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 環境科學與工程學院，石家莊050018）

土壤酸化作為全球環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為：影響土壤中生物的活性，改變土壤中養分的形態，降低養分的有效性，促使土壤中有毒重金屬元素的釋放，對作物產生毒害作用。因此，土壤酸度是制約作物產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象，在土壤形成和發育過程中普遍存在，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。隨著工業的迅猛發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，從而導致了土壤酸化［5］；除此之外，一些農業生產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土壤近年來存在一定程度的酸化趨勢，因此對該地區土壤酸化及其敏感性進行研究具有理論意義和現實意義。

1 河北平原京津以南地區的自然環境

河北平原京津以南地區主要城市有石家莊、保定、滄州、衡水、邢臺、邯鄲以及廊坊部分區域，總面積為67 987km2，人口5 433.48萬。屬于溫帶大陸性季風氣候，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院農業生態系統實驗站，位于37°53′N，114°41′E。樣品在一定范圍內選取了多個采樣點，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，自然風干備用。

分別對潮土和褐土樣品進行pH值、導電率（EC）、陰離子交換量（CEC）、CaCO3、有機質、全氮、硝態氮、銨態氮、速效磷、速效鉀的測定。全部樣品由河北省農林科學院農業資源環境研究所按國標測試完成。

3 實驗結果與數據分析

3.1 測定結果與分析

經過測定分析，測定結果見表1。

表1 土樣分析結果

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，根據土壤酸堿度等級，兩者均屬于堿性土，根據國家土壤分級標準（表2）屬于國家五級水平。潮土和褐土的有機質含量分別為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，足夠作物生長發育。土壤速效磷含量潮土為74.50 mg／kg，超出了國家標準，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 國家土壤分級標準

將測定結果與全國第二次土壤普查結果（表3）進行比較，可以看出：潮土和褐土的有機質含量均有所提高，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準，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

分析數據表明潮土與褐土均為堿性土，但與第二次土壤普查結果相比，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。根據河北平原地理環境特征，以及土樣分析結果與第二次土壤普查河北地區土壤養分含量進行對比，可得出造成河北農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養分含量

（1）環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。河北平原地區人口眾多，工業發達，人們的生產生活主要依賴煤炭、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，直接導致土壤酸性增加；土壤中的鹽基離子被土壤中的酸性物質交換下來后隨著雨水的沖刷滲透流失，導致氫離子越積越多，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可以緩解土壤的酸化，但化肥施用增加的有機質含量遠遠不能滿足緩解土壤酸化所需的有機質。

氮肥造成土壤酸化機制：施入土壤的酰胺態氮、銨態氮最終被氧化為硝態氮。硝化過程中產生的氫離子可造成土壤酸化，產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的堿性物質隨著收割被從土壤上移走，因此農田土壤會連年酸化。

（4）另外，農藥的不科學施用也可造成土壤酸化。據資料顯示，河北平原年施用農藥量近10萬t，其中石家莊、滄州、保定和邢臺農區農藥施用量，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藥，污染了土壤，造成土壤微生物數量的減少，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。另外土壤中有機質的含量對土壤酸堿度也有一定的影響。土壤粘?；罡迟|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。

2H＋＋Ca2＋－粘粒→2H＋－粘粒＋Ca2＋。

因此相同條件下，有機質和粘土礦物含量越高，對酸的緩沖容量就越大。

根據張瑜等［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系，當土壤接收外來酸輸入時，首先是土壤中的碳酸鈣與之反應生成重碳酸根，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，土壤的有機質分解也與外界酸堿的輸入有一定的關系，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 曲周農田菜地的酸緩沖曲線

4 結論

通過對河北平原京津以南地區土壤的酸度及酸化敏感性研究，得出如下結論：

（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。另外有機質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.紅壤丘陵區農田土壤酸化的時空變化研究［J］.中國生態農業學報，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］.環境化學，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］.應用與環境生物學報，2011，17（4）：461－466.

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