土壤酸化及其治理

      恩施州地處武陵山區(qū)腹地、湖北省西南部，東接宜昌市，北壤神龍架林區(qū)，西鄰重慶市萬州區(qū)、黔江區(qū)，南連湖南省湘西州，屬我國地形第二階梯東緣，平均海拔1000米，最高海拔3023米，最低海拔66.8米，地形總體格局呈西北、東南兩翼高，切割破碎，中部局部為斷陷盆地，具有典型山地地貌特征。氣候屬中亞熱帶季風型山地濕潤氣候，因山巒起伏、溝壑幽深，海拔高度不同，氣候差異明顯，既具有南方地區(qū)溫暖潮濕的氣候特點，遼闊的高山地區(qū)又兼有北方寒冷的部分特征。境內硒資源廣為分布，被譽為“世界硒都”。糧食作物以水稻、玉米、馬鈴薯為主，經濟作物以蔬菜、茶葉、水果、煙葉、藥材馳名，素有“華中藥庫”、“煙草王國”、“鄂西林海”的美譽。由于地形復雜，地貌類型多樣，帶來了光、熱、水、土和生物等資源的明顯差異，農業(yè)自然資源豐富多樣，適宜農、林、牧、特全面發(fā)展。
      全州國土面積2.4平方公里，2012年初耕地總面積313.98千公頃。轄恩施、利川兩個縣級市和巴東、來鳳、咸豐、建始、鶴峰、宣恩6個縣，88個鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、街道辦事處，2627個村、居民委員會，總人口401.16萬人，其中農業(yè)人口342.6萬人。人均耕地 0.078公頃，折合1.17 畝。
2012年，州委一號文件提出 “啟動實施土壤酸化治理工程”；州人民政府相應出臺了《關于加強耕地土壤酸化治理工作的意見》，提出了用8年（2012－2020）左右的時間，完成全州240千公頃酸化土壤的治理，力爭到2020年全州耕地土壤pH基本恢復正常水平的目標任務和具體措施。

                                                                  第一節(jié) 土壤酸性

      在自然條件下，土壤的酸堿性主要受土壤鹽基飽和度的支配，而土壤淋溶和復鹽基過程的相對強度決定土壤的鹽基狀況。所以，土壤酸堿性實際上是由母質、生物、氣候以及人為作用等多種因子控制的。

一、土壤酸性的形成
      土壤酸化過程始于土壤溶液中活性H+，土壤溶液中H+和土壤膠體上被吸附的鹽基離子交換，鹽基離子進入溶液，然后遭雨水的淋失，使土壤膠體上交換性H+不斷增加，并隨之出現交換性鋁，形成酸性土壤。
（一）土壤中H+主要來源
      在多雨的自然條件下，降水量大大超過蒸發(fā)量，土壤及其母質的淋溶作用非常強烈，土壤溶液中的鹽基離子易隨滲濾水向下移動，使土壤中易溶性成分減少。這時土壤溶液中H+取代土壤吸收性復合體上的金屬離子，被土壤所吸附，使土壤鹽基飽和度下降、氫飽和度增加，引起土壤酸化。在交換過程中土壤溶液中H+可以由下述途徑補給。
         1、水解離出H+
      雖然水的解離度很小，但是，由于土壤膠體能吸附從水中解離出來的H+，促進了水分子的不斷解離。
H2O H++OH-
         2、碳酸解離出H+
      土壤中的碳酸主要由CO2溶解于水生成，CO2則是由根系和微生物的呼吸以及有機質的分解產生的，所以，土壤活性酸在植物根際要強一些。
H2CO3 H++HCO3-
          3、有機酸解離出H+
      在通氣性不良時，土壤中各種有機物分解的中間產物都能形成多種低分子有機酸，例如，草酸、檸檬酸等都能解離出H+。胡敏酸和富里酸在一定的土壤pH范圍內也能解離出H+。
有機酸 H++R-CO3-
          4、酸雨
       酸雨是指pH﹤5.6的雨、雪或其它酸性沉降物，當排入大氣中二氧化碳、氮的氧化物濃度增高到一定程度，如一很大的工礦區(qū)長期排放未經處理的廢氣，使雨水的酸度增大，便形成酸雨。酸雨降到地面得不到中和，就會使土壤酸化，使農作物受害。酸雨可抑制某些土壤微生物的繁殖，降低酶活性，土壤中的固氮菌、細菌和放線菌均會受到酸雨的抑制。酸雨還可以使森林的病蟲害明顯增加。酸雨對土壤會產生如下一些危害：一是提高土壤的酸度和濕度，放出更多的CH4，導致溫室效應的加??；二是土壤中原有的有機鋁轉化成游離的活性鋁，破壞植被的根系；三是限制土壤中有機物的分解和氮的固定，淋洗出與土壤團粒結合的K、Na、Ca、Mg 等營養(yǎng)成分，使土壤貧瘠化；四是促使土壤有些元素的活化，特別是某些有毒性的金屬元素，使得土壤成為有毒性的環(huán)境介質，進而影響植物的生長；五是降低土壤酶活性，從而影響土壤養(yǎng)分特別是有機態(tài)養(yǎng)分的轉化與循環(huán)。
      隨著工業(yè)的快速發(fā)展，目前全球已形成三大酸雨重災區(qū)：以德、法、英等國為中心，波及大半個歐洲的西歐酸雨區(qū)；包括美國和加拿大在內的北美酸雨區(qū)；覆蓋我國青藏高原以東、長江干流以南的東南亞酸雨區(qū)。我國隨著經濟的迅速發(fā)展，酸雨有不斷蔓延和加重的趨勢。其分布存在明顯的區(qū)域性差異，降水酸度年均pH﹤5.6的地區(qū)主要分布在長江以南，并由北向南逐漸加重，西南地區(qū)最為嚴重。在四川、貴州和廣西的一些地方，降水年平均pH﹤5.0，是目前我國酸雨污染最嚴重的地區(qū)。近年來東南沿海地區(qū)酸雨污染趨于嚴重，以南京、上海、杭州、福州和廈門為代表的地區(qū)也逐漸成為我國的主要酸雨區(qū)。同時華北的京津、東北的一些地區(qū)也開始頻繁出現酸性降水。
國內外已開展了大量的酸雨沉降和土壤酸化方面的研究工作，這些工作主要集中在酸雨監(jiān)測與成因、酸雨生態(tài)危害、土壤淋濾模擬實驗等方面。針對酸雨沉降對土壤酸化的影響問題，前人進行了大量的土壤中鹽基離子和鋁、鎘等有害元素的酸雨淋濾模擬實驗。結果表明，土壤pH值愈高，土壤酸化受酸雨的影響愈小，酸雨的pH值愈低，對土壤酸化的影響愈大。長期的酸雨淋洗會導致土壤養(yǎng)分庫的損耗，直至鹽基離子徹底淋失。 
      大氣中漂浮的pH﹤5.6的酸性化學物質可以通過氣體擴散和降雨進入土壤，使土壤酸化。目前，酸雨已經成為土壤中H+的重要來源之一，因為全球大量的燃煤、燃氣和冶礦等工業(yè)化過程，向大氣排放越來越多的SO2和NOx等酸性氣體。
         5、其它無機酸 
      土壤中也常存在一些無機酸，它們常常由施用酸性或生理酸性肥料引起，例如，將(NH4)2SO4、KCl和NH4Cl施入土壤后，植物吸收NH4+和K+陽離子較多而留下了酸根離子。由于硝化細菌的活動也可產生硝酸。
（二）土壤中鋁的活化
       土壤溶液中的H+能不斷地代換出土壤膠體上吸附的鹽基離子，鹽基離子進入土壤，然后不斷遭到雨水的淋失。當土壤硅鋁酸鹽粘土礦物表面吸附的H+超過一定程度時，能破壞膠體的晶格結構，使一部分鋁八面體解體，其中的鋁變?yōu)榛钚訟l3+，被吸附在帶負電荷的粘粒表面，成為交換性Al3+，Al3+進入土壤溶液可以水解產生大量的H+，使土壤顯酸性。據我國紅壤的一些試驗，新制備的氫質粘土，經過0.5小時后，交換性酸中有52%～58%轉變?yōu)殇X離子，6小時后，交換鋁離子增加到72%～98%，即礦物晶面負電荷相結合的氫離子迅速地被晶格中的鋁離子交換。

二、土壤酸性指標

      土壤酸性的程度由土壤中H+和A13+的濃度反映。按土壤中H+存在的形態(tài)不同，一般將土壤的酸度分為兩類，即活性酸和潛性酸，又將潛性酸分為水解酸和交換性酸。為了方便討論土壤中活性酸和潛性酸之間的關系，2001年李學垣將傳統(tǒng)儲備酸（潛性酸）：交換酸和水解酸重新劃分為交換性酸和非交換性酸。這種劃分方式不僅便于討論活性酸與儲備酸的動態(tài)平衡，更有利于對土壤酸化現狀的表達。
       土壤酸化主要指土壤中H+和A13+數量增加，導致土壤陽離子庫耗竭。酸化的過程是一套復雜過程的組合，對土壤酸化的表示主要可用強度因子和容量因子兩個概念來表示。
      土壤酸化的強度因子是指某時刻土壤溶液中H+濃度、Al3+濃度或兩者之和，即pH、pAl或pH+pAl都是表征土壤酸化的良好強度指標（Ress等，1986）。根據其用各種堿滴定時的pH變化，判斷土壤的酸度性質，從土壤的滴定曲線上區(qū)分出極限pH、半中和點pH和中和點pH三個臨界點pH。但由于土壤具有緩沖性能，因而并不是土壤內部產生和外部輸出的H+都能引起土壤pH值的改變，即并不是所有的土壤酸化都能在pH值上反映出來，從電荷平衡原理出發(fā)，增加土壤中負電荷數量也能導致土壤趨于酸化，所以用土壤本身的pH作為強度指標存在一定的缺陷性。
土壤中鈣是主要的交換性金屬離子，對于一種給定的土壤，酸性強度的變異主要是反映了其交換性質子與鈣離子相對比例的變異，兩者的數量一般是向相反的方向變化。石灰位以數學表達式pH-0.5pCa既反映了H+的狀況，又反映了鈣離子的狀況，比單獨的pH或pCa值更全面地反映土壤的酸性狀況。
       土壤酸化的本質就是使土壤酸中和能力下降，1984年Van Breernen等按照土壤酸度的容量概念定義土壤酸化為土壤無機組分酸中和容量(ANC)的下降。ANC被定義為堿性組分減去強酸組分的差。
ANCm=Bm—Am
       其中B為堿性組分（陽離子），A為強酸性組分（強酸陰離子），m為礦質土壤。這種對土壤酸化表達的不足之處在于未包含有機質的影響。有機質作為土壤的組成部分，其表面的官能團（-COO-）吸附的鹽基離子與氫質子發(fā)生交換反應，也對ANC有貢獻，特別是N和S在有機物中的積累會增加強酸組分的含量，從而降低ANC。
       1987年W．Devries等提出用酸中和容量（ANC）和堿中和容量（BNC）來分別反映土壤實際酸化和潛在酸化。
ANCs=Bs+Bo
BNCs=As+Ao
       B為強堿和弱堿組分，A為強酸和弱酸組分，s為固相（即土壤）和液相，O為有機組分。
土壤實際酸化被定義為ANCs的減小，通過陽離子的遷移反映，最主要的酸化過程是元素的淋溶；潛在酸化被定義為BNCs的增加，通過陰離子的保持（如土壤吸附SO42-）來反映。這種方法不僅費時多，而且所得結果僅代表理論上的最終結果，實際意義并不大。

三、影響土壤酸堿性的因素

       在一定歷史時期內，某一地區(qū)土壤的酸堿性主要是受各種成土因素綜合影響的結果，包括氣候、母質、生物、地形、時間等。氣候起主導作用，南方高溫多雨，土壤鹽基淋失重而呈酸性；北方干旱，土壤由于富集鹽基而呈堿性。母質含鹽基的多少，關系到淋溶后剩余鹽基的數量。例如，由于石灰性土壤含有大量鈣，其向酸性發(fā)展的速度很慢。生物，特別是植物，既起到降低淋溶強度的作用，也由于植物含鹽基的多少而影響土壤復鹽基的程度，從而影響土壤酸堿性的發(fā)展進程。地形通過改變水、熱再分配而影響到土壤的淋溶強度。一般來說，山上或高處的土壤比山下或低處的土壤要偏酸一些。當其它條件比較穩(wěn)定時，成土時間越長，土壤向酸或堿的發(fā)展越深。
在較短時間內，能影響土壤酸堿性發(fā)生明顯變化的具體因素主要有鹽基飽和度、空氣中CO2的分壓、土壤含水量、土壤氧化還原條件等方面。
（一）鹽基飽和度
       在一定范圍內，土壤的pH值隨鹽基飽和度增加而增加，其關系大體如下表。
表1.1 土壤pH與鹽基飽和度的關系表
鹽基飽和度（%） ﹤30 30～60 60～80 80～100
土壤pH ﹤5.0 5.0～5.5 5.5～6.0 6.0～7.0
（二）空氣中CO2的分壓
       石灰性土壤和以吸附性鈣占優(yōu)勢的土壤pH值受土壤空氣中的CO2的分壓影響，定量關系為下式。
2pH=K+pCa2++pCO2分壓，K=p(Ka+Ks)
其中K為常數，Ka為碳酸的解離常數，Ks為碳酸鈣的解離常數。CO2的分壓越大，土壤的pH也越大，通常土壤空氣中CO2的含量在0.03%～10%之間，影響到石灰性土壤的pH值在6.8～8.5之間，所以，用石灰改良酸性土是比較安全的。
（三）土壤含水量
       土壤的pH一般隨土壤含水量的增加呈升高趨勢，酸性土壤尤其明顯。在測定土壤的pH時應固定水土比。
（四）土壤氧化還原條件
淹水或施有機肥能加重土壤的還原條件，使酸性土的pH升高，卻使堿性土的pH降低。其原因是：當酸性土還原條件加強時，鐵和錳被還原為低價鐵、錳，而低價鐵、錳的碳酸鹽溶解度大，并呈堿性，因而使土壤pH升高；在還原條件加重的堿性土中，有機質分解不徹底而形成有機酸，碳酸也增加，結果使土壤的pH下降。所以，酸性或堿性土壤淹水種稻后，都趨于中性。
       同時由于人類活動的影響，在相當大的程度上加快了土壤酸化的進程。農業(yè)耕作系統(tǒng)與自然系統(tǒng)相比，前者土壤的酸化速率更快。在一個沒有遭受工業(yè)污染的地區(qū)，土壤的酸化主要由C、N、S在土壤——植物——動物系統(tǒng)循環(huán)時產生的質子H所造成；而自然生態(tài)系統(tǒng)中C、N、S在土壤——植物——動物系統(tǒng)循環(huán)中是趨于平衡的。正是由于人類活動對農業(yè)系統(tǒng)進行不斷地干預，不斷地向土壤施用氮肥等造成了土壤酸化速率加快。原始生態(tài)系統(tǒng)土壤的酸化速率僅為0.7kmolH+•ha-1•year-1，因施用銨態(tài)氮后農業(yè)生產系統(tǒng)中土壤的酸化速率高達40 kmolH+•ha-1•year-1；由于每年平均施用銨態(tài)氮約508kgN• ha-1•year-1，澳大利亞香蕉地土壤的酸化速率約28～40 kmolH+•ha-1•year-1；而實驗證明，每公頃施用80kg銨態(tài)氮肥已可以加快土壤酸化進程。

                                                第二節(jié) 恩施州耕地土壤酸化現狀

       中國農業(yè)大學土壤專家張福鎖和他的同事將上世紀80年代全國土壤普查的結果與過去十年進行的調查結果進行對比，中國幾乎所有土壤類型的pH值下降了0.13至0.80個單位，即使是抗酸化的土壤類型，也顯示其pH值下降，并在《科學》網站上公開了這一結果。張教授認為，象這種幅度的下降，“通常需要經歷數萬年”。

一、土壤酸堿性劃分

       在pH分級方面，因研究目的不同，各國的分級標準不完全一致。我國比較流行的分級標準主要有《中國土壤》和《中國土地資源網》的論述。
       《中國土壤》一書將我國土壤的酸堿度分為五級，即強酸性、酸性、中性、堿性、強堿性（表1.2）。中國土地資源網上的土壤酸堿度等級劃分標準將其分為七級（表1.3）。
表1.2 《中國土壤》土壤酸堿度五級劃分標準
反應強度 強酸性 酸性 中性 堿性 強堿性
pH范圍 ﹤5.0 5.0～6.5 6.5～7.5 7.5～8.5 ﹥8.5
表1.3 土地資源網土壤酸堿度七級劃分標準
反應強度 酸性極強 強酸性 酸性 中性 堿性 強堿性 堿性極強
pH范圍 ﹤4.5 4.5～5.5 5.5～6.5 6.5～7.5 7.5～8.5 8.5～9.5 ﹥9.5

二、恩施州土壤酸化基本情況

       近年來，受施肥習慣、氣候、環(huán)境等多種因素影響，全州耕地土壤酸化日益加重，耕地質量明顯下降，嚴重制約了我州農產品產量和品質的提升。根據測土配方施肥土壤樣品的化驗結果，按照土地資源網七級劃分標準，全州耕地土壤pH小于5.5的酸化面積已達到240千公頃，占耕地總面積的76.4%。其中，pH小于4.5極強酸性土壤面積達72千公頃，占耕地總面積的22.93%；pH 4.5～5.5之間的強酸性土壤面積達168千公頃，占耕地總面積的53.50%；pH5.5～7.5之間，宜于大多數農作物生長的酸性與中性耕地面積為74千公頃，僅占耕地總面積的23.56%，pH大于7.5的堿性土壤在全州已基本消失，酸化現象十分嚴重。

三、土壤酸堿度變化情況

       以利川市為例，第二次土壤普查（1982年）結果表明：經對利川市14777個耕地地塊樣檢測結果統(tǒng)計，全市土壤pH均值6.5，最高值8.7，最低值4.2，極差4.5；pH﹤5.0的過酸耕地占10.55%（包括黃壤的大部分和部分黃棕壤），5.0～5.5的耕地占14.38%（包括部分黃壤和黃棕壤及部分水稻土），5.6～6.5的耕地占38.60%，6.6～7.5的耕地占22.79%（棕壤和部分次灰田），7.6～8.5的耕地占13.40%，大于8.5的過堿耕地占0.29%，pH﹥7.5的多為石灰土、灰潮土、灰紫色土等。總的趨勢是，大部分土壤呈酸性或微酸性反應（表1.4）。
表1.4 利川市1982年、2006年pH統(tǒng)計結果比較表
樣品數 均值 最高值 最低值 極差
1982年 14777個 6.5 8.7 4.2 4.5
2006年 2045個 5.12 7.63 2.85 4.78
下降 1.38 1.07 1.35 -0.28
       經對2006年采集的2045個土樣的pH結果統(tǒng)計分析，利川耕地酸化相當嚴重。全市土壤的pH平均值為5.12，比第二次土壤普查下降1.38個pH單位，處于強酸性水平；最大值7.63，最小值2.85，極差4.78。pH＞7.5的堿性土壤已逐步消失，僅占0.45%；僅22.72%的耕地呈中性；pH＜6.5的占76.83%；58.88% 的耕地呈強酸性至極強酸性；特別是pH＜4.5的極強酸性耕地達33.23%。

                                                   第三節(jié) 耕地土壤酸化的成因

 

       土壤酸化過程本是個自然發(fā)生過程，但由于人為活動而被加劇。在遠離工業(yè)發(fā)展較快的農業(yè)生產系統(tǒng)中，促進土壤酸化的主要因素在于C、N元素的自然循環(huán)被打破，其主要過程與酸性肥料的施用，N的硝化作用，N03-的淋失，有機質的礦化，植物根系吸收的陽離子多余陰離子而釋放出過多的H+等物理生物化學反應相關。作為碳循環(huán)的一部分，農產品的收獲物從地上移走（包括籽粒和秸稈）也能導致土壤發(fā)生酸化。植物在生長過程中，體內累積有機陰離子（堿），當作物從土壤上移走時，這些堿性物質也隨之帶走，為了維持土壤——植物體系的離子平衡，植物根系向土壤釋放出H+，致使土壤發(fā)生酸化。然而，在某些農業(yè)生產系統(tǒng)中，農產品收割的致酸效應已經成為引起土壤pH降低的重要影響因素。

一、降水對土壤pH的影響

（一）強降雨導致土壤酸化
       在多雨條件下，土壤中的鹽基離子向下淋溶，氫離子代替鹽基離子被土壤吸附，并進一步轉化為鋁質土壤。如果從土壤中溶脫的鹽基超過補給量，土壤就逐漸向鹽基不飽和的酸性土壤方向變化。
恩施州屬于全國降水較多地區(qū)，根據氣象資料記載，年降水量在1000－1900毫米之間，平均1530毫米左右，且相對集中在4～10月七個月，而4～10月的氣溫相對也較高，皆高于全年平均氣溫，加劇了降水淋溶作用。境內喀斯特地貌相當發(fā)育，天坑、地逢、溶洞、石林等隨處可見，亞洲第一洞——騰龍洞就是喀斯特地貌的典型代表?？λ固氐孛彩蔷哂腥芪g力的水對可溶性巖石進行溶蝕等作用所形成的地表和地下形態(tài)的總稱，又稱巖溶地貌。除溶蝕作用以外，還包括流水的沖蝕、潛蝕，以及坍陷等機械侵蝕過程。大量降水和可溶性巖石（主要是石灰?guī)r）的存在是形成喀斯特地形的兩個必要條件。
（二）降水影響了鹽基離子
       以利川市為例，鹽基離子的代表K+在第二次土壤普查時含量較高，速效鉀平均值136.4毫克/公斤，小于50毫克/公斤的面積不到3%，多為黃壤和第四紀粘土沉積物發(fā)育的土壤；50～100毫克/公斤的多為河流沖積物、石英砂巖坡積物發(fā)育的土壤和黃壤土類的部分土種，占耕地面積的33%；64%的耕地速效鉀大于100毫克/公斤。經過近30年的降水淋溶（當然還包括其它因素影響），均值降低18.7%，小于100毫克/公斤的面積由36%增加到48.99%（表1.5）。
表1.5 利川市1982年、2006年耕地速效鉀比較表 單位：mg/kg
均值 變幅 ≤50 50～100 100～150 ≥150
1982年 136.4 22.2～362.4 2.94% 33.06% 34.19% 29.81%
2006年 110.9 12.9～260.7 9.60% 39.33% 28.67% 22.39%
升降 -25.5 +18.7% +6.66% +3.27% -5.52% -7.42%
（三）酸雨導致土壤酸化
       對恩施州2011年11月3日至2012年3月23日的五次降雨和六次降雪共11次降水的采樣檢測，pH結果在4.27～6.98之間，平均為5.54，pH＜5.6的6次，占54.55%。恩施州與重慶市萬州區(qū)相鄰，兩個行政區(qū)首府的直線距離約100公里，兩者同屬于中亞熱帶濕潤區(qū)氣候，在氣候上的相似程度較大。這與祝和權等研究報道的“萬州地區(qū)是我國重要的酸雨區(qū)，酸雨pH值一般在4左右——最低值達3.68，酸雨頻率約占70﹪”有相同的趨勢。
       對利川市第二次土壤普查（1982年）到2006年非耕地與耕地pH的變化情況比較發(fā)現（表1.6），強降水和酸雨對耕地酸化的影響很大，大于人為因素對耕地酸化的影響。第二次土壤普查非耕地pH平均值6.15，變幅為：4.3～8.2；目前的非耕地pH平均值為5.28，變幅為4.18～6.76。與1982年相比較，非耕地的土壤pH值下降了14.15%。耕地土壤pH值在第二次土壤普查平均值6. 5，變幅為4.2～8.7；目前的pH值為5.12，變幅為3.08～7.65。與1982年相比較，耕地的土壤pH值下降了21.23%。比較兩個不同的類型，非耕地的pH下降了0.87，耕地下降了1.38。同時期的非耕地pH變化可以視為雨水等自然因素的變化，而把同時期的耕地土壤pH變化看作雨水等自然因素與人為因素的疊加，就可以發(fā)現，雨水等自然因素在整個酸化過程中所占的比重大于人為因素。
表1.6 利川市耕地與非耕地pH縱向變化比較表
       耕地pH均值 耕地pH變幅 非耕地pH均值 非耕地pH變幅
1982年 6.5 4.2～8.7 6.15 4.3～8.2
2006年 5.12 3.08～7.63 5.28 4.18～6.76
縱向比± -1.38 -0.87

二、停施石灰對土壤pH的影響

（一）石灰的作用
       耕地施用石灰主要有四種作用，一是中和土壤酸性，消除毒害；二是增加土壤有效養(yǎng)分，補充鈣營養(yǎng)，調節(jié)土壤反應，促進有益微生物活動，從而加速有機物質的分解及養(yǎng)分的釋放；三是改善土壤物理性狀，促進土壤膠體凝聚，有利于土壤團粒結構的形成，從而增強土壤保水、保肥性能；四是土壤消毒，殺滅地下害蟲和土傳病害，還能消滅雜草。
       土壤酸度通?？梢允┯檬一蚴沂蹃碚{節(jié)。以Ca2+代替土壤膠體上吸附的交換性H+和Al3+，提高土壤的鹽基飽和度。石灰分為生石灰（CaO）和熟石灰（Ca(OH)2），具有很強的中和能力，但后效較短。石灰石粉是把石灰石磨細為不同大小顆粒，直接用作改土材料，它對土壤酸性的中和作用較緩慢，但后效較長。
石灰施入土壤的化學反應有與CO2作用和土壤膠體上吸附性鋁產生交換作用。在土壤空氣中，因為CO2的濃度往往比大氣中的CO2大幾十倍甚至幾百倍，CO2溶于水生成碳酸與石灰或石灰石粉起反應。
CO2+H2O→H2CO3
Ca(OH)2+ 2H2CO3→Ca(HCO3)2+2H2O
CaCO3+ H2CO3→Ca(HCO3)2
       石灰與酸性土壤膠體的作用，膠體上的H+、Al3+被Ca2+（Mg2+）所交換。


（二）影響石灰用量的因素
       土壤潛性酸和pH、有機質含量、鹽基飽和度、土壤質地等土壤性質；作物對酸堿度的適應性；石灰的種類和施用方法等都對石灰用量有影響。
       土壤pH與鹽基飽和度間存在著明顯的相關性，對pH為5～6的溫濕地區(qū)礦質土壤，pH變動0.10單位，其鹽基飽和度一般相應變動5%左右，假設pH5.5時的鹽基飽和度為50%，施用石灰，pH升到6時，土壤鹽基飽和度約升至75%。土壤有機質和質地能指示土壤交換量和緩沖能力大小，土壤緩沖能力愈大，改變單位pH所需的石灰用量愈多。
酸性土壤石灰需要量可通過交換性酸量或水解性酸量進行大致估算。還可根據土壤的陽離子交換量及鹽基飽和度、土壤潛性酸量等進行估算求得。依據陽離子交換量和鹽基飽和度計算式為：
       石灰需要量（kg/ha）=土壤體積×容重×陽離子交換量×（1-鹽基飽和度）
（三）停施石灰主要原因
       恩施州第二次土壤普查時發(fā)現耕地長期大量施用石灰出現次灰化現象，多年連續(xù)施用石灰，使土壤由無石灰反應到有石灰反應或石灰反應強烈，稱為“次生石灰反應”，在第二次土壤普查時將其專門劃為一個土種。據恩施州第二次土壤普資料，全州水田次灰化面積達到3.0%，旱地達到8.2%，故在上世紀八十年代中期停止施用石灰。
在上世紀八十年代初期以前，恩施州一直有撒施石灰的習慣，石灰年平均用量在750－1500公斤/公頃之間，當時各鄉(xiāng)鎮(zhèn)皆有大小不等的石灰窯3～5家，施石灰與現在施化肥一樣，是農民的一種習慣。
隨著耕地停施石灰和建筑材料的不斷變革，石灰很快退出歷史舞臺，現全州年產量不足10000噸，且皆處邊遠偏僻之地，無相關管理部門的審批手續(xù)，少為人知。這與政府管理部門對礦產資源開發(fā)資質要求高、審批嚴格有關。

三、化肥偏施加速土壤酸化

       恩施州2009-2012年化肥投入量見表1.7。全州化肥年投入總量（折純）由2009年的240174噸增加到2009年的291554噸，4年間化肥折純量凈增51380噸，增幅達21.39%，年增長5.35%。其中氮肥凈增17268噸，增幅14.59%，年增長3.65%；磷肥凈增13473噸，增幅38.09%，年增長9.52%；鉀肥凈增6758噸，增幅34.04%，年增長8.51%；復合肥凈增13881噸，增幅20.85%，年增長5.21%；每公頃使用純量凈增147.87公斤，增幅19.08%，年增長4.77%。
表1.7 恩施州2009-2012化肥折純量投入表
年 份 2009年 2010年 2011年 2012年
氮肥（噸） 118378 118486 137244 135646
磷肥（噸） 35368 36495 42005 48841
鉀肥（噸） 19852 22836 21831 26610
復合肥（噸） 66576 72950 77092 80457
總量（噸） 240174 250767 278172 291554
耕地（kha） 309.89 310.17 313.98 315.91
平均（kg/ha） 775.03 808.48 885.95 922.90
       2012年，化肥總用量為291554噸，其中氮肥135646噸、磷肥48841噸、鉀肥26610噸、復合肥80457噸，分別占化肥總量的46.53%、16.75%、9.13%和27.60%，農業(yè)化肥使用量純量平均達922.90公斤/公頃，已經超過發(fā)達國家為防止化肥對土壤和水體造成危害而設置的225公斤/公頃安全上限4倍有余。從施用結構來看，單位面積氮磷鉀投入折純量之比約為3:2:1，而多數作物的需肥比例大致大致2:1:3，化肥投入氮磷鉀比例嚴重失調，有利于耕地向酸性方向發(fā)展。
       在化肥施用中，大量施用酸性肥料促進土壤酸化。過磷酸鈣因含少量游離酸，屬酸性肥料，2012年全州的總投入量超過35萬噸，平均每公頃投入1107.9公斤，局部地塊用量達到3000公斤/公頃。硫酸銨、氯化銨等是典型的生理酸性肥料，全州用量極少。然而復合肥（復混肥）用量增長較快，其原材料多由過磷酸鈣、氯化鉀、硫酸銨等酸性或生理酸性肥料配制而成，施入土壤中后N、P、K等主要營養(yǎng)元素被作物吸收，SO42-、Cl-等酸根離子殘留土中，促使了土壤酸化。
       中性或堿性肥料亦可促進土壤酸化。尿素是典型的中性氮肥，施入土壤后，呈分子態(tài)溶入土壤溶液中，而后在脲酶的作用下全部轉化為碳酸銨，碳酸銨水解產生銨離子和碳酸根離子，前者被作物吸收利用，或變成氨氣揮發(fā)到大氣中，還可能在硝化細菌的作用下被轉化成硝酸根，遺留在土壤中，若大量施用，就會提高土壤的酸度。碳酸氫銨是典型的堿性氮肥，施入土壤后，在土壤水溶液中被分解為銨離子和碳酸氫根，前者可被作物吸收利用，如果大量施用，也常因土壤通氣條件好，碳源豐富，硝化作用強，而被氧化成亞硝酸根或硝酸根離子，遺留在土壤中，從而使土壤逐步酸化。
       中國農業(yè)大學的張福鎖教授的研究表明：30年來，中國過度施用化肥是導致耕地酸化的罪魁禍首。中國占全球7%的耕地，消耗著全球35%的氮肥，直接導致中國高達90%的農田土壤發(fā)生不同程度的酸化。

四、有機肥用量滑坡促進土壤酸化

       恩施州有機肥資源豐富，種類主要有人畜糞尿、廄肥、土雜肥，還有少量堆肥和漚肥。對農戶施用農家肥的情況調查（表1.8）。耕地農家肥用量30年減少近80%，旱地更為嚴重，已不足1980年的15%，離農戶住宅較遠的耕地基本上已多年未施農家肥。
表1.8 農家肥用量縱向比較表 單位：kg/ha
年份 1980 1990 2000 2010
平均用量 2180 1720 960 470
水田用量 2300 1900 1300 750
旱地用量 2100 1600 800 300
       化肥因用量少、見效快，省工省力，倍受農民群眾偏愛；加之近十年來，我國打工經濟的迅猛發(fā)展，農村勞動力大量外出，豐富的農家肥資源因勞動力嚴重不足而棄置，農家肥的用量嚴重下滑，使土壤有機質含量下降，緩沖能力降低，加劇了土壤酸化。

五、土壤有機質下降影響了酸堿平衡

       土壤有機質對pH值有明顯的穩(wěn)定和緩沖作用，土壤有機質含量越高，則土壤酸化程度越輕，并呈現較好的對數關系。說明土壤有機質中的腐殖質有著巨大的比表面和表面能，具有較強的吸附性能和較高的陽離子代換能力，可緩沖土壤溶液中H+濃度變化；另一方面，腐殖酸及其鹽類可構成緩沖體系，使土壤具有較強的緩沖性能，并且其緩沖性大小與土壤有機質含量高低有關。
       土壤有機質累積與有機肥投入量有很大關系。有機肥投入量逐年減少，土壤有機質得不到合理礦化和更新，造成土壤緩沖能力下降，是土壤酸化的原因之一。

六、重茬和高產作物收獲利于土壤酸化

       由于面臨人口的壓力，人們不得不增加復種指數，大量種植高產作物，一部分地還不得不重茬。但是，重茬和高產作物的普及使土壤中的堿基元素失調。隨著農產品的增收，更多的堿性物質從土壤中帶走，同時釋放的H+也越來越多。Porter和Hclyar通過對植物灰分中堿性物質的測定表明，每帶走1噸谷類作物籽粒，帶給土壤的氫離子需用3公斤CaC03來中和，若帶走1噸谷類作物的秸稈則需用22公斤CaCO3中和土壤中因此而產生的H+。恩施州年均糧食總產量160萬噸左右，不計算帶走作物秸稈而產生的H+，就需要4800噸CaC03來中和帶給土壤的H+。人為耕作的連年重茬種植及大量高產品種的推廣，土壤中鈣、鎂、鉀等堿基元素消耗過度，習慣施肥又未能得到有效補充，使土壤向酸化方向發(fā)展。

                                            第四節(jié) 耕地土壤酸化的危害

       耕地土壤酸化后主要影響土壤養(yǎng)分的有效性；產生鋁、錳、鐵等毒害；破壞土壤結構，耕性變差；有害微生物滋生，引發(fā)作物眾多生理病害；最終導致作物減產，農產品品質降低。

一、作物適宜的酸堿度范圍

       由于長期自然選擇的結果，植物最適應起源地的pH。一般說，起源于南方或高山上的植物適應偏酸性土壤，起源于北方的植物則適應中性或堿性土壤?？偟目?，大多數植物和微生物一般適宜微酸性，中性或微堿性環(huán)境，最適pH在6.1～7.5之間。通常把對pH要求嚴格的植物叫做土壤酸堿性的“指示植物”，例如，茶和映山紅是酸性土壤指示植物，鹽蒿和堿蓬是鹽土的指示植物。不同植物所要求的pH值各異，有的要求pH范圍較廣，有的要求pH范圍較窄。常見植物（包括作物）適宜的土壤pH范圍見表1.9。由表1.9可以看出，絕大多數的作物最適宜的pH值還是在弱酸性至微堿性的范圍。
表1.9 常見植物最適宜的土壤pH范圍
pH范圍 植物（包括作物）種類
4.0～5.0 蘭花，高灌木越桔，黑云杉，泥炭蘚
4.5～5.0 杜鵑，白雪松，石松
5.0～5.5 茶，馬鈴薯，馬尾松
5.0～6.0 紅薯，菠蘿，板栗，油桐，草夾竹桃，冷杉，云杉，鐵杉，火炬松，冬青
5.0～6.5 蕎麥，草莓，山毛櫸，歐洲落葉松
5.0～7.0 黑麥，花生，亞麻，紫云英，柑橘
5.0～7.5 燕麥，櫟（5.0～8.0）
5.5～6.5 蘿卜，辣椒，野菊花
5.5～7.0 蠶豆，豇豆，胡蘿卜，黃瓜，白三葉，秋海棠，蒲公英，菟絲子，雛菊
5.5～7.5 玉米，小麥，煙草，番茄
6.0～7.0 大豆，西瓜，甘藍，芹菜，萵苣，洋蔥，苕子，東方百合，非洲紫羅蘭，銀杏，槐，花旗松
6.0～7.5 水稻，大麥，紅三葉，結球甘藍，菠菜，紫丁香，側柏，狗尾草，菊花
6.0～8.0 棉花，油菜，豌豆，甘蔗，甜菜，向日葵，紫苜蓿，花椰菜，南瓜，蘆筍，天竺葵，蘋果，櫻，桃，梨，核桃，杏，桑，白楊，洋槐，野芥菜，泡桐，榆，高粱（6.0～8.5）

二、土壤酸化的主要危害

（一）影響土壤養(yǎng)分有效性
       土壤pH值的高低直接影響到各種養(yǎng)分的固定、釋放與淋失。土壤的pH值在6.5左右時，各種營養(yǎng)元素的有效性都較高，并適宜多數作物的生長。在微酸性、中性和堿性土壤中，氮、硫和鉀的有效性高。pH6～7的土壤中磷的有效性最高。當pH﹤5時，因土壤中的活性鐵、鋁增加，易形成磷酸鐵、鋁沉淀，當pH﹥7時，易形成磷酸鈣沉淀，磷的有效性均低。如：pH6.5～7.0時，土壤有效磷為49.6毫克/公斤，當pH＜5.5時，只有6.3毫克/公斤，約為原來的17分之一。在pH6.5～8.5的土壤中鈣和鎂的有效性高，在強酸和強堿性土壤中鈣和鎂的有效性低。在酸性和強酸性土壤中鐵、錳、銅、鋅等微量元素的有效性高，當pH﹥7時，有效性明顯下降，并常出現植物缺鐵和缺錳。強酸性土壤中鉬的有效性低，當pH﹥6時，其有效性增加。硼的有效性在pH6.0～7.0和pH﹥8.5的土壤中有效性高，在強酸性和pH7.0-8.5的土壤中有效性都低。近年來，全州煙葉主產區(qū)連續(xù)出現缺鈣、缺鎂、缺硼的綜合癥狀：葉片萎蔫，主根發(fā)育不良，側根形成黑白相間的毛刷狀根，逐漸死亡。經取樣檢測，pH值平均為4.4，交換性鈣72.5毫克/公斤，活性鎂25.7毫克/公斤，大大低于交換性鈣的臨界點480毫克/公斤，交換性鎂120.0毫克/公斤。
（二）易出現鋁錳鐵離子的毒害
       在強酸性土壤中能出現鋁、錳的脅迫與毒害。在pH﹤5.5的強酸性土壤中，交換性鋁可占陽離子交換量的90%以上，容易產生游離Al3+，當游離Al3+的量達到0.2厘摩爾/公斤時，可使作物受害，大田作物的幼苗特別敏感，形成短粗根系，抑制養(yǎng)分的吸收。施用石灰使土壤的pH升至5.5～6.3時，大部分Al3+會沉淀，毒害消除。土壤酸化后，土壤中含鋁的原生和次生礦物風化加速而釋放大量鋁離子，形成植物可吸收形態(tài)的鋁化合物。植物過量的吸收鋁，不僅會降低作物產品品質，還會對植物體特別是植物根系生長產生極大影響，甚至導致植物中毒死亡。在強酸性的水田里，鋁、鐵、錳都危害水稻的生長，使水稻產生黑根、銹根。土壤酸化還會引起土壤中有毒重金屬元素的活化，不僅影響作物生長，還會通過食物鏈危害人體或動物體的健康。
（三）影響土壤物理性質
      耕地嚴重酸化后，土壤結構被破壞，物理性變差，土壤團粒減少，多形成塊狀或柱狀結構，僵硬板結，“天晴一把刀，下雨一團糟”，甚至土表結皮，影響通氣透水，窒息作物根系，使之生長不良，抗逆性下降，抵御旱、澇自然災害的能力減弱。
（四）滋生眾多病害
       土壤酸化會影響土壤微生物的活動，使土壤有益微生物數量減少，生長和活動受到抑制，從而影響土壤有機質的分解和土壤中C、N、P、S的循環(huán)。而土壤酸化滋生有害真菌，根際病害增加，且控制困難。耕地酸化導致甘藍、白菜等十字花科的根腫病，芹菜、白菜的根腐病，茄果類蔬菜的青枯病、黃萎病，萵苣因缺鈣出現“金鑲邊”等生理病害偏重發(fā)生。近幾年，玉米“打樁”、紋枯病加重，水稻遲發(fā)、僵苗等都與耕地酸化密切相關。對齊躍山高山蔬菜基地進行實地調查，部分甘藍因根腫病危害，導致產量和品質急劇下滑，畝產降到1000公斤以下，白羊塘村、紅光村大部分絕收，不得不改種玉米，經濟價值明顯降低，嚴重傷害農戶的種植積極性。部分農戶自發(fā)施用石灰治理耕地酸化，畝用生石灰200公斤進行改良，畝產已基本恢復到正常產量，甘藍畝產達到4000公斤以上。

 

                                          

                                                               第五節(jié) 酸化耕地土壤的治理措施

       降水（包括酸雨）可以通過植樹造林、覆蓋栽培、坡地溝種（等高線種植）等措施降低雨水沖刷強度、減少水土流失，有效控制耕地酸化進程；為減輕燃煤對酸雨的貢獻，可以對高硫煤進行脫硫處理，降低二氧化硫、三氧化硫等酸性氣體排放，同時加工提煉硫磺；還可以加快沼氣池等替代生活能源的建設力度，逐步減少生活用煤。針對停施石灰、偏施化肥、農家肥不足、重茬和作物收獲等人為活動因素，可以采取下列措施進行控制。

一、施用石灰

       治理耕地酸化的傳統(tǒng)方法是運用石灰或石灰石粉，表土酸度很容易通過施用石灰得到降低，而且土壤耕層交換性Ca2+的濃度也會有所增加。除大量應用石灰外，近十幾年來，人們又發(fā)現了一些礦物和工業(yè)副產物也能起到改良酸性土壤的效果，如白云石、磷石膏、磷礦粉、粉煤灰、碳法濾泥、黃磷礦渣粉等。磷石膏不但可以用來改良鹽堿地，還可以作為一種酸性土壤的心土改良劑。Sumner等提出用磷石膏改良心土的理論，可概括為“自動加石灰效應”，即土壤與硫酸鈣反應后，由于表面的代換性反應而產生堿度。Sposito把“自動加石灰具體化”，其反應為：
Al(OH)3+CaSO4——Al(OH)SO4+Ca(OH)2
Al2SiO3(OH)4+2CaSO4+5H2O——2Al(OH)SO4+2H2SiO4+2Ca(OH)2
       由于以上反應，土壤溶液的pH可以得到提高，代換性Al3+的含量下降。試驗發(fā)現，畝施100公斤熟石灰，玉米和水稻施用石灰增產效果明顯，水稻增產81公斤，增幅達16.07%；玉米增產69公斤，增幅達15.23%。建議pH 5.0 以上的耕地，在秋收后，清除秸桿、雜草，結合冬耕畝撒石灰100公斤，使石灰和土壤混和；pH 4.5左右的耕地，畝撒石灰150公斤。

二、減輕化肥施用量，推廣測土配方施肥技術

       眾多專家認為，化肥施用過量是耕地酸化的主要原因，特別是氮肥、磷肥過量施用，導致土壤養(yǎng)分供求失去平衡，鈣、鎂、鉀等養(yǎng)分被作物大量帶出土壤或被淋失。因此，適當減少氮肥和磷肥用量，補充鉀肥和中微量元素肥料，能促進土壤酸堿平衡。因時因土因作物配方施肥，平衡供應作物需求養(yǎng)分，保持土壤和作物的供求平衡，及時補充作物帶走的各種元素，可使土壤中的鈣、鎂、鉀等離子處于一種相對平衡狀態(tài)，有效控制土壤酸化。2005年以來，全州各級農業(yè)部門大力推廣測土配方施肥技術，已逐步改變了當地農民的施肥習慣。

三、增施有機肥，提升土壤有機質含量，平衡耕地酸堿性

       土壤有機質對土壤pH值有明顯的穩(wěn)定和緩沖作用，土壤有機質含量越高，則土壤酸化程度越輕，并呈現較好的對數關系。說明土壤有機質中的腐殖質有著巨大的比表面和表面能，具有較強的吸附性能和較高的陽離子代換能力，可緩沖土壤溶液中H+濃度變化；另一方面，腐殖酸及其鹽類可構成緩沖體系，使土壤具有較強的緩沖性能，并且其緩沖性大小與土壤有機質含量高低有關。一是實施秸稈還田覆蓋栽培。進行秸稈覆蓋栽培，可減輕雨水對土壤的沖刷，降低鹽基的淋溶，同時歸還作物對土壤養(yǎng)分的消耗，提高土壤鹽基飽和度。秸稈覆蓋畝用干秸稈（或雜草）250公斤，橫向蓋于壟面約一寸厚，也可用山青，蓋約二寸厚。秸稈覆蓋還有調溫保墑，壓草增肥等作用。二是薰制火糞。用田邊地角雜草、作物秸桿薰制大糞，是土家族農耕文化的精髓，也是土家先民平衡土壤酸堿和補充鉀素的重要手段；還有提高地溫，釋放土壤養(yǎng)分，增加土壤滲透率、孔隙度和陽離子代換量，燃燒田間地角雜草和秸稈，降低了病蟲基數等作用。

四、發(fā)展茶葉、蘭花、杜鵑、藍莓等喜酸耐酸作物

      充分利用耕地酸化現狀，在全州進行統(tǒng)一規(guī)劃，合理布局，實施“一村一品”或“一鄉(xiāng)一業(yè)”，發(fā)展特種產業(yè)，既能新興特色產業(yè)，帶來較好的經濟效益，更能因地制宜，降低耕地酸化治理成本。