河北平原土壤酸化敏感性研究

高太忠，李曉玉，付勝霞

（河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊050018）

土壤酸化作為全球環(huán)境變化中的主要問題之一日趨受到人們的重視［1］。土壤酸化的危害主要表現(xiàn)為：影響土壤中生物的活性，改變土壤中養(yǎng)分的形態(tài)，降低養(yǎng)分的有效性，促使土壤中有毒重金屬元素的釋放，對作物產(chǎn)生毒害作用。因此，土壤酸度是制約作物產(chǎn)量的主要影響因素之一［2］。

土壤酸化形成的原因包括自然和人為兩個方面［3］。自然方面的原因指的是：土壤酸化作為一種自然現(xiàn)象，在土壤形成和發(fā)育過程中普遍存在，例如大氣沉降中的酸性離子（如H＋和Al＋）會加劇土壤酸化；土壤溶液中的強酸性離子（如和）從土壤剖面中被淋溶出來，導(dǎo)致土壤失去鹽基離子或酸性陽離子形成土壤酸化［4］；土壤的氫飽和度增加，鹽基飽和度下降，造成土壤酸化。土壤酸化的人為影響，是指人類活動在自然作用的基礎(chǔ)上加速了土壤酸化。酸雨即是引起土壤酸化的最主要原因之一。隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展和人們生活水平的日益提高，能源的消耗不斷增大，尤其是以煤為主的能源消耗，向大氣中排放了大量的硫、氮氧化物，這些硫、氮氧化物最終成為酸沉降源，從而導(dǎo)致了土壤酸化［5］；除此之外，一些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施也會引起土壤酸化，如酸性或生理酸性肥料的施用等等。河北平原京津以南地區(qū)土壤近年來存在一定程度的酸化趨勢，因此對該地區(qū)土壤酸化及其敏感性進行研究具有理論意義和現(xiàn)實意義。

1 河北平原京津以南地區(qū)的自然環(huán)境

河北平原京津以南地區(qū)主要城市有石家莊、保定、滄州、衡水、邢臺、邯鄲以及廊坊部分區(qū)域，總面積為67 987km2，人口5 433.48萬。屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季變化明顯。年平均降水量在300～800mm之間，降水主要集中于夏季7～9月。有大清河、子牙河、滏陽河和徒駭馬頰河等四大水系。土壤以潮土和褐土為主要類型。各類土壤所占比例見圖1。

圖1 河北平原京津以南地區(qū)土壤類型比例圖

2 樣品采集與測定方法

本研究采集了兩個土壤樣品，分別為潮土和褐土樣品。其中潮土樣品（XJ01）采集自辛集南智邱鎮(zhèn)東陳家莊村，位于37°47′N，115°13′E。褐土樣品（LC01）采集自欒城中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)實驗站，位于37°53′N，114°41′E。樣品在一定范圍內(nèi)選取了多個采樣點，每個點分別采集0～25cm深度土壤若干，然后將樣品分別混合均勻，過2mm細篩，自然風(fēng)干備用。

分別對潮土和褐土樣品進行pH值、導(dǎo)電率（EC）、陰離子交換量（CEC）、CaCO3、有機質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀的測定。全部樣品由河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所按國標(biāo)測試完成。

3 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 測定結(jié)果與分析

經(jīng)過測定分析，測定結(jié)果見表1。

表1 土樣分析結(jié)果

由表1可以看出，褐土樣品pH值和潮土樣品的pH值分別為7.95和7.91，根據(jù)土壤酸堿度等級，兩者均屬于堿性土，根據(jù)國家土壤分級標(biāo)準(zhǔn)（表2）屬于國家五級水平。潮土和褐土的有機質(zhì)含量分別為13.74g／kg，17.16g／kg，均屬于國家四級水平，含量適中。全氮含量潮土和褐土分別為0.94g／kg和1.05g／kg，分別屬于國家四級和三級水平，含量正常，足夠作物生長發(fā)育。土壤速效磷含量潮土為74.50 mg／kg，超出了國家標(biāo)準(zhǔn)，褐土為13.65mg／kg，屬于國家三級水平，含量較為適中。潮土速效鉀含量為148.00mg／kg，褐土速效鉀含量為112.00mg／kg，均為國家三級水平，含量中等。潮土和褐土CaCO3含量分別為5.52%和6.19%，均屬于國家五級水平。

表2 國家土壤分級標(biāo)準(zhǔn)

將測定結(jié)果與全國第二次土壤普查結(jié)果（表3）進行比較，可以看出：潮土和褐土的有機質(zhì)含量均有所提高，這說明河北平原土壤有一定秸稈還田等有機肥補充；全氮含量均有所提高，現(xiàn)今其含量比較適合作物生長，說明土壤氮肥的施用起到了相當(dāng)不錯的效果；兩樣品土壤速效磷含量大大提高，尤其是潮土中的速效磷含量更是超出國家標(biāo)準(zhǔn)，由此看出，近年來土壤磷肥的施用量也較大；速效鉀含量褐土比第二次土壤普查均值低，說明其鉀肥投入不足，而潮土則得到了比較多的鉀肥施入。

3.2 土壤酸度評價及成因分析

分析數(shù)據(jù)表明潮土與褐土均為堿性土，但與第二次土壤普查結(jié)果相比，pH值有所降低，土壤一定程度酸化，但并不十分明顯。其中辛集的潮土酸化較欒城的褐土酸化程度大。根據(jù)河北平原地理環(huán)境特征，以及土樣分析結(jié)果與第二次土壤普查河北地區(qū)土壤養(yǎng)分含量進行對比，可得出造成河北農(nóng)田土壤酸化原因主要有以下幾點。

表3 全國第二次土壤普查河北部分地區(qū)養(yǎng)分含量

（1）環(huán)境污染造成大氣酸沉降加劇是影響土壤酸堿度的原因之一。河北平原地區(qū)人口眾多，工業(yè)發(fā)達，人們的生產(chǎn)生活主要依賴煤炭、石油和天然氣的燃燒；加之大量的汽車尾氣排放，使得空氣中沉積大量的硫化物和氮化物，并氧化成硫酸和硝酸，形成酸雨沉降下來，直接導(dǎo)致土壤酸性增加；土壤中的鹽基離子被土壤中的酸性物質(zhì)交換下來后隨著雨水的沖刷滲透流失，導(dǎo)致氫離子越積越多，土壤酸化。

（2）化肥的大量施用造成土壤酸化。土樣中全氮含量、速效鉀磷含量均比第二次土壤普查結(jié)果有了明顯的提高，尤其是辛集潮土的速效鉀磷含量。我國平均化肥施用量為411 kg／hm2，2005年和2006年河北平原平均化肥施用量分別為507kg／hm2和518kg／hm2，遠遠超出發(fā)達國家225kg／hm2的安全上限和全國平均值［6］。雖然土壤中的有機質(zhì)可以緩解土壤的酸化，但化肥施用增加的有機質(zhì)含量遠遠不能滿足緩解土壤酸化所需的有機質(zhì)。

氮肥造成土壤酸化機制：施入土壤的酰胺態(tài)氮、銨態(tài)氮最終被氧化為硝態(tài)氮。硝化過程中產(chǎn)生的氫離子可造成土壤酸化，產(chǎn)生的硝酸根更加劇了土壤的酸化。

氨化：（尿酶作用下）CO（NH2）2＋2H2O→（NH4）2CO3。

磷肥造成土壤酸化機制：過量的過磷酸鈣施入土壤后溶于水并解離，解離出的過磷酸氫根繼續(xù)解離生成氫離子，使土壤酸化。

（3）作物鹽基離子的吸收也會造成土壤的酸化。作物吸收土壤中的鹽基離子，如鎂離子、鉀離子等，再加上作物連年種植，造成土壤鹽基離子的過度消耗；另外，作物在生長過程中積累在體內(nèi)的堿性物質(zhì)隨著收割被從土壤上移走，因此農(nóng)田土壤會連年酸化。

（4）另外，農(nóng)藥的不科學(xué)施用也可造成土壤酸化。據(jù)資料顯示，河北平原年施用農(nóng)藥量近10萬t，其中石家莊、滄州、保定和邢臺農(nóng)區(qū)農(nóng)藥施用量，分別達13 200t／a，11 800t／a，11 000t／a和9 990t／a。除草除蟲過程中施用的農(nóng)藥，污染了土壤，造成土壤微生物數(shù)量的減少，推進了土壤的酸化。

3.3 土壤酸堿緩沖特征

土壤的pH值與碳酸鈣的關(guān)系符合非線性回歸模型Y（pH）＝（a＋bX）／X，在這里，a＜0，所以碳酸鈣含量越高，土壤的pH值越高；當(dāng)碳酸鈣含量達到一個臨界值時，pH值變化減緩，甚至保持不變。另外土壤中有機質(zhì)的含量對土壤酸堿度也有一定的影響。土壤粘?；罡迟|(zhì)交換電位的鹽基離子能與酸性陽離子（氫離子、鋁離子）進行交換反應(yīng)。

2H＋＋Ca2＋－粘粒→2H＋－粘粒＋Ca2＋。

因此相同條件下，有機質(zhì)和粘土礦物含量越高，對酸的緩沖容量就越大。

根據(jù)張瑜等［3］的研究，河北平原土壤的酸堿緩沖性能與土壤中的碳酸鈣含量有密切的關(guān)系，當(dāng)土壤接收外來酸輸入時，首先是土壤中的碳酸鈣與之反應(yīng)生成重碳酸根，并逐漸從土壤中被淋洗出來。而向土壤中加入碳酸鈣時，呈酸性的土壤pH值會迅速上升，到達中性或微堿性時則不再急速上升，而是形成碳酸鈣的積累。除了碳酸鈣之外，土壤的有機質(zhì)分解也與外界酸堿的輸入有一定的關(guān)系，但碳酸鈣的含量為河北平原土壤酸堿緩沖性能的主要影響因素。圖2為曲周農(nóng)田菜地的酸緩沖曲線［3］，曲周土壤的碳酸鈣含量均在30g／kg之上。由圖2可看出河北平原土壤的碳酸鈣含量較高，對外界酸輸入的緩沖能力比較強。

圖2 曲周農(nóng)田菜地的酸緩沖曲線

4 結(jié)論

通過對河北平原京津以南地區(qū)土壤的酸度及酸化敏感性研究，得出如下結(jié)論：

（1）褐土樣品pH值和潮土樣品的pH值分別為7.95和7.91，雖與第二次土壤普查相比有下降趨勢，但目前仍屬于堿性土。土壤有機質(zhì)含量、全氮含量、速效磷含量均有所升高，而褐土樣品中速效鉀含量比第二次土壤普查河北地區(qū)的均值低，潮土比之略高。說明土壤有機肥和氮磷肥均得到了有效補充，而欒城褐土鉀肥補充不足。

（2）河北平原土壤響應(yīng)外界酸輸入的主要方式為碳酸鈣的溶解，碳酸鈣的含量是河北平原土壤的酸堿緩沖性能的主要影響因素，而且呈正相關(guān)。另外有機質(zhì)的含量雖然也對土壤的酸堿緩沖性能有一定的影響，但相關(guān)性并不大。而褐土和潮土CaCO3含量分別為6.19%和5.52%，含量較高，因此河北平原土壤具有相當(dāng)高的酸緩沖性能。

（3）酸度下降的主要原因為大氣酸沉降、氮磷化肥的大量施用、作物鹽基離子的吸收以及農(nóng)藥的濫用。初步的對比分析顯示，長期集約化、連年重茬的耕種方式，也使得土壤pH值有一定程度的下降。

［1］ 程先富，陳夢春，郝李霞，等.紅壤丘陵區(qū)農(nóng)田土壤酸化的時空變化研究［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2008，16（6）：1348－1351.

［2］ Fageria N K.Optimum soil acidity indices for dry bean production on an Oxisol in no－tillage system［J］.Communications in Soil Science and Plant Analysis，2008，39：5－6.

［3］ 張瑜，郭景恒.華北平原潮土酸度特征與酸化敏感性的初步探討［J］.環(huán)境化學(xué)，2011，30（6）：1126－1130.

［4］ Hicks W K，Kuylenstierna J C，Owen A，et al.Soil sensitivity to acidification in Asia：status and prospects［J］.Ambio，2008，37（4）：295－303.

［5］ 袁穎紅，樊后保，李燕燕，等.模擬氮沉降對土壤酸化和土壤鹽基離子含量的影響［J］.應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，2011，17（4）：461－466.

［6］ 張光輝，劉中培，連英立，等.河北平原地下水質(zhì)變及農(nóng)藥化肥施用量變化影響［J］.南水北調(diào)與水利科技，2009，7（2）：50－54.