周 娟，袁珍貴，郭莉莉，屠乃美，易鎮(zhèn)邪，李海林，江巨鰲

(湖南農業(yè)大學農學院，長沙410128)

土壤酸化是指在自然和人為條件下土壤pH值下降的現(xiàn)象，其過程即是鹽基離子陽離子淋失，從而使Al3+和H+成為土壤中主要的交換性陽離子的過程，其實質是土壤交換性酸增加，交換性鹽基離子減少，這一過程的發(fā)展是十分緩慢的[1，2]。我國北方大部分地區(qū)的土壤為鹽基飽和土壤，且含有一定數(shù)量的碳酸鈣，某些地區(qū)pH高達10.5，而南方大部分地區(qū)的土壤由于高溫多雨所以為鹽基不飽和土壤，鹽基飽和度一般只為20% ～30%[3]。土壤酸化可導致營養(yǎng)元素的淋失，降低土壤中營養(yǎng)元素有效性，使土壤保肥能力和供肥能力下降，也會產生過量的重金屬元素毒害植物根系，影響作物生長，當pH低于一定程度時，土壤緩沖體系會失去緩沖作用，導致土壤迅速酸化[4]。據(jù)統(tǒng)計，土壤酸化可造成農作物減產20%[5]，甚至更高。我國土壤的pH值由北向南有逐漸降低的趨勢。近些年來，由于人為活動的不斷影響，農業(yè)種植制度、農田栽培管理措施以及人類工業(yè)化進程的加快，擴大了自然酸化的范圍和加快了自然酸化的速度，人為活動的影響導致土壤酸化這一問題變得越來越嚴重。

1 土壤酸化分布及現(xiàn)狀

據(jù)估計，世界酸化土壤約占全球非冰川覆蓋陸地面積的30%[6，7]。從世界范圍來看，酸性土壤主要分布在溫帶地區(qū)和熱帶、亞熱帶兩大地區(qū)。在北歐和北美，灰化土成為酸化土壤的主要來源。而我國的酸性土壤主要集中分布在長江以南的大部分熱帶、亞熱帶地區(qū)和云貴川等紅、黃壤上，其分布又可劃分為四川、貴州、云貴高原以黃壤為主的地帶和華中、華南以紅壤為主的地帶兩個亞區(qū)[8]。大部分地區(qū)酸性土壤的pH值小于5.5，其中很大一部分小于5.0，甚至達4.5[9]，而且面積還在繼續(xù)擴大，土壤酸度還在不斷升高。土壤酸化加速了土壤中營養(yǎng)元素流失，加重了土壤中各種金屬和重金屬化合物的溶解度，導致了重金屬元素對生態(tài)環(huán)境的危害，引起土地質量持續(xù)惡化，已經成為我國提高農業(yè)生產能力的隱憂。

根據(jù)各地的研究表明，我國土壤酸化面積不斷擴大，而且酸化程度逐漸增強。Guo等研究發(fā)現(xiàn)，我國90%的農田土壤都發(fā)生了不同程度的酸化現(xiàn)象[10]。有研究表明，在江西余江縣所測92塊水稻田土壤中，強酸性土壤約占29.3%，其余70.7%在酸性土壤范圍，測得的土壤pH最低值為4.6[11]。而我國酸雨受害最嚴重地區(qū)之一的湖南省洞庭湖地區(qū)，除湖面以外的土壤，90%的面積已經發(fā)生酸化[2]。廣西桂林市1998年調查10種不同類型稻田耕層土壤，pH值大多數(shù)呈下降趨勢;pH值降幅最大的為沖積母質潴育潮泥田，從6.2下降至5.4[12]。根據(jù)對黑土長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，哈爾濱地區(qū)黑土長期大量施用氮肥導致土壤pH值已由1979年的7.22下降到2006年的5.70;在黑龍江省東部、北部一些地區(qū)土壤pH值在5.0～6.0[5]。在江蘇太湖流域，1982～2004年，典型水稻土pH值顯著下降，土壤酸化并伴隨鹽基離子的淋失是限制水稻土土壤肥力質量的關鍵因素[13]。與20世紀80年代中期比較，在近20年的酸沉降影響下，重慶市大部分紫色土已發(fā)生酸化，且酸化程度正在加深[14]。胡建利等研究表明，長江下游地區(qū)農田土壤pH值整體有下降趨勢[15]。隨著社會經濟的進一步發(fā)展，我國酸性土壤面積和土壤酸化程度還有進一步增加的趨勢。因此，土壤酸化問題已成為影響我國農業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展的重要障礙，亟需對土壤酸化條件下作物的反應及其酸性土壤改良技術開展研究，以尋求應對措施。

2 土壤酸化的成因

土壤酸化可歸結為自然酸化和人為酸化這兩方面的原因[16]。自然酸化的原因主要是:第一，土壤的成土母質。在母巖風化過程中所產生的鈣鎂鉀鈉等鹽基離子成分已被淋失，鹽基不飽和，呈微酸性至酸性反應，主要產生在紅壤、磚紅壤、黃壤、赤紅壤和灰化土等土壤類型;第二，作物選擇性吸收土壤中的養(yǎng)分引起土壤酸化。作物對土壤中陽離子養(yǎng)分元素的吸收與對陰離子養(yǎng)分元素的吸收，不是按陽陰離子的等電荷進行的，為了讓體系中的電荷保持平衡，植物根系既要從土壤中吸收養(yǎng)分離子，又要向土壤溶液分泌H+或OH－和HCO3－，而分泌物主要為酸性物質;第三，土壤中植物的根系、微生物和其他各種各樣的生物有機體的代謝活動可以產生CO2、可溶性有機酸、酸性有機殘余物等弱酸性物質會導致土壤的酸化;第四，活性鋁的溶出。黏粒礦物的晶格由于土壤膠體上吸附的H+達到一定的量后就會遭到破壞，伴隨著鋁從黏粒礦物中被溶解出來，溶液中產生了活性鋁，水解后會釋放出H+，從而引起酸化。人為因素主要是:第一，不適當?shù)霓r業(yè)管理措施是加速土壤酸化的重要方面，如大量化學肥料特別是生理酸性肥料的施用、施肥量和施肥方法不當以及土壤中的堿性物質會因農作物的收獲而帶走等。長期大量施用化肥會導致土壤酸化[17～19]。近30年來，我國化學肥料施用量逐漸增大，已由1978年的334萬t增長到了2007年的5 107.8萬 t[20]。氮肥過量施用現(xiàn)被認為是導致農田土壤酸化的主要原因之一[5，10]。另外還有研究表明，農業(yè)耕作方式、水分管理措施等也是影響土壤酸化的因素[18]。第二，大量酸性氣體的排放導致酸沉降的增加，二氧化硫和含氮化合物等物質的排放，一部分直接滲入地表形成干沉降，另一部分在空氣中經過化學反應形成了硫酸和硝酸等濃酸物質，導致雨水酸堿度下降從而形成酸雨[21]。

3 土壤酸化對作物生長的影響

土壤酸化會對作物生長產生直接和間接兩個方面的影響，在某些條件下這些影響會對作物的生長發(fā)育產生至關重要的作用[22]。

3.1 土壤酸化對植物養(yǎng)分吸收的影響

3.1.1 土壤酸化加速了土壤礦物質養(yǎng)分的淋失

衡量土壤酸化的重要指標是土壤pH，Ca、Mg、Na、K是土壤中重要的鹽基離子和植物所需的營養(yǎng)元素，在農作物生長發(fā)育和產量形成中起重要作用。酸化土壤由于pH下降，土壤中正電荷增加，吸附在土壤膠體上的Ca、Mg、K等陽離子的數(shù)量會顯著減少而易于隨水淋失，土壤結構發(fā)生改變而導致土壤貧瘠，影響作物正常發(fā)育。土壤酸化并伴隨鹽基離子的淋失是限制水稻土土壤肥力質量的關鍵因素[16]。有研究發(fā)現(xiàn)，被pH 2～5的酸雨10年淋失的4種鹽基離子(Ca、Mg、Na、K)總量與酸雨的H+濃度呈極顯著的相關關系(r=0.9990)[23]。

3.1.2 土壤有毒金屬元素的釋放和活化，導致農產品品質下降

適量的微量金屬元素如 Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、Al等對某些作物的正常生長發(fā)育是必需的，但是當其濃度到一定程度后卻會對植物產生毒害作用。土壤發(fā)生酸化，一方面會對土壤膠體交換吸附和部分專性吸附的重金屬元素產生交換作用，也會對一些非活性和難溶的重金屬化合物產生溶解作用;另一方面，H+的增加會影響土壤中的氧化還原電位，改變土壤中可變價態(tài)重金屬元素的化合價，從而影響其相應化合物溶解度和存在形態(tài)。這些都會增加微量元素及其他一些金屬元素的溶解性和移動性，使其有效性增加，對作物的生長產生危害[24]。有研究表明，土壤活性鋁的溶出量與土壤酸化程度呈正相關，土壤酸化伴隨著大量的可溶性鋁的溶出[25]。王建林的研究表明，鋁脅迫下的水稻主根伸長生長受到抑制，地上分蘗少，側根少、短粗而脆，并且為棕褐色，根尖卷曲，呈魚鉤狀，根毛減少，根冠脫落[26]。

土壤酸化使某些重金屬元素的活性增加，加重作物病害的發(fā)生，影響作物的產量和品質。郭朝暉等研究在模擬酸雨條件下，發(fā)現(xiàn)被污染的紅壤和黃紅壤中的重金屬釋放量會隨著酸雨pH下降而致使重金屬釋放強度增加[27]。熊建軍等研究發(fā)現(xiàn)，土壤對重金屬的緩沖能力因土壤酸化而降低[28]，提高土壤重金屬的有效性，增大作物對重金屬的吸收量，直接影響農產品的衛(wèi)生品質。而土壤的酸化促進了土壤中可浸提態(tài)重金屬含量的增加，從而易于被水稻吸收，最終在水稻籽粒中得到累積，特別是Cd在糙米中的含量達到了國家糧食衛(wèi)生標準的兩倍多，稻米的食用品質被降低[29]。鈣、鎂、鉀等鹽基離子會伴隨著土壤酸化發(fā)生淋失，由于果實中鈣素含量的減少，而導致苦痘病、痘斑病和水心病等生理病害的發(fā)生[30]。由于土壤發(fā)生酸化，果樹缺鈣等生理病害的發(fā)生越來越嚴重，以及農產品對重金屬的吸收，對農產品優(yōu)質高效安全生產及其農業(yè)可持續(xù)發(fā)展產生了不利影響。

3.1.3 土壤酸化影響作物對氮的吸收與利用

國內外研究表明，作物對氮肥的利用率僅在30% ～60%[31]，這不僅造成很大的浪費，而且還會污染生態(tài)環(huán)境，氮肥施用過多更會加重土壤酸化的程度。土壤中硝化細菌和亞硝化細菌在pH＜5.5時活躍度低，會減少土壤中硝態(tài)氮含量[32]。研究表明，土壤中可被作物吸收利用的有效態(tài)氮的含量會隨pH的下降呈直線下降趨勢[2]。有研究發(fā)現(xiàn)，作物(水稻、玉米、小麥等)幼苗對無機氮的吸收速率受介質pH影響很大，且作物對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收有差異:pH4.0條件下作物對硝態(tài)氮的吸收速率較pH6.0條件下快，而對銨態(tài)氮的吸收表現(xiàn)相反[33]。所以土壤酸化會影響作物對各種養(yǎng)分形態(tài)的吸收與利用，導致養(yǎng)分的利用率下降。

3.2 土壤酸化對作物生理特性的影響

土壤酸化會對作物體內的酶活性物質的含量、各種形態(tài)特征等產生影響，這種變化主要是pH下降間接影響了作物的正常生長發(fā)育特性以及土壤的理化性質。

3.2.1 土壤酸化阻礙種子發(fā)芽

有研究表明，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，最后導致農作物減產[34]。大量研究表明，在模擬酸雨 pH5.0～3.0范圍內，作物種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)隨酸雨pH降低呈先增后減變化趨勢，作物種子在pH 2.0時不發(fā)芽，pH2.5時異狀發(fā)芽，pH≥3時，種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)與pH值呈顯著正相關[35～37]。崔興國模擬酸雨的研究表明，pH為2.0時，小麥發(fā)芽率為0，玉米發(fā)芽率為47.62%，在pH為2.5～5.0范圍內，二者的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均隨pH值的上升而增大[38]。由此可見，pH值與種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)呈顯著正相關，而土壤的H+濃度過高導致植物根系生長受阻，會造成種子發(fā)芽受阻。

3.2.2 土壤酸化影響作物生長的形態(tài)指標

土壤酸化后存在的大量Al3+能對植物產生毒害，對植物的根系產生影響，使植物不能正常吸收養(yǎng)分，從而影響作物生長發(fā)育。土壤pH對旱育秧秧苗素質的影響調查表明，苗干重在pH8.8時會顯著降低，根系活力在pH低至5.6時會顯著下降，葉片、葉梢、根系生長發(fā)育在pH小于4.9時會嚴重受阻[39]。張昌愛等通過盆栽試驗模擬酸化條件下油菜根系的生理生態(tài)變化情況，根的生物量、根系活力、根體積、根長度、根系的營養(yǎng)吸收量均受土壤酸化的影響[40]。有研究表明，煙草根系各時期的根體積、干重、根系活躍吸收面積和總吸收面積在根際pH從7.5降至4.5時均呈降低趨勢[41]。隨著土壤pH的下降，作物生長的土體環(huán)境發(fā)生變化，進而影響作物正常生長。

3.2.3 土壤酸化影響作物生理活動

土壤酸化影響作物體內酶活性和光合性能的發(fā)揮。對烤煙的研究表明，烤煙葉片的SOD(超氧化物歧化酶)活性，在土壤pH值為4.5時最強，而MDA(丙二醛)含量最低;SOD活性在團棵期到成熟期會降低而MDA含量會上升[42]。當土壤pH值小于5.0或大于7.0時，水稻葉片光合速率、PSⅠ和PSⅡ的電子傳遞活性以及類囊體膜室溫熒光發(fā)射峰值均有不同程度的降低，其中尤以pH 4.0時降低幅度最為顯著[43]。土壤酸化脅迫下，小麥幼苗生長發(fā)育和生理活動受到阻礙，影響植株的光合速率和NR 與 GOGAT 活性[44]。

3.3 土壤酸化影響土壤微生物活性

由于pH的下降，土壤微生物數(shù)量減少，其生長和活動受到抑制，從而對土壤中碳、氮、磷、硫的循環(huán)和土壤有機質的分解產生影響，土壤的供肥能力下降，作物會發(fā)生生長受阻的現(xiàn)象[45]。王富國等通過研究表明，隨著種植年限的延長，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[46]。土壤中大多有益微生物都適宜于生長在中性環(huán)境條件下，如硝化細菌適宜的pH為6.5～7.9，自生固氮菌的pH為6.5～7.8，氨化細菌的pH為6.6～7.5，纖維分解菌的pH為6.8～7.5，嫌氣性固氮菌的pH為6.9～7.3。隨著土壤環(huán)境的酸化，這些微生物種類會大量減少，活性也會降低，從而影響土壤中有機質的礦化和氮的固定，不利于養(yǎng)分的轉化[47]。根瘤菌具有固氮作用，對豆科作物的氮素營養(yǎng)產生重要作用，而根瘤菌侵染會受到高濃度H+的抑制，因固氮效率降低而使豆科作物缺氮。土壤酸化使作物生長環(huán)境條件變差，過酸的土壤造成許多營養(yǎng)元素的有效性降低，使得土壤的宜種性降低，影響農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 土壤酸化的改良與應用

從世界范圍來看，有20%的玉米、13%的水稻和5%的小麥是種植都在酸性土壤上[48]。由此可見，酸性土壤改良措施的研究對農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用。

4.1 合理施肥，緩解土壤酸化

4.1.1 合理施用化肥，減少肥料的損失

施肥作為供給作物營養(yǎng)的主要方式，不適當?shù)氖┓史绞綍绊懛柿系睦寐省；瘜W氮肥的不合理施用，如大量或偏施氮肥，會導致土壤酸化，其主要原因是土壤中硝態(tài)氮的累積和淋失[49]。土柱模擬和室內培養(yǎng)試驗表明，由于施入尿素，紅壤土壤的pH將顯著降低[50，51]。由此可見，化學氮肥施用與土壤酸化是密切相關的。為此，在農業(yè)生產上要根據(jù)作物的需肥特點適時適量的施肥;積極推廣與應用新型肥料，如微生物肥料、緩/控釋肥料等[52];運用與推廣在技術上已成熟的科學的肥料管理技術，配合合理的施肥方法，如測土配方法施肥、農田養(yǎng)分精準管理等技術，來提高各種肥料的利用率，減少化肥損失。還應當調整施肥品種和結構，選擇生理堿性肥料，防止土壤進一步酸化。

4.1.2 秸稈還田，減少土壤中堿性物質的流失

施用水稻秸稈能短期降低土壤中交換性鋁含量和提高酸性紅壤的pH值[53]。有研究表明，混施腐熟的豬糞和小麥秸稈能提高酸性紅壤pH值，且有一定程度的緩解鋁毒作用[54]。在生產中，配施 C/N高的秸稈能夠降低紅壤的硝化速率，但對硝化潛勢沒有影響;有機氮替代無機氮能降低土壤硝化潛勢，減小土壤的酸化作用[55]。草木灰富含Ca和K，在酸性土壤中施用不僅能降低土壤酸度，還可補充K、P、Ca、Mg 以及一些微量元素[56]。

4.1.3 施用腐熟有機肥，增強土壤對酸堿的緩沖能力

腐熟有機物中含有豐富的營養(yǎng)元素，土壤中有機質的增加可以改善土壤的肥力狀況、改良土壤結構，土壤的緩沖能力被有效提高，使土壤pH保持相對穩(wěn)定[57]。而大量施用未腐熟的豬、牛廄肥和畜禽糞便，這些未腐熟的有機肥在分解過程中產生大量的有機酸和SO2－，SO2－遇水或在相對高溫高濕環(huán)境條件下轉化為亞硫酸和硫酸，也會使土壤酸度增大[58]，所以需要施用腐熟的有機肥。具有肥力持久和肥效長的人畜糞尿、家禽糞、塘泥、雜草等有機肥，也含有較豐富的Ca、Mg、Na、K等中微量元素，它可以補充由于土壤酸化造成淋失的鹽基離子，在自然條件下土壤pH不會因外界條件改變而劇烈變化[59]。許多研究表明，施用有機肥在紅壤上能夠改善土壤酸度[60]。但是由于有機物料來源有限而且臟、臭、重等特點，將現(xiàn)有的有機物料作為酸性改良劑來改良土壤酸化的現(xiàn)狀還不能大面積推廣應用。

4.2 施用石灰和其他堿性物質，提高土壤的pH值

施用石灰是一項傳統(tǒng)而有效的改良土壤酸化的措施，可以中和土壤酸度，改善土壤的物理、化學和生物學性質，從而提高土壤養(yǎng)分有效性，降低Al3+和其他重金屬對作物的毒害，提高作物的產量和品質[61]。在閑地土壤和表層酸化程度比較嚴重的土壤上施用化學改良劑的效果較好，生石灰、輕燒粉和輕燒粉石灰氮各半混合這三種改良劑在其用量為1‰時可以提升土壤pH 2個單位，達到很好的改良效果[62]。施用白云石粉在酸性黃紅壤上能顯著降低土壤交換性鋁的含量和改善土壤的酸度，白云石粉用量與其降酸作用呈正相關。白云石粉是含鈣、鎂碳酸鹽礦物，它既能夠提供鈣、鎂，又能夠提高土壤pH值，消除鋁毒[63]。黃運湘等研究表明，施用石灰于紅壤蜜柑園上可顯著提高蜜柑的含糖量，改善其品質[64]。熊德中等研究認為，施用石灰于酸性土壤上，能明顯增加土壤中的細菌、放線菌、好氣性纖維分解菌、亞硝化細菌數(shù)量，顯著減少真菌數(shù)量;明顯增強蛋白酶和脲酶的活性，降低蔗糖酶活性，從而使煙草的產量增加[65]。但土壤由于施用石灰后存在復酸化過程，即土壤會因石灰的堿性消耗后再次發(fā)生酸化，而且酸化程度比施用石灰前有所加劇[21]。因此施用石灰來改良酸性土壤，最關鍵的是確定石灰最佳施用量[66]。施用過多會使土壤發(fā)生堿化現(xiàn)象;施用量不足時，因Ca2+的移動性較差而對底層土壤的酸度影響不明顯。此外，生物質炭具有較高的pH，添加到酸性土壤中可以提高土壤的pH，降低土壤酸度[67，68]。生物質炭含有豐富的營養(yǎng)元素，可以提高酸性土壤有效養(yǎng)分的含量，降低鋁對作物的毒害作用[69]。

4.3 采用其他農業(yè)措施，提高土壤的緩沖能力

張國見等調查了西藏自治區(qū)拉薩市不同種植類型(種糧、露天種菜和溫室種菜)對土壤酸化的影響，結果表明，表層土壤(0～20 cm)pH值差異顯著，種糧地最高，溫室菜地最低，因此他認為，要避免土壤加速酸化，必須減少氮肥用量和灌溉用水量[70]。在農業(yè)生產上，通過將一年生作物的品種替換成多年生的和延長作物的覆蓋時間來減少農田的休閑期，提高復種指數(shù);積極推廣免耕和少耕等現(xiàn)代化農業(yè)耕作制度;通過增加秸稈還田和種植綠肥，減少有機殘體被移走，尤其是富含過量陽離子和有機陰離子的植物殘體。通過多年試種研究發(fā)現(xiàn)，在低丘紅壤地區(qū)果園套種牧草能顯著提高其有機質含量和保水抗旱能力，改善土壤的理化性狀，降低土壤酸度，增加土壤速效養(yǎng)分含量，使土壤的緩沖能力增加[71]。

5 問題與展望

5.1 土壤酸化改良方面

土壤酸化改良劑方面的研究很多，如石灰、堿渣、菇渣、污泥、泥炭、生物質炭等土壤調理劑均能提高土壤pH，降低酸性土壤交換性鋁含量，并取得了一定的成果，但運用生物農業(yè)措施的研究很少。也有研究使用礦物和工業(yè)副產物來改良土壤的，但此類物質大多富含一定量的重金屬元素。有研究表明這些重金屬元素殘留在土壤中的含量并沒有達到危害的水平，但是不能輕視這些重金屬離子在土壤中的積累。

5.2 土壤酸化對農業(yè)生產影響方面

土壤酸化影響有機質的分解與合成、營養(yǎng)元素的釋放與轉化、微量元素的有效性以及土壤保肥和供肥能力等，對土壤生產性能和作物的生長發(fā)育產生影響[72]。土壤發(fā)生酸化必然會影響土壤中養(yǎng)分和作物的宜種性。土壤酸化使土壤的宜種指數(shù)下降，因此需要根據(jù)不同土壤的酸化程度，篩選一些耐酸(鋁)的作物品種。

5.3 土壤酸化對氮肥利用率的影響

氮素作為作物生長發(fā)育所必須的大量元素，需求量大，也是作物增產的重要營養(yǎng)元素。目前，有許多學者認為氮肥施用量過多是導致土壤酸化的原因之一。需要研究在酸化條件下作物對氮素利用率的影響機制，提高作物的氮素利用效率，這不僅可以提高農業(yè)生產效率和效益，而且有重要的生態(tài)意義。

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