黑土酸化及改良研究進展

摘"" 要：黑土區是我國重要的糧食生產基地，是我國糧食安全的重要保障。近年來，黑土酸化的加劇嚴重限制了黑土區農業的可持續發展。低pH和鋁毒是酸化土壤抑制作物生長的主要不利因素，土壤微生物活性的改變亦影響營養元素的生物化學地球循環，同時，酸化土壤重金屬活化等問題也嚴重影響了酸化黑土區的農業生產。因此，尋求友好的酸化黑土改良措施尤為重要。綜述了黑土酸化的現狀和土壤酸化的成因、危害及改良等方面的研究進展，以期為酸化黑土阻控提供科學參考。

關 鍵 詞：黑土酸化； 酸化土壤改良； 酸沉降； 氮循環； 秸稈及其衍生物

氧化鈷; 納米結構; 電容器; 電催化

中圖分類號：O343.1;O341""" 文獻標志碼：A

doi：10.3969/ j.issn.16735862.2024.01.007

Research progress on acidification and improvement of black soil

CUI Song "LYU Yan "CHEN Lanfeng^1，2

TONG Deli1， BAO Sijia1， ZHANG Zhiming1， PAN Jing1， HE Haisheng2

（1. College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

（1. College of Life Science， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 2. Experimental Teaching Center， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：

Black earth region is an important grain production base and an important guarantee of grain security in our country. In recent years， the acidification of black soil has intensified， which has seriously limited the sustainable development of agriculture in black soil area. Low pH and aluminum toxicity are the main adverse factors for acidified soil to inhibit crop growth. The change of soil microbial activity also affects the biochemical earth cycle of nutrient elements， and the activation of heavy metals in acidified soil seriously affects agricultural production in acidified black soil areas. Therefore， it is particularly important to seek friendly improvement measures for acidified black soil. In this paper， the present situation of acidification of black soil and the research progress in the causes， harm and improvement of soil acidification are reviewed， which can provide scientific reference for the control of acidified black soil.

Key words：

black soil acidification; acidified soil improvement; acid deposition; nitrogen cycle; straw and its derivatives

黑土區是我國重要的糧食生產基地，約占全國耕地面積的20%，是我國糧食安全的重要保障。東北黑土區區域范圍界定于松花江、遼河流域中上游的松嫩平原和遼河平原，區域面積達1.09×106km2^［1］。自20世紀80年代到21世紀初，我國農田土壤普遍發生酸化^［2］，土壤pH降幅在0.13～0.80個單位之間^［3］；農田土壤總酸化速率從1980年的 3.3kep· ha^-1· yr^-1增加至2010年的7.9kep·ha^-1· yr^-1［4］。近年來，由于過度開墾和不合理的農業管理，黑土退化嚴重^［56］，酸化加劇^［78］。土壤酸化成為限制黑土區農業發展的瓶頸之一，酸化現象嚴重增加了黑土區農業發展的阻力，制約“藏糧于地、藏糧于技”國家戰略的實施。2023年，農業農村部辦公廳發布的《農業農村部辦公廳關于開展酸化耕地治理重點縣建設的通知》中提到，預期通過連續3年的酸化耕地治理，可以使土壤pH平均提高0.5個單位，使糧食產能提升10%以上^［9］。本文綜述了近年來黑土酸化及改良的研究進展，可為黑土酸化預測與控制和酸性土壤的改良、利用提供參考。

1 土壤酸化及其危害

土壤酸化是土壤退化的主要特征之一^［10］。在自然條件下，大多數土壤的形成過程是物質淋溶的過程，Ca²⁺，Mg²⁺，K+，Na+等鹽基離子較易淋失，其淋溶過程本質是酸化過程^［11］。土壤膠體上吸附的另一類陽離子H+和A1³⁺，亦會引發土壤酸化，故稱為致酸離子。

土壤的自然酸化主要是指由于降水引起的土壤鹽基離子的淋失、交換性H+和A1³⁺含量增加的現象^［12］，且土壤pH與交換性A1³⁺含量有緊密聯系^［13］。在正常情況下，鋁不會脅迫植物的生長^［14］。但在酸性土壤（pHlt;6.5）中，鋁毒被認為是限制植物生長的重要因素^［15］。根尖是植物對鋁最敏感的部位，當Al³⁺的濃度達到5μmol·L^-1時，就會破壞植物根尖的細胞質膜^［16］，鋁脅迫下植物根系伸長生長受到抑制，根系吸收和運輸功能及根系酶活性迅速下降^［17］，導致農作物減產甚至絕產。此外，土壤酸化還會使土壤中的金屬離子活化^［2］。通過模擬酸雨發現，當昆山地區土壤的pH從7.20下降到6.42時，Cd的活化率增加了0.34%～3.29%^［18］。土壤酸化導致土壤中重金屬活化，并使蔬菜中的重金屬含量增加^［1921］，由此增加了重金屬進入人體的風險。

土壤酸化還會影響土壤微生物的豐度與群落組成，土壤pH是影響土壤微生物活性的最重要土壤性質因子之一^［22］。微生物是土壤中最為活躍的生物因素，是元素生物化學地球循環的主要驅動力，并且與作物間有良好的響應關系。研究發現，當使用石灰對林下酸化土壤進行改良時，隨著土壤pH升高，土壤中微生物指數（真菌/細菌）顯著降低^［23］；同時，細菌的多樣性指數增加，并降低了植物的發病率^［24］。然而，也有報道表明，土壤pH與土壤微生物指數正相關^［25］，高土壤pH的微生物表現出較高的生物活性，這可能由土壤類型、氣候條件等差異引起。通過研究設施栽培對土壤化學性質及微生物區系的影響，發現大棚種植8y和20y的土壤pH與田間土壤pH相比顯著降低了13.17%和12.89%，且種植20y時，土壤細菌、放線菌數量和微生物總數急劇降低，細菌數量和微生物總數比8y時分別降低75.51%和75.83%，放線菌數量比4y時降低91.08%^［26］。模擬酸沉降結果表明，土壤酸化導致表層土壤（0～10cm）微生物生物量C∶P和N∶P顯著提高，表明土壤酸化可能加劇了微生物磷限制^［22］。另外，Wang等^［27］的研究結果表明，酸性土壤中土壤多功能性可能主要受稀有微生物控制，而土壤pH是驅動稀有細菌和真菌的群落結構及土壤多功能性的最主要土壤因子。

2 人為因素加速土壤酸化

2.1 酸沉降對土壤酸化的加速作用

酸沉降主要指化石燃料燃燒及汽車尾氣排放的SO2和N2O等硫和氮的化合物經過擴散、降水或重力作用等過程降落到地面的現象^［12］。酸沉降是全球面臨的主要環境問題之一^［28］，其主要以酸雨的方式到達地面，酸雨中H+的輸入加速了土壤酸化^［29］。研究發現，森林生態系統土壤酸化與大氣沉降的酸輸入呈顯著正相關，大氣沉降對總酸輸入的貢獻約為84%，是中國森林土壤酸化的主要驅動因素^［30］。對農田生態系統而言，酸雨沉降輸入土壤的酸性物質不到農田輸入總酸性物質的25%^［31］。

土壤中的 N，P，K 等元素的含量是土壤肥力的重要表現之一^［32］。劉俐等^［33］通過模擬酸雨淋溶實驗研究紅壤對酸雨的緩沖機制，發現淋溶量增大或強酸性酸雨（pH為2.5）的作用會導致礦物中鹽基離子釋放淋失，從而導致土壤肥力下降。通過室內土柱實驗模擬酸雨發現，當添加相同含量的生物質炭時，隨著淋洗液pH升高和淋出液Ca²⁺含量降低，被pH為3.5和5.6的酸雨淋洗液處理后的Ca²⁺淋出量分別為蒸餾水處理的1.15倍和1.09倍^［34］。

農田生態系統的土壤酸化由氮肥的不合理施用導致^［35］。酸沉降還與NH3有重要關聯^［36］，NH3可以中和酸雨中的酸性物質，但溶解后產生的NH+4會參加土壤中的硝化作用，產生H+使土壤酸化^［37］。我國是繼歐洲和北美之后的世界第三大酸雨區，20世紀90年代以后，我國重工業比例下降，能源由煤轉化為天然氣，隨后酸沉降轉而以氮（N）沉降為主^［38］，從1980年到1996年，我國的NH3排放總量從5.9Tg增加到11.1Tg^［39］，到2012年下降到9.7Tg，減排效果越發顯著^［40］。雖然近年來酸沉降問題得到了一定的緩解，但環境污染導致的酸雨問題仍對土壤酸化產生影響，仍需進一步研究。

2.2 不當農藝措施對土壤酸化的加速作用

作物生產中過量施用化學氮肥會直接加速土壤的酸化^［41］，這一過程主要由硝化作用驅動^［42］。硝化作用是土壤氮循環的重要過程之一，是指NH+4-N在微生物作用下轉化為NO-3-N的過程^［43］。Tian等^［35］通過對 106 項研究進行meta分析發現，氮肥的使用導致全球土壤pH平均降低了0.26個單位。1980到2010年間，我國耕地土壤pH降幅在0.13到0.80個單位之間^［3］，酸化速率從2.6kep·ha^-1 ·yr^-1加速到7.6kep· ha^-1· yr^-1，其中，氮輸入增加和氮利用效率的降低增強了硝酸鹽的排放，是我國農田加速酸化的主要原因^［4］。紅壤長期定位試驗發現，長期使用化學氮肥導致紅壤pH降低了1.11～1.56個單位，土壤中交換性鋁的含量則增加了53.4～65.7mmol·kg^-1［44］。由此可見，氮投入減少或氮素利用量大幅增加可以預防土壤酸化進一步加速。

Ca²⁺，Mg²⁺，K+，Na+等鹽基離子的投入和輸出不平衡也會造成土壤酸化^［45］。當作物秸稈移出土壤后，土壤中的鹽基離子也將被大量帶出土壤。然而，土壤中的鹽基離子卻沒有及時得到有效補充，為保持電荷平衡，鹽基離子會加速水解，使土壤中產生大量H+并吸附在土壤膠體上，使土壤逐步趨于酸化^［46］。Dong等^［47］對我國亞熱帶典型紅壤進行了不同施氮處理，發現植物對堿陽離子的吸收量是土壤淋失量的2.4 ～ 4.84倍，表明植物的吸收量可能是土壤交換性堿陽離子減少的主要原因，且亞熱帶典型紅壤的酸化速率為2.83 × 103mol·hm^-2·a^-1，其中由作物移除產生的H+占73%。綜上可知，秸稈還田具有潛在的阻控土壤酸化的能力。

3 酸化土壤的改良

3.1 石灰對酸化土壤的改良

石灰是傳統且有效的酸性土壤改良劑，石灰中的CaO等堿性物質可以與土壤中的酸性物質迅速反應，快速提高土壤pH，顯著改善在酸性土壤上植物的生長狀況^［48］。土壤pH隨石灰施入量的增加呈現快速上升再逐漸平緩的趨勢，但在不同類型的土壤上，石灰用量對土壤酸度改良效果存在差異。當不同用量的石灰作用于稻田土壤時，土壤pH會有不同程度的增加，石灰用量每增加100kg·hm^-2，土壤pH約增加0.01個單位^［49］。當1500kg·hm^-2的石灰作用于黃棕壤時，土壤pH會提高0.16個單位^［50］。當750～7500kg·hm^-2的石灰作用于稻田土壤時，土壤pH會提升0.89～2.42個單位^［51］。

石灰的施用還可以緩解鋁毒^［52］。當石灰施用量為1500 kg·hm^-2時，土壤中單核鋁含量降低了24.4％^［50］。當石灰添加量從0增加至4g·kg^-1時，土壤pH逐漸升高，但土壤pH提高的同時會促進氨氧化細菌的生長，從而加速土壤的硝化作用^［48］。

對酸化土壤施用石灰可以提高作物的產量，增產幅度為2%～255%，其中，糧食類作物的增產率為42%，經濟類作物的增產率為47%^［51］。Li等^［53］發現，通過施用石灰來提高土壤pH可以減少煙草細菌枯萎病的發生，且控制率可以達到31.09%；施用石灰還可以有效控制根結線蟲病和黑脛病，其中根結線蟲病的控制率可以達到50%，黑脛病的控制率可以達到41.75%^［54］。

施用石灰后，土壤中的微生物群落在屬水平上表現出豐富度顯著性差異。共有15種具有顯著性差異的物種，其中有8種細菌表現為處理組顯著低于對照組，7種真菌表現為處理組顯著低于對照組^［55］。對煙田土壤施用石灰后，從移栽前到團棵期，根際土壤中的細菌、真菌、放線菌數量分別減少了87.0%，89.8%和 87.3%^［54］。研究發現，當對芹菜菜地施用石灰氮后，芹菜根際土壤中的細菌、放線菌數量與對照根際土壤相比，分別增加了100%和65%^［56］。

由此可見，施用石灰可在改良土壤酸化的同時對植株病害起到一定的防控效果，但同時會對土壤中可培養微生物的豐富度產生影響。因此，在用石灰改良土壤酸化的同時，要注意其對土壤微生態環境的影響。

3.2 秸稈對酸化土壤的改良

秸稈中富含多種化學元素、礦質元素及大量的有機成分^［57］。據統計，我國有機肥資源每年可提供氮磷鉀養分7405.7×104t，其中農作物秸稈可提供2164×104 t，占比高達29.2% ^［58］。秸稈還田意義重大，可以保持土壤質量，維持土壤養分平衡^［59］。從 1980年到 2010年，我國秸稈還田總量從 583.92×104t 增加到 1770.66×104t^［60］。秸稈還田或植物殘茬返回的陽離子可以抵消植物吸收產生的H+，緩解土壤酸化^［61］。同時，秸稈中有機陰離子的脫羧作用可以提高土壤pH^［62］。研究表明，秸稈還田的不同處理均可提高土壤pH，其中，模擬秸稈淺旋還田、秸稈深混還田和秸稈富集深還可使土壤pH分別顯著提高0.22，0.14，0.12個單位^［7］。煙田土壤施用煙草秸稈生物有機肥可以顯著提高土壤中的鹽基離子飽和度。其中，當煙草秸稈生物有機肥施用量為1500kg·hm^-2時，鹽基離子飽和度提升效果最為顯著，高達36.88％^［63］。

秸稈還田可提高作物產量，秸稈還田配合施用控釋肥的各處理小麥產量高于秸稈還田配施化肥的處理，也高于秸稈不還田的控釋肥處理和化肥處理，增加幅度為1.61%-23.59%^［64］。除此之外，微生物可以作為反應秸稈還田對土壤酸化改良效果更為直觀的土壤活性指標^［63］。秸稈還田可以提高土壤中微生物的生物量，長期連續玉米秸稈還田使微生物生物量碳和微生物生物量氮的含量顯著提高了60.35% 和 32.47%^［65］。毛竹在施用5000kg·hm^-2玉米秸稈12個月后，土壤中的微生物生物量氮增加了17.4%^［66］。然而，秸稈直接還田對土壤的利弊仍存在許多爭議，如會爆發病蟲害^［67］和土壤酸化^［68］等問題，仍需對其繼續研究。

3.3 秸稈生物質炭對酸化土壤的改良

作為一種新型酸性土壤改良劑，生物質炭可用于改良酸化土壤^［69］、提高作物產量^［57］。生物質炭的性質容易受原材料及熱解溫度的影響，從而限制其在土壤改良中發揮作用的最大化^［70］。生物質炭還可以通過表面陰離子官能團質子化作用減緩酸化過程中土壤pH的降低，從而抑制土壤鋁的活化。不同溫度下熱解的生物質炭均可顯著提高土壤pH，與對照組相比，300℃，500℃和700℃下玉米秸稈炭分別將酸性土壤的pH提高了0.363，0.816和1.48個單位，且分別將酸性土壤的交換性Al³⁺含量顯著降低了55.6%，82.7%和98.0%^［71］。

探究不同產地油菜秸稈制備的生物質炭對紅壤酸度的影響的研究發現，不同產地油菜秸稈制備的生物質炭均可顯著提高土壤pH，在5%的添加量下，在生長在堿性土壤上的油菜秸稈制備的生物質炭處理下，紅壤pH提高了37.4%，在生長在酸性土壤上的油菜秸稈制備的生物質炭處理下，紅壤pH提高了22.4%^［72］。

將生物質炭施用于酸性土壤，土壤中活性有機質質量分數增加了25％^［73］。將生物質炭施用于土壤后，土壤將持續釋放Mg²⁺，且其釋放的Mg²⁺量高于Ca（OH）2處理的2倍以上，較高的Mg²⁺可通過調控植物對鋁離子的生理響應來緩解植物鋁毒害癥狀，因而生物質炭相較Ca（OH）2能更有效緩解酸化過程對植物根系的抑制作用。模擬12y酸輸入時，生物質炭處理土壤溶液鋁離子濃度較Ca（OH）2處理低33%，玉米根相對伸長率則較Ca（OH）2處理高18.6%^［17］。因此，生物質炭相較Ca（OH）2處理展現出了更為長效的酸性土壤改良潛力。

生物質炭的施用可以有效提升微生物活性和作物產量。在毛竹林中施用5000kg·hm^-2玉米秸稈生物質炭，12個月后土壤中微生物生物量氮增加了12.2%^［66］，且施用生物質炭顯著降低了土壤氨氧化細菌豐度，其在第3個月和第12個月降幅分別為 44.6% 和 39.0%。土壤中添加4%秸稈炭的黑麥草的生物量增加了68%^［73］。以廣東省地區紅壤為研究對象進行田間小區實驗發現，減氮與施用生物質炭均可提高土壤pH，與常規施氮處理相比，在減氮40%條件下，配施10～20t·hm^-2生物質炭的土壤pH顯著提高了0.48～0.65個單位，且生菜產量提高了9.5%～22.7%^［74］。

4 研究展望

土壤酸化過程受自然酸化、酸沉降和不當農藝措施等多重因素的影響。酸化和鋁毒是限制作物生長的主要因素，土壤酸化使得土壤中的鋁活化，植物根系生長受到抑制，最終導致農作物減產。酸化土壤中的重金屬離子活性增強并積累，增加了農產品受重金屬污染的風險；此外，土壤酸化影響微生物活性及群落結構，從而影響土壤的多功能性。目前，人們普遍通過選擇添加不同的外源物質來調節土壤酸度，雖然在此方面國內外已有許多重大進展，但仍有一些問題尚不明確，尤其是對不同母質類型土壤來說，改良劑對土壤酸度的改善作用仍需進一步闡釋。選取合理的改良措施對酸化黑土進行改良并實現對黑土酸化的長期阻控，將對我國農業發展具有重大意義。

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【責任編輯：王瑞丹】