縉云縣典型酸化農(nóng)田土壤石灰需求量估算淺議

周楊，項(xiàng)佳敏，姚岳良，施麗珍，陳建霞，章明奎

(1.縉云縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 縉云 321400； 2.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058)

土壤酸化是指土壤中氫離子和鋁離子數(shù)量的增加，以及土壤pH值的下降。近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)田土壤酸化加速，嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1-2]。土壤酸化可加速土壤養(yǎng)分淋失、土壤結(jié)構(gòu)退化，以及鋁離子和其他重金屬離子的釋放，降低土壤酶的活性，污染地表和地下水[3-6]。施用石灰等堿性物質(zhì)是治理酸化土壤的有效措施[7-8]。但考慮到不同酸化土壤的性狀差別、酸化差異，合理確定石灰施用量是針對(duì)性地治理酸化土壤的前提。目前，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中用于估算石灰需求量的方法較多，如根據(jù)土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)和鹽基飽和度來(lái)確定石灰需求量，根據(jù)交換性酸或潛性酸含量確定石灰需求量，根據(jù)酸堿緩沖曲線計(jì)算石灰需求量[9]，采用氯化鈣交換-氫氧化鈣滴定法[10]、單緩沖法、雙緩沖法[11]和培養(yǎng)試驗(yàn)法等確定石灰需求量。不同方法的估算原理有所差異，估算出的石灰需求量也不盡相同，有時(shí)甚至有較大的差異。目前，石灰需求量的估算多針對(duì)紅壤等自然酸性土壤進(jìn)行，而對(duì)于因施肥等人為活動(dòng)導(dǎo)致的酸性土壤進(jìn)行石灰需求量估算的探討較少。為此，本研究以浙江省縉云縣典型平原耕地酸化土壤為例，比較不同方法在估算石灰需求量上的差異。

1 材料與方法

1.1 材料

在對(duì)縉云縣多個(gè)土壤樣品的理化性狀進(jìn)行測(cè)定的基礎(chǔ)上，本研究選擇酸化明顯(pH值在4.45～4.85)，有機(jī)質(zhì)、黏粒含量有明顯差異的10個(gè)土壤樣品用于試驗(yàn)，編號(hào)分別為樣品1～樣品10。選用的10個(gè)樣品涉及5種土壤類型，每種土壤類型均由有機(jī)質(zhì)含量差異較大的2個(gè)樣品組成。其中，樣品3～樣品10屬水稻土，為(河谷)平原耕地土壤；樣品1和樣品2屬低丘紅壤，土地利用方式為林地，系自然酸化土壤，用于對(duì)比。

1.2 檢測(cè)方法

采集的土壤樣品風(fēng)干后研磨，分別過(guò)孔徑2.00、0.25、0.149 mm的尼龍篩，用于分析與試驗(yàn)。土壤pH值用電位法測(cè)定[12]，CEC用醋酸銨交換法測(cè)定[12]，有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定[12]，黏粒含量用比重計(jì)法測(cè)定，交換性酸含量用氯化鉀浸提-中和法測(cè)定[12-13]，水解性總酸度用醋酸鈉(pH值8.3)浸提-中和法測(cè)定[12]。

1.3 石灰需求量估算

石灰需求量以t·hm-2表示，分別用以下4種方法進(jìn)行估算，計(jì)算時(shí)假定每1 hm2面積的表土質(zhì)量為2 250 t。

氯化鈣交換-氫氧化鈣滴定法(LY/T 1242—1999，以下簡(jiǎn)稱滴定法)。用0.2 mol·L-1氯化鈣溶液交換出土壤的交換性酸，懸液中的酸用0.03 mol·L-1氫氧化鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，用酸度計(jì)指示終點(diǎn)(pH值分別為5.5、6.5、7.0)。根據(jù)氫氧化鈣用量分別計(jì)算達(dá)到相應(yīng)土壤pH值時(shí)的石灰用量。

土壤酸堿緩沖曲線法(以下簡(jiǎn)稱緩沖曲線法)。參照文獻(xiàn)[9]，稱取若干份10 g土壤樣品于100 mL塑料瓶中，加入一定量的去離子水，然后分別加入不同量的已標(biāo)定的鹽酸或氫氧化鈉溶液，最后使加入的總體積為50 mL。間歇振蕩平衡7 d后，用電極測(cè)定土壤pH值，建立酸或堿的添加量與土壤pH值的關(guān)系曲線(即酸堿緩沖曲線)，根據(jù)建立的曲線估算某一pH值變化范圍的相應(yīng)堿用量，推算石灰用量。

交換性酸或水解性酸計(jì)算法根據(jù)所測(cè)定的土壤交換性酸或水解性酸量直接計(jì)算中和土壤酸需要的石灰用量[11]。

培養(yǎng)試驗(yàn)法。稱取若干份50 g土壤樣品于100 mL塑料瓶中，加入一定量的去離子水，然后分別加入不同量的碳酸鈣，攪勻后培養(yǎng)25 d，然后用電極測(cè)定土壤pH值。建立碳酸鈣添加量與土壤pH值的關(guān)系曲線(即緩沖曲線)，根據(jù)建立的曲線估算某一pH值變化范圍的相應(yīng)堿用量，推算石灰用量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤樣品的酸緩沖容量差異

酸堿滴定法是研究土壤酸緩沖性能的常用方法，利用土壤的酸堿滴定曲線可以表征不同土壤對(duì)酸緩沖性能的差異。Aitken等[14]對(duì)采自澳大利亞的100多個(gè)酸性土壤樣品進(jìn)行酸堿滴定發(fā)現(xiàn)，在pH值4.0～7.0內(nèi)，土壤pH值基本上與加入的酸堿量呈線性關(guān)系，其斜率可反映這段pH值范圍內(nèi)土壤的緩沖性能。考慮到一般耕地土壤酸化過(guò)程中pH值變化的主要范圍在4.5～6.5，本文計(jì)算了10個(gè)土壤樣品在pH值4.5～6.5間每變化1個(gè)pH值單位的酸緩沖容量，即單位pH值變化的酸緩沖容量(表1)。對(duì)比可知，10個(gè)土壤樣品單位pH值變化的酸緩沖容量有較大差異，最高的是最低的2倍以上。除泥質(zhì)田外，平原耕地土壤單位pH值變化的酸緩沖容量明顯低于低丘紅壤(砂黏質(zhì)紅泥)，且以泥砂田的單位pH值變化的酸緩沖容量最低。這表明，平原耕地土壤酸緩沖容量較低，容易發(fā)生酸化。相關(guān)分析表明，單位pH值變化的酸緩沖容量與土壤黏粒含量呈正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)0.916 0，n=10)。推測(cè)研究區(qū)平原耕地(泥質(zhì)田除外)土壤酸緩沖容量較低可能與這些土壤缺乏膠體(黏粒)有關(guān)；泥質(zhì)田土壤的黏粒含量較高，因此，其單位pH值變化的酸緩沖容量也較高。此外，對(duì)比同一土壤類型而有機(jī)質(zhì)含量不同的2個(gè)樣本可知，有機(jī)質(zhì)含量高的土壤樣品，其單位pH值變化的酸緩沖容量也較高，表明土壤有機(jī)質(zhì)的積累有助于土壤酸緩沖容量的提升。

2.2 不同土壤樣品的石灰需求量差異

分別采用滴定法、緩沖曲線法、培養(yǎng)試驗(yàn)法估算提升土壤pH值至相應(yīng)水平(5.5、6.5、7.0)的石灰需求量，并采用交換性酸計(jì)算法和水解性酸計(jì)算法估算中和土壤酸所需的石灰需求量，結(jié)果如表2所示。可以看出，盡管用不同方法估算出的石灰需求量有較大差異，但不同土壤樣品之間石灰需求量的變化趨勢(shì)基本一致，除用交換性酸計(jì)算法計(jì)算的8號(hào)樣品石灰需求量偏低外，其他方法估算的石灰需求量均隨土壤酸緩沖容量的增加而增加，以砂黏質(zhì)紅泥(紅壤)較高，泥砂田較低。這一結(jié)果表明，平原地區(qū)耕地土壤酸化改良的石灰需求量一般低于低丘紅壤。這可能與相同pH值條件下低丘紅壤的交換性酸含量高于平原耕地土壤有關(guān)。此外，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤，調(diào)整土壤pH時(shí)需要的石灰用量相對(duì)較高。

表1 供試土壤樣品的基本性狀

表2 基于不同方法估算的各土壤樣品的石灰需求量 單位：t·hm-2

對(duì)比分析結(jié)果可知，不同方法計(jì)算的石灰需求量有一定的差異。無(wú)論是要將土壤pH值校治至5.5、6.5，還是7.0，基于緩沖曲線法估算的石灰需求量始終最低。相關(guān)分析表明，滴定法與培養(yǎng)試驗(yàn)法估算結(jié)果的相關(guān)系數(shù)在0.967 0～0.995 4，而緩沖曲線法與培養(yǎng)試驗(yàn)法估算結(jié)果的相關(guān)系數(shù)在0.787 3～0.936 5。滴定法的估算結(jié)果與培養(yǎng)試驗(yàn)法更為接近，相關(guān)性更高。導(dǎo)致滴定法與緩沖曲線法估算結(jié)果差異的原因可能是：滴定法試驗(yàn)時(shí)采用氫氧化鈣作為堿性物質(zhì)，與土壤改良時(shí)實(shí)際應(yīng)用的石灰石粉的性狀接近；而緩沖曲線法試驗(yàn)時(shí)所用的酸、堿試劑均為強(qiáng)酸和強(qiáng)堿，它們與土壤作用完全，達(dá)到某一設(shè)定的pH值變化所需的酸或堿用量比土壤改良時(shí)所用的石灰石粉(碳酸鈣)量要少。

從表2結(jié)果還可以看出，當(dāng)用交換性酸直接計(jì)算石灰需求量時(shí)，其值要低于用水解性酸直接計(jì)算的結(jié)果，后者比前者高36.21%～148.90%，平均高83.22%。這可能與交換性酸測(cè)定交換出主要為礦物膠體上釋放的酸，對(duì)有機(jī)物質(zhì)中交換性氫的交換不夠完全有關(guān)。對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤，分別基于水解性酸與交換性酸計(jì)算的石灰需求量的差異(平均相差103.78%)要比有機(jī)質(zhì)含量較低的土壤(平均相差62.67%)更為明顯。

與調(diào)整pH值至7.0時(shí)用培養(yǎng)試驗(yàn)法計(jì)算的石灰需求量相比，基于水解性酸計(jì)算得到的石灰需求量要高出6.97%～26.90%，而基于交換性酸計(jì)算得到的石灰需求量要低出17.59%～56.93%，即基于交換性酸估算的石灰需求量偏低，而基于水解性酸估算的石灰需求量偏高，總體上以基于水解性酸估算的石灰需求量較為接近培養(yǎng)試驗(yàn)法的結(jié)果。

3 小結(jié)

本研究以縉云縣典型酸化農(nóng)田土壤樣品為材料，分別采用滴定法、緩沖曲線法、交換性酸計(jì)算法和水解性酸計(jì)算法估算校治酸化土壤的石灰需求量，并與培養(yǎng)試驗(yàn)法的估算結(jié)果進(jìn)行比較，認(rèn)為滴定法估算的石灰需求量較符合實(shí)際。縉云縣平原耕地土壤的酸緩沖容量明顯低于低丘紅壤，相應(yīng)地，對(duì)其進(jìn)行降酸處理所需要的石灰量也低于相似酸度的紅壤。校治酸性土壤的石灰需求量隨土壤黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加。