土壤pH對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究進(jìn)展

唐 琨，朱偉文，周文新，易鎮(zhèn)邪，屠乃美

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128)

土壤是植物生長(zhǎng)的依托。近年來(lái)由于人類的不合理利用，土壤開始出現(xiàn)退化現(xiàn)象。土壤退化包括侵蝕退化、土壤酸化、污染退化、肥力退化和生物學(xué)退化等幾種類型。土壤酸化是土壤酸堿性失調(diào)的一種重要形式，隨著土壤酸度的提高，土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力下降，植物的生長(zhǎng)和發(fā)育也隨之受到嚴(yán)重制約。開展土壤酸堿性對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響研究，對(duì)緩解日益突出的人口與環(huán)境資源之間的矛盾意義重大。

1 土壤酸堿性對(duì)植物生長(zhǎng)的間接影響

土壤酸堿性，是指土壤溶液中H+濃度的負(fù)對(duì)數(shù)，用pH值表示，是土壤重要的化學(xué)性質(zhì)。酸性或堿性物質(zhì)的輸入會(huì)導(dǎo)致土壤物理的、化學(xué)的及生物學(xué)的過(guò)程發(fā)生改變，且與土壤養(yǎng)分的有效性及有害物質(zhì)的產(chǎn)生有關(guān)，進(jìn)而影響土壤肥力，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生間接影響［1］。

1.1 對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

酸性物質(zhì)的輸入會(huì)導(dǎo)致紅壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性降低。隨pH值的降低，紅壤團(tuán)聚體破壞率增高、穩(wěn)定性降低，其影響表現(xiàn)為土壤有機(jī)質(zhì)淋失增加，氧化鐵活性提高，土壤侵蝕加速。

土壤微結(jié)構(gòu)也在一定程度上受到pH的影響。隨酸度增大、作用時(shí)間增長(zhǎng)，影響愈明顯，主要表現(xiàn)為土壤微龜裂密度增大、數(shù)量增多，從而破壞微團(tuán)聚體的結(jié)合，加速水分運(yùn)行，增大滲漏和毛管蒸發(fā)的作用，導(dǎo)致土壤耐旱性減弱，肥力降低，從而影響作物的生長(zhǎng)［2］。土壤過(guò)堿，會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量低、酸性淋溶作用強(qiáng)、質(zhì)地黏重、結(jié)構(gòu)性差，土壤板結(jié)，土壤通氣性、透水性差，土壤水、氣、熱不協(xié)調(diào)，容易發(fā)生沖刷，引起水土流失，土壤肥力降低，不利耕作和植物生長(zhǎng)［1］。土壤過(guò)酸或過(guò)堿，都會(huì)導(dǎo)致其物理性質(zhì)變差，造成土壤和植物的抗逆性減弱，抵御旱澇等自然災(zāi)害的能力下降，生產(chǎn)能力降低［3］。

1.2 對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

1.2.1 與土壤養(yǎng)分有效性的相關(guān)性

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了一系列關(guān)于土壤有效養(yǎng)分與土壤pH值的相關(guān)性研究，一般認(rèn)為，土壤養(yǎng)分有效性的最高值大多出現(xiàn)在土壤pH值6.5～7.5之間。土壤pH值過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)使植物所需養(yǎng)分元素的生物有效性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致植株某些元素營(yíng)養(yǎng)失調(diào)［4，5］。試驗(yàn)研究表明，土壤酸化會(huì)導(dǎo)致鹽基離子淋失加速，且其淋失量隨土壤pH值變化而變化，淋失總量與H+濃度呈極顯著的相關(guān)關(guān)系(r=0.9990)，長(zhǎng)期作用會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分庫(kù)的損耗，造成土壤養(yǎng)分貧瘠［6～9］。甲卡拉鐵等［9］研究發(fā)現(xiàn)，pH值較低時(shí)，K+不易被土壤固定，這時(shí)鉀的有效性較高;pH值升高后，土壤對(duì)K+的固定作用加強(qiáng)，鉀的有效性降低，即有效鉀含量隨著土壤pH值的升高而降低。而磷在酸性條件下易被鐵、鋁固定，在堿性的石灰質(zhì)土壤又易被鈣固定，說(shuō)明磷在中性條件下才能發(fā)揮其最高有效性。一些微量元素如鐵、鋅、銅、硼在酸性條件下具有較高有效性，而鉬卻是在堿性條件下有效性較高。以上研究表明，大多養(yǎng)分元素的有效性受土壤pH影響［10～14］。

1.2.2 與土壤中重金屬元素活化的相關(guān)性

在我國(guó)多個(gè)城市郊區(qū)農(nóng)業(yè)土壤的重金屬含量調(diào)查中，Cu的含量均超出了土壤背景值［15］。土壤中吸附Cu的解吸是Cu的活化過(guò)程，它直接影響Cu的生物毒性的遷移。朱玉祥試驗(yàn)研究表明，土壤pH升高有利于重金屬離子Cu的吸附，進(jìn)而降低Cu的活化程度，阻礙Cu的生物毒性的遷移。

由于錳、鉻、鎘等有毒金屬離子在低pH值下具有較高溶解度，所以在土壤酸度提高時(shí)一些重金屬元素的活性會(huì)增加［16］。郭朝暉等［17］研究了模擬酸雨連續(xù)浸泡污染下的紅壤和黃紅壤中重金屬的釋放及形態(tài)轉(zhuǎn)化，結(jié)果表明:隨模擬酸雨的pH值下降，污染土壤中重金屬釋放強(qiáng)度增大且較明顯。對(duì)模擬酸雨下土壤中銅、鎘的作用研究表明:隨模擬酸雨的pH值下降，淋出液中銅、鎘含量明顯增加，pH低于4.0時(shí)，這種作用更為明顯。

1.3 對(duì)土壤生物學(xué)性質(zhì)的影響

1.3.1 對(duì)土壤微生物的影響

土壤中的微生物種群數(shù)量、分布與活性等表明了土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度，也是衡量土壤肥力和養(yǎng)分的一個(gè)重要指標(biāo)［18，19］。土壤生物影響土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用。

土壤中微生物的種類和數(shù)量在酸性條件下均較少，微生物的活性低，有機(jī)質(zhì)分解緩慢，其含量相對(duì)較高;反之，土壤pH值升高，微生物活性增強(qiáng)，加速了有機(jī)質(zhì)的分解，其含量會(huì)相對(duì)較低。土壤中堿解氮的含量與有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)［20］。堿解氮是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一，因此，土壤pH值升高，有機(jī)質(zhì)含量降低是導(dǎo)致堿解氮減少的重要原因。

土壤養(yǎng)分的有效性在一定程度還受土壤微生物活動(dòng)的影響。而是否具有適宜的pH范圍又是影響土壤微生物活動(dòng)的重要因素。真菌一般較耐酸，在中性至微堿性的土壤環(huán)境中，細(xì)菌和放線菌活動(dòng)旺盛，易使土壤有機(jī)質(zhì)礦質(zhì)化，釋放更多有效養(yǎng)分。

1.3.2 對(duì)土壤酶的影響

土壤酶反映土壤各種生物化學(xué)過(guò)程的動(dòng)向和強(qiáng)度，是土壤生物學(xué)活性的重要組成部分，在土壤的物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán)中起到重要作用［21］。土壤酶與土壤組分結(jié)合形成復(fù)合酶，其酶學(xué)特性與純酶不同［22］，但二者都具有適宜的pH范圍。一些調(diào)查結(jié)果表明，土壤酶活性與土壤pH密切相關(guān)，人工改變土壤pH值，土壤酶活性會(huì)在一定程度上受到影響［23，24］。

有研究表明:過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、脫氫酶、蛋白酶等幾種酶的活性與土壤pH呈正相關(guān)，pH值升高時(shí)酶活性隨之增大。上述幾種酶活性受土壤pH的刺激，呈現(xiàn)酸化抑制堿化激活現(xiàn)象，但總體上［OH－］抑制作用較小。而蔗糖酶和轉(zhuǎn)化酶的活性在pH增加時(shí)受到抑制，活性變化呈現(xiàn)酸化激活堿化抑制。土壤pH對(duì)纖維素酶活性的影響則沒(méi)有很強(qiáng)的規(guī)律性。土壤pH值變化對(duì)氧化物酶活性的影響表現(xiàn)不顯著［25，26］。

2 土壤酸堿性對(duì)植物生長(zhǎng)的直接影響

2.1 對(duì)植物外觀形態(tài)的影響

通過(guò)微量比色法，測(cè)定250多種植物花瓣細(xì)胞液的pH值，發(fā)現(xiàn)其范圍在2.5～7.5之間，紅色花表皮細(xì)胞液的pH值較藍(lán)色花表皮細(xì)胞液的pH值低，且紅色花衰老時(shí)常伴有花瓣顏色轉(zhuǎn)藍(lán)和液泡pH升高的現(xiàn)象，所以pH值的高低是花色的影響因素之一。通常情況下，隨著pH值上升，花青素發(fā)生變化，花瓣顏色逐漸由紅變藍(lán)。隨著土壤pH降低，花瓣中總花青苷含量增加，說(shuō)明土壤酸堿性影響花青苷的積累，從而影響花色的深淺［28］。

王京元等［29］以大豆為試驗(yàn)材料，測(cè)定盆栽大豆幼苗在酸或堿脅迫下的一些生理指標(biāo)。結(jié)果顯示:土壤pH為7.0時(shí)，大豆的平均株高最高，土壤pH為9.8時(shí)，大豆平均株高最小。吲哚乙酸是促進(jìn)植物生長(zhǎng)的激素，由于其為酸性，故在酸性的土壤環(huán)境下，有利于植物生長(zhǎng)素的合成，而堿性土壤環(huán)境會(huì)抑制吲哚乙酸的作用。所以，大豆的株高隨土壤pH值的升高而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

2.2 對(duì)植物物質(zhì)吸收的影響

重慶市南山風(fēng)景區(qū)林地從20世紀(jì)70年代末開始出現(xiàn)小部分林木生長(zhǎng)發(fā)育不良，葉片出現(xiàn)褐色壞死斑，至1986年開始成片死亡。經(jīng)測(cè)定，其葉片含S量高達(dá)2.2%(干重)，超過(guò)本底10倍以上。數(shù)量化理論方法分析表明，該地區(qū)森林衰亡的主要原因是土壤和雨水的pH值偏低。

過(guò)量的鉛會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，阻礙植物發(fā)育，其在土壤中的存在形態(tài)會(huì)隨著土壤pH、Eh、濕度、通氣狀況等因素的改變而發(fā)生變化，進(jìn)而影響其生物有效性，直接決定了其在土壤－植物系統(tǒng)中的分布和遷移量［30］。羅盛旭等研究了土壤pH、Eh對(duì)土壤－苦丁茶樹系統(tǒng)中鉛分布的影響，發(fā)現(xiàn)鉛在土壤中的含量分布從酸性到堿性呈遞減趨勢(shì)，而在苦丁茶樹根、莖、葉中的含量分布則呈遞增趨勢(shì)，且主要被富集在茶樹根部，表明pH下降有利于降低鉛對(duì)苦丁茶樹的污染毒害［33］。

土壤有機(jī)質(zhì)和pH對(duì)果實(shí)礦質(zhì)元素含量有重要影響:pH對(duì)土壤養(yǎng)分、有效鈣影響較大，對(duì)果實(shí)全磷和全鉀含量的影響則較弱;果實(shí)全鈣含量與土壤全氮呈負(fù)相關(guān)、與pH呈正相關(guān);影響果實(shí)全鐵含量較大的因子分別為土壤pH、有效鈣和有效硼;土壤中有效硼含量對(duì)果實(shí)全硼含量具有直接的影響作用，因此土壤pH對(duì)果實(shí)全硼含量也有重要影響。生產(chǎn)中選擇適宜的土壤pH環(huán)境，可以有效避免果樹營(yíng)養(yǎng)元素缺乏癥和毒害的發(fā)生［31～34］。

2.3 對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

用人工控制pH值的方法進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，研究pH值對(duì)小麥種子萌發(fā)的影響。結(jié)果表明:pH=6.5時(shí)小麥種子出芽率最大;pH值在6.0～7.0之間時(shí)，對(duì)小麥種子的發(fā)芽率影響不大;pH ＜5.0或pH＞8.0時(shí)種子發(fā)芽率下降。由此可知，小麥種子的發(fā)芽受pH值影響。

通過(guò)模擬酸化試驗(yàn)，觀測(cè)pH值對(duì)油菜根系的影響，結(jié)果顯示，根生物量、根系長(zhǎng)度、根體積均隨pH值的下降呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，且當(dāng)pH值逐漸上升時(shí)，以上3項(xiàng)指標(biāo)均開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì);油菜根系活力的最高峰值出現(xiàn)在pH 6.1左右，當(dāng)pH值低于5.8時(shí)，根系開始表現(xiàn)出衰老的跡象。從該試驗(yàn)中可得到以下結(jié)論:土壤環(huán)境的酸堿性變化對(duì)油菜根系的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生了一定的影響［35］。

已有研究表明，土壤pH值是影響病原菌存活的重要因子，根莖病害的發(fā)生與土壤pH值密切相關(guān)［36～38］。魏國(guó)勝等［39］選用咸豐煙區(qū)發(fā)生根莖部病害煙田土壤，對(duì)其pH值的分布進(jìn)行研究，得出如下結(jié)果:強(qiáng)酸性(pH＜4.4)和堿性土壤(pH＞6.5)有利于抑制根莖部病害的發(fā)生。經(jīng)方差分析，無(wú)根莖部病害發(fā)生的土壤與發(fā)生根莖部病害的土壤其pH值存在顯著性差異。

王京元等［29］以大豆為實(shí)驗(yàn)材料，測(cè)定盆栽大豆幼苗在酸或堿脅迫的條件下，葉片相對(duì)電導(dǎo)率、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、含水量等指標(biāo)，綜合各項(xiàng)生理指標(biāo)結(jié)果可以看出，大豆在pH值6.6～7.8范圍的土壤上都能正常生長(zhǎng)。大豆葉片的電導(dǎo)率在土壤pH＞8.0的條件下，明顯高于其他處理，這說(shuō)明土壤pH＞8.0時(shí)，大豆細(xì)胞質(zhì)膜受到較嚴(yán)重的損壞。土壤pH值較高時(shí)，大豆葉片的可溶性糖含量明顯升高，這不僅對(duì)細(xì)胞質(zhì)濃度的提高、細(xì)胞水勢(shì)的降低、植物吸水能力的增強(qiáng)有積極作用，更是植物抵御逆境脅迫不可或缺的重要元素［40，41］?？梢?，大豆的生長(zhǎng)發(fā)育情況受到土壤pH值的影響。

2.4 對(duì)植物產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

土壤pH值降低會(huì)導(dǎo)致果樹缺鈣等生理病害發(fā)生，從而嚴(yán)重影響果品的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。土壤pH值降低還會(huì)導(dǎo)致鈣、鎂、鉀等鹽基離子的加速淋失，使果實(shí)中鈣素的含量明顯減少，導(dǎo)致果實(shí)發(fā)生苦痘病、痘斑病和水心病等生理病害［42］。研究顯示，蘋果果實(shí)綜合品質(zhì)與土壤pH的相關(guān)系數(shù)為0.6397，兩者呈顯著正相關(guān)。此外，土壤pH值與果實(shí)的單果重、果皮色澤和果實(shí)風(fēng)味等指標(biāo)的相關(guān)性也都達(dá)到顯著水平。由此可見，果園土壤的pH值，不僅對(duì)水果產(chǎn)量產(chǎn)生顯著作用，還影響果實(shí)的品質(zhì)［43］。

劉春英［44］通過(guò)對(duì)植煙土壤施用不同組合改良劑，考察土壤pH值對(duì)烤煙生物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、上等煙葉比例、煙葉還原糖及煙堿含量的影響。結(jié)果表明以上幾方面指標(biāo)均得到不同程度提高，其中以“石灰+菌棒+常規(guī)化肥”改良劑組合效果最佳，其生物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、上等煙葉比例、煙葉還原糖及煙堿含量分別比對(duì)照提高50.89%、49.18%、38.84%、16.49 g/kg和 3.1g/kg。由此可見，土壤酸堿性是影響烤煙品質(zhì)和產(chǎn)量的重要因素。

蘇燕生［45］以毛豆為供試品種，分別在pH值為4.4的灰泥田一及pH值為4.9的灰泥田二進(jìn)行試驗(yàn)。田塊一施525 kg進(jìn)口復(fù)合肥+75 kg尿素/hm2，田塊二在田塊一的基礎(chǔ)上增施30 kg進(jìn)口復(fù)合肥、45 kg尿素和150 kg/hm2KCl。分別于毛豆出苗后在畦間開溝，田塊一追施石灰0.5 kg/小區(qū)和1 kg/小區(qū);田塊二施入石灰0.75 kg/小區(qū)和1.5 kg/小區(qū)。測(cè)試收獲后的土壤pH值，結(jié)果表明，增施石灰改變了土壤的pH值，毛豆增產(chǎn)效果明顯。

3 展望

不適宜的土壤pH值嚴(yán)重影響了植物的生長(zhǎng)發(fā)育，土壤改良工作的重要性日益凸顯。除一些傳統(tǒng)的改良酸性土壤的方法外，生產(chǎn)實(shí)踐中，人們還發(fā)現(xiàn)利用某些礦物、工業(yè)廢棄物也能改良土壤酸度，如白云石、磷石膏、粉煤灰、磷礦粉和堿渣等，都可應(yīng)用于酸性土壤的改良［46～48］。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，綠肥、草木灰和各種家畜的糞肥等有機(jī)物料在提供作物需要的養(yǎng)分、提高土壤肥力水平的同時(shí)，還能增加土壤微生物的活性，增強(qiáng)土壤對(duì)酸的緩沖性能，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有價(jià)格優(yōu)、取材方便、毒害少、污染小的優(yōu)點(diǎn)［49］。相關(guān)研究表明，某些植物物料對(duì)土壤酸堿性也具有明顯的改良作用［50～53］，且可在短期內(nèi)見效。此外，還可以通過(guò)合理化土壤管理來(lái)減緩?fù)寥赖乃峄M(jìn)程，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，如，合理選擇作物品種、合理的水肥管理、合理選擇氮肥品種、有機(jī)物料改良、作物秸稈還田等都是有效的方法［54］。

目前，關(guān)于土壤酸堿性對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響的研究已經(jīng)取得了很多成果，但由于土壤的地域性差異、實(shí)驗(yàn)條件不同等諸多因素的干擾，很多問(wèn)題都沒(méi)有定論。如對(duì)土壤pH值影響植物生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)理的研究還不夠深入，不夠全面;土壤酸堿性對(duì)大田作物養(yǎng)分利用效率的研究，土壤酸化對(duì)作物氮利用效率的影響機(jī)理方面的大田試驗(yàn)研究很少，還缺少長(zhǎng)期定位研究。因此，開展相關(guān)方面的研究，進(jìn)行深層次的探討亟待加強(qiáng)。

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