高爾雅

摘要：土壤化學是傳統(tǒng)土壤科學中最古老的基礎(chǔ)分支學科之一，本文從土壤有機質(zhì)的化學組成、土壤膠體、土壤溶液、土壤酸度、土壤緩沖性、土壤氧化還原性等化學性質(zhì)入手，揭示了利用、保護、管控和修復土壤的途徑和答案。這為解決當前我國土壤科學研究中面臨的土壤肥力提升與糧食安全、土壤污染修復與生態(tài)環(huán)境安全、土壤碳氮平衡與全球變化等問題和挑戰(zhàn)提供了重要的理論和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：土壤；化學；保護；修復；利用

土壤是“地球的皮膚”，它是覆蓋在地球陸地表面上能夠生長植物的疏松層，是地球系統(tǒng)無機界向生物有機界轉(zhuǎn)化的“橋梁”，是陸地生態(tài)系統(tǒng)和生命發(fā)展的基礎(chǔ)。人的命脈在田，田的命脈在水，水的命脈在山，山的命脈在土，土的命脈在樹。土比金子重要，沒有土人類無法生存。了解了土壤的化學性質(zhì)，我們就可以為利用、保護、管控和修復土壤找到答案；了解“土壤化學”，我們就可以化腐朽為神奇，變廢墟為瑰寶。地球上山水林田湖是一個生命共同體，建設(shè)美麗中國，離不開美麗土壤的保護。研究和修復“生病的土壤”，對我們新時代應(yīng)用化學專業(yè)的青年學生來說使命在肩、責無旁貸。

1 土壤因其化學性質(zhì)而變得美麗。

土壤具有支撐地球生命的獨特功能，在揭示土壤的這種獨特功能方面，土壤化學始終扮演著重要的角色?；瘜W在土壤中無處不在，土壤化學主要是土壤的化學性質(zhì)，它包括常用的農(nóng)作物和有機質(zhì)的化學組成、土壤膠體、土壤溶液、土壤酸度、土壤緩沖性、土壤氧化還原性等。植物從土壤中攝取的無機元素中有13種對其正常生長發(fā)育都是不可缺少的（營養(yǎng)元素）：N、P、K、S、Ca、Mg、Fe、Mn、Mo、Cl、Cu、Zn、B。這是元素化學學科的基礎(chǔ)，一切的化學研究都基于元素及其各自衍生物。從這一點就可以看出土壤與化學息息相關(guān)，密不可分，比如現(xiàn)實中許多中藥材、果品也因這些無機元素的多寡而受到影響。

在研究土壤顏色的時候，我們發(fā)現(xiàn)原來土壤的顏色與無機化學中經(jīng)常聽到的許多礦物的顏色存在密切的聯(lián)系。土壤顏色為白色，主要原因在于其內(nèi)部存在的水溶性鹽、石灰石、高嶺土以及石英等，比如鹽堿土星白色，具體原因在于可溶性鹽堿針對土壤發(fā)揮了染色功能，鈣積層當中富含碳酸鈣，而碳酸鈣即為白色，這就使得鈣積層主要呈現(xiàn)為灰色或者白色，本身與碳酸鈣含量之間存在密切的聯(lián)系。又比如，我國南方地區(qū)普遍存在的紅色土壤，是因為氧化鐵存在的染色功能。而氧化鐵本身的種類不同，水化程度不同，呈現(xiàn)出來的顏色也存在明顯的差異性。倘若土壤富含針鐵礦，其本身的水化程度非常高，則會導致土壤呈現(xiàn)為金黃色。我國的黃土高原分布有大量的黃土。還有紫色土是一種非地帶性土壤，在我國主要分布于四川盆地，紫色土是由紫色砂頁巖作為成土母質(zhì)，逐步發(fā)育而來，紫色土是在頻繁的風化作用和侵蝕作用下形成的。不同的顏色呈現(xiàn)了不同的地貌特色，共同構(gòu)成了美麗的地球。

2 土壤的酸堿性是可以被調(diào)節(jié)的。

土壤與我們化學專業(yè)最熟悉不過的ph也有關(guān)，土壤跟我們每天研究的許多溶液一樣其自身也有酸堿性。土壤中H+的來源由土壤空氣、有機質(zhì)分解、植物根系和微生物呼吸所生成的CO2存在密切的聯(lián)系，同時也與有機體分解生成的有機酸存在聯(lián)系，并且還與生理酸性廢料、硫化細菌以及硝化細菌等存在關(guān)聯(lián)。各個地區(qū)的氣候不同，對土壤酸化的影響也存在差異。對于降水量較大的地區(qū)來說，鹽基離子長時間受到?jīng)_刷，被氫離子所取代，會存在大量的氫離子積累。例如，我國東北特有的酸性土，正是因為寒冷多雨的環(huán)境影響。而西北、北方，因為降雨相對較少，使得土壤當中的鹽基大量累積，呈現(xiàn)為中性、石灰性以及堿性。

除此之外，土壤酸度與作物之間存在較大的關(guān)聯(lián)。各種作物本身在酸堿性方面的要求存在明顯的差異性。僅有少部分作物能夠在強堿性或者強酸性的土壤環(huán)境中正常生長，大部分作物均只能夠在PH6～7的環(huán)境中生長。酸度同樣會對土壤當中礦物質(zhì)養(yǎng)分產(chǎn)生干擾，處在PH6～7的環(huán)境中，大部分礦質(zhì)養(yǎng)分均具有理想的有效性。對于強酸性土壤來說，鉀、磷、鈣、鎂、鉬則能夠得以有效提升，然而對作物本身存在毒害的鋁離子也會明顯增加。因此，為保障土壤環(huán)境適合作物生長，可以在酸性土壤當中加入石灰石粉，堿性土壤則可以加入廢硫酸、硫磺以及石膏等。

3 土壤的“病灶”是可以被診斷療傷的。

土壤是無言訴說病情的“病人”，土壤受到重金屬無機物和有機物的侵蝕，變成了有病的土壤。診斷土壤病因必先了解土壤的化學性質(zhì)。土壤跟化學試劑一樣，它也有自己的溶液體系，有濃度，溶質(zhì)，溶劑，溶解的問題，這些都是最基本的化學問題。土壤溶液的濃度是極其稀薄的，所以其能夠保障植物生長過程中獲得充足的水分。然而對于半干旱、干旱區(qū)域，因為土壤當中的可溶性鹽類含量過高，相應(yīng)的滲透壓也在持續(xù)增加，導致作物難以獲得生長所需的水分。

氧化還原是化學學科里面非常重要的一種反應(yīng)，其實我們往往都忽略了土壤本身可以視作相對較為復雜的氧化還原體系，當中包含諸多有機、無機的氧化還原物質(zhì)。通常情況下，土壤當中的氧化劑主要為高價金屬離子、游離氧，還原劑則為各種有機質(zhì)及厭氧情況下進行分解的產(chǎn)物。需要注意的是，土壤存在的氧化還原本身會受到認為因素、季節(jié)因素的影響，呈現(xiàn)為動態(tài)的變化趨勢，針對土壤氧化還原反應(yīng)進行指標反應(yīng)的內(nèi)容在于氧化還原反應(yīng)電位（Eh）。這個電位就相當于我們化學中衡量氧化還原反應(yīng)是否自發(fā)或者反應(yīng)的難易程度的電極電勢。通俗來說，電對的標準電極電勢越大他的氧化性越強，電極電勢越負，它的氧化性就越強，土壤中的電位其實也是同樣的道理。根據(jù)這些性質(zhì)，目前國內(nèi)一些專家學者正在使用特制的設(shè)備對它進行檢測、診斷，確定病的類型，對癥下藥，對土壤氧化還原。

4 土壤化學可以讓我們化“腐朽為神奇”。

正如許多科學發(fā)現(xiàn)往往來自于不經(jīng)意的突發(fā)奇想。土壤就對葡萄酒的質(zhì)地有非常主要的影響，葡萄酒的釀造過程涉及酵母菌和發(fā)酵化學，細菌的發(fā)酵化學，酸堿平衡，葡萄酒的降酸與增酸，酒石酸鹽沉演，葡萄酒膠體化學和葡萄酒的氧化還原體系等一些化學原理。葡萄園的風土決定葡萄酒的先天風格，在這許多條件之中，土壤的影響最為深刻。只有貧瘠的地，才能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的葡萄 。葡萄樹不需要太多養(yǎng)分，貧瘠的土地反而適合葡萄的種植，肥沃的土地使葡萄樹枝葉茂盛，無法生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)葡萄。通常種植在水分和營養(yǎng)充足的肥沃土壤上的葡萄藤，會生長出大量的綠色枝葉；而種植在貧瘠且水分不高的土壤上的葡萄藤，通常根會扎得比較深，能結(jié)出更濃郁、更復雜的果實。土質(zhì)對葡萄酒的影響相當復雜，波爾多產(chǎn)區(qū)因為吉隆河（R.Girande）分為“左岸”“右岸”兩個產(chǎn)區(qū)。同是溫和性海洋氣候，卻因為兩岸的土壤不同，造就了不同的葡萄酒風格。常言道“橘生淮南則為橘，橘生淮北則為枳”，什么樣的土壤，就會造就什么樣的葡萄。

土壤大致分為沙土、壤土、黏土，種植不同植物需要用不同的土，不同土壤類型的配比。比如沙子黏合劑。從土壤、沙漠之間的性質(zhì)差異來看，主要在于力學方面的差異。各個土壤微粒之間均存在作用力，并依靠這些作用力最終建立整體，沙子之間則不存在這種作用力?；谏鲜鲅芯?，通過粘合劑的使用，能夠給予沙子上述作用力，最終將沙漠轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥?。具體來說，只需要添加上述植物性纖維粘合劑，并加入對應(yīng)的水分，即能夠讓沙子獲取與自然土壤相同的力學屬性，使得土壤獲取自我調(diào)節(jié)、自我修復的功能。這個粘合劑理念很新穎，在荒漠化程度嚴重的西北地區(qū)，如果這種粘合劑能正真廣泛應(yīng)用于種植中，這對改善荒漠化、發(fā)展戈壁農(nóng)業(yè)會有十分重要的意義。寸草難生的戈壁荒灘也有了成為大片綠洲的可能，從而為推動當?shù)胤N植業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展、為中國和世界貧困人口的脫貧問題提供新的途徑，也為世界提供修復和利用土壤的中國智慧和中國方案。

總之，土壤化學已經(jīng)歷經(jīng)兩個世紀的發(fā)展歷程，學科研究的內(nèi)容也在不斷拓展、知識也在不斷深化。目前土壤化學與肥力提升、土壤化學與污染控制、土壤化學與全球變化等研究方面已經(jīng)取得了重大進展，這為解決當前我國土壤科學研究中面臨的土壤肥力提升與糧食安全、土壤污染修復與生態(tài)環(huán)境安全、土壤碳氮平衡與全球變化等科學問題和挑戰(zhàn)提供了重要的理論和技術(shù)支撐。