從土壤的化學(xué)性質(zhì)入手尋找土地修復(fù)的捷徑

高爾雅

摘要：土壤化學(xué)是傳統(tǒng)土壤科學(xué)中最古老的基礎(chǔ)分支學(xué)科之一，本文從土壤有機質(zhì)的化學(xué)組成、土壤膠體、土壤溶液、土壤酸度、土壤緩沖性、土壤氧化還原性等化學(xué)性質(zhì)入手，揭示了利用、保護、管控和修復(fù)土壤的途徑和答案。這為解決當(dāng)前我國土壤科學(xué)研究中面臨的土壤肥力提升與糧食安全、土壤污染修復(fù)與生態(tài)環(huán)境安全、土壤碳氮平衡與全球變化等問題和挑戰(zhàn)提供了重要的理論和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：土壤；化學(xué)；保護；修復(fù)；利用

土壤是“地球的皮膚”，它是覆蓋在地球陸地表面上能夠生長植物的疏松層，是地球系統(tǒng)無機界向生物有機界轉(zhuǎn)化的“橋梁”，是陸地生態(tài)系統(tǒng)和生命發(fā)展的基礎(chǔ)。人的命脈在田，田的命脈在水，水的命脈在山，山的命脈在土，土的命脈在樹。土比金子重要，沒有土人類無法生存。了解了土壤的化學(xué)性質(zhì)，我們就可以為利用、保護、管控和修復(fù)土壤找到答案；了解“土壤化學(xué)”，我們就可以化腐朽為神奇，變廢墟為瑰寶。地球上山水林田湖是一個生命共同體，建設(shè)美麗中國，離不開美麗土壤的保護。研究和修復(fù)“生病的土壤”，對我們新時代應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的青年學(xué)生來說使命在肩、責(zé)無旁貸。

1 土壤因其化學(xué)性質(zhì)而變得美麗。

土壤具有支撐地球生命的獨特功能，在揭示土壤的這種獨特功能方面，土壤化學(xué)始終扮演著重要的角色?；瘜W(xué)在土壤中無處不在，土壤化學(xué)主要是土壤的化學(xué)性質(zhì)，它包括常用的農(nóng)作物和有機質(zhì)的化學(xué)組成、土壤膠體、土壤溶液、土壤酸度、土壤緩沖性、土壤氧化還原性等。植物從土壤中攝取的無機元素中有13種對其正常生長發(fā)育都是不可缺少的（營養(yǎng)元素）：N、P、K、S、Ca、Mg、Fe、Mn、Mo、Cl、Cu、Zn、B。這是元素化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)，一切的化學(xué)研究都基于元素及其各自衍生物。從這一點就可以看出土壤與化學(xué)息息相關(guān)，密不可分，比如現(xiàn)實中許多中藥材、果品也因這些無機元素的多寡而受到影響。

在研究土壤顏色的時候，我們發(fā)現(xiàn)原來土壤的顏色與無機化學(xué)中經(jīng)常聽到的許多礦物的顏色存在密切的聯(lián)系。土壤顏色為白色，主要原因在于其內(nèi)部存在的水溶性鹽、石灰石、高嶺土以及石英等，比如鹽堿土星白色，具體原因在于可溶性鹽堿針對土壤發(fā)揮了染色功能，鈣積層當(dāng)中富含碳酸鈣，而碳酸鈣即為白色，這就使得鈣積層主要呈現(xiàn)為灰色或者白色，本身與碳酸鈣含量之間存在密切的聯(lián)系。又比如，我國南方地區(qū)普遍存在的紅色土壤，是因為氧化鐵存在的染色功能。而氧化鐵本身的種類不同，水化程度不同，呈現(xiàn)出來的顏色也存在明顯的差異性。倘若土壤富含針鐵礦，其本身的水化程度非常高，則會導(dǎo)致土壤呈現(xiàn)為金黃色。我國的黃土高原分布有大量的黃土。還有紫色土是一種非地帶性土壤，在我國主要分布于四川盆地，紫色土是由紫色砂頁巖作為成土母質(zhì)，逐步發(fā)育而來，紫色土是在頻繁的風(fēng)化作用和侵蝕作用下形成的。不同的顏色呈現(xiàn)了不同的地貌特色，共同構(gòu)成了美麗的地球。

2 土壤的酸堿性是可以被調(diào)節(jié)的。

土壤與我們化學(xué)專業(yè)最熟悉不過的ph也有關(guān)，土壤跟我們每天研究的許多溶液一樣其自身也有酸堿性。土壤中H+的來源由土壤空氣、有機質(zhì)分解、植物根系和微生物呼吸所生成的CO2存在密切的聯(lián)系，同時也與有機體分解生成的有機酸存在聯(lián)系，并且還與生理酸性廢料、硫化細菌以及硝化細菌等存在關(guān)聯(lián)。各個地區(qū)的氣候不同，對土壤酸化的影響也存在差異。對于降水量較大的地區(qū)來說，鹽基離子長時間受到?jīng)_刷，被氫離子所取代，會存在大量的氫離子積累。例如，我國東北特有的酸性土，正是因為寒冷多雨的環(huán)境影響。而西北、北方，因為降雨相對較少，使得土壤當(dāng)中的鹽基大量累積，呈現(xiàn)為中性、石灰性以及堿性。

除此之外，土壤酸度與作物之間存在較大的關(guān)聯(lián)。各種作物本身在酸堿性方面的要求存在明顯的差異性。僅有少部分作物能夠在強堿性或者強酸性的土壤環(huán)境中正常生長，大部分作物均只能夠在PH6～7的環(huán)境中生長。酸度同樣會對土壤當(dāng)中礦物質(zhì)養(yǎng)分產(chǎn)生干擾，處在PH6～7的環(huán)境中，大部分礦質(zhì)養(yǎng)分均具有理想的有效性。對于強酸性土壤來說，鉀、磷、鈣、鎂、鉬則能夠得以有效提升，然而對作物本身存在毒害的鋁離子也會明顯增加。因此，為保障土壤環(huán)境適合作物生長，可以在酸性土壤當(dāng)中加入石灰石粉，堿性土壤則可以加入廢硫酸、硫磺以及石膏等。

3 土壤的“病灶”是可以被診斷療傷的。

土壤是無言訴說病情的“病人”，土壤受到重金屬無機物和有機物的侵蝕，變成了有病的土壤。診斷土壤病因必先了解土壤的化學(xué)性質(zhì)。土壤跟化學(xué)試劑一樣，它也有自己的溶液體系，有濃度，溶質(zhì)，溶劑，溶解的問題，這些都是最基本的化學(xué)問題。土壤溶液的濃度是極其稀薄的，所以其能夠保障植物生長過程中獲得充足的水分。然而對于半干旱、干旱區(qū)域，因為土壤當(dāng)中的可溶性鹽類含量過高，相應(yīng)的滲透壓也在持續(xù)增加，導(dǎo)致作物難以獲得生長所需的水分。

氧化還原是化學(xué)學(xué)科里面非常重要的一種反應(yīng)，其實我們往往都忽略了土壤本身可以視作相對較為復(fù)雜的氧化還原體系，當(dāng)中包含諸多有機、無機的氧化還原物質(zhì)。通常情況下，土壤當(dāng)中的氧化劑主要為高價金屬離子、游離氧，還原劑則為各種有機質(zhì)及厭氧情況下進行分解的產(chǎn)物。需要注意的是，土壤存在的氧化還原本身會受到認(rèn)為因素、季節(jié)因素的影響，呈現(xiàn)為動態(tài)的變化趨勢，針對土壤氧化還原反應(yīng)進行指標(biāo)反應(yīng)的內(nèi)容在于氧化還原反應(yīng)電位（Eh）。這個電位就相當(dāng)于我們化學(xué)中衡量氧化還原反應(yīng)是否自發(fā)或者反應(yīng)的難易程度的電極電勢。通俗來說，電對的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢越大他的氧化性越強，電極電勢越負，它的氧化性就越強，土壤中的電位其實也是同樣的道理。根據(jù)這些性質(zhì)，目前國內(nèi)一些專家學(xué)者正在使用特制的設(shè)備對它進行檢測、診斷，確定病的類型，對癥下藥，對土壤氧化還原。

4 土壤化學(xué)可以讓我們化“腐朽為神奇”。

正如許多科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往來自于不經(jīng)意的突發(fā)奇想。土壤就對葡萄酒的質(zhì)地有非常主要的影響，葡萄酒的釀造過程涉及酵母菌和發(fā)酵化學(xué)，細菌的發(fā)酵化學(xué)，酸堿平衡，葡萄酒的降酸與增酸，酒石酸鹽沉演，葡萄酒膠體化學(xué)和葡萄酒的氧化還原體系等一些化學(xué)原理。葡萄園的風(fēng)土決定葡萄酒的先天風(fēng)格，在這許多條件之中，土壤的影響最為深刻。只有貧瘠的地，才能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的葡萄 。葡萄樹不需要太多養(yǎng)分，貧瘠的土地反而適合葡萄的種植，肥沃的土地使葡萄樹枝葉茂盛，無法生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)葡萄。通常種植在水分和營養(yǎng)充足的肥沃土壤上的葡萄藤，會生長出大量的綠色枝葉；而種植在貧瘠且水分不高的土壤上的葡萄藤，通常根會扎得比較深，能結(jié)出更濃郁、更復(fù)雜的果實。土質(zhì)對葡萄酒的影響相當(dāng)復(fù)雜，波爾多產(chǎn)區(qū)因為吉隆河（R.Girande）分為“左岸”“右岸”兩個產(chǎn)區(qū)。同是溫和性海洋氣候，卻因為兩岸的土壤不同，造就了不同的葡萄酒風(fēng)格。常言道“橘生淮南則為橘，橘生淮北則為枳”，什么樣的土壤，就會造就什么樣的葡萄。

土壤大致分為沙土、壤土、黏土，種植不同植物需要用不同的土，不同土壤類型的配比。比如沙子黏合劑。從土壤、沙漠之間的性質(zhì)差異來看，主要在于力學(xué)方面的差異。各個土壤微粒之間均存在作用力，并依靠這些作用力最終建立整體，沙子之間則不存在這種作用力?；谏鲜鲅芯?，通過粘合劑的使用，能夠給予沙子上述作用力，最終將沙漠轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥?。具體來說，只需要添加上述植物性纖維粘合劑，并加入對應(yīng)的水分，即能夠讓沙子獲取與自然土壤相同的力學(xué)屬性，使得土壤獲取自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)的功能。這個粘合劑理念很新穎，在荒漠化程度嚴(yán)重的西北地區(qū)，如果這種粘合劑能正真廣泛應(yīng)用于種植中，這對改善荒漠化、發(fā)展戈壁農(nóng)業(yè)會有十分重要的意義。寸草難生的戈壁荒灘也有了成為大片綠洲的可能，從而為推動當(dāng)?shù)胤N植業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展、為中國和世界貧困人口的脫貧問題提供新的途徑，也為世界提供修復(fù)和利用土壤的中國智慧和中國方案。

總之，土壤化學(xué)已經(jīng)歷經(jīng)兩個世紀(jì)的發(fā)展歷程，學(xué)科研究的內(nèi)容也在不斷拓展、知識也在不斷深化。目前土壤化學(xué)與肥力提升、土壤化學(xué)與污染控制、土壤化學(xué)與全球變化等研究方面已經(jīng)取得了重大進展，這為解決當(dāng)前我國土壤科學(xué)研究中面臨的土壤肥力提升與糧食安全、土壤污染修復(fù)與生態(tài)環(huán)境安全、土壤碳氮平衡與全球變化等科學(xué)問題和挑戰(zhàn)提供了重要的理論和技術(shù)支撐。