植物营养研究进展

土壤酸化研究进展资源与环境学院刘文祥 20081875摘要：环境酸化是全球变化中的一个重要内容, 土壤酸化是环境酸化的一个重要方面。

酸雨也是导致土壤酸化原因之一，同时农业措施也是一大主因综述了土壤酸化研究的进展, 主要有土壤酸化的概念、表示方法、研究方法、土壤酸化敏感性、土壤酸化与元素淋失的关系等方面。

最后提出了进一步研究的方向，并给出改良措施，为土壤酸化改良方面给予指导。

关键词：土壤酸化酸雨酸性改良一、土壤酸化概念与现状土壤退化是指人类对土壤的不合理利用而导致的土壤质量和生产力下降的过程。

主要有侵蚀化、土壤酸化、污染退化、肥力退化和生物学退化。

目前,随着人口、环境资源的矛盾日益突出,土壤退化已经成为全球性的重大问题,由酸沉降导致的土壤酸化是全球变化中的一项重要内容,土壤酸化将加速土壤酸度的下降和元素的淋失,土壤贫瘠化;某些重金属元素的淋出则会毒害植物根系。

土壤酸化作为土壤退化的一个重要方面, 加速了土壤酸度的提高、大量营养元素的淋失,造成土壤肥力的下降,严重影响作物的生长。

由于土壤在陆地生态系统中处于物质迁移和能量转换的枢纽地位,研究土壤酸化对生态系统的影响尤为重要。

1、土壤酸度和土壤酸化的概念根据土壤中H+的存在形态,可将土壤的酸度分为两大类型:一是活性酸,是土壤溶液中H+ 浓度的直接反映,其强度通常用pH值来表示土壤的pH值愈小,表示土壤活性酸愈强;二是潜性酸,是由呈交换态的H+、Al3+ 等离子所决定。

当这些离子处于吸附态时,潜性酸不显示出来。

当它们被交换入土壤溶液后,增加其H+ 的浓度,这才显示出酸性来。

土壤中潜性酸的主要来源是由于交换性Al3+ 的存在,交换性Al3+ 的出现或增加, 不是土壤酸化的原因,而是土壤酸化的结果。

土壤的潜性酸度和活性酸度可以相互转化,而前者要比后者大得多。

然而, 只有盐基不饱和的土壤才有潜性酸。

用石灰位来表示土壤的酸性强度,由于钙是土壤中主要的盐基离子,除了某些碱化土壤外,一般占盐基离子的60%～80%,因此,土壤的酸性强度可以用氢离子和钙离子的相对比例的变化来代表,二者的关系可用数学式pH- 0.5pCa 表示,它代表与土壤固相处于平衡的溶液中氢离子的活度和钙离子的活度差,称为石灰位。

强酸性土壤的pH 低至4.0～5.0,其石灰位可低至1.5;盐基饱和的土壤的pH 高至7.0～8.0,其石灰位可高达7.0,其它土壤的石灰位介于二者之间。

关于土壤酸化,土壤酸化是指土壤内部产生和外部输入的氢离子引起土壤pH 值降低和盐基饱和度减小的过程，在湿润气候区,土壤形成和发育的过程本身就是一个自然酸化的过程,大气污染所引起的干、湿酸沉降则大大加快自然土壤的酸化速率。

2、土壤酸化现状从世界范围来看,酸性土壤主要分布在两大地区,一是热带、亚热带地区,二是温带地区。

北欧和北美的酸化问题主要发生在灰化土上,而我国的酸性土壤主要分布在长江以南的广大热带和亚热带地区和云贵川等地,面积约为2.04×108 hm2,主要集中在湖南、江西、福建、浙江、广东、广西、海南,大部分土壤的pH 值小于5.5,其中很大一部分小于5.0,甚至是4.5,而且面积还在扩大,土壤酸度还在升高。

主要是近几十年来, 我国工业的发展,酸性气体的大量排放,酸性沉降物对环境的影响不断增加,造成我国南方地区酸沉降的频率和强度增加。

目前我国南方黄红壤地区已成为世界上除北美和欧洲之外的第3大酸雨区。

3、土壤酸化原因酸化是土壤风化成土过程的重要方面，导致pH值降低，形成酸性土壤，影响土壤中生物的活性，改变土壤中养分的形态，降低养分的有效性，促使游离的锰、铝离子溶入土壤溶液中，对作物产生毒害作用。

土壤酸化是指土壤中氢离子增加的过程或者说是土壤酸度由低变高的过程,它是一个持续不断的自然过程。

土壤中存在一些天然酸的形成过程,如土壤中动植物呼吸作用产生形成的碳酸, 还有动植物残体经微生物分解产生的有机酸等。

这一过程的速度非常缓慢, 但人为的影响使得这一过程大大加速。

影响土壤酸化的人为因素主要有两方面,一是酸性气体的大量排放, 导致酸沉降的增加。

排放到空气中的SO2和NOx,有一部分直接渗入地表形成干沉降, 另一部分经过一系列的化学反应最后形成强酸H2SO4和HNO3, 雨水pH 随之下降形成酸雨;还有一个因素就是不当的农业措施, 如大量化学肥料特别是铵态氮肥的使用、豆科作物的种植、不当的施肥量和施肥方式、作物收获移走土壤中的碱性物质等。

二、土壤酸化机理土壤酸化始于土壤中活性质子(氢离子)。

土壤中氢离子的来源很多, 土壤中动植物呼吸作用产生形成的碳酸;水的解离; 降雨中一些无机酸, 如碳酸和硝酸; 酸雨中含有的大量硫酸; 酸性肥料和含氮肥料的硝化等。

氢离子破坏了土壤中原来的化学平衡,氢离子和土壤胶体上被吸附的盐基离子交换, 氢离子被土壤胶体吸附, 使土壤胶体上交换性氢离子不断增加。

而盐基离子进入土壤溶液, 随雨水流失。

氢离子可以自发地与土壤中固相的铝化合物反应, 释放出等量的铝离子, Al3+ 水解释放出3个H+。

土壤酸化导致元素的加速淋出。

目前研究最多的元素是盐基离子(K、Na、Ca、Mg)和铝,少数文献研究了微量元素Cu、Cd、Fe、Mn、Pb、Zn和S2-(SO2-4)。

而对于土壤酸化过程中营养元素氮、磷的淋溶特征涉及很少。

1、盐基离子的大量淋失土壤酸化导致盐基离子的加速淋失, 而且其淋失量随土壤pH 值高低而变化。

当土壤pH 值下降时土壤中正电荷增加, 净电荷减少,对钙、镁、钾等养分离子的吸附量显著减少。

这些阳离子与土壤的结合能力随pH 值的降低而减少, 使得这些离子比较容易随水淋失。

刘春生等研究发现: 用模拟酸雨处理褐土, 其酸度不同, 结果相差很大。

4种盐基离子(Ca、Mg、Na、K) 被pH2～5的酸雨10 年淋失的总量分别为5070.8、780.7、566.5 和529.7 mg/kg,淋失总量与酸雨的H+ 浓度呈极显著的相关关系(r=0.9990)。

俞元春等研究发现: 土壤经酸雨淋洗后土壤中交换性钾、钠、钙、镁的总量加上淋出液中钾、钠、钙、镁总量高于原土壤中的交换性钾、钠、钙、镁总量。

说明土壤中某些矿物经酸雨淋洗后发生风化, 释放出盐基离子, 也说明长期酸雨淋洗会导致土壤养分库的损耗, 造成土壤养分贫瘠。

盐基离子对酸沉降的敏感性顺序一般Ca、Mg 比K、Na 更为敏感。

例如广西红壤中交换性盐基离子对酸的敏感性顺序为Ca> Mg> Na> KX 。

有时酸化程度对K、Na 无甚影响。

但也有不同情况, 如K. A. Brown研究英国灰壤酸化敏感性的元素顺序是K>Mg>Ca。

2、活性铝的溶出铝是土壤中最丰富的金属元素, 占地壳重量的7.1%, 土壤中铝能以各种化学形态存在。

铝在土壤中以离子态形式非常牢固地吸附在土壤的交换点或黏土颗粒上, 土壤pH 的降低能促使它从这些交换点或黏土颗粒上脱落下来。

即为土壤铝的溶出。

土壤活性铝的溶出与土壤酸化程度之间的关系密切, 随着酸雨pH 值的降低, 矿物结构和有机络合态锰铝等易被活化, 并产生游离态铝离子, 活性铝的溶出量增加。

pH 值进一步下降时, 活性铝就会急剧增加。

大量的研究表明, 土壤中铝的淋出和土壤中的SO2-4 含量密切有关因为在土壤溶液中, Al3+ 和SO2-4 在适当条件下可形成Al-SO4 化合物, 它们是作为缓冲作用范围内铝迁移的中间产物。

上述研究说明, Al-SO4 化合物的形成和分解控制着土壤中Al3+ 的淋出。

3、土壤酸化和微量元素的淋出土壤酸化同样会加速微量元素的淋失,但这方面的研究目前较少, 这主要是由于微量元素在土壤中赋存和结合形态比宏量元素更为复杂。

微量元素的淋出率的大小除了和土壤母质有关外, 还与土壤的pH 值、土壤中有机胶体、无机胶体有关, 特别是铁、铝氧化物和氢氧化物常制约着土壤中其它重金属的迁移。

模拟酸雨对土壤中稀土元素的淋溶研究表明,稀土的淋出量随着酸雨pH( 2.0～5.6)的降低而增加, 而且稀土形态有所变化,特别是有机结合态变化, 当pH=4.0时,松结有机态含量最高而紧结有机态稀土含量最低, 淋溶结果说明, 酸雨地区土壤稀土的淋失要大于非酸雨地区。

三、酸性土壤改良措施1、改良剂的运用控制酸沉降是控制土壤酸化的根本途径。

但对于已经发生酸化的土壤, 我们必须采取一些措施来改良,目前主要有两种改良方法,一是运用化学改良剂,另一种是采取一定的生物措施来达到改良的效果。

化学改良剂传统的酸性土壤改良的方法是运用石灰或石灰石粉, 表土酸度很容易通过施用石灰得到降低,而且土壤耕层交换性Ca2+ 的浓度也会有所增加。

孟赐福等在浙江中部红壤地区施用石灰发现: 耕层交换性Ca2+ 在施用石灰后的一年半时间内达到最高值,此后又会随时间的推移而减少。

施用石灰能明显地使酸性土壤的酸度降低,但同时也会使复酸化程度加强, 因此,用石灰性土壤时, 必须注意的是不能过于频繁地施用石灰, 在施用石灰改良的同时,应与其他碱性肥料(草木灰、火烧土等)配合使用。

章明奎在侵蚀红壤中施用中性肥料对大麦生长的实验表明:土壤经有机肥或石灰改良后, 再施中性肥料, 可减少铝毒, 促进大麦生长。

但石灰也有不足之处, 对底层土壤的酸度的影响要比耕层要小得多, 因为底层土壤的酸度的降低与Ca2+、Mg2+ 在土壤剖面的移动密切相关。

石灰, 特别是石灰石粉, 其溶解度小,在土壤剖面上的移动性很慢。

大量或长期施用石灰不但会引起土壤板结而形成“石灰板结田”, 而且会引起土壤钙、钾、镁3 种元素的平衡失调而导致减产。

生物改良酸性土壤生物改良主要是利用绿肥及土壤中的一些动物来达到改良土壤的目的。

胡衡生、潘晖用格拉姆柱花草改良土壤实验表明: 种植格拉姆柱花草五年和三年的土攘与对照土攘相比, 土壤内重要元素均大幅度增加, 种植年限越长, 土壤肥力提高越明显。

2、适当的农业措施合理选择氮肥品种,土壤的酸化程度取决于氮肥的种类和施入的深度。

在江西红壤施用化肥的盆栽实验结果表明: 尿素对红壤的酸度影响比硫酸铵和硝酸铵要小。

另外, 不同配方的化肥对红壤酸度的影响也不同。

合理的水肥管理, 通过合理的施肥措施让施入的肥料尽可能为植物利用从而减少其随水淋失, 这样可以减少氮肥对土壤酸化的影响。

在土壤耕作中, 氮肥的带状施用造成的土壤酸化程度要比散施的小。

作物秸秆还田, 作物收获从土壤中带走了碱性物质, 秸秆还田不但能改善土壤环境, 而且还能减少碱性物质的流失, 对减缓土壤酸化是有利的。

作物间作、套作对改善土壤结构、土壤容重也有很大的帮助。

多年试种研究表明, 果园套种牧草能显著提高低丘红壤的有机质含量, 改善土壤结构, 土壤容重减小,总孔度增大, 降低土壤酸度,土壤速效养分增加;同时增加土壤的蓄水能力,提高土壤的抗旱能力, 有效改善了土壤的理化性状。