中國南方土壤酸化原因及土壤酸性改良技術(shù)研究進(jìn)展

謝會(huì)雅，陳舜堯，張 陽，呂書記，王 青，李迪秦，祝 利

（1. 湖南省煙草公司株洲市公司，湖南 株洲 412000；2. 廣東萬山土壤修復(fù)技術(shù)有限公司，廣東 廣州 514469；3. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128；4.湖南省煙草 公司常德市公司，湖南 常德 415000）

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（鹽基）離子淋失的過程。我國南方降水量大而且集中淋溶作用強(qiáng)烈，使得鈣、鎂、鉀等堿性鹽基大量流失，加上燃煤及工業(yè)化活動(dòng)產(chǎn)生酸雨，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)氮肥料的大量使用，均導(dǎo)致土壤酸化的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重[1]。土壤中酸主要以活性酸和潛性酸2 種形式存在[2-3]?；钚运酘+主要來自于生物體呼吸作用和有機(jī)物分解等過程中所釋放的CO2溶于水形成H2CO3再電離；其次是有機(jī)質(zhì)嫌氣分解產(chǎn)生有機(jī)酸，好氣分解所產(chǎn)生的無機(jī)酸及無機(jī)肥料中殘留的酸根等。潛性酸是指吸收在土壤膠體上，且能被代換進(jìn)入土壤溶液中H+和Al3+。它們平時(shí)不顯現(xiàn)酸性，只有通過離子交換作用，被其他陽離子交換到土壤溶液中呈游離狀態(tài)時(shí)，才顯現(xiàn)出酸性[4]。土壤酸化導(dǎo)致了土壤貧瘠、土壤質(zhì)量下降、重金屬活性增強(qiáng)，土壤保肥供肥能力低，嚴(yán)重影響了作物的生長發(fā)育，降低了作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，進(jìn)而影響人類食品安全與健康[5-6]。土壤酸堿度是評價(jià)土壤肥力的指標(biāo)之一。筆者對我國南方地區(qū)土壤酸化的現(xiàn)狀、原因、危害以及改良技術(shù)進(jìn)行了綜述，旨在為我國南方地區(qū)土壤酸化改良提供參考。

1 我國南方土壤酸化現(xiàn)狀及成因

1.1 我國南方土壤酸化現(xiàn)狀

我國南方地處熱帶與亞熱帶區(qū)域，該地區(qū)的酸性土，大都處于高溫高濕環(huán)境下，風(fēng)化和淋溶作用強(qiáng)烈，鹽基離子不斷淋失，土壤膠體的負(fù)電荷點(diǎn)被H+所占據(jù)，使土壤逐漸向酸性發(fā)展[3]；加之含氮化肥的過量使用，加速了土壤酸化，影響了土壤理化特性及肥力，最終影響了農(nóng)作物生產(chǎn)[7]。南方省份土壤酸化主要集中在粵、湘、贛、閩等省份，其中廣東省強(qiáng)酸性和酸性土壤耕地面積，分別占廣東省總耕地面積的3.6%和27.5%[8-9]；湖南省酸性耕地占總耕地面積的72.6%，且酸性耕地面積呈現(xiàn)不斷增加趨勢[10]；2015 年江西省酸性土壤與強(qiáng)酸性土壤的耕地面積占江西省耕地總面積的90.9%，pH 值平均值為5.2[11-12]；2017 年福建省耕地調(diào)查顯示，土壤pH 值小于5.5，占74.2%[13]。 同樣，我國南方其他省份土壤酸化形勢也十分嚴(yán) 峻[14-15]。

1.2 我國南方土壤酸化的原因

近年來因強(qiáng)降雨導(dǎo)致的洪澇災(zāi)害頻繁，對地表土壤損害非常嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查，2019 年江南華南等地持續(xù)出現(xiàn)強(qiáng)降雨過程，局地大暴雨，引發(fā)多地出現(xiàn)洪澇災(zāi)害[16]。如廣西5—9 月暴雨與大暴雨頻發(fā)，日降雨量有時(shí)可達(dá)250 mm[16]。強(qiáng)烈的淋溶作用導(dǎo)致土壤中的鉀、鈣、鎂等堿性離子大量流失，且雨水中攜帶的H+以及雨水與土壤反應(yīng)產(chǎn)生的H+導(dǎo)致土壤鹽基不飽和，加劇了土壤酸化。

研究表明，工業(yè)燃煤及汽車產(chǎn)生的廢氣排放等形成的H2SO4和HNO3，隨降雨形成酸雨進(jìn)入土壤，破壞了土壤中如CaCO3等緩沖物質(zhì)，淋洗了土壤中的鹽基離子，導(dǎo)致土壤逐步酸化[17-19]；另外，工業(yè)廢水、廢渣和礦渣等可直接或者間接造成土壤和水體污染，導(dǎo)致土壤酸化。

在作物生產(chǎn)過程中，不合理的種植制度和過量施用化學(xué)氮肥，往往會(huì)直接加劇土壤酸化，尤其是化學(xué)氮肥的過度施用[1]。研究表明，復(fù)種指數(shù)過高，常年連作，重茬種植，會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，緩沖能力降低，產(chǎn)生土壤酸化[20-24]；此外大水漫灌等不合理的灌溉方式，一定程度加速了土壤酸化。為了過度追求農(nóng)作物產(chǎn)量，大量施用化肥[25]， 也是導(dǎo)致耕地大面積酸化的因素之一，研究顯示，我國化肥用量是美國的2.6 倍，歐盟的2.5 倍[25]。此外，重氮肥、輕磷鉀肥等不合理的施肥措施以及一些不合理的施肥方法，降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量，破壞了土壤膠體，弱化了土壤緩沖能力，加快了鹽基離子淋失，使得農(nóng)田土壤酸化和營養(yǎng)元素失衡[26-27]。有研究指出，施用氮肥比酸沉降的影響大25 倍[28-29]；在小麥、玉米、水稻田中，70%的酸化是因?yàn)檫^量施氮造成的，而在果蔬田中過量施氮對酸化貢獻(xiàn)率高達(dá)90%[30]，特別是在土表濫施氮肥；但是合理施用氮肥，對酸化土壤有改良效果[27]。

2 土壤酸化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要危害

2.1 對土壤的影響

土壤酸化首先是影響土壤養(yǎng)分的有效性。土壤酸化后，土壤肥力下降，土壤中堿性鹽基離子減少，Al3+和H+增加，在有機(jī)質(zhì)不足的情況下，土壤物理性質(zhì)惡化，黏重板結(jié)，通氣不良，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降。有研究表明，土壤的礦物質(zhì)溶解、有機(jī)質(zhì)分解以及土壤營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)換與土壤pH 值有關(guān)，土壤中的Ca2+、Mg2+、K+等流失量與土壤pH 值呈顯著正相關(guān)關(guān)系[27]，土壤養(yǎng)分含量與土壤pH 值呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤酸化后能夠增強(qiáng)土壤中金屬離子的活性[31]，比如鋁[8]、鐵、錳、鉻和鉛[32]，加重土壤重金屬的危害，也導(dǎo)致土壤保肥供肥能力低，影響土壤自身對磷酸的吸附固定，降低磷肥肥效。此外，土壤酸化還會(huì)影響土壤酶活性。研究表明，土壤pH 值增加，脲酶、磷酸酶、蛋白酶活性均受到了抑制，土壤酶活性降低[33-34]，最后影響土壤微生物，加劇病菌微生物危害[19,35]。

2.2 對作物生長發(fā)育及產(chǎn)質(zhì)量的影響

大多數(shù)大田作物適宜生長的土壤pH 值為 6～8。土壤酸化影響種子的萌發(fā)、養(yǎng)分的吸收和生理活動(dòng)。研究表明，模擬酸雨可抑制早稻種子萌發(fā)，降低種子活力，影響早稻幼苗生長，最后導(dǎo)致農(nóng)作物減 產(chǎn)[36-37]；土壤酸化會(huì)影響作物根系的生長，進(jìn)而影響?zhàn)B分吸收；土壤中可被作物吸收利用的有效態(tài)氮含量會(huì)隨土壤pH 值下降呈直線下降趨勢。

土壤酸化會(huì)影響作物體內(nèi)酶活性和光合性能的發(fā)揮，進(jìn)而影響作物生理活動(dòng)及生長發(fā)育。研究表明，烤煙葉片的SOD 活性，在土壤pH 值為4.5 時(shí)最強(qiáng)，而此時(shí)MDA 含量最低[37]；當(dāng)土壤pH 值小于5.0 或大于7.0 時(shí)，水稻葉片光合速率、PS Ⅰ和PS Ⅱ的電子傳遞活性以及類囊體膜室溫?zé)晒獍l(fā)射峰值均有不同程度的降低，其中尤以pH 值4.0 時(shí)降低幅度最為顯著[37]。

正常情況下，土壤的pH 值范圍為5.5～7.5，在此范圍內(nèi)農(nóng)作物能夠正常生長，過酸或強(qiáng)酸土壤均會(huì)影響農(nóng)作物根系對土壤養(yǎng)分的吸收利用[33]，導(dǎo)致大量減產(chǎn)甚至絕收；同時(shí)，土壤酸化加速了土壤中含鋁原生礦物和次生礦物風(fēng)化而釋放大量鋁離子，形成植物可吸收的含鋁化合物，而植物長期和過量吸收鋁離子將引起作物中毒或死亡，導(dǎo)致農(nóng)作物大量減產(chǎn)甚至絕收；土壤酸化能顯著降低晚稻產(chǎn)量以及小麥葉面積、株高和地上部分干物質(zhì)產(chǎn)量[38]；水培試驗(yàn)研究表明，烤后煙葉化學(xué)成分、煙堿、焦油與土壤pH 值有關(guān)，pH 值 6.5～7.5 的煙葉品質(zhì)最好，過高或過低都不利于煙葉品質(zhì) 的提高[39]。此外，土壤酸化還會(huì)影響土壤重金屬活性，導(dǎo)致農(nóng)作物重金屬積累量增加，影響農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[35]。

3 土壤酸化的主要治理技術(shù)措施

3.1 農(nóng)藝技術(shù)措施

南方耕地土壤普遍通過施用熟石灰來改良酸性土壤或防止土壤酸化，提高土壤pH 值，改善土壤養(yǎng)分狀況，但長期施用熟石灰，會(huì)導(dǎo)致土壤“復(fù)酸化”、板結(jié)，使土壤中Ca2+、Mg2+、K+等礦質(zhì)營養(yǎng)元素比例失調(diào)，或者造成土壤局部堿化[40-42]。

近年來，隨著環(huán)境治理壓力的增加，施用土壤調(diào)理劑成為治理土壤酸化的一項(xiàng)重要措施。

治理土壤酸化的土壤調(diào)理劑，其主要成分為碳酸鹽和硅酸鹽，它含有豐富的Ca、Mg、Si、K、Fe 等礦質(zhì)營養(yǎng)元素。相關(guān)研究報(bào)道，施地佳[43]、宜施壯[44]、 特貝鈣[45]等土壤調(diào)理劑，能夠改良土壤理化性質(zhì)、改善土壤水分狀況、提高土壤通透性、調(diào)節(jié)土壤pH 值，降低土壤中潛性酸含量。土壤調(diào)理劑與土壤中酸離子反應(yīng)比較溫和，一般不會(huì)造成土壤局部偏堿性及土壤板結(jié)。此外，土壤調(diào)理劑對土壤中微生物活性影響 較小。

施用生物炭和復(fù)合肥料，也是近年來改良酸性土壤常見的方法。研究表明，生物質(zhì)炭能降低土壤交換性酸（氫、鋁）總量，且施用量越大降低的幅度越 大[46-48]。由于稻殼炭含有一定量的堿性物質(zhì)和鹽基陽離子，土壤中添加稻殼炭可以增加土壤交換性鹽基數(shù)量和鹽基飽和度，降低土壤酸度[49]。在弱酸性土壤中施用復(fù)合肥料，配施草木灰和磷礦粉等，也能改良酸化土壤，且成本低[50]。

科學(xué)用肥是治理土壤酸化的重要措施。研究表明，測土配方施肥可以提高肥料利用率，減少化肥施用量，有利于減緩?fù)寥浪峄乃俣萚51-52]；施用有機(jī)肥及有機(jī)無機(jī)肥配合施用，同樣可以減緩?fù)寥浪峄?，提高土壤通透性，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，促進(jìn)作物生長發(fā)育，提高產(chǎn)量和品質(zhì)[53-54]。秸稈還田和種植綠肥也能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，降低土壤容重，形成豐富的土壤耕層結(jié)構(gòu)，減緩?fù)寥浪峄?/p>

同時(shí)，增施微生物菌劑也有利于酸性土壤的改良。土壤酸化過程中，微生物種群會(huì)遭受不同程度破壞，有害微生物種群數(shù)量增多，有益微生物種群數(shù)量減少。研究表明，施用一定量的微生物菌劑，能夠有效降解土壤中的農(nóng)藥、化肥和一些其他有害物質(zhì)的殘留，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量以及土壤養(yǎng)分利用率與轉(zhuǎn)化率，疏松土層，增強(qiáng)土壤肥力[55]；微生物分泌的酶類、糖類、溶菌體，可減緩?fù)寥赖乃峄痆55]。

3.2 合理的耕作方式

合理的耕作方式能夠顯著改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、提高土壤通透性和保水率，減緩?fù)寥浪峄绮捎脡挪ズ蜕罡翆拥拇胧?，能夠提高土壤中的微生物活性，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，一定程度上降低土壤酸化的速度[55-56]。

此外，生態(tài)種養(yǎng)也是減緩?fù)寥浪峄纳a(chǎn)模式之一。生態(tài)種養(yǎng)模式是以農(nóng)作物與水產(chǎn)、家禽進(jìn)行立體生產(chǎn)的農(nóng)田系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程，主要有稻田和旱地2種類型[57]。研究表明，稻蝦生態(tài)種養(yǎng)模式全使土壤中的全氮含量和pH 值隨種養(yǎng)年限增加而緩慢增加[58]；稻田種養(yǎng)模式可減少化肥和農(nóng)藥的投入，減緩?fù)寥浪峄瑢?shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)利用與持續(xù)高效生產(chǎn)。旱田種養(yǎng)模式下，多元化運(yùn)用間、混、套作以及再生和復(fù)種等模式，可有效緩解作物連作導(dǎo)致的土壤酸化[48]。

4 小結(jié)與展望

一直以來，由于我國南方耕地利用強(qiáng)度高、肥料管理制度不健全、工業(yè)污染嚴(yán)重和化肥農(nóng)藥的大量施用，土壤酸化問題越來越嚴(yán)重，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境都造成了嚴(yán)重的危害。因此，通過科學(xué)合理的耕作制度、適宜的農(nóng)藝技術(shù)以及生態(tài)種養(yǎng)等措施對酸性土壤進(jìn)行改良，使我國耕地土壤pH 值維持在一個(gè)適宜的水平，對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。隨著科學(xué)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人類社會(huì)對環(huán)境保護(hù)認(rèn)識的提高，利用生物技術(shù)來治理土壤酸化，將是今后土壤酸化治理的主要發(fā)展方向。