土壤反应与施石灰.docx
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土壤反应与施石灰
土壤反应与施石灰
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内容提要：
土壤酸碱度是由土壤pH值表示，既土壤被氢离子（H+）饱和的程度。
它受土壤母质种类的影响，碱性基岩或母质上发育的土壤的pH值一般比酸性基岩形成的土壤高。
降雨、作物生长、作物收获移走、施肥、豆科根瘤固氮、有机质分解都会影响土壤酸度。
两种田间常使用的土壤pH值测量方法是：
指示剂速测比色法和酸度计法。
实验室测定pH仅测定了活性酸度，还必须将潜在酸度也考虑进去才能确定改良土壤的石灰需要量。
就是说石灰需要量不仅与土壤pH值有关，还与该土壤的缓冲容量或阳离子交换量有关。
土壤pH低时，有六种有害效应，如果其中的一个或多个起作用就会阻碍作物生长：
1.铝和锰元素的浓度可能达到毒害水平。
2.分解有机质和转化氮、磷、硫的生物可能数量少、活性低。
3.土壤阳离子交换量极低时，也可能缺镁。
4.豆科植物共生固氮会大大减少。
5.酸性强的粘质土壤团聚差。
6.磷和钼等养分的有效性低。
因此，施用石灰可以矫正土壤酸碱度。
许多作物在土壤pH6.0-7.0的范围内生长最好。
有些作物需要酸性土壤条件才能良好生长。
石灰降低土壤酸度的过程和反应十分复杂，但可以简化概述为石灰的一个钙离子将两个氢离子从阳离子交换复合体上置换下来，使氢离子与氢氧根离子结合生成水，从而降低氢离子浓度使土壤pH值提高。
如果上述反应的逆反应发生，就会降低土壤pH值。
应该在播种前3-6个月前施石灰，使它有足够时间与土壤反应，并应均匀撒施，以防危害种子萌发。
土壤质地、氮肥施用量、作物移取量、石灰施用量都将影响施石灰的次数。
选择石灰材料时要检查其中和值、细度和反应性。
在土壤缺镁地区，也应考虑石灰的镁含量。
石灰施用位置必须利于石灰与耕层土壤最大程度接触。
1.什么是土壤pH？
pH是指物质的相对酸度或相对碱度。
pH的量度范围从0到14，pH值7.0为中性，低于7.0为酸性，高于7.0为碱性。
大多数高产土壤的pH值在4.0至9.0之间。
这样一个pH范围的酸碱度可由下图表示。
见（图7）
.土壤pH值的含义
酸是释放氢离子（H+）的物质。
当土壤被H+饱和时，土壤表现为弱酸。
交换性复合体上持有的H+越多，土壤酸度越强。
铝也起酸性的作用，并活化H+。
碱性的离子如Ca2+和Mg2+在土壤反应中使土壤酸性降低（或碱性增加）。
土壤pH仅测量氢离子活度，用对数表示。
对数关系的实际意义是，土壤pH值每变化一个单位，酸碱度的数量变化十倍。
也就是说，pH值6.0的土壤的活性H+数量是7.0土壤的10倍。
这意味着当pH值下降时石灰的需要急剧增加。
（表4）
表4.中性pH7.0相比土壤酸碱度的相对程度
土壤pH
与pH7.0比较的酸碱度
9.0
碱性
100
8.0
10
7.0
中性
0
6.0
酸性
10
5.0
100
4.0
1000
说明与中性pH值7.0相比，土壤酸碱度的相对程度。
见表4.中性pH值7.0相比土壤酸碱度的相对程度
2.土壤pH值的影响因素
土壤酸碱度受形成土壤的母质种类的影响。
碱性基岩或母质上发育的土壤的pH值一般比酸性基岩形成的土壤的高。
降雨也影响土壤pH。
穿流土壤的水将碱性营养元素如Ca和Mg淋洗至排出水中。
它们被酸性元素如H、Mn和Al取代。
因此，在高降雨量条件下形成的土壤比在干旱条件下形成的土壤酸性强。
在土壤形成过程中，作物生长影响土壤pH值。
在森林植被条件下形成的土壤往往比在草地条件下形成的土壤酸性强。
针叶林较落叶林产生的酸性强。
收获的作物移走盐基阳离子后，土壤的酸性增强。
不同作物带走不同数量的Ca和Mg。
豆科植物含Ca和Mg的数量通常比非豆科植物高。
Ca和Mg的含量也随作物收获部分而变化。
见（表5）
表5.作物带走Ca和Mg的估测量（公斤／亩）
作物
亩产量
Ca带走量
Mg带走量
玉米
627公斤（谷粒）
0.15
1.05
玉米
0.74吨（茎秆）
1.94
2.24
棉花
75公斤（皮棉）
0.15
0.22
棉花
149公斤（茎叶）
2.09
1.34
大豆
224公斤（籽粒）
0.52
1.12
.作物带走Ca和Mg的估测量
除在一些降雨量较低的地区外，酸度一般随土壤深度的增加而增加，侵蚀引起的表土流失也能增加耕层的酸度，随着表土层变薄，耕层中包括的心土增多。
也有底土pH值比表土的pH值高的情况，结果，土壤侵蚀使pH值增高。
施肥，尤其是施氮肥，能加速土壤酸度的提高。
在低施氮量时，酸化程度很低。
但随着施氮量的增加，酸化程度大大提高。
在石灰性土壤上，施肥引起的酸化效应可能是有益的。
在铁、锰或其它某种微量元素可能缺乏的地区，降低土壤pH值可使这些元素的有效性增加。
豆科植物根系上细菌固氮有利于土壤酸化。
有机质分解增加土壤酸度。
在分解过程中初级产物之一是铵离子，当铵经硝化作用转化为硝酸根时，释放H+，这就增加了土壤酸度。
这一过程可由下式表示（施铵态氮肥的影响也相似）：
见化学（方程式）
3.土壤pH值的测定--确定石灰需要量
两种最常用的土壤pH值测量方法是指示剂比色法和酸度计法。
在田间常使用指示剂进行pH值速测。
但使用指示剂必须经过训练以避免重大误差。
如果使用恰当，其结果是可靠的。
更精确而且广泛采用的方法是使用酸度计。
将土壤和蒸馏水悬浮液与玻璃电极接触，并在校准刻度盘上读数，即可测得土壤pH值。
虽然土壤pH值是一个极好的土壤酸度指标，但它并不能确定石灰需要量。
石灰需要量是为即将采用的种植制度建立理想的（pH值范围）
5.0－6.0
6.0-6.5
6.5－7.0
欧洲越桔
狗牙根草
紫苜蓿
马铃薯
玉米
一些三叶草
甘薯
棉花
西瓜
粒用高粱
花生
大豆
小麦
需要的优质农用石灰石的数量。
当pH值在实验室测定时，仅测定了"活性酸度"。
"潜在酸度"也必须加以考虑。
把土壤pH的变化与加入一定数量的酸或碱联系起来的方法是必要的。
这种方法叫做"石灰需要量确定法"。
土壤的石灰需要量不仅与这一土壤的pH值有关，而且还与该土壤的缓冲容量或阳离子交换量有关。
土壤中粘粒和有机质的数量以及粘土的种类决定土壤缓冲（即阻止）土壤pH值变化的能力。
土壤缓冲容量随粘粒和有机质数量的增加而增加。
这种土壤比低缓冲容量的土壤需要更多的石灰提高pH值。
含少量粘粒和有机质的砂质土壤的缓冲容量低，因而改变其pH需要的石灰少。
确定石灰需要量的常用方法是以与土壤-水悬浮液的pH值对比的缓冲溶液pH值变化为基础的。
酸性土壤会降低缓冲溶液的pH值。
pH值的降低与土壤的起始pH值和土壤的缓冲容量成比例。
通过标定伴随加入已知酸量后缓冲溶液pH值的变化，可以确定将土壤改变至一特定pH值所需的石灰量。
在美国应用数种缓冲方法。
不论使用哪种确定土壤pH值和石灰需要量的方法，石灰施用量都应以可靠的方法为基础。
在粗质地土壤上施过量石灰可能会导致碱性过高和严重的问题－例如铁、锰和其它微量元素的缺乏。
但砂性土壤中能够危害作物生长的石灰量可能不足以将粘质土壤或富含有机质土壤的pH值提高到理想水平。
4.为什么酸性土壤要施石灰
4.1.石灰对土壤的作用是多方面的
石灰对土壤的作用远远超过中和酸性，石灰改善土壤的物理状况。
石灰刺激土壤微生物活性。
石灰使矿质养分对植物的有效性增强。
石灰为植物提供钙与镁。
石灰增加豆科作物的共生固氮。
4.2.土壤酸度在多方面影响作物生长
土壤pH值低时（酸性强），一个或更多个下述有害效应会阻碍作物的生长：
象铝（Al）和锰（Mn）元素的浓度可能达到毒害水平，因为在酸性土壤中它们的溶解度增加。
分解有机质和转化N、P和S的生物可能数量少，活性低。
土壤的CEC极低时，可能缺钙（很少见），也可能缺镁。
豆科植物共生固氮会大大减少。
最佳共生关系比不需固氮的植物要求的pH范围窄。
大豆的共生细菌在pH值6.0－6.2范围内作用发挥最佳，苜蓿的在pH值6.8－7.0范围内最佳。
酸性强的粘质土壤团聚差。
这导致土壤渗透性和通气性差，在这方面施石灰有间接影响，因为施石灰土壤上能获得较多作物残茬，这些残茬能改善土壤结构。
养分（如P和Mo）的有效性低。
4.3.大豆和玉米对石灰的反应良好
对种植大豆的酸性土壤施石灰，使其pH值接近中性7.0时，产量可大大提高。
旱年间，石灰可增产大豆36公斤；湿润年份可增产45公斤。
在任何情况下，大豆都得到了充足的肥料。
在酸性土壤上石灰和肥料是高产和高利润的重要组合。
农民需要在所有方面均采取正确的措施，若其中一个基本步骤不对，就会造成产量和利润损失。
长期的研究表明：
农民未能给酸性土壤施石灰，在干旱和湿润年份均有产量损失。
石灰有助于玉米和大豆种植者从施肥中获得最高的经济收益。
见（图8）
.大豆和玉米对石灰的反应良好
酸性土壤施石灰能矫正上述条件。
同时它还可减少K的淋失。
白云石质石灰能提供Ca和Mg，它们都是作物生长必需的。
5.理想pH值因作物及地域而异
许多作物在土壤pH值6.0－7.0的范围内生长最好。
但土壤酸度并不阻碍所有作物的生长。
有些作物需要酸性条件才能良好生长。
5.1.一些作物的理想pH值范围
见作物理想pH值范围表
5.0－6.0 6.0-6.5 6.5－7.0
欧洲越桔狗牙根草紫苜蓿
马铃薯玉米一些三叶草
甘薯棉花
西瓜粒用高粱
花生
大豆
小麦
5.2.土壤的最佳pH值因地而异
土壤性质因地而异。
某一地区的最佳pH值在其它地区可能不是最佳的。
例如，许多人认为在美国南部作物生产的最佳土壤pH值要比中西部和其它地区的低。
这一差别与粘土类型有关。
对于玉米、大豆和紫花苜蓿等作物来说，可能存在地区间差异，但对马铃薯等作物来说，则不然。
不管地区如何，一些作物如马铃薯或大豆在土壤pH值低于或高于各自的需要时，这些作物会受到病害和微量元素缺乏的影响。
为了满足土壤最佳pH值和石灰的需要，有必要掌握土壤以及作物的应用知识。
6.石灰如何降低土壤酸度
石灰降低土壤酸度的过程和反应十分复杂，但一个简化概述可表明石灰的作用机制。
如前所述，土壤的pH表示氢离子活度。
石灰通过将一些氢离子转化成水来降低土壤酸度（增加pH值）。
这一反应过程如下：
石灰的一个Ca++置换阳离子交换复合体上的两个氢离子（H+）。
H+离子与氢氧根离子（OH-）结合生成水。
这样，由于H+离子浓度（土壤酸度来源）降低，pH值便增加。
记住，上述过程的逆反应也可以发生。
如果不施石灰，酸性土壤会变得酸性更强。
随着碱性离子如Ca++、Mg++和K+的被带走，通常是被作物吸收带走，这些离子便被H+取代了。
这些碱性离子也可被淋失，由H+取代其位置。
如果这种土壤不适当地施石灰的话，H+活度将会持续增加，从而降低土壤pH值。
7.施石灰的时间和次数
对包括豆科作物的轮作来说，应该在播种3至6个月前施石灰，在强酸性土壤上更是如此。
例如在播种苜蓿和三叶草的前几天施石灰，由于石灰没有足够的时间与土壤反应，结果常会令人失望。
如果在秋播小麦后种三叶草，应该在种麦时施石灰。
无论何种作物，从施石灰到种植前都应该有足够的时间，以使石灰与土壤反应。
生石灰（氧化钙和氢氧化钙）应该在种植前均匀撒施，以防危害种子萌发。
笼统地谈石灰施用的次数可能是不明智的，因为涉及的因素很多。
决定再施石灰的最好办法是进行土壤测试。
至少每3年就应采一次样，砂质土壤和灌溉地的采样次数应更频些。
以下因素将影响施石灰的次数。
土壤质地－砂质土壤必须比粘质土壤更经常地施石灰。
氮肥使用量－铵态氮高施用量能产生大量酸。
作物移取量－豆科植物比非豆科植物带走的钙镁多。
石灰施用量－石灰高施用量一般意味着不必过于频繁地再施石灰。
但不要过量施石灰。
理想pH范围－维持高pH通常要比期望维持中度pH更经常地施石灰。
通常由于石灰施量不足、石灰质量差（颗粒粗）或混合不完全均匀，而不能达到期望的pH值范围。
土壤测试可监测施石灰后的pH值变化。
8.选择石灰材料－质量问题
在选择石灰材料时，要检查其（中和值）
石灰材料
相对中和值
碳酸钙
100
白云石质石灰石
95—108
方解石质石灰石
85－100
烧过的牡蛎壳
80—90
泥灰岩
50—90
生石灰
150—175
生牡蛎壳
90－110
熟石灰
120－135
钢渣磷肥
50－70
石膏
0
各种付产品
不等
、细度和反应性。
在土壤的镁含量低或缺乏的地区，石灰的镁含量也应是选择石灰材料的一个因素。
所有石灰材料的中和值是通过它们与纯碳酸钙（CaCO3）的中和值比较确定的。
将CaCO3的中和值定为100，其它材料的中和值便可给出，该值叫做"相对中和值"或"碳酸钙当量"。
8.1.一些常用石灰材料的相对中和值
见石灰中和值表
当一定量的石灰与土壤混合时，石灰的反应速率和反应程度极大地取决于其颗粒大小。
粗石灰颗粒反应慢且不充分，细石灰颗粒反应快也充分得多。
石灰成本随其研磨细度的增加而增加。
选择石灰材料的目标是该材料对研磨的要求最低，但又含有足以引起pH值快速变化的细粒组分。
这样，农用石灰材料既含有粗成分又有细成分。
有些州要求一定比例的石灰颗粒通过一定孔径的筛，这就保证了在质量上石灰足以中和土壤酸度。
石灰粒径的重要性如下图石灰颗粒大小和反应性程度的显著关系所示：
见（图9）
.适宜的石灰颗粒可加快中和土壤酸的速度
该图说明了石灰颗粒大小和反应性程度的显著关系。
在1－3年研究期间，大颗粒（4－8目）仅有10%有效，而小颗粒（80－100目）反应完全。
当Ca和Mg都需要时，应施用含这两种营养元素的石灰材料。
一些石灰石含有等量的碳酸钙和碳酸镁。
但研究表明，大约10%的MgCO3，就足以提供镁（Mg）。
地区间对含镁石灰的需要各不相同。
砂质土壤缺镁的可能性最大。
虽然石灰的反应速率取决于石灰粒径、土壤初始pH，以及石灰与土壤的混合程度，石灰材料本身的化学性质也是一个重要因素。
例如氧化物和氢氧化物比碳酸盐反应快。
事实上，熟石灰反应非常快，以至于它能部分的使土壤灭菌。
如果在很接近播种期时施用熟石灰，它会由于钙水平高而导致暂时缺钾。
在一些极端情况下，会造成作物生长受阻和作物部分死亡。
9.石灰施用位置
决定施石灰效果的最重要的因素是施用位置。
施用位置必须利于石灰与耕层土壤最大接触。
大多数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应绝对必要的。
即使当石灰与土壤充分混合后，如果土壤干燥，石灰对pH值的作用也很小。
水分是石灰－土壤反应进行必不可少的。
当向粘质土壤施用大量石灰时，在耕耙前先施部分石灰，然后再施剩余部分石灰，以达到最佳混合。
在能耙耕10至15厘米深的砂质土壤上，于耕翻前或耕翻后一次施用石灰耙耕入土即可。
在一些种植制度中，例如多年生草地，石灰与土壤的混合只能在播种前进行。
一旦草地定植，石灰必须追施。
表施石灰反应慢，也不如与土壤混合的石灰反应完全。
因而应在pH值降至低于理想范围前再施石灰，以避免根区酸性过度。
10.几种常用的石灰材料
前面几节中已经提到过常用的石灰材料，现对氧化钙、氢氧化钙、方解石质石灰石、白云石质石灰石、泥灰岩和炉渣简要描述如下：
氧化钙（CaO）－也叫生石灰。
CaO是一种白色粉末，很难处置。
它由方解石质石灰石在高炉中焙烧而成。
它的纯度取决于原料的纯度。
当氧化钙施入土壤时，它立即与土壤起反应，因此，要快速生效时，它（或氢氧化钙）是理想的物质。
生石灰应与土壤充分混合，因为它很快结块而无效。
氢氧化钙（Ca（OH）2）－俗称熟石灰。
Ca（OH）2是白色粉末状物质，很难处置。
当施入土壤中时迅速进行中和作用。
它通过水化CaO制备。
方解石质石灰石（CaCO3）和白云石质石灰石（CaMg（CO3）2）－在美国各地广泛分布着优质方解石质和白云石质石灰石矿。
它们通常由露天矿坑的方式开采。
其质量取决于其含的杂质（如粘土）。
它们的中和值范围（CaCO3当量）通常在65%－70%至略高于100%。
泥灰岩－泥灰岩是一种松软的未固结的CaCO3沉积物，分布在美国东部的许多州。
沉积物的厚度可达9米多。
泥灰可在移去覆盖层后由拉铲或掘土机开采。
泥灰的含镁（Mg）量几乎总是不高。
其作石灰材料的价值与其所含的粘土量成反相关。
炉渣－有几种物质被归为炉渣。
鼓风炉炉渣是生产生铁的副产品。
钢渣磷肥是生铁制钢的平炉法的产品。
通常利用其含磷而不是按石灰材料的价值来使用。
电炉炉渣是在制备元素磷（P）中磷灰石在电炉中还原得到的。
它是废料，通常在距生产点有限的范围内在市场上低价出售。
图7
公式2
图8
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