一泡狗尿是如何“燒死”小草的
                                          ——作物、灌溉和土壤溶液電導率的關(guān)系

       植物生長需要養(yǎng)分，但是要適量適度。大家都有這樣的經(jīng)驗，為了讓盆栽花卉茁壯成長，我們會把營養(yǎng)液稀釋后灌溉。但有時，如果我們的稀釋倍數(shù)不夠，就會把花卉“燒死”。其實，并不是營養(yǎng)液本身“燒死”了花卉，而是營養(yǎng)液中的鹽分影響了土壤中的“水”，確切的說是降低了土壤水勢。營養(yǎng)液中的鹽分會降低土壤水的滲透勢，減少了植物的可用性，花卉的根系吸收不到水，從而“渴”死了。

圖1 狗尿?qū)Σ萜荷L的影響（空白Unaffected Area、適量的Fertilised、過量的Over Fertilised）

       既然土壤中的鹽分含量如此重要，那它是從哪里來的呢？通常來說，成土過程中土壤母質(zhì)中會包含特定鹽分，除此之外，灌溉和施肥也是土壤鹽分的重要來源。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物收獲只會帶走少量鹽分，大部分鹽類物質(zhì)還是會留在土體中。隨著作物蒸騰以及地表蒸發(fā)，鹽分會進一步濃縮在耕作層中。如果在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施肥較多，鹽分會富集在土壤中，造成土壤鹽漬化，久而久之，嚴重鹽漬化土地將不再適合作物生產(chǎn)。

圖2 灌溉所導致的土壤鹽漬化過程

圖3 土壤鹽漬化

土壤鹽分含量和土壤電導率
       那我們怎么來衡量土壤中的鹽分含量多少呢？答案是可以利用土壤電導率。利用土壤電導率來表征土壤鹽分含量已經(jīng)有超過100年的歷史了。其原理也很容易理解，鹽分溶解在土壤水中呈現(xiàn)離子態(tài)后是可以導電的（注：干燥的鹽分是不導電的）。Whitney和Means（1897）利用這個原理來測量土壤中的鹽分含量。他們當時是直接測量土體，但這種方法無法排除土壤顆粒的影響。大約在1940年前后，人們首先將土體加水至田間持水量（飽和狀態(tài)），接著從這種土體中提取出溶液，測量其電導率（Richards，1954）。這一電導率可以和植物的生長狀態(tài)建立聯(lián)系。
 
       Richards在1954年定義了4種土壤鹽分含量等級，如下表。每一級下，標注了適合耕種的作物（Richards和Lovejoy在1990年給出了一個更詳細的列表）。在這張表中，大豆被劃分成了敏感種，它只能在土壤溶液電導率值介于0-2dS/m的環(huán)境中生長。而大麥的容忍度很高，它可以在土壤溶液電導率值為16dS/m的環(huán)境中生長，且產(chǎn)量不受影響。

表1 Richards土壤鹽分含量等級（1954）

如何獲得土壤溶液的電導率（Soil Pore EC）？
       先來介紹一下土壤溶液的概念。通常，土壤溶液定義為含有溶質(zhì)和溶解性氣體的土壤間隙水（Soil Pore Water）。1933年Joffe將其比喻為“土壤的血液循環(huán)”，是植物根系獲取養(yǎng)分的源泉，是土壤中的“液相”組分。上文已經(jīng)提到比較可靠的測量土壤溶液電導率的方法。首先，將土體加水至田間持水量（飽和狀態(tài)），提取出溶液，進而測量其電導率。而當需要測量非飽和狀態(tài)下土壤溶液電導率時，則需要根據(jù)其飽和狀態(tài)下的測量值進行換算。那有沒有直接測量土壤溶液電導率（Soil Pore EC）的方法呢？答案是Yes。

        第一種方法是使用嵌入陶瓷材料中的鉑電極。測量時，保持陶瓷材料處于水分飽和狀態(tài)，當陶瓷材料和土體溶液充分交換平衡后，測出的陶瓷材料的電導就能代表土壤溶液的電導。

       第二種方法，以美國METER制造的GS3和5TE傳感器為例。首先測量土壤的總電導率（Soil Bulk EC），然后利用經(jīng)驗方程來確定土壤溶液的EC（Soil Pore EC）。這種測量方法不需要保證待測土壤和傳感器之間進行充分的鹽分平衡，因此更能表明土壤溶液的實際電導率。下面我們來給大家具體介紹一下。

圖4 GS3和5TE土壤溫度、水分含量、電導率三參數(shù)傳感器

   
       Mualem和Friedman（1991）提出了一種基于土壤水力（Soil Hydraulic）特性的模型。它認為土壤導電途徑有兩個：一個是沿著土壤顆粒的表面，另一個是通過土壤溶液。公式如下，

公式中σ_b是由傳感器測得的土壤總電導率（Soil Bulk EC），σ_s是土壤顆粒表面的電導率，σ_w是土壤溶液的電導率（Soil Pore EC），θ是土壤的體積含水量（m³/m³），θ_s是土壤的飽和體積含水量，n是經(jīng)驗值，約為0.5。如果忽略土壤顆粒表面的電導率，當土壤處于田間持水量時（假設n=0.5和θ_s= 0.5m³/m³），我們會得到σ_b=0.35σ_w。很顯然，如果沒有土壤，土壤總電導率（Soil Bulk EC）應該等于土壤溶液的電導率（Soil Pore EC）。但當土壤顆粒存在時，土壤的總電導率約為土壤溶液電導率的三分之一。這是因為土壤顆粒降低了土壤溶液中離子流的運動截面積，增加了溶液離子從傳感器的一個電極移動到另一個電極所必須經(jīng)過的距離。
通過公式（1），我們可以進一步得到土壤溶液電導率（Soil Pore EC），如下。

在公式（2）中，土壤總電導率（Soil Bulk EC）可以通過GS3或5TE傳感器直接測量得到。除此之外，我們還需確定土壤顆粒表面電導率σ_s、土壤當前的體積含水量θ、土壤飽和體積含水量θ_s。其中，土壤當前的體積含水量可由GS3或5TE直接測量得到。飽和含水量可以根據(jù)土壤容重計算得到

其中ρ_b是土壤容重(g/cm³)；ρ_s是土壤顆粒的密度，對于礦物質(zhì)土壤來說，大約是2.65g/cm³；粗質(zhì)土壤的表面電導率σ_s假定為零。因此，利用GS3或5TE傳感器可以量化得到土壤溶液電導率（Soil Pore EC）。還記得上文中，小花是怎么被“燒死”的嗎？營養(yǎng)液稀釋不夠，其中溶解的鹽分降低了土壤溶液的水勢，增加了土壤溶液的電導。因此，通過對土壤溶液電導率（Soil Pore EC）的分析，可以確定施肥是否適量。這是實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)基礎。
 
附1：土壤電導的溫度依賴性
溫度每改變1℃，土壤電導率大約變化2%。因此，需要對測量結(jié)果進行溫度校正。Richards（1954）提供了一個校正方法，可將在任何溫度下的測量結(jié)果校正到其在25°C時的值。公式如下：

其中T是攝氏溫度。該公式已被編程到GS3或5TE中，因此溫度校正是自動的。
 
附2：電導率的單位
電導的國際單位是西門子S，因此電導率的單位為S/m。在以前的文獻中，單位是mho/cm（注：姆歐是歐姆的倒數(shù)），這與S/cm是相同的。通常以mmho/cm報告土壤的電導率， 1mmho/cm等于1ms/cm。由于國際單位不鼓勵在分母中含有約數(shù)，所以現(xiàn)在的常用單位是dS/m。有時，文獻也會將EC單位標記為mS/m或μS/m。1dS/m為100mS/m或10⁵μS/m。
 
參考文獻
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.
 
 

文章來源：《Electrical Conductivity of Soil as a Predictor of Plant Response》
作者：Gaylon Campbell
翻譯：賈子毅  路翔