一泡狗尿是如何“烧死”小草的

一泡狗尿是如何“烧死”小草的
                                          ——作物、灌溉和土壤溶液电导率的关系

       植物生长需要养分，但是要适量适度。大家都有这样的经验，为了让盆栽花卉茁壮成长，我们会把营养液稀释后灌溉。但有时，如果我们的稀释倍数不够，就会把花卉“烧死”。其实，并不是营养液本身“烧死”了花卉，而是营养液中的盐分影响了土壤中的“水”，确切的说是降低了土壤水势。营养液中的盐分会降低土壤水的渗透势，减少了植物的可用性，花卉的根系吸收不到水，从而“渴”死了。

图1 狗尿对草坪生长的影响（空白Unaffected Area、适量的Fertilised、过量的Over Fertilised）

       既然土壤中的盐分含量如此重要，那它是从哪里来的呢？通常来说，成土过程中土壤母质中会包含特定盐分，除此之外，灌溉和施肥也是土壤盐分的重要来源。在农业生产中，作物收获只会带走少量盐分，大部分盐类物质还是会留在土体中。随着作物蒸腾以及地表蒸发，盐分会进一步浓缩在耕作层中。如果在农业生产中施肥较多，盐分会富集在土壤中，造成土壤盐渍化，久而久之，严重盐渍化土地将不再适合作物生产。

图2 灌溉所导致的土壤盐渍化过程

图3 土壤盐渍化

土壤盐分含量和土壤电导率
       那我们怎么来衡量土壤中的盐分含量多少呢？答案是可以利用土壤电导率。利用土壤电导率来表征土壤盐分含量已经有超过100年的历史了。其原理也很容易理解，盐分溶解在土壤水中呈现离子态后是可以导电的（注：干燥的盐分是不导电的）。Whitney和Means（1897）利用这个原理来测量土壤中的盐分含量。他们当时是直接测量土体，但这种方法无法排除土壤颗粒的影响。大约在1940年前后，人们首先将土体加水至田间持水量（饱和状态），接着从这种土体中提取出溶液，测量其电导率（Richards，1954）。这一电导率可以和植物的生长状态建立联系。
 
       Richards在1954年定义了4种土壤盐分含量等级，如下表。每一级下，标注了适合耕种的作物（Richards和Lovejoy在1990年给出了一个更详细的列表）。在这张表中，大豆被划分成了敏感种，它只能在土壤溶液电导率值介于0-2dS/m的环境中生长。而大麦的容忍度很高，它可以在土壤溶液电导率值为16dS/m的环境中生长，且产量不受影响。

表1 Richards土壤盐分含量等级（1954）

如何获得土壤溶液的电导率（Soil Pore EC）？
       先来介绍一下土壤溶液的概念。通常，土壤溶液定义为含有溶质和溶解性气体的土壤间隙水（Soil Pore Water）。1933年Joffe将其比喻为“土壤的血液循环”，是植物根系获取养分的源泉，是土壤中的“液相”组分。上文已经提到比较可靠的测量土壤溶液电导率的方法。首先，将土体加水至田间持水量（饱和状态），提取出溶液，进而测量其电导率。而当需要测量非饱和状态下土壤溶液电导率时，则需要根据其饱和状态下的测量值进行换算。那有没有直接测量土壤溶液电导率（Soil Pore EC）的方法呢？答案是Yes。

        第一种方法是使用嵌入陶瓷材料中的铂电极。测量时，保持陶瓷材料处于水分饱和状态，当陶瓷材料和土体溶液充分交换平衡后，测出的陶瓷材料的电导就能代表土壤溶液的电导。

       第二种方法，以美国METER制造的GS3和5TE传感器为例。首先测量土壤的总电导率（Soil Bulk EC），然后利用经验方程来确定土壤溶液的EC（Soil Pore EC）。这种测量方法不需要保证待测土壤和传感器之间进行充分的盐分平衡，因此更能表明土壤溶液的实际电导率。下面我们来给大家具体介绍一下。

图4 GS3和5TE土壤温度、水分含量、电导率三参数传感器

   
       Mualem和Friedman（1991）提出了一种基于土壤水力（Soil Hydraulic）特性的模型。它认为土壤导电途径有两个：一个是沿着土壤颗粒的表面，另一个是通过土壤溶液。公式如下，

公式中σ_b是由传感器测得的土壤总电导率（Soil Bulk EC），σ_s是土壤颗粒表面的电导率，σ_w是土壤溶液的电导率（Soil Pore EC），θ是土壤的体积含水量（m³/m³），θ_s是土壤的饱和体积含水量，n是经验值，约为0.5。如果忽略土壤颗粒表面的电导率，当土壤处于田间持水量时（假设n=0.5和θ_s= 0.5m³/m³），我们会得到σ_b=0.35σ_w。很显然，如果没有土壤，土壤总电导率（Soil Bulk EC）应该等于土壤溶液的电导率（Soil Pore EC）。但当土壤颗粒存在时，土壤的总电导率约为土壤溶液电导率的三分之一。这是因为土壤颗粒降低了土壤溶液中离子流的运动截面积，增加了溶液离子从传感器的一个电极移动到另一个电极所必须经过的距离。
通过公式（1），我们可以进一步得到土壤溶液电导率（Soil Pore EC），如下。

在公式（2）中，土壤总电导率（Soil Bulk EC）可以通过GS3或5TE传感器直接测量得到。除此之外，我们还需确定土壤颗粒表面电导率σ_s、土壤当前的体积含水量θ、土壤饱和体积含水量θ_s。其中，土壤当前的体积含水量可由GS3或5TE直接测量得到。饱和含水量可以根据土壤容重计算得到

其中ρ_b是土壤容重(g/cm³)；ρ_s是土壤颗粒的密度，对于矿物质土壤来说，大约是2.65g/cm³；粗质土壤的表面电导率σ_s假定为零。因此，利用GS3或5TE传感器可以量化得到土壤溶液电导率（Soil Pore EC）。还记得上文中，小花是怎么被“烧死”的吗？营养液稀释不够，其中溶解的盐分降低了土壤溶液的水势，增加了土壤溶液的电导。因此，通过对土壤溶液电导率（Soil Pore EC）的分析，可以确定施肥是否适量。这是实现精准农业的数据基础。
 
附1：土壤电导的温度依赖性
温度每改变1℃，土壤电导率大约变化2%。因此，需要对测量结果进行温度校正。Richards（1954）提供了一个校正方法，可将在任何温度下的测量结果校正到其在25°C时的值。公式如下：

其中T是摄氏温度。该公式已被编程到GS3或5TE中，因此温度校正是自动的。
 
附2：电导率的单位
电导的国际单位是西门子S，因此电导率的单位为S/m。在以前的文献中，单位是mho/cm（注：姆欧是欧姆的倒数），这与S/cm是相同的。通常以mmho/cm报告土壤的电导率， 1mmho/cm等于1ms/cm。由于国际单位不鼓励在分母中含有约数，所以现在的常用单位是dS/m。有时，文献也会将EC单位标记为mS/m或μS/m。1dS/m为100mS/m或10⁵μS/m。
 
参考文献
Richards, L. A. (Ed.) 1954. Diagnosis and Improvement of Saline and Alkali Soils. USDA Agriculture Handbook 60, Washington D. C.
 
Rhoades, J. D. and J. Loveday. 1990. Salinity in irrigated agriculture. In Irrigation of Agricultural Crops. Agronomy Monograph 30:1089-1142. Americal Society of Agronomy, Madison, WI.
 
 

文章来源：《Electrical Conductivity of Soil as a Predictor of Plant Response》
作者：Gaylon Campbell
翻译：贾子毅  路翔