設施土壤酸化研究現狀、產生機理及防治措施

谷端銀高俊杰焦娟王秀峰(．泰安市農業科學研究院， 山東 泰安 27000； 2．山東農業大學園藝科學與工程學院， 山東 泰安 2708；3．作物生物學國家重點實驗室， 山東 泰安 2708)

設施土壤酸化研究現狀、產生機理及防治措施

谷端銀1高俊杰1焦娟1王秀峰*2，3(1．泰安市農業科學研究院， 山東 泰安 271000； 2．山東農業大學園藝科學與工程學院， 山東 泰安 271018；3．作物生物學國家重點實驗室， 山東 泰安 271018)

本文綜述了設施(塑料大棚、日光溫室、玻璃溫室等)土壤酸化的現狀，分析了其產生的原因以及土壤酸化對設施土壤養分、設施內作物病害發生等的影響，并提出了具體的防治措施。

設施;土壤酸化;研究現狀; 產生機理; 防治措施

設施蔬菜生產的目標是通過改良小氣候環境，為蔬菜生產提供合適的生長條件，從而增加復種指數，使蔬菜早熟、高產，以達到調節淡季、均衡上市，提高效益的目的[1]。設施蔬菜生產由于設施特殊的建造結構、高度集約化的生產、無雨水淋洗等特點，再加上人為的不合理種植和施肥，設施土壤的物理、化學和生物學特性均發生了很大的變化，使得土壤惡化，導致連作障礙。喻景權等[2]認為造成蔬菜連作障礙的主要因素有三個方面：土壤理化性質的劣化；土傳病蟲害；植物的自毒作用。在土壤理化性質劣化方面，對于設施土壤鹽漬化、養分不平衡等研究較多 [3，4，5，6，7]，近年來設施土壤酸化問題越來越受到研究者的重視[8，9，10，11，12]。由于酸化對土壤生產力的提高及對生產環境和人體健康存在的直接和潛在的威脅，因此對土壤酸化的研究還是應該引起高度重視。

1 設施土壤酸化的現狀

設施土壤是指玻璃溫室、塑料大棚和日光溫室等園藝設施土壤的總稱。設施土壤在覆蓋結構之下，與大田土壤相比，其內部生態環境及水熱平衡發生改變，土壤的理化性質也發生變化。設施土壤酸化即是其體現之一。Van認為土壤酸化主要指土壤中的H+和Al3+數量增加，導致陽離子庫的耗竭[13]。研究表明，設施土壤pH值隨種植年限延長多數呈降低趨勢，致使土壤酸化。于群英[14]測定了皖北地區典型設施土壤的 pH 值和交換性酸，發現菜地土壤的酸化與土壤類型有關，潮土菜園土經過10 年耕作變成酸性土壤，砂姜黑土菜園土經過5年左右耕作變成酸性土壤，土壤 pH 值與種植蔬菜時間呈正相關。據李俊良調查研究[15]，壽光種植13年的大棚土壤pH值有的下降到了4．31。而梁成華[16]對遼寧大棚土壤研究表明當地大棚土壤pH值比露地土壤僅降低0．5(大棚土壤pH值6．1，露地土壤pH值6．6)。孟鴻光等[17]對沈陽城郊溫室土壤特性調查時也發現在大棚、溫室等不同的設施利用條件下，土壤pH值呈下降趨勢。吳鳳芝等[18]測得連作黃瓜4年的大棚土壤pH值為6．83，而連作25年的大棚土壤pH值下降至6．75，而露地土壤pH值為6．97，表明隨種植年限增加，土壤pH值逐漸下降，但下降幅度較小。陳為峰[5]在對山東省大棚土壤內外pH值測定后，也發現大棚種植后，棚內比棚外pH值均有不同程度的下降，下降幅度在0．12～2．05之間。曾希柏等[9]發現壽光設施菜地土壤pH值在12．7a前逐年降低，12．7a后則土壤pH值出現升高趨勢。王玉寶[19]發現設施甜櫻桃園土壤pH值隨著種植年限的增長呈下降的趨勢，并且土層越淺下降越明顯。陳洪江等[20]發現威海設施菜地土壤pH值＜5．5的酸化比例為69．77%，pH值＜4．5的強酸化比例為18．15%，pH值最低達到3．9，酸化現象較為嚴重。

2 設施土壤酸化的可能機制

設施土壤酸化與大田土壤酸化機制不同。導致大田土壤酸化的原因有自然因素和人為因素。土壤自然酸化非常緩慢，人為活動的影響大于自然因素。而影響土壤酸化的人為因素一是由于大氣環境污染導致酸雨產生，酸雨地區的土壤酸化速度增快[21，22]。不當的農業措施是導致土壤酸化的另一原因。Cregan PD et al[23]明確了這些措施主要有種植豆科作物和牧草、收獲的動植物產品從土壤中移走堿性物質、化肥的大量施用等。沈月[24]對遼寧地區棕壤酸化研究發現長期施肥對土壤pH值影響較大，與不施肥相比，連續施用尿素(270kg N·hm2)27年土壤pH值下降1．31個單位，土壤緩沖容量降低3．87 mmol kg-1pH unit-1。隨著尿素施用量的增多，土壤交換性酸和交換性鋁的含量呈增加趨勢。王嬡華等[12]通過采取人為模擬酸化和鹽基淋失( 自然洗鹽) 過程，研究發現積鹽酸化與露地酸化本質上是相同的，但在等量酸加入時，設施內積鹽土壤耕層酸化更快，酸害更嚴重，且易積鹽。由于設施栽培的特殊性，導致設施土壤酸化的原因是十分復雜的。這些可能的酸化機制主要包括以下幾個方面。

2.1 施肥

2.1.1 大量施入生理酸性肥料

生理酸性肥料如硫酸鉀、硝酸銨、氯化銨、硫酸銨、碳酸氫銨等在施用后，K+、NH4+被作物根系選擇性吸收后，酸性陰離子如SO4

2－、Cl－、NO3－等與土壤溶液中游離H+結合形成強酸，導致pH值下降，土壤酸化[25]。曾希柏等[9]發現設施菜地土壤中SO4

2－含量與土壤pH值存在極顯著負相關(相關系數達0．5508)。朱建華等[26]研究結果表明，施用復合肥可不同程度地降低表層土壤的pH值，土壤酸化隨時間的推移加劇。而李海云[27，28]研究設施陰離子對黃瓜的影響時發現，施肥量越大，土壤EC值呈上升趨勢，而pH值呈下降趨勢，而這與施肥品種無關。在同一施肥水平下，以不施肥為對照，各處理分別施用含SO4

2－、Cl－、NO3－的肥料，發現對pH值的影響是Cl－＞SO4

2－＞NO3－＞CK。鄒長明等[29]比較了長期施用含硫和含氯肥料對土壤酸化的影響差別，發現施用含硫肥料更易使土壤酸化，pH值變化呈“平衡－突破－平衡” 趨勢。土壤膠體使土壤具有強大的緩沖性能，使土壤的活性酸度(即pH值)與交換性酸度處于一種動態平衡狀態，由此可防止土壤pH值劇烈變化。但當H+積累到一定程度后，這種動態平衡被破壞，于是發生突變，然后在新的基礎上達到新的平衡。韓江培[30]在研究設施栽培條件下土壤酸化與土壤鹽漬化耦合發生機理時發現，當陰離子為Cl-時，各陽離子對設施土壤均有一定的致酸作用，作用順序：Ca2+＞NH4+＞Mg2+＞K+＞Na+。隨著各陽離子濃度的增加，土壤pH值下降幅度增加。

2.1.2 過量施入氮肥

過量施入氮肥是致使土壤酸化的重要原因。葛曉光等[31，32，33，34]在14．5年施肥條件下菜田－蔬菜生態系統變化研究中發現，耕作土壤隨施氮量的增加土壤pH值呈下降趨勢，有機肥的施用可以減輕無機氮肥對土壤的酸化作用。

而銨態氮肥的過量施用是加速土壤酸化的主要原因。徐仁扣等[35]證明銨態氮肥用量達80kg．hm-2時土壤酸化加速。而有調查分析表明[36]，我國年有機肥(禽類或人糞尿)使用量，一般90～120m3．hm-2，最高用量超過150 m3．hm-2；化肥投入一般在7500 kg．hm-2左右，高者達15000 kg．hm-2，這遠遠超過蔬菜的吸收量。大量銨態氮肥施入土壤后，銨根離子一部分被植物根系及土壤微生物所吸收，另外部分參與硝化作用[37，38]。植物每吸收一個銨根離子將置換為一個氫離子，土壤溶液中氫離子數量增加。硝化過程中，NH4+和NO2

-的氧化過程都會釋放出H+[39]，土壤溶液中氫離子數量增加，導致土壤變酸。設施土壤表現出pH值隨硝化活性的增強和NO3－積累量的增多而下降[40]。Shen et al[41]同時通過溫室內盆栽黃瓜-番茄試驗研究發現過量施用氮肥導致礦質元素N的積累，顯著降低了土壤的pH值，導致產生次生鹽漬化及土壤酸化。Han et al[ 42]又比較研究了壽光和寧波不同初始pH值及溫室不同種植時間下，壽光和寧波設施土壤表層(0～20cm)和亞表層(20～40cm)均表現出明顯的酸化和鹽漬化現象，同時發現壽光設施土壤酸化主要是因為過量施用N肥及K肥導致土壤中的Ca2+和HCO3

-下降所致，土壤pH值與Ca2+和HCO3-比例顯著相關。

2.1.3 施入未腐熟的有機肥

為增加有機肥施用，菜農大量施用豬、牛廄肥和畜禽糞便。肖輝等[43]研究發現施用腐熟的雞糞、豬糞能提高土壤pH值。但很多菜農施用的有機肥未腐熟，這些未腐熟的有機肥在分解過程中可能產生大量的有機酸和二氧化硫，二氧化硫遇水或設施土壤條件下轉化為亞硫酸和硫酸，也會使土壤酸度增大[44，45，46，47]。研究表明有些植物殘體或凋落物在分解過程中可以產生致酸物質[48]，這些廢棄的有機物作為有機肥施入也可導致設施土壤酸化，降低了土壤的可持續性[49]。

2.2 根系分泌物

植物不僅可以通過礦質元素的生物循環、吸收、轉運、凋落、回歸等因素影響土壤酸度，還可以通過根系的選擇吸收分泌物直接影響土壤環境[50]。已有文獻從不同側面涉及植物對土壤的酸化作用機理，例如段雷等從不同植被對養分的吸收探討植物對土壤的酸化作用[51]。

植株分泌的大量有機酸會導致土壤礦物分解加速和陽離子的溶出，土壤膠體溶液中陽離子的淋失加速，導致土壤酸化[52]。現已鑒定出植物根系分泌物的低分子量有機酸主要包括草酸、檸檬酸、琥珀酸、蘋果酸等[53]。植物分泌有機酸的種類和數量因植物品種、生長期及部位等而存在不同[54]。

2.3 灌水方式

設施蔬菜種植需要大量的水分，因此設施蔬菜灌水次數相對露地增多。隨著灌溉水分的在設施土壤中多次下灌，部分陰離子如NO3

－下移并有可能淋溶出根區，而H+則留在表層土壤中[35]，也可能是導致設施土壤酸化的原因之一。

2.4 微生物比例失調

由于設施種植作物單一，形成了特殊的環境，使一些硝化菌、氨化菌等有益微生物受到抑制[45]。日本勝又廣太郎等[55]認為，設施內由于連作引起微生物組成變壞，主要是細菌和真菌比例問題，細菌增多會引起土壤酸化。Shen et al[41]試驗結果顯示，在同一個種植季，隨著氮肥的增多，微生物功能多樣性顯著降低。2.5 與碳循環有關的土壤和植物過程

設施栽培種植復種指數較高，蔬菜茬次密集，設施栽培作物的收獲從土地上不斷移走是碳循環導致土壤酸化的主要方面。在設施作物的生長過程中，植株體內會積累有機陰離子(堿)[56]。設施蔬菜的產出量高，從土壤中帶走了過多的堿基元素，當蔬菜收獲時，使得土壤向酸化方向發展。

3 設施土壤酸化的影響

3.1 對土壤營養成分的影響

土壤酸化會加重鋁和錳的毒害[57，58]，而容易缺乏Mg、Ca、Zn、Mo等元素。土壤酸化可增加Ca2＋、Mg2＋的淋溶，進一步使土壤酸化加劇[59]，對設施生產造成不利影響。曾路生[60]對壽光設施土壤研究發現，有效態重金屬含量與土壤pH值變化表現出顯著或極顯著的負相關性。

3.2 對園藝植物病害發生的影響

酸性土壤滋生真菌，根際病害加重，且控制困難。村上圭一等[61]發現土壤類型和土壤pH值對十字花科植物根腫病有一定影響，同一類型的土壤，pH值則影響病原菌密度和發病程度。徐林華等[62]開展了設施土壤酸化與根腫病的防治研究。一般認為，土壤酸化使得茄果類蔬菜的青枯病、黃萎病增多[63]。而廖詠梅等[64]發現抑病作用與土壤pH值大小的關系不很明顯。馬鈴薯瘡痂病與pH值有較明顯的關系，通過調節pH值，可以控制該病害的發生[65]。在酸性缺鈣土壤上，大白菜發生心腐病、番茄臍腐病，黃瓜霜霉病等。同時，由于土壤結構被破壞，土壤板結，理化性質變壞，使蔬菜抵御旱澇能力減弱，也易使其發生各種病害。

3.3 對園藝植物產品品質的影響

土壤酸化較嚴重時，土壤活性鋁、錳等元素因活化而在土壤中含量增加，可降低蔬菜根系細胞分裂及呼吸作用，甚至引起植株中毒等，使設施蔬菜產品品質降低。土壤酸化時較多的氫離子也對蔬菜吸收其它陽離子產生一定的拮抗作用[63]，影響蔬菜品質。

4 設施土壤酸化的防治措施

設施土壤酸化影響土壤養分的平衡，使蔬菜生長受到抑制，產量、品質降低，影響收益；嚴重時，還可引起各種病害，威脅到設施蔬菜的生產與發展，應引起重視并加以調控。

4.1 合理施肥

根據設施土壤特性和設施栽培作物的需肥特點合理施用肥料，預防土壤酸化。

4.1.1 合理施用大量元素肥料，增施中微量元素肥料

設施種植因產量高和復種指數高，施肥量遠遠高于露地。在用肥方面存在不合理的現象，即氮肥施用過量，而磷鉀不足，中微量元素肥料更少。因此，根據設施用肥的特點，不同生長期應選用不同配比的肥料，生長期以氮磷肥為主，品質形成期以磷鉀肥為主，進行配方施肥。同時，適時增施中微量元素肥料。

4.1.2 施用腐熟的有機肥和生理堿性肥料

施用腐熟的有機肥科有效增加土壤有機質含量，改善土壤質地，提高土壤緩沖性能[58]，防止土壤板結。合理施用生理堿性肥料和中性肥料，如尿素、鈣鎂磷肥等；不宜過量施用硫酸銨、氯化銨、普鈣等酸性肥料。

4.1.3 施用生物肥料

生物肥料含有大量的有益微生物菌群，對土壤理化性質及生物群落有良好作用，同時使用微生物肥料可減少化肥用量，有利于無公害蔬菜的生產，避免土壤酸化發生。

4.2 施用土壤酸性調理劑或改良劑

土壤調理劑能調節土壤酸堿度、緩解土壤板結、改善土壤環境[66]。施用氰氨化鈣可調節土壤酸性。氰氨化鈣(CaCN2)俗名石灰氮或碳氮化鈣[67]，可作為土壤酸性調理劑和土壤消毒劑使用，日本將氰氨化鈣作為土壤消毒劑使用已有多年歷史[68]。因為石灰氮施入土壤中后水解出Ca(OH)2，具有中和土壤酸性的作用，而中間產物氰氨和雙氰氨具有殺蟲、滅菌、供氮的作用。金震宇等[69]應用花生殼、碳化稻殼等改良劑設施土壤，有效緩解了設施土壤酸化。

4.3 合理輪作與灌溉

輪作是避免土傳病害發生的良好農業措施，采取不同園藝植物輪作可有效避免土壤惡化。冬季溫室作物大量施肥，到夏季揭膜后大量降雨使得土壤中的養分可能隨雨水向土下流失，對土壤造成惡化，Shi W M et al[70]建議在揭膜前盡量通過種植作物將土壤中的養分盡量吸收，不僅可以提高經濟效益，也可有效提高土壤的可持續性。同樣，設施蔬菜生產過程中大量的灌水使得土壤中的堿性離子可能隨水向土下流失，也易造成土壤酸化，在施肥方式避免大水漫灌，而應逐步采用滴灌、噴灌等方式，提高水肥一體化水平，提高肥料利用率。所以采用合理的輪作措施和灌溉方式，也能有效防止土壤酸化。

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谷端銀 (1979- ),女, 農藝師,博士,研究方向為設施蔬菜與無土栽培。

山東省現代農業產業技術體系項目（SDAIT-05-09）、國家現代農業產業技術體系項目（CARS-25）資助。