我國(guó)土壤酸化研究概述

王文娟，楊知建，徐華勤

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

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我國(guó)土壤酸化研究概述

王文娟，楊知建*，徐華勤

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

目前土壤酸化引起土壤肥力低下、有毒重金屬含量高，嚴(yán)重影響地上農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，制約國(guó)家糧食安全、農(nóng)田和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。從土壤酸化的成因及危害、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀等方面進(jìn)行論述，提出改良酸化土壤的方法。

土壤酸化; 酸毒害; 酸雨；改良措施

土壤酸化是土壤質(zhì)量退化中一個(gè)重要方面，實(shí)質(zhì)是土壤因自然因素和人為因素導(dǎo)致鹽基性陽(yáng)離子減少,氫、鋁離子增加,土壤pH降低,有毒金屬離子活性增大的過程[1]。我國(guó)土壤酸化具有面積大、分布廣、酸化程度高和危害大等特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)酸化土壤面積達(dá)2億hm2，約占全國(guó)總面積的23%，主要分布在長(zhǎng)江以南廣大地區(qū)，多數(shù)集中于廣東和廣西(兩廣)、福建、臺(tái)灣、江西、湖南和湖北(兩湖)、云南、貴州、浙江、安徽、四川、江蘇與西藏南面等14個(gè)省區(qū)[2-3]。以土壤類型來分，可劃為華中和華南的紅壤地帶和四川、貴州、云貴高原的黃壤地帶兩區(qū)。這些地區(qū)酸化土壤的pH多數(shù)在5.5以下，嚴(yán)重的pH甚至小于4.5，并且這種酸化的程度和面積仍在增加。土壤酸化導(dǎo)致土壤中營(yíng)養(yǎng)元素流失，有毒重金屬化合物的溶解度增加，肥力降低，土壤結(jié)構(gòu)變差，影響地上作物生長(zhǎng)發(fā)育，已嚴(yán)重地制約我國(guó)的糧食安全、農(nóng)田和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[4]。如今，土壤學(xué)、農(nóng)學(xué)及作物學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的專家和教授紛紛將土壤酸化作為重大課題來進(jìn)行研究。筆者主要對(duì)土壤酸化成因和危害、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及土壤酸化改良措施等方面進(jìn)行綜述，旨在為我國(guó)土壤酸化的治理提供理論參考。

1 土壤酸化的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

研究表明，當(dāng)3.0

趙靜等[6]研究表明，威海市文登梨園的土壤pH介于4.06～6.59之間，其中40%以上被調(diào)查樣品土壤是極強(qiáng)酸性和強(qiáng)酸性的。王見月等[7]研究表明，山東省果園種植基地中以棕壤為主的膠東地區(qū)的土壤酸化最為嚴(yán)重，其中招遠(yuǎn)果園土壤酸性最強(qiáng)，平均pH達(dá)4.22；棲霞、文登、蓬萊和萊西等地的果園土壤均呈現(xiàn)強(qiáng)酸性，pH依次為4.69、4.86、5.14和5.26。董昭皆等[8]研究表明，榮成市近年來果樹苦痘病、粗皮病加重的原因是果園土壤已被嚴(yán)重酸化。2006年測(cè)得土壤pH平均為5.0，比1982年減低了1.5。趙全桂等[9]研究證實(shí)，當(dāng)前招遠(yuǎn)市有60%以上的農(nóng)田土壤pH<5.5，土壤酸化較嚴(yán)重；土壤酸化造成該地區(qū)土壤中微量元素的缺乏和某些重金屬超標(biāo)，制約了生產(chǎn)的發(fā)展。葉優(yōu)良等[10]調(diào)查煙臺(tái)蘋果發(fā)生粗皮病時(shí)發(fā)現(xiàn)，70%～75%的果園土壤呈酸性、微酸性(pH<6.5)；土壤pH<6.5利于錳還原，因而增加土壤錳的有效性。田文杰等[11]運(yùn)用三維熒光技術(shù)研究模擬酸雨淋溶下紫壤淋出液中溶解性有機(jī)質(zhì)組分與酸度、淋溶量的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)在酸雨淋溶初期紫壤中溶解性有機(jī)質(zhì)大量淋失，且隨酸度加大，有機(jī)質(zhì)淋失率也增大。張倩等[12]研究發(fā)現(xiàn)，江蘇省典型茶園土壤pH的降低速率與土壤中有機(jī)質(zhì)總量呈0.01水平顯著負(fù)相關(guān)。張勇等[13]在模擬酸雨條件下研究酸雨對(duì)北亞熱帶天然次生林土壤呼吸的影響，發(fā)現(xiàn)只有高強(qiáng)度模擬酸雨(pH2.5)才顯著抑制土壤呼吸作用。朱雪竹等[14-15]研究發(fā)現(xiàn)，酸雨并未顯著影響中性和酸性土壤農(nóng)田系統(tǒng)平均暗呼吸速率，雨水pH的降低僅抑制酸性土壤農(nóng)田系統(tǒng)暗呼吸。

Guo等[16]研究表明，1980年以來我國(guó)南方酸性紅壤和黃壤酸化程度日益加強(qiáng)，其中糧食和經(jīng)濟(jì)作物區(qū)的pH分別降低了0.23，0.30；雖然北方的潮土鈣離子量濃度高，但已出現(xiàn)大面積酸化現(xiàn)象，該地區(qū)的糧食及經(jīng)濟(jì)作物區(qū)的pH也分別下降了0.27、0.58。Blake等[17]于1991年調(diào)查洛桑試驗(yàn)站Geescroft Wildernes的表土，發(fā)現(xiàn)pH為3.8，較1883年降低了4.2；ParkGrass的表土pH則降到4.2，然而在1876 年該地區(qū)表土的pH為5.2。Roem等[18]在研究荒地和草地群落上的土壤酸化時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤酸化程度與植物物種多樣性有極顯著的相關(guān)性關(guān)系。

2 土壤酸化的原因

2.1 自然條件下的土壤酸化自然酸化是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可避免的現(xiàn)象。土壤中的鹽基性離子本身就較易淋失,因此淋溶過程實(shí)質(zhì)就等同于酸化過程。另外,天然降雨中會(huì)有一些碳酸和硝酸,土壤中微生物與植物根系代謝過程中也會(huì)產(chǎn)生一定量的碳酸。土壤有機(jī)質(zhì)分解會(huì)帶來少數(shù)有機(jī)酸和腐殖酸。部分地區(qū)土壤中硫化鐵礦物氧化會(huì)產(chǎn)生硫酸。所以，土壤酸化是土壤形成過程中的自然現(xiàn)象。該現(xiàn)象在熱帶亞熱帶濕潤(rùn)地區(qū)表現(xiàn)得特別明顯。但是，一般這種自然酸化速率十分緩慢。

2.2 人為活動(dòng)影響下的土壤酸化隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人為活動(dòng)大大加速了土壤酸化的速率，主要包括酸雨和不當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施等。

2.2.1酸雨。酸雨又稱酸沉降，是指pH小于5.6的大氣降水，主要包括濕沉降(酸雨、酸雪、酸霧、酸霜)和干沉降(SO2、NOX、HCl等氣體酸化性物)。酸沉降主要由于現(xiàn)代生活工業(yè)中所用的煤、石油和天然氣燃燒及汽車尾氣排放中產(chǎn)生的SO2等硫和氮化合物，經(jīng)擴(kuò)散或重力作用等過程降落到地面。我國(guó)長(zhǎng)江以南在內(nèi)的廣大東北亞地區(qū)已成為繼歐洲和北美以外的第三大酸雨區(qū)[19-21]，具有區(qū)域性強(qiáng)、頻率高及酸性強(qiáng)等特征。據(jù)資料顯示，自20世紀(jì)90年代以來，我國(guó)華中酸雨區(qū)已成為全國(guó)酸雨污染最嚴(yán)重的地區(qū)，其中的典型代表城市有長(zhǎng)沙、株洲、贛州和南昌等。該中心區(qū)年均降水pH大多低于4.0，酸雨頻率最高達(dá)90%[22]。邱棟梁等[23-24]研究都發(fā)現(xiàn)酸雨對(duì)龍眼落果及果實(shí)品質(zhì)、六年生東魁楊梅的生理生化特征均能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2.2.2不當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施。不當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用化學(xué)肥料尤其是銨態(tài)氮肥的使用、不當(dāng)?shù)氖┓柿亢褪┓史绞?、連作和種植致酸作物等。硫酸銨、氯化銨等生理酸性肥料導(dǎo)致土壤酸化的原理是銨根離子氧化后被作物吸收，致使土壤中氫離子和鋁離子含量增加，土壤pH降低。趙其國(guó)[25]在江西進(jìn)行紅壤盆栽試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，施用硫酸鉀、硫酸銨等肥料都會(huì)不同程度地加大紅壤的酸度。Summner等[26-27]研究發(fā)現(xiàn)，施用氮肥等不當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施引起的土壤酸化作用比酸沉降要大20倍以上。據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒統(tǒng)計(jì)，截至2007年我國(guó)農(nóng)田氮肥用量已達(dá)3.26×107t，較1981年增長(zhǎng)191%[28]。

據(jù)報(bào)道，農(nóng)作物生長(zhǎng)結(jié)實(shí)過程中會(huì)大量吸收土壤中的鹽基離子，尤其是同一土壤常年種植單一作物，鹽基離子長(zhǎng)期通過秸稈和籽粒帶走又得不到補(bǔ)充，致使土壤離子失衡和pH降低。這是造成土壤酸化的重要原因。連作及單作豆科植物時(shí)其根系在生長(zhǎng)過程中會(huì)分泌一些酸性物質(zhì)，導(dǎo)致土壤pH下降，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，酸化趨勢(shì)也一并加劇[29]。

3 土壤酸化的危害

近年來，土壤酸化給土壤理化性質(zhì)帶來顛覆性的影響，使得作物根系生長(zhǎng)的根本條件變差，進(jìn)一步影響作物品質(zhì)和產(chǎn)量。在我國(guó)南方酸雨區(qū),土壤酸化已然是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和影響環(huán)境質(zhì)量的“元兇”。

3.1 土壤pH的降低土壤酸化必然造成土壤pH的下降。土壤pH的降低會(huì)打破許多原本存在于土壤溶液中的化學(xué)平衡。如,土壤酸化會(huì)產(chǎn)生大量分子態(tài)硫化氫 (對(duì)植物有毒),導(dǎo)致離子態(tài)硫化物濃度的降低。土壤酸化后大量H+進(jìn)入植物根細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)，使pH下降，酶活性降低，生物自由基積累及膜脂過氧化作用加劇，引起細(xì)胞解體和細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)破壞，從而影響植株生長(zhǎng)發(fā)育及品質(zhì)[30]。

3.2 土壤中活性鋁的溶出及有毒金屬元素的活化鋁約占地殼質(zhì)量的7.1%。它是土壤中最豐富的金屬元素。土壤中的鋁能以多種化學(xué)形態(tài)存在，其比例主要取決于土壤溶液的pH[31-32]。當(dāng)土壤溶液pH<5時(shí)，Al3+離子居多；當(dāng)56時(shí)，多數(shù)以可溶性鋁離子的形態(tài)存在。土壤鋁的溶出是指隨土壤pH的降低促使原本在土壤中以離子態(tài)形式牢固地吸附在土壤的交換點(diǎn)或黏土顆粒上的鋁從這些交換點(diǎn)或黏土顆粒上脫落的過程[33]。當(dāng)土壤溶液中活性鋁離子濃度超過植物根系耐受限度時(shí)，根系表現(xiàn)出短小、畸形卷曲和脆弱易斷現(xiàn)象，其生長(zhǎng)明顯受阻，引起植株生長(zhǎng)不良。鋁離子與土壤膠體的結(jié)合能力遠(yuǎn)強(qiáng)于土壤中其他鹽基性離子,因此對(duì)鈣、鎂、鉀等植物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分離子的吸附量會(huì)顯著減少，讓它們?cè)谶M(jìn)入土壤溶液后遭受淋失, 造成土壤養(yǎng)分貧瘠。這在我國(guó)南方紅壤多雨地區(qū)表現(xiàn)尤為突出。

土壤酸化在導(dǎo)致pH下降的同時(shí)，也引起錳、鉻、銅、鉛、鎬和鋅等有毒重金屬離子的溶解度升高[24]。郭朝暉等[35]研究表明，隨著pH的下降，土壤中鎘、銅及鋅等重金屬離子的釋放強(qiáng)度顯著增大。謝思琴等[36]研究表明，當(dāng)pH<4.0時(shí)，這些有毒重金屬離子的含量會(huì)升高得更明顯。若高濃度的有毒重金屬元素常年沉降和積累在土壤中，則土壤必定會(huì)成為有毒性的環(huán)境介質(zhì),影響作物的生長(zhǎng)，危害人類身體健康。

3.3 土壤中微生物與酶活性的降低土壤中各種養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與循環(huán)都離不開微生物和酶的催化作用。然而，酸性土壤抑制了這些有專一效應(yīng)的微生物和酶活性。土壤酸化能改變土壤微生物種群, 使得嗜酸性細(xì)菌含量增加，有益微生物數(shù)量減少，如土壤酸化能減少分解有機(jī)質(zhì)及其蛋白質(zhì)的微生物類群牙袍桿菌、極毛桿菌和有關(guān)真菌的數(shù)量,破壞營(yíng)養(yǎng)元素的良性循環(huán),造成作物減產(chǎn)。一些科學(xué)家預(yù)測(cè)我國(guó)南方七省的大豆因土壤pH下降而減產(chǎn)達(dá)2萬t，造成的經(jīng)濟(jì)損失每年約達(dá)1 400萬元[37]。

4 土壤酸化的改良策略

酸化土壤的改良應(yīng)從多方面入手，采取綜合措施，即在控制源頭——酸雨的基礎(chǔ)上應(yīng)用改良劑、實(shí)施測(cè)土配方施肥和改變不當(dāng)種植制度、增施優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥和推廣秸稈還田等方式來緩解土壤酸化，提高土壤肥力。

4.1 酸雨的控制酸雨已成為我國(guó)土壤酸化重要的外源。因此，降低酸沉降最根本的辦法就是采用新型的環(huán)保能源或高效農(nóng)業(yè)廢棄物處理技術(shù)減少二氧化硫、氧化亞氮等污染物在日常生活生產(chǎn)中的排放。

4.2 改良劑的應(yīng)用傳統(tǒng)酸性土壤改良劑多為石灰或石灰石粉。該改良劑易使土壤表層土的酸度降低，還能引起土壤耕層交換性鈣離子數(shù)量增加、鎂與鋁水化氧化物的沉淀，降低土壤溶液中鎂離子的活度[38-39]。過于頻繁地施用石灰會(huì)使土壤復(fù)酸程度增強(qiáng)，因此施用石灰改良還應(yīng)配合其他堿性肥料如草木灰和火燒土等[40]。

除傳統(tǒng)酸性土壤改良劑外，人們還發(fā)現(xiàn)某些礦物和工業(yè)廢棄物也能改良土壤酸度，如白云石、磷石膏、粉煤灰、磷礦粉和堿渣等礦物和制漿廢液污泥等工業(yè)廢棄物。王文軍等[41]在研究白云石改良酸性黃紅壤試驗(yàn)結(jié)果表明，在酸性黃紅壤中施入一定量的白云石降低了土壤交換性鋁離子含量，提高了土壤pH和交換性鈣、鎂離子的濃度，顯著提高地上作物產(chǎn)量。

生物改良主要指運(yùn)用綠肥和土壤中一些動(dòng)物來改良酸性土壤。胡衡生等[42]研究表明，種植格拉姆柱花草三五年后的土壤中重要營(yíng)養(yǎng)元素均大幅度增加，而且隨著種植年限增長(zhǎng)，土壤肥力增幅越大。在芒果園中養(yǎng)殖蚯蚓的試驗(yàn)結(jié)果指明，蚯蚓能通過取食土壤中有機(jī)物料后產(chǎn)生的蚯蚓糞明顯降低土壤酸度，促進(jìn)根系對(duì)養(yǎng)分的吸收[43]。

4.3 實(shí)施測(cè)土配方施肥和優(yōu)化種植制度目前，化學(xué)氮肥在我國(guó)施用量高但利用率異常低。這是土壤酸化中最主要因素之一。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)土壤肥力背景值和作物生長(zhǎng)需氮的規(guī)律實(shí)施測(cè)土配方施肥來減少土壤中氮素殘留，防止土壤酸化。另一方面，可以通過優(yōu)化耕作模式即水旱輪作、輪作和間作套種等栽培模式減緩?fù)寥浪峄俣取?/p>

4.4 增施優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥和推廣秸稈還田增施優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥、生物有機(jī)肥和發(fā)酵腐熟的土雜肥，提高土壤肥力，緩解土壤酸化；大力提倡推廣秸稈還田，增加土壤有機(jī)質(zhì)，改變土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤緩沖酸性能力；多運(yùn)用噴灌、滴灌等節(jié)水技術(shù)進(jìn)行科學(xué)灌溉，減少大水漫灌引起土壤淋溶。張曉海等[44]同樣研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)長(zhǎng)期施用化肥的煙地，施用小麥和玉米秸稈均能提高土壤中微生物的數(shù)量。果園地里種植白三葉草能高效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，肥田沃土，實(shí)現(xiàn)土地的種養(yǎng)結(jié)合，對(duì)果業(yè)生產(chǎn)節(jié)本增收和提質(zhì)增效具有重要意義[45]。

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Overview of Soil Acidification Research in China

WANG Wen-juan, YANG Zhi-jian*, XU Hua-qin

(Agricultural School of Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128)

Currently soil acidification lead to low soil fertility, high toxic heavy metals, seriously affect the growth of crops in the ground, restrict the sustainable development of national food security, farmland and agriculture.The causes and hazards, domestic and foreign research status were elaborated, methods for improving soil acidification were put forward.

Soil acidification; Acid poisoning; Acid rain; Improvement measures

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31100382)；湖南省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012NK3077)。

王文娟(1982-)，女，湖南郴州人，碩士研究生，研究方向：土壤生態(tài)學(xué)。*通訊作者，教授，博士，從事草坪科學(xué)與工程、牧草栽培、生態(tài)學(xué)等方面的研究。

2015-01-27

S 153.4

A

0517-6611(2015)08-054-03