基于滴灌水肥管理的農(nóng)田土壤酸化調(diào)控機(jī)理研究

仇振杰，孫夢(mèng)瑩

(1. 湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000；2. 城市地下基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)安全與防災(zāi)湖南省工程研究中心，湖南 益陽(yáng) 413000)

隨著集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，農(nóng)田土壤酸化趨勢(shì)日益嚴(yán)重，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了極大危害[1-3].20 世紀(jì)80 年代至21 世紀(jì)初，我國(guó)農(nóng)田土壤的pH 值平均下降了0.5 個(gè)單位，顯著高于歐美長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)測(cè)定的土壤酸化速率[4-5].與此同時(shí)，全國(guó)農(nóng)田土壤酸化面積已達(dá)2.04×108hm2，占全國(guó)土壤總面積的22.7%[6]；主要分布在長(zhǎng)江以南的熱帶、亞熱帶紅黃壤地區(qū)以及北方設(shè)施菜地、果園和部分旱地農(nóng)田；大部分農(nóng)田酸化土壤pH 介于5～5.5，嚴(yán)重酸化地區(qū)pH小于4.5[6].土壤酸化增加了土壤中H+、Al3+的含量，加劇了營(yíng)養(yǎng)性堿基離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)的淋失從而降低了土壤肥力[7]；活化了錳、鎘、銅、鉛等重金屬離子，惡化了土壤結(jié)構(gòu)[8-9]；降低了土壤微生物、酶活性和養(yǎng)分的有效性，進(jìn)而抑制了作物的生長(zhǎng)[10-11]，由此并發(fā)一系列環(huán)境問(wèn)題，已成為制約我國(guó)農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸和影響糧食安全的主要障礙因素.因此，采取合理有效的措施防治或減輕土壤酸化，有利于環(huán)境和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展.本文綜述了近20 年來(lái)基于滴灌水肥管理措施的土壤酸化與調(diào)控的主要研究進(jìn)展，以期為土壤酸化防治、利用和管理提供參考.

1 農(nóng)田土壤酸化成因

土壤酸化是指土壤吸收性復(fù)合體接受了一定數(shù)量交換性氫離子或鋁離子，使土壤中堿性的鹽基離子淋失的過(guò)程[6].作為農(nóng)田土壤退化的重要表現(xiàn)，土壤酸化一直都是學(xué)術(shù)界的關(guān)注熱點(diǎn).自然界的土壤酸化是一個(gè)持續(xù)、緩慢的過(guò)程，主要是指氣候濕潤(rùn)區(qū)降水量較大所引起的土壤中的鹽基離子大量淋失及H+和Al3+增加的過(guò)程[1,7].隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，近代工業(yè)和農(nóng)業(yè)得到高速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)土壤酸化進(jìn)程的影響日益凸顯.大量研究表明：相較于自然因素(降雨)，人為因素加速了農(nóng)田土壤的酸化進(jìn)程，加劇了酸化程度，其中主要包括化學(xué)肥料的過(guò)量施用、不合理的灌溉、酸沉降和種植致酸作物等[1,12].通過(guò)對(duì)酸雨區(qū)鼎湖山自然保護(hù)區(qū)土壤長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，土壤pH下降了0.3～0.5 個(gè)單位，土壤交換性鈣離子含量較20 世紀(jì)50 年代下降了40%[6].盡管如此，與農(nóng)業(yè)措施(過(guò)量施用化肥和不合理灌溉)相比，酸沉降對(duì)土壤的致酸強(qiáng)度僅占總酸性物質(zhì)輸入致酸的7%～25%[13].在小麥、玉米和水稻的糧田中，70%的土壤酸化是因?yàn)檫^(guò)量施氮造成的；在果蔬田中，過(guò)量施氮對(duì)土壤酸化的貢獻(xiàn)已達(dá)到了90%[2]，而導(dǎo)致過(guò)量施氮的直接原因是氮肥利用率低下.典型紅壤區(qū)不同施肥長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明：土壤pH 隨化學(xué)氮肥施用時(shí)長(zhǎng)而顯著降低，且以單施氮肥處理的土壤pH 降幅最高，達(dá)1.5 個(gè)單位[14]；而不施氮肥的和僅施磷和鉀肥的土壤pH 僅下降了0.1 和0.4 個(gè)單位[7].Han 等[8]通過(guò)盆栽試驗(yàn)定量化研究施氮量對(duì)農(nóng)田土壤酸化的影響，結(jié)果指出，在山東設(shè)施土壤中施氮量介于600～1 200 kg/hm2會(huì)使土壤中H+增加12.1～58.2 kmol/hm2，土壤pH 下降0.45～1.06 個(gè)單位.氮肥主要通過(guò)硝化和淋溶作用加速土壤酸化[7]，其硝化反應(yīng)方程式為NH+4+2O2=NO-3+H2O+2H+.從該式可知1 mol NH+4氧化成NO-3產(chǎn)生了2 mol H+，如果硝化產(chǎn)物NO-3完全被作物吸收，那么作物會(huì)釋放出1 mol OH-，中和1/2 的H+，還有1/2 的H+貢獻(xiàn)于土壤酸化；如果硝化產(chǎn)物NO-3通過(guò)淋溶損失，那么2 mol H+將全部貢獻(xiàn)于土壤酸化[7].因此，提高氮肥的利用率有助于減緩?fù)寥浪峄?

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不合理的灌溉加速了土壤堿基離子的遷移和淋失，從而增加了致酸離子在土壤表層的累積，進(jìn)而加劇了土壤酸化進(jìn)程[15-16].針對(duì)中國(guó)土壤退化的影響因素研究表明，不合理的大水漫灌措施導(dǎo)致黃、淮海平原次生鹽漬化嚴(yán)重，中南地區(qū)紅壤貧瘠、酸化[17].長(zhǎng)期溝灌條件下設(shè)施土壤酸化和鹽漬化試驗(yàn)結(jié)果也表明，0～60 cm土壤剖面pH 變化幅度介于5.78～6.80，表層土壤與底層土壤pH 差異顯著[12]，這是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大水漫灌、溝灌等灌溉方式導(dǎo)致鹽基離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)大量淋失出耕作層，降低了土壤酸中和容量(acid neutralizing capacity，ANC)，進(jìn)而加劇了土壤酸化[8,15].因此，在集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，采用合理的灌溉方法和水肥管理措施，以及提高氮肥利用率和減少氮肥施用量對(duì)防治或減輕土壤酸化具有重要意義.

2 滴灌水肥管理對(duì)土壤酸化調(diào)控機(jī)理

滴灌是一種利用低壓系統(tǒng)(塑料管道)輸水，在根系邊際滴水灌溉作物的技術(shù)，具有節(jié)水、節(jié)肥、省能、省工和便于實(shí)現(xiàn)水肥一體化的優(yōu)點(diǎn)，已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛發(fā)展；滴灌能將養(yǎng)分和水分直接運(yùn)送到作物根部進(jìn)行局部灌溉，能減少作物棵間蒸發(fā)和土壤水深層滲漏，進(jìn)而減少灌水量，提高水分利用效率；此外，養(yǎng)分隨水施入，在作物根區(qū)聚集，有利于作物吸收養(yǎng)分，減少作物能量消耗，進(jìn)而減少施肥量，提高肥料利用效率，減少氮素淋失[18-19].滴灌技術(shù)在精量灌溉和水肥調(diào)控方面的優(yōu)勢(shì)，使其在降低土壤酸化程度、減緩酸化進(jìn)程方面具有可行性.長(zhǎng)達(dá)13 a 的不同灌溉方式對(duì)設(shè)施土壤酸化特征影響的定位試驗(yàn)研究表明，土壤活性酸度和交換性酸以及土壤交換性Al3+均以滴灌處理含量最低，而土壤鹽基飽和度和pH 均以滴灌處理最高，滴灌更有利于抑制土壤酸化[20].此外，研究還表明土壤pH 下降速率和量級(jí)與施氮量正相關(guān)，而氮磷肥料的合理配施有利于減輕土壤酸化程度[15,21-22].滴灌對(duì)土壤水氮遷移轉(zhuǎn)化的影響是其影響土壤理化性質(zhì)和酸堿度的基本途徑，而滴灌技術(shù)參數(shù)(滴頭流量、灌溉頻率、灌水量、滴灌帶埋深等)和水肥管理措施(施肥量、施肥方式等)又是影響滴灌條件下土壤水分分布和氮素遷移轉(zhuǎn)化的重要因素.

2.1 滴灌技術(shù)參數(shù)對(duì)土壤酸化的影響

2.1.1 滴頭流量

在眾多滴灌技術(shù)參數(shù)中，滴頭流量是影響土壤水氮分布最為重要的因素之一[23-24].學(xué)者們針對(duì)不同土壤類型、不同滴頭流量條件下水分養(yǎng)分遷移轉(zhuǎn)化展開(kāi)了廣泛的研究.劉春卿等[25]通過(guò)土箱試驗(yàn)研究了滴灌流量對(duì)含鹽土水鹽運(yùn)移及再分布的影響，研究結(jié)果表明，大滴頭流量促進(jìn)了土壤水分水平運(yùn)移，而低流量滴灌促進(jìn)了水分垂直運(yùn)移，有利于鹽分向深層土壤累積.相似的研究結(jié)果在重壤土、中壤土和砂壤土試驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證[23]，其結(jié)果還表明，滴頭流量對(duì)水平運(yùn)移的影響比對(duì)垂直運(yùn)移的影響大.李久生等[26]通過(guò)土箱試驗(yàn)研究了滴灌施氮條件下，不同滴頭流量對(duì)不同土壤中硝態(tài)氮運(yùn)移的影響，結(jié)果指出，灌水施肥結(jié)束后，無(wú)論壤土還是砂土，硝態(tài)氮均在濕潤(rùn)鋒附近發(fā)生累積，且在距滴頭17.5 cm 范圍內(nèi)分布均勻，隨著滴頭流量的增加(由2 L/h 增至7.8 L/h)，距離滴頭17.5 cm 范圍內(nèi)硝態(tài)氮平均濃度由56.6 mg/L 增至66.1 mg/L.水氮在土壤中的分布，導(dǎo)致了土壤pH 的空間變化.Haynes[27]采用2 L/h 和4 L/h 的灌水器，研究了滴灌施氮對(duì)土壤pH 的影響，結(jié)果指出，與滴頭流量4 L/h 處理土壤時(shí)酸化主要發(fā)生在以滴頭為中心、半徑30 cm 的土壤表層相比，滴頭流量2 L/h 處理土壤時(shí)其土層40 cm 深度出現(xiàn)了明顯酸化.在傳統(tǒng)的石灰治理土壤酸化過(guò)程中，亞表層(10～40 cm)發(fā)生酸化會(huì)難以治理[27]，因此，對(duì)易酸化土壤宜使用較大流量滴灌.

2.1.2 灌水量

相較于滴頭流量，灌水量對(duì)土壤水分分布影響易與重力作用重疊.文獻(xiàn)[26]研究表明，當(dāng)?shù)晤^流量為1 L/h 時(shí)，土壤中含水率變化為0 的等值線在水平和垂直方向達(dá)到的距離均隨灌水量的增加而增加，但垂直方向濕潤(rùn)范圍的增加比水平方向明顯；在砂土環(huán)境中，含水率變化為0 的等值線在垂直方向達(dá)到的距離隨灌水量的增加而明顯增加，但水平方向變化不明顯.曹振璽等[28]對(duì)比了同一滴頭流量條件下，不同灌水量對(duì)土壤電導(dǎo)率EC 分布的影響，結(jié)果指出，隨著灌水量增加，表層土壤脫鹽率增大，垂直方向脫鹽深度增加.土壤鹽分的累積是導(dǎo)致土壤pH 下降的重要因素，范慶鋒等[12]研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期滴灌條件下蔬菜大棚土壤pH 與全鹽含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；尹志榮等[29]通過(guò)微咸水滴灌枸杞試驗(yàn)，探明了灌水量越大土壤全鹽含量越高，表層鹽分累積越明顯，且土壤表層pH 最低；隨著灌水量增大，0～20 cm深度的土壤pH 越低.

2.1.3 滴灌帶埋深

與滴頭流量和灌水量不同，滴灌帶埋深直接影響了水分和養(yǎng)分在土壤中的運(yùn)移和分布.Lamm 等[30]研究指出土壤水分和養(yǎng)分運(yùn)移深度隨滴灌帶埋深的增加而增加；與此同時(shí)，滴灌帶以上土層水分傳輸減少.Balkcom[31]對(duì)比了地下滴灌施肥與肥料撒施-地下滴灌對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)和棉花產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)地下滴灌施氮處理時(shí)土壤表層pH 明顯較高，且土壤pH 隨土壤深度增加而減小.也有研究表明，滴灌帶埋深會(huì)加強(qiáng)其所處土層水分和養(yǎng)分的富集.如仇振杰[32]在進(jìn)行再生水地下滴灌大田玉米試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，滴灌帶埋深30 cm 時(shí)，20～40 cm 深度土壤pH 顯著高于地表滴灌和滴灌帶埋深15 cm 時(shí).此外，地下滴灌條件下局部灌溉的特點(diǎn)易強(qiáng)化點(diǎn)源入滲，水分和養(yǎng)分在滴灌帶附近土層富集，在灌溉和降雨作用下可能發(fā)生養(yǎng)分淋失.大田玉米地下滴灌研究表明NO-3-N 淋失量隨滴灌帶埋深增加而顯著增加[32]，這可能會(huì)導(dǎo)致土壤pH 下降，加速土壤酸化.

2.2 滴灌施肥對(duì)土壤酸化的影響

加州理工學(xué)院灌溉培訓(xùn)研究中心研究指出，使用滴灌施肥可節(jié)省用肥25%，而在我國(guó)一些溫室滴灌施肥試驗(yàn)中，滴灌用肥量可減少30%[26].肖艷等[33]研究了畦灌和滴灌2 種方式對(duì)土壤pH 和有效鐵、磷含量的影響，指出滴灌施肥條件下根圍濕潤(rùn)區(qū)土壤pH 高于根外非濕潤(rùn)區(qū)和畦灌區(qū)，且具有較高的有效磷含量.相似的結(jié)果在連續(xù)13 a 的保護(hù)地灌溉試驗(yàn)中得到.李爽等[15]對(duì)比了溝灌、滲灌和滴灌對(duì)0～60 cm 土壤酸化特征的影響，研究指出，土壤活性酸度和交換性酸均以滴灌處理為最低，而土壤pH 與交換性酸呈極顯著負(fù)相關(guān).李若楠等[34]研究了滴灌氮肥用量對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，相較其他施氮量處理，冬春茬黃瓜和秋冬茬番茄施氮量為300 和225 kg/hm2時(shí)，氮肥利用率顯著增加了9%～14%，土壤pH 增加了0.06～0.18.盡管如此，滴灌施肥對(duì)土壤酸化特征的影響還與肥料類型和施肥方式有關(guān).Wortmann 等[35]研究指出，與尿素和無(wú)水氨相比，硫酸銨和磷酸二氫銨轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮過(guò)程產(chǎn)生的酸化需要更多的石灰進(jìn)行中和.鄧蘭生等[36]通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究了滴施不同品種氮肥對(duì)赤紅壤酸化過(guò)程的影響，結(jié)果表明，硫酸銨、硝酸銨和尿素施入土壤后均會(huì)導(dǎo)致土壤pH 下降，且下降幅度為：硫酸銨＞硝酸銨＞尿素.此外，氮肥隨灌溉水運(yùn)移的特性也在一定程度上影響土壤酸化特征.Haynes[27]研究了滴灌條件下不同氮肥遷移轉(zhuǎn)化特征對(duì)土壤pH 的影響，結(jié)果表明，尿素比硫酸銨更易轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，且因?yàn)殇@基鹽在滴頭處大量的累積，滴施硫酸銨造成的土壤酸化主要發(fā)生在0～20 cm 的土層；而尿素較強(qiáng)的流動(dòng)性使得其造成的土壤酸化出現(xiàn)在40 cm 深度.與肥料類型相比，滴灌施肥方式通過(guò)肥料空間分布模式影響土壤酸化特征.李久生等[26]研究了4 種施肥滴灌方案下氮素的運(yùn)移分布，結(jié)果指出，1/4W-1/2N-1/4W(先灌1/4 時(shí)間的水，接著灌1/2時(shí)間的肥液，最后灌1/4 時(shí)間的水)較其他方案硝態(tài)氮在10～20 cm 分布較多，在20～30 cm 分布較少，從減少硝態(tài)氮淋失的角度，此方案較優(yōu).侯振安等[37]通過(guò)同位素示蹤對(duì)比了不同滴灌施肥次序?qū)Φ世寐实挠绊?，研究表明N-W(前期施氮，后期灌水)處理氮素在0～20 cm 分布最均勻，收獲后土壤殘留硝態(tài)氮也最小，氮肥利用率較高.

2.3 滴灌條件下水土環(huán)境變化對(duì)土壤酸化的影響

灌溉過(guò)程中，尤其在排水條件較差的土壤中，灌溉水會(huì)驅(qū)替土壤孔隙中的空氣，改變土壤孔隙中水分和氧氣的比例，從而改變土壤三相結(jié)構(gòu)；也有研究表明滴頭附近的土壤會(huì)產(chǎn)生空穴，土壤強(qiáng)度(抗穿透性)增加以及通透性降低；此外，滴灌獨(dú)特的水肥分布模式也會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)，這些均會(huì)促使土壤微生物活性和作物根系呼吸作用發(fā)生變化，進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程.Liu等[38]通過(guò)田間試驗(yàn)研究了滴灌對(duì)鹽堿地種子發(fā)芽和作物生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明滴灌能夠抑制根區(qū)土壤鹽分累積，促使種子發(fā)芽，且土壤剖面ECe和pH 隨土壤基質(zhì)勢(shì)的增加而降低.王京偉等[39]對(duì)比了常規(guī)滴灌和覆膜滴灌對(duì)土壤微生物和酶活性的影響，分析指出，覆膜滴灌相較常規(guī)滴灌土壤脲酶活性提高了20.83%～30.61%，磷酸酶活性提高了76.92%～84.61%，與此同時(shí)鹽分聚集度和土壤pH 降低.與傳統(tǒng)灌溉相比，滴灌精量灌溉的特性使其在應(yīng)用過(guò)程中能夠節(jié)省水肥，提高作物產(chǎn)量，但實(shí)際上滴灌增產(chǎn)效果可能并不顯著.這與滴灌滴頭附近長(zhǎng)期處于濕潤(rùn)狀態(tài)，導(dǎo)致作物根區(qū)缺氧，抑制根系吸收水分和養(yǎng)分，同時(shí)低氧環(huán)境下土壤中還原物質(zhì)的大量積累造成土壤酸化有關(guān).雷宏軍等[40]研究指出增氧滴灌可提高土壤中氧氣含量，避免因物質(zhì)還原造成土壤酸化，從而促進(jìn)作物的生長(zhǎng).滴灌條件下的灌溉水質(zhì)也是影響土壤pH 的重要因素.Hassanli 等[41]通過(guò)對(duì)伊朗南部城市污水持續(xù)滴灌2 a 的土壤進(jìn)行研究，結(jié)果表明，0～30 和30～60 cm 土壤pH 分別提高了0.8 和0.6 個(gè)單位.Wang 等[42]綜合分析了再生水灌溉對(duì)農(nóng)業(yè)和景觀的影響，研究指出再生水的鹽度介于600～1 700 μs/cm，水質(zhì)體現(xiàn)為堿性，灌溉土壤后土壤pH 較高.

3 總結(jié)與展望

常見(jiàn)的土壤酸化調(diào)控技術(shù)主要有施用化學(xué)改良劑和生物碳技術(shù).作為傳統(tǒng)有效的酸化改良劑，石灰能迅速提高土壤pH 值，中和土壤中的潛在性酸，降低土壤溶液中交換性鋁含量，但長(zhǎng)期施用石灰會(huì)加速土壤表層K+和Mg2+淋失，導(dǎo)致土壤板結(jié)和養(yǎng)分不平衡，停用后會(huì)存在更強(qiáng)的復(fù)酸化過(guò)程.此外，石灰在土壤中的移動(dòng)性差，僅能中和15～20 cm 以上表層土壤的酸度，對(duì)20 cm 以下的表下層和底層土壤基本無(wú)效.因此，針對(duì)化學(xué)和生物改良劑對(duì)酸化土壤的影響還應(yīng)建立長(zhǎng)期田間試驗(yàn)，考察改良劑的長(zhǎng)期效果及可能的負(fù)面影響.生物碳中含有大量堿性物質(zhì)和必需營(yíng)養(yǎng)元素，能夠有效地調(diào)控土壤中養(yǎng)分循環(huán)，提高土壤pH.盡管如此，生物質(zhì)炭在土壤中的轉(zhuǎn)化過(guò)程也會(huì)增加溫室氣體的排放，增大環(huán)境風(fēng)險(xiǎn).此外，當(dāng)前制作生物質(zhì)炭的主要方法是將秸稈集中收集后，進(jìn)行炭化處理，成本很高，難以推廣.而基于農(nóng)業(yè)措施利用生態(tài)系統(tǒng)自身特點(diǎn)來(lái)降低土壤酸化程度和減緩酸化進(jìn)程的方法與措施(滴灌水肥管理措施)在實(shí)踐應(yīng)用中逐步顯現(xiàn)較大潛力和空間.但是，針對(duì)滴灌對(duì)土壤酸化的影響研究還不充分，建議可從以下2 個(gè)方面開(kāi)展深入研究：

1)滴灌技術(shù)參數(shù)和水肥管理措施對(duì)農(nóng)田土壤酸化的影響機(jī)制，尤其是技術(shù)參數(shù)與水肥管理交互作用對(duì)土壤酸化的影響規(guī)律；

2)基于滴灌對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改變，研究其對(duì)農(nóng)田土壤酸化特征和作物生長(zhǎng)的影響規(guī)律.