土壤酸化的防護與治理研究進展

(四川大學建筑與環(huán)境學院，四川成都，610065)

土壤酸化是指土壤中鈣鎂等鹽基離子在被交換性氫鋁離子替換后淋失的過程，是一個較遲緩的自然成土過程[1]，然而由于人為的緣故，加劇了這一過程。據(jù)統(tǒng)計，我國的酸性土壤以長江以南的亞熱帶和熱帶區(qū)域及云貴川等地分布為主，面積約為2.04×108hm2，占全國總面積的21.25%[2]。同時無論是森林和草地等自然植被條件下，還是果園、茶園、保護地和水稻等人為利用影響下，土壤均呈現(xiàn)酸化加劇的趨勢[3]。因此，采取有效的防護與治理措施以減少土壤酸化對土壤質(zhì)量的損害具有重要的意義。

1 土壤酸化的成因

土壤酸化的原因可分為自然和人為兩方面，其中自然酸化是自然界普遍存在的也是不可避免的，是伴隨著土壤生長和發(fā)育一個自然而緩慢的過程，人為因素則在很大程度上加劇了這一過程。

1.1 自然因素

土壤的自然酸化主要是劇烈的風化作用、土壤母質(zhì)中堿性陽離子的流失和自然降雨等因素引起。我國長江以南地區(qū)降雨量較大，土壤淋溶作用劇烈，因此土壤酸化加劇現(xiàn)象也較我國其他地方明顯。除此之外，土壤也可能由于微生物代謝活動產(chǎn)生的和植物根系吸收養(yǎng)分時在根系附近土壤分泌的酸性物質(zhì)而自然緩慢酸化[4]。

1.2 人為因素

隨著城市化和工業(yè)化進程的不斷推進和高速發(fā)展，引發(fā)的酸雨和一些農(nóng)業(yè)措施大大加速了土壤酸化的速率。

1.2.1 酸雨

酸雨，即pH值小于5.6的大氣降水，又稱酸沉降，主要包括酸雨等濕沉降和氣體酸化性物SO2等干沉降。酸沉降主要是由于現(xiàn)代生產(chǎn)生活中燃燒化石燃料所產(chǎn)生的氮氧化物和硫氧化物，在大氣中擴散后沉降到地面。酸雨所導致的土壤酸化具有致酸原因復雜、程度快、面積大等特點。因此造成的酸化土壤的修復與治理難度也較大。

1.2.2 不同的農(nóng)業(yè)措施

農(nóng)業(yè)措施在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺，一些不同的農(nóng)業(yè)措施在日積月累的條件下也會加速土壤的酸化，這些農(nóng)業(yè)措施主要包括[5]：

(1)化學肥料的不合理施用會加速土壤的酸化，尤其是氮肥的大量施用，這主要是由于施加氮肥后土壤的硝化等一系列作用產(chǎn)生的NO3-而引起的。不論是氮肥中的氯化銨等酸性肥料，還是碳酸氫銨和尿素等中性肥料，都會由于在NH4+被植物吸收后，剩余的酸根或產(chǎn)生的CO2溶于水而產(chǎn)生碳酸，導致土壤一定程度的酸化。

(2)移走植物產(chǎn)品或殘體可致使土壤酸化。在土壤-植物系統(tǒng)中，植物根部從土壤中吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)的同時會分泌酸性物質(zhì)或者OH-和HCO3-，以保證體系的平衡。然而這種吸收和分泌的均衡時間不會很長，因為植物最終會以將殘體歸還土壤的形式將堿性物質(zhì)歸還，但是由于人為活動，將植物產(chǎn)品或殘體移走，導致土壤不能及時獲得堿性物質(zhì)，這時植物根系就會持續(xù)分泌致酸物質(zhì)，導致土壤持續(xù)酸化。

(3)豆科類作物的大量種植。豆科類作物固氮作用會增加土壤氮的含量，然后在經(jīng)過一些列礦化和硝化作用后產(chǎn)生的NO3-會提升土壤酸度，致使土壤酸化。

(4)研究表明在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，大水漫灌的灌溉方式在一定程度上會加劇土壤的酸化。各種灌溉方式相比，滴灌更利于減緩土壤酸化。這是因為采用滴灌方式時，下表層土壤水溶性鹽分和硝酸鹽的積聚程度較輕。

2 土壤酸化對土壤質(zhì)量的影響

土壤酸化產(chǎn)生的最直觀的影響就是土壤pH值的下降，其次主要影響土壤的肥力地力質(zhì)量、健康質(zhì)量等。

2.1 土壤酸化對土壤肥力地力質(zhì)量的影響

土壤酸化會降低土壤的肥力質(zhì)量，主要是由于Ca2+、Mg2+等鹽基離子在H+的競爭下大量淋失，土壤的鹽基飽和度隨之下降，從而致使土壤肥力下降[6]。土壤酸化會促使2:1黏土礦物向1:1型高嶺石的轉(zhuǎn)化，加速礦物的風化，從而對堿性鹽基陽離子和NH4+等的吸持能力減弱，導致土壤的保肥能力變?nèi)鮗7]。

2.2 土壤酸化對土壤健康質(zhì)量的影響

土壤酸化對土壤健康質(zhì)量(指土壤對人類和動植物健康的影響能力)造成負面影響主要是土壤中活性鋁的大量溶出和重金屬元素的活化。

土壤中所聚集的H+與鋁進行交換，使得土壤中的Al3+大量增加。當土壤溶液中活性鋁達到一定濃度時，會抑制DNA的合成和有絲分裂，影響植物的細胞分裂，對植物根系造成的毒害尤為明顯[8]。同時由于鋁離子是多價離子，與土壤膠體的結(jié)合能力特別強，易置換土壤負電荷點上的鹽基離子，使其在進入土壤溶液后被淋失。

土壤酸化會增加Pb、Cd、Mn等有毒金屬元素的活性，因為在低pH值下，有毒金屬離子的溶解度會增大，使其在土壤溶液中的濃度升高,這時有毒重金屬元素會持續(xù)沉降和積累在表土層，從而致使土壤成為有毒的環(huán)境介質(zhì)[9]。

3 土壤酸化的防護與治理

土壤酸化持續(xù)時間長且緩慢，在土壤酸化到一定程度后，就很難通過自身作用得以恢復，因此對待土壤加速酸化問題，減輕土壤酸化的危害可以從起因、經(jīng)過、結(jié)果三個方面著手，也就是控制土壤源頭、優(yōu)化農(nóng)業(yè)措施及已酸化土壤的改良。

3.1 源頭控制

加劇土壤酸化的源頭主要是酸沉降和化肥的大量施用。

控制酸沉降主要是要控制SO2、NOX等致酸氣體的排放，對此，政府可以嚴格制定相應的排放標準，提倡積極運用太陽能等清潔能源，減少化石燃料燃燒，集成除塵和脫硫脫硝新技術(shù)，安裝機動車尾氣凈化器，植樹造林等。

1985年全國化肥施用總量為1775.8萬噸，而2012年使用量達到了6293.8萬噸，為前者的3.5倍[10]?？梢娢覈幕适褂昧空谂c日俱增。為了防止肥料的過度使用，可以采用測土配方的施肥技術(shù)，肥料分次施用，根區(qū)施肥以及選擇良好根系構(gòu)型的作物，都可在提高養(yǎng)分利用效率的同時減少化肥的施用量，同時也可以采用土壤和作物分析儀器開發(fā)(SPAD)指導施肥，實現(xiàn)施用時間和施用量與作物對肥料的需求最大程度地吻合，減少不必要肥料的施用[11]。

3.2 優(yōu)化農(nóng)業(yè)措施

農(nóng)業(yè)措施是導致土壤酸化的重要人為因素之一，因此采用合理科學的農(nóng)業(yè)措施來減緩土壤酸化和緩解已酸化的土壤顯得格外重要。

3.2.1 合理的選擇和施用肥料

由于施用化肥是直接從外部投加營養(yǎng)物質(zhì)，因此能夠快速改變土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)含量，針對土壤酸化的程度、所缺失的養(yǎng)分，結(jié)合農(nóng)作物生長過程中所需營養(yǎng)元素及其吸收規(guī)律，合理地選擇不同的肥料配合使用，可有效地節(jié)約肥料、培肥土壤，減緩土壤酸化[12]。

3.2.2 秸稈還田

植物產(chǎn)品及殘留物的移除會帶走堿性物質(zhì)從而會加快土壤的酸化。秸稈還田則會通過歸還堿性物質(zhì)減緩土壤酸化。豆科類植物秸稈還田可以顯著提升土壤pH值，其中含氮量低且灰分堿度高的豆科植物殘體(如花生、蠶豆秸稈)對土壤酸度改良效果最好[13]。

3.2.3 合理選擇種植作物及品種

由于植物適應土壤酸度的差異性，因此可以結(jié)合土壤的酸化現(xiàn)狀，選擇在此條件下適宜生長的作物進行種植。如在我國酸雨嚴重的南方地區(qū)，可以推廣種植耐酸作物，與此同時，對存在潛在酸化趨勢、酸緩沖能力弱或酸中和容量低等現(xiàn)象的土壤，應減少豆科植物的種植[14]。

3.2.4 合理的水分管理和耕作模式

合理的水分管理，可以有效減少養(yǎng)分淋溶和流失，在枯水期，采用滴灌的方式，在節(jié)約水資源的同時也可促進作物根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；在豐水期，及時排水，避免淹水，以減緩土壤水溶性鹽分和硝酸鹽過度積累導致的土壤酸化[15]。

由于不同的作物對土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)具有不同的吸收意向和吸收能力，因此可以通過利用水旱輪作和間作套種等方式來均衡土壤中養(yǎng)分的消耗，調(diào)節(jié)土壤的肥力，從而緩解土壤酸化。

3.2.5 加強酸化狀況監(jiān)測制定分類調(diào)控方案

依附已有的農(nóng)業(yè)監(jiān)測資源，加強酸化現(xiàn)狀檢測，明確各地區(qū)土壤酸化的現(xiàn)狀、土壤酸化敏感性及酸化臨界點。與此同時，土壤的pH值在5.5～6.5之間的可劃分為弱酸性土壤，應采取減小質(zhì)子源和提高抗酸能力等方式來減緩或阻抗土壤酸化；對pH值低于5.5的酸性土壤，應著重采取提高土壤肥力的措施；對pH值低于5.0的強酸性土壤，可采取石灰等堿性物質(zhì)與肥料并施來改良酸化土壤；同時，對處于不同pH值的土壤應進行跟蹤檢測，以便于及時有效地采取防治措施[16]。

3.3 酸化土壤的改良

對于已經(jīng)酸化的土壤，必須采用一些特殊的措施來使土壤恢復到滿足植物生長需求的養(yǎng)分和結(jié)構(gòu)，目前運用的酸化土壤改良措施主要是化學改良和生物改良，針對不同的酸化土壤，應結(jié)合具體情況權(quán)衡利弊后選用適宜的改良措施。

3.3.1 化學改良

化學改良主要是運用土壤改良劑(調(diào)理劑)對其進行改良。酸化土壤改良劑的種類根據(jù)所采用的材料不同可以分為傳統(tǒng)改良劑、工礦業(yè)固體廢物改良劑、有機物料改良劑、新型改良劑和復合改良劑等。

傳統(tǒng)改良劑主要是石灰或石灰石粉，施用一定量的石灰或石灰石粉不但能中和土壤酸度，改善土壤性質(zhì)，而且可以降低Al等重金屬的毒害，但施用石灰的弊端在于它的作用僅局限于20cm以上的表層土壤，因此所達到的修復效果通常不徹底，易返酸[17]。也不能長期和大量的施用石灰，因為石灰施用過量，會損害土壤結(jié)構(gòu)，同時由于石灰只提供鈣，這在一定程度上會降低鎂、鉀的含量，造成土壤板結(jié)，反而會加劇土壤酸化。

近年來，一些磷石膏、白云石、粉煤灰、磷礦粉、堿渣等工礦業(yè)副產(chǎn)物的使用也對酸化的土壤起到了改良作用。磷石膏的主要成分是硫酸鈣，來源于磷化工行業(yè)的副產(chǎn)物，CARVALHO等[18]對酸性紅土做玉米盆栽試驗的研究表明，磷石膏的施用可以顯著降低土壤酸度，這是因為磷石膏能夠中和酸性土壤中的Al3+，并生成AlSO4+等穩(wěn)定的化合物。白云石是一種富含鈣鎂的碳酸鹽礦物，通過白云巖礦床開采得來。郭豪等[19]通過對種植煙草的遼寧丹東酸性土壤施撒白云石粉的實驗表明，施撒后的土壤pH值明顯升高，并且改善了煙草的生長性狀，但注意不能施用過度，否則反而會抑制煙草發(fā)育。以上介紹的改良劑由于是工業(yè)副產(chǎn)品，因此價格低廉，原料充足，但是也會因此含有一定量的有毒金屬元素，使用時可能會造成二次污染，因此在施用過程中應注意劑量和配比。

有機物料改良劑含有豐富的營養(yǎng)元素，可以提高土壤肥力，增加土壤微生物種類和數(shù)量并提高其活性，降低土壤交換性鋁的含量，進而增強土壤對酸的緩沖能力。目前常用的有機物料有：農(nóng)作物的莖桿、家畜的糞肥、綠肥及草木灰等。李忠意[20]對重慶涪陵榨菜種植區(qū)的酸化土壤進行研究得出，施用水稻秸稈和榨菜葉可以有效地改良酸化土壤，并以80 g/kg土水稻秸稈和400 g/kg土的榨菜葉使用量為最佳。但由于有機物料改良劑的產(chǎn)量較少，因此針對需要大面積改良的酸化土壤，實用性也受到了限制。

新型改良劑主要是指聚丙烯酰胺(PAM)、納米羥基磷、叢枝菌根真菌等這一類高技術(shù)含量的新型酸化土壤改良產(chǎn)品。PAM可以增加土壤中大團聚體數(shù)量，提高土壤孔隙度，陳世軍等[21]在對南方煙區(qū)酸性土壤的實驗中發(fā)現(xiàn)，當施用量適當時，可以增加土壤對P、K的吸附，減緩其向下層土壤遷移，從而對土壤酸化的改良取得了較好的效果。但由于新型改良劑的成本較高，同時缺乏大量的工程實際應用，因此還有待進一步的開發(fā)與研究。

目前還延伸出了一些復合改良劑的研發(fā)和使用。Ren-yong Shi等[22]通過對生物質(zhì)灰分(BA)、骨粉(BM)和堿性礦渣(AS)三種改良劑復合使用，對我國南方4個省的5種老成土進行了酸堿度改良和養(yǎng)分含量提高的培養(yǎng)試驗。結(jié)果表明，BA、BM和AS的聯(lián)合應用使五種老成土的pH值提高了0.63-1.37。

3.3.2 生物改良

生物改良主要是通過土壤動植物和微生物來改變土壤的孔隙度等物理結(jié)構(gòu)和化學物質(zhì)含量，從而實現(xiàn)改良酸性土壤的作用。徐超等[23]通過對野扇花的研究指出，野扇花在強酸環(huán)境下仍能夠生存，并且可以顯著改變土壤中的化學元素，提升酸化土壤的pH值。

張池等[24]綜述了國內(nèi)外關(guān)于蚯蚓對土壤修復作用的相關(guān)研究，蚯蚓在適應其生長的pH值范圍內(nèi)的活動及產(chǎn)生的糞便可以改善土壤結(jié)構(gòu)、影響土壤團聚體的數(shù)量，從而提高酸化土壤的pH值。但由于動植物和微生物的生命活動能力有限，對酸化土壤的改良進程緩慢，需要的時間較長，因此大面積推廣研究和使用受到了很大的限制。

4 結(jié)語

隨著社會的不斷發(fā)展，土壤酸化問題日益嚴重，同時土壤酸化往往也是造成土壤重金屬污染的先決因素，因此改善土壤酸化現(xiàn)狀已然箭在弦上。目前國內(nèi)外已開展了許多關(guān)于土壤酸化及其改良的研究，并且也取得了很好的成果，同時我國也頒布了土壤環(huán)境保護法和“土十條”，對土壤的關(guān)注度日益劇增，但是目前所采用的酸化土壤改良仍以化學改良劑的施加為主，一些新型的酸化土壤改良方法尚缺乏實際應用。因此進一步探明土壤酸化機理，研發(fā)新興土壤酸化改良技術(shù)，結(jié)合具體的酸化土壤問題，在前期土壤酸化預防的基礎上，開發(fā)出更具實際應用價值的方法應對具有酸化趨勢或已酸化的土壤是目前亟待深入探討的問題。