土壤的石灰反應強度估測CaCO3含量和pH研究*
——以山西省黃土性母質土壤為例

李 超 張鳳榮? 張天柱 王秀麗 靳東升

（1 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

（2 河南農業大學資源與環境學院，鄭州 450002）

（3 山西省農業科學院農業環境與資源研究所，太原 030006）

土壤的石灰反應強度估測CaCO3含量和pH研究*
——以山西省黃土性母質土壤為例

李 超1張鳳榮1?張天柱1王秀麗2靳東升3

（1 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

（2 河南農業大學資源與環境學院，鄭州 450002）

（3 山西省農業科學院農業環境與資源研究所，太原 030006）

pH和CaCO3含量是土壤常規分析的兩個測定指標，但其室內測定均需借助相應的儀器設備完成，耗時費力。以山西省土系調查采集的110個典型土壤剖面的426個發生層土樣的野外測定的石灰反應強度和實驗室測定的土壤pH、CaCO3含量、交換性鈉飽和度（Exchangeable Sodium Percentage，ESP）數據為基礎，嘗試建立石灰反應強度與pH、CaCO3含量之間的定量關系模型。結果表明：北方黃土性母質土壤，當pH＜9.0時，CaCO3含量是影響土壤pH的重要因素，二者的回歸擬合最優關系符合冪函數曲線；當pH＞9.0時，CaCO3與pH之間無明顯關系。石灰反應強度在一定程度上可以半定量地反映pH或CaCO3含量，但其確定的pH或CaCO3含量尚是一個范圍，并非精確值。同時，從發生學意義角度，土壤中CaCO3含量高低對形態學研究具有重要意義，在這種情況下，如果需要用pH或CaCO3含量來確定準確的土壤系統分類類型（如確定土體是否為酸性、具有鈣積層/鈣積現象等），為慎重起見建議還是以實驗室的準確測定數據為準；對于非堿化（pH＜9.0）、野外有泡沫反應的北方黃土性母質土壤，無論泡沫反應強弱和CaCO3含量高低，土壤pH基本穩定在8.51±0.49，這一pH范圍對作物生長基本沒有制約，如果僅從pH或CaCO3含量是否影響作物生長角度考慮，無需實驗室測定pH或CaCO3含量。

石灰反應強度；pH；CaCO3；黃土；山西省

土壤pH和碳酸鹽相當物含量（主要是CaCO3，因此通常稱為CaCO3含量）是土壤常規分析的兩個測定指標，反映了區域氣候和土壤形成母質對土壤形成和土壤性質的影響，也影響著土壤養分的有效性，對農業生產具有重要影響［1-3］。pH和CaCO3含量的測定均有相應的野外測定方法，常用的野外估測方法分別為比色法和鹽酸滴定法，但兩種方法估測的pH和CaCO3含量結果均不夠準確，因此，往往還需在室內借助相應實驗儀器完成準確測定［4-9］。相關研究表明，目前實驗室測定pH和CaCO3含量所采用的各種方法均存在一定誤差［4，10-13］。在特定區域、特定類型土壤上是否有必要進行pH和CaCO3含量的實驗室準確測定，是一個值得探討的問題。

CaCO3含量在一定程度上決定了pH和石灰反應強度，總體上表現為CaCO3含量越高，石灰反應越強，pH越高（一般在pH＜8.2～8.5）。雖然一些研究建立了CaCO3與pH之間的定量模型［14-15］，但有研究指出在不同地區、不同成土因素和不同土壤類型下，兩者之間的定量模型可能是不同的［16］。此外，至今尚未見到有關CaCO3含量與石灰反應強度之間定量關系的研究報道。

石灰反應、pH、碳酸鹽相當物含量是中國土壤系統分類檢索中的三個指標［17］，石灰反應強度是在野外采用1∶3稀鹽酸滴定細土后觀察產生的氣泡多少和聽到的聲音強弱來確定（1）張甘霖，李德成. 野外土壤描述與采樣手冊. 北京：科學出版社，2017（待版），［18］，而pH和CaCO3含量則需要在實驗室分別采用電位計法和氣量法測定獲取［19］。對于特定區域，如果能夠建立石灰反應強度與pH、CaCO3含量之間的定量關系模型，無疑可節省實驗室測定pH和CaCO3含量的時間和成本，也有益于野外初步確定某些石灰性土壤的系統分類類型。

為此，本研究以2015—2016年間在山西省調查采集的110個代表性土壤剖面的426個發生層土樣野外測定的石灰反應強度和實驗室測定的pH、CaCO3含量數據為基礎，嘗試建立三者之間的定量關系模型。

1 材料與方法

1.1 山西省概況

山西省地處中緯度地帶的內陸，地理位置34°36′～40°44′ N，110°15′～l14°32′ E，南北長約682 km，東西寬約385 km，總面積15.67萬km2。地勢東北高西南低，總的地勢輪廓是“兩山夾一川”，地貌類型可劃分為山地、丘陵和盆地，其中，山地和丘陵合計占全省總面積的80.1%。年均氣溫介于4.2～14.2℃，降水量介于358～621 mm，夏季6—8月降水量約占全年的60%［20］。山西省是黃土高原的一部分，黃土覆蓋比例高達66.6%。山區巖石主要有酸性巖類、碳酸鹽類、硅質巖類、中性和基性巖類等［21］，但即使山區也普遍受黃土降塵影響［22］。山西省發生學土壤類型主要有棕壤、褐土、栗鈣土、栗褐土、鹽堿土、潮土等，合計共有土種351個［23］。

1.2 土壤調查與采樣

在對山西省相關氣候、水文、地質、地形地貌、土地利用、成土母質、土壤發生學類型等因素及其空間分布特征進行充分分析的基礎上，考慮樣點布設的均勻性和可靠性、交通可達性，基于目標采樣方法對調查樣點進行布設。2015年5月—2016年9月，對布設的調查樣點開展了實地調查，共調查土壤剖面110個（圖1），大致覆蓋了102個土種，合計采集了發生層樣品426個。

1.3 分析方法

石灰反應強度（1），［18］的野外測定方法為，在野外用手捏碎土壤，用少量水濕潤后，滴加10%稀鹽酸觀察氣泡產生多少和聲音強弱。分級為：1）無，沒有細氣泡產生；2）弱，有微氣泡產生，但聽不到聲音；3）中，有氣泡產生，泡沫聲微弱；4）強，有明顯氣泡產生，聽到泡沫聲，泡沫聲微弱；5）極強，反應劇烈，泡沫溢出，聲音明顯，肉眼往往可見碳酸鹽顆粒。

土樣經風干、去雜、比色、研磨、過不同孔徑篩后，分別測定機械組成、pH、CaCO3含量、陽離子交換量（Cation Exchange Capacity，CEC）、鹽基飽和度（Base Saturation，BS）、全鹽量和交換性鈉飽和度（Exchangeable Sodium Percentage，ESP）。其中，土壤pH采用電位法（水土比為2.5∶1）測定，CaCO3含量采用氣量法測定，具體的測定方法詳見文獻［19］。

1.4 數據處理與統計方法

按照“平均值±3倍標準差”方法剔除異常值，借助Microsoft EXCEL 2013、IBM Statistics SPSS23.0軟件進行數據處理、回歸分析，統計CaCO3含量、pH、石灰反應強度之間的數量與函數關系［14-16，24］。

2 結 果

2.1 石灰反應強度、CaCO3含量和pH描述性統計

依據石灰反應強度野外觀察結果，426個發生層土樣中，102個無石灰反應，52個為弱石灰反應，25個為中石灰反應，121個為強石灰反應，126個為極強石灰反應。

依據實驗室測定結果，426個發生層土樣的CaCO3含量范圍為0.1～251.3 g kg-1，平均含量為56.1 g kg-1，標準差為43.17 g kg-1，變異系數為76.93% 。pH范圍為6.00～10.28，平均值為8.36，標準差為0.68，變異系數為8.06%。兩者總體上屬中等變異程度，具有良好的分異性，能夠反應統計樣本在區域尺度上的變異性。

圖1 土壤剖面點位置示意圖Fig. 1 Distribution map of the studied soil profiles

從空間分布來看，pH較低（pH＜8）、CaCO3含量較低的剖面多分布于中山（海拔800 m以上）及以上山地，這主要是因為該地區海拔高，降雨量較大，土壤中CaCO3淋溶較徹底，主要土壤類型包括棕壤、暗棕壤、山地草甸土等。pH介于8.0～9.0的剖面多分布于低山丘陵地區，由于該地區海拔相對較低，降雨量也較低，土壤中CaCO3淋溶不徹底，主要土壤類型為褐土、潮土等。pH＞9.0的剖面多分布于地勢低洼、土體受地下水影響明顯的地區，地表多見板結特征和堿蓬等指示植被，主要為堿化土壤。

2.2 pH與CaCO3含量的關系

由pH與CaCO3含量測定數據的散點圖（圖2）可以看出，二者之間并非簡單的線性關系：1）pH＜9時，pH隨著CaCO3含量的增加而增加，但CaCO3含量變化引起的pH升幅逐漸平緩乃至消失，表明當pH＜9時，CaCO3含量變化對pH的影響明顯，二者之間具有顯著的相關性（p＜0.01），回歸擬合最優關系符合冪函數曲線（表1）；2）pH＞9時，二者之間不存在顯著相關關系，這是由于pH＞9的土壤多是堿化土壤，此時pH主要受交換性鈉含量影響［26］。

圖2 土壤pH與CaCO3含量關系散點圖Fig. 2 Scatter plot of soil pH and CaCO3 content

運用自然斷點法將426個發生層土樣按照pH分為＜7.40、7.40～8.59、8.59～9.00和＞9.00四級，分析pH與CaCO3含量之間的定量關系。pH＜9的三個級別下，pH與CaCO3含量之間具有極顯著的相關性（p＜0.01），且不同級別的pH與CaCO3含量之間呈現出的數學關系不盡相同，其中pH＜7.40、pH介于8.59～9.00時的最優回歸關系符合一元三次方程模型；pH介于7.40～8.59的回歸擬合最優關系符合冪函數曲線（表1）。

表1 基于pH自然斷點的pH與CaCO3含量之間最優回歸模型Table 1 Optimal regression models for relationship between pH and CaCO3 content relative to pH

2.3 CaCO3含量與石灰反應強度的關系

供試的372個非堿化的發生層土樣（ESP＜5%，pH＜9）不同石灰反應強度級別的pH和CaCO3含量的描述性統計和分析結果見表2，可以看出，隨著石灰反應強度的增加，pH、CaCO3含量均值逐漸升高，且各石灰反應強度級別之間，土樣的pH、CaCO3含量均表現出顯著差異水平，表明用石灰反應強度來反映土壤pH和CaCO3含量是可信的（表2）。

需要指出的是，并非只要土體中含有CaCO3，就一定具有石灰反應。《中國土壤系統分類檢索》（第三版）中石灰性定義中CaCO3相當物含量要≥10 g kg-1，用1∶3稀鹽酸處理有泡沫反應。這也意味著只有土體中CaCO3含量超過一定量，才能觀察到石灰反應，本次野外測定無石灰反應的表層土樣，在實驗室中仍可檢測出微量CaCO3，這主要是由于山西地處黃土高原地區，表土不斷接受由黃土降塵帶來的碳酸鹽，加上山西省降雨量不高，總體上屬于半干旱半濕潤地區，土體中CaCO3淋洗不及時或不徹底，因此表土可能會殘留微量或少量的CaCO3。

表2 不同石灰反應強度的pH與CaCO3含量的描述性統計特征Table 2 Descriptive statistics of soil pH and CaCO3 content relative to lime reaction intensity

綜合上述石灰反應強度與pH、CaCO3含量的統計結果可知，對于非堿化（ESP＜5%）的黃土性母質石灰性土壤（即野外有石灰反應），無論石灰反應強弱或CaCO3含量高低，pH大致穩定在8.51±0.49。

3 討 論

本研究試圖通過野外快速便捷的石灰反應強度來推測pH和CaCO3含量，省去測定pH和CaCO3含量的時間和成本，同時在野外初步確定石灰性土壤的系統分類類型。但需要指出的是：第一，由于野外石灰反應強度的分級以定性-半定量為主，其強度的確定具有一定的主觀性，準確性高低受操作者的野外實踐經驗影響，因此在野外進行石灰反應強度測定操作時，務必認真細心，必要時可以由多人分別操作，然后匯總討論分析確定最后的強度。第二，由表1也可以看出，依據石灰反應強度尚僅能確定pH或CaCO3含量的一個對應范圍，并非是精確值。同時，從發生學意義角度，土壤中CaCO3含量高低對形態學研究具有重要意義，在這種情況下，如果需要用pH或CaCO3含量來確定準確的土壤系統分類類型（如確定土體是否為酸性、是否具有鈣積層/鈣積現象等），為慎重起見建議還是以實驗室的準確測定數據為準。

對于非堿化（pH＜9）的北方黃土性母質土壤，只要10%稀鹽酸滴定時有泡沫反應，無論CaCO3含量多少，對應土壤pH基本穩定在8.51±0.49，在該范圍的pH對作物生長基本沒有制約［25］，因此，如果僅從影響作物生長的酸堿度考慮，在野外只要測定石灰反應強度即可，無需實驗室再測定pH或CaCO3含量；對于野外10%稀鹽酸滴定無泡沫反應的北方黃土性母質土壤，考慮到酸化土壤可能對作物正常生長產生影響，仍需根據需要對pH或CaCO3含量進行實驗室準確測定；堿化（pH＞9）的北方黃土性母質土壤多分布于地勢低洼、受地下水影響較為嚴重的地區，地表多可見堿蓬等指示植被和地表板結等地表指示特征，堿化（pH＞9）土壤可通過上述地形分布特征和地表指示植被特征進行野外判別，考慮到堿化（pH＞9）土壤對作物的制約，堿化（pH＞9）土壤還是需要實驗室準確測定pH或CaCO3含量，以便為科學指導土壤改堿、施肥等提供更為精確的數據支撐。

需要強調的是：本研究選用的供試土樣均來自山西省，所得的石灰反應強度與CaCO3含量、pH之間的對應關系是否能夠代表整個黃土高原或黃土高原其他地區，還有待于進一步的研究驗證。

4 結 論

北方黃土性母質土壤，當pH＜9.0時，CaCO3含量是影響土壤pH的重要因素，二者的回歸擬合最優關系符合冪函數曲線；當pH＞9.0時，CaCO3與pH之間沒有明顯關系。石灰反應強度在一定程度上可以半定量地反映pH或CaCO3含量，其確定的pH或CaCO3含量尚是一個范圍，并非精確值。對于非堿化（pH＜9.0）、野外有泡沫反應的北方黃土性母質土壤，無論泡沫反應強弱和CaCO3含量高低，土壤pH基本穩定在8.51±0.49，這一pH范圍對作物生長基本沒有制約，如果僅從pH或CaCO3含量是否影響作物生長角度考慮，無需實驗室測定pH或CaCO3含量。

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（責任編輯：檀滿枝）

The Study of Lime Soil Reaction Intensity Estimates Based on CaCO3Content and pH—A Case Study of Soil Developed from Loess Parent Material in Shanxi Province

LI Chao1ZHANG Fengrong1?ZHANG Tianzhu1WANG Xiuli2JIN Dongsheng3
（1 College of Resources and Environmental Sciences，China Agricultural University，Beijing 100193，China）
（2 College of Resources and Environmental Sciences，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China）
（3 Institute of Agriculture Environment and Resources，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030006，China）

【Objective】Soil CaCO3content and pH are two common indices in routine soil analysis，while lime reaction，pH and content of carbonate equivalents are the three important diagnostic indices in the Chinese Soil Taxonomy. However，generally，the determination of soil pH and CaCO3content needs to be done with the help of experimental instruments in lab，which is rather costly and time consuming；Actually，intensity of lime reaction can be measured in field with titration of 1∶3 dilute hydrochloric acid，which is simple，quick and cheap. Moreover，content of CaCO3，pH and intensity of lime reaction are somewhat interrelated. Therefore，if a model of quantitative relationships between soil CaCO3content，pH and lime reaction intensity can be built up for a specific area，it will no doubt save or spare the time and money needed for determination of soil pH and CaCO3content in lab，and it will help make tentative determination in the field of what type of calcareous soil in the Chinese Soil Taxonomy. The purpose of this paper is to try to establish such a model.【Method】Correlation analysis and regression analysis were performed of the data of the 110 typical soil profiles investigated during the provincial soil survey of Shanxi Province，including lime reaction intensities determined in the field，and soil pHs，calcium carbonate contents and ESPs（Exchangeable Sodium Percentage）measured in lab of the soil samples from their 426 genetic horizons，for relationship between calcium carbonate content and soil pH，and statistical analysis was for relationships of lime reaction intensity with soil pH and calcium carbonate content.【Result】Results show that in the soil developed from loess parent material in North China with pH ＜9，content of calcium carbonate is an important factor affecting soil pH，and the optimal relationship between the two fitted with regression accords with an exponential curve，while pH ＞9，no significant relationship was observed between the two，but lime reaction intensity could be used as indicator，reflecting to a certain extent or semi-quantitatively a range of pH or content of CaCO3，rather than a precise value. Moreover，from the viewpoint of soil genesis，the content of CaCO3is of great significance to the study of soil morphology. So if soil pH or CaCO3is required to define accurately the position of a soil in the Chinese soil Taxonomy（for instance to define whether or not the soil solum is acidic，or has a calcic horizon / calcification，etc.），it is advisable to recommend the use of the more accurate data obtained in lab. In non-alkaline（pH＜9.0）soils derived from loess parent material in North China that have foam reaction in the field，soil pH lingers basically in the ranger 8.51±0.49，no matter whether foam reaction intensity or CaCO3content is high or low. Soil acidity in such a range has little restraint on crop growth. Therefore，if it is considered whether crop growth would be affected from the angle of soil pH or CaCO3content only，there is no need to have any lab tests to determine accurate pH or CaCO3content.【Conclusion】It is feasible to realize semi-quantitative estimation of soil CaCO3content and pH in soils derived from loess parent material in North China by field testing of lime reaction intensity.

Lime reaction intensity；Soil pH；CaCO3；Loess；Shanxi Province

S159

A

10.11766/trxb201705110109

* 國家自然科學基金項目（41671216）和國家科技基礎性工作專項（2014FY110200）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No.41671216）and the National Science and Technology Basic Work（No.2014FY110200）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：frzhang@cau.edu.cn

李 超（1991—），男，河北邢臺人，博士研究生，研究方向為土壤地理、土地可持續利用。E-mail：lichaonongda@163.com

2017-05-11；

2017-06-29；優先數字出版日期（www.cnki.net）:2017-07-10