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土壤酸碱值

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土壤pH的全球变化，红=酸性土、黄色=中性土、蓝色=碱性土、黑色=无数据

土壤酸碱值，又称土壤pH值，是衡量土壤中酸度或碱度所代表的意义。是溶液中氢离子活度的一种标度，也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。土壤pH被认为是土壤中的主要变量，因为它控制发生的许多化学过程。

它通过控制营养物的化学形式特异性地影响植物营养物的可用性。

大多数植物的最佳pH范围在5.5和7.0之间，然而许多植物已经适应在该范围之外的pH值下生长。

土壤pH值范围分类

美国农业部，将土壤pH范围分类如下： [1]

名称 pH范围
超酸性 < 3.5
极酸性 3.5–4.4
极强酸性 4.5–5.0
强酸性 5.1–5.5
中等酸性 5.6–6.0
微酸性 6.1–6.5
中性 6.6–7.3
微碱性 7.4–7.8
中等碱性 7.9–8.4
强碱性 8.5–9.0
非常强碱性 > 9.0

土壤pH值的来源

酸度的来源

土壤中的酸性来自土壤溶液中吸附到土壤颗粒表面的氢离子和铝离子。虽然酸度是指氢离子浓度，但铝离子在酸性土壤中同样起着重要作用。由于酸性环境下铝离子（Al3+）与水分子（H2O）反应生成Al(OH)2+离子，并释放氢离子（H+），在pH值介于4-6的范围内，大约会有10-8mol/L的铝离子参与反应。许多其他过程有助于形成酸性土壤，包括降雨量，肥料使用，植物根系活动和初级和次级土壤矿物的风化。酸性土壤也可能由污染物引起，例如酸雨和矿渣。

  • 降雨：酸性土壤最常见于降雨量大的地区。 过量的降雨量从土壤中浸出碱性阳离子。另外，由于雨水中的碳酸与 CO2的反应，所以雨水俱有5.7的微酸性pH值。
  • 肥料使用：铵 （NH4+）肥料在称为硝化的过程中在土壤中反应形成硝酸盐（NO3−），并在过程释放氢离子。
  • 植物根系活力：植物吸收离子形式的营养物质（NO3−, NH4+, Ca2+, H2PO4−, etc.）,吸收比例来说阳离子比阴离子吸收还多。然而植物必须在其根部保持中性电荷。为了补偿额外的正电荷，它们将从根部释放氢离子。 一些植物还将有机酸渗出到土壤中以酸化其根周围的区域，以帮助溶解在中性pH下不溶的金属营养物质，例如铁 (Fe)。
  • 风化作用:组成土壤的主要矿物和次要矿物都含有铝（Al）。随着风化作用的进行，诸如镁（Mg）、钙（Ca）、钾（K）等部分矿物元素流失或者被植物吸收，其余的诸如硅（Si）从土壤中析出，而由于化学性质的原因，铁（Fe）和铝（Al）会留在土层中。高度风化的土壤往往含有高浓度的铁氧化物和铝氧化物。
  • 酸雨：当大气中的水与工业过程产生的硫和氮化合物反应时，结果可能是雨水中形成硫酸和硝酸。
  • 酸性矿井水：由于黄铁矿的氧化，在矿井附近可能形成严重的酸性土壤。
  • 酸性硫酸盐土壤：在经常积水的海岸和河口环境下，会自然形成富含酸性硫酸盐的土壤。这些土壤即使排水后或者采挖出来也具有很高的酸性。
  • 通过微生物分解有机物质释放 CO2 当其与土壤水混合时可形成碳酸 (H2CO3)。[2]

碱度来源

碱性土壤具有高的碱性阳离子饱和度 (K+, Ca2+, Mg2+ 和 Na+)。这是由于可溶性盐，如钠盐的累积。所有盐水和钠碱土壤具有高盐浓度，盐碱土以钙和镁盐为主，钠碱土以钠为主。碱性土壤的特征在于存在碳酸盐。在靠近表面的石灰石区域中的土壤是来自石灰石中的碳酸钙的碱性土壤，与土壤不断混合。[3]这些地区的地下水源含有溶解的石灰石。

土壤pH值对植物生长的影响

与土壤pH相关的营养物利用度[4]

酸性土壤的影响

[5] 在酸性土壤中生长的植物可能会有各种各样的症状出现，包括铝 (Al)、氢 (H)、和/或锰 (Mn)的毒性， 以及钙 (Ca) 和镁 (Mg)的营养缺乏。

铝的毒性是酸性土壤中最普遍的问题。铝存在于所有土壤中，但溶解的 Al3+ 对植物有毒；Al3+在低pH下溶解性很高，大多数土壤中当pH高于5.2时Al3+才不易溶解。[6]

铝不是植物养分，并且因此不被植物主动吸收，而是通过渗透被动地进入植物根。铝抑制根生长；侧根和根尖变粗、根缺乏精细分枝；根尖可变成棕色。在根中，已经显示铝干扰许多生理过程，包括钙和其他必需营养物的摄取和转运，细胞分裂，细胞壁形成和酶活性[7]

在含有锰含量高的矿物的土壤中，锰的毒性在pH5.6以下会成为问题。锰如铝，随着pH下降变得越来越可溶解，并且在pH水平低于5.6时可以看到锰的毒性症状出现。锰是叶绿素的组成物之一，因此植物将锰转运到叶中。锰毒性的经典症状是叶子皱缩呈现托起状态。

关于土壤pH养分有效性

[8] 由植物大量需要的营养物被称为大量营养素，包括氮 (N)、磷 (P)、钾 (K)、钙 (Ca)、镁 (Mg) 和硫 (S)。植物需要微量的元素被称为微量营养素或是微量营养素物。微量营养物不是植物组织的主要成分，但是对于生长是必需的。它们包括铁 (Fe)、锰 (Mn)、锌 (Zn)、铜 (Cu)、钴 (Co)、钼 (Mo)、和硼 (B)。

大量营养素和微量营养素的可用性受土壤pH的影响。在轻度到中度碱性的土壤中，钼和大量营养素（除了磷外）的可用性增加，但是 P、Fe、Mn、Zn Cu、和 Co水平降低并且可能不利地影响植物生长。

在酸性土壤种，微量营养素（除钼、硼外）的有效性会提高。氮通过固氮或肥料调节作为铵 (NH
4) 或硝酸盐 (NO
3) 供应，溶解的氮在土壤pH为6.0至8.0时将具有最高浓度。

相对于磷元素而言，氮元素对pH较为不敏感。为了使磷能够被植物所利用，土壤pH需要在6.0至7.5的范围内。

如果pH低于6.0，磷开始与铁 (Fe) 和铝 (Al) 形成不溶性化合物，如果pH高于7.5，则开始与钙 (Ca)形成不溶性化合物。 在5.5至6.5的pH范围内可以避免大多数养分缺乏，条件是土壤矿物质和有机物质含有开始的必需营养素。

水资源的可利用有关土壤pH

更多信息：含水量和水势

确定pH值

测定pH的方法包括：

  • Observation of soil profile: Certain profile characteristics can be indicators of either acid, saline, or sodic conditions. Strongly acidic soils often have poor incorporation of the organic surface layer with the underlying mineral layer. The mineral horizons are distinctively layered in many cases, with a pale eluvial (E) horizon beneath the organic surface; this E is underlain by a darker B horizon in a classic podzol horizon sequence. This is a very rough gauge of acidity as there is no correlation between thickness of the E and soil pH. E horizons a few feet thick in Florida usually have pH just above 5 (merely "strongly acid") while E horizons a few inches thick in New England are "extremely acid" with pH readings of 4.5 or below.[9][10][11] In the southern Blue Ridge Mountains there are "ultra acid" soils, pH below 3.5, which have no E horizon.[12] Presence of a caliche layer indicates the presence of calcium carbonates, which are present in alkaline conditions. Also, columnar structure can be an indicator of sodic condition.[13]
  • 观察优势种群。避钙植物（英语：Calcifuge）（Calcifuge plants）偏好酸性土壤，包括 欧石楠属 (Erica)、杜鹃花属 (Rhododendron)和几乎所有的杜鹃花科 (Ericaceae) 其他物种，以及桦木属 (Betula)、毛地黄属 (Digitalis)、荆豆属 (Ulex spp.) 的许多植物，和欧洲赤松 (Pinus sylvestris)。钙生植物（Calcicole plants）偏好富含石灰质（通常呈碱性）的土壤，包括梣属 (Fraxinus spp.)、忍冬属 (Lonicera)、醉鱼草属 (Buddleja)、山茱萸属 (Cornus spp.)、丁香属 (Syringa) 和铁线莲属 (Clematis) 等物种.
  • 使用便宜的pH测试试剂盒，其中在小样本的土壤中与根据酸度/碱度改变颜色的指示剂溶液混合。
  • 使用石蕊试纸，小的土壤样品与蒸馏水混合，其中插入石蕊试纸条。如果土壤是酸性的，纸张变红，如果碱性，蓝色。
  • 使用市售的电子pH计，插入潮湿的土壤中测量氢离子的浓度。

改变土壤酸碱度

增加酸性土壤pH值

The most common amendment to increase soil pH is lime (CaCO3 or MgCO3), usually in the form of finely ground agricultural lime. The amount of lime needed to change pH is determined by the mesh size of the lime (how finely it is ground)and the buffering capacity of the soil. A high mesh size (60–100) indicates a finely ground lime, that will react quickly with soil acidity. Buffering capacity of soils is a function of a soils cation exchange capacity, which is in turn determined by the clay content of the soil, the type of clay and the amount of organic matter present. Soils with high clay content, particularly shrink–swell clay, will have a higher buffering capacity than soils with little clay. Soils with high organic matter will also have a higher buffering capacity than those with low organic matter. Soils with high buffering capacity require a greater amount of lime to be added than a soil with a lower buffering capacity for the same incremental change in pH.

可用于增加土壤pH的其它修正包括木灰，工业 CaO （生石灰）和牡蛎壳。白木柴灰包括对于需要离子如 Na+ （钠）, K+ （钾）, Ca2+ （钙）,的过程重要的金属盐，其对于选择的菌群可能是或可能不是好的，但降低土壤的酸性质量。

这些产品通过 CO32− 与 H+ 反应产生 CO2 和 H2O，从而提高土壤的pH值。硅酸钙通过除去游离氢离子来中和土壤中的活性酸度，从而增加pH。由于其硅酸盐阴离子捕获 H+离子（提高pH）, 它形成单硅酸 (H4SiO4)，中性溶质。

降低碱性土壤pH值

参见

参考资料

  1. ^ Soil Survey Division Staff. Soil survey manual.1993. Chapter 3, selected chemical properties.. Soil Conservation Service. U.S. Department of Agriculture Handbook 18. [2011-03-12]. （原始内容存档于2011-05-14）. 
  2. ^ Sparks, Donald; Environmental Soil Chemistry. 2003, Academic Press, London, UK
  3. ^ 存档副本. [2016-12-22]. （原始内容存档于2020-09-28）. 
  4. ^ Finck, Arnold. Pflanzenernährung in Stichworten. Kiel: Hirt. 1976: 80. ISBN 3-554-80197-6. 
  5. ^ Brady, N. and Weil, R. The Nature and Properties of Soils. 13th ed. 2002
  6. ^ Hansson et al (2011) Differences in soil properties in adjacent stands of Scots pine, Norway spruce and silver birch in SW Sweden. Forest Ecology and Management 262 522–530
  7. ^ Rout, GR; Samantaray, S; Das, P. Aluminium toxicity in plants: a review (PDF). Agronomie. 2001, 21 (1): 4–5 [11 June 2014]. doi:10.1051/agro:2001105. （原始内容存档 (PDF)于2014-08-19）. 
  8. ^ 存档副本. [2011-07-20]. （原始内容存档于2012-04-01）. 
  9. ^ [1] （页面存档备份，存于互联网档案馆） Soilinfo PSU
  10. ^ 存档副本. [2009-01-28]. （原始内容存档于2009-02-07）.  USDA Myakka data
  11. ^ 存档副本. [2009-01-28]. （原始内容存档于2009-03-20）.  USDA Berkshire data
  12. ^ [2] （页面存档备份，存于互联网档案馆） USDA Cataloochee data
  13. ^ Buol, S. W., R. J. Southard, R.C. Graham and P.A. McDaniel. Soil Genesis and Classification. (5th) Edition, Ia. State Press p. 494. 2002
  14. ^ Brady, N. and Weil, R. The Nature and Properites of Soils. 13th ed. 2002

外部链接

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