我國土壤酸化研究概述

王文娟　楊知建　徐華勤

摘要：目前土壤酸化引起土壤肥力低下、有毒重金屬含量高，嚴重影響地上農作物的生長發育，制約國家糧食安全、農田和農業的可持續發展。從土壤酸化的成因及危害、國內外研究現狀等方面進行論述，提出改良酸化土壤的方法。

關鍵詞：土壤酸化； 酸毒害； 酸雨；改良措施

中圖分類號：S153.4 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）08-054-03

土壤酸化是土壤質量退化中一個重要方面，實質是土壤因自然因素和人為因素導致鹽基性陽離子減少，氫、鋁離子增加，土壤pH降低，有毒金屬離子活性增大的過程[1]。我國土壤酸化具有面積大、分布廣、酸化程度高和危害大等特點。據統計，我國酸化土壤面積達2億hm2，約占全國總面積的23%，主要分布在長江以南廣大地區，多數集中于廣東和廣西（兩廣）、福建、臺灣、江西、湖南和湖北（兩湖）、云南、貴州、浙江、安徽、四川、江蘇與西藏南面等14個省區[2-3]。以土壤類型來分，可劃為華中和華南的紅壤地帶和四川、貴州、云貴高原的黃壤地帶兩區。這些地區酸化土壤的pH多數在5.5以下，嚴重的pH甚至小于4.5，并且這種酸化的程度和面積仍在增加。土壤酸化導致土壤中營養元素流失，有毒重金屬化合物的溶解度增加，肥力降低，土壤結構變差，影響地上作物生長發育，已嚴重地制約我國的糧食安全、農田和農業可持續發展[4]。

如今，土壤學、農學及作物學等相關領域的專家和教授紛紛將土壤酸化作為重大課題來進行研究。筆者主要對土壤酸化成因和危害、國內外研究進展及土壤酸化改良措施等方面進行綜述，旨在為我國土壤酸化的治理提供理論參考。

1 土壤酸化的國內外研究進展

研究表明，當3.0趙靜等[6]研究表明，威海市文登梨園的土壤pH介于4.06～6.59之間，其中40%以上被調查樣品土壤是極強酸性和強酸性的。王見月等[7]研究表明，山東省果園種植基地中以棕壤為主的膠東地區的土壤酸化最為嚴重，其中招遠果園土壤酸性最強，平均pH達4.22；棲霞、文登、蓬萊和萊西等地的果園土壤均呈現強酸性，pH依次為4.69、4.86、5.14和5.26。董昭皆等[8]研究表明，榮成市近年來果樹苦痘病、粗皮病加重的原因是果園土壤已被嚴重酸化。2006年測得土壤pH平均為5.0，比1982年減低了1.5。趙全桂等[9]研究證實，當前招遠市有60%以上的農田土壤pH<5.5，土壤酸化較嚴重；土壤酸化造成該地區土壤中微量元素的缺乏和某些重金屬超標，制約了生產的發展。葉優良等[10]調查煙臺蘋果發生粗皮病時發現，70%～75%的果園土壤呈酸性、微酸性（pH<6.5）；土壤pH<6.5利于錳還原，因而增加土壤錳的有效性。田文杰等[11]運用三維熒光技術研究模擬酸雨淋溶下紫壤淋出液中溶解性有機質組分與酸度、淋溶量的關系時，發現在酸雨淋溶初期紫壤中溶解性有機質大量淋失，且隨酸度加大，有機質淋失率也增大。張倩等[12]研究發現，江蘇省典型茶園土壤pH的降低速率與土壤中有機質總量呈0.01水平顯著負相關。張勇等[13]在模擬酸雨條件下研究酸雨對北亞熱帶天然次生林土壤呼吸的影響，發現只有高強度模擬酸雨（pH2.5）才顯著抑制土壤呼吸作用。朱雪竹等[14-15]研究發現，酸雨并未顯著影響中性和酸性土壤農田系統平均暗呼吸速率，雨水pH的降低僅抑制酸性土壤農田系統暗呼吸。

Guo等[16]研究表明，1980年以來我國南方酸性紅壤和黃壤酸化程度日益加強，其中糧食和經濟作物區的pH分別降低了0.23，0.30；雖然北方的潮土鈣離子量濃度高，但已出現大面積酸化現象，該地區的糧食及經濟作物區的pH也分別下降了0.27、0.58。Blake等[17]于1991年調查洛桑試驗站Geescroft Wildernes的表土，發現pH為3.8，較1883年降低了4.2；ParkGrass的表土pH則降到4.2，然而在1876 年該地區表土的pH為5.2。Roem等[18]在研究荒地和草地群落上的土壤酸化時發現，土壤酸化程度與植物物種多樣性有極顯著的相關性關系。

2 土壤酸化的原因

2.1 自然條件下的土壤酸化 自然酸化是農業生產中不可避免的現象。土壤中的鹽基性離子本身就較易淋失，因此淋溶過程實質就等同于酸化過程。另外，天然降雨中會有一些碳酸和硝酸，土壤中微生物與植物根系代謝過程中也會產生一定量的碳酸。土壤有機質分解會帶來少數有機酸和腐殖酸。部分地區土壤中硫化鐵礦物氧化會產生硫酸。所以，土壤酸化是土壤形成過程中的自然現象。該現象在熱帶亞熱帶濕潤地區表現得特別明顯。但是，一般這種自然酸化速率十分緩慢。

2.2 人為活動影響下的土壤酸化 隨著現代工業的高速發展和人們生活水平的不斷提高，人為活動大大加速了土壤酸化的速率，主要包括酸雨和不當的農業措施等。

2.2.1 酸雨。酸雨又稱酸沉降，是指pH小于5.6的大氣降水，主要包括濕沉降（酸雨、酸雪、酸霧、酸霜）和干沉降（SO2、NOX、HCl等氣體酸化性物）。酸沉降主要由于現代生活工業中所用的煤、石油和天然氣燃燒及汽車尾氣排放中產生的SO2等硫和氮化合物，經擴散或重力作用等過程降落到地面。我國長江以南在內的廣大東北亞地區已成為繼歐洲和北美以外的第三大酸雨區[19-21]，具有區域性強、頻率高及酸性強等特征。據資料顯示，自20世紀90年代以來，我國華中酸雨區已成為全國酸雨污染最嚴重的地區，其中的典型代表城市有長沙、株洲、贛州和南昌等。該中心區年均降水pH大多低于4.0，酸雨頻率最高達90%[22]。邱棟梁等[23-24]研究都發現酸雨對龍眼落果及果實品質、六年生東魁楊梅的生理生化特征均能產生嚴重影響。

2.2.2 不當的農業措施。

不當的農業措施包括農業生產中大量施用化學肥料尤其是銨態氮肥的使用、不當的施肥量和施肥方式、連作和種植致酸作物等。硫酸銨、氯化銨等生理酸性肥料導致土壤酸化的原理是銨根離子氧化后被作物吸收，致使土壤中氫離子和鋁離子含量增加，土壤pH降低。趙其國[25]在江西進行紅壤盆栽試驗中發現，施用硫酸鉀、硫酸銨等肥料都會不同程度地加大紅壤的酸度。Summner等[26-27]研究發現，施用氮肥等不當的農業措施引起的土壤酸化作用比酸沉降要大20倍以上。據中國農業年鑒統計，截至2007年我國農田氮肥用量已達3.26×107 t，較1981年增長191%[28]。

據報道，農作物生長結實過程中會大量吸收土壤中的鹽基離子，尤其是同一土壤常年種植單一作物，鹽基離子長期通過秸稈和籽粒帶走又得不到補充，致使土壤離子失衡和pH降低。這是造成土壤酸化的重要原因。連作及單作豆科植物時其根系在生長過程中會分泌一些酸性物質，導致土壤pH下降，隨著時間的延長，酸化趨勢也一并加劇[29]。

3 土壤酸化的危害

近年來，土壤酸化給土壤理化性質帶來顛覆性的影響，使得作物根系生長的根本條件變差，進一步影響作物品質和產量。在我國南方酸雨區，土壤酸化已然是限制農業生產和影響環境質量的“元兇”。

3.1 土壤pH的降低 土壤酸化必然造成土壤pH的下降。土壤pH的降低會打破許多原本存在于土壤溶液中的化學平衡。如，土壤酸化會產生大量分子態硫化氫 （對植物有毒），導致離子態硫化物濃度的降低。土壤酸化后大量H+進入植物根細胞細胞質，使pH下降，酶活性降低，生物自由基積累及膜脂過氧化作用加劇，引起細胞解體和細胞的亞顯微結構破壞，從而影響植株生長發育及品質[30]。

3.2 土壤中活性鋁的溶出及有毒金屬元素的活化 鋁約占地殼質量的7.1%。它是土壤中最豐富的金屬元素。土壤中的鋁能以多種化學形態存在，其比例主要取決于土壤溶液的pH[31-32]。當土壤溶液pH<5時，Al3+離子居多；當56時，多數以可溶性鋁離子的形態存在。土壤鋁的溶出是指隨土壤pH的降低促使原本在土壤中以離子態形式牢固地吸附在土壤的交換點或黏土顆粒上的鋁從這些交換點或黏土顆粒上脫落的過程[33]。當土壤溶液中活性鋁離子濃度超過植物根系耐受限度時，根系表現出短小、畸形卷曲和脆弱易斷現象，其生長明顯受阻，引起植株生長不良。鋁離子與土壤膠體的結合能力遠強于土壤中其他鹽基性離子，因此對鈣、鎂、鉀等植物生長所需養分離子的吸附量會顯著減少，讓它們在進入土壤溶液后遭受淋失， 造成土壤養分貧瘠。這在我國南方紅壤多雨地區表現尤為突出。

土壤酸化在導致pH下降的同時，也引起錳、鉻、銅、鉛、鎬和鋅等有毒重金屬離子的溶解度升高[24]。郭朝暉等[35]研究表明，隨著pH的下降，土壤中鎘、銅及鋅等重金屬離子的釋放強度顯著增大。謝思琴等[36]研究表明，當pH<4.0時，這些有毒重金屬離子的含量會升高得更明顯。若高濃度的有毒重金屬元素常年沉降和積累在土壤中，則土壤必定會成為有毒性的環境介質，影響作物的生長，危害人類身體健康。

3.3 土壤中微生物與酶活性的降低 土壤中各種養分的轉化與循環都離不開微生物和酶的催化作用。然而，酸性土壤抑制了這些有專一效應的微生物和酶活性。土壤酸化能改變土壤微生物種群， 使得嗜酸性細菌含量增加，有益微生物數量減少，如土壤酸化能減少分解有機質及其蛋白質的微生物類群牙袍桿菌、極毛桿菌和有關真菌的數量，破壞營養元素的良性循環，造成作物減產。一些科學家預測我國南方七省的大豆因土壤pH下降而減產達2萬t，造成的經濟損失每年約達1 400萬元[37]。

4 土壤酸化的改良策略

酸化土壤的改良應從多方面入手，采取綜合措施，即在控制源頭——酸雨的基礎上應用改良劑、實施測土配方施肥和改變不當種植制度、增施優質有機肥和推廣秸稈還田等方式來緩解土壤酸化，提高土壤肥力。

4.1 酸雨的控制 酸雨已成為我國土壤酸化重要的外源。因此，降低酸沉降最根本的辦法就是采用新型的環保能源或高效農業廢棄物處理技術減少二氧化硫、氧化亞氮等污染物在日常生活生產中的排放。

4.2 改良劑的應用 傳統酸性土壤改良劑多為石灰或石灰石粉。該改良劑易使土壤表層土的酸度降低，還能引起土壤耕層交換性鈣離子數量增加、鎂與鋁水化氧化物的沉淀，降低土壤溶液中鎂離子的活度[38-39]。過于頻繁地施用石灰會使土壤復酸程度增強，因此施用石灰改良還應配合其他堿性肥料如草木灰和火燒土等[40]。

除傳統酸性土壤改良劑外，人們還發現某些礦物和工業廢棄物也能改良土壤酸度，如白云石、磷石膏、粉煤灰、磷礦粉和堿渣等礦物和制漿廢液污泥等工業廢棄物。王文軍等[41]在研究白云石改良酸性黃紅壤試驗結果表明，在酸性黃紅壤中施入一定量的白云石降低了土壤交換性鋁離子含量，提高了土壤pH和交換性鈣、鎂離子的濃度，顯著提高地上作物產量。

生物改良主要指運用綠肥和土壤中一些動物來改良酸性土壤。胡衡生等[42]研究表明，種植格拉姆柱花草三五年后的土壤中重要營養元素均大幅度增加，而且隨著種植年限增長，土壤肥力增幅越大。在芒果園中養殖蚯蚓的試驗結果指明，蚯蚓能通過取食土壤中有機物料后產生的蚯蚓糞明顯降低土壤酸度，促進根系對養分的吸收[43]。

4.3 實施測土配方施肥和優化種植制度 目前，化學氮肥在我國施用量高但利用率異常低。這是土壤酸化中最主要因素之一。在現實生產實踐中，應根據土壤肥力背景值和作物生長需氮的規律實施測土配方施肥來減少土壤中氮素殘留，防止土壤酸化。另一方面，可以通過優化耕作模式即水旱輪作、輪作和間作套種等栽培模式減緩土壤酸化速度。

4.4 增施優質有機肥和推廣秸稈還田 增施優質有機肥、生物有機肥和發酵腐熟的土雜肥，提高土壤肥力，緩解土壤酸化；大力提倡推廣秸稈還田，增加土壤有機質，改變土壤結構，提高土壤緩沖酸性能力；多運用噴灌、滴灌等節水技術進行科學灌溉，減少大水漫灌引起土壤淋溶。張曉海等[44]同樣研究發現，對長期施用化肥的煙地，施用小麥和玉米秸稈均能提高土壤中微生物的數量。果園地里種植白三葉草能高效提高土壤有機質含量，肥田沃土，實現土地的種養結合，對果業生產節本增收和提質增效具有重要意義[45]。

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