施用石灰类物质改良酸性土壤的原理与方法

赵占周

我国的酸性土壤大都含铝较多，交换性铝是造成土壤溶液中氢离子多，表现酸性的主要原因。因此，改良这类土壤的策略之一，就是减少土壤胶体颗粒上吸附的可交换性铝离子，然后使其进一步生成不溶于水的三水铝石，同时中和土壤溶液中的氢离子。

含有碳酸钙、氧化钙和氢氧化钙的一大类物质统称石灰类。施用石灰类物质改良酸性土壤效果好且成本低，欧美国家很多年前就开始研究和应用，我国一些地区也应用多年，但很多人还不了解石灰类物质改良酸性土壤的原理，在施用量和施用方法上也不够严谨。超量施用石灰类物质后，很容易造成铁、铜、锰、锌缺乏，磷的有效性降低，硼的吸收被抑制等不良后果。

鉴于以上原因，笔者翻译了一部分国外资料，并参阅了国内文献，现将对石灰类物质改良酸性土壤的原理及施用方法等相关内容的理解分享给读者。

1   石灰类物質改良酸性土壤的原理

石灰进入土壤以后的总体反应如图1所示，具体过程如下：

1）石灰类物质的主要成分碳酸钙和土壤溶液中的氢离子发生解离反应，也就是通常说的溶解过程，碳酸钙首先解离为碳酸根离子和钙离子，一部分碳酸根离子继续解离为二氧化碳和水，在反应中，实际上有碳酸根离子、钙离子、二氧化碳和水几种成分同时存在。用一个简单的化学式表示：

CaCO3+2H+    Ca2++CO2+H2O

2）土壤溶液中的钙离子把土壤胶体颗粒上吸附的铝离子交换下来（如图2所示）。

3）这些铝离子进入土壤溶液之后和水发生解离反应，两个3价的铝离子和6个水分子反应生成两个不溶于水的三水铝石，同时生成6个氢离子。

2Al3++6H2O   2Al（OH）3+6H+

4）第一步产生的碳酸根离子和第三步产生的氢离子中和，生成二氧化碳和水。

3CO32-+6H+    3CO2+3H2O

2   改良酸性土壤常用材料

2.1   石灰类物质   能够中和土壤酸性的石灰是一大类物质，包括石灰石、生石灰、熟石灰等，虽然这些石灰类物质主要成分不一样，但它们的中和原理相似，所以又把施用这类物质用以改良土壤酸性的活动叫石灰化，或叫石灰化土壤。

1）石灰石。包括以含碳酸钙为主的方解石和含碳酸钙镁为主的白云质石灰岩。白云质石灰岩除了含碳酸钙，还含有碳酸镁，因为二者都是天然岩石，使用前需要加工成粉状、粒状或悬浮液。

2）生石灰。石灰石经高温烧制形成以含氧化钙为主的石灰材料。生石灰改良土壤酸性反应最快，因为它与水的反应速率最高，但也容易灼伤操作者的皮肤和眼睛，甚至对肺部也有影响，所以，这类材料大都装在纸袋里储运。

3）熟石灰。生石灰遇水生成氢氧化钙，就是熟石灰，也是常用的房屋建筑材料。它的中和能力和反应速率也很强，也具有腐蚀性。

4）泥灰岩。一种常与泥土混合在一起的潮湿、未固化、柔软的碳酸钙沉积物，大都夹杂在石灰岩与黏土岩之间，呈薄层状。泥灰岩也是生产水泥的原料。它的中和能力比碳酸钙略低一些，具体取决于黏土的比例。

2.2   其他物质   除了石灰类物质，能够改良土壤酸性的天然矿物还有很多，比如硅酸钙。硅酸钙有两个来源，一个是从沿海地区的天然矿床中采集的天然矿物，其中和能力相当于纯碳酸钙的60%～70%。另一个是炼铁过程中产生的矿渣副产品。在铁矿石的高炉还原过程中，碳酸钙失去二氧化碳生成氧化钙，氧化钙再和熔融的硅结合成含有钙、镁和磷的炉渣。炉渣中和酸性的能力取决于铁矿石的来源和炼铁工艺。

另外，众所周知的草木灰也是中和土壤酸性的材料，但其中和能力往往因为植物种类、生长时期等差别很大。

燃煤电厂的煤灰也可以用来改良酸性土壤，但其中和能力及其重金属含量等需要提前化验分析。

3   石灰类物料用于酸性土壤改良时的施用量

具体用量需要综合三方面数据来确定，一是土壤性质及其pH值，二是石灰类材料的中和能力及其细度等加工形式，三是土壤pH值的提升目标。

1）土壤性质不同，石灰施用量往往差别很大。这里的土壤性质主要包括土壤质地、土壤阳离子饱和度及其缓冲能力等。

土壤酸性有3种，一种是土壤溶液的酸性——活性酸，一种是被土壤胶体吸附的铝离子和氢离子的酸性——交换性酸，一种是富铝土壤中不可交换性铝的酸性——残留性酸。后两种统称为潜在性酸。潜在性酸的大小和土壤有机质及土壤中黏粒的含量有直接关系。富含有机质的偏黏土壤，土壤胶体颗粒吸附能力强，土壤阳离子饱和度高，缓冲能力强，需要更多的石灰施用量才能把铝离子交换到土壤溶液中，然后再将其中和。

2）不同石灰类材料的土壤酸性中和能力也不一样。理论上，纯碳酸钙中和酸性的能力，即碳酸钙当量CCE为100%，也是检测其他石灰材料的标准。方解石及白云质石灰岩都是天然矿物，肯定含有其他杂质。一般的，方解石含有≥85%的碳酸钙，以及少量碳酸镁和其他矿物，CCE值小于100%。白云质石灰岩同时含有碳酸钙和碳酸镁，且碳酸镁含量至少为15%，因此白云质石灰岩的CCE值大于方解石，比方解石更高，但反应速率慢，所以，它们在田间实际表现上差异不大，主要还是看是否有必要补充镁。各种石灰材料的碳酸钙当量值，也就是中和酸性的能力，见表1。

3）石灰类材料的粒度对施用量也有影响。石灰类材料与土壤充分接触之后才能产生更好的中和反应。这一方面需要合适的混合机械和方法，也同时需要石灰材料具有较小的细度。理论上，细度越小比表面积越大，意味着它们与土壤颗粒接触和反应更充分，中和效果越好，所需要施用的石灰量也随之减少。比如，在某种土壤中施用石灰的时候，如果1 hm2需要50目的石灰粉为2 t的话，换成100目的 石灰粉1 t就够了，但这在成本上可能会有所增加。

生石灰和熟石灰自身的粒度都很小，但石灰石需要进一步磨碎、过筛，或者加工成特定粒度的颗粒或悬浮液。

4）根据计划要种植的植物及其对土壤pH值的要求，在改良酸性土壤之前，需要确定一个适宜的pH值提升目标，根据这一目标以及其他因素来计算需要施用的石灰类材料的量。这首先要清楚植物的适宜pH值，然后从田间取样进行土壤酸碱度滴定分析。美国开发出几种适合不同土壤类型的土壤缓冲溶液滴定法，把土壤溶液添加到已知碱度的缓冲液中，缓冲溶液的pH值随土壤溶液添加量成比例下降，下降的值与土壤酸度及石灰施用量有关系，从而计算出石灰的施用量。

4   石灰类材料的施用方法

1）施用时机。大多数情况下，应该在种植前几个星期或更早施用，以使石灰材料有足够时间与土壤发生反应，特别是氧化钙和氢氧化钙这些具有腐蚀性的物料，如果施用时间接近种植时间，就有可能影响苗木（或种子）的萌发和生长。在确保生长安全的基础上，粒度较小的石灰类材料可以更快地降低土壤酸度，提升pH值，从而可以在距离种植期更近一些的时间施用。

2）施用频率。取决于土壤质地、土壤有机质含量、耕作模式、降水情况等，沙质土需要较频繁地施用，黏质土则需要间隔更长时间。一般的，3～5年施用1次比较合适，具体时间的把控需要参考土壤检测分析结果。

3）施用深度。虽然许多1年生植物的根系大都集中在15～20 cm深的土层中，但植物根系也可以延伸至更深的土层中吸收水分和养分，这对于干旱时期的植物来说至关重要。石灰类材料中的钙和镁等“碱性”元素不容易向下层土壤移动，所以理论上要尽可能地把石灰类材料施入50～60 cm深的土层中，大量试验也表明，这样确实能够更加增产，但也会受到机械和成本限制。

美国人使用一种特殊机械把石灰材料施入土壤的一个窄槽中，然后让植物根系在那里生长，并穿过它延伸到更深的土层中。

还有人通过促进蚯蚓的繁殖和活动，让蚯蚓把石灰带进更深的土层中。

4）施用方法。传统耕作园的土壤改良，建议分层施用石灰类材料，先撒施一半的石灰，旋耕或深耕，然后再撒施另一半，再旋耕，尽可能使石灰类材料与土壤充分混匀。对于免耕园，其表层土壤中积累了更多的植物残体，故而其酸性更强，如果下部土層的pH不算低，把石灰施用到表层土壤即可，但这需要更频繁地施用。如果底部土层的pH值很低，最好  在进行免耕管理之前就想办法把石灰施入深土层中。

5   小结

从以上可以发现，利用石灰类材料改良酸性土壤并没有我们想象得那么简单，这可能也是我国目前需要解决的问题之一。尽管从商业运营角度来说，简单实施就是低成本高利润，但鉴于我国酸性土壤的类型很多，企业主动担负起土壤分析和施用量的确定，以及施用方法上的指导，让生产者简便、高效和可持续地享受到科学合理使用石灰类物质改良酸性土壤的好处，也是破解当前农业技术推广及农资产品运营困境的一个不错的选择。