土壤酸化过程中的化学机理分析

2022-12-12

一、土壤酸化的一般化学机理、产生原因及导致后果简述

1. 土壤酸化一般化学机理及过程简述

土壤的酸化起始于土壤中的活性质子即氢离子。氢离子在土壤中有很多的来源, 包含:在土壤中生存的动物和植物通过呼吸作用产生的碳酸;水通过解离作用;雨水或酸雨中存在的一些含氢离子的无机酸 (如碳酸、硝酸、硫酸等) ;农业生产中所用到的呈酸性的肥料以及一些含氮肥料的硝化作用也会产生氢离子。土壤中原有的化学平衡被氢离子破坏了, 氢离子与土壤胶体上的盐基离子发生化学反应将后者交换出来, 氢离子自身则被土壤胶体吸附, 致使土壤胶体上的交换性氢离子积累的越来越多。被交换下来的盐基离子也增多, 不断溶入土壤中, 随雨水流失。另外, 氢离子与土壤中固相的铝化合物在没有任何催化剂的情况下也会发生化学反应, 等量的铝离子被释放出来, 三价铝离子进一步水解释放出3个氢离子。

由上节可知, 土壤酸化过程即一定数量的交换性氢离子或铝离子溶入了土壤吸收性复合体中, 从而使得碱性 (盐基) 离子从土壤中淋失的过程。土壤酸化导致了土壤p H值降低, 土壤呈现了酸性, 土壤中的各种生活的活性因此受到影响, 土壤中养分的形态也会发生变化, 使得土壤的有效性降低, 游离状态的锰、铝离子就会加速溶入土壤溶液中, 地上种植的作物便受到毒害。其中酸在酸化土壤中的存在状态主要有两种:活性酸和潜性酸。活性酸能够直接反应土壤溶液中氢离子的浓度。另一方面, 交换态的氢离子和铝离子等离子代表着潜性酸。当氢离子和氯离子以吸附状态存在时, 潜性酸不会表现出来。反之, 当被氢离子交换下来溶入到土壤溶液后, 酸性才表现出来, 可见, 这个过程是可逆的。

2. 土壤酸化的原因及导致的后果

(1) 土壤酸化的原因

土壤酸化的原因主要有: (1) 造成土壤酸化的根本原因是大的降水量而且集中, 使得淋溶作用强烈, 造成了钙、霉、钾等碱性盐基的大量流失。 (2) 在农田耕作中, 施石灰、烧火粪、施有机肥等传统农业措施的缺失, 代之以无机肥料, 再加上各种杀虫剂等化学试剂的应用使的耕地地土壤养分失衡, 这些人为作用也是造成土壤酸化的一项主要原因。

(2) 土壤酸化导致的后果

土壤酸化导致的后果有: (1) 植物的根系发育受到抑制。土壤酸化会加速土壤板结, 植物根系的伸展就会受阻, 不利于发根, 如果植物处于缓苗期, 则易形成老僵苗, 根系不发达会直接导致植物的对营养的吸收大大降低, 长势弱甚至不会成活, 造成减产。 (2) 农药的使用量会加大。植物在酸化土壤中长势减弱, 相应的植物自身抗病能力也会削弱, 只有依靠增大农药的用量来辅助其抵抗病害的侵染。 (3) 大部分中、微量元素的吸收利用率变低, 化肥的使用量逐年增加。土壤酸化回导致肥料中的有效成分严重流失, 利用率还不到30%。其中流失的有效成分有:70%的氮素、60-80%的易生成不溶性物质的磷钾成份等, 再加上不发达的根系, 直接导致了化肥的用量增大的趋势, 化肥的滥用又会导致土壤的酸化, 如此陷入了恶性循环, 使得酸性土壤地上种植的作物生长缓慢、病害多、产量低、品质差, 造成大量减产, 大大降低了经济效益。 (4) 导致作物发生各种缺素症。土壤微生态环境受到了土壤酸化的影响, 在酸性条件下根际有害微生物会大量滋生, 人为很难控制。 (5) 土壤中的有益微生物种群在酸性环境下也会发生变化, 这些有益菌个体生长受到限制, 大小和繁殖速度都减缓。如芽孢杆菌、放线菌、甲烷极毛杆菌以及其它一些能够分解有机质及其蛋白质的主要微生物类群的数量变少, 对营养元素的循环产生不利的影响, 从而使得农田植被的产量受到影响。

二、土壤酸化过程中的土壤化学分析

1. 土壤酸化与阳离子交换复合体性能

酸性沉降物进入土壤后, 首先要克服土壤缓冲域对酸的缓冲, 采用从土壤交换复合体中清除出去的方式从土壤溶液中将盐基离子清除, 土壤发生了酸化。因此, 土壤中阳离子的交换性能对土壤的酸化进程起着直接的作用。在中性和碱性土壤中, 交换复合体的表面交换场受到盐基离子的支配着。而在酸性的矿质土壤中, 交换复合体的表面交换场通常受到铝组分以及少量的铁和锰的支配, 这是因为在酸性系统中硅酸盐矿物的晶格受到破坏所导致的。由此可知, 土壤发生酸化的几率与交换复合体上盐基离子和铝离子间的数量比例关系息息相关。其中有机质在土壤中积累、粘粒矿物形成这些能够增加土壤吸附性负电荷数量和化学淋溶等能排除盐基离子的过程能够促进土壤酸化过程的发生, 它们对土壤的盐基饱和度都起到直接或间接的降低作用。例如植物有机体就地焚烧 (如焚烧桔杆) , 就起到了促进盐基离子产生和减少吸附性负电荷的数量的作用, 因此能在一定程度上对土壤酸化起到缓冲的作用。

2. 土壤酸化的强度因子和容量因子

土壤酸化包含着众多的繁杂化学反应过程, 一个简单的指标往往不能完全体现这个过程。但是, 土壤酸化中有两个非常重要的概念即容量因子和强度因子。容量因子是指一个或多个组分的总储存量。在土壤酸化中容量因子是指质子或铝组分的总储存量。早在上个世纪八十年代就有研究者提出土壤酸化的容量因子用碱中和容量的方法来表示, 这种方法是取一定量的土壤和水, 水和土的配制比一般为5, 对这个混合液进行充分震荡, 然后用标准稀氢氧化钠溶液做滴定液, 酚酞做指示剂, 将溶液变红为止所消耗的碱量来表示碱中和容量。相反, 总的盐基储量或可风化矿物中盐基储存量就可以来反证土壤酸化的程度。

3. 土壤酸化与盐基离子吸收

从容量上讲, 土壤酸化的发生只有再盐基持续消耗的情况下才能发生。土壤系统中盐基离子主要有两条消耗途径:植物自身的离子吸收和盐基离子随水流失。自然生态系统中, 森林生物量中盐基离子的净积累本来就有导致土壤酸化的作用。在土壤中, 通常的矿物风化作用过程尚不能够对盐基离子的净积累起到消除的作用。经研究表明, 自然界的酸化现象与森林中树种的生物学特性也有关:那些富含钙和镁的树种容易导致酸化的发生, 一般来说常绿树种较落叶树种易导致酸化。植物的盐基吸收至少可以影响到土壤剖面中某一部分的酸化。由于植物的离子吸收是通过释放氢离子, 碳酸氢离子来交换它们所需的阳离子及硝酸根离子等阴离子的。故可用植物的阳离子和阴离子的净吸收量的差值来度量因植物吸收所引起的酸化效应。

从化学反应角度来看, 土壤和植物中的氮循环一般是处于平衡的状态。在对土壤酸化过程中的化学现象进行分析时应主要考虑植物的阳离子吸收所导致的土壤交换盐基库中盐基的减少, 与土壤总酸度的变化相比, 这种减少在临界强度因子上更易于表现出来。植物叶组织在酸性沉降物冲击下会生成较多的酸, 这一方面会加强氢离子释放而交换盐基吸收, 另一方面为了保护组织中的化学平衡会主动吸收阳离子, 这两方面都会导致植物加强对土壤阳离子的吸收, 促进了土壤酸化效应的发生。因此, 从以上研究角度来说, 土壤上面种植的植被生长状况对酸性沉降物对土壤的酸化效应产生的影响不大。

4. 土壤溶液化学与盐基淋溶

针对目前土壤酸化的状况而言, 盐基淋溶是造成酸化的主要环节。盐基淋溶的必要条件是酸根阴离子的产生。通常, 土壤中的阴离子主要是碳酸氢根离子、硝酸根离子、硫酸根离子、磷酸氢根离子和硅酸氢根离子。在近中性土壤中, 阴离子主要是碳酸氢根离子, 它的活度受p H值和土壤空气中CO2分压的制约。在平衡的的CO2-H2O体系中, 溶液p H值一般维持在5.6。很明显, 只有碳酸参与酸化发生的可能性较小。由此可见, 酸沉降冲击下的土壤酸化主要是由于强酸的输入, 自然土壤酸化则不是。如p H4.0的酸雨含有硫酸根离子的含量远远大于酸性沉降物中可能存在的盐基离子的总量。