茶園土壤酸化修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

徐火忠，吳林土，李貴松，洪海清，王允祥，潘瑛潔

松陽縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 松陽323400

茶樹原產(chǎn)于我國西南部，作為我國種植面積廣泛的重要經(jīng)濟(jì)作物之一，具有悠久的種植歷史和深厚的文化底蘊，通過各種途徑傳播至世界各地，受到人們的喜愛。茶樹分為喬木型、半喬木型和灌木型3種，適宜生長在土壤pH為4.0～6.5的溫暖濕潤環(huán)境中，但當(dāng)土壤酸化時（pH小于4），茶樹生長會受到抑制[1-2]。土壤酸化是指土壤性質(zhì)逐漸向酸性發(fā)展的過程。土壤通過各種途徑接受了游離態(tài)氫離子（H+）或鋁離子（Al3+），造成土壤內(nèi)部的鈣、鎂、鉀等鹽基離子大量淋失，最終促使土壤pH值降低，形成酸性土壤。

我國作為茶樹發(fā)源地，面臨的茶園土壤酸化問題較為嚴(yán)重。茶園土壤環(huán)境偏酸會影響茶樹、生物及微生物的生長代謝過程，改變土壤中養(yǎng)分的形態(tài)，降低土壤肥力狀況，增加溫室氣體排放，甚至使土壤中活性態(tài)重金屬含量增加，經(jīng)生物富集作用在作物器官內(nèi)積累使之中毒，會極大降低植物生產(chǎn)力與品質(zhì)，對人體產(chǎn)生危害，影響茶農(nóng)經(jīng)濟(jì)收益等。為了維持茶園良好的生態(tài)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展力，提高茶農(nóng)經(jīng)濟(jì)收益，保障人體健康，有必要對茶園土壤酸化問題進(jìn)行有效治理。由于我國幅員遼闊，茶樹種植的區(qū)域相對分散，不同地區(qū)的土壤理化性質(zhì)不一，出現(xiàn)了許多有效的酸化土壤改良措施，但未有文章系統(tǒng)地進(jìn)行梳理與歸納，因此，本文將近年來土壤酸化現(xiàn)狀、原因及修復(fù)技術(shù)進(jìn)行綜述，以期對茶園土壤酸化修復(fù)領(lǐng)域作出總結(jié)和展望。

1 茶園土壤酸化現(xiàn)狀及酸化原因

中國茶園土壤酸化的明顯趨勢始于1980年左右，包含浙江在內(nèi)的3省[3]，有近70%的茶園土壤pH值低于5.0。根據(jù)2020年相關(guān)研究顯示[4]，全國土壤pH值平均為4.68，各省土壤平均pH值范圍為3.96～5.48?？傮w來說，46.0%的土壤樣品的pH值小于4.5，這些土壤對茶樹的生長極為不利，只有43.9%的土壤pH值處于4.5～5.5范圍內(nèi)，這些土壤pH環(huán)境對茶樹生長較為理想。在過去20～30年中，茶園的土壤酸化程度最大，pH值下降幅度從0.47增加到了1.43，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水果和蔬菜土壤（0.40～1.08）以及谷物土壤（0.30～0.89）的pH值下降值變化。與森林土壤相比，施用化肥的茶園土壤酸化嚴(yán)重，而有機(jī)茶園土壤酸化不明顯[5]。茶園土壤酸化的主要原因有以下幾個方面。

1.1 茶樹生長

大部分茶園處于溫暖濕潤的山地丘陵地區(qū)，脫硅富鋁化過程在此氣候下極易發(fā)生，當(dāng)土壤中的Ca2+、Mg2+、Na+和K+等鹽基離子大量流失時，會引起土壤酸化。另外，茶樹生長過程會吸收土壤中的鹽基離子，循環(huán)代謝后向土壤中釋放游離態(tài)H+維持土壤電荷平衡，也會造成土壤pH值降低[6-8]。其次，每次采茶帶走茶葉的生物量會使土壤鹽基飽和度下降，H+、Al3+的濃度增加，引起土壤進(jìn)一步酸化[9]。除此之外，因茶樹是聚鋁性植物，其生長過程中會吸收大量的活性鋁，并釋放大量H+引起土壤酸化[10-12]。最后，茶樹自身分泌的酸類物質(zhì)會增加活性鋁的含量，也是導(dǎo)致茶園土壤酸化的一個重要原因[13]。

1.2 茶園施肥

相比茶樹自身物質(zhì)循環(huán)和產(chǎn)生酸類物質(zhì)導(dǎo)致土壤酸化程度來說，人為原因?qū)е碌耐寥浪峄瘑栴}更嚴(yán)重一些[14]。上世紀(jì)70年代后，為提高經(jīng)濟(jì)收益，茶農(nóng)會向茶園施大量氮肥，導(dǎo)致大量外源H+進(jìn)入土壤，加重土壤酸化。傳統(tǒng)的茶園施肥模式下，一般偏施銨態(tài)氮肥等含氮量較高的化肥，而NH4+與鹽基離子價態(tài)都為正態(tài)，彼此競爭吸附位點，此時土壤含水量過多則會造成鹽基離子的淋溶，加速土壤酸化。研究表明[15]，硫酸銨的酸化能力最強，其次是尿素。使用氮肥還會促進(jìn)氨氧化細(xì)菌生長，加快硝化礦化反應(yīng)速率，增加土壤NO3--N含量，加快土壤酸化。長期大量偏施化學(xué)氮肥、施肥不科學(xué)、肥料利用率低等是加劇茶園土壤酸化的最根本原因[16]。

1.3 成土因素與降水

土壤由母質(zhì)（地表巖石）經(jīng)外力作用破碎發(fā)育而來。不同的土壤受母質(zhì)、有機(jī)質(zhì)含量和礦物組成等因素影響，理化性質(zhì)不同，遇酸發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和受侵蝕程度也各不相同[17]。土壤性質(zhì)與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件息息相關(guān)，尤其受降水量因素影響。有研究顯示[18]，雨水豐富和灌溉區(qū)的土壤相對來說更易出現(xiàn)酸化問題。當(dāng)土壤上層發(fā)生水分流動時，會帶走堿性離子、發(fā)生酸堿中和等，使原本礦質(zhì)土壤中和酸的能力降低。另外，雨水沖刷淋溶會使土壤中的鹽基離子被H+或Al3+等酸性離子取代。淋溶過程常發(fā)生于降水量大的時期，降雨頻率越大，降雨量越多，土壤中的鹽基離子流失速率越快，酸化情況就越嚴(yán)重。

1.4 酸沉降

人類活動產(chǎn)生的工業(yè)廢氣、汽車尾氣等向大氣排放的硫化合物和氮氧化物在高空中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，合成硫酸或硝酸，這些酸性物質(zhì)能溶于云霧或雨水中，傳遞至地面，這種過程成為酸沉降[19]。酸雨會嚴(yán)重影響土壤酸堿性，大量H+會隨雨水一起滲入土壤中，與土壤膠體表面的鹽基離子進(jìn)行交換，導(dǎo)致鹽基離子淋失；另一方面，酸雨中的SO42-、NO3-等酸性陰離子會加速土壤酸化。羅敏等[20]的研究發(fā)現(xiàn)，茶園土壤的pH值與茶園附近的工業(yè)園區(qū)數(shù)量及遠(yuǎn)近有著密不可分的聯(lián)系。

2 茶園土壤酸化修復(fù)措施

2.1 化學(xué)改良

一般來說，當(dāng)土壤pH值小于4時，建議考慮利用化學(xué)措施改良土壤（圖1）。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)措施通常是撒施石灰等堿性材料來改良農(nóng)用地土壤的酸性性質(zhì)，但石灰使用方法和注意事項較為復(fù)雜，施用不當(dāng)會對茶園產(chǎn)量以及土壤質(zhì)量等帶來負(fù)面影響。當(dāng)前，多使用白云石粉來提高土壤pH值。白云石粉主要由碳酸鈣和碳酸鎂構(gòu)成，施入土壤后，碳酸根離子與酸性離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使酸性物質(zhì)得到消耗，土壤pH提高。除此之外，大量鈣鎂離子能夠提高土壤的陽離子交換量，使土壤交換性鋁的含量大幅度降低[21]。余跑蘭等[22]研究發(fā)現(xiàn)，白云石粉的施加量大于1 500 kg/hm2時，茶園土壤酸化問題得到較大程度的改善，土壤pH值升高，交換性酸含量降低，還能提升茶葉品質(zhì)并增產(chǎn)增收。趙茜等[23]的研究顯示，將西班牙河碳酸鹽巖（SRC）添加至茶樹的大田及盆栽試驗均能使土壤pH得到明顯的提升。因此，白云石粉相較石灰更易操作、效果更好。

圖1 化學(xué)改良

2.2 生物改良

生物炭是生物質(zhì)在厭氧高溫條件下燃燒裂解所得的炭化產(chǎn)物，其物理化學(xué)性質(zhì)能在多個領(lǐng)域發(fā)揮不同的用途，受到學(xué)者廣泛關(guān)注。研究表明[24-25]，生物炭作為特殊的土壤調(diào)理劑，表面存在許多含氧官能團(tuán)，多呈現(xiàn)堿性，可以改良農(nóng)田土壤的酸堿性[26]，增加陽離子交換量，降低交換性酸的含量，提高土壤保持水肥的能力。除此之外，生物炭中還存在豐富的礦質(zhì)元素，可以促進(jìn)土壤的養(yǎng)分循環(huán)以及植物的生長發(fā)育，改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)等[27-28]。李小飛等[29]的研究顯示，施用30 t/hm2的生物黑炭能夠較大程度改善茶園土壤的酸化環(huán)境（圖2）。盧再亮等[30]向茶園中施加不同種類生物炭的研究發(fā)現(xiàn)，茶園pH提高程度與生物炭的種類相關(guān)，與生物炭的施用量呈正相關(guān)。

圖2 生物改良

綠肥作為一種用綠色植物制成的肥料，綠色無毒，改良土壤性狀的效果較好，被許多國家提倡推廣使用。綠肥生長到一定程度后，收割翻耕進(jìn)土壤，經(jīng)生物代謝作用后腐熟，能改善土壤性質(zhì)。酸性茶園土壤合理套種綠肥，不僅可以改善土壤酸化程度，轉(zhuǎn)變土壤物理結(jié)構(gòu)，還可以達(dá)到提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的效果[31-33]。姜軍等[34]通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，在土壤中加入土壤干重1 %的植物物料，能夠提高土壤pH值，并降低土壤交換性鋁含量。李艷春等[35]的研究進(jìn)一步證明，植物綠肥能夠有效改善茶園酸化土壤，且相比印度豇豆和大豆，圓葉決明和稻秸對茶園土壤酸化的改良效果更佳。

生物改良相比其他措施來說，方法較為健康環(huán)保，效果更為溫和，也是改良酸性土壤性質(zhì)的有效措施之一。

2.3 有機(jī)改良

有機(jī)肥由有機(jī)物質(zhì)加工而來，將其中毒害物質(zhì)消除，使多種有益物質(zhì)留存。酸化土壤改良可以使用中性或微堿性有機(jī)肥料，矯正土壤偏酸化環(huán)境，在提供多方面營養(yǎng)物質(zhì)的同時能夠保持長期緩慢釋放肥力（圖3）。但有機(jī)肥所含的營養(yǎng)難以被植物直接利用，經(jīng)微生物繁殖生長代謝后，能夠緩慢釋放植物可吸收有機(jī)質(zhì)，從而改善土壤的理化性質(zhì)等[36-38]。將有機(jī)無機(jī)復(fù)合型酸化改良劑施于茶園酸性土壤中，能夠有效提高土壤pH值并增加土壤肥力，補充各種鹽基離子從而增強土壤緩沖能力[39-40]。吳志丹等[41]通過在茶園配施不同比例的生物基質(zhì)肥料發(fā)現(xiàn)，配施養(yǎng)豬場發(fā)酵床墊料后，茶園土壤的pH酸化程度得到一定程度的改善，并且土壤鹽基離子總量增加，改良的效果隨施用有機(jī)肥的比例增加而增加。但不同種類有機(jī)肥的理化性質(zhì)差異較大，普通加工方式（如農(nóng)戶堆肥等）產(chǎn)出的有機(jī)肥料需要確認(rèn)其重金屬元素是否超標(biāo)，若未超標(biāo)，可根據(jù)土壤性狀適當(dāng)添加施用。

圖3 有機(jī)改良

2.4 新型改良

除上述所說的改良材料之外，一些新型的修復(fù)材料開始在土壤修復(fù)改良方面嶄露頭角[42]。

微生物在土壤養(yǎng)分循環(huán)過程中起到重要作用，會影響土壤的理化性質(zhì)。周移國等[43]研究發(fā)現(xiàn)，將微生物菌劑施入茶園土壤，可以提高土壤微生物活性，增加土壤微生物的豐度，各肥力指標(biāo)得到顯著提升。Bai等[44]研究顯示，淀粉芽孢桿菌能夠提高茶葉品質(zhì)與產(chǎn)量，且菌落總數(shù)為1.6×108cfu/mL時，效果最好。吳林土等[45]研究發(fā)現(xiàn)，微生物菌劑（芽孢桿菌和木霉菌為主）的連續(xù)施用，能夠增加土壤微生物豐度，其代謝產(chǎn)物能夠提高土壤肥力，有效阻控茶園土壤酸化。但微生物在茶園土壤根際改良酸性土壤的研究機(jī)理還不夠明晰，之后的研究可以往此方向深入探討。

高分子聚合物也是一種有效的新型土壤性質(zhì)改良劑。大分子聚合物可以增加土壤大團(tuán)聚體的數(shù)量，提高孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)。據(jù)研究顯示[46-47]，在酸性土壤中施用聚丙烯酰胺（PAM）可以一定程度提高土壤的pH值，較好地調(diào)控土壤性質(zhì)。張宏偉等[48]將腐殖酸與其他材料共聚，施于赤紅壤后土壤性狀得到改善，pH值也稍有提升。但此類材料未在酸化茶園土壤內(nèi)進(jìn)行試驗，研究改良其他酸性土壤也僅進(jìn)行了室內(nèi)盆栽試驗，未進(jìn)行大田試驗。目前，高分子聚合物對茶園酸化土壤的改良效果的研究較少，還有較大的探索空間，將新型改良劑與其他傳統(tǒng)措施并用改善茶園土壤酸化或許會成為未來的研究熱點。

2.5 合理施肥

化肥的濫施濫用是導(dǎo)致土壤酸化的重要原因之一?；誓苎杆俑淖儾鑸@土壤的養(yǎng)分含量[49]。例如，施肥不平衡會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分不平衡，容易加劇土壤反應(yīng)條件。特別是長期單方面施用酸性肥料、生理性酸性肥料或氮肥都會導(dǎo)致土壤酸化[50-51]。因此，茶園不應(yīng)強調(diào)氮肥的單獨施用，而應(yīng)注意氮、磷、鉀等多種元素的配施。為了平衡土壤養(yǎng)分，防止土壤酸化，根據(jù)肥料的吸收特性和土壤特性，宜采用測土配方施肥或混合復(fù)配后施用多種肥料[4]。茶農(nóng)需要充分認(rèn)識土壤健康安全在茶業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的基礎(chǔ)作用，利用各種場所宣傳茶葉質(zhì)量安全的重要性，牢固樹立憂患意識和責(zé)任感，并以保護(hù)良好生態(tài)茶園環(huán)境、科學(xué)合理施肥、實現(xiàn)土壤養(yǎng)分平衡為茶業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)工作。

3 展望

未來應(yīng)該加強從根源導(dǎo)致土壤酸化的管控，持續(xù)將關(guān)注度放在修復(fù)酸性茶園土壤方法的研究上，尤其是從機(jī)理改良方面，應(yīng)尋找一種適應(yīng)范圍廣，有效性操作性較強的改善土壤酸化的方法。各地區(qū)應(yīng)從茶園土壤酸化原因出發(fā)，因地制宜合理控制施肥，利用有機(jī)肥、生物改良、化學(xué)改良以及新型改良劑等，多維度綜合治理茶園土壤酸化問題[4]。除此之外，預(yù)測及修復(fù)酸性茶園土壤還可以與數(shù)學(xué)模型、信息技術(shù)手段相結(jié)合[52]，模擬計算未來茶園土壤酸化程度，并給以茶農(nóng)相應(yīng)的應(yīng)對措施等。