由于土壤顆粒（即粘土、淤泥和沙子）的物理聚集而產生的有機和無機土壤礦物顆粒表面。通過這種方式，大量的水可以保持在土壤中。據估計，對于 1 m 的深度，田間容量的土壤可以容納大約 800,000 L (0.8 ML) 的水。
然而，土壤儲水量從來都不是永久性的，在空間和時間上表現出很大的變化。在土壤表面附近尤其如此，在自然系統下，水通過人工系統中的降水和灌溉來添加。在水進入土壤的同時，它可以在活躍的根部存在的情況下迅速去除。在這方面，水以氣態形式（即蒸騰和蒸發）被去除。在植物不利用水的地方，水可以以液體形式排出（例如，深排入地下水）。
要了解水實際上是如何保持在土壤中并為植物提供的，重要的是要了解它如何結合和釋放。首先要意識到的是，單個水 (H 2 O) 分子是中性的。也就是說，與氧原子相關的負電荷（即-2）等于與兩個單獨的氫原子相關的正電荷的數量（即每個+1）。
然而，總電荷是不對稱的。也就是說，帶負電荷的電子不是均勻分布的。這是因為較大且帶正電的氧原子對這些電子施加更強的拉力。因此，電子在水分子的氧端停留的時間更長。其結果是，水分子的氧端是部分地（d - ）陰性和氫端部分（d +）陽性。

水分子的這些特征有兩個重要的影響。首先，許多土壤礦物顆粒具有帶負電的表面（即粘土礦物結構的暴露的和帶負電的氧原子）。這些帶負電的氧原子吸引水分子的部分（d -）帶正電的一面。這種吸引力導致形成強大的粘附力。
只需在干燥的土壤上滴幾滴水，就可以看到一個簡單的實驗，它突出了這種吸引力的強度。水分子立即被吸附，散布在土壤上，形成幾分子厚的薄膜。這稱為附著水。粘附水的程度雖然約為 10 個分子厚，但不能用于植物吸收。
其次，水分子通過氫（H）鍵相互吸引。這種類型的結合稱為內聚力，使水分子將自身附著在粘附水上。由于內聚力而保留在土壤中的水稱為內聚水。這種水流動性稍大，通常可供植物使用。然而，分子不像粘附水那樣定向。
結合粘附力/內聚力導致相當厚的水膜被保持在土壤顆粒表面上。因為保持水的力是表面吸引力，土壤的表面積越大，吸附的水量就越大。出于實際目的，這意味著粘土或有機土壤比沙質土壤可以容納更多的水。
剩余的土壤水保留在通氣孔中，通常由于重力而通過排水去除。它通常不適用于植物，因為它會在降雨或灌溉后的兩天內移出剖面。
可交換的陽離子，如鈣 (Ca 2+ )、鎂 (Mg 2+ )、鉀 (K + ) 和鈉 (Na + )，它們在土壤溶液中以及粘土和腐殖質的帶電表面上很常見，也被吸引到水分子的氧端（即更負端）。因此，陽離子可以從土壤顆粒的固體基質中去除并進入土壤溶液。
在土壤溶液中，陽離子被定向的水分子殼包圍。這是土壤溶液中陽離子的正常狀態。據說它們是水合的。與陽離子相關的水分子數（即水合半徑）是離子電荷和陽離子大小的函數。