土壤反應(yīng)與施石灰

土壤反應(yīng)與施石灰作者：內(nèi)容提要：土壤酸堿度是由土壤pH值表示，既土壤被氫離子（H+）飽和的程度。它受土壤母質(zhì)種類的影響，堿性基巖或母質(zhì)上發(fā)育的土壤的pH值一般比酸性基巖形成的土壤高。降雨、作物生長、作物收獲移走、施肥、豆科根瘤固氮、有機質(zhì)分解都會影響土壤酸度。兩種田間常使用的土壤pH值測量方法是：指示劑速測比色法和酸度計法。實驗室測定pH僅測定了活性酸度，還必須將潛在酸度也考慮進去才能確定改良土壤的石灰需要量。就是說石灰需要量不僅與土壤pH值有關(guān)，還與該土壤的緩沖容量或陽離子交換量有關(guān)。土壤pH低時，有六種有害效應(yīng)，如果其中的一個或多個起作用就會阻礙作物生長：1.鋁和錳元素的濃度可能達到毒害水平。2.分解有機質(zhì)和轉(zhuǎn)化氮、磷、硫的生物可能數(shù)量少、活性低。3.土壤陽離子交換量極低時，也可能缺鎂。4.豆科植物共生固氮會大大減少。5.酸性強的粘質(zhì)土壤團聚差。6.磷和鑰等養(yǎng)分的有效性低。因此，施用石灰可以矯正土壤酸堿度。許多作物在土壤pH6.0-7.0的范圍內(nèi)生長最好。有些作物需要酸性土壤條件才能良好生長。石灰降低土壤酸度的過程和反應(yīng)十分復(fù)雜，但可以簡化概述為石灰的一個鈣離子將兩個氫離子從陽離子交換復(fù)合體上置換下來，使氫離子與氫氧根離子結(jié)合生成水，從而降低氫離子濃度使土壤pH值提高。如果上述反應(yīng)的逆反應(yīng)發(fā)生，就會降低土壤pH值。應(yīng)該在播種前3-6個月前施石灰，使它有足夠時間與土壤反應(yīng)，并應(yīng)均勻撒施，以防危害種子萌發(fā)。土壤質(zhì)地、氮肥施用量、作物移取量、石灰施用量都將影響施石灰的次數(shù)。選擇石灰材料時要檢查其中和值、細度和反應(yīng)性。在土壤缺鎂地區(qū)，也應(yīng)考慮石灰的鎂含量。石灰施用位置必須利于石灰與耕層土壤最大程度接觸。什么是土壤pH？pH是指物質(zhì)的相對酸度或相對堿度。pH的量度范圍從0到14,pH值7.0為中性，低于7.0為酸性，高于7.0為堿性。大多數(shù)高產(chǎn)土壤的pH值在4.0至9.0之間。這樣一個pH范圍的酸堿度可由下圖表示。見（圖7）.土壤pH值的含義酸是釋放氫離子（H+）的物質(zhì)。當土壤被H+飽和時，土壤表現(xiàn)為弱酸。交換性復(fù)合體上持有的H+越多，土壤酸度越強。鋁也起酸性的作用，并活化H+。堿性的離子如Ca2+和Mg2+在土壤反應(yīng)中使土壤酸性降低（或堿性增加）。土壤pH僅測量氫離子活度，用對數(shù)表示。對數(shù)關(guān)系的實際意義是，土壤pH值每變化一個單位，酸堿度的數(shù)量變化十倍。也就是說，pH值6.0的土壤的活性H+數(shù)量是7.0土壤的10倍。這意味著當pH值下降時石灰的需要急劇增加。（表4）表4.中性pH7.0相比土壤酸堿度的相對程度土壤pH與pH7.0比較的酸堿度9.0堿性1008.0107.0中性06.0酸性105.01004.01000說明與中性pH值7.0相比，土壤酸堿度的相對程度。見表4.中性pH值7.0相比土壤酸堿度的相對程度土壤pH值的影響因素土壤酸堿度受形成土壤的母質(zhì)種類的影響。堿性基巖或母質(zhì)上發(fā)育的土壤的pH值一般比酸性基巖形成的土壤的高。降雨也影響土壤pH。穿流土壤的水將堿性營養(yǎng)元素如Ca和Mg淋洗至排出水中。它們被酸性元素如H、Mn和Al取代。因此，在高降雨量條件下形成的土壤比在干旱條件下形成的土壤酸性強。在土壤形成過程中，作物生長影響土壤pH值。在森林植被條件下形成的土壤往往比在草地條件下形成的土壤酸性強。針葉林較落葉林產(chǎn)生的酸性強。收獲的作物移走鹽基陽離子后，土壤的酸性增強。不同作物帶走不同數(shù)量的Ca和Mg。豆科植物含Ca和Mg的數(shù)量通常比非豆科植物高。Ca和Mg的含量也隨作物收獲部分而變化。見（表5）表5.作物帶走Ca和Mg的估測量（公斤/畝）作物畝產(chǎn)量Ca帶走量Mg帶走量玉米627公斤（谷粒）0.151.05玉米0.74噸（莖稈）1.942.24棉花75公斤（皮棉）0.150.22棉花149公斤（莖葉）2.091.34大豆224公斤（籽粒）0.521.12.作物帶走Ca和Mg的估測量除在一些降雨量較低的地區(qū)外，酸度一般隨土壤深度的增加而增加，侵蝕引起的表土流失也能增加耕層的酸度，隨著表土層變薄，耕層中包括的心土增多。也有底土pH值比表土的pH值高的情況，結(jié)果，土壤侵蝕使pH值增高。施肥，尤其是施氮肥，能加速土壤酸度的提高。在低施氮量時，酸化程度很低。但隨著施氮量的增加，酸化程度大大提高。在石灰性土壤上，施肥引起的酸化效應(yīng)可能是有益的。在鐵、錳或其它某種微量元素可能缺乏的地區(qū)，降低土壤pH值可使這些元素的有效性增加。豆科植物根系上細菌固氮有利于土壤酸化。有機質(zhì)分解增加土壤酸度。在分解過程中初級產(chǎn)物之一是銨離子，當銨經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝酸根時，釋放H+，這就增加了土壤酸度。這一過程可由下式表示（施銨態(tài)氮肥的影響也相似）：見化學(xué)（方程式）土壤pH值的測定一確定石灰需要量兩種最常用的土壤pH值測量方法是指示劑比色法和酸度計法。在田間常使用指示劑進行pH值速測。但使用指示劑必須經(jīng)過訓(xùn)練以避免重大誤差。如果使用恰當，其結(jié)果是可靠的。更精確而且廣泛采用的方法是使用酸度計。將土壤和蒸餾水懸浮液與玻璃電極接觸，并在校準刻度盤上讀數(shù)，即可測得土壤pH值。雖然土壤pH值是一個極好的土壤酸度指標，但它并不能確定石灰需要量。石灰需要量是為即將采用的種植制度建立理想的（pH值范圍）5.0-6.06.0-6.56.5-7.0歐洲越桔狗牙根草紫苜蓿馬鈴薯玉米一些三葉草甘薯棉花西瓜粒用高粱花生大豆小麥需要的優(yōu)質(zhì)農(nóng)用石灰石的數(shù)量。當pH值在實驗室測定時，僅測定了''活性酸度"?！撛谒岫?也必須加以考慮。把土壤pH的變化與加入一定數(shù)量的酸或堿聯(lián)系起來的方法是必要的。這種方法叫做''石灰需要量確定法"。土壤的石灰需要量不僅與這一土壤的pH值有關(guān)，而且還與該土壤的緩沖容量或陽離子交換量有關(guān)。土壤中粘粒和有機質(zhì)的數(shù)量以及粘土的種類決定土壤緩沖（即阻止）土壤pH值變化的能力。土壤緩沖容量隨粘粒和有機質(zhì)數(shù)量的增加而增加。這種土壤比低緩沖容量的土壤需要更多的石灰提高pH值。含少量粘粒和有機質(zhì)的砂質(zhì)土壤的緩沖容量低，因而改變其pH需要的石灰少。確定石灰需要量的常用方法是以與土壤-水懸浮液的pH值對比的緩沖溶液pH值變化為基礎(chǔ)的。酸性土壤會降低緩沖溶液的pH值。pH值的降低與土壤的起始pH值和土壤的緩沖容量成比例。通過標定伴隨加入巳知酸量后緩沖溶液pH值的變化，可以確定將土壤改變至一特定pH值所需的石灰量。在美國應(yīng)用數(shù)種緩沖方法。不論使用哪種確定土壤pH值和石灰需要量的方法，石灰施用量都應(yīng)以可靠的方法為基礎(chǔ)。在粗質(zhì)地土壤上施過量石灰可能會導(dǎo)致堿性過高和嚴重的問題一例如鐵、錳和其它微量元素的缺乏。但砂性土壤中能夠危害作物生長的石灰量可能不足以將粘質(zhì)土壤或富含有機質(zhì)土壤的pH值提高到理想水平。為什么酸性土壤要施石灰石灰對土壤的作用是多方面的石灰對土壤的作用遠遠超過中和酸性，石灰改善土壤的物理狀況。石灰刺激土壤微生物活性。石灰使礦質(zhì)養(yǎng)分對植物的有效性增強。石灰為植物提供鈣與鎂。石灰增加豆科作物的共生固氮。土壤酸度在多方面影響作物生長土壤pH值低時（酸性強），一個或更多個下述有害效應(yīng)會阻礙作物的生長：象鋁（Al）和錳（Mn）元素的濃度可能達到毒害水平，因為在酸性土壤中它們的溶解度增加。分解有機質(zhì)和轉(zhuǎn)化N、P和S的生物可能數(shù)量少，活性低。土壤的CEC極低時，可能缺鈣（很少見），也可能缺鎂。豆科植物共生固氮會大大減少。最佳共生關(guān)系比不需固氮的植物要求的pH范圍窄。大豆的共生細菌在pH值6.0-6.2范圍內(nèi)作用發(fā)揮最佳，苜蓿的在pH值6.8-7.0范圍內(nèi)最佳。酸性強的粘質(zhì)土壤團聚差。這導(dǎo)致土壤滲透性和通氣性差，在這方面施石灰有間接影響，因為施石灰土壤上能獲得較多作物殘茬，這些殘茬能改善土壤結(jié)構(gòu)。養(yǎng)分（如P和Mo）的有效性低。大豆和玉米對石灰的反應(yīng)良好對種植大豆的酸性土壤施石灰，使其pH值接近中性7.0時，產(chǎn)量可大大提高。旱年間，石灰可增產(chǎn)大豆36公斤；濕潤年份可增產(chǎn)45公斤。在任何情況下，大豆都得到了充足的肥料。在酸性土壤上石灰和肥料是高產(chǎn)和高利潤的重要組合。農(nóng)民需要在所有方面均采取正確的措施，若其中一個基本步驟不對，就會造成產(chǎn)量和利潤損失。長期的研究表明：農(nóng)民未能給酸性土壤施石灰，在干旱和濕潤年份均有產(chǎn)量損失。石灰有助于玉米和大豆種植者從施肥中獲得最高的經(jīng)濟收益。見（圖8）.大豆和玉米對石灰的反應(yīng)良好酸性土壤施石灰能矯正上述條件。同時它還可減少K的淋失。白云石質(zhì)石灰能提供Ca和Mg，它們都是作物生長必需的。理想pH值因作物及地域而異許多作物在土壤pH值6.0—7.0的范圍內(nèi)生長最好。但土壤酸度并不阻礙所有作物的生長。有些作物需要酸性條件才能良好生長。一些作物的理想pH值范圍見作物理想pH值范圍表5.0—6.06.0-6.56.5—7.0歐洲越桔狗牙根草紫苜蓿馬鈴薯玉米一些三葉草甘薯棉花西瓜粒用高粱花生大豆小麥土壤的最佳pH值因地而異土壤性質(zhì)因地而異。某一地區(qū)的最佳pH值在其它地區(qū)可能不是最佳的。例如，許多人認為在美國南部作物生產(chǎn)的最佳土壤pH值要比中西部和其它地區(qū)的低。這一差別與粘土類型有關(guān)。對于玉米、大豆和紫花苜蓿等作物來說，可能存在地區(qū)間差異，但對馬鈴薯等作物來說，則不然。不管地區(qū)如何，一些作物如馬鈴薯或大豆在土壤pH值低于或高于各自的需要時，這些作物會受到病害和微量元素缺乏的影響。為了滿足土壤最佳pH值和石灰的需要，有必要掌握土壤以及作物的應(yīng)用知識。石灰如何降低土壤酸度石灰降低土壤酸度的過程和反應(yīng)十分復(fù)雜，但一個簡化概述可表明石灰的作用機制。如前所述，土壤的pH表示氫離子活度。石灰通過將一些氫離子轉(zhuǎn)化成水來降低土壤酸度（增加pH值）。這一反應(yīng)過程如下：石灰的一個Ca++置換陽離子交換復(fù)合體上的兩個氫離子（H+）。H+離子與氫氧根離子（OH-）結(jié)合生成水。這樣，由于H+離子濃度（土壤酸度來源）降低，pH值便增加。記住，上述過程的逆反應(yīng)也可以發(fā)生。如果不施石灰，酸性土壤會變得酸性更強。隨著堿性離子如Ca++、Mg++和K+的被帶走，通常是被作物吸收帶走，這些離子便被H+取代了。這些堿性離子也可被淋失，由H+取代其位置。如果這種土壤不適當?shù)厥┦业脑?，H+活度將會持續(xù)增加，從而降低土壤pH值。施石灰的時間和次數(shù)對包括豆科作物的輪作來說，應(yīng)該在播種3至6個月前施石灰，在強酸性土壤上更是如此。例如在播種苜蓿和三葉草的前幾天施石灰，由于石灰沒有足夠的時間與土壤反應(yīng)，結(jié)果常會令人失望。如果在秋播小麥后種三葉草，應(yīng)該在種麥時施石灰。無論何種作物，從施石灰到種植前都應(yīng)該有足夠的時間，以使石灰與土壤反應(yīng)。生石灰（氧化鈣和氫氧化鈣）應(yīng)該在種植前均勻撒施，以防危害種子萌發(fā)?；\統(tǒng)地談石灰施用的次數(shù)可能是不明智的，因為涉及的因素很多。決定再施石灰的最好辦法是進行土壤測試。至少每3年就應(yīng)采一次樣，砂質(zhì)土壤和灌溉地的采樣次數(shù)應(yīng)更頻些。以下因素將影響施石灰的次數(shù)。土壤質(zhì)地一砂質(zhì)土壤必須比粘質(zhì)土壤更經(jīng)常地施石灰。氮肥使用量一銨態(tài)氮高施用量能產(chǎn)生大量酸。作物移取量一豆科植物比非豆科植物帶走的鈣鎂多。石灰施用量一石灰高施用量一般意味著不必過于頻繁地再施石灰。但不要過量施石灰。理想pH范圍一維持高pH通常要比期望維持中度pH更經(jīng)常地施石灰。通常由于石灰施量不足、石灰質(zhì)量差（顆粒粗）或混合不完全均勻，而不能達到期望的pH值范圍。土壤測試可監(jiān)測施石灰后的pH值變化。選擇石灰材料一質(zhì)量問題在選擇石灰材料時，要檢查其（中和值）石灰材料相對中和值碳酸鈣100白云石質(zhì)石灰石95—108方解石質(zhì)石灰石85-100燒過的牡蠣殼80—90泥灰?guī)r50—90生石灰150—175生牡蠣殼90-110熟石灰120-135鋼渣磷肥50-70石膏0各種付產(chǎn)品不等、細度和反應(yīng)性。在土壤的鎂含量低或缺乏的地區(qū)，石灰的鎂含量也應(yīng)是選擇石灰材料的一個因素。所有石灰材料的中和值是通過它們與純碳酸鈣（CaCO3）的中和值比較確定的。將CaCO3的中和值定為100，其它材料的中和值便可給出，該值叫做"相對中和值''或''碳酸鈣當量"。8.1.一些常用石灰材料的相對中和值見石灰中和值表當一定量的石灰與土壤混合時，石灰的反應(yīng)速率和反應(yīng)程度極大地取決于其顆粒大小。粗石灰顆粒反應(yīng)慢且不充分，細石灰顆粒反應(yīng)快也充分得多。石灰成本隨其研磨細度的增加而增加。選擇石灰材料的目標是該材料對研磨的要求最低，但又含有足以引起pH值快速變化的細粒組分。這樣，農(nóng)用石灰材料既含有粗成分又有細成分。有些州要求一定比例的石灰顆粒通過一定孔徑的篩，這就保證了在質(zhì)量上石灰足以中和土壤酸度。石灰粒徑的重要性如下圖石灰顆粒大小和反應(yīng)性程度的顯著關(guān)系所示：見（圖9）.適宜的石灰顆?？杉涌熘泻屯寥浪岬乃俣仍搱D說明了石灰顆粒大小和反應(yīng)性程度的顯著關(guān)系。在1—3年研究期間，大顆粒（4—8目）僅有10%有效，而小顆粒（80—100目）反應(yīng)完全。當Ca和Mg都需要時，應(yīng)施用含這兩種營養(yǎng)元素的石灰材料。一些石灰石含有等量的碳酸鈣和碳酸鎂。但研究表明，大約10%的MgCO3，就足以提供鎂（Mg）。地區(qū)間對含鎂石灰的需要各不相同。砂質(zhì)土壤缺鎂的可能性最大。雖然石灰的反應(yīng)速率取決于石灰粒徑、土壤初始pH，以及石灰與土壤的混合程度，石灰材料本身的化學(xué)性質(zhì)也是一個重要因素。例如氧化物和氫氧化物比碳酸鹽反應(yīng)快。事實上，熟石灰反應(yīng)非?？?，以至于它能部分的使土壤滅菌。如果在很接近播種期時施用熟石灰，它會由于鈣水平高而導(dǎo)致暫時缺鉀。在一些極端情況下，會造成作物生長受阻和作物部分死亡。石灰施用位置決定施石灰效果的最重要的因素是施用位置。施用位置必須利于石灰與耕層土壤最大接觸。大多數(shù)常用石灰材料都只是微溶于水，因此石灰在土壤中的分布是石灰反應(yīng)絕對必要的。即使當石灰與土壤充分混合后，如果土壤干燥，石灰對pH值的作用也很小。水分是石灰一土壤反應(yīng)進行必不可少的。當向粘質(zhì)土壤施用大量石灰時，在耕耙前先施部分石灰，然后再施剩余部分石灰，以達到最佳混合。在能耙耕10至15厘米深的砂質(zhì)土壤上，于耕翻前或耕翻后一次施用石灰耙耕入土即可。在一些種植制度中，例如多年生草地，石灰與土壤的混合只能在播種前進行。一旦草地定植，石灰必須追施。表施石灰反應(yīng)慢，也不如與土壤混合的石灰反應(yīng)完全。因而應(yīng)在pH值降至低于理想范圍前再施石灰，以避免根區(qū)酸性過度。幾種常用的石灰材料前面幾節(jié)中巳經(jīng)提到過常用的石灰材料，現(xiàn)對氧化鈣、氫氧化鈣、方解石質(zhì)石灰石、白云石質(zhì)石灰石、泥灰