基于滴灌水肥管理的農田土壤酸化調控機理研究

仇振杰，孫夢瑩

(1. 湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000；2. 城市地下基礎設施結構安全與防災湖南省工程研究中心，湖南 益陽 413000)

隨著集約化農業生產的發展，農田土壤酸化趨勢日益嚴重，對農業生產和生態環境產生了極大危害[1-3].20 世紀80 年代至21 世紀初，我國農田土壤的pH 值平均下降了0.5 個單位，顯著高于歐美長期施肥定位試驗測定的土壤酸化速率[4-5].與此同時，全國農田土壤酸化面積已達2.04×108hm2，占全國土壤總面積的22.7%[6]；主要分布在長江以南的熱帶、亞熱帶紅黃壤地區以及北方設施菜地、果園和部分旱地農田；大部分農田酸化土壤pH 介于5～5.5，嚴重酸化地區pH小于4.5[6].土壤酸化增加了土壤中H+、Al3+的含量，加劇了營養性堿基離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)的淋失從而降低了土壤肥力[7]；活化了錳、鎘、銅、鉛等重金屬離子，惡化了土壤結構[8-9]；降低了土壤微生物、酶活性和養分的有效性，進而抑制了作物的生長[10-11]，由此并發一系列環境問題，已成為制約我國農田可持續發展的主要瓶頸和影響糧食安全的主要障礙因素.因此，采取合理有效的措施防治或減輕土壤酸化，有利于環境和農業的可持續發展.本文綜述了近20 年來基于滴灌水肥管理措施的土壤酸化與調控的主要研究進展，以期為土壤酸化防治、利用和管理提供參考.

1 農田土壤酸化成因

土壤酸化是指土壤吸收性復合體接受了一定數量交換性氫離子或鋁離子，使土壤中堿性的鹽基離子淋失的過程[6].作為農田土壤退化的重要表現，土壤酸化一直都是學術界的關注熱點.自然界的土壤酸化是一個持續、緩慢的過程，主要是指氣候濕潤區降水量較大所引起的土壤中的鹽基離子大量淋失及H+和Al3+增加的過程[1,7].隨著科學技術的進步，近代工業和農業得到高速發展，人類活動對土壤酸化進程的影響日益凸顯.大量研究表明：相較于自然因素(降雨)，人為因素加速了農田土壤的酸化進程，加劇了酸化程度，其中主要包括化學肥料的過量施用、不合理的灌溉、酸沉降和種植致酸作物等[1,12].通過對酸雨區鼎湖山自然保護區土壤長期監測發現，土壤pH下降了0.3～0.5 個單位，土壤交換性鈣離子含量較20 世紀50 年代下降了40%[6].盡管如此，與農業措施(過量施用化肥和不合理灌溉)相比，酸沉降對土壤的致酸強度僅占總酸性物質輸入致酸的7%～25%[13].在小麥、玉米和水稻的糧田中，70%的土壤酸化是因為過量施氮造成的；在果蔬田中，過量施氮對土壤酸化的貢獻已達到了90%[2]，而導致過量施氮的直接原因是氮肥利用率低下.典型紅壤區不同施肥長期定位試驗結果表明：土壤pH 隨化學氮肥施用時長而顯著降低，且以單施氮肥處理的土壤pH 降幅最高，達1.5 個單位[14]；而不施氮肥的和僅施磷和鉀肥的土壤pH 僅下降了0.1 和0.4 個單位[7].Han 等[8]通過盆栽試驗定量化研究施氮量對農田土壤酸化的影響，結果指出，在山東設施土壤中施氮量介于600～1 200 kg/hm2會使土壤中H+增加12.1～58.2 kmol/hm2，土壤pH 下降0.45～1.06 個單位.氮肥主要通過硝化和淋溶作用加速土壤酸化[7]，其硝化反應方程式為NH+4+2O2=NO-3+H2O+2H+.從該式可知1 mol NH+4氧化成NO-3產生了2 mol H+，如果硝化產物NO-3完全被作物吸收，那么作物會釋放出1 mol OH-，中和1/2 的H+，還有1/2 的H+貢獻于土壤酸化；如果硝化產物NO-3通過淋溶損失，那么2 mol H+將全部貢獻于土壤酸化[7].因此，提高氮肥的利用率有助于減緩土壤酸化.

農業生產過程中不合理的灌溉加速了土壤堿基離子的遷移和淋失，從而增加了致酸離子在土壤表層的累積，進而加劇了土壤酸化進程[15-16].針對中國土壤退化的影響因素研究表明，不合理的大水漫灌措施導致黃、淮海平原次生鹽漬化嚴重，中南地區紅壤貧瘠、酸化[17].長期溝灌條件下設施土壤酸化和鹽漬化試驗結果也表明，0～60 cm土壤剖面pH 變化幅度介于5.78～6.80，表層土壤與底層土壤pH 差異顯著[12]，這是因為農業生產中大水漫灌、溝灌等灌溉方式導致鹽基離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)大量淋失出耕作層，降低了土壤酸中和容量(acid neutralizing capacity，ANC)，進而加劇了土壤酸化[8,15].因此，在集約化農業生產過程中，采用合理的灌溉方法和水肥管理措施，以及提高氮肥利用率和減少氮肥施用量對防治或減輕土壤酸化具有重要意義.

2 滴灌水肥管理對土壤酸化調控機理

滴灌是一種利用低壓系統(塑料管道)輸水，在根系邊際滴水灌溉作物的技術，具有節水、節肥、省能、省工和便于實現水肥一體化的優點，已在世界范圍內得到了廣泛發展；滴灌能將養分和水分直接運送到作物根部進行局部灌溉，能減少作物棵間蒸發和土壤水深層滲漏，進而減少灌水量，提高水分利用效率；此外，養分隨水施入，在作物根區聚集，有利于作物吸收養分，減少作物能量消耗，進而減少施肥量，提高肥料利用效率，減少氮素淋失[18-19].滴灌技術在精量灌溉和水肥調控方面的優勢，使其在降低土壤酸化程度、減緩酸化進程方面具有可行性.長達13 a 的不同灌溉方式對設施土壤酸化特征影響的定位試驗研究表明，土壤活性酸度和交換性酸以及土壤交換性Al3+均以滴灌處理含量最低，而土壤鹽基飽和度和pH 均以滴灌處理最高，滴灌更有利于抑制土壤酸化[20].此外，研究還表明土壤pH 下降速率和量級與施氮量正相關，而氮磷肥料的合理配施有利于減輕土壤酸化程度[15,21-22].滴灌對土壤水氮遷移轉化的影響是其影響土壤理化性質和酸堿度的基本途徑，而滴灌技術參數(滴頭流量、灌溉頻率、灌水量、滴灌帶埋深等)和水肥管理措施(施肥量、施肥方式等)又是影響滴灌條件下土壤水分分布和氮素遷移轉化的重要因素.

2.1 滴灌技術參數對土壤酸化的影響

2.1.1 滴頭流量

在眾多滴灌技術參數中，滴頭流量是影響土壤水氮分布最為重要的因素之一[23-24].學者們針對不同土壤類型、不同滴頭流量條件下水分養分遷移轉化展開了廣泛的研究.劉春卿等[25]通過土箱試驗研究了滴灌流量對含鹽土水鹽運移及再分布的影響，研究結果表明，大滴頭流量促進了土壤水分水平運移，而低流量滴灌促進了水分垂直運移，有利于鹽分向深層土壤累積.相似的研究結果在重壤土、中壤土和砂壤土試驗中也得到了驗證[23]，其結果還表明，滴頭流量對水平運移的影響比對垂直運移的影響大.李久生等[26]通過土箱試驗研究了滴灌施氮條件下，不同滴頭流量對不同土壤中硝態氮運移的影響，結果指出，灌水施肥結束后，無論壤土還是砂土，硝態氮均在濕潤鋒附近發生累積，且在距滴頭17.5 cm 范圍內分布均勻，隨著滴頭流量的增加(由2 L/h 增至7.8 L/h)，距離滴頭17.5 cm 范圍內硝態氮平均濃度由56.6 mg/L 增至66.1 mg/L.水氮在土壤中的分布，導致了土壤pH 的空間變化.Haynes[27]采用2 L/h 和4 L/h 的灌水器，研究了滴灌施氮對土壤pH 的影響，結果指出，與滴頭流量4 L/h 處理土壤時酸化主要發生在以滴頭為中心、半徑30 cm 的土壤表層相比，滴頭流量2 L/h 處理土壤時其土層40 cm 深度出現了明顯酸化.在傳統的石灰治理土壤酸化過程中，亞表層(10～40 cm)發生酸化會難以治理[27]，因此，對易酸化土壤宜使用較大流量滴灌.

2.1.2 灌水量

相較于滴頭流量，灌水量對土壤水分分布影響易與重力作用重疊.文獻[26]研究表明，當滴頭流量為1 L/h 時，土壤中含水率變化為0 的等值線在水平和垂直方向達到的距離均隨灌水量的增加而增加，但垂直方向濕潤范圍的增加比水平方向明顯；在砂土環境中，含水率變化為0 的等值線在垂直方向達到的距離隨灌水量的增加而明顯增加，但水平方向變化不明顯.曹振璽等[28]對比了同一滴頭流量條件下，不同灌水量對土壤電導率EC 分布的影響，結果指出，隨著灌水量增加，表層土壤脫鹽率增大，垂直方向脫鹽深度增加.土壤鹽分的累積是導致土壤pH 下降的重要因素，范慶鋒等[12]研究發現長期滴灌條件下蔬菜大棚土壤pH 與全鹽含量呈極顯著負相關；尹志榮等[29]通過微咸水滴灌枸杞試驗，探明了灌水量越大土壤全鹽含量越高，表層鹽分累積越明顯，且土壤表層pH 最低；隨著灌水量增大，0～20 cm深度的土壤pH 越低.

2.1.3 滴灌帶埋深

與滴頭流量和灌水量不同，滴灌帶埋深直接影響了水分和養分在土壤中的運移和分布.Lamm 等[30]研究指出土壤水分和養分運移深度隨滴灌帶埋深的增加而增加；與此同時，滴灌帶以上土層水分傳輸減少.Balkcom[31]對比了地下滴灌施肥與肥料撒施-地下滴灌對土壤化學性質和棉花產量的影響，發現地下滴灌施氮處理時土壤表層pH 明顯較高，且土壤pH 隨土壤深度增加而減小.也有研究表明，滴灌帶埋深會加強其所處土層水分和養分的富集.如仇振杰[32]在進行再生水地下滴灌大田玉米試驗時發現，滴灌帶埋深30 cm 時，20～40 cm 深度土壤pH 顯著高于地表滴灌和滴灌帶埋深15 cm 時.此外，地下滴灌條件下局部灌溉的特點易強化點源入滲，水分和養分在滴灌帶附近土層富集，在灌溉和降雨作用下可能發生養分淋失.大田玉米地下滴灌研究表明NO-3-N 淋失量隨滴灌帶埋深增加而顯著增加[32]，這可能會導致土壤pH 下降，加速土壤酸化.

2.2 滴灌施肥對土壤酸化的影響

加州理工學院灌溉培訓研究中心研究指出，使用滴灌施肥可節省用肥25%，而在我國一些溫室滴灌施肥試驗中，滴灌用肥量可減少30%[26].肖艷等[33]研究了畦灌和滴灌2 種方式對土壤pH 和有效鐵、磷含量的影響，指出滴灌施肥條件下根圍濕潤區土壤pH 高于根外非濕潤區和畦灌區，且具有較高的有效磷含量.相似的結果在連續13 a 的保護地灌溉試驗中得到.李爽等[15]對比了溝灌、滲灌和滴灌對0～60 cm 土壤酸化特征的影響，研究指出，土壤活性酸度和交換性酸均以滴灌處理為最低，而土壤pH 與交換性酸呈極顯著負相關.李若楠等[34]研究了滴灌氮肥用量對土壤環境質量的影響，結果表明，相較其他施氮量處理，冬春茬黃瓜和秋冬茬番茄施氮量為300 和225 kg/hm2時，氮肥利用率顯著增加了9%～14%，土壤pH 增加了0.06～0.18.盡管如此，滴灌施肥對土壤酸化特征的影響還與肥料類型和施肥方式有關.Wortmann 等[35]研究指出，與尿素和無水氨相比，硫酸銨和磷酸二氫銨轉化成硝態氮過程產生的酸化需要更多的石灰進行中和.鄧蘭生等[36]通過盆栽試驗研究了滴施不同品種氮肥對赤紅壤酸化過程的影響，結果表明，硫酸銨、硝酸銨和尿素施入土壤后均會導致土壤pH 下降，且下降幅度為：硫酸銨＞硝酸銨＞尿素.此外，氮肥隨灌溉水運移的特性也在一定程度上影響土壤酸化特征.Haynes[27]研究了滴灌條件下不同氮肥遷移轉化特征對土壤pH 的影響，結果表明，尿素比硫酸銨更易轉化成硝態氮，且因為銨基鹽在滴頭處大量的累積，滴施硫酸銨造成的土壤酸化主要發生在0～20 cm 的土層；而尿素較強的流動性使得其造成的土壤酸化出現在40 cm 深度.與肥料類型相比，滴灌施肥方式通過肥料空間分布模式影響土壤酸化特征.李久生等[26]研究了4 種施肥滴灌方案下氮素的運移分布，結果指出，1/4W-1/2N-1/4W(先灌1/4 時間的水，接著灌1/2時間的肥液，最后灌1/4 時間的水)較其他方案硝態氮在10～20 cm 分布較多，在20～30 cm 分布較少，從減少硝態氮淋失的角度，此方案較優.侯振安等[37]通過同位素示蹤對比了不同滴灌施肥次序對氮肥利用率的影響，研究表明N-W(前期施氮，后期灌水)處理氮素在0～20 cm 分布最均勻，收獲后土壤殘留硝態氮也最小，氮肥利用率較高.

2.3 滴灌條件下水土環境變化對土壤酸化的影響

灌溉過程中，尤其在排水條件較差的土壤中，灌溉水會驅替土壤孔隙中的空氣，改變土壤孔隙中水分和氧氣的比例，從而改變土壤三相結構；也有研究表明滴頭附近的土壤會產生空穴，土壤強度(抗穿透性)增加以及通透性降低；此外，滴灌獨特的水肥分布模式也會改變土壤結構，這些均會促使土壤微生物活性和作物根系呼吸作用發生變化，進而影響土壤養分遷移轉化過程.Liu等[38]通過田間試驗研究了滴灌對鹽堿地種子發芽和作物生長的影響，結果表明滴灌能夠抑制根區土壤鹽分累積，促使種子發芽，且土壤剖面ECe和pH 隨土壤基質勢的增加而降低.王京偉等[39]對比了常規滴灌和覆膜滴灌對土壤微生物和酶活性的影響，分析指出，覆膜滴灌相較常規滴灌土壤脲酶活性提高了20.83%～30.61%，磷酸酶活性提高了76.92%～84.61%，與此同時鹽分聚集度和土壤pH 降低.與傳統灌溉相比，滴灌精量灌溉的特性使其在應用過程中能夠節省水肥，提高作物產量，但實際上滴灌增產效果可能并不顯著.這與滴灌滴頭附近長期處于濕潤狀態，導致作物根區缺氧，抑制根系吸收水分和養分，同時低氧環境下土壤中還原物質的大量積累造成土壤酸化有關.雷宏軍等[40]研究指出增氧滴灌可提高土壤中氧氣含量，避免因物質還原造成土壤酸化，從而促進作物的生長.滴灌條件下的灌溉水質也是影響土壤pH 的重要因素.Hassanli 等[41]通過對伊朗南部城市污水持續滴灌2 a 的土壤進行研究，結果表明，0～30 和30～60 cm 土壤pH 分別提高了0.8 和0.6 個單位.Wang 等[42]綜合分析了再生水灌溉對農業和景觀的影響，研究指出再生水的鹽度介于600～1 700 μs/cm，水質體現為堿性，灌溉土壤后土壤pH 較高.

3 總結與展望

常見的土壤酸化調控技術主要有施用化學改良劑和生物碳技術.作為傳統有效的酸化改良劑，石灰能迅速提高土壤pH 值，中和土壤中的潛在性酸，降低土壤溶液中交換性鋁含量，但長期施用石灰會加速土壤表層K+和Mg2+淋失，導致土壤板結和養分不平衡，停用后會存在更強的復酸化過程.此外，石灰在土壤中的移動性差，僅能中和15～20 cm 以上表層土壤的酸度，對20 cm 以下的表下層和底層土壤基本無效.因此，針對化學和生物改良劑對酸化土壤的影響還應建立長期田間試驗，考察改良劑的長期效果及可能的負面影響.生物碳中含有大量堿性物質和必需營養元素，能夠有效地調控土壤中養分循環，提高土壤pH.盡管如此，生物質炭在土壤中的轉化過程也會增加溫室氣體的排放，增大環境風險.此外，當前制作生物質炭的主要方法是將秸稈集中收集后，進行炭化處理，成本很高，難以推廣.而基于農業措施利用生態系統自身特點來降低土壤酸化程度和減緩酸化進程的方法與措施(滴灌水肥管理措施)在實踐應用中逐步顯現較大潛力和空間.但是，針對滴灌對土壤酸化的影響研究還不充分，建議可從以下2 個方面開展深入研究：

1)滴灌技術參數和水肥管理措施對農田土壤酸化的影響機制，尤其是技術參數與水肥管理交互作用對土壤酸化的影響規律；

2)基于滴灌對土壤結構的改變，研究其對農田土壤酸化特征和作物生長的影響規律.