土壤酸化的幾個冷知識

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不同人群對土壤酸化知識的理解還存在一定的偏差，因而本文針對土壤酸化的幾個冷知識進行科普介紹。

文/徐仁扣，時仁勇

來源：土壤與農業可持續發展國家重點實驗室網站（2018年6月20日）

近年來土壤酸化在全國範圍內普遍發生，引起民眾、政府部門和科研人員的高度關注。但不同人群對土壤酸化知識的理解還存在一定的偏差，因而本文針對土壤酸化的幾個冷知識進行科普介紹。

1、土壤中的鹽基陽離子不是鹼

土壤中的鹽基陽離子指正二價的鈣和鎂及正一價的鉀和鈉（Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺），它們大部分通過靜電吸引作用吸附於土壤固相表面，這也使得帶負電荷的土壤表面保持電中性狀態，這部分鹽基陽離子稱為交換性鹽基陽離子。小部分鹽基陽離子存在於土壤溶液中，使鹽基陽離子在固/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離子會隨地表徑流流失或沿土壤剖面向下遷移進入地下水。這一過程打破了鹽基陽離子在固/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離子釋放到土壤溶液中，空缺的吸附位（也叫陽離子交換位）被氫離子（H⁺）佔據，產生交換性H⁺，土壤發生酸化（圖1）。因此，有人認為鹽基陽離子是「鹼」，土壤中這部分鹼性物質的淋失導致了土壤酸化。這種認識是不正確的。

圖1：土壤中交換性鹽基陽離子淋失和交換性H⁺的產生過程示意圖

按照廣義酸鹼理論（也稱為路易斯(Lewis)酸鹼理論），包括鹽基陽離子在內的所有陽離子都是酸，只不過鹽基陽離子是非常弱的酸。常見的陽離子如Al³⁺、Fe³⁺、NH⁴⁺及重金屬陽離子呈明顯的酸性。為了進一步理解鹽基陽離子的酸鹼性，我們舉例來說明。氫氧化鈉（NaOH）和氫氧化鉀（KOH）是常見的強鹼，它們溶解在水中完全離解為氫氧根（OH^-）、K⁺和Na⁺。當發生酸鹼中和反應時，OH^-與H⁺結合形成H₂O。如果K⁺和Na⁺是鹼，那麼H⁺應該與K⁺和Na⁺發生中和反應，那OH^-幹什麼呢？很顯然，在這2種強鹼中，OH^-是鹼，K⁺和Na⁺是與鹼配對的陽離子。 鹽基陽離子的英文單詞是Base cations，這是導致部分人產生錯誤認識的原因。但這個英文詞組不應該翻譯為鹼性陽離子，而應該理解為鹼基陽離子，意思是與鹼配對的陽離子。

2、土壤中的酸主要以活性鋁的形態存在於固相部分

當外源H⁺進入土壤，如果土壤固相含碳酸鹽，H⁺將優先與碳酸鹽反應而消耗掉，土壤pH下降會很慢；但如果H⁺進入酸性土壤，H⁺將與土壤交換性鹽基陽離子發生離子交換反應，釋放部分交換性鹽基陽離子到土壤溶液中，同時產生交換性H⁺。由於H⁺的反應活性很高，交換性H⁺不穩定，這部分H⁺的大部分會與土壤粘土礦物反應，釋放土壤鋁矽酸鹽礦物結構中的鋁，並產生交換性Al³⁺。交換性鋁與交換性H⁺的總和為交換性酸，當達到反應平衡時，土壤的交換性酸主要以交換性鋁存在（圖2）。在有機質含量很低的強酸性礦質土壤中，交換性鋁佔交換性酸的比例達95%以上。因此，土壤發生酸化后土壤中的絕大部分酸以交換性鋁的形態存在於土壤固相部分，僅有一小部分酸存在於土壤溶液中。前者稱為土壤潛性酸度，後者稱為活性酸度。

土壤酸度通常用土壤pH來表示，土壤pH一般用pH電極測定，它的數值為土壤溶液中H⁺活度的負對數值，因此土壤pH變化1個單位，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係，主要通過少量交換性鋁的釋放、溶液中Al³⁺的水解與H⁺的產生為紐帶（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弱程度，但不能表示土壤酸的數量。

土壤酸化後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鹼性物質的數量要多得多。而且潛性酸主要以交換性鋁存在，它與鹼的反應速度比H+慢得多。因此，土壤酸化後其改良難度很大，保護土壤，阻控酸化是我們的重要職責。

圖2：交換性H⁺轉化為交換性鋁及交換性鋁釋放、水解和產H⁺的過程示意圖

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