第13章土壤电导率调查第十三章土壤电导率调查引言土壤电导率与土壤性质密切相关，通过它的测定，能够及时有效地掌握土壤的盐分浓度、水分状况等多种性质，及时诊断农业生产问题，特别是土壤电导率等值线图，在指导农业生产、精细耕作等方面，具有特别重要的地位和作用，因此，土壤电导率调查与制图也是土壤调查制图不可缺少的重要内容。

第一节概述一、土壤溶质与溶液土壤液相实质上是以土壤水为溶剂，含有多种溶质的土壤溶液。

土壤溶液是土壤中水的液相(aqueous liquid phase)和它的溶质(SSSA，1987)。

土壤溶质的来源有两个方面，一是来源于自然条件，如岩石的矿物风化及其风化物的迁移，降水携带的物质进入土壤，古含盐地层中盐类的移动以及生物过程所形成的有机质中的可溶性部分;二是来源于人类活动，如工业生产中产生的废气、废物，农业生产中的农药的使用和施肥等。

土壤的三相物质中，以液相，即土壤溶液为最活跃的部分。

它的数量变化决定了土壤的液相与气相的比例。

它的组成和浓度的变化影响着土壤溶液性质和土壤性质。

土壤溶液及其组成的剖面分布是土壤发生发展的产物。

当电流通过电解质溶液时，离子发生定向移动，因而可以导电。

土壤溶液的导电能力与溶液中离子浓度和电荷有密切关系，也与离子迁移速率有关。

因此，土壤溶液的电导率可以反映土壤溶液中离子的浓度，也与离子的组成有关。

土壤溶液电导率可用电导仪测得，简便而迅速。

因此常用土壤溶液电导率与浓度等的经验关系来了解其溶液性质。

河水、灌溉水和地下水的电导率的表示比较明确，不易混淆，但土壤溶液电导率常因各国惯用的土水比不同而异。

土壤溶液电导率应是土壤中实际溶液的电导率，可用ECw表示。

在西方书籍中常用土壤的饱和浸出液(saturated extract)的电导率ECe来代表。

其他国家在测定土壤盐分组成时，常用1:5或1:1土水比浸提。

其浸出液的电导率可用EC1:5和EC1:1表示。

因此，在表示土壤盐渍度时，其电导率指标常因不同的处理方法而异。

美国盐渍土的传统分类取ECe 等于4mS?cm-1为盐化与非盐化土壤的临界指标。

但实际对敏感作物而言，ECe达2mS?cm-1以上已产生影响(见表13-1)。

对于表盐渍化土壤来说，盐渍化程度不同，土壤溶液的浓度发生变化，相应的土壤溶液电导率也随之发生变化。

在土壤剖面的不同层次上，由于水分含量、离子浓度和种类的差异，其土壤溶液的电导率也不相同(见表13-2)。

灌溉水的质量对土壤和作物的生长有较大的影响，其中灌溉水中溶质的种类和离子浓度是重要的影响因素，因此灌溉水的质量可以用电导率来反映，一般分为四级(见表13-3)。

二、基本概念2.1 电导和比电导土壤溶液的导电能力服从于欧姆定律，常以电阻(R)的倒数，即电导(L)来表示。

导体的电阻与其长度(le)成正比，而与其截面积(A)成反比。

式中ρ为比电阻或电阻率，以Ω?m，mΩ?cm或μΩ?cm为单位。

为电导池常数，如设EC,，则式中EC为比电导或电导率，即电阻率的倒数。

电导率为电极面积为lcm2，两电极间间距为lcm所包容溶液的电导。

电导的单位是西门子，ρ的倒数称为比电导或电导率k，是长1厘米，截面积为1平方厘米的导体的电导。

对于溶液来说，它是电极面积为1平方厘米，两电极之间的距离为1厘米时溶液的电导。

K称为电导池常数，因为对于一定的电导电极或电导池来说K值是恒定的。

比电导的单位为姆欧,厘米(S?m-1)，也常用dS?m -1、mS?cm-1和μS?cm –1。

习惯上以微姆欧,厘米表示，在国际单位制中，因为欧姆的倒数是西门子(S)，所以比电导用毫西门子,米表示。

显然，1毫西门子,米=10微姆欧/厘米。

2.2 当量电导和极限当量电导为了比较不同电解质溶液电导的大小，引入了当量电导λ这一概念。

其定义为:在两个相距为1厘米的电极之间，含有1克当量电解质时溶液的电导。

它与实测比电导的关系为:(13-3)式中C是电解质溶液的当量浓度。

当量电导λ的单位为姆欧?厘米2/克当量。

由于电解质溶液中离子间的相互作用，当量电导随溶液浓度的增加而减小。

对于强电解质的稀溶液，Kohlrausch提出了如下的经验公式:(13-4)式中K为常数，λ0是无限稀释时溶液的当量电导，称为极限当量电导。

式(13-4)表明，当量电导随溶液浓度和离子电荷的增加而减小。

强电解质的极限当量电导λ0可用作图法求得。

由图13.1可见，如以KCl溶液的λ值对浓度的平方根()作图，当溶液浓度极稀时，λ与几乎成直线关系。

将比直线外推到=0处，即得λ0值。

另一方面，弱电解质的极限当量电导不能用外推法求得。

如醋酸就是这样，即使将其浓度稀释到0.001摩尔,升，λ与仍然不是直线关系。

对于这类弱电解质，λ0值可以根据Kohlrausch的离子独立迁移定律来计算。

Kohlrausch认为，在无限稀释的强电解质溶液中，每个离子独立迁移而不受其它离子的干扰。

因此，一种离子的电导是恒定的。

一个无限稀释的溶液的电导是溶液中阳离子和阴离子的电导的总和。

Kohlrausch的定律可表示为:(13-5)式中和分别表示无限稀释时阳离子和阴离子的当量电导。

2.3 离子淌度(或迁移率)当土壤溶液中的离子在外加电场的作用下定向移动时，其速度与电位梯度成正比:(13-6)式中和分别为阳离子和阴离子的移动速度;比例常数和为单位电位梯度下各自的移动速?厘米-1)。

度。

这一比例常数称为离子淌度或迁移率，单位为厘米?秒-1,(伏在无限稀释时，由于离子移动时它们之间不存在相互作用，淌度达到一个极限值，称为绝对淌度Uo。

在这种情况下，式(13-6)可写成:(13-6a)对于所有完全离解的电解质，极限当量电导λ0，与离子的绝对淌度有如下关系:(13-7)式中F是Faraday常数。

一种离子的极限当量电导与其绝对淌度的关系为:(13-8)因此离子的绝对淌度等于其极限当量电导除以Faraday常数(96494库仑)。

三、国内外研究概况近年来，土壤电导率被使用在地面调查制图及地表面下的地质的特征的研究。

实际的应用包括基岩类型和深度的探测, 地下水盐碱度的测量,察觉在地下水的污染状况, 区域地温的描述以及在考古学上的应用。

最近, 土壤电导率制图被运用在平原盐物质渗出状况定位( Halvorson 和 Rhoades ，1974) ,并且因为诊断碱度而联系到了灌溉的问题( Rhoades Corwin ,1981)。

研究人员也使用了土壤 EC测量或估计许多其它非盐的土壤的化学及物理的性质,包括土壤容重(威廉和Hoey ,1987),阳离子交换能力和交换 Ca 及 Mg ( Mc Bride 等,1990)、到粘土层的深度( Doolittle 等,1994)、土壤碳(Jaynes 等,1996)、土壤除草剂( Jaynes 等。

1994)、土壤PH和土壤含钠区域的改良等方面都有应用。

加之全球定位系统( GPS )的运用,研究者能在装备有GPS 的田野车辆上为整个农业土壤创造土壤EC 地图。

如在得克萨斯州，土壤EC及产出地图显示影响庄稼的每个因素: 播种日期，天气，土壤性质，杂草和害虫压力。

栽培者们需要有用的更多信息，例如土壤的持水能力，CEC,表土层深度。

一张土壤EC地图能帮助提供答案。

甚至灌溉上,持水对土壤物理变化的影响程度，土壤EC的分析会对灌溉的田野管理行动提供基础资料。

(见图13.2)。

近年来国内外对土壤电导率的研究比较广泛和深入，在土壤电导率的测量和应用上提出了许多新的理论，创建了许多先进技术。

在土壤含盐量的测定上，许多人建议直接用电导率表示土壤含盐量，同时随着盐分传感器和四电极法的应用，人们愈来愈多地在野外原位测定土壤含盐量，以便能及时、真实地反映田间土壤的盐渍状况。

电极或盐分传感器探头必需埋入不同深度的土层中，而且要求仪器表面与土壤接触良好，否则会引起较大误差。

但目前这些方法都还需要挖坑或打孔采集土壤样品，在田间采样后，用电导法测定土壤浸提液电导率(EC)，然后根据电导率与含盐量的回归方程(或相关曲线)求出土壤含盐量，作为验证基础。

四、Veris技术与精准农业90年代以来，围绕精细农作发展的需要，国内外对土壤采样、测量制图的新技术、新仪器和数据处理新方法等开展了许多研究，在采集土壤空间信息的技术路线和商品化产品开发方面有了很好进展，探索新的技术思想、开发支持精细农作处方的实时快速土壤参数综合评价测量技术，土壤电导率测定与制图随着精确农业的发展而运用到精细农田耕作上，如一种机载移动作业土壤电导率测定与农田电导率空间分布图自动生成系统(The Veris 3100 model)已由美国KANSAS州一家公司生产，向国际市场销售，它可用于间接评价土壤含水率，SOM含量、土壤耕作层深度、土壤结构、土壤阳离子交换能力(CEC)等的空间分布，期待可以将采样点空间分辨率减小到5m 左右。

图13.3是为机载移动作业土壤电导率测定与农田电导率空间分布图自动生成系统，能够快速、有效采集和描述影响作物生长环境的空间变量信息，是实践"精细农作"的重要基础技术系统。

实现精准农业首先需要考虑的主要是土壤含水量、肥力、SOM、土壤压实、耕作层深度和作物病、虫、草害及作物苗情分布等信息的快速采集。

目前田间信息快速采集技术的研究仍大大落后于支持精细农作的其它技术发展，已成为国际上关注的重要课题。

现有的土壤信息采集方法是基于定点采样与实验室分析相结合，耗资费时、空间尺度大、难于较精细地描述这些信息的空间变异性。

技术创新的方向是研究开发可快速操作，有利于提高采样密度，测量精度能满足实际生产要求的新传感技术和进一步改善空间分布信息的定量描述与近似处理方法。

部分参数将可用扫描方式通过安装于作业机械上的传感器连续采集和进一步自动生成空间信息分布图。

已经取得实用化或具有良好开发前景的成果，土壤耕作层深度对评价土壤持水能力和指导定位耕作处方，确定播种深度、施肥用量密切相关，在美、加、澳等国已经开发出不接触式、基于电磁场测量土壤电导率用于评价土层深度分布图的仪器，可对指导定位处方深耕取得良好的经济效益;关于SOM传感器，早在数年前已有报道，通过NIR原理研制的可用于田间在线测量的多光谱SOM测量仪已有商品化产品。

在作物生长有关变量信息的采集方面，田间杂草识别是"精细农业"支持技术中引起广泛关注的领域。

在杂草识别的光谱响应特性方面已有许多研究成果及参考数据可供借鉴。

土壤电导率 (EC)制图是精密农户(用户)能使用到的一个简单,便宜的工具，能快速并且精确地表现出农场田野以内的土壤差别。

土壤 EC 是相关土壤影响庄稼生产率的性质的大小,包括土壤质地，阳离子交换能力，排水条件，有机物水平和心土特征，它能影响庄稼的产出的特定土壤性质,例如表层土深度和保持水能力。