不同酸化剂对土壤缓冲能力修正的影响

摘要

全球人口增长对所有生物的粮食安全提出了挑战，最终需要扩大农业用地来满足需求。对于栽培，连同其他参数，大多数营养物质的最佳可利用性是在pH值小于6时发现的。而覆盖地球表面四分之一以上的碱土限制了广泛的可用耕地范围。pH值的改变通常是通过添加合成化学物质或天然生物量来实现的，但任何改变的有效性都直接受到土壤缓冲能力的抑制。缓冲能力保持土壤的pH值。这项研究旨在通过使用各种化学物质，在很长一段时间内降低土壤pH值，并有效地维持它。本研究中试图降低土壤pH值的化学物质有:硫酸铝(Al₂(所以₄）_3.)、过氧化氢(H₂O₂)、盐酸(HCl)和硫酸(H₂所以₄)．这些化学制剂分别分批和组合施用于三种不同质地的土壤。不同土壤的缓冲能力与土壤质地相关，比较化学改良剂对土壤的缓冲效果。处理后的土-水(1:1)膏体在室温下保存5个月。大多数化学处理不仅显著降低了pH值，而且使pH值保持了较长时间，表明适宜在理想的酸性pH值(3-6)下进行栽培。

关键字

土壤pH值，化学修正，土壤质地，pH值调节

简介

全球人口不断增长，可耕种土地有限，使粮食安全成为我们星球面临的一项重大挑战[1］．为了满足不断增长的人口对粮食的需求，必须通过增加旱地耕作面积的百分比来进行集约化农业生产。人们正在作出重大努力，使有限的可用土地不仅能满足所需的粮食目标，而且还能改善农村收入机会，特别是在发展中国家[2］．除了基本pH值范围外，世界上许多地区都有潜力满足耕作要求，这限制了开发可用土地用于农业用途[3.］．土壤pH值，是氢离子的浓度，用负对数表示。pH值增加或减少一个单位，对应氢离子浓度增加或减少十倍[4］．土壤的pH值通常在3 - 8之间，pH值低于7.0为酸性，高于7.0为碱性。土壤的所有物理、化学和生物特性都受到土壤pH值的强烈影响[5，6］．土壤pH值是一个“主变量”，它不仅控制着土壤的养分有效性和微生物活动，而且还控制着作物的生长和植物的发育[7］．土壤质地、有机和无机养分以及土壤中发生的各种化学过程决定了土壤pH值的命运[8］．pH值的变化也受土壤母质的影响，与平均降水量和温度呈负相关[4］．地形和坡度也是影响土壤ph值的因素。文献显示，在世界上许多地区，由于所有种植参数(即温度、降水等)的适宜性，除了土壤的碱性外，农业扩张的潜力是不可实现的。[3.］．为使土壤达到特定种植所需的理想pH值范围，可通过添加合成化学品或天然生物质进行改良[9］．任何改良剂的有效性在很大程度上取决于土壤的缓冲能力，而土壤的缓冲能力又取决于若干因素:例如矿物学、土壤质地、有机质含量及其复杂组合[10］．土壤缓冲能力确保土壤pH值稳定[11］．人们一直在设计通过自然和化学改性来降低土壤pH值的策略，但长期保持其长期稳定性是一项艰巨的任务。用于酸化的方法包括直接无机酸化，即H2SO4、HNO3、HCl或三价金属离子盐，如铝(Al)和铁(Fe)，以及间接生物辅助酸化NH4或S [12］．向土壤中添加有机物会在分解过程中产生酸和腐殖质，从而增强阳离子交换能力，从而提高酸饱和的百分比[13］．在其他化学改性中，通常使用元素硫，尽管它具有成本效益，并具有长期的现场规模应用，但自养细菌将其氧化为硫酸是一个非常缓慢的过程[14］．硫酸铝含有14%的水溶性硫，可用作降低土壤pH值的化学改良剂[15］．硫酸铁也可用来酸化土壤，其反应速度比单质硫快得多。但是，单一化学药剂能否长期维持土壤pH值仍有争议，原因有二:(a)立即处理后的pH值变化很突然;(b)土壤的高缓冲能力能迅速抵消pH值的变化[16］．因此，有必要通过不同化学物质的组合来设计处理方法，以解决这两个问题。本研究的重点是设计一种通过添加各种酸化化学剂来长期改变土壤pH值的处理方法，并探讨土壤缓冲能力与其质地的关系。目的是设计一种合适的化学品组合，可以降低pH值，并在很长一段时间内有效地保持pH值。监测土壤pH值，为期5个月。本文主要分析了粘土壤土、粉砂壤土和砂质粘土壤土三种类型的土壤。

材料与方法

样品收集

从0 ~ 20 cm深度采集了3种不同类型的复合土壤样品。土壤质地和分类是使用Jozefaciuk等人采用的程序确定的表1［17］．土壤样品首先风干，研磨，并通过2毫米筛。

表1。正在调查的三种不同土壤样品的质地。

土壤分析

测定了3种不同质地土壤的不同理化性质，即pH值、电导率、有机质、石灰、硝酸盐、磷和钾含量。经质地评价，土样划分为砂质粘土壤土、粘土壤土和粉壤土表1．用一次性塑料烧杯在400克土壤中加入1:1的土壤-水悬浮液，测量土壤pH值。饱和膏体放置一夜，使盐溶解、平衡和好氧溶解过程[18］．电导率(EC)采用EC计在1:5土-水悬浮液中测量[19］．采用酸中和法测定石灰[20.］．土壤有机质和磷的测定方法参照文献[21，22］．有效钾含量用火焰光度法测定(火焰光度计，Spectrolab S20- 4，英国威尔特郡)。总氮的测定方法由Breemmer (Breemmer 1982)设计。所测得的理化性质列于表2．

表2。所调查土壤样品的理化性质。

土壤处理

在测量了物理化学性质后，对土壤进行了不同的化学处理，分别施用和组合施用，如图所示表3．设计的任何化学剂量的量，取决于它的流行，以及期望的目标pH值和土壤的缓冲能力。用于改变土壤pH值的化学药剂均为分析级:硫酸铝(Al₂(所以₄）_3.，西格玛，99.99%)，过氧化氢(H₂O₂， Fluka，≥30%)，盐酸(HCl, Sigma, 38%)和硫酸(H₂所以₄， Sigma, 99.99%)。

表3。应用于土壤样品的不同化学处理概述。

将400 g土壤与水在塑料烧杯中按1:1的比例配制成糊状，在室温下进行3次重复处理。三种土壤质地的对照样品也被保存(没有任何处理)。将膏体放置一晚，以使盐溶解和平衡，然后测量pH值。开始时，每天测量pH值，但一个月后，测量时间分别是3天和10天。在180天的时间里测量了pH值的变化。

结果与讨论

个别处理对砂质粘土壤土、粘土壤土和粉壤土pH值的影响

砂质粘土壤土、粘土壤土和粉壤土未处理土壤的初始pH分别为7.50、6.44和6.74。不同处理对砂质粘土壤土pH值的影响图1 (a)．艾尔₂(所以₄）_3.单独施用后，pH值降至2.95,180 d后pH值上升至3.75，并成功保持，表明土壤缓冲能力被Al₂(所以₄）_3.．

(1）

直接在土壤上施酸是立即降低土壤pH值的最有效方法[23］．H₂所以₄和HCl的加入使pH从7.48降低到3.87和0.38，后来由于土壤的缓冲特性，pH分别回升到4.7和7.0，如图所示图1 (a)［24］．H₂O₂是一种强氧化剂，通过改善土壤氧合作用，用于土壤修复[25］．

（2）

H₂O₂自然分解后分解为微生物和根需氧代谢所需的分子氧。氧气的有效性很重要，因为土壤缺氧直接影响根的生长。芽和植物的生长直接受到土壤氧的影响[26］．超氧阴离子(O^{2 -})，氢过氧自由基(HO₂º)和过氧化氢阴离子(HO₂-)以步骤数发布。反应如下[27］．

（3）

（4）

（5）

如图1H (a - c)₂O₂单独施用H的效果不明显，不具有降低pH的能力，这是由于添加H可能降解土壤有机质₂O₂［27］．

处理前黏土的pH值为6.44。对于粘土壤土，所有组合均能显著降低pH值。艾尔₂(所以₄）_3.将pH值从6.44降低到2.72，并成功地维持了180天。这表明，粘土壤土的行为与砂质粘土壤土相似，但由于土壤质地的变化，观察到的变化很小表1．随着酸的加入，即H₂所以₄， pH值降至1.73,180天内在1.5至2.75之间波动。在盐酸的作用下，pH降至0.67,180 d后又降至6.7。应用H₂O₂进入重粘土土壤，增加生物量，从而增加作物产量[28］．如上所述，当H₂O₂单独使用12天后pH没有变化，但随后pH有所增加，达到pH 8.0，结果显示在图1 (b)．pH值的增加是由于有机物的破坏，有机物有助于抵抗pH值范围的变化[29］．对砂质粘土壤土的研究得到了相同的结果。这种土壤缓冲能力强的原因是砂质粘土壤土比粘土壤土和粉砂壤土粘土含量高，分别为35.61%、26%和16.6%。砂质粘土壤土的试验结果基本相同，变化不大。事实上，任何处理的数量都取决于土壤质地，因为粘土和有机质通过吸收和释放矿物离子起到缓冲作用，因此高粘土或有机质土壤对任何处理的反应都很小。

对于淤泥壤土，Al₂(所以₄）_3.将pH值从6.74降低到3.65，并成功地维持了180天，如图所示图1 (c)．加入HCl和H₂所以₄将pH分别调节为6.6、4.5。对H₂O₂，与砂质粘土壤土和砂质壤土的变化趋势相同。这可以从图1 (c)由于土壤含沙量高，土壤的自然缓冲能力非常小，对这种类型的土壤的控制是不可行的，因为任何类型的改良剂都会对其产生强烈影响。如前所述，三个研究土壤样本的结果不同是由于土壤的质地和成分[10］．

两种化学药剂在砂质粘土壤土、粘土壤土和粉壤土上的联合处理

在两种化学物质的组合应用的处理，以及，结果显示图2 (a-c)．当艾尔₂(所以₄）_3.与酸配合使用时，pH值降低至2.0 ~ 2.5。两种化学物质的结合，即铝₂(所以₄）_3.H2O2没有表现出任何降低pH的能力，但实际上它降低了Al的降低pH的能力₂(所以₄）_3.．Al的pH值₂(所以₄）_3.在3-3.5范围内，而与H₂O₂， pH值提高到6.0 ~ 6.5。似乎是H2O2使有机质矿化，由于有机酸的缺乏，pH值升高。为粘土壤土，当阿尔₂(所以₄）_3.与酸，即H₂所以₄和HCl时，pH值急剧下降(1.0)图2 (b)．酸首先迅速降低pH值，然后观察到pH值以相同的速度增加，但由于铝的存在₂(所以₄）_3.由于土壤的酸化可能是由铝缓慢释放质子来维持的，因此pH值的线性稳定范围得以维持₂(所以₄）_3.．H₂O₂对于酸，也就是预期的pH值急剧下降没有观察到。这可能是由于添加H后土壤发生了一系列化学反应₂O₂．

两种化学药剂配用粉壤土的试验结果图2 (c)．艾尔₂(所以₄）_3.与H₂O₂土壤pH值呈下降趋势，30 d后恢复原状₂(所以₄）_3.在酸的组合中使用，观察到pH值急剧下降。H₂所以₄降低了pH值，但其效果被土壤的缓冲系统所中和。研究发现，土壤的质地决定了土壤的缓冲能力;即粘土比壤土具有更强的抗pH变化能力，其次是砂质土，这是由于砂质土的缓冲能力较低，最终原因是其粘土和有机质含量较低[30.］．但添加浓酸会破坏土壤质地，造成养分有效性不平衡[24］．

三种化学药剂在砂质粘土壤土、粘土壤土和粉壤土上的联合处理

处理也应用于三种化学物质的组合，即铝₂(所以₄）_3.， H2O2和H2SO4转化为砂质粘土壤土、粘土壤土和粉壤土，如图所示图3．对于砂质粘土壤土，首先由于直接酸化而降低pH值，然后在Al的作用下维持低pH值₂(所以₄）_3.．在粘土壤土中，由于Al的存在，直接酸化导致的pH值急剧下降₂(所以₄）_3.在1个20天内观察到良好的线性pH值为1.5。粉砂壤土也有相同的趋势，变化不大。这意味着优化应用的数量将导致获得所需的pH值范围的种植成功。在淤泥壤土的情况下，当Al₂(所以₄）_3.与H₂O₂和H₂所以₄由于直接酸化，在25天后观察到pH值急剧下降(即1.0)，由于Al的作用，pH值维持在3₂(所以₄）_3.．

结论

结果表明，Al2(SO4)3单独或与H结合时具有较大的降低pH的潜力，这是由于Al2(SO4)3的质子释放缓慢所致₂所以₄以及将S转化为H₂所以₄通过微生物的作用。同样,H₂O₂， HCl和H₂所以₄有助于与其他化学制剂设计适宜的组合以调节土壤pH值。与其他化学物质结合H₂O₂由于现有土壤缓冲系统的改变，有助于维持其pH值。研究了添加HCl和H的二元组合对土壤pH值的快速和长期维持₂所以₄被完成。此外，不同质地土壤的缓冲能力之间的相关性表明，所研究的土壤缓冲能力的顺序为粘土- >砂质粘土- >粉质粘土。

声明

鸣谢

作者感谢Mubashar Ahmed(巴基斯坦阿伯塔巴德马铃薯研究中心的科学官员)在土壤分析方面的协助。

资金

作者没有从任何来源获得该项目的资金。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

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