植煙土壤酸化及改良技術(shù)研究進(jìn)展

張 東，扈 強(qiáng)，杜詠梅，付憲奎，侯小東，竇玉青，劉新民*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266101；2.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣州 510610）

土壤酸化是指土壤中鹽基離子被淋失而氫離子增加、酸度增高的過程，此過程主要由自然因素和人為因素引起。在自然條件下，此過程是緩慢且不顯著的；但近幾十年來，人為因素造成的土壤酸化問題日趨嚴(yán)峻，嚴(yán)重危害土壤環(huán)境質(zhì)量和作物的生長發(fā)育，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。近年來的研究表明，我國土壤酸化已呈嚴(yán)重趨勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，上世紀(jì)80年代之后的20年內(nèi)，我國酸化土地面積已達(dá)到全國耕地面積的40%以上[1]。2010年2月19日世界級(jí)雜志《科學(xué)》上指出，由于過量施用化肥的原因，從上世紀(jì) 80年代早期至今，我國各地土壤的pH平均下降了0.13～0.80個(gè)pH單位；李金成等[2]對(duì)華南地區(qū)土壤酸化現(xiàn)狀的研究中發(fā)現(xiàn)，華南地區(qū)土壤pH較第二次土壤普查時(shí)下降了0.2～0.5個(gè)pH單位；鐘武云等[3]發(fā)現(xiàn)湖南地區(qū)土壤pH在2006—2010年間從平均的6.4下降到5.9，其中最大的下降了 2.1個(gè)單位；文星[4]等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)湖南省耕地土壤酸化面積現(xiàn)已占全省面積的72.6%，同時(shí)還有進(jìn)一步酸化的趨勢；李霽等[5]對(duì)森林土壤定點(diǎn)分析得出，我國中南部地區(qū)土壤也已達(dá)到極酸水平。江澤普等[6]對(duì)廣西土壤研究發(fā)現(xiàn)，廣西地區(qū)土壤pH平均只有4.83。

良好的土壤質(zhì)量是作物生長的前提，酸化土壤會(huì)對(duì)作物生長發(fā)育產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。比如土壤酸化可以活化土壤中重金屬離子[7]，從而最終影響作物品質(zhì)[8]。徐麗等[9]對(duì)長江三角洲土壤酸化地區(qū)造成水稻中Gd含量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)2倍以上而降低食用價(jià)值的研究也得出了相似的結(jié)論。此外研究還發(fā)現(xiàn)，作物長期處于較低土壤pH環(huán)境下會(huì)降低作物發(fā)芽率[10]、增加作物病害的發(fā)生率[11]等。

煙草生長同樣對(duì)植煙土壤pH有嚴(yán)格的要求，一般在 5.5～6.5的土壤較為宜。煙草工作者研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH過低，則不利于煙草生長發(fā)育和煙葉品質(zhì)的形成[12-14]。近年來，我國產(chǎn)煙地區(qū)土壤酸化日趨嚴(yán)重，對(duì)產(chǎn)煙區(qū)土壤酸化的研究也越來越受社會(huì)各界的關(guān)注。尤開勛等[15]對(duì)湖北省宜昌市煙區(qū)土壤進(jìn)行分析得出，宜昌煙產(chǎn)區(qū)酸性土壤面積高達(dá)76%以上。根據(jù)全國平衡施肥普查結(jié)果顯示，我國主要植煙土壤中有很大一部分土壤pH低于煙草最適生長 pH，以南方煙產(chǎn)區(qū)為主，此類植煙土壤對(duì)煙草生長和優(yōu)質(zhì)煙葉的生成有不利影響[16]。筆者在此主要評(píng)述土壤酸化對(duì)煙草生長、煙葉品質(zhì)的影響及土壤酸化的改良技術(shù)。

1 土壤酸化

1.1 土壤酸化的原因

土壤酸化是土壤酸度由低變高、持續(xù)不斷的自然過程。引起土壤酸化的原因有很多，主要分為自然因素和人為因素兩類。自然因素包括：天然酸的形成引起土壤酸度增加，如動(dòng)植物呼吸產(chǎn)生碳酸以及動(dòng)植物殘?bào)w分解產(chǎn)生的有機(jī)酸等[17]；自然多雨條件下，降水量大大超過蒸發(fā)量，土壤溶液中的鹽基離子在強(qiáng)烈的淋溶作用下隨滲透水下移，使土壤中易溶鹽減少造成土壤酸化[18]。自然因素引起土壤酸度變化的過程及其緩慢，但人為因素卻大大的加速了土壤酸化的進(jìn)程，主要包括:（一）酸雨的沉降。大量酸性氣體，如二氧化硫和含氮化合物等的排放導(dǎo)致酸雨沉降增加[19]；(二)不恰當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施。如大量化學(xué)肥料特別是生理酸性肥料的施用、施用量和使用方法不當(dāng)或土壤中的堿性物質(zhì)因農(nóng)作物收獲而帶走等[20-22]，都會(huì)不同程度的加速土壤酸化的進(jìn)程。

1.2 土壤酸化的機(jī)理

土壤酸化過程，本質(zhì)就是氫離子增加、鹽基離子較少、以及鋁離子水解的過程。氫離子主要來源于水的解離、碳酸的解離、有機(jī)酸的解離等過程，此外酸性沉降及生理酸性肥料的施用也是氫離子較為重要的來源過程。隨著土壤中氫離子的增多，破壞了原有的鹽基平衡，氫離子替代原土壤中的鹽基離子，被置換下的鹽基離子隨著滲透水下降而移動(dòng)減少。多雨條件下的淋溶作用也會(huì)引起鹽基離子的降低。氫離子的附著不利于土壤膠體中鋁氧八面體的穩(wěn)定，過多氫離子存在的情況下會(huì)破壞鋁氧八面體，造成活性鋁離子的釋放。游離的鋁離子根據(jù)其水解程度會(huì)產(chǎn)生1～3個(gè)氫離子，進(jìn)一步加劇土壤酸化的程度。

1.3 土壤酸化的危害

土壤酸化使土壤中鹽基離子減少，造成土壤貧瘠，引起土壤肥力下降。土壤酸度提高還會(huì)降低于土壤中微生物和有關(guān)酶類活性[23-24]，從而不利于植物的生長發(fā)育；土壤酸化使土壤中H+增加，凈電荷減少，造成鈣、鎂、鉀等養(yǎng)分離子的吸附量顯著減少，使植物在生長過程中易產(chǎn)生缺素癥等癥狀[25]；且隨著土壤pH的降低，礦物結(jié)構(gòu)和有機(jī)絡(luò)合態(tài)的錳、鋁等均被激活，從而使土壤中鋁離子和錳離子的大量溶出，而作物的根系吸收錳和鋁的主要分布區(qū)，且很少向地面部分轉(zhuǎn)移，這就會(huì)造成根尖顯著膨大，沒有側(cè)根和根毛，很多為死根，出現(xiàn)作物中毒現(xiàn)象[10]，造成作物的死亡（特別是果樹類作物）；土壤中重金屬離子的溶出造成作物吸收大量可溶性重金屬離子，降低農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)甚至?xí)绊憚?dòng)物及人的健康[5,26]；此外，酸化土壤還可以增加作物病害的發(fā)生率[27-28]，最終影響作物產(chǎn)量。

2 土壤酸化對(duì)煙草產(chǎn)量的影響

2.1 土壤酸化對(duì)煙草生長的影響

土壤酸化對(duì)作物根系的正常生長發(fā)育影響較為顯著。對(duì)于煙草而言，主要影響其根系的生長。研究中發(fā)現(xiàn)，煙草不同生育時(shí)期的根體積、干質(zhì)量、根系吸收面積在根際pH從7.5下降到4.5的條件下都呈降低趨勢[12]，此表明土壤pH低不利于煙株根系的生長發(fā)育。楊宇虹[29]等人的研究結(jié)果同樣證明了上述觀點(diǎn)，根際pH在7.5～5.4范圍內(nèi)，煙株根系生長良好。 當(dāng)根際土壤pH降低到5.4時(shí)，＜3mm的細(xì)根系重量有所減少，并與土壤pH之間表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。綜上述研究，說明土壤pH對(duì)煙株生長有較為重要的影響，較低的土壤pH不利于煙株的正常生長發(fā)育，土壤酸化對(duì)煙株的生長會(huì)產(chǎn)生不利影響，不利于其根系生長發(fā)育，進(jìn)而對(duì)煙株的生長表現(xiàn)出抑制的現(xiàn)象。

2.2 土壤酸化對(duì)產(chǎn)量的影響

煙田土壤酸化條件下，土壤中礦質(zhì)元素含量會(huì)降低[25]，土壤微生物活性受抑制[23-24]，此不利于煙株生長，進(jìn)而造成煙草減產(chǎn)；酸化條件有利于土壤中有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化為有效態(tài)的氮，但這些有效態(tài)氮可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，在多雨地區(qū)很容易造成氮素淋失。硝酸還原酶（NR）是煙株中NO-3還原的限速酶，與煙株氮素的吸收密切相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，土壤 pH 對(duì)NR活性有明顯的影響，土壤酸化降低了煙葉中 NR活性[30]，不利于煙株對(duì)氮素的吸收利用，從而不利于煙草產(chǎn)量的形成；pH也是影響土壤中磷的有效性的重要因素，過高或過低都會(huì)加劇對(duì)磷的固定，pH 在5.5～7.5，磷的有效性最高，而土壤酸化條件下，磷的有效性降低[31]，也不利于煙草經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的形成；研究還發(fā)現(xiàn)，煙田酸化會(huì)加劇煙草病害的發(fā)生率[28]，進(jìn)而造成煙草減產(chǎn)。

余濤[13]等研究發(fā)現(xiàn)，土壤中有效硼含量與土壤pH 之間存在著正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)土壤pH由4.5上升至8.5時(shí)，有效硼占全硼含量百分率由0.2上升至1.2%，而酸性土壤對(duì)硼的吸附力減弱，在高溫多雨條件下，表現(xiàn)出較強(qiáng)的淋溶損失。而林躍平等[14]進(jìn)一步研究表明，試驗(yàn)條件下，硼等微量元素對(duì)煙草生長過程中株高、莖圍、葉數(shù)、最大葉片長寬乘積、葉片厚度等，有著不同程度的影響。因此，煙田酸化會(huì)降低土壤中硼含量并最終影響到煙草的產(chǎn)量。

3 土壤酸化對(duì)煙草品質(zhì)的影響

煙葉中主要化學(xué)成分的含量及比值，在很大程度上影響著煙草內(nèi)在質(zhì)量的優(yōu)劣，煙草內(nèi)在質(zhì)量主要包括煙葉內(nèi)各種化學(xué)成分的數(shù)量和協(xié)調(diào)性、煙葉燃燒時(shí)的香氣、吃味、勁頭、刺激性等[32]。煙葉中煙堿是影響卷煙勁頭的主要因素，去除過高煙堿可提高煙草品質(zhì)；香味成分與煙草感官質(zhì)量呈正相關(guān)；煙葉總糖、還原糖含量與煙草品質(zhì)成正比；蛋白質(zhì)、總氮含量與煙草品質(zhì)成反比[33]。

早在20世紀(jì)80年代，學(xué)者就對(duì)土壤pH與煙葉質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，土壤pH與煙葉外觀質(zhì)量、內(nèi)在化學(xué)成分和評(píng)吸質(zhì)量之間均存在著不同程度的關(guān)系[34]。根據(jù)郭培國等[35]研究，土壤pH在6.5～7.5范圍內(nèi)變化時(shí)，烤后煙葉的還原糖含量適中，保持相對(duì)穩(wěn)定，而超出此范圍，還原糖含量則明顯升高；烤后煙葉中蛋白質(zhì)含量在超出最適生長pH范圍時(shí)，隨土壤pH的變化而下降；烤后煙葉的總氮含量基本上是隨 pH的變化而下降。寇洪萍[36]的研究結(jié)論與其較為一致：在 pH 7.5～4.5的范圍內(nèi)，隨土壤pH的下降，煙葉的煙堿含量增加。徐曉燕等[37]的水培研究則發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)液土壤pH在5.5～7.5的范圍內(nèi)，有利于煙葉香氣物質(zhì)的形成，煙葉的香氣吃味較好。周俊[38]研究也表明pH過低的土壤，煙葉中的煙堿含量有增加的趨勢,糖堿比則趨于不協(xié)調(diào)。煙田酸化造成土壤pH下降，引起煙草內(nèi)部化學(xué)成分含量及比例不協(xié)調(diào)，從而不利于煙草品質(zhì)的形成。

此外，土壤酸化條件下，土壤溶液呈酸性，提高了土壤溶液中重金屬離子的活化性，加劇了煙株對(duì)金屬離子的吸收，造成煙葉中重金屬離子的含量較高。而烤煙吸收過多鋁離子將導(dǎo)致葉內(nèi)細(xì)胞出現(xiàn)毒害，形成“黑色煙草”[39]。高水平的鐵、錳含量也被認(rèn)為是導(dǎo)致“黑色煙草”和“灰色煙葉”的主要原因[40]。

4 改良技術(shù)

對(duì)煙田酸化土壤的改良，主要從2個(gè)方面開展進(jìn)行：一是改變施肥方式[41]；二是酸化土壤改良，提高其pH。將土壤pH控制在適宜煙株生長的最適范圍，為優(yōu)質(zhì)煙葉提供良好的土壤環(huán)境。

4.1 改變施肥方式

4.1.1 合理施肥 據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，1978—2007年近30年中，我國化肥施用量增長了 1400%以上[42]，氮肥的過量施用已成為造成我國農(nóng)田土壤酸化的主要原因之一[42]。因此，農(nóng)田選擇氮肥時(shí)應(yīng)減少酸性或生理酸性肥料的施用，選擇對(duì)土壤酸化影響小的尿素、碳酸氫銨類肥料[43]。另外，要避免單一肥料施用，防止土壤營養(yǎng)失衡。應(yīng)在施用氮肥的基礎(chǔ)上注意增加鉀肥，補(bǔ)充微量元素[44]。此外，施肥時(shí)也不是量越多越好，應(yīng)做到科學(xué)施肥，以減少對(duì)環(huán)境的污染。

4.1.2 施用有機(jī)肥 有機(jī)肥可以提高土壤對(duì)酸化的緩沖能力[1]，在分解過程中能同時(shí)形成腐殖質(zhì)，為土壤微生物提供良好的生活條件，土壤微生物分泌的生物酶可以破開土壤膠體吸附的氫離子，減少酸性物質(zhì)形成；有機(jī)肥還可提高土壤的吸附能力。因此，適當(dāng)增施有機(jī)肥，可以提高土壤緩沖能力，使土壤pH在自然條件下不會(huì)因外界條件改變而劇烈變化。

4.2 改良酸化土壤

4.2.1 傳統(tǒng)改良劑 傳統(tǒng)改良劑除了生石灰（或石灰粉）以外，也包括近年來廣泛使用的礦物及工業(yè)副產(chǎn)物。酸性土壤中施用石灰可以提高土壤 pH，增加養(yǎng)分有效性，改變土壤理化性質(zhì)。董昭皆等[45]的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)土壤酸化十分嚴(yán)重的地塊，每667m2施用石灰100～150 kg，可以快速提高pH。施用石灰同樣有利于煙葉質(zhì)量的提高,適量施用石灰可使煙葉總氮/煙堿值、總糖/煙堿值降低，煙葉成分較為協(xié)調(diào)，評(píng)吸質(zhì)量也有所提高[46]。沸石、白云石、粉煤灰等改良劑在土壤酸化中也得到廣泛應(yīng)用。如沸石可以提高土壤對(duì)銨離子、磷酸根離子和鉀離子等的吸附能力；煙田土壤中施入白云石粉，土壤pH明顯提高，煙葉氯含量明顯降低，還原糖含量、鉀/氯值明顯提高，煙葉品質(zhì)及協(xié)調(diào)性得到了較大的改善[47]。由于生石灰、白云石等與土壤反應(yīng)較為緩慢，因此煙田施用前要篩勻篩細(xì)，移栽前 1—2個(gè)月條施、翻耕。

4.2.2 新型改良劑 近年來，石灰炭，輕燒粉作為新型改良劑逐漸引起人們的重視。鄭福麗等[48]研究發(fā)現(xiàn)，在閑地土壤和酸化較為嚴(yán)重的土壤上，施用石灰炭與輕燒灰混合各半，且用量為 1‰時(shí)效果最好。此外，越來越多的高技術(shù)產(chǎn)品也開始應(yīng)用到酸化土壤改良上。如：納米羥基磷可以吸附土壤溶液中銅離子和鋅離子[49]。此外，微生物技術(shù)也可以對(duì)酸化土壤進(jìn)行改良，郭秀珠等[50]應(yīng)用某種微生物肥料改良土壤，發(fā)現(xiàn)它可以很好地降低土壤酸性，提高土壤速效肥力。

4.2.3 農(nóng)藝措施 適宜的農(nóng)藝措施，也可以有效的對(duì)酸化土壤進(jìn)行一定程度的改良。張國見等[51]通過調(diào)查拉薩不同種植類型（種糧、露天種菜、溫室種菜）對(duì)土壤酸化的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，減少灌溉用水量可以有效緩解土壤酸化進(jìn)程；李志勇[52]等研究發(fā)現(xiàn)，可以利用香樟混交來改良酸沉降區(qū)馬尾林的酸化土壤；對(duì)酸化煙田而言，可以采用免耕覆蓋秸稈栽培技術(shù)或地膜覆蓋技術(shù)來延緩?fù)寥浪峄?/p>

5 展 望

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國主要植煙土壤中有超過20%的土壤pH低于5.5，其主要分布在南方主產(chǎn)區(qū)[16]。近年來，對(duì)于植煙土壤酸化改良技術(shù)方面的研究越來越多，對(duì)酸化土壤的控制也取得了不同程度的效果。與國外研究相比，國內(nèi)比較注重模擬酸雨沉降對(duì)土壤pH影響過程或室內(nèi)試驗(yàn)的研究，但缺乏長期室外試驗(yàn)定位研究，導(dǎo)致國內(nèi)對(duì)酸雨沉降和農(nóng)業(yè)措施對(duì)土壤酸化的影響程度無法準(zhǔn)確的進(jìn)行定量的分析和描述。

目前國內(nèi)對(duì)酸化土壤改良技術(shù)方面的研究，主要集中在利用化學(xué)改良劑對(duì)酸化土壤進(jìn)行調(diào)節(jié)方面。隨著研究的不斷深入，此類改良技術(shù)的弊端也日漸明朗，例如：酸性土壤中施用石灰，短期內(nèi)土壤pH會(huì)有明顯提高，但長時(shí)間施用則會(huì)出現(xiàn)復(fù)酸化現(xiàn)象，加劇土壤酸化；長期施用石灰還會(huì)造成土壤肥力下降，形成“石灰板結(jié)田”[53]。此外，礦物、工業(yè)副產(chǎn)物本身就帶有重金屬離子，雖然量很少，但長期施用仍然會(huì)存在著污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

有鑒于此，在對(duì)酸化煙田進(jìn)行改良時(shí)，應(yīng)從以下幾方面入手：（1）使用化學(xué)改良劑時(shí)要配合其他堿性肥料，如草木灰、火燒土等[54]。（2）提倡煙田增施優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥和生物肥。此類肥料可以為土壤微生物提供良好的生長環(huán)境，利用土壤微生物對(duì)酸化土壤顆粒進(jìn)行改良，使改良更加穩(wěn)定有效。（3）注重研發(fā)新型改良技術(shù)。例如研發(fā)集物理、化學(xué)、生物聯(lián)合的綜合改良技術(shù)；此外，煙草工作者可以選育耐酸性較強(qiáng)的新型煙草品種等?？傊?，加強(qiáng)對(duì)酸化植煙土壤改良，有針對(duì)性的進(jìn)行預(yù)防控制，對(duì)我國煙草行業(yè)的發(fā)展有重要意義。

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