導(dǎo) 讀
不同人群對(duì)土壤酸化知識(shí)的理解還存在一定的偏差，因而本文針對(duì)土壤酸化的幾個(gè)冷知識(shí)進(jìn)行科普介紹。
文/徐仁扣，時(shí)仁勇
來(lái)源：土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站（2018年6月20日）
近年來(lái)土壤酸化在全國(guó)范圍內(nèi)普遍發(fā)生，引起民眾、政府部門和科研人員的高度關(guān)注。但不同人群對(duì)土壤酸化知識(shí)的理解還存在一定的偏差，因而本文針對(duì)土壤酸化的幾個(gè)冷知識(shí)進(jìn)行科普介紹。
1、土壤中的鹽基陽(yáng)離子不是堿
土壤中的鹽基陽(yáng)離子指正二價(jià)的鈣和鎂及正一價(jià)的鉀和鈉（Ca2+、Mg2+、K+、Na+），它們大部分通過(guò)靜電吸引作用吸附于土壤固相表面，這也使得帶負(fù)電荷的土壤表面保持電中性狀態(tài)，這部分鹽基陽(yáng)離子稱為交換性鹽基陽(yáng)離子。小部分鹽基陽(yáng)離子存在于土壤溶液中，使鹽基陽(yáng)離子在固/液之間保持吸附與解吸平衡。多雨條件下，土壤溶液中的鹽基陽(yáng)離子會(huì)隨地表徑流流失或沿土壤剖面向下遷移進(jìn)入地下水。這一過(guò)程打破了鹽基陽(yáng)離子在固/液相之間的吸附-解吸平衡，原先吸附在土壤固相表面的部分交換性鹽基陽(yáng)離子釋放到土壤溶液中，空缺的吸附位（也叫陽(yáng)離子交換位）被氫離子（H+）占據(jù)，產(chǎn)生交換性H+，土壤發(fā)生酸化（圖1）。因此，有人認(rèn)為鹽基陽(yáng)離子是“堿”，土壤中這部分堿性物質(zhì)的淋失導(dǎo)致了土壤酸化。這種認(rèn)識(shí)是不正確的。
圖1：土壤中交換性鹽基陽(yáng)離子淋失和交換性H+的產(chǎn)生過(guò)程示意圖
按照廣義酸堿理論（也稱為路易斯(Lewis)酸堿理論），包括鹽基陽(yáng)離子在內(nèi)的所有陽(yáng)離子都是酸，只不過(guò)鹽基陽(yáng)離子是非常弱的酸。常見(jiàn)的陽(yáng)離子如Al3+、Fe3+、NH4+及重金屬陽(yáng)離子呈明顯的酸性。為了進(jìn)一步理解鹽基陽(yáng)離子的酸堿性，我們舉例來(lái)說(shuō)明。氫氧化鈉（NaOH）和氫氧化鉀（KOH）是常見(jiàn)的強(qiáng)堿，它們?nèi)芙庠谒型耆x解為氫氧根（OH-）、K+和Na+。當(dāng)發(fā)生酸堿中和反應(yīng)時(shí)，OH-與H+結(jié)合形成H2O。如果K+和Na+是堿，那么H+應(yīng)該與K+和Na+發(fā)生中和反應(yīng)，那OH-干什么呢？很顯然，在這2種強(qiáng)堿中，OH-是堿，K+和Na+是與堿配對(duì)的陽(yáng)離子。 鹽基陽(yáng)離子的英文單詞是Base cations，這是導(dǎo)致部分人產(chǎn)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的原因。但這個(gè)英文詞組不應(yīng)該翻譯為堿性陽(yáng)離子，而應(yīng)該理解為堿基陽(yáng)離子，意思是與堿配對(duì)的陽(yáng)離子。
2、土壤中的酸主要以活性鋁的形態(tài)存在于固相部分
當(dāng)外源H+進(jìn)入土壤，如果土壤固相含碳酸鹽，H+將優(yōu)先與碳酸鹽反應(yīng)而消耗掉，土壤pH下降會(huì)很慢；但如果H+進(jìn)入酸性土壤，H+將與土壤交換性鹽基陽(yáng)離子發(fā)生離子交換反應(yīng)，釋放部分交換性鹽基陽(yáng)離子到土壤溶液中，同時(shí)產(chǎn)生交換性H+。由于H+的反應(yīng)活性很高，交換性H+不穩(wěn)定，這部分H+的大部分會(huì)與土壤粘土礦物反應(yīng)，釋放土壤鋁硅酸鹽礦物結(jié)構(gòu)中的鋁，并產(chǎn)生交換性Al3+。交換性鋁與交換性H+的總和為交換性酸，當(dāng)達(dá)到反應(yīng)平衡時(shí)，土壤的交換性酸主要以交換性鋁存在（圖2）。在有機(jī)質(zhì)含量很低的強(qiáng)酸性礦質(zhì)土壤中，交換性鋁占交換性酸的比例達(dá)95%以上。因此，土壤發(fā)生酸化后土壤中的絕大部分酸以交換性鋁的形態(tài)存在于土壤固相部分，僅有一小部分酸存在于土壤溶液中。前者稱為土壤潛性酸度，后者稱為活性酸度。
土壤酸度通常用土壤pH來(lái)表示，土壤pH一般用pH電極測(cè)定，它的數(shù)值為土壤溶液中H+活度的負(fù)對(duì)數(shù)值，因此土壤pH變化1個(gè)單位，H+活度變化10倍。土壤潛性酸度與活性酸度之間保持平衡關(guān)系，主要通過(guò)少量交換性鋁的釋放、溶液中Al3+的水解與H+的產(chǎn)生為紐帶（圖2）。雖然土壤pH表示土壤活性酸度，它仍可反映土壤酸性的強(qiáng)弱程度，但不能表示土壤酸的數(shù)量。
土壤酸化后大量酸累積在土壤固相部分，中和這部分酸比中和溶液中的活性酸所需石灰等堿性物質(zhì)的數(shù)量要多得多。而且潛性酸主要以交換性鋁存在，它與堿的反應(yīng)速度比H+慢得多。因此，土壤酸化后其改良難度很大，保護(hù)土壤，阻控酸化是我們的重要職責(zé)。
圖2：交換性H+轉(zhuǎn)化為交換性鋁及交換性鋁釋放、水解和產(chǎn)H+的過(guò)程示意圖
3、銨態(tài)氮肥即使全部被植物吸收也會(huì)酸化土壤
人為活動(dòng)加速土壤酸化的致酸源主要有2個(gè)方面：酸沉降和不當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施。酸沉降的影響比較容易理解，它將酸直接輸入土壤中。農(nóng)業(yè)措施中施用銨態(tài)氮肥是加速土壤酸化的主要原因。銨態(tài)氮肥對(duì)土壤酸化影響的大小涉及銨態(tài)氮的硝化反應(yīng)、作物對(duì)氮素的吸收以及氮的淋溶損失等幾個(gè)方面。先以硝酸銨（NH4NO3）為例說(shuō)明作物吸收的影響，如果施入土壤中的NH4NO3全部被作物吸收利用，它對(duì)土壤酸化沒(méi)有影響。但大多數(shù)植物對(duì)陽(yáng)離子的吸收量多于陰離子，如果植物吸收的銨離子（NH4+）多于硝酸根（NO3-），植物為了維持體內(nèi)的電荷平衡，會(huì)通過(guò)根系釋放H+到土壤中，酸化土壤。由于硝酸銨是受管制的化學(xué)品，目前常用的氮肥是尿素、硫酸銨和氯化銨。尿素在土壤中還涉及水解反應(yīng)，本文不作討論。由于作物對(duì)硫酸根和氯離子的吸收量低于硝酸根，因此單從作物吸收角度，這2種氮肥施用后對(duì)土壤的酸化作用也大于硝酸銨。
事實(shí)上銨態(tài)氮肥施入土壤后會(huì)很快發(fā)生硝化反應(yīng)，其方程式為：NH4+ + 2O2 = 2H+ + NO3- + H2O?？梢钥闯?，1份銨離子經(jīng)硝化反應(yīng)產(chǎn)生1份硝酸根和2份H+，如果硝化產(chǎn)生的硝酸根全部被植物吸收，植物根系會(huì)釋放等比例的OH-，中和掉1半的H+，另一半H+留在土壤中。但如果硝化產(chǎn)生的硝酸根隨降雨淋失掉，那么2份H+均留在土壤中，酸化土壤。正如上文所說(shuō)，H+的反應(yīng)活性高，一旦產(chǎn)生會(huì)很快與土壤發(fā)生反應(yīng)，它隨降雨的淋失很少。而硝酸根為陰離子，帶負(fù)電荷的土壤表面對(duì)其的靜電排斥作用使它很容易從土壤中淋失。
圖3：植物對(duì)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收、硝化反應(yīng)、硝態(tài)氮淋失與土壤酸化關(guān)系示意圖
根據(jù)上述分析，施用銨態(tài)氮肥將不可避免地引起土壤酸化，但采取合理的管理措施，適當(dāng)降低化學(xué)氮肥的施用量，提高氮肥的利用率，減少氮肥的淋溶損失，可以將其對(duì)土壤酸化的影響降至最小程度。
土壤酸化會(huì)對(duì)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害，但這種危害只有在酸化達(dá)到一定程度時(shí)才會(huì)表現(xiàn)出來(lái)。一般，將土壤pH維持在5.5以上的弱酸性條件不僅不會(huì)對(duì)大多數(shù)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響，還可保持土壤中的微量營(yíng)養(yǎng)元素（金屬）具有較高的活性和生物有效性。因此，通過(guò)合適的施肥和田間管理措施，將土壤的酸堿度維持在合適的水平對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)都至關(guān)重要。
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