土壤酸化和酸性土壤改良研究

第 12卷 第 1期 华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 2006年 3月 Vol.12 No.1 JOURNALOFSOUTHCHINAUNIVERSITYOFTROPICALAGRICULTURE Mar.2006 土壤退化是指人类对土壤的不合理利用而导致 的土壤质量和生产力下降的过程。主要有侵蚀退 化、土壤酸化、污染退化、肥力退化和生物学退 化。目前,随着人口、环境资源的矛盾日益突出, 土壤退化已经成为全球性的重大问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,土壤酸化作 为土壤退化的一个重要方面,加速了土壤酸度的提 高、大量营养元素的淋失,造成土壤肥力的下降, 严重影响作物的生长。 1 土壤酸化 1.1 土壤酸化现状 从世界范围来看,酸性土壤主要分布在两大地 区,一是热带、亚热带地区,二是温带地区。北欧 和北美的酸化问题主要发生在灰化土上,而我国的 酸性土壤主要分布在长江以南的广大热带和亚热带 地区和云贵川等地,面积约为2.04×108hm2,主要 集中在湖南、江西、福建、浙江、广东、广西、海 南,大部分土壤的 pH值小于 5.5,其中很大一部 分小于 5.0,甚至是 4.5[1],而且面积还在扩大, 土壤酸度还在升高。主要是近几十年来,我国工业 的发展,酸性气体的大量排放,酸性沉降物对环境 的影响不断增加,造成我国南方地区酸沉降的频率 和强度增加。目前我国南方黄红壤地区已成为世界 上除北美和欧洲之外的第3大酸雨区[1]。 1.2 造成土壤酸化的主要原因 土壤酸化是指土壤中氢离子增加的过程或者说 是土壤酸度由低变高的过程,它是一个持续不断的 自然过程。土壤中存在一些天然酸的形成过程,如 土壤中动植物呼吸作用产生形成的碳酸,还有动植 物残体经微生物分解产生的有机酸等[2]。这一过程 的速度非常缓慢,但人为的影响使得这一过程大大 加速。影响土壤酸化的人为因素主要有两方面,一 是酸性气体的大量排放,导致酸沉降的增加[3]。排 放到空气中的 SO2和 NOx,有一部分直接渗入地 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 形成干沉降,另一部分经过一系列的化学反应最后 形成强酸 H2SO4和 HNO3,雨水 pH随之下降形成酸 雨;还有一个因素就是不当的农业措施[4],如大量 化学肥料特别是铵态氮肥的使用、豆科作物的种 植、不当的施肥量和施肥方式、作物收获移走土壤 中的碱性物质等。 1.3 土壤酸化的一般机理 土壤酸化始于土壤中活性质子(氢离子)[5]。土 壤中氢离子的来源很多,土壤中动植物呼吸作用产 生形成的碳酸;水的解离;降雨中一些无机酸,如 碳酸和硝酸;酸雨中含有的大量硫酸;酸性肥料和 含氮肥料的硝化等。氢离子破坏了土壤中原来的化 学平衡,氢离子和土壤胶体上被吸附的盐基离子交 换,氢离子被土壤胶体吸附,使土壤胶体上交换性 氢离子不断增加。而盐基离子进入土壤溶液,随雨 水流失。氢离子可以自发地与土壤中固相的铝化合 物反应,释放出等量的铝离子,Al3+水解释放出 3 个H+。 1.4 土壤酸化对土壤环境的影响 1.4.1 盐基离子的大量淋失 土壤酸化导致盐基 离子的加速淋失,而且其淋失量随土壤 pH值高低 而变化。当土壤 pH值下降时土壤中正电荷增加, 土壤酸化和酸性土壤改良研究 易杰祥 吕亮雪 刘国道 * (中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所 海南儋州 571737) 摘要 综述我国土壤酸化现状、机理、对土壤环境的影响,以及酸性土壤改良的研究进展。 关键词 土壤酸化 酸性土壤改良 中图分类号 S156 *通讯作者。 华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷 净电荷减少,对钙、镁、钾等养分离子的吸附量显 著减少。这些阳离子与土壤的结合能力随 pH值的 降低而减少,使得这些离子比较容易随水淋失。刘 春生等[6]研究发现:用模拟酸雨处理褐土,其酸度 不同,结果相差很大。4种盐基离子(Ca、Mg、Na、 K)被 pH2～5的酸雨 10年淋失的总量分别为 5070.8、780.7、566.5和 529.7mg/kg,淋失总量 与酸雨的 H+浓度呈极显著的相关关系(r=0.9990)。 俞元春等[7]研究发现:土壤经酸雨淋洗后土壤中交 换性钾、钠、钙、镁的总量加上淋出液中钾、钠、 钙、镁总量高于原土壤中的交换性钾、钠、钙、镁 总量。说明土壤中某些矿物经酸雨淋洗后发生风 化,释放出盐基离子,也说明长期酸雨淋洗会导致 土壤养分库的损耗,造成土壤养分贫瘠。 1.4.2 活性铝的溶出 铝是土壤中最丰富的金属 元素,占地壳重量的 7.1%,土壤中铝能以各种化 学形态存在[8]。铝在土壤中以离子态形式非常牢固 地吸附在土壤的交换点或黏土颗粒上,土壤 pH的 降低能促使它从这些交换点或黏土颗粒上脱落下 来。即为土壤铝的溶出[9]。土壤活性铝的溶出与土 壤酸化程度之间的关系密切[10,11],随着酸雨 pH值 的降低,矿物结构和有机络合态锰铝等均易被活 化,并产生游离态铝离子,活性铝的溶出量增加。 pH值进一步下降时,活性铝就会急剧增加。戎秋 涛等[11]用模拟酸雨研究浙江东北部红壤盐基离子和 铝的淋失发现:用相当于 10年的降雨量,pH值分 别为 5.6和 3.5的酸雨溶液淋溶浙江上虞红壤,淋 出液中铝浓度均很低,最大浓度分别为 0.1mg/Ｌ 和0.3mg/Ｌ;但用相当于5.5年的降雨量,pH值 为 2.5的酸雨淋洗后,淋出液中铝的浓度高达 34 mg/Ｌ。进一步的研究表明,淋出液中铝的含量在 淋出液 pH为 4.0时有一阀值,即淋出液 pH小于 4.0时,才有较高浓度的铝淋出。仇荣亮等[12]也指 出铝淋溶释放量随淋出液 pH值的不同可明显分为 两个区域,其突变 pH值大约为 4.0～4.5,这一突 变pH值正是土壤的缓冲体系转入铝缓冲范围的 pH 值。这同时也证实铝的溶出与土壤pH值有关。 土壤中铝的溶出还与环境温度、土壤中的SO42- 含量等因素有关。康德梦等[13]在研究西南酸雨地区 土壤中铝溶出规律时发现铝的淋出与环境温度的关 系:当环境温度小于 20℃时,铝的溶出量上升不 明显。有研究[14]表明:土壤中铝的淋出与土壤中的 SO42-含量密切相关,因为在适当的条件下 Al3+和 SO42-可形成 Al-SO4化合物,他们是作为缓冲作用 范围内铝迁移的中间产物。 土壤中铝的大量溶出将会对作物生长产生很大 的影响。土壤中溶出的铝可被作物吸收,被作物根 吸收的铝主要分布在根内,只有较少部分转移到地 上部分。宣家祥等[15]通过盆栽实验研究发现:被大 麦根吸收的铝主要分布在根内,达 3283.0μg/g, 只有不到 1%的铝向地上部分转移,为 27.3μg/g。 高吉喜等[16]水培马尾松试验也表明,松苗根部铝含 量远高于地上部分,根部铝含量约是地上部分的 4～9倍。因此铝对作物根系生长的影响最大,李 宝福[17]在研究土壤中铝对火炬松根系生长影响的试 验中发现,在每克土中加入 4mg铝的孔洞内,侵 入根的数量仅及对照的 26.5%,根尖显著膨大,没 有侧根和根毛,很多为死根。 1.4.3 有毒重金属元素的活化 土壤在其酸度提 高的同时也使得某些重金属元素的活性增加,这是 由于锰、铬、镉等有毒金属离子在低 pH值下溶解 度升高造成的[18]。目前在重金属元素溶出方面的研 究较少,原因是这些重金属元素在土壤中的结合形 态更复杂,影响这些金属元素淋出的因素更多。郭 朝晖等[19]研究了模拟酸雨连续浸泡下污染红壤和黄 红壤中重金属释放及形态转化,结果表明,随着模 拟酸雨 pH值下降,污染土壤中重金属释放强度明 显增大。在模拟酸雨作用下,污染红壤和黄红壤中 Cd均以交换态为主;Cu则以有机结合态和氧化锰 结合态为主;Zn在污染红壤中以残留态和交换态 为主,在污染黄红壤中以残留态和有机结合态为 主。土壤有机质含量和阳离子交换量对 Cd、Cu、 Zn的释放产生一定的影响并影响 Cd、Zn的形态转 化,但对 Cu形态转化影响不明显。谢思琴等[20]对 模拟酸雨下土壤中铜、镉的行为研究结果表明:随 着淋溶液的 pH值降低,淋出液中铜、镉含量明显 增加,pH4.0以下升高更明显。 2 酸性土壤的改良 2.1 酸雨的控制 24 第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期第 1期 我国的酸性降水主要是以硫酸盐为主要成分, 分布在长江以南地区,以局部冲刷和中长距离传输 为其形成机制,对土壤环境的影响主要表现在土壤 酸化、盐基离子大量流失、有毒金属离子活化和土 壤酶活性受抑制等方面[21,22]。因此我们可以通过适 当的措施来减少外源酸的进入量以减缓土壤的酸化 进程。如对于 SO2,可以通过使用清洁煤技术或对 含硫量高的煤采用脱硫技术,从而达到减少 SO2排 放量的目的。对NOx,主要要对汽车进行技术改造 以减少尾气中NOx的排放量。 2.2 改良剂的运用 控制酸沉降是控制土壤酸化的根本途径。但对 于已经发生酸化的土壤,我们必须采取一些措施来 改良,目前主要有两种改良方法,一是运用化学改 良剂,另一种是采取一定的生物措施来达到改良的 效果。 2.2.1 化学改良剂 传统的酸性土壤改良的方法 是运用石灰或石灰石粉,表土酸度很容易通过施用 石灰得到降低,而且土壤耕层交换性Ca2+的浓度也 会有所增加。孟赐福等[23]在浙江中部红壤地区施用 石灰发现:耕层交换性Ca2+在施用石灰后的一年半 时间内达到最高值,此后又会随时间的推移而减 少。施用石灰能明显地使酸性土壤的酸度降低,但 同时也会使复酸化程度加强,因此,用石灰改良酸 性土壤时,必须注意的是不能过于频繁地施用石 灰,在施用石灰改良的同时,应与其他碱性肥料 (草木灰、火烧土等)配合使用。章明奎[24]在侵蚀红 壤中施用中性肥料对大麦生长的实验表明:土壤经 有机肥或石灰改良后,再施中性肥料,可减少铝 毒,促进大麦生长。但石灰也有不足之处,对底层 土壤的酸度的影响要比耕层要小得多,因为底层土 壤的酸度的降低与 Ca2+、Mg2+在土壤剖面的移动密 切相关[25]。石灰,特别是石灰石粉,其溶解度小, 在土壤剖面上的移动性很慢。大量或长期施用石灰 不但会引起土壤板结而形成“石灰板结田”,而且 会引起土壤钙、钾、镁3种元素的平衡失调而导致 减产。在酸性土壤施用石灰还可能引起镁与铝水化 氧化物的共沉淀,降低土壤溶液中的Mg2+的活度和 植物有效性[26]。 除了大量应用的石灰外,近十几年来,人们又 发现了一些矿物和工业副产物也能起到改良酸性土 壤的效果,如白云石、磷石膏、磷矿粉、粉煤灰、 碳法滤泥、黄磷矿渣粉等。白云石是碳酸钙和碳酸 镁以等分子比的结晶碳酸钙镁[CaMg(CO3)2],朱宏 斌等[27]研究发现:在酸性红壤上施用白云石能显著 促进作物的生长发育和提高产量,小麦增产 11.6% ～13.4%,油菜增产 9.4%～27.2%,产投比为 27.9 ～12.4∶1。 磷石膏是磷复肥和磷化工行业的副产物,其质 量和组成与所用的磷矿和工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 有关。它的主要 成份是硫酸钙,还有一定量的 PO43+、F-、Fe3+、 Al3+、未分解的磷矿粉和酸不溶物等[28]。不但可以 用来改良盐碱地,还可以作为一种酸性土壤的心土 改良剂。Sumner等提出用磷石膏改良心土的理论, 可概括为“自动加石灰效应”,即土壤与硫酸钙反 应后,由于表面的代换性反应而产生碱度。 Sposito把“自动加石灰”具体化,其反应为: Al(OH)3+CaSO4———Al(OH)SO4+Ca(OH)2 Al2SiO3(OH)4+2CaSO4+5H2O———2Al(OH)SO4+ 2H2SiO4+2Ca(OH)2 由于以上反应,土壤溶液的pH可以得到提高, 代换性 Al的含量下降[29]。叶厚专、范业成[30]通过 磷石膏改良红壤的效应研究表明:红壤在施用氮磷 钾化肥基础上,施用磷石膏具有明显的增产和改土 效果,试种作物茎叶中 Ca、S含量增加,Mg的含 量降低。 磷矿粉是另外一种磷化工行业的副产品,胡红 青等[31]在红壤上直接施用磷矿粉,能增加土壤有效 磷含量从而提高油菜产量,还能提高土壤 pH值, 增加土壤负电荷量,增加交换性钙含量和降低交换 态铝含量。粉煤灰是火力发电厂的煤经过高温燃烧 后的残留物,呈粒状结构,其中玻璃球体占 30% 左右,蜂窝状颗粒占70%左右[32]。主要含有硅、铁 铝和微量元素。万贵怡等[33]用粉煤灰改良红壤性中 低产田发现:粉煤灰对旱地的改土增产效果要优于 水田,而且改土效果是长效的。碳法滤泥是糖厂的 废弃物,温志平、刘树基[34]通过在赤红壤上柑橘地 施用糖厂碳法滤泥后表明:施用碳法滤泥可明显提 高土壤的 pH值和土壤速效磷的含量,配施钾肥可 显著提高柑橘产量,明显提高其Vc和柠檬酸含量, 易杰祥 等：土壤酸化和酸性土壤改良研究 25 华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷华 南 热 带 农 业 大 学 学 报 第 12卷 而且其效果要比等量的石灰配施钾肥好,认为碳法 滤泥可以代替石灰用于赤红壤的改良。海南的糖厂 数量较大,碳法滤泥的供应充足,用碳法滤泥改良 海南砖红壤是一个值得借鉴的方法。 目前除了单独使用或混合使用这些改良剂改良 土壤外,还有一些复合改良剂的研制报道。陈福兴 等[35]利用四种非传统农用矿作为主要原料,根据红 壤特性,结合作物养分元素的需求,研制成红壤改 良剂系列产品,具有降低酸度、供应养分、疏松土 壤等功能。郭荣发等[36]也用 97%磷矿粉加 3%的加 工业副产品———高分子有机化合物,经加工处理而 成活化磷矿粉,在砖红壤上施用,结果表明:施用 活化磷矿粉的肥效至少与过磷酸钙相当,甚至优于 过磷酸钙。 以上改良剂能对酸性土壤起到一定的改良效 果,有的甚至能改良心土,而且大部分是一些工业 副产品,比较廉价。但是这些改良剂中的大多数含 有一定量的有毒金属元素。如磷石膏、磷矿粉中含 有少量的铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铬 (Cr)[10,14]。粉煤灰中也含有少量的铅(Pb)、镉 (Cd)、砷(As)、铬(Cr)。虽然含量较少,但是也存 在着对环境的污染。目前我国进口部分磷矿,很多 国家的磷矿中 Cd平均含量都高于我国,使用时应 该注意Cd的污染[37]。 2.2.2 生物改良 酸性土壤生物改良主要是利用 绿肥及土壤中的一些动物来达到改良土壤的目的。 胡衡生、潘晖[38]用格拉姆柱花草改良土壤实验表 明:种植格拉姆柱花草五年和三年的土攘与对照区 土攘相比,土壤内重要元素均大幅度增加,种植年 限越长,土壤肥力提高越明显。与此同时 pH值上 升0.34和0.22。张晓海、邵丽、张晓林[39]在云南 通海、弥勒两地研究禾本科秸秆、土壤结构改良剂 对土壤结构的改良作用发现:对长期试施用化肥的 烟地,施用小麦秆和玉米秆都能增加土壤中微生物 的数量。 另外,适当的农业管理措施也是必须的。 合理选择氮肥品种,土壤的酸化程度取决于氮 肥的种类和施入的深度[40]。在江西红壤施用化肥的 盆栽实验结果表明:尿素对红壤的酸度影响比硫酸 铵和硝酸铵要小。另外,不同配方的化肥对红壤酸 度的影响也不同。 合理的水肥管理,通过合理的施肥措施让施入 的肥料尽可能为植物利用从而减少其随水淋失,这 样可以减少氮肥对土壤酸化的影响。在土壤耕作 中,氮肥的带状施用造成的土壤酸化程度要比散施 的小[40]。 作物秸秆还田,作物收获从土壤中带走了碱性 物质[41],秸秆还田不但能改善土壤环境,而且还能 减少碱性物质的流失,对减缓土壤酸化是有利的。 作物间作、套作对改善土壤结构、土壤容重也 有很大的帮助。多年试种研究表明[42],果园套种牧 草能显著提高低丘红壤的有机质含量,改善土壤结 构,土壤容重减小,总孔度增大,降低土壤酸度, 土壤速效养分增加;同时增加土壤的蓄水能力,提 高土壤的抗旱能力,有效改善了土壤的理化性状。 3 结语 目前土壤酸化研究已经取得了很多方面的成 果,但由于土壤的地域性差异和实验条件的不同,很 多问题都没有定论,研究形成的理论体系还不够完 整。与国外研究相比,我国的土壤酸化研究缺乏长 期定位研究。 我国对酸雨造成的土壤酸化方面关注较多,而 对某些农业措施造成的土壤酸化方面研究较少。在 酸性土壤改良剂上我们侧重于某些矿物和工业副产 品的改良研究,并且取得了一定的成果,但很少研 究运用生物农业措施改良土壤。另外,这些矿物和 工业副产物中的大多数都含有一定的重金属元素, 虽然很多研究结果都表明这些有毒重金属元素还未 达到危害的水平,但是我们不能忽视这些重金属离 子在土壤中的积累。 参 考 文 献 1 赵其国.中国东部红壤地区土壤退化的时空变化、机 理及调空.北京:科学出版社,2002.70～75 2 田仁生,刘厚田.酸性土壤中铝及其植物毒性.环境 科学,1990,11(6):41～45 3 Inkley D, Driscoll C T, Allen H L. 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Thispaperreviewsthestatusquo,mechanismofsoilacidificationanditsinfluenceonenvironment.Thepaper alsodiscussesaboutacidicsoil'smelioration. Keywordssoilacidification melioration ¡ 28