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土壤盐分

在干旱、半干旱地区土壤中都含有一定量的可溶性盐,当其随毛管水上升,经蒸发后,盐分在表土层累积超过0.1%(富含石膏土壤为0.2%)时,就形成盐渍化土壤。土壤盐分来源地壳中盐分最重要的来源是岩石的风化(包括物理、化学和生物风化作用等)产物,另外,火山喷发的岩浆和气体,也给地表带来大量可溶性盐,盐矿或含盐地层的风化和再循环也是当地土壤盐分的重要来源。

土壤中的可(水)溶性盐类。在干旱、半干旱地区土壤中都含有一定量的可溶性盐,当其随毛管水上升,经蒸发后,盐分在表土层累积超过0.1%(富含石膏土壤为0.2%)时,就形成盐渍化土壤。

土壤盐分来源

地壳中盐分最重要的来源是岩石的风化(包括物理、化学和生物风化作用等)产物,另外,火山喷发的岩浆和气体,也给地表带来大量可溶性盐,盐矿或含盐地层的风化和再循环也是当地土壤盐分的重要来源。成岩矿物的主要成分有O、Si、Al、Fe、Ca、Na、Mg、K、H、Ti、C、Cl、P、S、Mn、B、N等十多种元素,其中参与土壤盐碱化过程最密切的元素是Ca、Mg、Na、K、Cl、S、C、O、H、Si、B、N等,这些元素在岩石风化过程中释放出来,组成盐渍土中普遍存在的盐类。最常见的如氯化物、硫酸盐、碳酸盐,局部地区还有硝酸盐和硼酸盐等。在干旱盐渍地区土壤盐分有的结合成复盐存在,如钙芒硝(Na2Ca(SO42),白钠镁矾(Na2Mg(SO42·4H2O)等。土壤盐类通过大气降水、地面水、地下水和人为灌溉等途径以及藉助风力、生物作用和人为活动等影响,在土壤中发生运移、淋溶和积累过程。

土壤中常见盐类的溶解度(克/升)(20°蒸馏水)

按可溶性盐类溶解度大小,在水中达到其饱和液的快慢,由水盐始源的山区到水盐汇聚的低地(海洋),呈现盐类地球化学分异的顺序是:

CaCO3,Ca(HCO3)2,MgCO3,Mg(HCO3)2→CaSO4→Na2SO4,Na2CO3,NaHCO3→MgSO4,NaCl→NaCl,MgCl2,CaCl2

土壤盐类的迁移

土壤中水溶性盐类的溶解度愈大,其迁移能力愈强,盐类的溶解度与其组成元素的化学键的类型、原子价和离子半径密切相关,又与碳酸(CO2)含量有关,并受温度的影响。因此,钠、钾、钙、镁的氯化物盐类最易溶解,钠、钾、镁的硫酸盐次之,钠钾的碳酸盐类又次之,钙、镁的碳酸盐最难溶解。根据各种盐类的溶解度可分为易溶性盐、微(中)溶性盐和难溶性盐。按阿·依·彼列里曼(А.И.Перельман)对化合物溶解度的分级,碳酸钙属难溶性盐类(<0.1克/升),石膏和碳酸镁为微溶性盐类(0.1~2克/升),其它为易溶性盐类(>2克/升)。

盐类对植物生长的影响

根据盐类对植物生长的影响,可将其分为有害盐和无害盐。

碳酸盐系列

其中Na2CO3是有害盐,因在水中产生OH-离子,使溶液呈强碱性,直接毒害根系;碳酸钙为无害盐,因其很难水解,所以在石灰性土壤中,即使CaCO3含量高达15%~20%,作物也能正常生长;NaHCO3危害性比Na2CO3轻些,但在土壤干燥时,NaHCO3可脱水转变为Na2CO3;MgCO3虽属微溶性盐类,但大量存在时,土壤溶液中会出现Mg(HCO32,其pH值可高达10,对植物生长有明显危害,土壤物理性质恶化,形成镁质碱化盐渍土

硫酸盐系列

MgSO4的危害性大于Na2SO4,因前者的溶解度大于后者;在硫酸盐中,CaSO4溶解度最小,是无害盐,所以在含石膏较多的土壤上,作物仍能正常生长,含石膏的碱土也易改良。

氯化物系列

因其溶解度均很高,对作物都有害。在含钠盐类中,Na2CO3、NaHCO3、NaCl和Na2SO4表现出的相对危害性约为10∶3∶3∶1,水溶性盐类对植物危害程度的相对顺序大致为:Na2CO3>MgCl2>NaHCO3>NaCl>MgSO4>Na2SO4。同为中性盐的NaCl和Na2SO4,因的活度系数较Cl-为小,在相同摩尔离子浓度条件下,有效浓度(活度)较Cl-低,因此,表现出来的危害性较小。在相同电导率时,NaCl的渗透压较Na2SO4为大,易造成作物吸水困难,引起生理干旱而减产或死亡。

盐分对植物的危害与土壤溶液中盐分的浓度和不同盐类组成有密切关系。盐分对植物的危害程度与其溶解度成正比,单盐比复盐的危害性大。盐渍土中所含的盐分往往是各种盐类的混合或呈复盐存在,其间可产生颉颃作用,能缓和或减弱对作物的危害。盐类对植物的危害可归纳为3个方面:①盐渍土中含大量盐分,使土壤溶液浓度很高,而超过细胞液的浓度,导致植物吸水困难,造成生理干旱,作物逐渐枯萎死亡,②盐分过多,使植物吸收营养元素失调,严重干扰正常代谢活动,③盐类对植物机体产生直接的毒害作用。

土壤中常见盐类的基本特性

碳酸钙

CaCO3

溶解度极低(0.016克/升),一般不危害作物生长,属难溶性无害盐。当土壤或溶液中含有CO2或H2CO3时,碳酸钙则易形成重碳酸钙(Ca(HCO32),其溶解度可增加5~10倍。pH值降低到7.5~8.5。中国北方干旱、半干旱地区大部分土壤几乎都含有碳酸钙,含量一般为7%~15%,高的可达20%~40%以上。碳酸钙呈白色假菌丝状或粉粒状积累在土壤剖面中,有时形成白色结核或碳酸盐硬结层(钙积层)后者对土壤物理性质和植物生长有不利影响。

碳酸镁

MgCO3

属微溶性盐类,其溶解度比碳酸钙大。在碳酸存在时,形成Mg(HCO32,溶解度明显增加,另外在NaCl溶液中,碳酸镁的溶解度也明显增加。碳酸镁在水中解离后,溶液呈强碱性,pH可达10,对植物生长影响很大,并会使土壤物理性质恶化。碳酸镁和碳酸钙常形成白云石结核[CaMg(CO32]存在,一般在土壤中游离态的MgCO3较少。

碳酸钠

Na2CO3

俗称苏打,在土壤中常与重碳酸钠(小苏打)共存。重碳酸钠受热易转化为碳酸钠,碳酸钠是一种强碱弱酸盐,能发生碱性水解作用,使溶液呈碱性,pH值可达12。由于苏打具有高碱度,腐蚀性强,对植物危害性很大,它是易溶性钠盐中危害性最大的盐类。在土壤溶液中有苏打存在时,不仅引起土壤盐化,同时会发生碱化,使土壤理化性质恶化,肥力降低,不利于作物生长。碳酸钠在碱化土壤中常以含不同结晶水形式存在,在水中溶解度较高,其溶解度受温度的影响较明显。当温度超过40℃时,碳酸钠的溶解度可达500克/升,明显大于氯化钠的溶解度。当温度在0℃或更低时,碳酸钠和重碳酸钠溶解度很低(3~5克/升),碳酸钠的溶解度随温度上升而增加的特性与硫酸钠相类似,因此,在寒冷地区或严冬季节,盐渍化土壤和地下水中常出现苏打和硫酸钠一起沉淀和积累的情况,而在干热气候条件下,由于碳酸钠比氯化钠溶解度大,两者发生分离,苏打出现在溶液(径流)最后汇集地段,并蒸发富积在土壤和水中。碳酸钠的溶解度也受溶液中所含其他盐类的影响。主要是当溶液中有大量氯化钠和硫酸钠存在时,碳酸钠和重碳酸钠的溶解度大大降低,因此,在土壤和地下水中含有高浓度的硫酸钠和氯化钠时,苏打的溶解度和迁移能力明显降低,含量极少。所以在盐类的地球化学分异中,能较明显地形成苏打积累区和氯化物、硫酸盐积累区,而苏打的积累主要出现在土壤和地下水总盐量低的情况下,盐分积累的初期阶段。

硫酸钙

CaSO4

俗称石膏,属微溶性盐类,其溶解度在20℃时为2克/升。干旱、半漠境和漠境地区的土壤和成土母质中,经常含有大量石膏,高的可达30%~50%以上。石膏常呈各种形式的结晶积累在土壤中,有的形成石膏胶结层(石膏盐盘层),使水和空气很难透过,对植物生长不利。石膏本身对作物无害,而且是改良碱化土壤和苏打盐土的改良剂。

硫酸镁

MgSO4

又称泻盐,是盐渍土中常见盐类之一,由于其溶解度高,因此,它对植物危害较大,硫酸镁常与其他易溶性盐类混合存在,很少单独积累在土壤中。

硫酸钠

Na2SO4

又称芒硝,它是盐渍土地下水化学组成中常见的盐类之一,其对植物的危害性比硫酸镁及其它钠盐(Na2CO3、NaHCO3、NaCl等)都小。硫酸钠的溶解度受温度的影响较大,即随温度上升而增加。在0℃时,其溶解度为48.5克/升,20℃时为189克/升,40℃时为483克/升。因此,硫酸钠在土壤中变化复杂,在温暖季节,土壤中Na2SO4·10H2O易脱水形成白色粉末状的Na2SO4,积累在地表,群众称为“白不咸”,当温度下降时,Na2SO4有时与CaSO4共同结晶形成钙芒硝淀积在土壤中。

氯化钙

CaCl2

溶解度很高,吸湿性强。但在土壤溶液和水中氯化钙很少单纯存在,因其与碳酸钠和硫酸钠作用会形成碳酸钙和硫酸钙沉淀,而其自身即消失。个别情况下,土壤溶液中可出现CaCl2,但一般都与其它盐类共存,故其危害性常被其他盐类所掩盖。

氯化镁

MgCl2

与氯化钙一样具有较高的溶解度和吸湿性,是对植物危害最强的盐类之一。含氯化物较多的盐土吸水后,土壤溶液浓度高,地面返潮发黑,群众常称为“潮碱”、“万年湿”、“黑油碱”等,充分反映了它们的特性和危害。

氯化钠

NaCl

又称食盐,溶解度大,它的最大特点是溶解度与温度变化关系不大。氯化钠是盐土组成中存在最普遍,迁移能力最强,最活跃的盐类之一。在滨海盐土中以氯化钠为主,在内陆径流汇集的低洼地中,往往也是以氯化钠为主。土壤中含有0.1%左右的氯化钠,即开始对作物正常生长产生影响或受到危害。在土壤现代积盐过程中,氯化钠在土壤剖面中一般聚集在表层,由于其溶解度受温度影响很小,故其在剖面中的季节性变化较明显,同时对其冲洗淋盐可不受季节的限制。

硝酸盐

王要以NaNO3或KNO3形式在土壤中存在,一般含量不超过0.05%。硝酸钠溶解度很高,与氯化镁、氯化钙相似。硝酸盐虽是植物矿质营养中氮的来源,但在土壤中大量积累,也会引起土壤硝酸盐盐渍化,而使土壤肥力退化,成为不毛之地。中国新疆吐鲁番地区就有残余硝酸盐盐土,其含硝酸盐量都在0.1%以上,高的可达1%。土壤中硝酸盐含量超过0.07~0.1%时,对作物就有较大的危害。

硼酸盐

土壤中很少出现过量的硼酸盐,只有在特殊的地质条件下,才会发生富集。中国青海省柴达木盆地的大小柴旦地区、蕴藏着丰富的硼酸盐资源,附近土壤中含硼量相当高,在湖滨表层土壤中含硼量可达1克/千克土以上。一般认识作物对硼的适量和致害的幅度很窄,土壤中含有效硼5毫克/千克土左右,即对大多数作物有害。