酸化對植煙土壤影響研究進展

孫敬國 李先豪 張鵬龍 孫光偉 何波 馮吉 李建平 陳振國

摘要?土壤退化已經成為限制土壤生產力的重要障礙因素，而酸化則是土壤退化的重要表現之一。綜述了土壤酸化的成因以及酸化對土壤地力、土壤養(yǎng)分有效性和土壤碳氮代謝的影響，以期為植煙土壤酸化改良研究提供理論依據。

關鍵詞酸化;植煙土壤;土壤地力;養(yǎng)分利用率;碳氮代謝

中圖分類號?S156.6文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）02-0020-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.006

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Progress on Effect of Acidizing on Tobacco Planting Soil

SUN Jing-guo1，LI Xian-hao2，ZHANG Peng-long2 et al?（1.Hubei Academy of Tobacco Science，Wuhan，Hubei 430030;2.Enshi Prefecture Company，Hubei Tobacco Company，Enshi，Hubei 445400）

Abstract?Soil degradation has become an important obstacle factor to limit soil productivity，and acidizing is one of the important manifestations of soil degradation.In this paper，the causes of soil acidizing and the effects of acidizing on soil fertility，soil nutrient availability and soil carbon and nitrogen metabolism were reviewed in order to provide theoretical basis for the study of soil acidizing and improvement of tobacco planting.

Key words?Acidizing;Tobacco planting soil;Soil fertility;Nutrient utilization;Carbon and nitrogen metabolism

土壤酸化是全球性的生態(tài)和農業(yè)問題， 2017年十九大報告指出：“強化土壤污染管控和修復，加強農業(yè)面源污染防治”，把“土壤”二字直接寫在黨的報告中。2019中央一號文件《中共中央國務院關于堅持農業(yè)農村優(yōu)先發(fā)展做好“三農”工作的若干意見》再次聚焦“三農”，這是21世紀以來第16個指導“三農”工作的文件，意見繼續(xù)強調發(fā)展生態(tài)循環(huán)農業(yè)，推進畜禽糞污、秸稈、農膜等農業(yè)廢棄物資源化利用，擴大輪作休耕制度試點。酸化是土壤退化的重要因素之一，也是關系土壤可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，明確酸化對土壤的影響，是防止和扭轉土壤酸化趨勢的重要保障，同時也是開展酸化治理的必要前提。

1?土壤酸化的成因

目前，植煙土壤酸化比較認同的成因是內源酸化因子和外源酸化因子共同作用的結果。其中，內源酸化因子主要由土壤類型和烤煙連作積累的化感自毒物質所導致;外源酸化因子主要是在種植過程中人類主觀活動所導致，包括種植制度的安排和施肥因素等。

內源酸化是作物在生產過程中不可避免的酸化現象。內源酸化因子中，土壤類型由于成土母質和土壤質地的差異，影響土壤有機質和土壤交換性陽離子的含量，加之雨水淋溶沖刷作用下，使鹽基離子等流失，從而決定土壤對酸緩沖能力大小和土壤酸化程度;化感物質在連作過程處于不斷積累趨勢，而這些物質主要是有機酸和酚類物質，這些物質具有較強的絡合能力及與陰離子競爭吸附點位的能力，而在其代謝過程中，會絡合或消耗堿基離子，因此造成土壤酸化。此外，土壤微生物活動分解有機質生成的有機酸和CO2以及土壤微生物的代謝活動產生的有機酸，均可導致土壤自然酸化[1]。

外源酸化主要通過人類活動所致，外源酸化加速了土壤酸化進程。當前，外源酸化因子主要包括種植制度和施肥措施。連作是種植制度表現之一，在連作過程中，由于作物吸收特性，必然造成土壤中某一種或某幾種營養(yǎng)元素的虧缺[2]，同時會導致土壤酸化。在施肥措施中，施肥不平衡，偏施氮肥，少施甚至不施有機肥，特別是銨態(tài)氮肥的投入是最主要的酸化來源。含氮化肥的過量施用，造成了留在土壤中的根離子在硝化微生物的作用下發(fā)生硝化反應產生氫離子，從而導致土壤的酸化[3]。同時，施用氮肥后，作物的產量和生物量均增加，導致更多的堿性物質隨作物的收獲從土壤上移走，進一步加速土壤的酸化過程[3]。

2?土壤酸化對土壤地力的影響

據近年的調查結果，植煙土壤占到最適宜烤煙生長pH 5.5～6.5的比例不足40%。武陵秦巴生態(tài)區(qū)屬亞熱帶地區(qū)，該片區(qū)土壤pH最適宜烤煙種植，土壤以黃棕壤、黃壤和紅壤等為主，土壤脫硅富鐵鋁化嚴重，鹽基離子淋失強烈，土壤自然酸化現象嚴重[4-5]，加之植煙區(qū)域由于生產條件的限制，處于長期連作狀態(tài)，同時重視化學肥料的施用，忽略有機肥的使用，進一步造成植煙區(qū)土壤的酸化加劇、土傳病害頻發(fā)。

普遍認為，大量鹽基離子的淋失、植物鋁離子和錳離子積累是酸性土壤中限制植物及作物生長和發(fā)育的主要因素。鋁毒害最具特征的癥狀是微摩爾濃度的Al3+就可以很快（數分鐘）地抑制作物根的伸長生長[6]。研究表明，在根際pH從7.5下降至4.5的條件下，不同生育時期煙草的根體積、干重、根系吸收面積都呈降低趨勢[7]。楊宇虹等[8]的研究結果佐證了上述觀點：根際pH在7.5～5.4，煙株根系生長良好;當根際土壤pH降低至5.4時，煙株根系重量有所減少，并與土壤pH之間表現出顯著的相關性。以上研究表明土壤pH對煙株生長有較為重要的影響，較低的土壤pH不利于煙株根系的正常生長發(fā)育，進而對煙株的生長產生不利影響，表現出抑制煙株生長的現象。

針對土壤pH低于烤煙最適宜生長范圍，采取的改土措施一般是施用生石灰、草木灰和白云石粉。魏國勝[9]對湖北煙區(qū)酸化土壤改良的研究表明在強酸性土壤中施用石灰后明顯促進了煙葉的生長。張東[10]通過對重慶植煙區(qū)酸化土壤的改良后同樣發(fā)現，單施或混施石灰、草木灰和白云石粉后顯著改善烤煙農藝性狀，煙株成熟期長勢較好，株高、有效葉數、各部位最大葉長、葉寬均顯著高于對照組煙株長勢;降低氣候病、花葉病、黑脛病等當地主要病害發(fā)生率;推測其原因可能是由于改良酸化土壤能改善土壤環(huán)境，提高土壤pH，使植煙土壤pH達到優(yōu)質煙葉生產要求;穩(wěn)定土壤微生物群落，細菌、真菌、放線菌數量顯著增加。

生物質炭是近幾年興起的一個酸性土壤改良研究熱點，由于其有高度穩(wěn)定的碳結構，使之在土壤中可以保留幾百年到上萬年，不僅可以長期提升土壤的有機質，而且可以緩解溫室效應[11]。

生物炭屬堿性，研究表明，生物炭可以提高土壤的pH[12]，其原因：一方面生物炭含有較多的鹽基離子，這些鹽基離子以碳酸鹽或者氧化物的形式而存在，碳酸鹽或者氧化物會與氫離子發(fā)生中和反應;另一方面，生物炭中含有一些含氧有機官能團，在土壤中會發(fā)生質子化作用[13]。生物炭有較多的孔隙，自身容重比土壤小，因此可以減小土壤的容重，而且較大的比表面積和較高的離子交換量增加土壤的持水量以及土壤的吸附能力。官恩娜[14]研究表明生物炭除了對土壤理化性狀（pH、土壤容重，持水量）的改良外，對煙草黑脛病菌也有一定的抑制作用。另有研究表明，施用生物炭可以提高土壤酶活性，但過多的生物炭輸入反而會減少土壤中微生物的數量[15]。

強還原土壤滅菌法是21 世紀初日本和荷蘭科學工作者受水旱輪作土壤具有更強抗病性這一現象的啟發(fā)而建議的一種強還原土壤消毒法（reductive soil disinfestation，RSD），又稱厭氧土壤消毒法（anaerobic soil disinfestation，ASD）或生物土壤消毒法（biological soil disinfestation，BSD）[16-17]。該方法的核心是通過大量施用易分解的有機物料，灌溉、覆膜阻止空氣擴散進入土壤，在短時間內創(chuàng)造強烈的土壤還原狀況，達到殺滅土傳病原菌的目的[18]。研究表明，嚴重酸化到pH為4.35的大棚蔬菜地土壤，經過強烈還原處理后，pH均大幅度提高，隨有機物料施用量的增加而升高，最高可達6.49[19]。同時，RSD處理時有些有機物料在分解過程中可以釋放一些對土傳病原菌有致死效果的生物活性物質[20-21]，在我國也已成功地用于防控香蕉枯萎病、花卉和蔬菜連作誘發(fā)的土傳病害，但在煙草上的引用還鮮見報道。

酸化土壤的改良過程由外源物質的添加引起pH的改變，可能涉及一系列的物理化學變化，因此要充分考慮土壤養(yǎng)分狀況的變化。以生石灰為例，可能引起土壤板結，以及土壤中磷、鉀等有效性的變化，可能對煙草生長產生一定的影響，因此要予以重視。另外草木灰和生物質炭可能增加土壤供鉀能力，因此也要予以正確的評價。而強還原土壤滅菌法在改變土壤氧化還原電位的同時，也會引起土壤pH的變化，是否可以發(fā)揮對土壤酸化和土傳病害的雙控及改良亟需進一步研究。

3?土壤酸化對土壤養(yǎng)分有效性的影響

正常作物生長對肥料種類及吸收量有一定的需求，土壤酸化必定導致一些元素的虧缺，從而導致作物的抗逆性及品質下降，而作物連作是土壤酸化的重要因子之一。

連作是導致土壤酸化的主要內源因子之一，酸化導致土壤速效養(yǎng)分含量的下降。于廣武等[22]在大豆連作研究中指出，隨著大豆連作年限增加，土壤中速效K、速效N、有效Zn和有效B含量降低，引起大豆的發(fā)育不良;連作也導致了土壤中植物所需中、微量元素得不到供應，致使作物出現缺素癥[23];有研究表明，花生連作1年后，堿解氮、速效鉀和速效磷含量顯著下降，連作3年后，鉀素下降了16.7%，磷素下降了61.3%，土壤連作在導致養(yǎng)分虧缺的同時，也引起土壤pH的變化[24];同時，隨連作年限增加，土壤出現明顯變酸的趨勢，并且變酸程度逐漸擴大[25-26]。

連作在導致土壤速效養(yǎng)分含量降低的同時，還引起作物對養(yǎng)分吸收率的下降。有研究表明，連作6季后，灰?guī)r黃壤上種植的煙株氮、磷、鉀吸收量分別比第l季降低了64.58%、72.57%、51.48%[27]。連作時間越長，土壤酸化越趨嚴重，土壤養(yǎng)分利用率越低。鄧陽春等[27]試驗結果顯示，土壤有效養(yǎng)分的大幅度增加總體上發(fā)生在烤煙大幅度減產之后，施入土壤的養(yǎng)分持續(xù)不變，但煙株生長受到抑制，養(yǎng)分吸收減少;施入土壤的養(yǎng)分量大于吸收量，但每次施肥又不能降低施肥量。

劉方等[28]研究結果表明，在優(yōu)質煙區(qū)的施肥條件下，烤煙長期連作后土壤有效養(yǎng)分出現不同程度的積累，其大小順序為P>S>K>Mg>Ca。

綜上所述，大量學者對土壤中磷、鉀的吸收利用進行了研究，并取得了很多成果，但關于土壤酸化與養(yǎng)分生物有效性的提高，研究資料相對較少。因此通過土壤酸化改良，促進土壤養(yǎng)分調控，改善根際微環(huán)境和有機質，從而促進土壤氮、磷、鉀生物有效性的提高迫在眉睫。

4?土壤酸化對土壤碳氮代謝的影響

土壤有機碳和全氮既是衡量土壤肥力水平的重要指標，也是土壤碳庫和氮庫的重要組成部分，同時也是土壤微生物活動所必需的能源，驅動著各種元素在土壤內部以及與外界系統(tǒng)進行生物地球化學循環(huán)。碳氮代謝則是協(xié)調土壤有機碳和全氮的重要生理過程，其協(xié)調程度不僅關系土壤地力的肥效，同時也直接影響到作物品質的優(yōu)劣。只有土壤中碳氮代謝平衡協(xié)調，才能促進土壤微生物的生長，增強微生物活性。

在種植過程中，由于種植制度及施肥措施的差異，導致土壤碳、氮循環(huán)的不平衡[29]，以及碳、氮投入增加導致土壤不足以緩沖土壤pH的下降，從而引起土壤酸化[30]。土壤碳氮比是影響土壤有機物礦化過程及生物固持過程的重要因素，是評價土壤質量水平的一個重要的指標[31]。同時，碳氮比也是衡量土壤碳、氮營養(yǎng)平衡狀況的指標，更能全面地闡述土壤碳氮變化的特點[32]。在一定范圍內（<25∶1），土壤碳氮比的增加可以促進土壤微生物的活動，而當碳氮比>25時則限制微生物的活性，因此，研究改善土壤C/N對于土壤培肥及土壤地力的提高具有重要的意義[33]。

有機碳含量高時，全氮含量也高，從而使C/N趨于穩(wěn)定，并且C/N值穩(wěn)定程度對于土壤性狀和作物生長具有重要的意義[34]。王伯仁等[35]對紅壤長期不同施肥下（CK、N、NP、NPK、NPKM等）土壤碳氮比的研究發(fā)現，相同層次土壤碳氮比無顯著的差異性。齊雁冰等[36]研究發(fā)現，秸稈還田、增施有機肥或減少無機氮肥，可以保證土壤的碳氮平衡，對減少氮的流失和保護環(huán)境具有積極的意義。長期不同施肥處理對土壤原狀土碳氮比的影響是一個緩慢的過程，但對土壤不同組分的碳氮比有較大的影響。閆德智等[37]研究發(fā)現，單施化肥使土壤輕組有機質及顆粒有機質的碳氮比顯著下降，而增施秸稈后土壤活性組分的碳氮比沒有下降，這主要是由于施肥處理對土壤氮組分的影響比碳組分更大，從而使土壤活性組分的碳氮比下降[38]，Wander等[39]認為碳氮比的下降主要是因為土壤有機質中活性組分碳的損失引起的。蘆思佳等[40]對黑土不同施肥下的碳氮比研究發(fā)現，CK處理的碳氮比最高，NPKM處理的碳氮比最低，并且不同組分的碳氮比從大到小依次為輕組、原狀土、重組;活性組分的碳氮比易受施肥和環(huán)境的影響，而耐分解（重組）組分的碳氮比相對的穩(wěn)定，因此，探究改善土壤碳氮比的變化特性對于維持土壤氮庫的穩(wěn)定及指導土壤地力的提升都具有重要的意義。

5?小結

綜上所述，明確土壤酸化成因、酸化對植煙土壤地力、養(yǎng)分有效性和土壤碳氮代謝的影響，有助于借鑒目前已有的成熟的酸化改良技術，進行田間研究并優(yōu)化相關參數、研發(fā)化學和生物學的酸化改良技術，對提升植煙土壤地力、實現煙田土壤持續(xù)健康發(fā)展具有重要的意義。

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