土壤酸化及其治理

      恩施州地处武陵山区腹地、湖北省西南部，东接宜昌市，北壤神龙架林区，西邻重庆市万州区、黔江区，南连湖南省湘西州，属我国地形第二阶梯东缘，平均海拔1000米，最高海拔3023米，最低海拔66.8米，地形总体格局呈西北、东南两翼高，切割破碎，中部局部为断陷盆地，具有典型山地地貌特征。气候属中亚热带季风型山地湿润气候，因山峦起伏、沟壑幽深，海拔高度不同，气候差异明显，既具有南方地区温暖潮湿的气候特点，辽阔的高山地区又兼有北方寒冷的部分特征。境内硒资源广为分布，被誉为“世界硒都”。粮食作物以水稻、玉米、马铃薯为主，经济作物以蔬菜、茶叶、水果、烟叶、药材驰名，素有“华中药库”、“烟草王国”、“鄂西林海”的美誉。由于地形复杂，地貌类型多样，带来了光、热、水、土和生物等资源的明显差异，农业自然资源丰富多样，适宜农、林、牧、特全面发展。
      全州国土面积2.4平方公里，2012年初耕地总面积313.98千公顷。辖恩施、利川两个县级市和巴东、来凤、咸丰、建始、鹤峰、宣恩6个县，88个乡、镇、街道办事处，2627个村、居民委员会，总人口401.16万人，其中农业人口342.6万人。人均耕地 0.078公顷，折合1.17 亩。
2012年，州委一号文件提出 “启动实施土壤酸化治理工程”；州人民政府相应出台了《关于加强耕地土壤酸化治理工作的意见》，提出了用8年（2012－2020）左右的时间，完成全州240千公顷酸化土壤的治理，力争到2020年全州耕地土壤pH基本恢复正常水平的目标任务和具体措施。

                                                                  第一节 土壤酸性

      在自然条件下，土壤的酸碱性主要受土壤盐基饱和度的支配，而土壤淋溶和复盐基过程的相对强度决定土壤的盐基状况。所以，土壤酸碱性实际上是由母质、生物、气候以及人为作用等多种因子控制的。

一、土壤酸性的形成
      土壤酸化过程始于土壤溶液中活性H+，土壤溶液中H+和土壤胶体上被吸附的盐基离子交换，盐基离子进入溶液，然后遭雨水的淋失，使土壤胶体上交换性H+不断增加，并随之出现交换性铝，形成酸性土壤。
（一）土壤中H+主要来源
      在多雨的自然条件下，降水量大大超过蒸发量，土壤及其母质的淋溶作用非常强烈，土壤溶液中的盐基离子易随渗滤水向下移动，使土壤中易溶性成分减少。这时土壤溶液中H+取代土壤吸收性复合体上的金属离子，被土壤所吸附，使土壤盐基饱和度下降、氢饱和度增加，引起土壤酸化。在交换过程中土壤溶液中H+可以由下述途径补给。
         1、水解离出H+
      虽然水的解离度很小，但是，由于土壤胶体能吸附从水中解离出来的H+，促进了水分子的不断解离。
H2O H++OH-
         2、碳酸解离出H+
      土壤中的碳酸主要由CO2溶解于水生成，CO2则是由根系和微生物的呼吸以及有机质的分解产生的，所以，土壤活性酸在植物根际要强一些。
H2CO3 H++HCO3-
          3、有机酸解离出H+
      在通气性不良时，土壤中各种有机物分解的中间产物都能形成多种低分子有机酸，例如，草酸、柠檬酸等都能解离出H+。胡敏酸和富里酸在一定的土壤pH范围内也能解离出H+。
有机酸 H++R-CO3-
          4、酸雨
       酸雨是指pH﹤5.6的雨、雪或其它酸性沉降物，当排入大气中二氧化碳、氮的氧化物浓度增高到一定程度，如一很大的工矿区长期排放未经处理的废气，使雨水的酸度增大，便形成酸雨。酸雨降到地面得不到中和，就会使土壤酸化，使农作物受害。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、细菌和放线菌均会受到酸雨的抑制。酸雨还可以使森林的病虫害明显增加。酸雨对土壤会产生如下一些危害：一是提高土壤的酸度和湿度，放出更多的CH4，导致温室效应的加剧；二是土壤中原有的有机铝转化成游离的活性铝，破坏植被的根系；三是限制土壤中有机物的分解和氮的固定，淋洗出与土壤团粒结合的K、Na、Ca、Mg 等营养成分，使土壤贫瘠化；四是促使土壤有些元素的活化，特别是某些有毒性的金属元素，使得土壤成为有毒性的环境介质，进而影响植物的生长；五是降低土壤酶活性，从而影响土壤养分特别是有机态养分的转化与循环。
      随着工业的快速发展，目前全球已形成三大酸雨重灾区：以德、法、英等国为中心，波及大半个欧洲的西欧酸雨区；包括美国和加拿大在内的北美酸雨区；覆盖我国青藏高原以东、长江干流以南的东南亚酸雨区。我国随着经济的迅速发展，酸雨有不断蔓延和加重的趋势。其分布存在明显的区域性差异，降水酸度年均pH﹤5.6的地区主要分布在长江以南，并由北向南逐渐加重，西南地区最为严重。在四川、贵州和广西的一些地方，降水年平均pH﹤5.0，是目前我国酸雨污染最严重的地区。近年来东南沿海地区酸雨污染趋于严重，以南京、上海、杭州、福州和厦门为代表的地区也逐渐成为我国的主要酸雨区。同时华北的京津、东北的一些地区也开始频繁出现酸性降水。
国内外已开展了大量的酸雨沉降和土壤酸化方面的研究工作，这些工作主要集中在酸雨监测与成因、酸雨生态危害、土壤淋滤模拟实验等方面。针对酸雨沉降对土壤酸化的影响问题，前人进行了大量的土壤中盐基离子和铝、镉等有害元素的酸雨淋滤模拟实验。结果表明，土壤pH值愈高，土壤酸化受酸雨的影响愈小，酸雨的pH值愈低，对土壤酸化的影响愈大。长期的酸雨淋洗会导致土壤养分库的损耗，直至盐基离子彻底淋失。 
      大气中漂浮的pH﹤5.6的酸性化学物质可以通过气体扩散和降雨进入土壤，使土壤酸化。目前，酸雨已经成为土壤中H+的重要来源之一，因为全球大量的燃煤、燃气和冶矿等工业化过程，向大气排放越来越多的SO2和NOx等酸性气体。
         5、其它无机酸 
      土壤中也常存在一些无机酸，它们常常由施用酸性或生理酸性肥料引起，例如，将(NH4)2SO4、KCl和NH4Cl施入土壤后，植物吸收NH4+和K+阳离子较多而留下了酸根离子。由于硝化细菌的活动也可产生硝酸。
（二）土壤中铝的活化
       土壤溶液中的H+能不断地代换出土壤胶体上吸附的盐基离子，盐基离子进入土壤，然后不断遭到雨水的淋失。当土壤硅铝酸盐粘土矿物表面吸附的H+超过一定程度时，能破坏胶体的晶格结构，使一部分铝八面体解体，其中的铝变为活性Al3+，被吸附在带负电荷的粘粒表面，成为交换性Al3+，Al3+进入土壤溶液可以水解产生大量的H+，使土壤显酸性。据我国红壤的一些试验，新制备的氢质粘土，经过0.5小时后，交换性酸中有52%～58%转变为铝离子，6小时后，交换铝离子增加到72%～98%，即矿物晶面负电荷相结合的氢离子迅速地被晶格中的铝离子交换。

二、土壤酸性指标

      土壤酸性的程度由土壤中H+和A13+的浓度反映。按土壤中H+存在的形态不同，一般将土壤的酸度分为两类，即活性酸和潜性酸，又将潜性酸分为水解酸和交换性酸。为了方便讨论土壤中活性酸和潜性酸之间的关系，2001年李学垣将传统储备酸（潜性酸）：交换酸和水解酸重新划分为交换性酸和非交换性酸。这种划分方式不仅便于讨论活性酸与储备酸的动态平衡，更有利于对土壤酸化现状的表达。
       土壤酸化主要指土壤中H+和A13+数量增加，导致土壤阳离子库耗竭。酸化的过程是一套复杂过程的组合，对土壤酸化的表示主要可用强度因子和容量因子两个概念来表示。
      土壤酸化的强度因子是指某时刻土壤溶液中H+浓度、Al3+浓度或两者之和，即pH、pAl或pH+pAl都是表征土壤酸化的良好强度指标（Ress等，1986）。根据其用各种碱滴定时的pH变化，判断土壤的酸度性质，从土壤的滴定曲线上区分出极限pH、半中和点pH和中和点pH三个临界点pH。但由于土壤具有缓冲性能，因而并不是土壤内部产生和外部输出的H+都能引起土壤pH值的改变，即并不是所有的土壤酸化都能在pH值上反映出来，从电荷平衡原理出发，增加土壤中负电荷数量也能导致土壤趋于酸化，所以用土壤本身的pH作为强度指标存在一定的缺陷性。
土壤中钙是主要的交换性金属离子，对于一种给定的土壤，酸性强度的变异主要是反映了其交换性质子与钙离子相对比例的变异，两者的数量一般是向相反的方向变化。石灰位以数学表达式pH-0.5pCa既反映了H+的状况，又反映了钙离子的状况，比单独的pH或pCa值更全面地反映土壤的酸性状况。
       土壤酸化的本质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义土壤酸化为土壤无机组分酸中和容量(ANC)的下降。ANC被定义为碱性组分减去强酸组分的差。
ANCm=Bm—Am
       其中B为碱性组分（阳离子），A为强酸性组分（强酸阴离子），m为矿质土壤。这种对土壤酸化表达的不足之处在于未包含有机质的影响。有机质作为土壤的组成部分，其表面的官能团（-COO-）吸附的盐基离子与氢质子发生交换反应，也对ANC有贡献，特别是N和S在有机物中的积累会增加强酸组分的含量，从而降低ANC。
       1987年W．Devries等提出用酸中和容量（ANC）和碱中和容量（BNC）来分别反映土壤实际酸化和潜在酸化。
ANCs=Bs+Bo
BNCs=As+Ao
       B为强碱和弱碱组分，A为强酸和弱酸组分，s为固相（即土壤）和液相，O为有机组分。
土壤实际酸化被定义为ANCs的减小，通过阳离子的迁移反映，最主要的酸化过程是元素的淋溶；潜在酸化被定义为BNCs的增加，通过阴离子的保持（如土壤吸附SO42-）来反映。这种方法不仅费时多，而且所得结果仅代表理论上的最终结果，实际意义并不大。

三、影响土壤酸碱性的因素

       在一定历史时期内，某一地区土壤的酸碱性主要是受各种成土因素综合影响的结果，包括气候、母质、生物、地形、时间等。气候起主导作用，南方高温多雨，土壤盐基淋失重而呈酸性；北方干旱，土壤由于富集盐基而呈碱性。母质含盐基的多少，关系到淋溶后剩余盐基的数量。例如，由于石灰性土壤含有大量钙，其向酸性发展的速度很慢。生物，特别是植物，既起到降低淋溶强度的作用，也由于植物含盐基的多少而影响土壤复盐基的程度，从而影响土壤酸碱性的发展进程。地形通过改变水、热再分配而影响到土壤的淋溶强度。一般来说，山上或高处的土壤比山下或低处的土壤要偏酸一些。当其它条件比较稳定时，成土时间越长，土壤向酸或碱的发展越深。
在较短时间内，能影响土壤酸碱性发生明显变化的具体因素主要有盐基饱和度、空气中CO2的分压、土壤含水量、土壤氧化还原条件等方面。
（一）盐基饱和度
       在一定范围内，土壤的pH值随盐基饱和度增加而增加，其关系大体如下表。
表1.1 土壤pH与盐基饱和度的关系表
盐基饱和度（%） ﹤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）空气中CO2的分压
       石灰性土壤和以吸附性钙占优势的土壤pH值受土壤空气中的CO2的分压影响，定量关系为下式。
2pH=K+pCa2++pCO2分压，K=p(Ka+Ks)
其中K为常数，Ka为碳酸的解离常数，Ks为碳酸钙的解离常数。CO2的分压越大，土壤的pH也越大，通常土壤空气中CO2的含量在0.03%～10%之间，影响到石灰性土壤的pH值在6.8～8.5之间，所以，用石灰改良酸性土是比较安全的。
（三）土壤含水量
       土壤的pH一般随土壤含水量的增加呈升高趋势，酸性土壤尤其明显。在测定土壤的pH时应固定水土比。
（四）土壤氧化还原条件
淹水或施有机肥能加重土壤的还原条件，使酸性土的pH升高，却使碱性土的pH降低。其原因是：当酸性土还原条件加强时，铁和锰被还原为低价铁、锰，而低价铁、锰的碳酸盐溶解度大，并呈碱性，因而使土壤pH升高；在还原条件加重的碱性土中，有机质分解不彻底而形成有机酸，碳酸也增加，结果使土壤的pH下降。所以，酸性或碱性土壤淹水种稻后，都趋于中性。
       同时由于人类活动的影响，在相当大的程度上加快了土壤酸化的进程。农业耕作系统与自然系统相比，前者土壤的酸化速率更快。在一个没有遭受工业污染的地区，土壤的酸化主要由C、N、S在土壤——植物——动物系统循环时产生的质子H所造成；而自然生态系统中C、N、S在土壤——植物——动物系统循环中是趋于平衡的。正是由于人类活动对农业系统进行不断地干预，不断地向土壤施用氮肥等造成了土壤酸化速率加快。原始生态系统土壤的酸化速率仅为0.7kmolH+•ha-1•year-1，因施用铵态氮后农业生产系统中土壤的酸化速率高达40 kmolH+•ha-1•year-1；由于每年平均施用铵态氮约508kgN• ha-1•year-1，澳大利亚香蕉地土壤的酸化速率约28～40 kmolH+•ha-1•year-1；而实验证明，每公顷施用80kg铵态氮肥已可以加快土壤酸化进程。

                                                第二节 恩施州耕地土壤酸化现状

       中国农业大学土壤专家张福锁和他的同事将上世纪80年代全国土壤普查的结果与过去十年进行的调查结果进行对比，中国几乎所有土壤类型的pH值下降了0.13至0.80个单位，即使是抗酸化的土壤类型，也显示其pH值下降，并在《科学》网站上公开了这一结果。张教授认为，象这种幅度的下降，“通常需要经历数万年”。

一、土壤酸碱性划分

       在pH分级方面，因研究目的不同，各国的分级标准不完全一致。我国比较流行的分级标准主要有《中国土壤》和《中国土地资源网》的论述。
       《中国土壤》一书将我国土壤的酸碱度分为五级，即强酸性、酸性、中性、碱性、强碱性（表1.2）。中国土地资源网上的土壤酸碱度等级划分标准将其分为七级（表1.3）。
表1.2 《中国土壤》土壤酸碱度五级划分标准
反应强度 强酸性 酸性 中性 碱性 强碱性
pH范围 ﹤5.0 5.0～6.5 6.5～7.5 7.5～8.5 ﹥8.5
表1.3 土地资源网土壤酸碱度七级划分标准
反应强度 酸性极强 强酸性 酸性 中性 碱性 强碱性 碱性极强
pH范围 ﹤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况

       近年来，受施肥习惯、气候、环境等多种因素影响，全州耕地土壤酸化日益加重，耕地质量明显下降，严重制约了我州农产品产量和品质的提升。根据测土配方施肥土壤样品的化验结果，按照土地资源网七级划分标准，全州耕地土壤pH小于5.5的酸化面积已达到240千公顷，占耕地总面积的76.4%。其中，pH小于4.5极强酸性土壤面积达72千公顷，占耕地总面积的22.93%；pH 4.5～5.5之间的强酸性土壤面积达168千公顷，占耕地总面积的53.50%；pH5.5～7.5之间，宜于大多数农作物生长的酸性与中性耕地面积为74千公顷，仅占耕地总面积的23.56%，pH大于7.5的碱性土壤在全州已基本消失，酸化现象十分严重。

三、土壤酸碱度变化情况

       以利川市为例，第二次土壤普查（1982年）结果表明：经对利川市14777个耕地地块样检测结果统计，全市土壤pH均值6.5，最高值8.7，最低值4.2，极差4.5；pH﹤5.0的过酸耕地占10.55%（包括黄壤的大部分和部分黄棕壤），5.0～5.5的耕地占14.38%（包括部分黄壤和黄棕壤及部分水稻土），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的过碱耕地占0.29%，pH﹥7.5的多为石灰土、灰潮土、灰紫色土等。总的趋势是，大部分土壤呈酸性或微酸性反应（表1.4）。
表1.4 利川市1982年、2006年pH统计结果比较表
样品数 均值 最高值 最低值 极差
1982年 14777个 6.5 8.7 4.2 4.5
2006年 2045个 5.12 7.63 2.85 4.78
下降 1.38 1.07 1.35 -0.28
       经对2006年采集的2045个土样的pH结果统计分析，利川耕地酸化相当严重。全市土壤的pH平均值为5.12，比第二次土壤普查下降1.38个pH单位，处于强酸性水平；最大值7.63，最小值2.85，极差4.78。pH＞7.5的碱性土壤已逐步消失，仅占0.45%；仅22.72%的耕地呈中性；pH＜6.5的占76.83%；58.88% 的耕地呈强酸性至极强酸性；特别是pH＜4.5的极强酸性耕地达33.23%。

                                                   第三节 耕地土壤酸化的成因

 

       土壤酸化过程本是个自然发生过程，但由于人为活动而被加剧。在远离工业发展较快的农业生产系统中，促进土壤酸化的主要因素在于C、N元素的自然循环被打破，其主要过程与酸性肥料的施用，N的硝化作用，N03-的淋失，有机质的矿化，植物根系吸收的阳离子多余阴离子而释放出过多的H+等物理生物化学反应相关。作为碳循环的一部分，农产品的收获物从地上移走（包括籽粒和秸秆）也能导致土壤发生酸化。植物在生长过程中，体内累积有机阴离子（碱），当作物从土壤上移走时，这些碱性物质也随之带走，为了维持土壤——植物体系的离子平衡，植物根系向土壤释放出H+，致使土壤发生酸化。然而，在某些农业生产系统中，农产品收割的致酸效应已经成为引起土壤pH降低的重要影响因素。

一、降水对土壤pH的影响

（一）强降雨导致土壤酸化
       在多雨条件下，土壤中的盐基离子向下淋溶，氢离子代替盐基离子被土壤吸附，并进一步转化为铝质土壤。如果从土壤中溶脱的盐基超过补给量，土壤就逐渐向盐基不饱和的酸性土壤方向变化。
恩施州属于全国降水较多地区，根据气象资料记载，年降水量在1000－1900毫米之间，平均1530毫米左右，且相对集中在4～10月七个月，而4～10月的气温相对也较高，皆高于全年平均气温，加剧了降水淋溶作用。境内喀斯特地貌相当发育，天坑、地逢、溶洞、石林等随处可见，亚洲第一洞——腾龙洞就是喀斯特地貌的典型代表。喀斯特地貌是具有溶蚀力的水对可溶性岩石进行溶蚀等作用所形成的地表和地下形态的总称，又称岩溶地貌。除溶蚀作用以外，还包括流水的冲蚀、潜蚀，以及坍陷等机械侵蚀过程。大量降水和可溶性岩石（主要是石灰岩）的存在是形成喀斯特地形的两个必要条件。
（二）降水影响了盐基离子
       以利川市为例，盐基离子的代表K+在第二次土壤普查时含量较高，速效钾平均值136.4毫克/公斤，小于50毫克/公斤的面积不到3%，多为黄壤和第四纪粘土沉积物发育的土壤；50～100毫克/公斤的多为河流冲积物、石英砂岩坡积物发育的土壤和黄壤土类的部分土种，占耕地面积的33%；64%的耕地速效钾大于100毫克/公斤。经过近30年的降水淋溶（当然还包括其它因素影响），均值降低18.7%，小于100毫克/公斤的面积由36%增加到48.99%（表1.5）。
表1.5 利川市1982年、2006年耕地速效钾比较表 单位：mg/kg
均值 变幅 ≤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）酸雨导致土壤酸化
       对恩施州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次降水的采样检测，pH结果在4.27～6.98之间，平均为5.54，pH＜5.6的6次，占54.55%。恩施州与重庆市万州区相邻，两个行政区首府的直线距离约100公里，两者同属于中亚热带湿润区气候，在气候上的相似程度较大。这与祝和权等研究报道的“万州地区是我国重要的酸雨区，酸雨pH值一般在4左右——最低值达3.68，酸雨频率约占70﹪”有相同的趋势。
       对利川市第二次土壤普查（1982年）到2006年非耕地与耕地pH的变化情况比较发现（表1.6），强降水和酸雨对耕地酸化的影响很大，大于人为因素对耕地酸化的影响。第二次土壤普查非耕地pH平均值6.15，变幅为：4.3～8.2；目前的非耕地pH平均值为5.28，变幅为4.18～6.76。与1982年相比较，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，变幅为4.2～8.7；目前的pH值为5.12，变幅为3.08～7.65。与1982年相比较，耕地的土壤pH值下降了21.23%。比较两个不同的类型，非耕地的pH下降了0.87，耕地下降了1.38。同时期的非耕地pH变化可以视为雨水等自然因素的变化，而把同时期的耕地土壤pH变化看作雨水等自然因素与人为因素的叠加，就可以发现，雨水等自然因素在整个酸化过程中所占的比重大于人为因素。
表1.6 利川市耕地与非耕地pH纵向变化比较表
       耕地pH均值 耕地pH变幅 非耕地pH均值 非耕地pH变幅
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
纵向比± -1.38 -0.87

二、停施石灰对土壤pH的影响

（一）石灰的作用
       耕地施用石灰主要有四种作用，一是中和土壤酸性，消除毒害；二是增加土壤有效养分，补充钙营养，调节土壤反应，促进有益微生物活动，从而加速有机物质的分解及养分的释放；三是改善土壤物理性状，促进土壤胶体凝聚，有利于土壤团粒结构的形成，从而增强土壤保水、保肥性能；四是土壤消毒，杀灭地下害虫和土传病害，还能消灭杂草。
       土壤酸度通常可以施用石灰或石灰石粉来调节。以Ca2+代替土壤胶体上吸附的交换性H+和Al3+，提高土壤的盐基饱和度。石灰分为生石灰（CaO）和熟石灰（Ca(OH)2），具有很强的中和能力，但后效较短。石灰石粉是把石灰石磨细为不同大小颗粒，直接用作改土材料，它对土壤酸性的中和作用较缓慢，但后效较长。
石灰施入土壤的化学反应有与CO2作用和土壤胶体上吸附性铝产生交换作用。在土壤空气中，因为CO2的浓度往往比大气中的CO2大几十倍甚至几百倍，CO2溶于水生成碳酸与石灰或石灰石粉起反应。
CO2+H2O→H2CO3
Ca(OH)2+ 2H2CO3→Ca(HCO3)2+2H2O
CaCO3+ H2CO3→Ca(HCO3)2
       石灰与酸性土壤胶体的作用，胶体上的H+、Al3+被Ca2+（Mg2+）所交换。


（二）影响石灰用量的因素
       土壤潜性酸和pH、有机质含量、盐基饱和度、土壤质地等土壤性质；作物对酸碱度的适应性；石灰的种类和施用方法等都对石灰用量有影响。
       土壤pH与盐基饱和度间存在着明显的相关性，对pH为5～6的温湿地区矿质土壤，pH变动0.10单位，其盐基饱和度一般相应变动5%左右，假设pH5.5时的盐基饱和度为50%，施用石灰，pH升到6时，土壤盐基饱和度约升至75%。土壤有机质和质地能指示土壤交换量和缓冲能力大小，土壤缓冲能力愈大，改变单位pH所需的石灰用量愈多。
酸性土壤石灰需要量可通过交换性酸量或水解性酸量进行大致估算。还可根据土壤的阳离子交换量及盐基饱和度、土壤潜性酸量等进行估算求得。依据阳离子交换量和盐基饱和度计算式为：
       石灰需要量（kg/ha）=土壤体积×容重×阳离子交换量×（1-盐基饱和度）
（三）停施石灰主要原因
       恩施州第二次土壤普查时发现耕地长期大量施用石灰出现次灰化现象，多年连续施用石灰，使土壤由无石灰反应到有石灰反应或石灰反应强烈，称为“次生石灰反应”，在第二次土壤普查时将其专门划为一个土种。据恩施州第二次土壤普资料，全州水田次灰化面积达到3.0%，旱地达到8.2%，故在上世纪八十年代中期停止施用石灰。
在上世纪八十年代初期以前，恩施州一直有撒施石灰的习惯，石灰年平均用量在750－1500公斤/公顷之间，当时各乡镇皆有大小不等的石灰窑3～5家，施石灰与现在施化肥一样，是农民的一种习惯。
随着耕地停施石灰和建筑材料的不断变革，石灰很快退出历史舞台，现全州年产量不足10000吨，且皆处边远偏僻之地，无相关管理部门的审批手续，少为人知。这与政府管理部门对矿产资源开发资质要求高、审批严格有关。

三、化肥偏施加速土壤酸化

       恩施州2009-2012年化肥投入量见表1.7。全州化肥年投入总量（折纯）由2009年的240174吨增加到2009年的291554吨，4年间化肥折纯量净增51380吨，增幅达21.39%，年增长5.35%。其中氮肥净增17268吨，增幅14.59%，年增长3.65%；磷肥净增13473吨，增幅38.09%，年增长9.52%；钾肥净增6758吨，增幅34.04%，年增长8.51%；复合肥净增13881吨，增幅20.85%，年增长5.21%；每公顷使用纯量净增147.87公斤，增幅19.08%，年增长4.77%。
表1.7 恩施州2009-2012化肥折纯量投入表
年 份 2009年 2010年 2011年 2012年
氮肥（吨） 118378 118486 137244 135646
磷肥（吨） 35368 36495 42005 48841
钾肥（吨） 19852 22836 21831 26610
复合肥（吨） 66576 72950 77092 80457
总量（吨） 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，化肥总用量为291554吨，其中氮肥135646吨、磷肥48841吨、钾肥26610吨、复合肥80457吨，分别占化肥总量的46.53%、16.75%、9.13%和27.60%，农业化肥使用量纯量平均达922.90公斤/公顷，已经超过发达国家为防止化肥对土壤和水体造成危害而设置的225公斤/公顷安全上限4倍有余。从施用结构来看，单位面积氮磷钾投入折纯量之比约为3:2:1，而多数作物的需肥比例大致大致2:1:3，化肥投入氮磷钾比例严重失调，有利于耕地向酸性方向发展。
       在化肥施用中，大量施用酸性肥料促进土壤酸化。过磷酸钙因含少量游离酸，属酸性肥料，2012年全州的总投入量超过35万吨，平均每公顷投入1107.9公斤，局部地块用量达到3000公斤/公顷。硫酸铵、氯化铵等是典型的生理酸性肥料，全州用量极少。然而复合肥（复混肥）用量增长较快，其原材料多由过磷酸钙、氯化钾、硫酸铵等酸性或生理酸性肥料配制而成，施入土壤中后N、P、K等主要营养元素被作物吸收，SO42-、Cl-等酸根离子残留土中，促使了土壤酸化。
       中性或碱性肥料亦可促进土壤酸化。尿素是典型的中性氮肥，施入土壤后，呈分子态溶入土壤溶液中，而后在脲酶的作用下全部转化为碳酸铵，碳酸铵水解产生铵离子和碳酸根离子，前者被作物吸收利用，或变成氨气挥发到大气中，还可能在硝化细菌的作用下被转化成硝酸根，遗留在土壤中，若大量施用，就会提高土壤的酸度。碳酸氢铵是典型的碱性氮肥，施入土壤后，在土壤水溶液中被分解为铵离子和碳酸氢根，前者可被作物吸收利用，如果大量施用，也常因土壤通气条件好，碳源丰富，硝化作用强，而被氧化成亚硝酸根或硝酸根离子，遗留在土壤中，从而使土壤逐步酸化。
       中国农业大学的张福锁教授的研究表明：30年来，中国过度施用化肥是导致耕地酸化的罪魁祸首。中国占全球7%的耕地，消耗着全球35%的氮肥，直接导致中国高达90%的农田土壤发生不同程度的酸化。

四、有机肥用量滑坡促进土壤酸化

       恩施州有机肥资源丰富，种类主要有人畜粪尿、厩肥、土杂肥，还有少量堆肥和沤肥。对农户施用农家肥的情况调查（表1.8）。耕地农家肥用量30年减少近80%，旱地更为严重，已不足1980年的15%，离农户住宅较远的耕地基本上已多年未施农家肥。
表1.8 农家肥用量纵向比较表 单位：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、见效快，省工省力，倍受农民群众偏爱；加之近十年来，我国打工经济的迅猛发展，农村劳动力大量外出，丰富的农家肥资源因劳动力严重不足而弃置，农家肥的用量严重下滑，使土壤有机质含量下降，缓冲能力降低，加剧了土壤酸化。

五、土壤有机质下降影响了酸碱平衡

       土壤有机质对pH值有明显的稳定和缓冲作用，土壤有机质含量越高，则土壤酸化程度越轻，并呈现较好的对数关系。说明土壤有机质中的腐殖质有着巨大的比表面和表面能，具有较强的吸附性能和较高的阳离子代换能力，可缓冲土壤溶液中H+浓度变化；另一方面，腐殖酸及其盐类可构成缓冲体系，使土壤具有较强的缓冲性能，并且其缓冲性大小与土壤有机质含量高低有关。
       土壤有机质累积与有机肥投入量有很大关系。有机肥投入量逐年减少，土壤有机质得不到合理矿化和更新，造成土壤缓冲能力下降，是土壤酸化的原因之一。

六、重茬和高产作物收获利于土壤酸化

       由于面临人口的压力，人们不得不增加复种指数，大量种植高产作物，一部分地还不得不重茬。但是，重茬和高产作物的普及使土壤中的碱基元素失调。随着农产品的增收，更多的碱性物质从土壤中带走，同时释放的H+也越来越多。Porter和Hclyar通过对植物灰分中碱性物质的测定表明，每带走1吨谷类作物籽粒，带给土壤的氢离子需用3公斤CaC03来中和，若带走1吨谷类作物的秸秆则需用22公斤CaCO3中和土壤中因此而产生的H+。恩施州年均粮食总产量160万吨左右，不计算带走作物秸秆而产生的H+，就需要4800吨CaC03来中和带给土壤的H+。人为耕作的连年重茬种植及大量高产品种的推广，土壤中钙、镁、钾等碱基元素消耗过度，习惯施肥又未能得到有效补充，使土壤向酸化方向发展。

                                            第四节 耕地土壤酸化的危害

       耕地土壤酸化后主要影响土壤养分的有效性；产生铝、锰、铁等毒害；破坏土壤结构，耕性变差；有害微生物滋生，引发作物众多生理病害；最终导致作物减产，农产品品质降低。

一、作物适宜的酸碱度范围

       由于长期自然选择的结果，植物最适应起源地的pH。一般说，起源于南方或高山上的植物适应偏酸性土壤，起源于北方的植物则适应中性或碱性土壤。总的看，大多数植物和微生物一般适宜微酸性，中性或微碱性环境，最适pH在6.1～7.5之间。通常把对pH要求严格的植物叫做土壤酸碱性的“指示植物”，例如，茶和映山红是酸性土壤指示植物，盐蒿和碱蓬是盐土的指示植物。不同植物所要求的pH值各异，有的要求pH范围较广，有的要求pH范围较窄。常见植物（包括作物）适宜的土壤pH范围见表1.9。由表1.9可以看出，绝大多数的作物最适宜的pH值还是在弱酸性至微碱性的范围。
表1.9 常见植物最适宜的土壤pH范围
pH范围 植物（包括作物）种类
4.0～5.0 兰花，高灌木越桔，黑云杉，泥炭藓
4.5～5.0 杜鹃，白雪松，石松
5.0～5.5 茶，马铃薯，马尾松
5.0～6.0 红薯，菠萝，板栗，油桐，草夹竹桃，冷杉，云杉，铁杉，火炬松，冬青
5.0～6.5 荞麦，草莓，山毛榉，欧洲落叶松
5.0～7.0 黑麦，花生，亚麻，紫云英，柑橘
5.0～7.5 燕麦，栎（5.0～8.0）
5.5～6.5 萝卜，辣椒，野菊花
5.5～7.0 蚕豆，豇豆，胡萝卜，黄瓜，白三叶，秋海棠，蒲公英，菟丝子，雏菊
5.5～7.5 玉米，小麦，烟草，番茄
6.0～7.0 大豆，西瓜，甘蓝，芹菜，莴苣，洋葱，苕子，东方百合，非洲紫罗兰，银杏，槐，花旗松
6.0～7.5 水稻，大麦，红三叶，结球甘蓝，菠菜，紫丁香，侧柏，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，芦笋，天竺葵，苹果，樱，桃，梨，核桃，杏，桑，白杨，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）影响土壤养分有效性
       土壤pH值的高低直接影响到各种养分的固定、释放与淋失。土壤的pH值在6.5左右时，各种营养元素的有效性都较高，并适宜多数作物的生长。在微酸性、中性和碱性土壤中，氮、硫和钾的有效性高。pH6～7的土壤中磷的有效性最高。当pH﹤5时，因土壤中的活性铁、铝增加，易形成磷酸铁、铝沉淀，当pH﹥7时，易形成磷酸钙沉淀，磷的有效性均低。如：pH6.5～7.0时，土壤有效磷为49.6毫克/公斤，当pH＜5.5时，只有6.3毫克/公斤，约为原来的17分之一。在pH6.5～8.5的土壤中钙和镁的有效性高，在强酸和强碱性土壤中钙和镁的有效性低。在酸性和强酸性土壤中铁、锰、铜、锌等微量元素的有效性高，当pH﹥7时，有效性明显下降，并常出现植物缺铁和缺锰。强酸性土壤中钼的有效性低，当pH﹥6时，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，在强酸性和pH7.0-8.5的土壤中有效性都低。近年来，全州烟叶主产区连续出现缺钙、缺镁、缺硼的综合症状：叶片萎蔫，主根发育不良，侧根形成黑白相间的毛刷状根，逐渐死亡。经取样检测，pH值平均为4.4，交换性钙72.5毫克/公斤，活性镁25.7毫克/公斤，大大低于交换性钙的临界点480毫克/公斤，交换性镁120.0毫克/公斤。
（二）易出现铝锰铁离子的毒害
       在强酸性土壤中能出现铝、锰的胁迫与毒害。在pH﹤5.5的强酸性土壤中，交换性铝可占阳离子交换量的90%以上，容易产生游离Al3+，当游离Al3+的量达到0.2厘摩尔/公斤时，可使作物受害，大田作物的幼苗特别敏感，形成短粗根系，抑制养分的吸收。施用石灰使土壤的pH升至5.5～6.3时，大部分Al3+会沉淀，毒害消除。土壤酸化后，土壤中含铝的原生和次生矿物风化加速而释放大量铝离子，形成植物可吸收形态的铝化合物。植物过量的吸收铝，不仅会降低作物产品品质，还会对植物体特别是植物根系生长产生极大影响，甚至导致植物中毒死亡。在强酸性的水田里，铝、铁、锰都危害水稻的生长，使水稻产生黑根、锈根。土壤酸化还会引起土壤中有毒重金属元素的活化，不仅影响作物生长，还会通过食物链危害人体或动物体的健康。
（三）影响土壤物理性质
      耕地严重酸化后，土壤结构被破坏，物理性变差，土壤团粒减少，多形成块状或柱状结构，僵硬板结，“天晴一把刀，下雨一团糟”，甚至土表结皮，影响通气透水，窒息作物根系，使之生长不良，抗逆性下降，抵御旱、涝自然灾害的能力减弱。
（四）滋生众多病害
       土壤酸化会影响土壤微生物的活动，使土壤有益微生物数量减少，生长和活动受到抑制，从而影响土壤有机质的分解和土壤中C、N、P、S的循环。而土壤酸化滋生有害真菌，根际病害增加，且控制困难。耕地酸化导致甘蓝、白菜等十字花科的根肿病，芹菜、白菜的根腐病，茄果类蔬菜的青枯病、黄萎病，莴苣因缺钙出现“金镶边”等生理病害偏重发生。近几年，玉米“打桩”、纹枯病加重，水稻迟发、僵苗等都与耕地酸化密切相关。对齐跃山高山蔬菜基地进行实地调查，部分甘蓝因根肿病危害，导致产量和品质急剧下滑，亩产降到1000公斤以下，白羊塘村、红光村大部分绝收，不得不改种玉米，经济价值明显降低，严重伤害农户的种植积极性。部分农户自发施用石灰治理耕地酸化，亩用生石灰200公斤进行改良，亩产已基本恢复到正常产量，甘蓝亩产达到4000公斤以上。

 

                                          

                                                               第五节 酸化耕地土壤的治理措施

       降水（包括酸雨）可以通过植树造林、覆盖栽培、坡地沟种（等高线种植）等措施降低雨水冲刷强度、减少水土流失，有效控制耕地酸化进程；为减轻燃煤对酸雨的贡献，可以对高硫煤进行脱硫处理，降低二氧化硫、三氧化硫等酸性气体排放，同时加工提炼硫磺；还可以加快沼气池等替代生活能源的建设力度，逐步减少生活用煤。针对停施石灰、偏施化肥、农家肥不足、重茬和作物收获等人为活动因素，可以采取下列措施进行控制。

一、施用石灰

       治理耕地酸化的传统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。除大量应用石灰外，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。磷石膏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Al3+的含量下降。试验发现，亩施100公斤熟石灰，玉米和水稻施用石灰增产效果明显，水稻增产81公斤，增幅达16.07%；玉米增产69公斤，增幅达15.23%。建议pH 5.0 以上的耕地，在秋收后，清除秸杆、杂草，结合冬耕亩撒石灰100公斤，使石灰和土壤混和；pH 4.5左右的耕地，亩撒石灰150公斤。

二、减轻化肥施用量，推广测土配方施肥技术

       众多专家认为，化肥施用过量是耕地酸化的主要原因，特别是氮肥、磷肥过量施用，导致土壤养分供求失去平衡，钙、镁、钾等养分被作物大量带出土壤或被淋失。因此，适当减少氮肥和磷肥用量，补充钾肥和中微量元素肥料，能促进土壤酸碱平衡。因时因土因作物配方施肥，平衡供应作物需求养分，保持土壤和作物的供求平衡，及时补充作物带走的各种元素，可使土壤中的钙、镁、钾等离子处于一种相对平衡状态，有效控制土壤酸化。2005年以来，全州各级农业部门大力推广测土配方施肥技术，已逐步改变了当地农民的施肥习惯。

三、增施有机肥，提升土壤有机质含量，平衡耕地酸碱性

       土壤有机质对土壤pH值有明显的稳定和缓冲作用，土壤有机质含量越高，则土壤酸化程度越轻，并呈现较好的对数关系。说明土壤有机质中的腐殖质有着巨大的比表面和表面能，具有较强的吸附性能和较高的阳离子代换能力，可缓冲土壤溶液中H+浓度变化；另一方面，腐殖酸及其盐类可构成缓冲体系，使土壤具有较强的缓冲性能，并且其缓冲性大小与土壤有机质含量高低有关。一是实施秸秆还田覆盖栽培。进行秸秆覆盖栽培，可减轻雨水对土壤的冲刷，降低盐基的淋溶，同时归还作物对土壤养分的消耗，提高土壤盐基饱和度。秸秆覆盖亩用干秸秆（或杂草）250公斤，横向盖于垄面约一寸厚，也可用山青，盖约二寸厚。秸秆覆盖还有调温保墒，压草增肥等作用。二是薰制火粪。用田边地角杂草、作物秸杆薰制大粪，是土家族农耕文化的精髓，也是土家先民平衡土壤酸碱和补充钾素的重要手段；还有提高地温，释放土壤养分，增加土壤渗透率、孔隙度和阳离子代换量，燃烧田间地角杂草和秸秆，降低了病虫基数等作用。

四、发展茶叶、兰花、杜鹃、蓝莓等喜酸耐酸作物

      充分利用耕地酸化现状，在全州进行统一规划，合理布局，实施“一村一品”或“一乡一业”，发展特种产业，既能新兴特色产业，带来较好的经济效益，更能因地制宜，降低耕地酸化治理成本。