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土壤酸鹼度

土壤酸鹼度與植物生長

馬 斌 北京大學附屬中學

指導教師：陳學偉  中科院遺傳研究所 
         薛英翠  北京大學附屬中學

摘 要
　　本文初步探討了環境酸鹼度與植物生長的相互關係，主要研究植物對環境酸鹼度的影響。並得出了離子平衡、同種電解質互斥的結論。較清楚的說明了無淋失情況下，礦物元素的吸收與酸鹼度的關係。能過小麥育種、單種物質營養液不同酸鹼梯度的植物生長試驗。證實了，在酸性環境下植物會更多的吸收陰離子，同時抑制陽離子吸收，放出OH-，使環境向中介點移動。在鹼性環境中植物會更多的吸收陽離子，抑制陰離子交換，向外放出較多H-，同樣使外部環境向中介點移動。說明植物吸收物質是PH變化的原因。

　　我國現有5億畝鹽鹼化土地，其中有3億畝待開墾，瞭解土壤酸鹼度與植物生長的關係也就顯得尤為重要我國西北和北方乾旱地區土壤多為石灰性或鹼性，而南方土壤多為酸性或中性，這種酸鹼變化一般都受到成土母巖和氣候條件的影響，同時也受到地形、植被和耕作措施等因素影響。

　　那些鹽基成分含量高的岩石（如石灰岩等）風化後產生氫氧離子，就使土壤偏鹼性或中性；酸性成分的岩石（如花崗岩等）發育的土壤，多呈酸性。同類岩石其風化產生的鹽類，在北方乾旱地區不容易淋失而底層的鹽基又隨水分蒸發上升而累積在土壤表層中，使土壤反應偏鹼性，而在東北森林地帶以及濕潤多雨的南方，岩石風化產生的一、二價陽離子組成鹽類大量被淋失，剩下的三價的鐵鋁等化合物尤其是鋁的氧化物及其鹽類在水中水解產生氫離子，致使土壤變酸，所以南方大面積的紅壤酸性強，有些甚至呈酸性反應。酸鹼度低至4.5－5.5。

　　岩石風化後產生的大小顆粒中，那些極細的土壤膠體吸附有氫、鈉、鉀、鈣、鎂、鋁等離子，它們和土壤溶液中的離子處於動態平衡狀態，它們彼此代換會影響土壤酸鹼性。因此，土壤酸鹼反應的實質，是土壤溶液中游離的氫離子和氫氧根離子存在比例的一個反映。當游離的氫離子濃度大於氫氧根離子濃度時，土壤呈酸性，；反之，若氫氧根離子濃度大於氫離子濃度時，土壤呈鹼性；若兩者濃度相等，土壤就呈中性。
 
１．酸鹼度對植物影響的討論

　　酸鹼度對植物的影響是多方面的，大體上分為對外部環境影響與對植物體自身影響，為確定其中主要因素，現已將千餘粒小麥種子分為PH= 4、4.5 、5 、5.5、 6、 6.3、 7 、7.5、 8  ９個梯度進行育種，每區域100顆左右，以營養液進行培養。

　　在經過40多天觀察紀錄後（其中有一次篩選）摘錄數據如表一

 

對其中３部分進行具體比較，植株的高度已有明顯差異（見圖一）。實際目測時在ＰＨ＝６－７區域的植株要比其他粗壯挺拔。說明酸鹼度對植株的影響是顯著的。

但這種差異並不是很懸殊，也可證明在所進行的試驗區域PH=4-8時，並沒有超過小麥的生存極限，對其自身結構產生影響。

    為確定酸鹼度是否對植物合成蛋白質產生影響，對PH= 4、6.3、8 三種植株的RNA進行電泳處理比較。

 

 

 

圖二　小麥ＲＮＡ電泳圖像

在酶切條件下顯示零等位現象（如圖二），從分子水平上看結果基本一致，可以說明酸鹼度在一定範圍內並沒有對植物的蛋白質合成產生影響鑒於以上原因，主要進行了酸鹼度對植物體外部環境影響。這其中的核心問題就是根對礦質元素的吸收。

２．酸鹼度對礦物質吸收的影響

1)根吸收礦質元素的過程

　　各種礦質元素都是以離子狀態被吸收的。土壤中各種礦質元素的離子，有些存在於土壤溶液中，有些被土壤顆粒吸附著。存在於土壤溶液中的離子和被土壤顆粒吸附著的離子，都能夠被根選擇吸收。

　　根細胞吸收土壤溶液中各種礦質元素的離子的過程，與根細胞的呼吸作用有密切的關係。根細胞通過呼吸作用產生出二氧化碳（CO₂），二氧化碳溶於水中，產生碳酸（H₂CO₃）CO₂  + H₂O = H₂CO₃  ，碳酸可以離解成H⁺和HCO₃^-，H₂CO₃+ H₂O= HCO₃^-+  H⁺。這兩種離子可以分別於土壤溶液中的陽離子（如K⁺、NH₄⁺）和陰離子（如NO₃^-）發生交換。這樣，H⁺和HCO₃^-就進入土壤溶液中，而土壤溶液中的一些陽離子和陰離子則被根吸附到根細胞的細胞膜的表面上來。根細胞所吸附的H⁺和HCO₃與土壤溶液中的陽離子和陰離子發生交換的過程，就叫做交換吸附。在交換吸附的過程中，根細胞附近的土壤溶液中的陽離子和陰離子減少了，距離根細胞較遠處的土壤溶液中的陽離子和陰離子則可以通過擴散作用移動過來。

2)酸鹼度對礦物質吸收影響的原有理論

　　(1)化學方面：
　　土壤酸鹼度對土壤結構性有影響。酸性土壤中，氫離子濃度大，容易把膠體中鈣離子代換出來淋失，故酸性土易板結。而鹼性土壤含有大量代換性鈉離子、氫氧離子，使土粒分散，干後板結，造成鹼土的結構性不良。陽離子礦物溶解度降低從而影響吸收。

　　(2)生物方面：
　　土壤中轉化有機養分是在微生物參與下進行的（微生物分泌使有機物分解的酶），土壤酸性或鹼性對微生物生長有影響。酸或鹼環境還會使植物根細胞原生質層的蛋白質帶正或負電荷，與所吸收的礦物離子發生吸引或排斥。

　　經查閱資料，發現現有理論只重視外部環境對植物體的影響，忽略了植物對外環境的改變以及其自身的抗逆性。尤其是對在不同酸鹼條件下對礦質元素吸收率不同，偏酸環境下礦物元素吸收不利無法解釋。

　　3)聯繫礦物質元素吸收原理以及無機化學知識提出

　　離子平衡、電解質同電荷互斥原理：

　　弱電解質分子在溶液中電離成離子的速率與離子重新結合成分子的速度相等時叫電離平衡。這種平衡是動態、暫時、有條件的,當條件發生變化時,平衡就向能使這種變化減弱的方向移動。當溶液表現出酸鹼性時代表H⁺或OH^-過剩，則吸附在根上的OH^-（HCO₃^-+ H₂O= H₂CO₃+ OH^-）或H⁺會與土壤溶液中的同種微粒互斥，從而影響離子交換。

３．單一營養液植物生長試驗

　　為證實上述原理，用小麥進行了單種物質營養液植物生長試驗。以鑒別在不同酸鹼環境下，礦物的吸收以及對溶液的影響。

　　配置硫酸氨（NH₄)₂SO₄（陽離子）、硝酸鈣Ca（NO₃)₂（陰離子更容易被吸收）、硝酸氨NH₄NO₃（陰陽離子吸收基本平均）。三種單物質營養液並分為三組進行培養

第一組      PH5.７左右

 在環境PH偏低時，各組溶液PH值升高（如圖三）。硝酸鈣Ca（NO₃)₂（植物吸收其更多陰離子）溶液升高幅度最大 為0.41。硝酸氨NH₄NO₃（陰陽離子吸收基本平均）上升0.3, 硫酸氨（NH₄)₂SO₄（植物吸收更多陽離子）上升幅度最小為0.23。不難看出，硝酸鈣溶液中的植株釋放出了更多OH^-，即吸收了更多的陰離子。硫酸氨溶液中的植株釋放出很少OH^-，吸附不易吸收的SO₄^2-數量稍多，這正說明酸性環境抑制了植株對較易吸收的陽離子（NH₄⁺）的吸附。而應陰陽離子吸收基本平均的硝酸氨NH₄NO₃，則也因酸性環境的抑制吸收了更多的陰離子，溶液向中性偏移。

 

 

 

此組數據變化基本不大（如圖四），說明PH= 6.5 -6.8 是此次試驗植物吸收各種陰陽離子的平衡點。PH再高則會使陽離子溶解度降低從而影響吸收，如低則會抑制陽離子的吸收。

在環境PH偏高時，各組溶液PH值降低（如圖五）。硫酸氨（NH₄)₂SO₄下降幅度最大 為0.56即大量NH₄+被吸附。硝酸鈣Ca（NO₃)₂溶液降低幅度最小為0.13，溶液放出了較少的H⁺即吸附了略多的難被植物吸收的Ca₂⁺，這證明鹼性環境抑制植株對陰離子（較易吸收的NO₃^-）吸附。而促進陽離子吸附。硝酸氨NH4NO3溶液則也因鹼性環境促進吸收陽離子，放出了更多H+而下降0.27，溶液向中性偏移。最終靠攏吸收中介值PH=6.5- 6.8。

在前期育種觀察時，後期發現，鹼性區域植株葉色發黃並有脫葉，有缺氮現象。酸性區植株則顏色暗淡，葉片捲曲。為典型的缺鉀症。在營養液配置時，各種營養基本均恆。氮離子以NO₃^-形式加入溶液。這在一定程度上說明，酸性環境抑制陽離子吸收，鹼性環境抑制陰離子交換。旁證了上述觀點。

４．結論

　　通過上述試驗，可基本證實：在酸性環境下植物會更多的吸收陰離子，同時抑制陽離子吸收，放出OH^-，使環境向中介點移動。在鹼性環境中更多吸收陽離子，抑制陰離子交換，向外放出較多H⁺，同樣使外部環境向中性移動。這也明確解釋出植物的逆境抗性，突出適應性，說明了植物吸收物質是溶液PH變化的原因 。

５．誤差分析及改良

　　1)在溶液PH測量上受對照組、溫度及操作影響，不太準確。由於測量週期較長，所以變化幅度較大。各組數據最好只對照比較，不單獨分析。

　　2)在不同同植株RNA比較上，酶切長度過大，同時受技術條件限制，不能完全說明蛋白質是否變異。

　　3)實驗所用營養液種類不多，結論不能說明全部元素的吸收。

    計劃再進行一次單營養液培育實驗，時間增長，梯度在1-3小時內，同時增多營養液種類。對不同環境下培養出的植株進行mRNA→cDMA轉錄，以便精確對比有無蛋白質差異。

６．應用

　　1)提醒要意識到在酸性土壤不易吸收陽離子礦物,一味施用只會造成浪費。

　　2)不必過多利用石膏、硫磺、明礬等來改良土壤酸鹼度，使植物吸收過多毒素對下一營養級形成不必要的毒害，最終影響到人類。可有意識人工加強植物對外界環境影響，如在鹼性土壤中適量施一些大量元素更多為陽離子的肥料，自然改變土壤酸鹼性。

　　3)這一結論同時可成為生物適應的普遍性與生物與環境之間相互作用的有力證明。

↓↓↓實物拍攝圖片↓↓↓ 

 

測土壤PH值和濕度時,先將探頭盡量深地插到土裡,探頭上面部分留大約1厘米.

撥動筆上的按鍵到MOIST, MOIST是水份鍵,對應表上的是MOIST, DRY是干, WET是濕,數值1-3(紅色部分)說明需要澆水, 4-7(綠色部分)是合適的,請根據植物的品種調整澆水時間, 8-10(藍色部分)說明太濕了.

撥動筆上的按鍵到PH, PH是酸鹼度鍵,對應表上的是8-3.5數值, ALKALINE是鹼, ACDIC是酸,數值7基本是中性,數越小說明酸度越大,請根據植物的品種調整土壤酸鹼度.

LIGHT鍵是光照度,測量範圍0-2000流明,數值越大,說明光照越強,請根據植物的品種來決定是否需要遮陰.

使用時注意插電極時不能碰到石頭,不要用力過猛,否則容易傷害電極.用完後把電極洗乾淨.

長度：老款 29cm  探針 20cm   

            新款 26cm  探針18cm   

重量：90克

 

此檢測儀主要供家庭使用，簡單測量花卉的土壤的乾濕度、酸鹼性，和光照，要求高的請移步。

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