酸化對土壤質量的影響及酸化土壤的主要改良措施研究進展

袁珍貴　楊晶　郭莉莉　朱偉文　易鎮邪　屠乃美

摘要：酸化是土壤退化的一個重要方面。近年來，隨著工業化的持續推進、人類活動的頻繁干擾及其他各種因素的影響，土壤酸化問題日漸突出。綜述了土壤酸化的現狀、土壤酸化的機理和影響因素、土壤酸化對土壤質量的影響及酸化土壤的主要改良措施等方面的研究進展，分析了土壤酸化研究存在的問題，指出了相關研究方向。

關鍵詞：土壤酸化；土壤質量；改良措施

中圖分類號：S156.99 文獻標志碼：B 論文編號：2014-0840

引言

土壤是一種極其重要的自然非可再生資源，作為植物生長的媒介以及水、熱和化合物的源，土壤可以生產出人類賴以生存的食物。除此之外，土壤亦可充當水分的過濾器、廢棄物分解的生物介質。土壤在地球生態系統中占據不可替代的地位，維持著地球生態系統的平衡。近年來，隨著社會工業化進程加快，中國的耕地面積不斷縮小，且土壤退化速度加快，已成為威脅糧食生產安全的一大重要因素。

土壤退化表現為許多方面，包括土壤鹽漬化、荒漠化、貧瘠化及土壤酸化等。作為土壤退化的一個重要表現，土壤酸化引起了人們的高度關注，并圍繞土壤酸化開展了大量研究，取得了一系列研究成果。這些成果涵蓋了土壤酸化的成因和機理，土壤酸化對糧食生產的影響及其對生態環境的危害等。為此，筆者對近年來土壤酸化方面的研究進行了綜述，旨在為以后的相關研究提供一定參考。

1.中國土壤酸化現狀

土壤酸化是指在自然和人為因素的共同作用下土壤pH下降的現象。土壤自然酸化是一個非常緩慢的過程。然而，由于人類活動加劇，近年來中國土壤酸化的進程明顯加快，酸化范圍有所擴大。根據《中國土壤》和《土壤化學原理》中的分級標準，將pH<6.5的土壤劃分為酸性土壤，將pH<5.0的定位為強酸性土壤。

中國酸性土壤主要分布于熱帶、亞熱帶地區，涉及廣東、廣西、江西、湖南、云南、貴州、四川等14個省區。依據趙其國《中國東部紅壤地區土壤退化的時空變化、機理及調控》，此區域中大部分土壤pH低于5.5，其中有相當一部分土壤pH低于5.0，甚至低于4.5。這說明，此區域土壤酸化程度較深，強酸性土壤占據很大部分比例。近年來，科研工作者對不同地區的土壤酸化做了調查，結果一致表明：與第二次土壤普查結果相比，土壤pH都有不同程度的下降。邊武英于2008年調查浙江省83個縣市區內標準農田土壤酸堿度的現狀，結果顯示標準農田土壤和水稻土的pH呈現兩極分化的局面，其中酸性土壤的比例上升幅度大于堿性土壤，且與第二次土壤普查結果相比，土壤pH<5.5的農田比例增加20.71%，pH<4.5的農田比例則增加了1.7個百分點。郭治興等于2002-2007年間對廣東省土壤pH的時空變化進行研究，發現整體來說廣東省土壤變化表現為酸化，pH平均降低0.26個單位，由5.7降至5.44，其中以水稻土、紅壤及赤紅壤降幅最大。

2.土壤的致酸機理

土壤酸化受自然和人為因素的雙重干擾，無論是兩者中哪一種引起土壤酸化，其酸化都是始于土壤中H⁺的增加及鹽基離子的減少。土壤中增加，勢必打破土壤本身的化學平衡。交換性能與土壤膠體上被吸附的鹽基離子進行交換，交換之后H⁺吸附于土壤膠體上，使得土壤膠體上的⁺不斷增加，交換性鹽基離子則被溶解于土壤中，隨著雨水的沖刷大量流失。交換性H⁺吸附于土壤膠體上后能自發與土壤中的固相鋁化合物反應，釋放出A1³⁺，而A1³⁺通過水解又產生更多的H⁺，這樣循環往復，土壤中的交換性酸大量增加，鹽基離子大量減少，土壤的鹽基飽和度愈來愈低，土壤酸堿緩沖體系遭到破壞，致使土壤pH不斷下降，且下降速度增加。

3.土壤酸化的影響因素

3.1土壤的自然酸化

土壤的自然酸化是一個相當緩慢的過程，土壤自然酸化的因素主要有3個方面：（1）通過礦質元素的生物循環，植物可影響土壤酸度。（2）植物通過根系分泌物影響土壤環境。有研究表明茶樹根系能分泌大量有機酸和酚類物質，這些物質對鋁的絡合能力很強，活化固相鋁而加速土壤酸化；此外，有機酸中羧基的解離會釋放H+，直接加快土壤酸化進程。（3）植物的選擇性吸收致使土壤酸化。研究顯示植物根系對氮的選擇吸收能使土壤酸化進程加快。

3.2土壤酸化的人為驅動因素

3.2.1酸沉降酸沉降是指酸性物質（天然和人為產生的）進入大氣，通過遷移、擴散和化學轉化，最終到達地面的過程。酸沉降有干濕沉降之分，濕沉降通常又稱為酸。酸沉降對土壤酸化有直接的貢獻。一方面，酸性物質降到地面后直接為土壤提供H+，加速土壤酸化；另一方面，在土壤中，酸雨能抑制有機物分解、淋失鹽基元素等使酸化趨勢明顯。隨著社會經濟的高速發展，工業化程度加深，工業廢氣的肆意排放明顯加劇了酸沉降，進而加快了土壤酸化的步伐。

3.2.2不當的農業措施加速土壤酸化在農業生產中，某些不當的農業措施是土壤加速酸化的重要原因。這些措施主要包括3點：（1）長期施用化學氮肥是驅動土壤酸化的一個重要因素。蔡澤江等在湖南祁陽典型紅壤上進行不同施肥長期定位試驗18年，觀測到隨著化學氮肥的長期施用，土壤pH明顯降低，且以單施氮肥降幅最明顯，試驗期間降幅達1.5個單位。（2）不當的灌溉方式影響土壤酸堿度。研究表明在農業生產中，大水漫灌的灌溉方式往往會加劇土壤的酸化。相比于溝灌和滲灌，滴灌則更利于土壤酸化的抑制。這是因為滴灌方式下表層土壤硝酸鹽和水溶性鹽分積累較輕。（3）不同種植類型及殘茬管理對土壤酸化也有影響。張國見等認為，在3種不同的種植類型中，表層土壤（0-20 cm）pH有顯著差異，其中表現為種糧地最高，溫室菜地最低，露天菜地處于兩者之間。還有研究顯示殘茬會加速土壤酸化。

4.土壤酸化對土壤質量的影響

土壤質量是指在生態系統范圍內，土壤維持生物的生產能力、保護環境質量以及促進動植物健康的能力。土壤酸化主要影響土壤肥力質量、健康質量、微生物學性狀和酶活性等。

4.1土壤酸化對土壤肥力質量的影響

土壤酸化能降低土壤的肥力質量，主要表現在酸化過程中，土壤中的K+、Na+、ca2+、Mg2+等交換性鹽基離子大量淋失，土壤鹽基飽和度下降，其中有效態營養元素的含量急劇減少，從而導致土壤肥力下降。在對P的有效性影響上，土壤pH充當著重要的角色。研究表明，pH處于5.5-7.5之間時，土壤中有效磷的含量最高；隨著pH向兩極分化，P的固定逐漸加劇。對于酸性土而言，土壤中含有大量Ap+、Fe2+等，這些離子與磷酸根離子易結合形成難溶性磷酸鹽，從而降低磷的有效性。一般來說，土壤酸化會降低土壤全磷、全鈣、全鉀和緩效鉀等含量，土壤為植物生長發育供應氮、磷、鉀的能力下降。總體而言，土壤酸化降低了土壤肥力質量。

4.2土壤酸化對土壤健康質量的影響

土壤健康質量是指土壤對人類和動植物健康的影響能力。土壤酸化能在一定程度上對土壤健康質量造成負面影響。就目前研究成果來看，這些負面影響主要集中于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+與固相鋁進行交換，使得土壤中的Ap3_大量增加。當土壤溶液中活性鋁的濃度超過一定范圍時，就會對植物根系造成明顯毒害，表現為根系生長受抑制，即根短小，脆弱易斷，且畸形卷曲。有研究表明，當土壤pH<4.1時，土壤溶液的游離態鋁和總鋁量會繼續增加，鋁毒害更加嚴重㈣。

除土壤中活性鋁大量溶出外，土壤酸化對土壤健康質量的影響還體現在重金屬元素的活化上。溫明霞等研究認為隨著pH的降低，土壤中有效鐵、銅、錳及鋅的含量增加明顯。而程旺大等研究發現土壤中某些重金屬會發生復合污染，如Pb和As，Cr和As，Cd和Cr、As或Ni間表現為協同消長效應。

4.3土壤酸化對土壤微生物和酶活性的影響

土壤微生物和酶活性是評價土壤質量的重要指標。土壤微生物在土壤中主要起著氮素轉運的作用。適宜微生物活動的pH范圍為6.0-8.0。當pH降至6.0以下時，微生物活性會有所下降。王富國等認為不同種植年限酸化果園土壤中土壤微生物生物量均表現為不同程度的降低，其中下降幅度最大的是土壤微生物量碳、磷，微生物量氮的下降幅度相對較小。土壤酸化亦會抑制微生物的生長繁殖，這種抑制作用在放線菌、細菌上較明顯，對真菌影響相對不明顯。

土壤中有各種酶，包括脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶及淀粉酶等。土壤酶在土壤物質營養的循環轉化中扮演著重要角色。如脲酶是氮素轉化的關鍵酶，過氧化氫酶能清除土壤中的過氧化氫，減輕對植物的危害。土壤酸化能降低土壤酶活性，且pH越低對酶活性的抑制越強。朱銳等通過模擬酸化對黑土酶活性的影響展開研究，結果表明隨著pH的下降土壤中過氧化氫酶活性降低，土壤脲酶和淀粉酶活性也有相似的變化趨勢，且當pH降到一定程度后（pH<5.5），脲酶和淀粉酶活性會明顯降低。5酸化土壤的主要改良措施

5.1化學改良

化學改良劑類型多樣，如生石灰、輕質碳酸鈣及鈣鎂磷肥等。在一定程度上，化學改良劑的施用能很好的改善土壤的酸化環境，提升土壤pH。其中，作為一種傳統有效的酸土改良劑，石灰更是受到人們的青睞。石灰不但能中和土壤酸度，改善土壤性質，且可以降低A1和其他重金屬的毒害。鄭福麗等在酸化土壤化學改良劑的篩選研究中發現，多種化學改良劑對酸化土壤的改良有一定效果，其中以生石灰、輕燒粉及石灰氮與輕燒粉各半混合的改良效果最佳。方熊等研究顯示在丘陵林地上坡位集中施用土壤改良劑，能夠通過自然擴散機制，使丘陵大面積酸化土壤得到修復，其中在石灰、污水污泥和石灰+污水污泥等3種土壤酸化改良劑中，以污水污泥+石灰改善效果最明顯。由于石灰的施用會加強復酸化程度，因此不能過量頻繁施用，施用時可與其他堿性肥料配合施用。另外，果園表層土壤和閑地土壤酸化比較嚴重，應用化學改良劑能收到極佳效果，但對于酸化程度相對較低的農田土壤，則更適宜用生物改良等方法。

5.2生物改良

目前，除了應用化學改良劑來改善土壤外，生物改良是另一種最為常見的措施。許多研究表明通過生物措施改良酸土，亦能收到明顯效果。芒果園養殖蚯蚓的試驗結果表明，與清耕土壤（CK）相比，在蚯蚓糞覆蓋下，0-20 cm土層的土壤pH增加1.1個單位，土壤中有效養分明顯增多，土壤環境得以改善。近年來，生物碳成為了研究熱點。生物碳具備含有堿性物質和大量必需營養元素、能夠有效地調控土壤中營養元素循環等優勢，因而被認為是改良酸化土壤環境的理想材料。吳志丹等研究表明生物黑炭對茶園酸性土壤改善效果明顯，隨著施用量的增加，改善效果增大；從不同土層深度來看，生物黑炭對0-20 cm土層土壤的改良效果較好。王震宇等研究了花生生物碳對果園酸化土壤的改良效果，研究表明，經過44天的培育，添加5%BC400（花生殼于400℃下慢速熱解所制成的一種生物碳）后，土壤容重降低了8.2%，土壤pH提高了1.33個單位。以上研究說明生物炭可以改善北方果園酸化土壤的理化性質，且效果明顯。

5.3其他改良措施

不當的農業措施在土壤酸化中有著不可忽視的貢獻，因此通過某些農業措施的改良來改良酸土是可行的。如減少化學氮肥的用量，采用測土配方平衡施肥；以滴灌等新型灌溉方式代替大水漫灌；改變傳統耕作方式，推廣少耕、免耕、間套作等，都能起到一定的改良作用。研究顯示果園套種牧草能顯著提高低丘紅壤的有機質含量，改善土壤結構，降低土壤酸度，土壤速效養分增加；同時增加土壤的蓄水能力，提高土壤的抗旱能力，有效改善了土壤的理化性狀，增加了土壤的緩沖能力。

6.總結與展望

隨著社會現代化程度加深，工業化進程的加快，以及人為活動的干擾大大加速了土壤酸化的進程，土壤酸化已成為全球性問題。關于土壤酸化，前人已開展了大量研究，也取得了許多有意義的研究成果。

在國內，土壤酸化研究主要集中于探討土壤酸化的進程、致使土壤酸化進程加快的因素、酸化土壤的改良等方面。整體來看，尚存在以下問題：其一，土壤改良研究多集中在常規化學改良措施上，在某些新型改良劑，如生物碳等的研究上還有待深入；其二，在土壤酸化對植物生長發育的影響上，研究多集中茶園與果蔬等方面，有關土壤酸化影響水稻等糧食作物生長發育的大田研究鮮見報道；其三，土壤酸化對生態系統的影響研究主要集中于對陸地生態系統的影響上，對水生生態系統的影響尚不清楚；其四，土壤酸化對重金屬的影響上，側重于土壤酸化與重金屬活化關系的研究，關于水稻等糧食作物如何響應土壤酸化引起的重金屬活化的報道鮮見。

因此，在土壤酸化這一問題上，筆者認為首先應加強土壤酸化對水稻等主要糧食作物生長發育的影響的研究。其次，在酸化土壤的改良措施上，必須加強新型改良劑的研究。生物碳已初步展示了其在酸化土壤改良上的應用前景，但生物碳改善酸化土壤的機理尚不明確，還有待深入研究。第三，土壤酸化對水生生態系統的影響尚不清楚，應就此展開深入研究。最后，應加強土壤酸化與重金屬活化、作物重金屬吸收累積三者之間關系的研究，為保證動物和人體健康提供相關依據。