从土壤的化学性质入手寻找土地修复的捷径

高尔雅

摘要：土壤化学是传统土壤科学中最古老的基础分支学科之一，本文从土壤有机质的化学组成、土壤胶体、土壤溶液、土壤酸度、土壤缓冲性、土壤氧化还原性等化学性质入手，揭示了利用、保护、管控和修复土壤的途径和答案。这为解决当前我国土壤科学研究中面临的土壤肥力提升与粮食安全、土壤污染修复与生态环境安全、土壤碳氮平衡与全球变化等问题和挑战提供了重要的理论和技术支撑。

关键词：土壤；化学；保护；修复；利用

土壤是“地球的皮肤”，它是覆盖在地球陆地表面上能够生长植物的疏松层，是地球系统无机界向生物有机界转化的“桥梁”，是陆地生态系统和生命发展的基础。人的命脉在田，田的命脉在水，水的命脉在山，山的命脉在土，土的命脉在树。土比金子重要，没有土人类无法生存。了解了土壤的化学性质，我们就可以为利用、保护、管控和修复土壤找到答案；了解“土壤化学”，我们就可以化腐朽为神奇，变废墟为瑰宝。地球上山水林田湖是一个生命共同体，建设美丽中国，离不开美丽土壤的保护。研究和修复“生病的土壤”，对我们新时代应用化学专业的青年学生来说使命在肩、责无旁贷。

1 土壤因其化学性质而变得美丽。

土壤具有支撑地球生命的独特功能，在揭示土壤的这种独特功能方面，土壤化学始终扮演着重要的角色。化学在土壤中无处不在，土壤化学主要是土壤的化学性质，它包括常用的农作物和有机质的化学组成、土壤胶体、土壤溶液、土壤酸度、土壤缓冲性、土壤氧化还原性等。植物从土壤中摄取的无机元素中有13种对其正常生长发育都是不可缺少的（营养元素）：N、P、K、S、Ca、Mg、Fe、Mn、Mo、Cl、Cu、Zn、B。这是元素化学学科的基础，一切的化学研究都基于元素及其各自衍生物。从这一点就可以看出土壤与化学息息相关，密不可分，比如现实中许多中药材、果品也因这些无机元素的多寡而受到影响。

在研究土壤颜色的时候，我们发现原来土壤的颜色与无机化学中经常听到的许多矿物的颜色存在密切的联系。土壤颜色为白色，主要原因在于其内部存在的水溶性盐、石灰石、高岭土以及石英等，比如盐碱土星白色，具体原因在于可溶性盐碱针对土壤发挥了染色功能，钙积层当中富含碳酸钙，而碳酸钙即为白色，这就使得钙积层主要呈现为灰色或者白色，本身与碳酸钙含量之间存在密切的联系。又比如，我国南方地区普遍存在的红色土壤，是因为氧化铁存在的染色功能。而氧化铁本身的种类不同，水化程度不同，呈现出来的颜色也存在明显的差异性。倘若土壤富含针铁矿，其本身的水化程度非常高，则会导致土壤呈现为金黄色。我国的黄土高原分布有大量的黄土。还有紫色土是一种非地带性土壤，在我国主要分布于四川盆地，紫色土是由紫色砂页岩作为成土母质，逐步发育而来，紫色土是在频繁的风化作用和侵蚀作用下形成的。不同的颜色呈现了不同的地貌特色，共同构成了美丽的地球。

2 土壤的酸碱性是可以被调节的。

土壤与我们化学专业最熟悉不过的ph也有关，土壤跟我们每天研究的许多溶液一样其自身也有酸碱性。土壤中H+的来源由土壤空气、有机质分解、植物根系和微生物呼吸所生成的CO2存在密切的联系，同时也与有机体分解生成的有机酸存在联系，并且还与生理酸性废料、硫化细菌以及硝化细菌等存在关联。各个地区的气候不同，对土壤酸化的影响也存在差异。对于降水量较大的地区来说，盐基离子长时间受到冲刷，被氢离子所取代，会存在大量的氢离子积累。例如，我国东北特有的酸性土，正是因为寒冷多雨的环境影响。而西北、北方，因为降雨相对较少，使得土壤当中的盐基大量累积，呈现为中性、石灰性以及碱性。

除此之外，土壤酸度与作物之间存在较大的关联。各种作物本身在酸碱性方面的要求存在明显的差异性。仅有少部分作物能够在强碱性或者强酸性的土壤环境中正常生长，大部分作物均只能够在PH6～7的环境中生长。酸度同样会对土壤当中矿物质养分产生干扰，处在PH6～7的环境中，大部分矿质养分均具有理想的有效性。对于强酸性土壤来说，钾、磷、钙、镁、钼则能够得以有效提升，然而对作物本身存在毒害的铝离子也会明显增加。因此，为保障土壤环境适合作物生长，可以在酸性土壤当中加入石灰石粉，碱性土壤则可以加入废硫酸、硫磺以及石膏等。

3 土壤的“病灶”是可以被诊断疗伤的。

土壤是无言诉说病情的“病人”，土壤受到重金属无机物和有机物的侵蚀，变成了有病的土壤。诊断土壤病因必先了解土壤的化学性质。土壤跟化学试剂一样，它也有自己的溶液体系，有浓度，溶质，溶剂，溶解的问题，这些都是最基本的化学问题。土壤溶液的浓度是极其稀薄的，所以其能够保障植物生长过程中获得充足的水分。然而对于半干旱、干旱区域，因为土壤当中的可溶性盐类含量过高，相应的渗透压也在持续增加，导致作物难以获得生长所需的水分。

氧化还原是化学学科里面非常重要的一种反应，其实我们往往都忽略了土壤本身可以视作相对较为复杂的氧化还原体系，当中包含诸多有机、无机的氧化还原物质。通常情况下，土壤当中的氧化剂主要为高价金属离子、游离氧，还原剂则为各种有机质及厌氧情况下进行分解的产物。需要注意的是，土壤存在的氧化还原本身会受到认为因素、季节因素的影响，呈现为动态的变化趋势，针对土壤氧化还原反应进行指标反应的内容在于氧化还原反应电位（Eh）。这个电位就相當于我们化学中衡量氧化还原反应是否自发或者反应的难易程度的电极电势。通俗来说，电对的标准电极电势越大他的氧化性越强，电极电势越负，它的氧化性就越强，土壤中的电位其实也是同样的道理。根据这些性质，目前国内一些专家学者正在使用特制的设备对它进行检测、诊断，确定病的类型，对症下药，对土壤氧化还原。

4 土壤化学可以让我们化“腐朽为神奇”。

正如许多科学发现往往来自于不经意的突发奇想。土壤就对葡萄酒的质地有非常主要的影响，葡萄酒的酿造过程涉及酵母菌和发酵化学，细菌的发酵化学，酸碱平衡，葡萄酒的降酸与增酸，酒石酸盐沉演，葡萄酒胶体化学和葡萄酒的氧化还原体系等一些化学原理。葡萄园的风土决定葡萄酒的先天风格，在这许多条件之中，土壤的影响最为深刻。只有贫瘠的地，才能生产优质的葡萄 。葡萄树不需要太多养分，贫瘠的土地反而适合葡萄的种植，肥沃的土地使葡萄树枝叶茂盛，无法生产优质葡萄。通常种植在水分和营养充足的肥沃土壤上的葡萄藤，会生长出大量的绿色枝叶；而种植在贫瘠且水分不高的土壤上的葡萄藤，通常根会扎得比较深，能结出更浓郁、更复杂的果实。土质对葡萄酒的影响相当复杂，波尔多产区因为吉隆河（R.Girande）分为“左岸”“右岸”两个产区。同是温和性海洋气候，却因为两岸的土壤不同，造就了不同的葡萄酒风格。常言道“橘生淮南则为橘，橘生淮北则为枳”，什么样的土壤，就会造就什么样的葡萄。

土壤大致分为沙土、壤土、黏土，种植不同植物需要用不同的土，不同土壤类型的配比。比如沙子黏合剂。从土壤、沙漠之间的性质差异来看，主要在于力学方面的差异。各个土壤微粒之间均存在作用力，并依靠这些作用力最终建立整体，沙子之间则不存在这种作用力。基于上述研究，通过粘合剂的使用，能够给予沙子上述作用力，最终将沙漠转变为土壤。具体来说，只需要添加上述植物性纤维粘合剂，并加入对应的水分，即能够让沙子获取与自然土壤相同的力学属性，使得土壤获取自我调节、自我修复的功能。这个粘合剂理念很新颖，在荒漠化程度严重的西北地区，如果这种粘合剂能正真广泛应用于种植中，这对改善荒漠化、发展戈壁农业会有十分重要的意义。寸草难生的戈壁荒滩也有了成为大片绿洲的可能，从而为推动当地种植业和经济的发展、为中国和世界贫困人口的脱贫问题提供新的途径，也为世界提供修复和利用土壤的中国智慧和中国方案。

总之，土壤化学已经历经两个世纪的发展历程，学科研究的内容也在不断拓展、知识也在不断深化。目前土壤化学与肥力提升、土壤化学与污染控制、土壤化学与全球变化等研究方面已经取得了重大进展，这为解决当前我国土壤科学研究中面临的土壤肥力提升与粮食安全、土壤污染修复与生态环境安全、土壤碳氮平衡与全球变化等科学问题和挑战提供了重要的理论和技术支撑。