土壤酸化過程中的化學(xué)機(jī)理分析

龔沂（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì) 江蘇 連云港 222023）

一、土壤酸化的一般化學(xué)機(jī)理、產(chǎn)生原因及導(dǎo)致后果簡(jiǎn)述

1.土壤酸化一般化學(xué)機(jī)理及過程簡(jiǎn)述

土壤的酸化起始于土壤中的活性質(zhì)子即氫離子。氫離子在土壤中有很多的來源,包含：在土壤中生存的動(dòng)物和植物通過呼吸作用產(chǎn)生的碳酸；水通過解離作用；雨水或酸雨中存在的一些含氫離子的無機(jī)酸（如碳酸、硝酸、硫酸等）；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所用到的呈酸性的肥料以及一些含氮肥料的硝化作用也會(huì)產(chǎn)生氫離子。土壤中原有的化學(xué)平衡被氫離子破壞了,氫離子與土壤膠體上的鹽基離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將后者交換出來,氫離子自身則被土壤膠體吸附,致使土壤膠體上的交換性氫離子積累的越來越多。被交換下來的鹽基離子也增多，不斷溶入土壤中,隨雨水流失。另外，氫離子與土壤中固相的鋁化合物在沒有任何催化劑的情況下也會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),等量的鋁離子被釋放出來,三價(jià)鋁離子進(jìn)一步水解釋放出3個(gè)氫離子 。

由上節(jié)可知，土壤酸化過程即一定數(shù)量的交換性氫離子或鋁離子溶入了土壤吸收性復(fù)合體中，從而使得堿性(鹽基)離子從土壤中淋失的過程。土壤酸化導(dǎo)致了土壤p H值降低，土壤呈現(xiàn)了酸性，土壤中的各種生活的活性因此受到影響，土壤中養(yǎng)分的形態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，使得土壤的有效性降低，游離狀態(tài)的錳、鋁離子就會(huì)加速溶入土壤溶液中，地上種植的作物便受到毒害。其中酸在酸化土壤中的存在狀態(tài)主要有兩種：活性酸和潛性酸?；钚运崮軌蛑苯臃磻?yīng)土壤溶液中氫離子的濃度。另一方面，交換態(tài)的氫離子和鋁離子等離子代表著潛性酸。當(dāng)氫離子和氯離子以吸附狀態(tài)存在時(shí)，潛性酸不會(huì)表現(xiàn)出來。反之，當(dāng)被氫離子交換下來溶入到土壤溶液后，酸性才表現(xiàn)出來，可見，這個(gè)過程是可逆的。

2.土壤酸化的原因及導(dǎo)致的后果

（1）土壤酸化的原因

土壤酸化的原因主要有：①造成土壤酸化的根本原因是大的降水量而且集中，使得淋溶作用強(qiáng)烈，造成了鈣、霉、鉀等堿性鹽基的大量流失。②在農(nóng)田耕作中，施石灰、燒火糞、施有機(jī)肥等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)措施的缺失，代之以無機(jī)肥料，再加上各種殺蟲劑等化學(xué)試劑的應(yīng)用使的耕地地土壤養(yǎng)分失衡，這些人為作用也是造成土壤酸化的一項(xiàng)主要原因。

（2）土壤酸化導(dǎo)致的后果

土壤酸化導(dǎo)致的后果有：①植物的根系發(fā)育受到抑制。土壤酸化會(huì)加速土壤板結(jié)，植物根系的伸展就會(huì)受阻，不利于發(fā)根，如果植物處于緩苗期，則易形成老僵苗，根系不發(fā)達(dá)會(huì)直接導(dǎo)致植物的對(duì)營養(yǎng)的吸收大大降低，長勢(shì)弱甚至不會(huì)成活，造成減產(chǎn)。②農(nóng)藥的使用量會(huì)加大。植物在酸化土壤中長勢(shì)減弱，相應(yīng)的植物自身抗病能力也會(huì)削弱，只有依靠增大農(nóng)藥的用量來輔助其抵抗病害的侵染。③大部分中、微量元素的吸收利用率變低，化肥的使用量逐年增加。土壤酸化回導(dǎo)致肥料中的有效成分嚴(yán)重流失，利用率還不到30%。其中流失的有效成分有：70%的氮素、60-80%的易生成不溶性物質(zhì)的磷鉀成份等，再加上不發(fā)達(dá)的根系，直接導(dǎo)致了化肥的用量增大的趨勢(shì)，化肥的濫用又會(huì)導(dǎo)致土壤的酸化，如此陷入了惡性循環(huán)，使得酸性土壤地上種植的作物生長緩慢、病害多、產(chǎn)量低、品質(zhì)差，造成大量減產(chǎn)，大大降低了經(jīng)濟(jì)效益。④導(dǎo)致作物發(fā)生各種缺素癥。土壤微生態(tài)環(huán)境受到了土壤酸化的影響，在酸性條件下根際有害微生物會(huì)大量滋生，人為很難控制。⑤土壤中的有益微生物種群在酸性環(huán)境下也會(huì)發(fā)生變化，這些有益菌個(gè)體生長受到限制，大小和繁殖速度都減緩。如芽孢桿菌、放線菌、甲烷極毛桿菌以及其它一些能夠分解有機(jī)質(zhì)及其蛋白質(zhì)的主要微生物類群的數(shù)量變少，對(duì)營養(yǎng)元素的循環(huán)產(chǎn)生不利的影響，從而使得農(nóng)田植被的產(chǎn)量受到影響。

二、土壤酸化過程中的土壤化學(xué)分析

1.土壤酸化與陽離子交換復(fù)合體性能

酸性沉降物進(jìn)入土壤后,首先要克服土壤緩沖域?qū)λ岬木彌_,采用從土壤交換復(fù)合體中清除出去的方式從土壤溶液中將鹽基離子清除，土壤發(fā)生了酸化。因此,土壤中陽離子的交換性能對(duì)土壤的酸化進(jìn)程起著直接的作用。在中性和堿性土壤中,交換復(fù)合體的表面交換場(chǎng)受到鹽基離子的支配著。而在酸性的礦質(zhì)土壤中,交換復(fù)合體的表面交換場(chǎng)通常受到鋁組分以及少量的鐵和錳的支配,這是因?yàn)樵谒嵝韵到y(tǒng)中硅酸鹽礦物的晶格受到破壞所導(dǎo)致的。由此可知，土壤發(fā)生酸化的幾率與交換復(fù)合體上鹽基離子和鋁離子間的數(shù)量比例關(guān)系息息相關(guān)。其中有機(jī)質(zhì)在土壤中積累、粘粒礦物形成這些能夠增加土壤吸附性負(fù)電荷數(shù)量和化學(xué)淋溶等能排除鹽基離子的過程能夠促進(jìn)土壤酸化過程的發(fā)生,它們對(duì)土壤的鹽基飽和度都起到直接或間接的降低作用。例如植物有機(jī)體就地焚燒(如焚燒桔桿),就起到了促進(jìn)鹽基離子產(chǎn)生和減少吸附性負(fù)電荷的數(shù)量的作用,因此能在一定程度上對(duì)土壤酸化起到緩沖的作用。

2.土壤酸化的強(qiáng)度因子和容量因子

土壤酸化包含著眾多的繁雜化學(xué)反應(yīng)過程,一個(gè)簡(jiǎn)單的指標(biāo)往往不能完全體現(xiàn)這個(gè)過程。但是,土壤酸化中有兩個(gè)非常重要的概念即容量因子和強(qiáng)度因子。容量因子是指一個(gè)或多個(gè)組分的總儲(chǔ)存量。在土壤酸化中容量因子是指質(zhì)子或鋁組分的總儲(chǔ)存量。早在上個(gè)世紀(jì)八十年代就有研究者提出土壤酸化的容量因子用堿中和容量的方法來表示,這種方法是取一定量的土壤和水,水和土的配制比一般為5,對(duì)這個(gè)混合液進(jìn)行充分震蕩，然后用標(biāo)準(zhǔn)稀氫氧化鈉溶液做滴定液，酚酞做指示劑，將溶液變紅為止所消耗的堿量來表示堿中和容量。相反,總的鹽基儲(chǔ)量或可風(fēng)化礦物中鹽基儲(chǔ)存量就可以來反證土壤酸化的程度。

3.土壤酸化與鹽基離子吸收

從容量上講,土壤酸化的發(fā)生只有再鹽基持續(xù)消耗的情況下才能發(fā)生。土壤系統(tǒng)中鹽基離子主要有兩條消耗途徑:植物自身的離子吸收和鹽基離子隨水流失。自然生態(tài)系統(tǒng)中,森林生物量中鹽基離子的凈積累本來就有導(dǎo)致土壤酸化的作用。在土壤中，通常的礦物風(fēng)化作用過程尚不能夠?qū)}基離子的凈積累起到消除的作用。經(jīng)研究表明，自然界的酸化現(xiàn)象與森林中樹種的生物學(xué)特性也有關(guān)：那些富含鈣和鎂的樹種容易導(dǎo)致酸化的發(fā)生,一般來說常綠樹種較落葉樹種易導(dǎo)致酸化。植物的鹽基吸收至少可以影響到土壤剖面中某一部分的酸化。由于植物的離子吸收是通過釋放氫離子,碳酸氫離子來交換它們所需的陽離子及硝酸根離子等陰離子的。故可用植物的陽離子和陰離子的凈吸收量的差值來度量因植物吸收所引起的酸化效應(yīng)。

從化學(xué)反應(yīng)角度來看，土壤和植物中的氮循環(huán)一般是處于平衡的狀態(tài)。在對(duì)土壤酸化過程中的化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)主要考慮植物的陽離子吸收所導(dǎo)致的土壤交換鹽基庫中鹽基的減少,與土壤總酸度的變化相比，這種減少在臨界強(qiáng)度因子上更易于表現(xiàn)出來。植物葉組織在酸性沉降物沖擊下會(huì)生成較多的酸,這一方面會(huì)加強(qiáng)氫離子釋放而交換鹽基吸收,另一方面為了保護(hù)組織中的化學(xué)平衡會(huì)主動(dòng)吸收陽離子,這兩方面都會(huì)導(dǎo)致植物加強(qiáng)對(duì)土壤陽離子的吸收,促進(jìn)了土壤酸化效應(yīng)的發(fā)生。因此,從以上研究角度來說,土壤上面種植的植被生長狀況對(duì)酸性沉降物對(duì)土壤的酸化效應(yīng)產(chǎn)生的影響不大。

4.土壤溶液化學(xué)與鹽基淋溶

針對(duì)目前土壤酸化的狀況而言，鹽基淋溶是造成酸化的主要環(huán)節(jié)。鹽基淋溶的必要條件是酸根陰離子的產(chǎn)生。通常,土壤中的陰離子主要是碳酸氫根離子、硝酸根離子、硫酸根離子、磷酸氫根離子和硅酸氫根離子。在近中性土壤中,陰離子主要是碳酸氫根離子,它的活度受p H值和土壤空氣中C O2分壓的制約。在平衡的的C O2-H2O體系中,溶液p H值一般維持在5.6。很明顯，只有碳酸參與酸化發(fā)生的可能性較小。由此可見，酸沉降沖擊下的土壤酸化主要是由于強(qiáng)酸的輸入，自然土壤酸化則不是。如p H 4.0的酸雨含有硫酸根離子的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于酸性沉降物中可能存在的鹽基離子的總量。

結(jié)論

綜上所述，土壤酸化過程對(duì)人類的生產(chǎn)生活都有著一定的危害作用，它對(duì)土壤導(dǎo)致的后果也非常明顯。研究人員應(yīng)根據(jù)土壤酸化過程中的化學(xué)反應(yīng)深挖其發(fā)生的原因，進(jìn)而找到延緩或限制土壤酸化的途徑。

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