土壤酸化及酸性土壤改良技术研究进展 

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-03-24 09:52 热度：

　　摘　要：近年来，土壤酸化越来越严重，其作为土壤退化的重要指标之一，已严重影响着作物的生长。综述了自然与人为情况的两大酸化原因以及酸化对土壤质量、作物生长及微生物生命活动等的危害。最后从酸雨沉降的控制、土壤改良剂的使用、生物及农业措施等方面提出对酸性土壤的改良与修复方法。

　　关键词：土壤酸化;改良修复;改良剂

　　随着经济社会的高速发展，酸化、盐碱化、元素失衡、流失及污染等土壤退化问题日益突出，严重制约了土地生产力的发展。作为其重要指标之一，土壤酸化加速了土壤酸度的提高、造成大量营养元素有效性的下降，土壤供肥保肥的能力降低，严重影响作物的产量及品质 [1]。酸性土壤在我国表现出强度高、面积大、分布广等特性，就目前来看还是以分布在长江以南热带、亚热带两大地区为主。大部分酸性地区土壤 pH 值范围在 4.5~5.5 之间，属于强酸段，而酸化更为严重的地区 pH 值甚至小于 4.5[2]。而且酸化面积及酸化强度仍呈现上升趋势。为了提升耕地土壤地力，实现农业的可持续发展，必须采取有效措施对酸性土壤进行改良和恢复。

　　1　土壤酸化的原因与危害

　　1.1　土壤酸化的原因

　　1.1.1　自然酸化　自然环境下的酸化原因主要包括强烈的风化作用、酸性硫酸盐土、土壤母质中碱性阳离子的缺乏和自然降雨。土壤酸化本身是一个持续性的自然过程，受成土母岩的影响，在雨水淋溶冲刷作用下，使盐基钙离子等流失。我国南方地区降雨量大，降雨引起土壤中碱基化合物(主要为钙和镁)大量淋失，土壤交换性氢及铝含量大量增加，使土壤变酸。此外土壤中的由于微生物活动而分解有机质产生的有机酸和 CO2，植物根系吸收养分的同时分泌的酸性物质以及土壤微生物自身代谢活动产生的有机酸，均可导致土壤的自然酸化。

　　1.1.2　人为酸化　人为因素主要包括人类活动引起的酸沉降和不当的农业措施。现已成为加剧土壤酸化的最为主要的 2 个原因。

　　我国酸雨污染已覆盖国土面积的 40%，是继欧洲、北美之后，世界第三大酸雨沉降区 [3]。土壤在酸雨的长期作用下，不仅土壤 pH 值逐渐降低，而且还导致土壤阳离子如 Ca2+、Mg2+ 的流失，进而整个土壤的离子平衡都遭到破坏，对农田和自然生态系统也有较大危害，而且全国酸化面积还在不断扩大 [4]。

　　不当的农业措施主要包括人类在农业生产过程中过度的施用化肥、错误的施肥方式、作物的连作以及致酸作物的种植等，都在一定程度上加速了土壤的酸化。一些生理酸性肥料如氯化铵、硫酸铵在铵根离子氧化后被植物体吸收，导致交换性酸和交换性铝在土壤中含量增加，土壤酸度增强。赵其国 [5] 在江西红壤盆栽试验中证实了这一点，其实验结果表明，在施用硫酸铵、硫酸钾等肥料后，红壤 pH 值都有不同程度的降低。有资料显示施肥对土壤酸化的影响大于酸雨的影响 [6]。孟红旗等 [7] 长期田间试验表明，长期施氮肥的土壤酸化速率较空白对照提高了 4.6 倍。另外，在连作豆科植物时，土壤酸度的增强主要是由于植物根系在生长过程中会分泌的一些酸性物质，而且连作时间越长，酸化越严重。

　　1.2　土壤酸化的危害

　　1.2.1　对耕地土壤地力影响　土壤酸化使得氢离子浓度迅速增加，它与 Ca2+、Mg2+、K+ 等盐基性养分阳离子竞争交换位，从而致使这些离子大量淋失。刘春生等 [8] 通过对褐土进行模拟酸雨淋洗试验，结果表明 ： Mg2+、Ca2+、Na+ 及 K+ 的十年淋失总量与酸雨的氢离子浓度呈现极显著的相关关系。同时酸度增强后，土壤中某些重金属元素极其离子态离子的迁移速率也随之增大，对整个生态系统造成巨大的威胁 [9]。刘景 [10] 在湖南祁阳红壤试验站 18 a 的研究表明 ：不施肥和单施化肥处理的土壤中 Cr 含量及 Cr 活化率与土壤 pH 值呈现显著负相关关系，土壤酸化使土壤存在着严重的 Cr 污染风险。

　　1.2.2　对植物生长发育生理的危害　植物在生长发育过程中都需要一定量的微量元素如铁、铜、锰、铝、钼等，但如果其浓度大到一定程度后却会对植物产生毒害作用。而铝毒是对植物影响最明显的一种毒害，主要是对根系的抑制作用，当植物在生长过程中受到铝毒害时，其根尖及侧根部位会变得坚硬而且根长度较短，根生长受到明显抑制。除此之外，铝还能通过对膜脂流动性的破坏和影响脂类与膜蛋白相互作用来引起膜质过氧化的伤害。另外土壤酸化导致植物在表观上的影响有 ：作物生长缓慢、叶片发黄、作物产量下降，容易发生病害等方面。据报道，当土壤 pH 值小于 5.5 时，土壤中硝化细菌和亚硝化细菌的活跃度变小，进而影响作物对土壤中有效氮的利用率，对养分的吸收不足将造成产量的下降 [11]。此外，酸度的增强对磷的利用及其有效性也存在一定的影响，主要因为土壤表面可变负电荷的增加影响磷元素的吸附，进而影响磷的有效性。

　　1.2.3　对土壤微生物及植物病原菌生命活动的影响土壤中存在着大量的有益微生物，对作物的生长起着重要的作用。而大多数有益微生物都只适合生长在 pH 值为 6.5~7.5 的中性环境条件下。随着土壤 pH 值的降低，这些微生物的种类和活性都随之降低，进而影响植物在土壤中氮的固定和有机物质的矿化，养分的转化也受到严重的障碍，造成农作物产量的低下。王富国等 [12] 研究表明，在果园种植过程中，随着时间的延长，土壤酸化程度加重，土壤中微生物的生命活动受到严重抑制。李春越等 [13] 以英国洛桑研究所长期定位试验 pH 值梯度土壤为研究对象，研究不同 pH 值下，耕地土壤微生物碳磷比(C/P)及磷素有效性的差异。结果表明 pH 值与磷素回收率百分数具有很高的相关性，微生物 C/P 比随 pH 值的增加而增加，而土壤中全 N、全 P、C/N 和微生物量磷则随 pH 值的增加而减少。

　　而目前，关于土壤酸化与植物病原菌直接相关性的报道比较少。引起植物病害大多数为真菌病害，大棚土壤真菌种类约 20 个属，其中镰刀菌(Fusarium)、腐 霉 菌(Pythium)、 疫 霉 菌(Phytophthora)、 丝 核菌(Rhizoctonia)、葡萄孢霉(Botrytis cinerea)、叶点霉(Phyllosticta)、大茎点霉(Macrophoma)、轮枝霉(Diasporangium sp.)这 8 个属的大多数种是最为常见的土传病原微生物，而镰刀菌是其中的优势种，占真菌总数的 19.9%[14]。一般情况下，土壤微生物多样性高时，病原菌就很难滋生，而细菌 / 真菌的比值随着连作种植年限的延长而减小，土壤肥力由“细菌型” 演变成为“真菌型”[15]。其机理是由于一些微生物种群尤其是植物病原真菌在作物连作过程中在土壤里大量富集，导致植物病虫害发生严重，无法控制，对农作物生产造成严重的影响。陈宗泽等[16]也进一步证实，在大豆连作下，连作时间越长，土壤酸度越强，微生物区系也慢慢的由“细菌型”向“真菌型”转变，土壤中病原菌的数量增加，作物病害发生严重。

　　2　酸性土壤改良与修复

　　2.1　控制酸雨

　　酸雨是工业高速发展的副产物，现已成为土壤酸化的最为重要原因之一。要想控制好酸雨，降低土壤酸化速率，必须从源头上控制二氧化硫的排放以及进一步完善改进脱硫技术 。目前，美国、日本等国家相继研发出高效的控制酸雨的生物防治方法，其原理是利用氧化亚铁硫杆菌和氧化硫杆菌等微生物菌株的吸硫作用，可除去 70% 的无机硫，还可减少 60% 的粉尘。这是一种绿色无污染极具有发展前景的治理方法，也越来越受到世界各国的重视。

　　2.2　使用土壤改良剂

　　2.2.1　石灰改良剂　在农业生产中，施用石灰来改良土壤是最传统的措施，不仅可以中和土壤中氢离子浓度，改善土壤结构，还可以降低土壤中重金属对作物的毒害作用，提高作物的品质和产量。王敬华等 [17] 在江西红壤上的实验表明，施用 200 kg/667m2 石灰石粉，能有效降低土壤表层 2~3 个单位的酸度值，但是土壤底层 pH 值变化不明显。石灰中富含钙、镁等元素，施用后能迅速提高土壤中交换性 Ca 和 Mg 的含量。由于钙离子的强絮凝化作用以及土壤中一些无定形态的铝、铁形成的氢氧化物，能很好的减小土壤颗粒之间的作用力，改善土壤结构。另外，由于土壤中大量的交换性 Al 在石灰碱性环境下形成了羟基 Al 聚合物，降低了对植物的铝毒害作用。李青苗等 [18] 以生石灰处理川芎主产区酸性地块，结果表明生石灰可显著改善川芎生长发育状况，同时还能有效抑制川芎药材中镉的积累。

　　2.2.2　矿物和工业废弃物　除了传统施用石灰的方法外，一些矿物和工业废弃物如白云石、粉煤灰、磷石膏、磷矿粉、碱渣和工业废弃物等，均能起到改良酸性土壤的作用。施用白云石后的土壤中交换性铝、锰含量明显降低，并且随着白云石粉用量的增加，土壤有效磷和速效钾含量呈增加趋势。在烟草种植中，适量白云石粉能够促进烟株生长，但是过度使用，反而会抑制烟株生长 [19]。

　　粉煤灰具有密度小、孔隙大等特点，可以改善土壤结构，促进作物的新陈代谢。还因其含有 CaO、 MgO 等碱性物质，中和土壤氢离子浓度，提高作物的硝酸还原酶活性，使有机质的硝化作用增强，进而促进蛋白质合成，提高作物产量与品质。在肖厚军 [20] 盆栽实验中，磷石膏作为强酸性土壤改良剂能促进高粱生长，改善调节高粱体内氮、磷、钾、钙养分的平衡以及施磷石膏的土壤有效氮、磷、钾、钙较对照极显著增加，对获得高产优质非常重要，起到了强酸性土壤改良和培肥并举的双重作用。碱渣是制碱过程中产生的大量废弃物，溶水后得到碱性溶液，可以中和微酸性及酸性的土壤，以使土壤性质得到改善。魏岚等 [21] 通过盆栽种植辣椒试验发现，施用碱渣能降低土壤酸度，提高土壤有机质的含量，降低土壤中活性铝对辣椒的毒害，使辣椒的产量品质得到很好的提高。此外，污水处理厂产生的污泥、炼铝工厂产生的赤泥、工业燃煤烟气厂的脱硫副产物等均能用于酸性土壤的改良上。

　　2.2.3　微生物肥料　微生物肥料(microbial fertilizer)是一种特定的菌剂，里面含有较多的活性微生物，活性微生物的生命活动能够促进土壤中物质的转化，提高植物对养分的吸收，改善作物营养，起到调控作物生长以及防治作物病虫害，从而使作物达到增产的目的 [22]。目前，市面上主要有两大类的微生物菌肥，一种是微生物菌剂类，另一种是微生物肥料类。其中微生物菌剂类包括固氮菌、解磷菌、解钾菌、根瘤菌和光合细菌等单一菌剂以及两种或两种以上的菌种组成的复合菌剂等。微生物菌肥类产品包含生物有机肥和复合微生物菌肥两种 [23]。

　　涂永成 [24] 在干旱矿区复合微生物菌肥土壤改良实验结果中表明，添加复合微生物菌剂和有机堆肥均能很好的提高土壤含水率，降低土壤容重，增大土壤孔隙度，改善土壤酸碱性，维持合理的可溶性盐含量，并能较大程度的提高土壤中的速效养分含量和增加土壤中细菌、真菌和放线菌等有益微生物的种类和数量。

　　2.2.4　有机物料　除了土壤改良剂外，一些有机物料如 ：农作物的茎杆、家畜的粪肥、绿肥及草木灰等，也都被用于酸性土壤的改良中。这种有机物质中因其含有大量的营养成分，能够提高土壤的肥力，增加土壤微生物的种类及活性，改变其种群分布密度，降低土壤交换性铝的含量，起到降低对作物的毒害作用。

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　　毛佳等 [25] 通过实验比较三种植物秸秆紫云英、刺槐和豌豆对酸性土壤的改良效果，结果表明，这三种秸秆都可以提高土壤的 pH 值，增加土壤中交换性盐基阳离子含量以及减少交换性铝含量。与姜军等 [26] 的研究结果一致，同时后者还发现，水稻秸秆和大豆叶不仅能降低土壤的酸度和交换性铝的含量，而且还能减少活性铝的含量，降低铝毒作用。詹绍军等 [27] 采用土壤培养实验探讨了不同有机物料对土壤 pH 值和镉有效性的影响。结果表明，家畜的粪肥，如猪粪和鸡粪都能在一定程度上提高土壤的 pH 值，还能有效降低土壤 Cd 含量，而且二者均随粪肥用量增加而增加。而绿肥在改良土壤方面的作用跟植物秸秆类似，能有效降低土壤中交换酸和 Al3+ 含量，提高 CEC。同时绿肥还可以影响土壤酶活性和土壤养分因子，通过绿肥的施入，不仅能够增强土壤酶活性，而且能够提升土壤养分因子含量，进而影响土壤的综合肥力水平 [28]。草木灰本身就是一种碱性肥料，能中和土壤中的氢离子，在酸性土壤上施用，可以降低土壤酸度以及土壤中活性铁铝的含量，还可以促进磷元素的释放，以及为作物的生长发育和微生物的活动提供良好的环境条件 [29]。

　　2.2.5　生物质碳　生物炭类属于黑炭，其不仅可以中和土壤酸度，降低铝对作物的毒害作用。还因其含有丰富的营养元素，可以提高土壤中有效养分的含量，促进作物根部的吸收，增加土壤中有机碳的含量，提高作物的产量。张瑞清等 [30] 室内培养实验表明在两种生物质原料果木炭和稻壳炭不同浓度处理后，土壤 pH 值得到显著提高，交换性酸(氢、铝)降低的含量也均与对照差异显著。袁金华等 [31] 利用培养试验分析加入稻壳制备的生物质炭对酸性红壤和黄棕壤的改良效果，得出加入生物质炭后，两种不同性质的土壤的、阳离子交换量和盐基饱和度均较对照处理有不同程度增加，提高了土壤养分利用效率。Major 等 [32] 研究了生物炭长期施入对玉米产量的影响，结果表明第一年施入生物炭对玉米产量影响不显著，后三年的玉米产量均显著高于不施生物炭土壤，且随着生物炭用量的增加增产作用更加明显。

　　2.3　生物改良生物改良主要是利用土壤动物、植物和微生物对酸化土壤的修复作用和植物根系分泌物缓解酸性土壤铝毒，进而起到改良酸性土壤的作用。胡衡生等 [33] 实验表明，格拉姆柱花草能大幅度提高土壤有机质速效 N、P、K 含量，肥力增强，酸度降低，质地疏松，蓄水保水能力有所增加，对土壤有显著的改良作用。顾顺明 [34] 在芒果园中养殖蚯蚓过程中发现，土壤中有机物料被蚯蚓食用后，产生的粪便能有效降低土壤酸度，促进根系对养分的吸收。但由于这种动植物及微生物的生命活动能力有限，改良土壤过程比较缓慢，通常需要几年时间，因此，生物防治技术在实际农业生产中的应用受到一定的限制。

　　2.4　农业措施在实际农业生产中，改善不当的农业措施对酸性土壤的改良也起着重要作用。首先，我国是化肥施用大国，而氮肥的利用率低下是造成土壤酸化主要因素之一。减少氮肥的使用是降低土壤中氮素残留，防止土壤酸化的重要措施之一。还可以通过优化耕作模式，利用水旱轮作和间作套种等方式来缓解土壤酸化。其次，可以种植耐酸性作物，如土豆、红薯、青椒、甘蓝、茶叶、板栗和紫花苜蓿等，直接降低土壤酸化对植物造成的伤害。由于每一种酸性土壤改良技术都有优点和不足之处，因此只有将几种改良技术综合起来才能充分发挥出改良作用。

　　3　结　语

　　酸性及弱酸性土壤主要分布在我国长江以南地区，而目前酸沉降并没有得到很好有效的控制，对土壤酸化的加速作用还在持续。国内外对土壤酸化及其改良虽然已经开展了广泛的研究，也取得了一些重要进展，但是仍然存在一些问题与困难，在土壤酸化改良过程中一些关键技术的作用机理仍较为缺乏。目前，施用土壤改良剂是采用的最多的土壤改良方法，而长期施用势必会对土壤起一定的副作用。因此探明土壤酸化与改良技术的机理，研发出高效果、低成本且无毒害的酸性土壤改良剂是今后的一个重要研究方向。另外，对酸性土壤的改良是一个长期而漫长的过程，需要用发展的眼光看待，用综合的技术方案解决。值得关注的是对潜在酸化趋势土壤的酸化控制，研发新方法，采取新措施，减缓土壤酸化的进程，减轻土壤酸化对农业生产和生态环境的危害。将化学方法、生物学方法与农业措施相结合建立综合调控技术，可实现对土壤加速酸化的长效控制。——论文作者：邱　婷 1,2，张　屹 2 ，肖姬玲 2 ，魏　林 3 ，梁志怀 2

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文章名称：土壤酸化及酸性土壤改良技术研究进展 

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