土壤酸堿性對植物生長影響的研究進(jìn)展

張麗芳， 胡海林

(1.曲靖師范學(xué)院 生物資源與食品工程學(xué)院， 云南 曲靖 655011； 2.曲靖市農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 云南 曲靖 655000)

土壤酸堿性是土壤的重要化學(xué)性質(zhì)，也是土壤的基本屬性之一，其不僅影響土壤的肥力，還影響土壤養(yǎng)分及有害物質(zhì)的產(chǎn)生，進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育及產(chǎn)質(zhì)量。目前，國內(nèi)對土壤酸堿性方面研究不多。赫偉紅[1]研究表明，土壤溶液中金屬離子、酸性氣體化合物和有機(jī)物等含量不同是導(dǎo)致土壤的酸堿性不同的主要原因。土壤酸堿性強(qiáng)弱常用酸堿度(H+濃度的負(fù)對數(shù))來衡量，即pH大小來表示。羅淑華[2]對土壤酸堿度按其強(qiáng)弱進(jìn)行分級：強(qiáng)堿pH>8.5，堿性pH 7.5～8.5，中性pH 6.5～7.5，酸性pH 4.5～6.5，強(qiáng)酸pH<4.5。同時，土壤酸堿性還影響土壤結(jié)構(gòu)的形成、微生物活動、有害物質(zhì)的形成和養(yǎng)分有效性，進(jìn)而影響農(nóng)作物的生長發(fā)育[3]。為提高作物的產(chǎn)質(zhì)量，王寧等[4-8]通過在土壤中施加石灰、工業(yè)廢棄物、農(nóng)作物秸稈還田、綠肥和生物有機(jī)肥等，并進(jìn)行合理輪作制度、水肥管理和作物品種選擇等措施對土壤的酸堿度進(jìn)行改良。很多地方由于土壤的過度利用導(dǎo)致其酸堿化嚴(yán)重，研究土壤酸堿性對作物生長的影響并對其進(jìn)行改良具有重要意義。為此，從土壤酸堿性產(chǎn)生的機(jī)理、對植物養(yǎng)分有效性及其生長的影響和土壤酸堿性的改良等方面進(jìn)行概述，以期為土壤酸堿性在生產(chǎn)應(yīng)用及同類研究提供參考。

1土壤酸堿性產(chǎn)生的機(jī)理

1.1酸性土壤

土壤酸化始于土壤中活性質(zhì)子氫離子(H+)[9]，活性H+的來源主要有自然因素和人為因素。自然因素：一是酸雨的形成。自然界釋放酸性氣體，如湖泊、濕地和大陸架等濕地單元，通過微生物的分解作用排放H2S氣體，其在大氣中經(jīng)氧化生成SO2，此外，火山爆發(fā)也能夠產(chǎn)生大量酸性氣體，其溶解到雨水中形成大量硫酸鹽物質(zhì)，酸性物質(zhì)通過降雨隨雨水進(jìn)入土壤，導(dǎo)致土壤酸化、有毒金屬離子活化、鹽基離子大量流失和土壤酶活性受抑制等[10-11]。二是風(fēng)化作用。在含有酸性硫酸鹽土壤中，土壤母質(zhì)缺乏堿性陽離子，自然降雨引起土壤中堿基化合物大量淋失，氫離子與土壤膠體上被吸附的鹽基離子交換，使土壤膠體上交換性氫離子不斷增加，從而導(dǎo)致酸性土壤的形成。三是土壤中動植物呼吸作用產(chǎn)生有機(jī)酸和CO2。氫離子可自發(fā)地與土壤中固相的鋁形成化合物，釋放出等量的Al3+，而Al3+水解可釋放出3個H+[12]，土壤交換性氫及鋁含量大量增加，土壤酸性增大[13]。

人為因素主要包括人類活動引起的酸雨和不恰當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施。我國是世界第三大酸雨沉降區(qū)，酸雨污染已覆蓋我國國土面積的40%[14]。酸雨形成的主要原因是工業(yè)生產(chǎn)和民用生活中燃燒大量煤炭、石油、天然氣和汽車尾氣排放等釋放出SO2和NOX，經(jīng)“云內(nèi)成雨過程”發(fā)生液相化反應(yīng)，形成硫酸和硝酸雨滴隨雨水和雪降落地面形成酸雨[15]。在酸雨的長期侵蝕下，土壤pH逐漸降低，Ca2+及Mg2+等陽離子逐漸流失，從而導(dǎo)致土壤的離子平衡遭到破壞，導(dǎo)致土壤中酸性離子富集，土壤酸性增大。不恰當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過度施用化肥、作物連作以及種植致酸性的植物，從而加速土壤的酸化，化肥如氯化銨和硫酸銨等生理酸性肥料在NH4+發(fā)生氧化后被植物體吸收，導(dǎo)致土壤中交換性酸和交換性鋁含量增加，從而導(dǎo)致土壤pH降低。趙其國[16]研究表明，江西紅壤盆栽試驗施用硫酸性肥料后，土壤pH不同程度降低。也有研究表明，施肥對土壤酸化的影響大于酸雨[11]。長期施用氮肥土壤比未施肥土壤酸化速率提高4.6倍[15]，而長期施肥農(nóng)田耕層土壤的pH演變存在對施肥措施的共性響應(yīng)特征[17]。另外，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上豆科植物長期連作也會加劇土壤酸化，而用改良劑、實施測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可緩解土壤酸化，提高土壤肥力[18]。

1.2堿性土壤

堿性土壤地域性差異非常明顯，受各種因素的控制，且鹽化和堿化往往同時發(fā)生，產(chǎn)生的因素有自然因素和人為因素。自然因素：一是受玄武巖及石灰?guī)r等母巖的影響，其中玄武巖含鈣、鎂、鉀、鈉等鹽基離子較多，石灰?guī)r含碳酸鈣較多，由這些含鹽基豐富的母巖發(fā)育的土壤多呈堿性，即使在濕熱的條件下，也呈中性至微堿性[19]。二是受降雨量的影響，在干旱半干旱帶，大氣降雨量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蒸發(fā)量，使巖石、礦物風(fēng)化釋放出的鉀、鈉、鈣和鎂等鹽類不能完全遷移出土體，而積聚于土壤及地下水中，其水解產(chǎn)生氫氧根離子，使土壤向堿性轉(zhuǎn)化。另外，像湖積物、河積物和海灘淤泥等形成的土壤多呈中性至堿性[2]。人為因素包括過渡砍伐破壞濱海地區(qū)草坪和植被、不合理利用農(nóng)業(yè)措施和環(huán)境的污染，導(dǎo)致土壤鹽堿化顯著增強(qiáng)[20]。

2土壤酸堿性對植物養(yǎng)分有效性及其生長的影響

2.1植物養(yǎng)分有效性

土壤酸堿性的營養(yǎng)元素有效性與微生物活性息息相關(guān)。在酸性土壤中，鈷、錳、鐵、銅和鋅等微量元素離子有效性高，在土壤pH為中性時，大多數(shù)營養(yǎng)元素有效性最高。如磷在堿性土壤中易被鈣固定，在酸性土壤中易被鐵固定，而在pH為6.5～7.5時，硼和磷有效性最高，因此，在堿性或酸性土壤中施用磷肥時，可與有機(jī)肥一起施用提高磷肥的肥效；氮有效性的最適pH為6～8，當(dāng)處于酸性環(huán)境時，固氮菌活性降低，當(dāng)土壤pH大于8時，硝化作用受抑制，而在此pH范圍內(nèi)，鈣、鎂離子和鉬酸鹽有效性最好[21]。土壤微生物活動在其適宜的pH范圍下活動旺盛，易釋放較多有效養(yǎng)分，使土壤有機(jī)質(zhì)礦化，如細(xì)菌和放線菌適應(yīng)pH為中性至堿性的土壤。土壤過酸或過堿都會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)性變差、粘重，土壤水、氣、熱不協(xié)調(diào)，不利于耕作和植物生長[15]。

2.2植物生長

土壤溶液pH與植物生長發(fā)育關(guān)系密切，各種植物對土壤pH的要求不同，這種差異主要取決于植物根系特性、構(gòu)造及其生理特點(diǎn)，多數(shù)作物對pH的適應(yīng)范圍為中性或微酸性土壤，有些作物對酸堿反應(yīng)敏感，如茶樹喜酸性土壤，不適應(yīng)中性至堿性土壤。究其原因：首先是茶樹本身起源于酸性土。其次，茶樹根系的生理特性決定，茶樹根系的汁液中含有較多的有機(jī)酸，如草酸和蘋果酸等；另外，茶樹根部根毛較少甚至無根毛，其對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收主要依賴真菌進(jìn)行，而真菌大多數(shù)只能在酸性環(huán)境中生長繁殖[22-23]。而金鐵鎖在不同酸堿度土壤中生長狀況不同，其生長的最適pH為中性至微酸性[24]。甜菜、紫花苜蓿等最適pH為中性和微堿性土壤，芝麻和蕎麥類對土壤酸堿度要求不高，適應(yīng)范圍較廣，但這些作物都不適宜連作，否則將導(dǎo)致作物長勢差，產(chǎn)量低，土壤環(huán)境惡化[25-26]。

3土壤酸堿性的改良

3.1酸性土壤

酸雨的危害已引起各國政府和學(xué)者的重視，就目前而言，防治酸雨的主要措施如下：一是提高能源利用率，減少污染氣體的排放，其中，煤是最重要的能源之一，燃燒后會釋放出SO2等有害氣體，為減少SO2排放，科學(xué)家利用生物技術(shù)脫硫，微生物菌株分離有機(jī)硫[27]。二是改變能源結(jié)構(gòu)，加速發(fā)展無污染能源，積極推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力發(fā)展太陽能、水能、風(fēng)能和地?zé)岬惹鍧嵞茉?，發(fā)展農(nóng)村沼氣池，減少酸性氣體的排放。三是種植樟樹、金橘、銀杉和桑樹等抗酸雨農(nóng)作物品種，其有很強(qiáng)的吸酸能力，可減輕酸雨的危害；另外可施用有機(jī)肥和種植綠肥緩解土壤酸化過程。四是完善環(huán)境法規(guī)，建立激勵和約束機(jī)制。如，制定酸性氣體排放標(biāo)準(zhǔn)，推行征收SO2等有害氣體排放的限制性制度。五是建立公眾參與機(jī)制，倡導(dǎo)綠色消費(fèi)出行。如，限制機(jī)動車數(shù)量，倡導(dǎo)公交車和自行車出行等，鼓勵人們選擇低能耗、低污染和低排放的綠色出行方式[28]。

石灰屬于傳統(tǒng)改良劑，可中和土壤的活性酸和潛在酸，生成氫氧化物沉淀，消除鋁毒，可迅速降低土壤酸度，增加土壤中交換性鈣的含量，施用石灰石粉200 kg/667m2，3年后表層土壤酸度顯著降低，土壤pH增加2～3，但底層土壤酸度變化不大。因石灰中含有Ca2+和OH-，施用初期可使土壤pH增大，但長期施用，修復(fù)效果減弱，造成土壤板結(jié)[5-6,29-30]。任一猛等[7-8,31-32]研究表明，施生物有機(jī)肥可有效改善土壤理化性質(zhì)和微生物環(huán)境，增加農(nóng)家肥及玉米秸稈等可使土壤pH增大并提高作物所需養(yǎng)分。孟賜福等[33]研究表明，浙江中部紅壤施用石灰后1.5 a，耕層(10～20 cm)土壤交換性Ca2+達(dá)最高，隨著施用石灰后時間的推移呈急劇下降趨勢；而底層(20～60 cm)土壤的交換性Ca2+隨石灰用量的增加和施用石灰后時間的推移呈上升趨勢；且施用石灰后耕層和底層土壤酸度的降低與交換性Ca2+的增加基本同步。表明過度施用石灰后，土壤酸度加劇；其原因是施用石灰增加了HCO3-活性，加速了有機(jī)質(zhì)的分解，增加了植物秸稈和籽粒對Ca2+的轉(zhuǎn)移。唐莉娜等[34]研究表明，在煙稻輪作中，酸性土壤(pH 5.0)施石灰0.2～0.4 g/kg能明顯促進(jìn)當(dāng)季烤煙生長且后效良好，但施用過多對烤煙生長不利；施石灰大于0.4 g/kg明顯抑制第2季水稻的生長，而施石灰0.2 g/kg有利于當(dāng)季和下季水稻生長，建議隔季施用石灰，對改善土壤酸性效果較好。

近年來，一些研究者用白云石、磷石膏、粉煤灰和堿渣等礦物和工業(yè)廢棄物改良酸性土壤。王文軍等[35]在酸性黃紅壤中施用白云石后土壤pH增高，土壤交換性鋁、鈣和鎂含量均增高，同時作物產(chǎn)量也隨之增加。磷石膏是磷復(fù)肥和磷化工行業(yè)的副產(chǎn)物，其主要成分是硫酸鈣。何佳芳等[36]研究表明，在酸性黃壤中施用磷石膏可改善土壤酸性，增加作物產(chǎn)量。ALVA等[37]研究表明，磷石膏改良土壤的機(jī)理是一種“自動加石灰效應(yīng)”，由磷石膏中的硫酸鈣與土壤發(fā)生反應(yīng)，即OH-和SO42-的配位基發(fā)生交換作用而產(chǎn)生堿度，致使土壤酸性得到改善。葉厚專等[38]研究表明，紅壤施用磷石膏對作物增產(chǎn)和土壤改良效果明顯，能增加作物莖葉中鈣及硫的含量，降低鎂含量，有利于根系生長，降低鋁毒害，增加土壤中Ca、P和S的含量，促使紅壤pH從酸性向微酸性改變。張敬夫等[39]研究表明，果園酸性土壤施用粉煤灰、磷礦粉和雞糞，其酸度可得到有效改善，果實產(chǎn)質(zhì)量提高。

3.2堿性土壤

堿性土壤改良方法主要有石膏、磷石膏、硫磺粉或其他酸性物質(zhì)，一般施用石膏100 kg/667m2或磷石膏200 kg/667m2。堿性或微堿性土壤栽培喜酸露地花卉，施用硫酸亞鐵0.05 kg/m2可使土壤pH降低0.5～1.0。而對喜酸的盆栽花卉，澆施1∶50硫酸鋁或l∶180硫酸亞鐵水溶液均對改良土壤堿性具有較好的作用[3]。除前述化學(xué)改良外，還可采用禾康土壤改良劑利用高分子結(jié)合土壤中鹽離子降低土壤pH,從而改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤的水分和養(yǎng)分[40]。同時還可摻拌由松葉、殘枝落葉和雜草等堆積發(fā)酵而成且具有很強(qiáng)酸性的綠肥或松針土，在堿性土壤中摻入1/5～1/6的綠肥或松針土可快速改善土壤理化性質(zhì)，是改良堿性土壤快速有效的方法之一[29]。另外，近年來使用的一種調(diào)節(jié)土壤pH的種衣劑對改良堿性土壤效果良好，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)上示范推廣應(yīng)用。

4小結(jié)與展望

土壤酸堿性對作物生長發(fā)育的影響一直是倍受關(guān)注的問題。廣大科研工作者一直在探索酸堿性土壤的改良措施，但效果欠佳。劉繼培等[41-42]報道，中國、韓國、日本、美國和加拿大等均對人參忌連作問題進(jìn)行了大量研究，其研究結(jié)果僅能起到一定的緩解作用，栽培后仍然存在產(chǎn)量下降，病害加重等問題。孫海等[43-45]采取輪作改善土壤微生物平衡，建立合理輪作制度，施農(nóng)家肥提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，添加微生物制劑等措施提高土壤肥力及改善土壤酸堿性。由于不同地方土壤酸堿性不同，土壤酸堿性改良方法也存在差異，一方面可以根據(jù)土壤酸堿性不同增加特定的物質(zhì)改善土壤緩沖性能，改變土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加土壤膠體粒子吸附能力和交換能力；另一方面可增施確保磷和鉀等元素不流失的物質(zhì)，從而保證土壤pH的穩(wěn)定性。