酸性土壤可持續(xù)利用

沈仁芳　趙學強

摘要：酸性土壤主要分布于水熱資源豐富的熱帶和亞熱帶地區(qū)，植物生產(chǎn)潛力巨大。由于酸性土壤中存在酸害、鋁毒和養(yǎng)分缺乏等多種脅迫因子，酸性土壤的植物生產(chǎn)潛力難以充分發(fā)揮。全球酸性土壤約占陸地總面積的30%，約50%耕地和潛在可耕地屬于酸性土壤，中國酸性土壤約占國土總面積的22.7%。發(fā)揮酸性土壤的作物生產(chǎn)潛力，將為保障糧食安全做出巨大貢獻。酸性土壤不僅限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，而且對生物多樣性和生態(tài)環(huán)境造成了負面影響。酸性土壤可持續(xù)利用對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護均具有重要意義。酸性土壤的可持續(xù)利用可以通過土壤酸性改良和肥力并重提高、化肥和有機肥施用相結(jié)合、充分利用植物遺傳潛力、發(fā)揮酸性土壤生態(tài)功能等一系列對策加以實現(xiàn)。自然條件下的土壤酸化本身是一個緩慢過程，但是人類活動如氮肥過量施用和大量酸沉降，極大地加速了土壤酸化。將來的研究應從降低氮肥的施用量和酸沉降的排放量來減緩土壤酸化速率，前者主要依賴于氮肥利用率的提高，后者主要依賴于工業(yè)化技術(shù)的提高和國家政策制度。

關(guān)鍵詞：土壤酸化;鋁毒;養(yǎng)分脅迫;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力;生態(tài)環(huán)境

The Sustainable Use of Acid Soils

Shen Renfang， Zhao Xueqiang

（State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture， Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210008， China）

Abstract： Acid soils are mainly distributed in the tropical and subtropical regions with abundant heat and?water resource and have a huge potential for agricultural production. However， some co-existing soil stresses such as soil acidity， aluminum toxicity， and nutrient deficiency greatly limit the agricultural production?potential in acid soils. In the world， acid soils cover approximately 30% of the global land and up to 50% of?cultivable and potentially arable land. In China， acid soils account for about 22.1% of the total land area. Improving the capability of plants to adapt to the stressful factors in acid soils can contribute to food security. Acid soils not only limit agricultural productivity but also have negative effects on ecological environments， the sustainable use of acid soils can play an important role in agricultural productivity and ecological?environments. We can realize the sustainable use of acid soils through increasing soil pH value and fertility， applying chemical fertilizers with organic fertilizers， using plant genetic potentiality， and developing soil?ecological functions. Natural soil acidification is a very slow process， but various anthropogenic activities， especially the overuse of nitrogen fertilizer and acid depositions， greatly accelerate soil acidification. Soil acidification can be decelerated through decreasing the application rate of nitrogen fertilizers and the?deposition of acids， and the former depends on the improvement of nitrogen fertilizer use efficiency while the latter depends on the improvement of industrial technology and national policies.

Keywords： Soil Acidification; Aluminum Toxicity; Nutrient Stress; Agricultural Productivity; Ecological Environment

0 ?引言

隨著人類活動的加劇，本來非常緩慢的土壤酸化過程變得越來越快，近20年來土壤酸化程度遠超過去幾百年來的土壤酸化。酸性土壤已成為一些地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的限制因子，在酸化嚴重的土壤上種植作物甚至絕收。土壤酸化也引起了生物多樣性的降低，生物群落結(jié)構(gòu)的改變。土壤pH值降低，土壤中重金屬活性升高，影響了農(nóng)產(chǎn)品的安全。植物利用酸性土壤養(yǎng)分能力低，土壤中聚集的養(yǎng)分更容易流失，存在潛在的面源污染風險。酸性土壤分布區(qū)域大都水熱資源豐富，植物生產(chǎn)潛力巨大，克服酸性土壤中的不利因子，不僅對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，而且對于保護生態(tài)環(huán)境和改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)都有重要意義。以下內(nèi)容介紹了世界和中國酸性土壤概況，解析了酸性土壤與植物生產(chǎn)力、生態(tài)環(huán)境之間的緊密關(guān)系，提出了酸性土壤可持續(xù)利用的對策，并對將來的研究進行了展望。

1 ?酸性土壤概況

1.1 酸性土壤面積與分布

在全球范圍內(nèi)，酸性土壤（<pH5.5）的面積約39.5億hm2，約占無冰蓋陸地總面積的30%[1]。全世界約25億hm2耕地和潛在可耕地屬于酸性土壤，約占耕地和潛在可耕地總面積的50%[1]。世界酸性土壤主要分布于熱帶、亞熱帶和部分溫帶地區(qū)，水熱資源豐富，氣候條件適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。中國酸性土壤主要分布于南方高溫多雨的紅壤地區(qū)，遍及14個省（自治區(qū)、直轄市），面積達218萬km2，約占全國土地總面積的22.7%[2]。

1.2 酸性土壤的形成原因

酸性土壤的形成過程分為自然條件下和人為條件下的土壤酸化。在自然的高溫多雨條件下，土壤礦物質(zhì)高度風化，強烈淋溶，土壤酸緩沖體系能力顯著下降，導致土壤中硅和鹽基離子大量淋失而鐵鋁氧化物富集，形成了酸瘠土壤。在自然條件下，土壤酸化是一個非常緩慢的過程，土壤pH值需要經(jīng)歷數(shù)十年甚至數(shù)百年才會出現(xiàn)明顯降低。隨著世界工業(yè)化的發(fā)展，各種人類活動正在引起土壤酸化速率的加快。據(jù)統(tǒng)計，過去20年間，中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)和草原生態(tài)系統(tǒng)土壤pH值分別下降了0.42、0.37和0.62個單位[3-5]。在各種人為因素中，氮肥的過量施用被認為是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤酸化加速的主要誘因[3，6]。酸沉降，主要是氮硫沉降，被認為森林和草原生態(tài)系統(tǒng)土壤酸化加速的主要原因[4-5]。另外，一些植物種類如豆科和茶科植物會引起土壤酸化，高強度種植模式下作物收獲帶走了大量鹽基，也會導致土壤酸化。值得一提的是，目前設(shè)施農(nóng)業(yè)中，高強度種植方式和大量化肥施用，不僅導致了土壤的酸化，也引起了土壤鹽漬化，值得高度重視。隨著土壤酸化的加劇，土壤酸化對作物生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的影響正引起人們的高度關(guān)注。

2 ?酸性土壤與植物生產(chǎn)力

2.1 酸性土壤限制植物生長的因子

酸性土壤地區(qū)一般高溫多雨，氣候條件非常適合植物快速生長。據(jù)估計，中國酸性土壤地區(qū)用占全國27%的耕地養(yǎng)活了全國43%的人口[7]。全球范圍內(nèi)，雖然酸性土壤面積很大，但是僅5.4%的酸性土壤被用作種植農(nóng)作物，種植農(nóng)作物的酸性土壤面積僅占世界農(nóng)作物總面積的12%，酸性土壤中蘊藏著農(nóng)業(yè)發(fā)展的最大潛力[1]，這表明大面積的酸性土壤潛在可耕地未被開發(fā)和利用。酸性土壤區(qū)域植物巨大生產(chǎn)潛力未被挖掘的主要原因是因為酸性土壤中存在多種限制植物生長的因子。酸性土壤限制植物生長的因子分為物質(zhì)過多和過少兩種，過多的物質(zhì)主要有酸、鋁、錳、鐵，過少的物質(zhì)有鈣、鎂、氮、磷[8]。其中，鋁毒被認為酸性土壤限制植物生長的最主要因子，幾個微摩爾級濃度的鋁就會對植物根系產(chǎn)生嚴重毒害[2]。鋁本身在對植物產(chǎn)生直接毒害的同時，也間接地影響了植物對多種養(yǎng)分的吸收，降低了植物養(yǎng)分吸收效率，酸性土壤上的植物需要同時克服這些共存脅迫因子才能良好生長[8-9]。提高植物對這些共存脅迫因子的適應能力可以發(fā)揮酸性土壤植物生產(chǎn)潛力。

2.2 植物適應酸性土壤的機制

在長期的進化過程中，植物為了適應酸性土壤，已形成了各種各樣的耐酸性土壤機制。鑒于鋁毒是酸性土壤限制植物生長的主要因子，在植物耐鋁機制方面的研究最多也最為深入[10]。不同植物種類或者同一植物的不同品種對鋁毒的響應能力差異很大。植物的耐鋁機制分為內(nèi)部忍耐機制和外部排斥機制，內(nèi)部忍耐機制指鋁在植物體內(nèi)與有機酸或酚類物質(zhì)配體絡(luò)合，將鋁分室在液泡、表皮等部位，降低高濃度鋁的毒害，或者鋁誘導形成一些蛋白或改變相關(guān)酶的活性，來適應鋁脅迫環(huán)境;外部排斥機制指鋁在細胞外進行螯合，將鋁排除在細胞外，使其不能進入植物細胞，主要包括有機酸或磷酸根的分泌、細胞壁對鋁的固定、根際pH值升高等[2]。目前，己有不少植物耐鋁基因被分離鑒定，這為酸性土壤耐鋁植物的遺傳改良提供了分子信息[11]。相對于鋁毒，關(guān)于植物抵抗酸性土壤其他脅迫因子的研究較少，也不深入。另外，目前對擬南芥和一些糧食作物如水稻的耐鋁分子生理機制研究較多，對于一些木本植物耐鋁機制認識不夠，而木本植物卻具有非強的耐鋁能力[12]。

植物除了利用本身的遺傳潛力來抵抗酸性土壤，外部因子特別是土壤中的一些因子也會顯著影響植物適應酸性土壤的能力。如上所述，酸性土壤中不僅存在鋁毒，而且存在多種其它共存脅迫因子，單一鋁毒限制因子的酸性土壤基本上是不存在的。在我們的研究中，發(fā)現(xiàn)這些限制因子之間存在有意思的相互作用[8-9，13]。例如，酸性土壤低pH值抑制了硝化作用，銨態(tài)氮經(jīng)常為酸性土壤的主要氮源，而銨態(tài)氮能夠緩解鋁對植物的毒害，同時耐鋁植物較為偏好銨態(tài)氮[14-15]，這為通過利用氮鋁相互作用機制來提高植物耐鋁能力和氮效率提供了理論支持。鋁毒和錳毒同為酸性土壤植物生長限制因子，在水稻上的研究表明，鋁能減輕錳對水稻的毒害[16]。這些結(jié)果暗示著植物能夠通過充分利用其生長環(huán)境中的各種限制因子之間的相互作用，來實現(xiàn)其適應酸性土壤的目的。充分利用這些相互作用，可以幫助植物來協(xié)同適應酸性土壤的多種脅迫因子[8]。

3 ?酸性土壤與生態(tài)環(huán)境

土壤的不斷酸化顯著改變酸性土壤上的生物群落結(jié)構(gòu)和功能，包括植物、動物和微生物。雖然在酸性土壤環(huán)境中亞熱帶濕潤森林系統(tǒng)擁有最大物種豐富度，但是亞熱帶濕潤闊葉林系統(tǒng)對土壤酸化非常敏感[17]。長期氮沉降導致的草原酸化顯著降低了草原植物物種豐富度[18-19]。一些森林生態(tài)系統(tǒng)植物絕亡和土壤退化與土壤嚴重酸化有關(guān)。對長白山土壤不同梯度海拔下裸足肉蟲的群落分布特征發(fā)現(xiàn)，土壤pH值與裸足肉蟲的豐富度和多樣性呈極顯著的正相關(guān)，表明土壤pH值對土壤動物有顯著影響[20]。連續(xù)5年使用氮肥后，內(nèi)蒙古典型草原土壤酸化降低了草原微生物碳氮和微生物活性，也改變了土壤碳代謝微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性[21]。土壤真菌一般對土壤酸化不太敏感，而土壤細菌對土壤酸化非常敏感[22]。不同的氨氧化微生物對土壤酸化響應也不一樣，氨氧化細菌比氨氧化古菌對土壤酸化響應更加敏感[23]。因此，土壤酸化對植物、動物和微生物群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性有著重要影響。

土壤酸化除了對生態(tài)系統(tǒng)生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性造成嚴重影響外，對周圍環(huán)境質(zhì)量也有重要影響。土壤中的金屬元素活性一般都很低，但是隨著土壤pH值降低，金屬元素的生物有效性顯著升高。如果這些金屬元素是植物必需營養(yǎng)元素，那么可以促進植物生長;但是如果是一些重金屬元素，則會對周邊水體和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)存在潛在威脅。特別對于一些廢棄礦山和礦井，土壤酸化不僅是土壤環(huán)境問題，而且酸害和重金屬還會腐蝕金屬設(shè)備、破壞水體、毒害水生生物，甚至影響國家水上建設(shè)[24]。另外，鋁不僅對植物有毒，對所有生物都有毒害。土壤酸化也會引起土壤和水體中毒性鋁濃度升高，對水體環(huán)境和人類健康構(gòu)成潛在威脅。幸運的是，大部分農(nóng)作物都僅在根系積累鋁，而地上部特別是種子中鋁含量很低[25]。因此，除根部外，大部分作物的可食部分是安全的，但是鋁對地下水、河流、湖泊的負面影響仍值得探討。目前，由于氮肥用量過多，一些設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤酸化嚴重，同時土壤氮磷含量很高[6]，在降雨較多的季節(jié)，這些土壤富集的氮磷如果流失到環(huán)境中，也會造成面源污染。土壤酸化對環(huán)境的負面影響也不容小覷。

4 ?酸性土壤可持續(xù)利用對策

雖然酸性土壤大都分布于水熱資源豐富地區(qū)，但是由于酸性土壤的酸、瘠、毒等特點，酸性土壤的巨大生產(chǎn)潛力難以充分發(fā)揮。傳統(tǒng)的酸性土壤改良措施是施用石灰，這種改良方式雖然簡單有效，但是由于存在不少缺點，如粉塵污染、深層改良不足、容易造成土壤板結(jié)、土壤容易返酸及基于經(jīng)濟利益考慮，農(nóng)民越來越不樂意施用石灰。近些年來一些新型的酸性土壤改良劑不斷出現(xiàn)，酸性土壤種植模式也越來越多樣化。綜合考慮，我們提出以下幾項酸性土壤可持續(xù)利用對策。

（1）改良土壤酸性和提高土壤肥力并重的對策。在改良酸性土壤過程中，對土壤酸性的改良較為重視，卻忽視了對土壤肥力的提高。如上所述，酸性土壤限制因子不僅僅是酸害和鋁毒，一系列養(yǎng)分如鈣、鎂、磷甚至一些微量元素都存在缺乏，如果僅僅改良土壤酸性，效果經(jīng)常并不明顯。因此，需要在提高土壤pH值的同時，也要補充土壤中缺乏的營養(yǎng)元素。

（2）化肥和有機肥施用相結(jié)合的對策。化肥特別是氮肥，如果大量施用會加速土壤酸化，長期大量施用氮肥，一些酸性土壤已出現(xiàn)作物絕收的現(xiàn)象。有機肥大都含有一些堿性物質(zhì)，不但可以提高土壤pH值，還能提供養(yǎng)分，也可以改善土壤的物理結(jié)構(gòu)。但是有機肥肥效慢，化肥肥效快且針對性強，將二者進行結(jié)合施用，可以發(fā)揮二者優(yōu)點，彌補缺點，達到增產(chǎn)、增效和優(yōu)質(zhì)目標。

（3）利用植物本身的抗逆潛力，在酸性土壤種植耐酸抗鋁且養(yǎng)分利用效率高的植物。有些植物種類或品種，具有超強的適應酸性土壤能力，有些植物甚至“喜歡”在酸性土壤上生長，如茶樹。種植這些類型植物，可以不用改良酸性土壤，降低投入成本，還能實現(xiàn)經(jīng)濟利益。

（4）采用宜農(nóng)則農(nóng)、宜林則林的對策，充分發(fā)揮酸性土壤的自然生態(tài)功能。很大一部分酸性土壤分布于林地或山地，有些區(qū)域還是自然保護區(qū)或者風景區(qū)，山水如畫，風景優(yōu)美。對于這種類型的酸性土壤，需要根據(jù)區(qū)域內(nèi)的植物類型特點，有針對性地利用和改良，因為有些植物偏好酸性土壤，如果不加判斷地提高土壤pH值，可能會起到反面效果。在這些地區(qū)，應該種植一些耐酸性土壤的植物種類，充分發(fā)揮酸性土壤的生態(tài)功能，而不是提高其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。

5 ?展望

大量氮肥施用和酸沉降被認為是導致土壤酸化加速的主要原因，但是世界人口還在不斷增加，人類對糧食的需求還將不斷升高，氮肥施用量在短期內(nèi)不會降低甚至還會上升，工業(yè)化產(chǎn)生的酸沉降會降低但不會完全消失。自然條件下的土壤酸化是一個緩慢過程，人類活動正使得土壤酸化速率在不斷加快。不可避免的是將來土壤會變得越來越酸，如何減緩土壤酸化速率是一個全球性課題。雖然酸性土壤改良能夠在短期內(nèi)取得較好效果，但是使用大量的改良劑也不是長久之計，也不能從根本上解決問題，改良后的酸性土壤還會返酸。將來的研究應該從根本上降低氮肥施用和酸沉降對土壤酸化的影響。對于酸沉降，隨著相關(guān)工業(yè)技術(shù)的提升，工業(yè)化排出的酸沉降會越來越少，目前一些發(fā)達國家已經(jīng)有效控制了酸沉降物質(zhì)的排放，長期來看，酸沉降對土壤酸化的影響將越來越小。減少氮肥施用量，同時要保證高產(chǎn)，需要提高氮肥利用率，如何提高氮肥利用率目前仍是一個難題，氮肥利用率的提高必將減緩化肥引起的土壤酸化。因此，提高酸性土壤氮肥利用率是減緩土壤進一步酸化的一個重要技術(shù)途徑。

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