我國南方紅壤酸化問題及改良修復技術研究進展

魯艷紅，廖育林，聶 軍，周 興，謝 堅，楊曾平，吳浩杰

（1. 湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125；2. 農業(yè)部湖南耕地保育科學觀測實驗站，湖南 長沙 410125；3. 湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南 長沙 410128；4. 中南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125）

土壤酸化是土壤質量退化的重要形式，土壤酸化導致土壤養(yǎng)分不斷流失、土壤理化性質惡化、鋁離子和重金屬離子活度提高，土壤微生物活性降低，造成作物減產，甚至對作物產生毒害作用。土壤酸化本是一個自然過程，其速度非常緩慢，但是現代社會工業(yè)化飛速發(fā)展和化肥大量施用等人類活動大大加速了土壤酸化過程。近年來農田土壤酸化問題日益突出，對我國糧食安全和生態(tài)環(huán)境已造成嚴重威脅。因此，有關土壤酸化治理技術及其機制研究已成為土壤學、農學和環(huán)境科學長期關注的熱點問題。

20 世紀80年代以來，我國土壤pH 值普遍呈現下降趨勢，而南方紅壤區(qū)的酸化問題尤為突出。紅壤廣泛分布在南方中亞熱帶地區(qū)，該地區(qū)水熱資源豐富，土壤風化淋溶作用強烈，土壤呈酸性和強酸性反應；同時該地區(qū)農業(yè)集約化種植程度高、化肥施用量大，且與我國酸雨分布區(qū)重疊，土壤酸化問題已成為制約區(qū)域農業(yè)持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的重要障礙因子。查明我國南方紅壤酸化的現狀和危害、酸化加速的主要原因，可為選用科學合理的技術改良修復酸化農田紅壤提供依據，從而為紅壤酸化控制和酸化紅壤的改良修復工作提供參考。

1 南方紅壤酸化現狀及土壤酸化的危害

紅壤是我國面積最廣的土壤類型，主要分布在我國長江以南的熱帶和亞熱帶地區(qū)，總面積約為2.04 億hm2，占全國總面積的22.7%。根據第二次全國土壤普查資料，我國南方紅壤地區(qū)土壤呈弱酸性，pH 值大多在6.0～6.5 之間，其中，福建、湖南和浙江省pH 值在4.5 到5.5 之間的強酸性土壤分別占全省土壤總面積的49.4%、38.0%和16.9%，pH 值在5.5 到6.5 之間的酸性土壤分別占37.5%、40.0%和56.4%。近年來，由于化肥大量施用和酸沉降等原因，南方紅壤區(qū)農田土壤酸化呈現進一步加劇的趨勢，酸化面積也在進一步擴大[1]。陳先富等[2]研究發(fā)現江西省興國縣1981～2001年的20年間，95.4%面積土壤發(fā)生酸化，大部分地區(qū)土壤pH 值降幅在1.0個單位以上。南方紅壤酸化速率大，酸化范圍廣，酸化程度高，不僅糧田土壤存在酸化現象，果園和菜園的土壤酸化問題也很突出。

土壤酸化導致農作物產量和質量降低，對生態(tài)環(huán)境產生負面影響，是土壤退化的重要表現。土壤酸化導致鈣、鎂、鉀等營養(yǎng)性鹽基離子大量淋失，減弱土壤對鹽基陽離子的吸持能力，增強土壤對磷、鉬的固定作用，從而降低磷、鉬的有效性，導致土壤肥力退化；增加土壤中鋁、錳和氫等毒性元素的活性，導致鋁、錳和氫對植物的毒害增加；增加重金屬的溶解度，減少土壤對重金屬離子的吸附量，從而增強了土壤重金屬的活性和植物有效性；土壤酸化還會減少土壤微生物的數量，抑制其生長和活動，影響土壤有機質的分解和土壤碳、氮、磷和硫的循環(huán)，從而對土壤肥力培育和農作物生長造成不利影響。

2 紅壤酸化加速的主要原因

土壤酸度主要取決于土壤中酸性物質和堿性物質的化學平衡[3]。土壤具有較強的酸堿緩沖能力，自然狀態(tài)下的土壤酸化非常緩慢，但是近年來農田紅壤酸化呈加速趨勢，主要是由于農業(yè)集約化發(fā)展中化肥的大量施用等農業(yè)措施，工業(yè)化飛速發(fā)展導致酸沉降的增加也對土壤酸化加速起到重要作用。

2.1 農業(yè)措施導致農田紅壤酸化加速

一些農業(yè)措施是導致農田紅壤酸化加速的重要原因，施肥是一個重要方面。中國從20 世紀80年代以來農業(yè)集約化快速發(fā)展，化肥大量投入施用，尤其是氮肥用量的急劇增加，是造成土壤酸化趨勢加劇的重要原因?；瘜W氮肥的施用量和施用年限對土壤pH值變化有重要影響，隨著氮肥用量的增加和施用年限的延長，土壤酸化程度明顯加深[4]。氮肥施用導致土壤酸化主要與土壤的硝化作用有關，不同品種氮肥引起土壤酸化程度不同，對土壤酸化作用最強的是NH4H2PO4，其次是（NH4）2HPO4，較弱的是尿素和硝酸銨[5]。施化學氮肥加速土壤酸化，導致土壤氫、鋁離子大量增加，土壤中的鈣、鎂、鉀、鈉淋失嚴重，營養(yǎng)元素的有效性大大降低，土壤pH 值降低，土壤酸緩沖容量和緩沖性能減弱[6]。

長期施用過磷酸鈣也會導致土壤酸化。過磷酸鈣是生理酸性肥料，施入后易溶于水，離解和，使肥料顆粒周圍的磷酸濃度遠高于原來的土壤，同時由于過磷酸鈣肥料游離酸的溶解，產生的H+也導致肥料顆粒周圍土壤溶液pH 值急劇下降。

農業(yè)措施導致農田紅壤酸化加速的因素還包括農業(yè)耕墾活動。通過作物收獲，作物從土壤中吸收鹽基陽離子，每年有超過20 t/hm2干物質生物量被收獲，導致大量的鹽基陽離子從土壤中移除，造成土壤中陰陽離子的失衡，土壤氫離子濃度增加，土壤呈現酸化趨勢[7]。連年重茬種植、高產品種大面積應用和農業(yè)生產技術的提高也加劇了土壤鉀、鈣、鎂等鹽基陽離子的移走和過度消耗，使土壤酸化進一步加速。

種植某些作物也會導致土壤酸化。如種植茶樹導致土壤嚴重酸化，主要原因與茶園施肥管理有關，如施用銨態(tài)氮肥；另一個原因是由于茶樹的聚鋁性，茶樹根系從土壤深層吸收大量活性鋁輸送到葉片，鋁隨落葉歸還到土壤，導致鋁在表土的大量富集加速土壤酸化。種植豆科作物也會導致土壤酸化，豆科作物通過固氮作用，增加土壤有機氮水平，有機氮發(fā)生礦化和硝化作用加快土壤酸化速度。

2.2 酸沉降加速農田紅壤酸化

土壤酸化加速另一個不可忽略的影響因素是酸沉降（大氣沉降和酸雨）。近年來酸沉降引起土壤酸化加速的問題受到廣泛關注。隨著國民經濟和工業(yè)化的飛速發(fā)展，我國成為繼歐洲和北美之后世界上第三大酸雨區(qū)，并且具有不斷蔓延和加重的趨勢[8]。酸沉降導致土壤酸化面積廣，致酸因子復雜，對土壤和生態(tài)環(huán)境造成嚴重危害[9]。酸雨加速了土壤中鹽基離子的淋失，導致鋁和重金屬元素活化及土壤pH 值下降[10]。我國長江以南是酸雨重災區(qū)，該地區(qū)主要分布的土壤為紅壤，對酸雨的敏感性較高[11]，根據對全國不同區(qū)域土壤酸雨脆弱性和敏感性分析發(fā)現，廣東、廣西、貴州、四川和云南南部為對酸雨最脆弱地區(qū)，浙江、江西、湖南、福建及云南中部為酸雨最敏感地區(qū)[12]，因此，這些地區(qū)廣泛分布的紅壤受酸雨的影響也最為嚴重。

3 土壤酸化的改良修復技術及原理

3.1 酸性土壤的無機改良技術及原理

目前，廣泛用于酸性土壤的無機改良劑主要包括生石灰、熟石灰、石灰石粉、白云石粉、石膏、磷礦粉、磷石膏和粉煤灰等，其中應用最廣泛、研究最多的是石灰類改良劑。徐仁扣[5]將酸性土壤常用無機改良劑分為化肥類改良劑、礦物類改良劑、工業(yè)副產品類改良劑和無機復合型改良劑四大類。

化肥類改良劑主要包括各種無機肥料，如鈣鎂磷肥及中微量元素硅、鈣肥等。鈣鎂磷肥對酸性土壤具有改良作用，是一種弱堿性肥料。其不僅含有磷，而且含有鈣、鎂等紅壤較缺乏的元素，施用鈣鎂磷肥供給作物營養(yǎng)同時可以降低土壤酸性，易被農民接受。在酸性旱作土壤[13]和淹水土壤[14]上施用硅肥均能顯著提高土壤pH 值。施用石灰、石膏、爐渣等鈣肥可提高土壤pH 值，還可調節(jié)土壤對鈣、鎂等中微量元素的供應[15]。

礦物類改良劑主要包括各種石灰石、磷礦粉等，尤其是石灰類物質，在酸性土壤改良上有廣泛應用。施石灰是改良酸性土壤最有效的措施之一。石灰是堿性物質，可中和土壤活性酸和潛性酸。大量研究表明，施用石灰可以提高土壤pH 值和交換性Ca2+含量，降低土壤交換性H+、Al3+含量，提高土壤養(yǎng)分有效性，降低鋁和重金屬元素對作物的毒害[16]。常用的石灰類改良劑包括生石灰（CaO）、熟石灰（Ca(OH)2）、石灰石、方解石粉（CaCO3）和白云石粉（CaMg(CO3)2）等。除了施用石灰改良酸性土壤外，磷礦粉也可作為磷肥和酸性土壤改良劑用于酸性土壤上，磷礦粉只需將天然磷礦石直接磨成粉狀，其改良酸性土壤主要是因為所含的氧化鈣和硅，不但能中和土壤酸度，還可直接增加土壤中的鈣含量，提高Ca/Al 比，降低鋁毒[17]。磷礦粉可在酸性土壤上直接施用，也可與農家肥堆漚后施用。

近年來，一些工業(yè)副產品也被應用到酸化土壤改良中，如堿渣、磷石膏、硫石膏、粉煤灰和鋼渣等，這些改良劑對酸性土壤改良起到一定的作用。堿渣富含鈣、鎂、鉀、硅、鋅、銅、鉬等營養(yǎng)元素，可直接施用于改良酸性土壤，也可作為生產其他復合型酸性改良劑的原料。磷石膏是磷酸生產過程中的固體廢渣，主要成分是硫酸鈣，能中和酸性土壤酸度，增加土壤中磷、鉀、硫等速效養(yǎng)分。粉煤灰是煤炭燃燒產生的無定形鐵鋁與硅酸鹽礦物的混合物，是燃煤廠的工業(yè)副產品，施入土壤后通過與氫離子形成硅酸來中和土壤酸度。這些工業(yè)副產品在改良酸性土壤上具有較好的效果，但大多含有一定量的重金屬元素，在應用過程中應考慮其潛在的環(huán)境風險。

無機復合型酸性土壤改良劑一般是將不同無機礦物、無機礦物和化肥、營養(yǎng)元素等混合制備而成，利用不同物料成分和性質上的互補性，在改良酸性土壤和提高土壤養(yǎng)分上具有良好的效果和應用前景。

3.2 酸化土壤的有機改良技術及原理

利用農作物秸稈等農業(yè)有機廢棄物也是改良酸性紅壤的重要措施。秸稈還田可阻止紅壤酸化和促進作物持續(xù)增產。農作物秸稈中含有一定量的堿性物質，可中和土壤酸度，提高土壤pH 值。有機物料施入酸性紅壤后，釋放的堿性物質中和土壤酸度的同時，也降低土壤交換性鋁，提高土壤交換性鹽基陽離子含量。但不同作物秸稈的堿含量不同，豆科作物秸稈堿含量一般高于非豆科作物，非豆科作物中油菜和玉米秸稈堿含量較高，稻草和小麥秸稈堿含量較低[18]。施用有機物料降低土壤交換性鋁，還與施入有機物料后土壤腐殖質含量的增加有直接關系，特別是與胡敏酸的形成有關。胡敏酸分子量大，聚合度高，易與鋁絡合形成難溶性鹽類，從而降低鋁活性，增加土壤交換性鹽基陽離子。但也有研究表明秸稈還田提高了土壤酸堿緩沖性能，同時顯著降低了土壤pH 值，認為可能與秸稈本身的含氮量及陰陽離子組成有關[19]。因此，有機物料對土壤酸度的改良效果主要與其堿性物質含量和元素組成以及土壤自身的理化性質有關。

有機無機復合改良技術是將有機改良劑和無機改良劑配合施用，在酸性土壤改良應用中比單施有機改良劑或單施無機改良劑的改良效果更好。南方紅壤區(qū)稻草、油菜秸稈、花生秸稈和紫云英綠肥等資源豐富，可將這些有機物料粉碎后與石灰、堿渣等物質配合施用應用于酸性紅壤的改良。

3.3 酸化土壤的生物修復技術及原理

酸性土壤生物修復主要利用土壤動物、植物和微生物對酸化土壤的修復作用和植物根系分泌物緩解酸性土壤鋁毒對酸性土壤進行修復改良。

蚯蚓對酸性土壤修復有一定的作用，蚯蚓排泄物含有較高的交換性鈣、鎂、鉀，在某些環(huán)境下還含有碳酸鈣顆粒，蚯蚓排泄物排入土壤對土壤酸度降低有一定的效果；當土壤表施酸性土壤改良劑時，蚯蚓的活動還有利于改良劑由表層向下擴散，降低下層土壤的酸度[5]。一些耐酸微生物與水生植物的根共生，在根系周圍形成保護層，可降低氫和鋁對根系的毒害，微生物保護根系分泌氨分子，也可中和根際環(huán)境的酸度[20]。

高強度農業(yè)利用下氮肥施用是農田土壤酸化加速的重要原因，硝化作用形成的硝態(tài)氮遷移或淋溶導致表層質子增加，土壤酸化加??；當硝化作用形成的硝態(tài)氮被作物吸收利用，植物根系釋放氫氧根離子以保持植物體內電荷平衡，可中和土壤中的部分質子。因此，利用作物吸收硝態(tài)氮和根系釋放氫氧根可在一定程度上阻控和修復土壤酸化[21]。對已發(fā)生嚴重酸化的土壤，施用硝態(tài)氮肥配合種植西紅柿、玉米和小麥等喜硝植物，可以提高土壤pH 值，達到修復酸化土壤的目的。

3.4 生物質炭在酸性土壤改良修復中的應用

近年來生物質炭在酸性土壤修復中的應用成為酸化土壤修復改良的熱點研究問題。生物質炭是在厭氧或完全絕氧條件下將生物質進行加熱生成的含碳豐富的固體物質。生物質炭一般呈堿性并含有豐富的鹽基陽離子[22]，生物質炭中的碳酸鹽可以直接中和土壤酸度，有機陰離子與質子發(fā)生締合反應消耗質子，從而提高土壤pH 值，還可提高土壤的鹽基飽和度和土壤酸堿緩沖容量，提高土壤對養(yǎng)分離子的吸持能力，改良酸性土壤。制備生物質炭的材料包括各種農業(yè)和工業(yè)有機廢棄物、畜禽糞便、城市固體垃圾、木屑等，但大部分來自農業(yè)廢棄物。不同溫度下制備的生物質炭對土壤酸度中和作用的機理有所不同，低溫下制備的生物質炭主要通過陰離子締合作用修復改良酸性土壤，高溫下制備的生物質炭主要通過碳酸鹽中和作用修復改良酸性土壤。

4 結 語

我國南方亞熱帶地區(qū)分布著廣大面積的紅壤，近年來由于酸沉降的增加和化肥大量施用等原因導致紅壤酸化呈加速態(tài)勢。紅壤農田酸化已成為區(qū)域農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素，同時也對糧食安全和生態(tài)環(huán)境安全造成嚴重威脅。施用改良劑改良修復酸化紅壤對緩解土壤酸化、中和土壤酸度、提高土壤肥力、促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和農業(yè)生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。

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