土壤酸化過程中的化學機理分析

龔沂（江蘇省地質礦產局第六地質大隊 江蘇 連云港 222023）

一、土壤酸化的一般化學機理、產生原因及導致后果簡述

1.土壤酸化一般化學機理及過程簡述

土壤的酸化起始于土壤中的活性質子即氫離子。氫離子在土壤中有很多的來源,包含：在土壤中生存的動物和植物通過呼吸作用產生的碳酸；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酸（如碳酸、硝酸、硫酸等）；農業生產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產生氫離子。土壤中原有的化學平衡被氫離子破壞了,氫離子與土壤膠體上的鹽基離子發生化學反應將后者交換出來,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發生化學反應,等量的鋁離子被釋放出來,三價鋁離子進一步水解釋放出3個氫離子 。

由上節可知，土壤酸化過程即一定數量的交換性氫離子或鋁離子溶入了土壤吸收性復合體中，從而使得堿性(鹽基)離子從土壤中淋失的過程。土壤酸化導致了土壤p H值降低，土壤呈現了酸性，土壤中的各種生活的活性因此受到影響，土壤中養分的形態也會發生變化，使得土壤的有效性降低，游離狀態的錳、鋁離子就會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主要有兩種：活性酸和潛性酸。活性酸能夠直接反應土壤溶液中氫離子的濃度。另一方面，交換態的氫離子和鋁離子等離子代表著潛性酸。當氫離子和氯離子以吸附狀態存在時，潛性酸不會表現出來。反之，當被氫離子交換下來溶入到土壤溶液后，酸性才表現出來，可見，這個過程是可逆的。

2.土壤酸化的原因及導致的后果

（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，使得淋溶作用強烈，造成了鈣、霉、鉀等堿性鹽基的大量流失。②在農田耕作中，施石灰、燒火糞、施有機肥等傳統農業措施的缺失，代之以無機肥料，再加上各種殺蟲劑等化學試劑的應用使的耕地地土壤養分失衡，這些人為作用也是造成土壤酸化的一項主要原因。

（2）土壤酸化導致的后果

土壤酸化導致的后果有：①植物的根系發育受到抑制。土壤酸化會加速土壤板結，植物根系的伸展就會受阻，不利于發根，如果植物處于緩苗期，則易形成老僵苗，根系不發達會直接導致植物的對營養的吸收大大降低，長勢弱甚至不會成活，造成減產。②農藥的使用量會加大。植物在酸化土壤中長勢減弱，相應的植物自身抗病能力也會削弱，只有依靠增大農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。土壤酸化回導致肥料中的有效成分嚴重流失，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的磷鉀成份等，再加上不發達的根系，直接導致了化肥的用量增大的趨勢，化肥的濫用又會導致土壤的酸化，如此陷入了惡性循環，使得酸性土壤地上種植的作物生長緩慢、病害多、產量低、品質差，造成大量減產，大大降低了經濟效益。④導致作物發生各種缺素癥。土壤微生態環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境下也會發生變化，這些有益菌個體生長受到限制，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質及其蛋白質的主要微生物類群的數量變少，對營養元素的循環產生不利的影響，從而使得農田植被的產量受到影響。

二、土壤酸化過程中的土壤化學分析

1.土壤酸化與陽離子交換復合體性能

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

2.土壤酸化的強度因子和容量因子

土壤酸化包含著眾多的繁雜化學反應過程,一個簡單的指標往往不能完全體現這個過程。但是,土壤酸化中有兩個非常重要的概念即容量因子和強度因子。容量因子是指一個或多個組分的總儲存量。在土壤酸化中容量因子是指質子或鋁組分的總儲存量。早在上個世紀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,對這個混合液進行充分震蕩，然后用標準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,總的鹽基儲量或可風化礦物中鹽基儲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,土壤酸化的發生只有再鹽基持續消耗的情況下才能發生。土壤系統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。自然生態系統中,森林生物量中鹽基離子的凈積累本來就有導致土壤酸化的作用。在土壤中，通常的礦物風化作用過程尚不能夠對鹽基離子的凈積累起到消除的作用。經研究表明，自然界的酸化現象與森林中樹種的生物學特性也有關：那些富含鈣和鎂的樹種容易導致酸化的發生,一般來說常綠樹種較落葉樹種易導致酸化。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。

從化學反應角度來看，土壤和植物中的氮循環一般是處于平衡的狀態。在對土壤酸化過程中的化學現象進行分析時應主要考慮植物的陽離子吸收所導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，這種減少在臨界強度因子上更易于表現出來。植物葉組織在酸性沉降物沖擊下會生成較多的酸,這一方面會加強氫離子釋放而交換鹽基吸收,另一方面為了保護組織中的化學平衡會主動吸收陽離子,這兩方面都會導致植物加強對土壤陽離子的吸收,促進了土壤酸化效應的發生。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酸性沉降物對土壤的酸化效應產生的影響不大。

4.土壤溶液化學與鹽基淋溶

針對目前土壤酸化的狀況而言，鹽基淋溶是造成酸化的主要環節。鹽基淋溶的必要條件是酸根陰離子的產生。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遠大于酸性沉降物中可能存在的鹽基離子的總量。

結論

綜上所述，土壤酸化過程對人類的生產生活都有著一定的危害作用，它對土壤導致的后果也非常明顯。研究人員應根據土壤酸化過程中的化學反應深挖其發生的原因，進而找到延緩或限制土壤酸化的途徑。

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