实验原理

　　土壤自然电位(Natural Potential, SP)是土壤中因离子扩散、氧化还原反应或流体流动等过程产生的自发电势差，常用于探测地下水流动、污染扩散或金属腐蚀风险。其形成机制主要包括：

　　扩散电位：不同浓度溶液接触时离子迁移差异。

　　氧化还原电位：土壤中氧化态与还原态物质(如Fe³⁺/Fe²⁺)的电子转移。

　　流动电位：地下水流动携带电荷颗粒产生的电势。

　　实验器材

　　测量电极

　　参比电极：饱和甘汞电极(SCE)或硫酸铜电极(CSE)，需保持电极液清洁。

　　探测电极：惰性金属电极(如铂电极、不锈钢电极)。

　　高阻抗电压表(精度至少0.1mV，如数字万用表)。

　　导线与接线端子：屏蔽导线以减少电磁干扰。

　　辅助工具：土壤钻孔器、蒸馏水、温度计、记录本。

　　实验步骤

　　1. 原位测量法(野外直接测量)

　　电极布置

　　在待测区域按直线或网格布设测点，间距1-5m(根据目标精度调整)。

　　将 参比电极 固定于远离干扰的“基准点”(如深层稳定土层)。

　　探测电极 依次插入各测点土壤中，深度5-20cm(与目标层一致)。

　　电位测量

　　连接参比电极与探测电极至电压表，记录每点的电位值(单位：mV)。

　　注意：保持电极与土壤接触良好，避免电极极化(测量时间≤30秒/点)。

　　数据校正

　　测量环境温度，若温差大需进行温度补偿(参比电极电位随温度变化)。

　　记录地形、湿度、附近金属物体等干扰因素。

　　2. 实验室测量法(土样测试)

　　土样采集与处理

　　用塑料铲取新鲜土样(避免金属污染)，密封保存。

　　在实验室内将土样填入有机玻璃槽，压实至自然密度，调节含水量至田间持水量。

　　电极安装

　　将参比电极(SCE)置于土槽一端，探测电极(铂片)插入土槽另一端。

　　连接电压表，静置10分钟待电位稳定。

　　电位记录

　　读取稳定后的电位值，重复3次取平均值。

　　数据处理

　　绘制电位分布图

　　原位测量数据可绘制等电位线图，分析异常区域(如电位突变可能指示污染或渗流)。

　　电位换算

　　若使用不同参比电极，需统一换算为标准氢电极(SHE)电位：

    （例如，饱和甘汞电极在25°C时 $E_{\text{参比}}=+244\text{mV}$）

      ESHE​=E测​+E参比​

　　关联分析

　　结合土壤pH、电导率数据，解析电位来源(如还原性污染导致负电位)。

　　注意事项

　　减少干扰

　　远离电力线、金属管道，避免电磁场干扰。

　　电极使用前用蒸馏水清洗，防止残留盐分影响。

　　电极维护

　　参比电极需定期检查液位，避免结晶堵塞。

　　铂电极用稀硝酸浸泡去除氧化层。

　　环境控制

　　雨天或极端干燥天气避免野外测量。

　　实验室测试需恒温(25±2°C)。

　　示例结果

　　某污染区域原位测量数据：

　　基准点电位：-50mV(参比SCE)

　　污染点电位：-220mV

　　换算为SHE电位：

     ESHE​=−220+244=+24mV

　　表明该点可能存在还原性物质(如有机物降解)。

　　误差分析

　　系统误差

　　参比电极电位漂移、导线电阻。

　　随机误差

　　土壤接触不良、瞬时环境干扰(如动物活动)。

　　改进措施

　　使用双参比电极校准、增加测量重复次数。

　　应用场景

　　环境监测：追踪污染物羽流迁移路径。

　　农业：评估土壤盐渍化或排水条件。

　　工程：探测地下管道腐蚀风险。