袁珍贵，杨晶，郭莉莉，朱伟文，易镇邪，屠乃美
（湖南农业大学农学院，长沙410128）
摘要：酸化是土壤退化的一个重要方面。近年来，随着工业化的持续推进、人类活动的频繁干扰及其他各种因素的影响，土壤酸化问题日渐突出。综述了土壤酸化的现状、土壤酸化的机理和影响因素、土壤酸化对土壤质量的影响及酸化土壤的主要改良措施等方面的研究进展，分析了土壤酸化研究存在的问题，指出了相关研究方向。
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关键词 ：土壤酸化；土壤质量；改良措施
中图分类号：S156.99 文献标志码：B 论文编号：2014-0840
基金项目：国家自然科学基金资助项目“土壤酸化对双季稻氮素利用效率的影响机制研究”(31171494)；国家科技支撑计划项目“长江中游南部（湖南）双季稻持续丰产高效技术集成创新与示范”(2011BAD16B01)，“湖南双季稻大面积均衡增产技术集成研究与示范”(2012BAD04B10-01)，“湘南库塘与提引灌区水稻丰产节水节肥技术集成与示范”(2013BAD07B11-02)。
第一作者简介：袁珍贵，女，1989 年出生，湖南新化人，在读硕士，主要从事水稻栽培生理研究。通信地址：410128 湖南农业大学农学院，Tel：0731-84635331，E-mail：1059778801@qq.com。
通讯作者：易镇邪，男，1975 年出生，湖南冷水江人，副教授，博士，主要从事作物高产生理与资源高效利用研究。通信地址：410128 湖南农业大学农学院，Tel：0731-84635331，E-mail：yizhenxie@126.com。
收稿日期：2014-08-22，修回日期：2014-10-25。
0 引言
土壤是一种极其重要的自然非可再生资源，作为植物生长的媒介以及水、热和化合物的源，土壤可以生产出人类赖以生存的食物。除此之外，土壤亦可充当水分的过滤器、废弃物分解的生物介质。土壤在地球生态系统中占据不可替代的地位，维持着地球生态系统的平衡[1-2]。近年来，随着社会工业化进程加快，中国的耕地面积不断缩小，且土壤退化速度加快，已成为威胁粮食生产安全的一大重要因素[3]。
土壤退化表现为许多方面，包括土壤盐渍化、荒漠化、贫瘠化及土壤酸化等[4-5]。作为土壤退化的一个重要表现，土壤酸化引起了人们的高度关注，并围绕土壤酸化开展了大量研究，取得了一系列研究成果。这些成果涵盖了土壤酸化的成因和机理，土壤酸化对粮食生产的影响及其对生态环境的危害等。为此，笔者对近年来土壤酸化方面的研究进行了综述，旨在为以后的相关研究提供一定参考。
1 中国土壤酸化现状
土壤酸化是指在自然和人为因素的共同作用下土壤pH下降的现象。土壤自然酸化是一个非常缓慢的过程。然而，由于人类活动加剧，近年来中国土壤酸化的进程明显加快，酸化范围有所扩大。根据《中国土壤》和《土壤化学原理》中的分级标准，将pH<6.5的土壤划分为酸性土壤，将pH<5.0的定位为强酸性土壤[6-7]。
中国酸性土壤主要分布于热带、亚热带地区，涉及广东、广西、江西、湖南、云南、贵州、四川等14 个省区。依据赵其国[《8] 中国东部红壤地区土壤退化的时空变化、机理及调控》，此区域中大部分土壤pH 低于5.5，其中有相当一部分土壤pH 低于5.0，甚至低于4.5。这说明，此区域土壤酸化程度较深，强酸性土壤占据很大部分比例。近年来，科研工作者对不同地区的土壤酸化做了调查，结果一致表明：与第二次土壤普查结果相比，土壤pH 都有不同程度的下降[9-11]。边武英[10]于2008 年调查浙江省83 个县市区内标准农田土壤酸碱度的现状，结果显示标准农田土壤和水稻土的pH呈现两极分化的局面，其中酸性土壤的比例上升幅度大于碱性土壤，且与第二次土壤普查结果相比，土壤pH<5.5 的农田比例增加20.71%，pH<4.5 的农田比例则增加了1.7 个百分点。郭治兴等[11]于2002—2007 年间对广东省土壤pH的时空变化进行研究，发现整体来说广东省土壤变化表现为酸化，pH平均降低0.26 个单位，由5.7 降至5.44，其中以水稻土、红壤及赤红壤降幅最大。
2 土壤的致酸机理
土壤酸化受自然和人为因素的双重干扰，无论是两者中哪一种引起土壤酸化，其酸化都是始于土壤中H+的增加及盐基离子的减少[12]。土壤中H+增加，势必打破土壤本身的化学平衡。交换性H+能与土壤胶体上被吸附的盐基离子进行交换，交换之后H+吸附于土壤胶体上，使得土壤胶体上的H+不断增加，交换性盐基离子则被溶解于土壤中，随着雨水的冲刷大量流失。交换性H+吸附于土壤胶体上后能自发与土壤中的固相铝化合物反应，释放出Al3+，而Al3+通过水解又产生更多的H+，这样循环往复，土壤中的交换性酸大量增加，盐基离子大量减少，土壤的盐基饱和度愈来愈低，土壤酸碱缓冲体系遭到破坏，致使土壤pH不断下降，且下降速度增加[13-15]。
3 土壤酸化的影响因素
3.1 土壤的自然酸化
土壤的自然酸化是一个相当缓慢的过程，土壤自然酸化的因素主要有3 个方面：（1）通过矿质元素的生物循环，植物可影响土壤酸度。（2）植物通过根系分泌物影响土壤环境。有研究表明茶树根系能分泌大量有机酸和酚类物质，这些物质对铝的络合能力很强，活化固相铝而加速土壤酸化；此外，有机酸中羧基的解离会释放H+，直接加快土壤酸化进程[15]。（3）植物的选择性吸收致使土壤酸化。研究显示植物根系对氮的选择吸收能使土壤酸化进程加快[16]。
3.2 土壤酸化的人为驱动因素
3.2.1 酸沉降酸沉降是指酸性物质（天然和人为产生的）进入大气，通过迁移、扩散和化学转化，最终到达地面的过程。酸沉降有干湿沉降之分，湿沉降通常又称为酸雨[17]。酸沉降对土壤酸化有直接的贡献。一方面，酸性物质降到地面后直接为土壤提供H+，加速土壤酸化；另一方面，在土壤中，酸雨能抑制有机物分解、淋失盐基元素等使酸化趋势明显[18-19]。随着社会经济的高速发展，工业化程度加深，工业废气的肆意排放明显加剧了酸沉降，进而加快了土壤酸化的步伐。3.2.2 不当的农业措施加速土壤酸化在农业生产中，某些不当的农业措施是土壤加速酸化的重要原因。这些措施主要包括3 点：（1）长期施用化学氮肥是驱动土壤酸化的一个重要因素。蔡泽江等[20]在湖南祁阳典型红壤上进行不同施肥长期定位试验18 年，观测到随着化学氮肥的长期施用，土壤pH明显降低，且以单施氮肥降幅最明显，试验期间降幅达1.5个单位。（2）不当的灌溉方式影响土壤酸碱度。研究表明在农业生产中，大水漫灌的灌溉方式往往会加剧土壤的酸化[21]。相比于沟灌和渗灌，滴灌则更利于土壤酸化的抑制。这是因为滴灌方式下表层土壤硝酸盐和水溶性盐分积累较轻[22-23]。（3）不同种植类型及残茬管理对土壤酸化也有影响。张国见等[24]认为，在3 种不同的种植类型中，表层土壤(0~20 cm)pH 有显著差异，其中表现为种粮地最高，温室菜地最低，露天菜地处于两者之间。还有研究显示残茬会加速土壤酸化[25]。
4 土壤酸化对土壤质量的影响
土壤质量是指在生态系统范围内，土壤维持生物的生产能力、保护环境质量以及促进动植物健康的能力[26]。土壤酸化主要影响土壤肥力质量、健康质量、微生物学性状和酶活性等。
4.1 土壤酸化对土壤肥力质量的影响
土壤酸化能降低土壤的肥力质量，主要表现在酸化过程中，土壤中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等交换性盐基离子大量淋失，土壤盐基饱和度下降，其中有效态营养元素的含量急剧减少，从而导致土壤肥力下降[14]。在对P的有效性影响上，土壤pH充当着重要的角色。研究表明，pH处于5.5~7.5 之间时，土壤中有效磷的含量最高；随着pH 向两极分化，P 的固定逐渐加剧。对于酸性土而言，土壤中含有大量Al3+、Fe2+等，这些离子与磷酸根离子易结合形成难溶性磷酸盐，从而降低磷的有效性[27]。一般来说，土壤酸化会降低土壤全磷、全钙、全钾和缓效钾等含量，土壤为植物生长发育供应氮、磷、钾的能力下降。总体而言，土壤酸化降低了土壤肥力质量。
4.2 土壤酸化对土壤健康质量的影响
土壤健康质量是指土壤对人类和动植物健康的影响能力[28]。土壤酸化能在一定程度上对土壤健康质量造成负面影响。就目前研究成果来看，这些负面影响主要集中于土壤中活性铝的大量溶出和重金属元素的活化。土壤中所聚集的H+与固相铝进行交换，使得土壤中的Al3+大量增加。当土壤溶液中活性铝的浓度超过一定范围时，就会对植物根系造成明显毒害，表现为根系生长受抑制，即根短小，脆弱易断，且畸形卷曲。有研究表明，当土壤pH≤4.1 时，土壤溶液的游离态铝和总铝量会继续增加，铝毒害更加严重[29]。
除土壤中活性铝大量溶出外，土壤酸化对土壤健康质量的影响还体现在重金属元素的活化上。温明霞等[30]研究认为随着pH的降低，土壤中有效铁、铜、锰及锌的含量增加明显。而程旺大等[31]研究发现土壤中某些重金属会发生复合污染，如Pb 和As，Cr 和As，Cd和Cr、As或Ni 间表现为协同消长效应。
4.3 土壤酸化对土壤微生物和酶活性的影响
土壤微生物和酶活性是评价土壤质量的重要指标。土壤微生物在土壤中主要起着氮素转运的作用[32]。适宜微生物活动的pH 范围为6.0~8.0。当pH 降至6.0以下时，微生物活性会有所下降。王富国等[33]认为不同种植年限酸化果园土壤中土壤微生物生物量均表现为不同程度的降低，其中下降幅度最大的是土壤微生物量碳、磷，微生物量氮的下降幅度相对较小。土壤酸化亦会抑制微生物的生长繁殖，这种抑制作用在放线菌、细菌上较明显，对真菌影响相对不明显。
土壤中有各种酶，包括脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶及淀粉酶等。土壤酶在土壤物质营养的循环转化中扮演着重要角色。如脲酶是氮素转化的关键酶，过氧化氢酶能清除土壤中的过氧化氢，减轻对植物的危害[32]。土壤酸化能降低土壤酶活性，且pH越低对酶活性的抑制越强。朱锐等[34]通过模拟酸化对黑土酶活性的影响展开研究，结果表明随着pH的下降土壤中过氧化氢酶活性降低，土壤脲酶和淀粉酶活性也有相似的变化趋势，且当pH 降到一定程度后(pH<5.5)，脲酶和淀粉酶活性会明显降低。
5 酸化土壤的主要改良措施
5.1 化学改良
化学改良剂类型多样，如生石灰、轻质碳酸钙及钙镁磷肥等。在一定程度上，化学改良剂的施用能很好的改善土壤的酸化环境，提升土壤pH[34-37]。其中，作为一种传统有效的酸土改良剂，石灰更是受到人们的青睐。石灰不但能中和土壤酸度，改善土壤性质，且可以降低Al 和其他重金属的毒害[35]。郑福丽等[36]在酸化土壤化学改良剂的筛选研究中发现，多种化学改良剂对酸化土壤的改良有一定效果，其中以生石灰、轻烧粉及石灰氮与轻烧粉各半混合的改良效果最佳。方熊等[37]研究显示在丘陵林地上坡位集中施用土壤改良剂，能够通过自然扩散机制，使丘陵大面积酸化土壤得到修复，其中在石灰、污水污泥和石灰+污水污泥等3 种土壤酸化改良剂中，以污水污泥+石灰改善效果最明显。由于石灰的施用会加强复酸化程度，因此不能过量频繁施用，施用时可与其他碱性肥料配合施用。另外，果园表层土壤和闲地土壤酸化比较严重，应用化学改良剂能收到极佳效果，但对于酸化程度相对较低的农田土壤，则更适宜用生物改良等方法[36]。
5.2 生物改良
目前，除了应用化学改良剂来改善土壤外，生物改良是另一种最为常见的措施。许多研究表明通过生物措施改良酸土，亦能收到明显效果[38-40]。芒果园养殖蚯蚓的试验结果表明，与清耕土壤(CK)相比，在蚯蚓粪覆盖下，0~20 cm土层的土壤pH增加1.1 个单位，土壤中有效养分明显增多，土壤环境得以改善[38]。近年来，生物碳成为了研究热点。生物碳具备含有碱性物质和大量必需营养元素、能够有效地调控土壤中营养元素循环等优势，因而被认为是改良酸化土壤环境的理想材料[39]。吴志丹等[40]研究表明生物黑炭对茶园酸性土壤改善效果明显，随着施用量的增加，改善效果增大；从不同土层深度来看，生物黑炭对0~20 cm 土层土壤的改良效果较好。王震宇等[41]研究了花生生物碳对果园酸化土壤的改良效果，研究表明，经过44 天的培育，添加5% BC400（花生壳于400℃下慢速热解所制成的一种生物碳）后，土壤容重降低了8.2%，土壤pH 提高了1.33 个单位。以上研究说明生物炭可以改善北方果园酸化土壤的理化性质，且效果明显。
5.3 其他改良措施
不当的农业措施在土壤酸化中有着不可忽视的贡献，因此通过某些农业措施的改良来改良酸土是可行的。如减少化学氮肥的用量，采用测土配方平衡施肥；以滴灌等新型灌溉方式代替大水漫灌；改变传统耕作方式，推广少耕、免耕、间套作等，都能起到一定的改良作用。研究[42]显示果园套种牧草能显著提高低丘红壤的有机质含量，改善土壤结构，降低土壤酸度，土壤速效养分增加；同时增加土壤的蓄水能力，提高土壤的抗旱能力，有效改善了土壤的理化性状，增加了土壤的缓冲能力。
6 总结与展望
随着社会现代化程度加深，工业化进程的加快，以及人为活动的干扰大大加速了土壤酸化的进程，土壤酸化已成为全球性问题。关于土壤酸化，前人已开展了大量研究，也取得了许多有意义的研究成果。
在国内，土壤酸化研究主要集中于探讨土壤酸化的进程、致使土壤酸化进程加快的因素、酸化土壤的改良等方面。整体来看，尚存在以下问题：其一，土壤改良研究多集中在常规化学改良措施上，在某些新型改良剂，如生物碳等的研究上还有待深入；其二，在土壤酸化对植物生长发育的影响上，研究多集中茶园与果蔬等方面，有关土壤酸化影响水稻等粮食作物生长发育的大田研究鲜见报道；其三，土壤酸化对生态系统的影响研究主要集中于对陆地生态系统的影响上，对水生生态系统的影响尚不清楚；其四，土壤酸化对重金属的影响上，侧重于土壤酸化与重金属活化关系的研究，关于水稻等粮食作物如何响应土壤酸化引起的重金属活化的报道鲜见。
因此，在土壤酸化这一问题上，笔者认为首先应加强土壤酸化对水稻等主要粮食作物生长发育的影响的研究。其次，在酸化土壤的改良措施上，必须加强新型改良剂的研究。生物碳已初步展示了其在酸化土壤改良上的应用前景，但生物碳改善酸化土壤的机理尚不明确，还有待深入研究。第三，土壤酸化对水生生态系统的影响尚不清楚，应就此展开深入研究。最后，应加强土壤酸化与重金属活化、作物重金属吸收累积三者之间关系的研究，为保证动物和人体健康提供相关依据。
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