我國(guó)土壤酸化研究概述

王文娟　楊知建　徐華勤

摘要：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。

關(guān)鍵詞：土壤酸化； 酸毒害； 酸雨；改良措施

中圖分類號(hào)：S153.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）08-054-03

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(guò)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(lái)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(lái)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(jiàn)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(lái)果樹(shù)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(lái)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(guò)程實(shí)質(zhì)就等同于酸化過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)，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)3.26×107 t，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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)，土壤酸化給土壤理化性質(zhì)帶來(lái)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(guò)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(guò)程[33]。當(dāng)土壤溶液中活性鋁離子濃度超過(guò)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(kāi)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(wàn)t，造成的經(jīng)濟(jì)損失每年約達(dá)1 400萬(wàn)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)減少土壤中氮素殘留，防止土壤酸化。另一方面，可以通過(guò)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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