土壤理化分析的基本知识.docx
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土壤理化分析的基本知识
土壤地理实验指导
陈松林陈志强编
福建师范大学地理科学学院
第一章土壤机械组成的测定………………………………2
第二章电子天平的使用和土壤酸碱度的测定……………7
第三章土壤有机质的测定…………………………………10
第四章土壤交换性盐基总量的测定………………………13
第五章土壤交换性酸的测定………………………………14
附录：
实验报告………………………………………………15
第一章土壤机械组成的测定
一、目的意义
土壤矿物质各粒级的相对含量和比例称为土壤的机械组成。
机械组成决定着土壤质地的粗细，所以它直接影响土壤的理化性状与肥力状况。
同时，土壤机械组成又是土壤分类的依据。
加此，在研究土壤形成、分类、分布及肥力状况时，必须测定土壤的机械组成。
土壤机械组成的测定方法，在野外常用手测法；在室内多用吸管法和比重计法。
本实验选用的是甲种比重计法。
二、测定原理
土壤机械分析，就是把土粒按它的粒径大小分成若干级，并定出各级的量，从而行出土壤的机械组成。
对粒径>0.25毫米的砂粒，一般采用过筛的方法，将它们逐级分离开来。
对粒径小的土粒，则用分散剂将其充分分散，再使分散的土粒在一定容积的悬液中自由沉降，一物质粒径愈大下沉愈快。
根据司笃克斯（G.G.Stokes）定律，不同粒径的颗粒在重力的作用下其下降速度与球体（土粒）的半径平方（r2）成正比，与分散介质的粘滞系数成反比的原理。
即
2d-d1
V=---gr2--------
9η
式中：
V—土粒在介质中沉降速度（cm/s）；
g—重力加速度（980cm/s2）；
d—土粒比重，平均值为2.65（g/cm3）
d1—介质比重（g/cm3.）；
η—介质粘带系数（g/cm·s）；
r—土粒半径（cm）。
可见，当温度一定时，土粒愈大下降愈快，反之则慢。
因此，在一定深度，不同下降的时间内，可以测出某种大小的土粒含量。
使用的方法有：
吸管法——直接吸取悬液洪干称重；
比重计法——测其比重，然后换算出各粒级的含量。
比重计法的原理是：
比重计所排开的悬液体积等于其重量时，它浮在一定位置上，而在比重计上刻有相应的数字。
为了免去复杂的计算，鲍尤考斯设计一种所谓甲种比重计，它可以从浮标尺上直接读出悬液某一深度所含有的土粒浓度（g/l）（以下简称比重计）。
由于温度影响悬液的比重的比重计的体积也影响土粒的比重和水的粘度等。
一般甲种比重计的刻度是以20℃为标准的，低于或高于这一温度，都需要进行读数值校正（校正值见表1-3），所以每测一次比重后，必须测一次温度。
如采用常用比重计法，要进行十三次读数，方能计算出各级颗粒的百分数。
这种办法费时多、速度慢。
甲种比重计法，即按不同温度下土粒沉降时间，直接测定所需各粒径土粒的含量。
此法精确度较吸管法和常用比重计法差些，但对于一般性了解土壤质地来说，还是可靠边的。
特别适用于土壤普查大批量的质地测定工作。
三、试剂
根据土壤pH,分别选用下列三种分散剂:
（l）石灰性土攘:
加0.5N偏磷酸钠60毫升,称取51克偏磷酸钠溶于约900毫升水中,加入1NNaOH溶液,调节pH值至8-9，加水至1升。
（2）中性土壤:
加0.5N草酸钠20毫升，称取33.5克草酸钠溶于1升水稀释之。
（3）酸性土壤：
加0.5N氢氧化钠40毫升,称取20克氢氧化钠溶于水并稀释至1升。
四、仪器
1.瓷蒸发皿；
2.带橡皮头圆棒；
3.1升量筒，100毫升量筒；
4.搅动杆:
是一根长半米,直径为7毫米的玻璃棒，上装有直径为5厘米的橡皮片上打有8个直径各为3毫米的圆孔。
5.甲种土壤比重计（也称鲍氏）比重计，使用范围为0～60,读数代表比重计所处深度上的土壤悬液的平均比重,单位为每升克数。
新购的比重计必须进行一次刻度核准即校对比重计的刻度是否合乎规定。
校准的方法是将比重计悬浮在19.4℃的纯水中读取水平面与比重计相交处的实际读数A；如刻度无误，此读数应等于零,如不等于零则此读数与0的读差为刻度的校准值。
A在0点以下为正值,在O点以上为负值,将来应于测定读数中减去它。
五、操作步骤
1.用粗天平称取过1mm筛孔的土样50克置瓷碗中，先加0.5mol/LNaOH约20ml左右,使其分散呈稠糊状，然后用研棒研磨5～10分钟（一般砂土、壤土5分钟，粘土10分钟）。
再将剩余的NaOH全部倒入瓷碗中，再继续研磨1分钟。
2.用烧杯装自来水将瓷碗中分散处理后的土样，少量多次的洗入1000ml量筒中。
最后定容至刻度1000ml。
3.先测定空白量筒中的液温或室内温度，根据温度查表3-1,<0.01mm一栏所列的温度、时间和粒径的关系。
实际上就是我们比重计读取数据的时间，时间确定后用搅动杆搅动悬液1分钟（上、下约30次，搅动时不要将搅动杆底板露出液面，以免产生气泡影响读数）。
然后立即记录开始静置时间。
读取比重计数据时，必须提前完成15—20秒，将比重计轻轻的放入悬液中。
静置时间一结束，立即读出比重计数据，数据经过校正计算后就得出了所求粒级的土粒%含量。
4.空白校正：
在实验桌的一側有一个加了40ml0.5mol/LNaOH和水的1000ml量筒，用来做空白测定既分散剂校正值的测定（方法同3）。
5.结果计算
校正后读数=实际读数+温度校正值-（刻度校正值+空白校正值）
校正后读数
物理性粘粒（<0.01mm）%=————————*100
W（土重）
物理性砂粒（>0.01mm）%=100%—物理性粘粒%
查《土壤地理学》第52页1—14表草原土及红黄壤类，得出质地名称。
六、注释
1.在加入分散剂后,土样还须进行物理分散处理，以保证土粒的充分分散,上述介绍的研磨法，要求设备简单，费时也短,但一个人不能同时处理许多样品,除此以外，还有下列二种处理方法:
a.煮沸法:
将称好的土样放在500毫升三角瓶中,加人分散剂,再加纯水至约300毫升,摇匀后静置两个小时,并每隔15分钟左右摇动一次。
随后将三角瓶装上回流装置，放在电炉上加热煮沸1小时后停止。
在未沸前,不时摇动，以防土粒沉积在积在瓶底结成硬块。
一方面影响分散,还可能使瓶底因受热不匀，而产生破裂。
B.振荡法:
将称好土样放在振荡瓶中,加分散剂和纯水达150毫升左右,放在振荡机上振荡1个小时。
2.搅动杆搅动悬液时应上下速度均匀,向下时应触及筒底使土粒能搅起；向上时不能露出液面,使胶板或铜片在液面下3厘米左右即可,否则使空气压入悬液,形成气泡,影响读数。
3.比重计的刻度是以悬液的水平面为准,但在土壤悬液中读数时,因土液混浊而不能读取此读数,因而改读比重计与弯月面顶部相切处的读数,所以在读取弯月面的数值后,应加上弯月面顶部至悬液水平面的一段距离,可改正为水平面的读数。
此即弯月面的校准。
由于悬浮液中加了一定的分散剂,所用的不是纯水而是普通的水及水温的改变，均会影响比重计的读数,也应进行校准，这几个校准合在一起做,于每次使用前进行。
表3-1小于某粒径颗粒沉降时间表（常见比重计用法）
温度
（℃）
<0.05mn
<0.01mn
<0.005mn
<0.001mn
时
分
秒
时
分
秒
时
分
秒
时
分
秒
4
1
32
43
2
55
48
5
1
30
42
2
50
48
6
1
25
40
2
50
48
7
1
23
38
2
45
48
8
1
20
37
2
40
48
9
1
18
36
2
30
48
10
1
18
35
2
25
48
11
1
15
34
2
25
48
12
1
12
33
2
20
48
13
1
10
32
2
15
48
14
1
10
31
2
15
48
15
1
8
30
2
15
48
16
1
6
29
2
5
48
17
1
5
28
2
0
48
18
1
2
27
30
1
55
48
19
1
0
27
1
55
48
20
58
26
1
50
48
21
56
26
1
50
48
22
55
25
1
50
48
23
54
24
30
1
45
48
24
54
24
1
45
48
25
53
23
30
1
40
48
26
51
23
1
35
48
27
50
22
1
30
48
28
48
21
30
1
30
48
29
46
21
1
30
48
30
45
20
1
28
48
31
45
19
30
1
25
48
32
45
19
1
25
48
33
44
19
1
20
48
34
44
18
30
1
20
48
35
42
18
1
20
48
36
42
18
1
15
48
37
40
17
30
1
15
48
38
38
17
30
1
15
48
39
37
17
1
15
48
40
37
17
10
48
表3-2甲种比重计温度校正值
温度（℃）
校正值
温度（℃）
校正值
温度（℃）
校正值
0.0-8.5
-2.2
18.5
-0.4
26.5
+2.2
9.0-9.5
-2.1
19.0
-0.3
27.0
+2.5
10.0-10.5
-2.0
19.5
-0.1
27.5
+2.6
11.0
-1.9
20.0
0
28.0
+2.9
11.5-12.0
-1.8
20.5
+0.15
28.5
+3.1
12.5
-1.7
21.0
+0.3
29.0
+3.3
13.0
-1.6
21.5
+0.45
29.5
+3.5
13.5
-1.5
22.0
+0.6
30.0
+3.7
14.0-14.5
-1.4
22.5
+0.8
30.5
+3.8
15.0
-1.2
23.0
+0.9
31.0
+4.0
15.5
-1.1
23.5
+1.1
31.5
+4.2
16.0
-1.0
24.0
+1.3
32.0
+4.6
16.5
-0.9
24.5
+1.5
32.5
+4.9
17.0
-0.8
25.0
+1.7
33.0
+5.2
17.5
-0.7
25.5
+1.9
33.5
+5.5
18.0
-0.5
26.0
+2.1
34.0
+5.8
附：
土壤质地速测法
在野外进行土壤调查时，常采用揉条法测定土壤质地，其操作如下：
1.取小块土样（比算盘珠略大些），拣掉土样内的植物根系和结核体（铁子等）后，加水充分湿润、调匀，放在手心用手指来回搓，搓成直径约3mm的细长条。
2.将细长条圈成环状。
对照下例条件定出质地名称。
（1）不能成细条，成珠不成条—砂土。
（2）形成不完整的短条—砂壤土。
（3）搓成条时易断裂—轻壤土。
（4）成细条，但弯曲时易断裂—中壤土。
（5）细条完整，成环时有裂痕—重壤土。
（6）细条完整，成环时无裂痕—粘土。
第二章电子天平的使用和土壤酸碱度的测定
一、电子天平的使用
SartoriusBS系列电子天平操作方法
1．调水平：
调整地脚螺栓高度，使水平仪空气气泡位于圆环中央。
天平升高，右旋前面地脚，天平下降，左旋前面地脚。
2．开机：
接通电源，按开关键ON/OFF，天平自动实现自检功能，当显示器显示零时，自检过程结束，此时，天平工作准备就绪。
3．预热：
天平在初次接通电源或长时间断电之后，至少需要预热30分钟。
只有这样，天平才能达到所需要的工作温度。
为取得理想的测量结果，天平应保持在待机状态。
4．清零：
使用除皮键TARE，除皮清零，使重量显示为零。
这种清零操作可以在天平的全量程范围内进行。
5．称量：
将物品放在称盘上，进行称量。
6．关机：
天平应一直保持通电状态（24小时），不使用时将开关键关至待机状态，使天平保持保温状态，可延长天平使用寿命。
二、土壤酸碱度的测定
（一）目的意义
pH的化学定义是溶液中H+离子活度的负对数。
土壤pH是土壤酸碱度的强度指标，是土壤的基本性质和肥力的重要影响因素之—。
它直接影响土壤养分的存在状态、转化和有效性，从而影响植物的生长发育。
土壤pH易于测定，常用作土壤分类、利用、管理和改良的重要参考。
同时在土壤理化分析中，土壤pH与很多项目的分析方法和分析结果有密切关系，因而是审查其他项目结果的一个依据。
pH的测定可分为比色法、电位法两大类。
由于科学的发展，可适用于各种情况测定的形式多样的pH玻璃电极和相应精密的现代化测量仪器，使电位法有准确、快速、方便等优点。
pH误差约为0.02单位，现已成为室内测定的常规方法。
比色法有简便、不需要贵重仪器、受测量条件限制较少、便于野外调查使用等优点，但准确度低，pH误差在0.5左右。
目前也有多种适合于田间或野外工作的微型pH计，准确度可达0.01pH单位。
本实验所用的方法为电位测定法。
（二）测定原理
以电位法测定土壤悬液pH，通用pH玻璃电极为指示电极，甘汞电极为参比电极。
此二电极插入待测液时构成一电池反应，其间产生一电位差，因参比电极的电位是固定的，该电位差的大小取决于溶液中H的活度（溶液中有水中的H和土壤中的H，这两种H相互交换，称之为活度），因此可用电位计测定电动势，再换算成pH，一般用酸度计可直接测读pH。
（三）试剂
pH4.03缓冲溶液：
苯二甲酸氢钾在105℃烘2~3小时后，称取10.21克，用蒸馏水溶解稀释至l升。
pH6.86缓冲溶液：
称取在105℃烘2~3小时的KH2PO44.539克或Na2HPO4。
2H2O5.938克，溶解于蒸馏水中定容至1升。
（四）仪器
粗天平、50ml烧杯、25ml量筒、电动搅拌机、奥立龙818型酸度计
（五）操作步骤
1.用粗天平称取过1mm筛的风干土样5克，于50ml烧杯中。
2.用量筒量取25ml纯水于烧杯中，用玻棒间歇搅拌半小时或用电动搅拌机搅拌1分钟左右，静置半小时，澄清平衡。
3.用奥立龙818型酸度计进行测定，读出数据填写在实验报告中。
（六）注释
1.液土比例。
对于中性和酸性土壤，一般情况是悬液愈稀即液土比例愈大，pH值愈高。
大部分土壤从脱粘点到液土比10:
1时，pH增加0.3～0.7单位。
所以，为了使测定结果能够互相比较，在测定pH时，液土比应该加以固定。
国际土壤学会规定液土比例为2.5:
1，在我国的例行分析中以1:
1，2.5:
1，5:
1较多。
为了使测定的pH更接近田间的实际情况，以液土比1:
1或2.5:
1甚至为水分饱和的饱和土浆较好。
2.待测土样不宜磨得过细，宜用通过1mm筛孔的土样测定。
附１：
奥立龙818型酸度计使用说明
电极准备
1、拔掉电极上的运输保护盖；
2、用蒸馏水冲洗电极以清除沉积盐；
3、甩动电极以排除气泡；
4、将电极浸泡于3mol·L-1KCL溶液2小时以活化电极；
5、将电极与测试仪联接。
标定及测量
1、根据被测溶液的酸碱性，选择2点缓冲溶液值进行标定。
第一点缓冲溶液的pH值为6.86，第二点缓冲溶液的pH值需与被测溶液的酸碱性一致，即选择pH4或pH9.18的缓冲溶液。
2、先按标定键（CAL），然后压确定键（YES），通过滚动键选择二点缓冲溶液（4—7或7—9），再压确定键（YES）。
3、蒸馏水冲洗电极，并用滤纸擦干，然后将电极置于pH6.86的缓冲溶液，搅动一下缓冲溶液，当READY灯亮时，压确定键盘（YES）表示第一点已标定。
4、蒸馏水冲洗电极，并用滤纸擦干，然后将电极置于pH4或pH9.18的第二点缓冲溶液，搅动一下缓冲溶液，当READY灯亮时，压确定键盘（YES）表示第二点已标定。
5、两点标定结束后，仪器进入斜率方式，并显示斜率值。
pH值的测量
1、标定结束后，用蒸馏水冲洗电极。
2、将电极放入被测溶液中，并轻微搅动一下，当READY灯亮时，记录pH值。
附２：
pH值速测法（混合指示剂比色法）
1、测定原理：
指示剂在不同pH的溶液中显示不同的颜色，故根据其颜色变化即可确定溶液的pH。
混合指示剂是几种指示剂的混合液，能在—个较广的pH范围内，显示出与一系列不同pH相对应的颜色，据此测定该范围内的各种土壤pH。
2、操作步骤：
用角匙分别取土样，每种土样各两份（黄豆大），分别放入比色板穴位中，再分别加pH4—8混合指示剂3～5滴，以能湿润土样稍有余为宜，加1滴纯水（亦可不加），用玻棒搅匀，待澄清后，将比色板稍倾，观察溶液色度与比色卡比色，判断其酸碱度，填写在实验报告中。
第三章土壤有机质的测定
一、目的意义
土壤有机质含量是衡量土壤肥力高低的重要指标之一，它能促使土壤形成结构，改善土壤物理、化学及生物学过程的条件，提高土壤的吸收性能和缓冲性能，同时它本身又含有植物所需要的各种养分，如碳、氮、磷、硫等。
一般来说，土壤有机质含量的多少，是土壤肥力高低的一个重要指标。
要了解土壤的肥力状况，必须进行土壤有机质含量的测定。
土壤有机质的含量也反应了一定的成土过程，对探讨研究土壤的形成、分布、分类及肥力等等都有重要的理论和实践意义。
二、测定原理
目前测定土壤有机质普遍采用的方法是丘林法。
丘林法用氧化剂即重铬酸钾—硫酸溶液在加热的条件下氧化有机质中的碳，多余的重铬酸钾用邻菲啰啉为指示剂，用标准的硫酸亚铁或硫酸亚铁铵来进行滴定，以耗去重铬酸钾的量来计算出土壤有机质中的碳的含量。
土壤有机质中碳的含量一般为58%，所以最后用有机碳的分析结果乘以1.724（100/58=1.724），这个1.724是表示1克的碳相当于有机质1.724克。
其反应式为：
2K2Cr2O7+8H2SO4+3C——2Cr2（SO4）3+2K2SO4+3CO2+8H2O
滴定反应：
K2Cr2O7+6FeSO4+7H2SO4——Cr2（SO4）3+3Fe2（SO4）3+K2SO4+7H2O
在滴定过程中指示剂的变色过程如下：
开始时溶液以重铬酸钾的橙色为主，滴定时溶液逐渐呈绿色（Cr3+），近终点时变为深绿色。
当硫酸亚铁溶液过量半滴时，溶液则变为棕红色，表示颜色已到终点。
指示剂变色的氧化还原状态：
[Fe（C2H8N2）3]3+[Fe（C2H8N2）3]2+
氧化态（无色）还原态（棕红色）
三、方法和步骤
1.用电子天平称取过0.15㎜筛的土样0.2000g左右两份，分别于两根试管中。
2.用10ml胖肚吸管吸取0.068mol/LK2Cr2O7—H2SO4溶液10ml三分，分别于三根试管中（空白一根），把有土样的试管摇匀。
三根试管分别加盖小漏斗。
（起回流冷凝作用，减少蒸发量）。
3.加热氧化：
将加盖小漏斗的试管盛入铁丝篮中，待油浴锅中的石蜡温度升高到185℃—190℃时，把铁丝篮放入油浴锅内，为使锅内的石蜡温度均匀和下降，并将温度保持在170℃—180℃之间，需要将铁丝篮上下提起落下数次，以试管内液体冒泡开始计时，沸腾五分钟后立即将铁丝篮提出蜡液面（力求准确计时，否则会影响分析结果），立即将铁丝篮提出蜡液面，稍等片刻再将整个铁丝篮放在专用纸板上冷却。
4.待试管内的液体冷却后，用洗瓶中的纯水少量多次的将其分别洗入三个150ml三角瓶中，洗液体积应控制在60ml—70ml左右，（使溶液的酸度保持在2—3mol浓度之间）然后加邻啡啰晽指示剂3滴，用标准的0.2mol/LFeSO4进行滴定记录初读数。
颜色由橙黄—草绿—深绿—棕红（突变）即为终点，记录终读数（FeSO4）用量毫升数，填写在实验报告中。
5.结果计算
（V1—V2）×M×0.003×1.724×1.1
有机质=———————————————×1000
W
式中：
V1——滴定空白时所用FeS04毫升数；
V2——滴定土样时所用FeS04毫升数；
M——所用FeSO4的浓度；
0.003———碳毫摩尔质量0.012被反应中电子得失数4除得0.003；
1.724———有机质含碳量平均为58%，故测出的碳转化为有机质时的系数为100/58≈1.724；
1.1———校正系数（用此法氧化率为90%）。
四、仪器与试剂
1.仪器
分析天平、硬制试管（18mm*180mm）、油浴锅、铁丝笼、温度计、电炉、漏斗、250ml三角瓶、量筒、草纸或卫生纸、分析天平、玻璃棒、25ml酸式滴定管、10ml移液管
2.试剂
（1）0.068mol/l重铬酸钾溶液
（2）0.2mol/l硫酸亚铁或硫酸亚铁铵溶液
（3）邻啡罗啉指示剂
（4）石蜡（固体）
五、注意事项
1．测定石灰性土壤样品时，必须慢慢加入浓H2SO4，以防止由于CaCO3分解而引起的激烈发泡。
对于水稻土及一些长期渍水的土壤，由于土壤中含有亚铁，会使测定结果偏高，因为在这种情况下，重铬酸钾不仅氧化了有机碳，而且也氧化了土壤中的亚铁，须将土磨碎后摊平风干10天，使亚铁充分氧化为高铁后再测定。
在含氯化物的盐渍土中，测定结果也较高，因氯离子被氧化成氯分子。
可加入硫酸银0.1克，使氯离子沉淀为氯化银，避免氯离子的干扰作用。
2．消煮时间对测定结果影响极大，应严格控制试管内或烘箱中三角瓶内溶液沸腾时间为5分钟。
3．消煮的溶液颜色，一般应是黄色或黄中稍带绿色。
如以绿色为主，说明重铬酸钾用量不足。
若滴定时消耗的硫酸亚铁量小于空白用量的三分之一，可能氧化不完全，应减少土样重作。
4．加热过程中，应加倍小心，以免着火发生事故。
5．在消煮后，溶液仍为黄棕色或黄中稍带绿色，如颜色变绿，则表明样品用量过多，重铬酸钾用量不足，有机碳的氧化不完全，需重做。
附土壤有机质速测法
通常在野外工作时才用速测法,它快速简便,结果也相对准确.它的测定原理是用铬酸钾、硫酸溶液氧化土壤,氧化时橙红色的重铬酸根离子（Cr2O7-）被还原成绿色的铬离子（Cr3+）。
当土壤有机质含量较低时剩余的重铬酸钾较多，溶液为橙黄色。
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