葡萄園土壤酸化治理研究進展

李明山，陳鴻才，王靜，崔鵬飛，吳江*

（1. 浙江師范大學化學與生命科學學院，浙江金華 321000；2. 浙江省農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所，浙江杭州 310021；3. 浦江農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江浦江 322200）

葡萄作為我國四大園藝作物之一，是鄉(xiāng)村振興和提高農(nóng)民收入的重要途徑。根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2018年我國葡萄的種植面積為72.51萬 hm2，浙江省的種植面積為3.26萬 hm2，排全國第10位。隨著我國鮮食葡萄需求量的不斷增加，葡萄的種植面積也逐年提高，但隨著葡萄園種植年限的延長，園內(nèi)土壤的pH也不斷下降[1]，出現(xiàn)不同程度的酸化現(xiàn)象，從而造成葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)的下降。土壤的酸化除了受作物栽培和施肥影響外，還長期受到酸雨的影響，特別是南方地區(qū)，土壤酸化狀況更為突出。據(jù)研究調(diào)查，上個世紀我國的強酸性土壤面積約為1127萬 hm2，到本世紀已增加到1507萬 hm2[2]。隨著農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)的推進以及氮沉降的加劇，土壤酸化程度正在變得越來越嚴重。

1 酸性土壤形成過程

土壤酸化是指土壤吸收性復合體接受了一定數(shù)量的交換性氫離子和鋁離子，使土壤中的鹽基離子不斷淋失的過程[3]。土壤的pH低于6.5時，稱該土壤為酸性土壤。土壤的酸化是土壤對酸的緩沖能力下降的過程，呈動態(tài)變化。土壤的酸化主要是受自然和人為活動兩個因素的影響。

1.1 自然因素

在南方多雨的情況下，土壤中的鹽基離子通過降雨的不斷沖刷，最終被地表徑流和地下滲透作用帶走，造成土壤中的交換性氫離子和鋁離子增加，這個過程是極其緩慢的。在東北地區(qū)，因為寒濕條件的影響，自然的生態(tài)系統(tǒng)中植物的枯枝落葉等有機物的分解速率遠小于植物生成有機物的速率，這導致土壤中的鹽基離子會不斷的被消耗，酸性離子不斷增加[4]。并且有機物在微生物沒有完全充分的分解下，產(chǎn)生的富里酸和其他有機酸也會造成土壤的酸化[5]。

1.2 人為因素

土壤的自然酸化是非常緩慢的。由于人類對糧食以及工業(yè)產(chǎn)品的極大需求，造成土壤的高度利用和化石燃料的大量使用，導致土壤的貧瘠化和酸雨中SO2和N2O的大量產(chǎn)生。酸沉降導致土壤的pH降低，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，土壤的微生物群落也造成嚴重的影響。而且酸雨也會對江流湖泊造成嚴重的危害，在江流下游的農(nóng)業(yè)也會受到一定程度的損失。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遭到破壞，糧食和農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)量下降。

為了尋求單位面積上的作物產(chǎn)量最大化，不合理的使用化肥農(nóng)藥也是造成土壤酸化的因素之一。硫酸銨、氯化銨等酸性肥料，銨根離子經(jīng)過硝化作用釋放出氫離子和硝酸根離子，通過雨水或灌溉硝酸根和鹽基離子被淋失，留下大量氫離子和鋁離子，使土壤酸化。連續(xù)耕作和種植產(chǎn)酸物質(zhì)的作物，導致土壤離子失衡，酸堿度降低。例如羽扇豆等豆科植物會分泌一種酸性物質(zhì)，來活化土壤中的磷元素，長期耕種會導致土壤酸化[3]。

2 葡萄園土壤酸化的危害

葡萄的根系發(fā)達，對土壤的適應能力較強，然而土壤環(huán)境對葡萄的生長和果實品質(zhì)有很大的影響。在土壤肥力好、土壤孔隙大、容重小的土壤環(huán)境中葡萄能較好的生長。葡萄最適宜的土壤pH為6～7.5，pH低于4或高于8.5的土壤不利葡萄樹的生長，并且影響果實的品質(zhì)。

葡萄的生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)與土壤中的鉀、鈣、鎂、鈉等鹽基離子有密切的關系。土壤的酸化，使土壤中的氫離子和鋁離子濃度增加，氫離子可與吸附在土壤顆粒中的鉀、鈣、鎂等鹽基陽離子競爭植物根部的離子交換位，大量的鹽基陽離子隨著徑流而流失，導致植物根系不能正常的吸收養(yǎng)分[6]。研究表明，北美森林土壤中缺乏鈣元素，主要原因是酸沉降導致了土壤中的鋁元素活化，土壤中的鋁元素含量與鈣元素含量呈顯著負相關關系[7]，而導致鈣元素不被吸收。鈣元素的減少會使葡萄幼葉卷曲、新梢和蔓頂枯死，果實硬度與可溶性糖含量下降和酸度升高[8-9]。在酸化土壤中，土壤膠體對游離的磷酸根、鉬酸根和硼酸根的吸附效果增強。使得可供葡萄吸收的游離態(tài)磷和微量元素鉬和硼含量減少[10]。導致葡萄葉片出現(xiàn)黃色斑點、新梢頂部枯死、結(jié)實不良、粒小核圓等現(xiàn)象[11]。

土壤酸化導致土壤中的氫離子，以及鋁、錳、鉻等重金屬離子濃度增加，它們游離在土壤中，被葡萄吸收，從而導致葡萄無法正常生長[12]。這些重金屬元素在葡萄果實中富集而超標，會對健康造成巨大損傷。酸性土壤中鋁離子的存在，被認為是限制植物生長發(fā)育的主要因子，幾個微摩爾級的鋁就會對葡萄的根系造成嚴重的毒害，在對葡萄造成直接傷害的同時，也間接地降低了葡萄對所需營養(yǎng)元素的吸收效率[13]。

土壤酸化還會影響到土壤中的微生物群落。由于一些微生物的生長環(huán)境比較敏感，酸性條件下會導致一些微生物群落的生長和活動受到抑制，甚至會導致種群的滅亡[14]，影響到土壤中微生物種群的多樣性。土壤有機質(zhì)的分解和土壤中的碳、氮、磷、硫的循環(huán)，也使得土壤對外入侵的抵抗力減弱。研究表明，隨著種植年限增加，果園土壤酸化的加劇，土壤中微生物的生長繁殖受到了抑制。尤其是在種植15年以上的果園，土壤細菌和放線菌大量減少，活性降低，而真菌的生長受影響較小。酸化環(huán)境成為制約土壤微生物生長的主要因素，菌數(shù)與酸度有較密切的關系[15]。

3 葡萄園酸性土壤的改良

土壤酸化嚴重影響到我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境。因長期種植葡萄而酸化的土壤會導致葡萄產(chǎn)量降低。目前，通過改良土壤的方法來提高葡萄的產(chǎn)量較為普遍有效。改良劑的選擇主要從能中和土壤中的交換性酸，改善酸性土壤的物理結(jié)構(gòu)、化學性質(zhì)和微生物群落多樣性方面進行考慮。為降低葡萄園的經(jīng)營管理成本，選用改良劑不僅要考慮修復酸性土壤的效果，還要考慮到改良劑的成本，應優(yōu)先選擇廉價、修復效果好和對土壤的二次傷害小的改良劑。

3.1 石灰

石灰可以中和土壤的活性酸和潛性酸，生成氫氧化物沉淀，迅速有效的緩沖酸性土壤的酸度[14]。研究表明，在土壤pH為5.18時，施用石灰1.2 g/kg，pH可提升0.63；在土壤pH為6.02時，當施用石灰2.4 g/kg時，pH可上升1.57。并且石灰也能顯著影響土壤中微量元素的有效性，土壤中的有效鈣、鎂、硫、硅隨著石灰使用量的增加而增加[16]。通過監(jiān)測石灰使用后耕層（10～20 cm）和底土（20～60 cm）的pH和交換性Ca2+、Mg2+的長期變化，結(jié)果表明，耕層交換性Ca2+在施用石灰后的一年半時間達到最高值，此后隨著時間的推移而急劇減少；而底土的交換性Ca2+隨石灰用量的增加和施用石灰后時間的推移而增加。鎂在土壤剖面中的移動比鈣快，施用石灰后耕層和底土酸度的降低與交換性Ca2+的增加基本同步。并且不論施用石灰與否都存在著復酸化過程，但施用石灰后復酸化作用更強[17]。因此，葡萄園要合理施用石灰，否則會對葡萄造成二次傷害。

3.2 白云石粉

白云石粉[CaMg(CO3)2]是碳酸鈣和碳酸鎂以等分子比形成的結(jié)晶碳酸鈣鎂化合物[14]。施用白云石粉改良酸性土壤可以避免因施用石灰不均勻或施用量較大對葡萄生長造成的傷害。通過田間試驗表明，酸性黃紅壤上施用白云石粉顯著降低了土壤交互性Al3+含量和提高土壤pH，其降酸作用與白云石粉用量呈正相關。此外，施用白云石粉改善了土壤的養(yǎng)分狀況，提高了油菜植株的養(yǎng)分含量和吸收量[18]。研究了盆栽條件下貴州省黔南州酸性黃壤（pH＝5.45）施用白云石粉對土壤化學特性和烤煙生物量的影響。隨著白云石粉施用量的增加，酸性土壤pH呈升高趨勢，交換性Al3+和交換性Mn2+含量呈下降趨勢，有效磷和速效鉀含量呈增加趨勢。酸性土壤施用白云石粉能夠促進煙株生長，但要控制白云石粉施用量，用量過大反而抑制煙株生長，適宜用量為0.66～0.99 g/kg[19]。

3.3 牡蠣殼粉

牡蠣殼粉的主要成分為氧化鈣，且具調(diào)酸補鈣等特點。研究表明，通過在黃泥土種植的花生上分別施用牡蠣殼土壤調(diào)理劑2250 kg/hm2和1500 kg/hm2加常規(guī)施肥處理，與不施用牡蠣殼土壤調(diào)理劑加常規(guī)施肥處理對比，施用不同量牡蠣殼土壤調(diào)理劑后花生產(chǎn)量分別增加16.8%和10.1%，花生的各項農(nóng)藝性狀也得到提高。施用不同量牡蠣殼土壤調(diào)理劑后土壤的有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣含量均有明顯提高，土壤pH分別提高了0.8和0.5[20]。因此，牡蠣殼粉對酸性土壤的改良具有顯著效果，并且牡蠣殼的獲得較為方便，可以變廢為寶[21]。牡蠣殼粉作為酸性土壤改良劑被應用在荔枝園、花生地和水稻田等[20,22-23]。目前，未見葡萄園施用牡蠣殼粉的報道。

3.4 生物炭

生物炭是通過將農(nóng)作物殘渣在高溫厭氧的條件下制備而成，具有比表面積大、多孔隙、呈堿性等物理特征。應用到酸性土壤中可以改善土壤的物理、化學和生物性質(zhì)。熊薈菁等[24]利用秸稈生物炭對葡萄園土壤進行改良，土壤理化性質(zhì)均有顯著性提高，氮、磷、鉀和有機質(zhì)含量逐年增加，第3年葡萄產(chǎn)量提高20.07%，糖酸比提高了25.04%。通過茶園酸性土壤的研究表明，以100～300 g/kg的用量向茶園土壤中施加生物炭能使土壤pH升高0.05～0.22，有機碳含量提高1.6%～7.9%，陽離子交換量（CEC）下降8～48 cmol/kg。生物炭明顯降低茶園土壤中有效態(tài)重金屬Pb、Cd和Cu的含量，其中有效Pb降低38.5%～79.1%，有效Cd降低26.8%～74.6%，有效Cu降低12.5%～17.2%[25]。但土壤中微量有效Fe、Zn也顯著下降。葡萄園也需要微量元素來滿足葡萄的正常生長發(fā)育，缺失這些元素，會影響改良效果。使用生物炭的同時可以將其他營養(yǎng)元素加入，彌補生物炭不能為葡萄提供豐富的微量元素的不足。

3.5 草木灰

草木灰是指將植物殘體通過燃燒的方式獲得的物質(zhì)，具有較強的堿性中和能力。由于植物的種類繁多，草木灰會因為原材料的不同，所含有的元素以及修復酸性土壤的效果有較大差異。鄭福麗等[26]對6種酸性土壤改良劑進行試驗，除草木灰外，其他6種改良劑在適宜的用量都可以使土壤pH提升1～2個單位，草木灰對果園酸化土壤改良基本不起作用。研究表明，木灰中含有大量的鉀、鈣等營養(yǎng)元素和微量元素，但低于石灰所含有的鈣鎂含量。木灰的各化學成分含量隨著燃燒溫度和儲放時間的不同而有所變化[27]。葡萄對鉀的需要量較高，充足的鉀素供應可提高葡萄的含糖量，促進漿果的著色[28]。葡萄需鈣量比其他元素多，鈣促進氮在葡萄體內(nèi)的轉(zhuǎn)化，加速葉綠素的形成有積極作用[29]。因此，草木灰與其他肥料混合應用于酸性土壤中，將可能改善土壤肥力與葡萄的生長發(fā)育。

3.6 腐殖酸

腐植酸類物質(zhì)主要是動植物殘骸在微生物分解和一系列復雜的化學作用下而形成和積累起來的一類成分復雜的天然有機物質(zhì)[30]。在酸性土壤中添加腐殖酸后植物的生長得到改善，與對照相比植物鮮重提高了86%，而且植物體內(nèi)的鋁含量減少了16.06%，說明改良劑腐殖酸可以促進酸性紅壤中作物的生長，且其改良效果為生石灰＞生物炭＞腐殖酸[31]。腐殖酸能增強作物的抗逆性和生長發(fā)育狀況，提高對肥料的利用效率，還改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤中微生物數(shù)量種類[6]。項國棟等[32]研究表明，對葡萄園施用腐殖酸肥料，葡萄產(chǎn)量提高11.03%～24.41%，葡萄的可溶性糖、可溶性固形物、VC含量增加，重金屬Cd、Pd含量降低。

4 展望

目前，市場上酸性土壤改良劑種類豐富，但受地區(qū)環(huán)境的影響，各改良劑對葡萄園酸性土壤的改良效果差異較大。需要對改良劑的用量及施用方法建立統(tǒng)一標準，方便酸性土壤改良劑的推廣普及。當前酸性土壤改良劑多來源于葡萄園生態(tài)系統(tǒng)之外，適當考慮在葡萄園系統(tǒng)內(nèi)尋找改良劑原材料，例如每年冬季都對葡萄樹進行修剪，將修剪下來的枝條制成生物炭和草木灰改良劑單獨使用或與其他改良劑混合使用，實現(xiàn)葡萄園系統(tǒng)中的循環(huán)利用，正引起研究者和生產(chǎn)者的關注[33-35]。目前，對不同砧木抗旱性[36-37]、抗寒性[38-39]和耐鹽堿性[40-42]研究較多，對耐酸性方面報道較少。深入研究利用不同砧木對酸性環(huán)境的抗性，篩選出可以在酸性土壤正常生長發(fā)育的品種，提高葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)。探究具有抗酸性的砧木以及土壤的適當?shù)乃嵝愿牧紕?，對酸性地區(qū)大面積推廣種植葡萄具有重要的意義。