酸性土壤可持續(xù)利用

沈仁芳　趙學(xué)強(qiáng)

摘要：酸性土壤主要分布于水熱資源豐富的熱帶和亞熱帶地區(qū)，植物生產(chǎn)潛力巨大。由于酸性土壤中存在酸害、鋁毒和養(yǎng)分缺乏等多種脅迫因子，酸性土壤的植物生產(chǎn)潛力難以充分發(fā)揮。全球酸性土壤約占陸地總面積的30%，約50%耕地和潛在可耕地屬于酸性土壤，中國(guó)酸性土壤約占國(guó)土總面積的22.7%。發(fā)揮酸性土壤的作物生產(chǎn)潛力，將為保障糧食安全做出巨大貢獻(xiàn)。酸性土壤不僅限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，而且對(duì)生物多樣性和生態(tài)環(huán)境造成了負(fù)面影響。酸性土壤可持續(xù)利用對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)均具有重要意義。酸性土壤的可持續(xù)利用可以通過(guò)土壤酸性改良和肥力并重提高、化肥和有機(jī)肥施用相結(jié)合、充分利用植物遺傳潛力、發(fā)揮酸性土壤生態(tài)功能等一系列對(duì)策加以實(shí)現(xiàn)。自然條件下的土壤酸化本身是一個(gè)緩慢過(guò)程，但是人類活動(dòng)如氮肥過(guò)量施用和大量酸沉降，極大地加速了土壤酸化。將來(lái)的研究應(yīng)從降低氮肥的施用量和酸沉降的排放量來(lái)減緩?fù)寥浪峄俾剩罢咧饕蕾囉诘世寐实奶岣?，后者主要依賴于工業(yè)化技術(shù)的提高和國(guó)家政策制度。

關(guān)鍵詞：土壤酸化;鋁毒;養(yǎng)分脅迫;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力;生態(tài)環(huán)境

The Sustainable Use of Acid Soils

Shen Renfang， Zhao Xueqiang

（State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture， Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210008， China）

Abstract： Acid soils are mainly distributed in the tropical and subtropical regions with abundant heat and?water resource and have a huge potential for agricultural production. However， some co-existing soil stresses such as soil acidity， aluminum toxicity， and nutrient deficiency greatly limit the agricultural production?potential in acid soils. In the world， acid soils cover approximately 30% of the global land and up to 50% of?cultivable and potentially arable land. In China， acid soils account for about 22.1% of the total land area. Improving the capability of plants to adapt to the stressful factors in acid soils can contribute to food security. Acid soils not only limit agricultural productivity but also have negative effects on ecological environments， the sustainable use of acid soils can play an important role in agricultural productivity and ecological?environments. We can realize the sustainable use of acid soils through increasing soil pH value and fertility， applying chemical fertilizers with organic fertilizers， using plant genetic potentiality， and developing soil?ecological functions. Natural soil acidification is a very slow process， but various anthropogenic activities， especially the overuse of nitrogen fertilizer and acid depositions， greatly accelerate soil acidification. Soil acidification can be decelerated through decreasing the application rate of nitrogen fertilizers and the?deposition of acids， and the former depends on the improvement of nitrogen fertilizer use efficiency while the latter depends on the improvement of industrial technology and national policies.

Keywords： Soil Acidification; Aluminum Toxicity; Nutrient Stress; Agricultural Productivity; Ecological Environment

0 ?引言

隨著人類活動(dòng)的加劇，本來(lái)非常緩慢的土壤酸化過(guò)程變得越來(lái)越快，近20年來(lái)土壤酸化程度遠(yuǎn)超過(guò)去幾百年來(lái)的土壤酸化。酸性土壤已成為一些地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的限制因子，在酸化嚴(yán)重的土壤上種植作物甚至絕收。土壤酸化也引起了生物多樣性的降低，生物群落結(jié)構(gòu)的改變。土壤pH值降低，土壤中重金屬活性升高，影響了農(nóng)產(chǎn)品的安全。植物利用酸性土壤養(yǎng)分能力低，土壤中聚集的養(yǎng)分更容易流失，存在潛在的面源污染風(fēng)險(xiǎn)。酸性土壤分布區(qū)域大都水熱資源豐富，植物生產(chǎn)潛力巨大，克服酸性土壤中的不利因子，不僅對(duì)于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，而且對(duì)于保護(hù)生態(tài)環(huán)境和改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)都有重要意義。以下內(nèi)容介紹了世界和中國(guó)酸性土壤概況，解析了酸性土壤與植物生產(chǎn)力、生態(tài)環(huán)境之間的緊密關(guān)系，提出了酸性土壤可持續(xù)利用的對(duì)策，并對(duì)將來(lái)的研究進(jìn)行了展望。

1 ?酸性土壤概況

1.1 酸性土壤面積與分布

在全球范圍內(nèi)，酸性土壤（<pH5.5）的面積約39.5億hm2，約占無(wú)冰蓋陸地總面積的30%[1]。全世界約25億hm2耕地和潛在可耕地屬于酸性土壤，約占耕地和潛在可耕地總面積的50%[1]。世界酸性土壤主要分布于熱帶、亞熱帶和部分溫帶地區(qū)，水熱資源豐富，氣候條件適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。中國(guó)酸性土壤主要分布于南方高溫多雨的紅壤地區(qū)，遍及14個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市），面積達(dá)218萬(wàn)km2，約占全國(guó)土地總面積的22.7%[2]。

1.2 酸性土壤的形成原因

酸性土壤的形成過(guò)程分為自然條件下和人為條件下的土壤酸化。在自然的高溫多雨條件下，土壤礦物質(zhì)高度風(fēng)化，強(qiáng)烈淋溶，土壤酸緩沖體系能力顯著下降，導(dǎo)致土壤中硅和鹽基離子大量淋失而鐵鋁氧化物富集，形成了酸瘠土壤。在自然條件下，土壤酸化是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，土壤pH值需要經(jīng)歷數(shù)十年甚至數(shù)百年才會(huì)出現(xiàn)明顯降低。隨著世界工業(yè)化的發(fā)展，各種人類活動(dòng)正在引起土壤酸化速率的加快。據(jù)統(tǒng)計(jì)，過(guò)去20年間，中國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)和草原生態(tài)系統(tǒng)土壤pH值分別下降了0.42、0.37和0.62個(gè)單位[3-5]。在各種人為因素中，氮肥的過(guò)量施用被認(rèn)為是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤酸化加速的主要誘因[3，6]。酸沉降，主要是氮硫沉降，被認(rèn)為森林和草原生態(tài)系統(tǒng)土壤酸化加速的主要原因[4-5]。另外，一些植物種類如豆科和茶科植物會(huì)引起土壤酸化，高強(qiáng)度種植模式下作物收獲帶走了大量鹽基，也會(huì)導(dǎo)致土壤酸化。值得一提的是，目前設(shè)施農(nóng)業(yè)中，高強(qiáng)度種植方式和大量化肥施用，不僅導(dǎo)致了土壤的酸化，也引起了土壤鹽漬化，值得高度重視。隨著土壤酸化的加劇，土壤酸化對(duì)作物生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的影響正引起人們的高度關(guān)注。

2 ?酸性土壤與植物生產(chǎn)力

2.1 酸性土壤限制植物生長(zhǎng)的因子

酸性土壤地區(qū)一般高溫多雨，氣候條件非常適合植物快速生長(zhǎng)。據(jù)估計(jì)，中國(guó)酸性土壤地區(qū)用占全國(guó)27%的耕地養(yǎng)活了全國(guó)43%的人口[7]。全球范圍內(nèi)，雖然酸性土壤面積很大，但是僅5.4%的酸性土壤被用作種植農(nóng)作物，種植農(nóng)作物的酸性土壤面積僅占世界農(nóng)作物總面積的12%，酸性土壤中蘊(yùn)藏著農(nóng)業(yè)發(fā)展的最大潛力[1]，這表明大面積的酸性土壤潛在可耕地未被開發(fā)和利用。酸性土壤區(qū)域植物巨大生產(chǎn)潛力未被挖掘的主要原因是因?yàn)樗嵝酝寥乐写嬖诙喾N限制植物生長(zhǎng)的因子。酸性土壤限制植物生長(zhǎng)的因子分為物質(zhì)過(guò)多和過(guò)少兩種，過(guò)多的物質(zhì)主要有酸、鋁、錳、鐵，過(guò)少的物質(zhì)有鈣、鎂、氮、磷[8]。其中，鋁毒被認(rèn)為酸性土壤限制植物生長(zhǎng)的最主要因子，幾個(gè)微摩爾級(jí)濃度的鋁就會(huì)對(duì)植物根系產(chǎn)生嚴(yán)重毒害[2]。鋁本身在對(duì)植物產(chǎn)生直接毒害的同時(shí)，也間接地影響了植物對(duì)多種養(yǎng)分的吸收，降低了植物養(yǎng)分吸收效率，酸性土壤上的植物需要同時(shí)克服這些共存脅迫因子才能良好生長(zhǎng)[8-9]。提高植物對(duì)這些共存脅迫因子的適應(yīng)能力可以發(fā)揮酸性土壤植物生產(chǎn)潛力。

2.2 植物適應(yīng)酸性土壤的機(jī)制

在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，植物為了適應(yīng)酸性土壤，已形成了各種各樣的耐酸性土壤機(jī)制。鑒于鋁毒是酸性土壤限制植物生長(zhǎng)的主要因子，在植物耐鋁機(jī)制方面的研究最多也最為深入[10]。不同植物種類或者同一植物的不同品種對(duì)鋁毒的響應(yīng)能力差異很大。植物的耐鋁機(jī)制分為內(nèi)部忍耐機(jī)制和外部排斥機(jī)制，內(nèi)部忍耐機(jī)制指鋁在植物體內(nèi)與有機(jī)酸或酚類物質(zhì)配體絡(luò)合，將鋁分室在液泡、表皮等部位，降低高濃度鋁的毒害，或者鋁誘導(dǎo)形成一些蛋白或改變相關(guān)酶的活性，來(lái)適應(yīng)鋁脅迫環(huán)境;外部排斥機(jī)制指鋁在細(xì)胞外進(jìn)行螯合，將鋁排除在細(xì)胞外，使其不能進(jìn)入植物細(xì)胞，主要包括有機(jī)酸或磷酸根的分泌、細(xì)胞壁對(duì)鋁的固定、根際pH值升高等[2]。目前，己有不少植物耐鋁基因被分離鑒定，這為酸性土壤耐鋁植物的遺傳改良提供了分子信息[11]。相對(duì)于鋁毒，關(guān)于植物抵抗酸性土壤其他脅迫因子的研究較少，也不深入。另外，目前對(duì)擬南芥和一些糧食作物如水稻的耐鋁分子生理機(jī)制研究較多，對(duì)于一些木本植物耐鋁機(jī)制認(rèn)識(shí)不夠，而木本植物卻具有非強(qiáng)的耐鋁能力[12]。

植物除了利用本身的遺傳潛力來(lái)抵抗酸性土壤，外部因子特別是土壤中的一些因子也會(huì)顯著影響植物適應(yīng)酸性土壤的能力。如上所述，酸性土壤中不僅存在鋁毒，而且存在多種其它共存脅迫因子，單一鋁毒限制因子的酸性土壤基本上是不存在的。在我們的研究中，發(fā)現(xiàn)這些限制因子之間存在有意思的相互作用[8-9，13]。例如，酸性土壤低pH值抑制了硝化作用，銨態(tài)氮經(jīng)常為酸性土壤的主要氮源，而銨態(tài)氮能夠緩解鋁對(duì)植物的毒害，同時(shí)耐鋁植物較為偏好銨態(tài)氮[14-15]，這為通過(guò)利用氮鋁相互作用機(jī)制來(lái)提高植物耐鋁能力和氮效率提供了理論支持。鋁毒和錳毒同為酸性土壤植物生長(zhǎng)限制因子，在水稻上的研究表明，鋁能減輕錳對(duì)水稻的毒害[16]。這些結(jié)果暗示著植物能夠通過(guò)充分利用其生長(zhǎng)環(huán)境中的各種限制因子之間的相互作用，來(lái)實(shí)現(xiàn)其適應(yīng)酸性土壤的目的。充分利用這些相互作用，可以幫助植物來(lái)協(xié)同適應(yīng)酸性土壤的多種脅迫因子[8]。

3 ?酸性土壤與生態(tài)環(huán)境

土壤的不斷酸化顯著改變酸性土壤上的生物群落結(jié)構(gòu)和功能，包括植物、動(dòng)物和微生物。雖然在酸性土壤環(huán)境中亞熱帶濕潤(rùn)森林系統(tǒng)擁有最大物種豐富度，但是亞熱帶濕潤(rùn)闊葉林系統(tǒng)對(duì)土壤酸化非常敏感[17]。長(zhǎng)期氮沉降導(dǎo)致的草原酸化顯著降低了草原植物物種豐富度[18-19]。一些森林生態(tài)系統(tǒng)植物絕亡和土壤退化與土壤嚴(yán)重酸化有關(guān)。對(duì)長(zhǎng)白山土壤不同梯度海拔下裸足肉蟲的群落分布特征發(fā)現(xiàn)，土壤pH值與裸足肉蟲的豐富度和多樣性呈極顯著的正相關(guān)，表明土壤pH值對(duì)土壤動(dòng)物有顯著影響[20]。連續(xù)5年使用氮肥后，內(nèi)蒙古典型草原土壤酸化降低了草原微生物碳氮和微生物活性，也改變了土壤碳代謝微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性[21]。土壤真菌一般對(duì)土壤酸化不太敏感，而土壤細(xì)菌對(duì)土壤酸化非常敏感[22]。不同的氨氧化微生物對(duì)土壤酸化響應(yīng)也不一樣，氨氧化細(xì)菌比氨氧化古菌對(duì)土壤酸化響應(yīng)更加敏感[23]。因此，土壤酸化對(duì)植物、動(dòng)物和微生物群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性有著重要影響。

土壤酸化除了對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性造成嚴(yán)重影響外，對(duì)周圍環(huán)境質(zhì)量也有重要影響。土壤中的金屬元素活性一般都很低，但是隨著土壤pH值降低，金屬元素的生物有效性顯著升高。如果這些金屬元素是植物必需營(yíng)養(yǎng)元素，那么可以促進(jìn)植物生長(zhǎng);但是如果是一些重金屬元素，則會(huì)對(duì)周邊水體和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)存在潛在威脅。特別對(duì)于一些廢棄礦山和礦井，土壤酸化不僅是土壤環(huán)境問(wèn)題，而且酸害和重金屬還會(huì)腐蝕金屬設(shè)備、破壞水體、毒害水生生物，甚至影響國(guó)家水上建設(shè)[24]。另外，鋁不僅對(duì)植物有毒，對(duì)所有生物都有毒害。土壤酸化也會(huì)引起土壤和水體中毒性鋁濃度升高，對(duì)水體環(huán)境和人類健康構(gòu)成潛在威脅。幸運(yùn)的是，大部分農(nóng)作物都僅在根系積累鋁，而地上部特別是種子中鋁含量很低[25]。因此，除根部外，大部分作物的可食部分是安全的，但是鋁對(duì)地下水、河流、湖泊的負(fù)面影響仍值得探討。目前，由于氮肥用量過(guò)多，一些設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤酸化嚴(yán)重，同時(shí)土壤氮磷含量很高[6]，在降雨較多的季節(jié)，這些土壤富集的氮磷如果流失到環(huán)境中，也會(huì)造成面源污染。土壤酸化對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響也不容小覷。

4 ?酸性土壤可持續(xù)利用對(duì)策

雖然酸性土壤大都分布于水熱資源豐富地區(qū)，但是由于酸性土壤的酸、瘠、毒等特點(diǎn)，酸性土壤的巨大生產(chǎn)潛力難以充分發(fā)揮。傳統(tǒng)的酸性土壤改良措施是施用石灰，這種改良方式雖然簡(jiǎn)單有效，但是由于存在不少缺點(diǎn)，如粉塵污染、深層改良不足、容易造成土壤板結(jié)、土壤容易返酸及基于經(jīng)濟(jì)利益考慮，農(nóng)民越來(lái)越不樂(lè)意施用石灰。近些年來(lái)一些新型的酸性土壤改良劑不斷出現(xiàn)，酸性土壤種植模式也越來(lái)越多樣化。綜合考慮，我們提出以下幾項(xiàng)酸性土壤可持續(xù)利用對(duì)策。

（1）改良土壤酸性和提高土壤肥力并重的對(duì)策。在改良酸性土壤過(guò)程中，對(duì)土壤酸性的改良較為重視，卻忽視了對(duì)土壤肥力的提高。如上所述，酸性土壤限制因子不僅僅是酸害和鋁毒，一系列養(yǎng)分如鈣、鎂、磷甚至一些微量元素都存在缺乏，如果僅僅改良土壤酸性，效果經(jīng)常并不明顯。因此，需要在提高土壤pH值的同時(shí)，也要補(bǔ)充土壤中缺乏的營(yíng)養(yǎng)元素。

（2）化肥和有機(jī)肥施用相結(jié)合的對(duì)策?；侍貏e是氮肥，如果大量施用會(huì)加速土壤酸化，長(zhǎng)期大量施用氮肥，一些酸性土壤已出現(xiàn)作物絕收的現(xiàn)象。有機(jī)肥大都含有一些堿性物質(zhì)，不但可以提高土壤pH值，還能提供養(yǎng)分，也可以改善土壤的物理結(jié)構(gòu)。但是有機(jī)肥肥效慢，化肥肥效快且針對(duì)性強(qiáng)，將二者進(jìn)行結(jié)合施用，可以發(fā)揮二者優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)缺點(diǎn)，達(dá)到增產(chǎn)、增效和優(yōu)質(zhì)目標(biāo)。

（3）利用植物本身的抗逆潛力，在酸性土壤種植耐酸抗鋁且養(yǎng)分利用效率高的植物。有些植物種類或品種，具有超強(qiáng)的適應(yīng)酸性土壤能力，有些植物甚至“喜歡”在酸性土壤上生長(zhǎng)，如茶樹。種植這些類型植物，可以不用改良酸性土壤，降低投入成本，還能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益。

（4）采用宜農(nóng)則農(nóng)、宜林則林的對(duì)策，充分發(fā)揮酸性土壤的自然生態(tài)功能。很大一部分酸性土壤分布于林地或山地，有些區(qū)域還是自然保護(hù)區(qū)或者風(fēng)景區(qū)，山水如畫，風(fēng)景優(yōu)美。對(duì)于這種類型的酸性土壤，需要根據(jù)區(qū)域內(nèi)的植物類型特點(diǎn)，有針對(duì)性地利用和改良，因?yàn)橛行┲参锲盟嵝酝寥?，如果不加判斷地提高土壤pH值，可能會(huì)起到反面效果。在這些地區(qū)，應(yīng)該種植一些耐酸性土壤的植物種類，充分發(fā)揮酸性土壤的生態(tài)功能，而不是提高其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。

5 ?展望

大量氮肥施用和酸沉降被認(rèn)為是導(dǎo)致土壤酸化加速的主要原因，但是世界人口還在不斷增加，人類對(duì)糧食的需求還將不斷升高，氮肥施用量在短期內(nèi)不會(huì)降低甚至還會(huì)上升，工業(yè)化產(chǎn)生的酸沉降會(huì)降低但不會(huì)完全消失。自然條件下的土壤酸化是一個(gè)緩慢過(guò)程，人類活動(dòng)正使得土壤酸化速率在不斷加快。不可避免的是將來(lái)土壤會(huì)變得越來(lái)越酸，如何減緩?fù)寥浪峄俾适且粋€(gè)全球性課題。雖然酸性土壤改良能夠在短期內(nèi)取得較好效果，但是使用大量的改良劑也不是長(zhǎng)久之計(jì)，也不能從根本上解決問(wèn)題，改良后的酸性土壤還會(huì)返酸。將來(lái)的研究應(yīng)該從根本上降低氮肥施用和酸沉降對(duì)土壤酸化的影響。對(duì)于酸沉降，隨著相關(guān)工業(yè)技術(shù)的提升，工業(yè)化排出的酸沉降會(huì)越來(lái)越少，目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)有效控制了酸沉降物質(zhì)的排放，長(zhǎng)期來(lái)看，酸沉降對(duì)土壤酸化的影響將越來(lái)越小。減少氮肥施用量，同時(shí)要保證高產(chǎn)，需要提高氮肥利用率，如何提高氮肥利用率目前仍是一個(gè)難題，氮肥利用率的提高必將減緩化肥引起的土壤酸化。因此，提高酸性土壤氮肥利用率是減緩?fù)寥肋M(jìn)一步酸化的一個(gè)重要技術(shù)途徑。

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