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ENVIdata-Redox 土壤pH&氧化還原監(jiān)測系統(tǒng)

應用：

測定土壤的氧化還原電位，有助于了解土壤的通氣、還原程度，為種植農(nóng)作物種類起到重要的指導作用。土壤pH值和氧化還原特性也是濕地凈化功能的特征指標。

然而，長期、原位野外連續(xù)測量pH值和氧化還原電位一直是應用領域的瓶頸。本文介紹的直接埋設于土壤中、連續(xù)監(jiān)測的pH值和氧化還原電極來自德國科隆大學和德國巴伐利亞環(huán)境保護局的研制和應用，參見后附文獻。

特點：

長期、原位測量土壤pH，抗凍、耐用、維護少。氧化還原電極用于測量土壤的Redox potential (EH)，實驗室和大田均可使用

Redox 電極優(yōu)勢：

l用于連續(xù)測量在土壤中測量，甚至在飽和狀態(tài)下。

l因體積小，也可以用于實驗室或土柱和盆栽試驗。

土壤氧化還原電極(室內(nèi)）

土壤氧化還原電極(大田）

測量原理：

土壤pH 電極是一個雙電極設計，一個作為參比（Ag/AgCl）電極。為了防止電解液流失導致的老化加速，將參比電極放入含KCl的鹽橋中，鹽橋與土壤有電連接。該電極與氧化還原電極的電路相同，可接入同一個模塊。

土壤的氧化還原電位是mv級變化量。與鉑金頭接觸的很少量土壤即可完成測量，此鉑金頭直徑只有1mm，長5mm。參比電極是由鹽橋連接的Ag/AgCl，可用V級電壓表或輸入阻抗高的數(shù)采進行測量。

參比電極帶鹽橋大田使用

技術指標：

pH電極：

輸出-175 … + 175 mV 等于 pH10 … pH 4 (pH 7 ?0 mV)

直徑：6mm

管長：80mm

保護套管：直徑20mm

保護套管長：*長1m

纜線：2米，可定制

參比電極：

電解質電極：3 M KCl

陶瓷隔膜

PVC管

尺寸:

大田：直徑12mm，長：110mm，鹽橋直徑25mm，鹽橋長400mm

室內(nèi): 直徑6mm，長：80mm，鹽橋直徑12mm，鹽橋長120mm

pH電極大田埋設

參比電極

氧化還原電極：

mV級信號

鉑金頭：直徑1mm，長度5mm

管：碳纖維，直徑6mm

Redox 參比電極直徑12mm，管長120mm

Redox控制模塊：

范圍：+/- 1250 mV

分辨率：0.1 mV

精度：3mV

氧化還原電極安裝

系統(tǒng)布設：

大田布設方法

左邊是氧化還原電極，右邊是參比電極

實驗室研究氧化還原電位、壓力、溫度對氧化還原過程的影響

便攜式讀表測量土壤氧化還原

應用：

一、在各種水分條件下土壤氧化還原電位對砷降解中其釋放及形態(tài)的研究

Arsenic release and speciation in a degraded fen as affected by soil redox potential at varied moisture regime

H. Weigand a，， T. Mansfeldt b， R. B?umler c， D. Schneckenburger d，1， S. Wessel-Bothe e， C. Marb f

a University of Applied Sciences Giessen-Friedberg， Department KMUB， 35390 Giessen， Germany

b Department of Geography， University of Cologne， 50923 Cologne， Germany

c Department of Geography， Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nürnberg， 91054 Erlangen， Germany

d Institute for Geography， University of Augsburg， 86159 Augsburg， Germany

e ecoTech Umweltme?systeme GmbH， 53129 Bonn， Germany

f Bavarian Environment Agency， Josef-Vogl-Technology-Centre， 86167 Augsburg， Germany

摘要：土壤調查顯示，在德國BavarianMolasse basin盆地，土壤表層的As含量高達1600 mg kg-1。來自三級含水層（the Tertiary aquifer）的地下水似乎是As的主要來源。然而，其表層積累的原因尚不清楚。

本文著重研究了氧化還原過程對As再分配過程的影響。并且，進行了土壤柱實驗——A（716 mg As kg-1），Ag（293 mg As kg-1）和2Ag（37 mg As kg-1）。樣品土樣的PH值為7.2。固定土柱配備了氧化還原電極和溶液取樣器，并進行飽和及排水循環(huán)。采用施加壓力的方法，對柱體下層進行模擬水位變化。這個過程是通過數(shù)字真空系統(tǒng)進行控制的。

在土壤水飽和后，氧化還原電位（EH）下降到*低值——A/Ag為0mV，2Ag水平為-400mV。土壤排水導致氧化條件迅速恢復。在A和Ag水平上，As總濃度低（約為20μgl-1），與EH無關。相比之下，2Ag水平的As濃度在5和140μg/ l之間，并在EH降低時反而增加。

然而，由于As（III）和As（V）在還原條件下都被檢測到，所以As各種形態(tài)的分布沒有顯示與EH的趨勢相關。在2Ag水平中As的高釋放與Fe（hydr）氧化物中的低含量一致。在A和Ag層面，倍半氧化物的富集導致了EH對水飽和度的相對較低的敏感性，并加大了As的留存。因此，在2Ag層次中，As在飽和條件的通過毛細管上升的釋放，可能在表土中是穩(wěn)定的。因此，表層土既可以作為過去和現(xiàn)在的As的研究樣本。

總砷含量與土壤氧化還原電位（EH）的關系。 圖a和b分別顯示了A / Ag和2Ag的數(shù)據(jù)。

參考文獻：

Mansfeldt， T. (2003): In situ long-term redox potential measurements in a diked marsh soil; J. Plant Nutr. Soil Sci.， 166， 210-219.

Mansfeldt， T. (2004): Redox potential of bulk soil and soil solution concentration of nitrate， manganese， iron， and sulfate in two Gleysols; J. Plant Nutr. Soil Sci.， 167， 7-16.

Weigand H.， T. Mansfeldt， S. Wessel-Bothe & C. Marb (2005): Bulk soil redox potential and arsenic speciation in the pore water of fen soils; in W. Skierucha & R.T. Walcak (eds.): Monitoring and modelling the properties of soil as a porous medium: the role of soil use; International conference， Lublin; 44-46.

二、沼澤土壤中氧化還原電位的動態(tài)比較研究

—— 1990-1993Vs2011-2014

研究背景

確定土壤的氧化還原狀態(tài)，并且識別氧化還原過程是一直以來的研究熱點，已經(jīng)持續(xù)了80多年（1920開始，Gillespie）。我們可以通過在土壤中安裝惰性金屬電極（例如鉑，Pt）和參比電極（例如銀/氯化銀，Ag / AgCl），來評估現(xiàn)場氧化還原的空間和時間分布。然后可以使用電位器來確定電極之間的電位差，用以產(chǎn)生以mV為單位的讀數(shù)（Patrick et al。，1996）。這個讀數(shù)稱為氧化還原電位（EH）。EH值，影響著有效溫室氣體釋放的過程，控制營養(yǎng)物質和污染物的遷移，并改變土壤形成。因此，對臨時水飽和土壤中的EH動力學的研究，對于相關從業(yè)者來說是重要的，例如處理濕地重建或評估相關的生物地球化學過程。

在本研究中，我們在德國北部Polder Speicherkoog進行試驗。1989年11月至1993年10月，每周進行的手動EH讀數(shù)。2010年11月至2014年10月，按小時進行自動的EH讀數(shù)。每個讀數(shù)都是從**安裝的Pt電極獲得的。我們對兩次測量試驗進行了對比研究，并都測量了土壤化學和物理性質。本文的研究目標為：1）評估土壤（24年內(nèi)形成史）的EH動態(tài)變化；2）高頻率監(jiān)測EH值的益處；3）通過對2100年氣候水平衡（CWB）的預測，來應對氣候變化的影響，以評估這些沿海沼澤地區(qū)的土壤以及EH動態(tài)變化的未來情況。

結論

要對土壤生物地球化學過程的全面了解，這意味著需要有對氧化還原狀態(tài)的認識。土壤化學（OC含量，FeS，pH）和物理性質（體積密度，孔隙度），被認為是動態(tài)沼澤生態(tài)系統(tǒng)中的瞬態(tài)。通過這個研究，顯而易見的是，只有當Pt電極**放置在土壤中，才能得到EH的動態(tài)變化；才可以區(qū)分EH的動態(tài)變化是由電極的重新安裝，還是土壤性質的變化引起的。氧化還原電位，以間隔hour和day的測量結果，均勻地描述了氧化還原類分布。但是week和month的間隔測量，出現(xiàn)了信息丟失。研究結果表明，需要以hour的測量間隔，來測量計算EH。這是因為24小時內(nèi)的三個氧化還原階段的波動是明顯的。根據(jù)氣象預報，增加蒸散量會導致夏季水位下降，同時也延長了土壤通氣時間，延長了土壤條件氧化的時間和程度。這有利于和加速沼澤生態(tài)系統(tǒng)中的表土壓實，并且對對氧化敏感的亞穩(wěn)態(tài)礦物具有影響。

參考文獻

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