我國(guó)農(nóng)田土壤酸化調(diào)控的科學(xué)問題與技術(shù)措施

我國(guó)南方日趨嚴(yán)重的農(nóng)田土壤酸化不僅導(dǎo)致農(nóng)作物大幅度減產(chǎn)甚至絕收，而且促進(jìn)重金屬等有害物質(zhì)在農(nóng)產(chǎn)品中吸收累積，威脅國(guó)家糧食安全和民眾健康。但因酸性土壤分布詳情不清，作物酸害閾值不明，土壤酸化預(yù)測(cè)的研究不足，酸化防治技術(shù)嚴(yán)重缺乏，紅壤酸化沒有得到有效控制。采取有效措施改良酸化農(nóng)田土壤、遏制土壤的持續(xù)酸化，將熱帶和亞熱帶地區(qū)的土壤酸度維持在較低水平，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施具有重要意義。

土壤酸化指土壤 pH 值不斷降低、土壤交換性酸不斷增加的過程，它是伴隨土壤發(fā)生和發(fā)育的一個(gè)自然過程，主要由碳酸和有機(jī)酸離解產(chǎn)生氫離子(H+)驅(qū)動(dòng)。土壤的自然酸化過程比較緩慢，但近幾十年來由于高強(qiáng)度人為活動(dòng)的影響，土壤酸化的進(jìn)程大大加速，對(duì)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重危害，我國(guó)南方熱帶和亞熱帶地區(qū)酸化問題尤為突出。人為活動(dòng)對(duì)酸化的影響主要包括大氣酸沉降和不當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施。過去40年，研究人員已對(duì)酸沉降影響下森林土壤酸化進(jìn)行了廣泛和深入的研究，但對(duì)農(nóng)田土壤酸化的研究相對(duì)滯后。本文主要介紹我國(guó)農(nóng)田土壤酸化調(diào)控存在的問題和主要技術(shù)措施。

1 我國(guó)農(nóng)田土壤酸化現(xiàn)狀與危害

1.1 我國(guó)農(nóng)田土壤酸化現(xiàn)狀

我國(guó)南方熱帶和亞熱帶地區(qū)水、熱資源豐富，農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)潛力巨大，是經(jīng)濟(jì)作物和糧食的主產(chǎn)區(qū)。但由于該地區(qū)主要分布酸性土壤，隨著近年來大氣酸沉降不斷加劇和化肥的過量施用，這一區(qū)域土壤酸化速度顯著加快，土壤酸化和肥力退化問題突出，嚴(yán)重制約了土壤生產(chǎn)潛力的發(fā)揮。據(jù)21世紀(jì)初調(diào)查，我國(guó)亞熱帶地區(qū)301個(gè)農(nóng)田采樣點(diǎn)土壤的平均pH值已由20世紀(jì)80年代的5.37下降至5.14(糧食作物種植土壤)和5.07(經(jīng)濟(jì)作物種植土壤)。湖南祁陽定位試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，長(zhǎng)期單施化肥20年后土壤pH值由5.7下降至4.5。我國(guó)酸性土壤面積也在不斷擴(kuò)大，20世紀(jì)80年代強(qiáng)酸性土壤(pH 值 <5.5)的面積約為1.69億畝，21世紀(jì)初已增加到2.26 億畝。

土壤酸化在全國(guó)范圍內(nèi)普遍發(fā)生，南方地區(qū)尤為嚴(yán)重。根據(jù)全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心 2015年公布的2005—2014 年全國(guó)測(cè)土配方施肥土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，湖南省(120個(gè)縣市區(qū))、廣西壯族自治區(qū)(104 個(gè)縣市區(qū))、浙江省(74 個(gè)縣市區(qū))和廣東省(94 個(gè)縣市區(qū))的農(nóng)田土壤平均 pH 值低于6.0 的分別占 60.8%、70.2%、75.7% 和93.6%，其中土壤平均 pH 值低于5.5 的分別占29.2%、28.8%、41.9% 和 54.3%。江西省91個(gè)縣市區(qū)中有90個(gè)土壤平均pH值低于6.0，其中土壤平均pH值低于5.5的占 92.3%，還有18.7% 縣市區(qū)的土壤平均pH值低于5.0;福建省已公布的41個(gè)縣市區(qū)的農(nóng)田土壤平均pH值均低于6.0，其中85.4%的土壤平均pH值低于5.5，31.7%的土壤平均pH值低于5.0。以上調(diào)查分析數(shù)據(jù)表明，我國(guó)亞熱帶地區(qū)土壤酸化問題已十分突出，其中江西、福建和廣東等省土壤酸化尤為嚴(yán)重。目前的研究已經(jīng)確認(rèn)，化學(xué)氮肥的長(zhǎng)期過量施用是我國(guó)農(nóng)田土壤加速酸化的主要原因，并且土壤酸化是一個(gè)持續(xù)進(jìn)行的過程(圖1)，若仍廣泛沿用目前的農(nóng)田管理模式，我國(guó)亞熱帶地區(qū)農(nóng)田土壤酸化問題還將進(jìn)一步加劇。

1.2 土壤酸化的主要危害

土壤酸化對(duì)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境會(huì)造成嚴(yán)重危害。酸化使土壤固相中的鋁活化并釋放進(jìn)入土壤溶液(圖 1)，對(duì)農(nóng)作物根系產(chǎn)生毒害，影響作物生長(zhǎng)。土壤酸化還會(huì)加速土壤養(yǎng)分的流失，使土壤肥力下降。因此土壤酸化將導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降，農(nóng)民收入減少。在嚴(yán)重酸化情況下(pH值<4.0)，農(nóng)作物甚至無法生長(zhǎng)，農(nóng)民顆粒無收。研究表明，酸性土壤pH值由5.4下降至4.7時(shí)，油菜籽減產(chǎn)達(dá)40%，花生和芝麻的減產(chǎn)幅度為15%左右。進(jìn)一步酸化將導(dǎo)致更大幅度的減產(chǎn)，如當(dāng)土壤pH值由4.6 降至4.2時(shí)，油菜籽的減產(chǎn)幅度達(dá)62% 以上。土壤酸化還會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，如：土壤酸化導(dǎo)致香蕉品質(zhì)下降，使得廣西金穗香蕉公司近年來遭受了上億元的經(jīng)濟(jì)損失。

土壤酸化同時(shí)還會(huì)使重金屬污染的危害程度加重。土壤酸化使土壤中重金屬的活性增加，使得植物對(duì)這些有害重金屬的吸收量增加。因此土壤酸化也是我國(guó)南方亞熱帶地區(qū)鎘米產(chǎn)生的主要原因之一，酸化使土壤鎘的活性大大增加，水稻對(duì)鎘的吸收和累積增加，鎘等有毒重金屬由此進(jìn)入食物鏈，危害人體健康。另外，土壤酸化還會(huì)造成植物病害加劇，使得植物多樣性和土壤微生物多樣性受到影響。

2 土壤酸化調(diào)控存在的主要問題

2.1 酸性土壤分布詳情不清

通過 20 世紀(jì) 80 年代開展的第二次全國(guó)土壤普查和 2005 年開始的全國(guó)測(cè)土配方施肥計(jì)劃，雖然獲取了大量農(nóng)田土壤 pH值的數(shù)據(jù)，繪制了區(qū)域尺度的土壤 pH值分布圖，但田塊尺度的土壤酸度信息仍嚴(yán)重缺乏。土壤酸度存在很大的空間變異性，目前公布的縣域土壤平均pH值對(duì)土壤酸化調(diào)控的指導(dǎo)作用有限。如能根據(jù)測(cè)土配方施肥計(jì)劃獲取的海量數(shù)據(jù)，在酸性土壤地區(qū)建立田塊尺度的土壤酸度狀況數(shù)據(jù)庫，將可為土壤酸化分類調(diào)控對(duì)策的制訂、酸化土壤的改良和土壤酸化的阻控提供依據(jù)。

2.2 土壤酸化預(yù)測(cè)研究嚴(yán)重缺乏

土壤酸化快慢除與質(zhì)子源的大小有關(guān)外，還受土壤性質(zhì)的影響。土壤酸化未來發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)研究可對(duì)土壤酸化的潛在危害提出預(yù)警，并為土壤酸化的阻控提供參考。20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初，歐美等國(guó)研究人員對(duì)酸沉降影響下森林土壤的酸化趨勢(shì)開展了大量預(yù)測(cè)研究，建立了一系列酸化預(yù)測(cè)模型。但國(guó)內(nèi)外至今很少開展農(nóng)田土壤酸化的預(yù)測(cè)研究。由于農(nóng)田土壤酸化的質(zhì)子源主要來自銨態(tài)氮肥中銨離子在土壤中發(fā)生的硝化反應(yīng)(圖 1)，而森林土壤酸化主要由酸沉降引起，因此建立在森林土壤酸化基礎(chǔ)上的酸化預(yù)測(cè)模型不能直接用于農(nóng)田土壤酸化的預(yù)測(cè)研究。近期中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張福鎖院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)與荷蘭de Vries 教授合作，以預(yù)測(cè)森林土壤酸化的經(jīng)驗(yàn)性模型為基礎(chǔ)，建立了農(nóng)田土壤酸化的預(yù)測(cè)模型——VSD+ 模型，并在較大的區(qū)域尺度上對(duì)我國(guó)不同種植模式下的土壤酸化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。這將對(duì)我國(guó)土壤酸化預(yù)測(cè)研究起到積極的推動(dòng)作用。

2.3 作物酸害閾值不明

土壤酸化達(dá)到一定程度(一般pH值在 5.5 以下)，會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生酸害，從而導(dǎo)致作物生長(zhǎng)不良，甚至減產(chǎn)。主要原因是酸化導(dǎo)致土壤固相鋁溶出，對(duì)植物根系產(chǎn)生毒害。由于不同植物對(duì)酸害和鋁毒的敏感性不同，達(dá)到植物酸害的臨界土壤pH值(酸害閾值)也因作物品種及基因型而不同。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)作物發(fā)生鋁毒害的機(jī)制及作物緩解鋁毒害的機(jī)制開展了廣泛而深入的研究，但對(duì)作物酸害閾值的研究還很缺乏。目前這方面研究的難點(diǎn)是：田間條件下開展作物酸害試驗(yàn)需要具備連續(xù)pH值梯度的同類土壤的不同處理。作物收獲后，通過分析作物產(chǎn)量與土壤pH值和交換性酸度之間的關(guān)系獲取某一植物的酸害閾值，但這種連續(xù)pH值梯度的土壤處理難以獲得。盆栽實(shí)驗(yàn)等控制條件下獲得的酸害閾值數(shù)據(jù)與田間條件下獲得的結(jié)果存在差異。不同作物及同一作物的不同品種需要通過實(shí)驗(yàn)一一獲取，工作量很大。另外，土壤陽離子交換量和鹽基飽和度等性質(zhì)參數(shù)也影響作物的酸害閾值。然而，作物酸害閾值將為酸化土壤的分類調(diào)控提供直接依據(jù)，是調(diào)控土壤酸化的重要參數(shù)，未來應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究。

2.4 土壤酸化的阻控研究重視不夠

土壤含有一定量的酸堿緩沖物質(zhì)，因此對(duì)外源酸和堿的加入具有緩沖pH值變化的能力。土壤酸化后，土壤中的酸主要以交換性酸(主要為交換性鋁)存在于土壤固相部分，其數(shù)量比土壤溶液中的高得多。因此，土壤一旦發(fā)生嚴(yán)重酸化，調(diào)節(jié)土壤pH值所需堿性物質(zhì)的數(shù)量多，酸堿反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，改良的難度很大。但如在土壤發(fā)生嚴(yán)重酸化之前提前預(yù)防，采取一定的技術(shù)措施減緩?fù)寥浪峄?，則可起到事半功倍的效果。特別對(duì)土壤黏粒和有機(jī)質(zhì)含量低的土壤，由于這類土壤對(duì)酸的緩沖能力弱，對(duì)外源酸更為敏感，容易酸化，對(duì)其酸化的預(yù)防尤為重要。目前對(duì)土壤酸化阻控研究重視不夠，相關(guān)的研究還比較少，可供選擇的技術(shù)措施非常有限。

2.5 酸化土壤的改良技術(shù)有待創(chuàng)新

改良酸性土壤的常用方法是施用石灰等堿性物質(zhì)直接中和土壤酸度，該方法是改良酸性土壤的傳統(tǒng)和有效的方法，但也存在一些問題。長(zhǎng)期、大量施用石灰會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)和養(yǎng)分不平衡，因?yàn)槭覂H提供養(yǎng)分鈣，而大量的鈣會(huì)導(dǎo)致土壤鎂(Mg)、鉀(K)缺乏以及磷(P有效性下降。土壤酸化伴隨著土壤肥力退化，土壤酸度改良必須與土壤肥力提升同步進(jìn)行。將石灰等無機(jī)改良劑與有機(jī)肥等有機(jī)改良劑配合施用，可以解決這一問題，但目前仍存在一些技術(shù)障礙，有待研究。

酸性土壤改良另一長(zhǎng)期未得到解決的問題是表下層土壤酸度的改良。石灰在土壤中的移動(dòng)性差，僅能中和15—20cm以上表層土壤的酸度，對(duì)20cm 以下的表下層和底層土壤基本無效。而植物根系可深達(dá)40—60cm的土層，表下層土壤酸度的改良與表層土壤同等重要。自20世紀(jì)70年代以來，美洲和非洲的一些國(guó)家紛紛采用磷酸工業(yè)的副產(chǎn)品磷石膏改良表下層土壤酸度，取得很好的效果。但我國(guó)磷酸工業(yè)產(chǎn)生的磷石膏中殘留了比較多的酸性物質(zhì)，限制了這一方法在我國(guó)酸性土壤改良中的應(yīng)用。因此，表下層土壤酸度的改良是我國(guó)酸化土壤改良要重點(diǎn)解決的科學(xué)問題。

為了實(shí)現(xiàn)酸性土壤改良劑的精準(zhǔn)施用，需要建立改良劑用量的估算方法。目前主要根據(jù)土壤pH值和土壤pH緩沖容量確定改良劑用量。由于土壤pH緩沖容量的測(cè)定比較煩瑣，該方法實(shí)用性不強(qiáng)。土壤pH緩沖容量與土壤陽離子交換量(CEC)之間存在很好的相關(guān)性，還與土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，應(yīng)建立基于土壤pH值、CEC和有機(jī)質(zhì)含量的估算改良劑用量的簡(jiǎn)便方法，未來應(yīng)加強(qiáng)研究。

3 土壤酸化預(yù)測(cè)與酸害閾值的研究展望

3.1 土壤酸化預(yù)測(cè)研究

我國(guó)在農(nóng)田土壤酸化的預(yù)測(cè)模型和模擬預(yù)測(cè)研究方面取得了一定的進(jìn)展，目前針對(duì)主要類型土壤結(jié)合重要作物的輪作方式在較大區(qū)域尺度上開展了模擬研究，獲得土壤酸化參數(shù)平均值的未來變化趨勢(shì)。這些研究將為政府決策提供重要參考。未來要加強(qiáng)較小區(qū)域尺度上土壤酸化的模擬預(yù)測(cè)研究，特別在田塊尺度上的預(yù)測(cè)研究將為土壤酸化的調(diào)控提供直接的依據(jù)。除采用酸化預(yù)測(cè)模型外，在田塊尺度上計(jì)算土壤酸化速率，也可用于土壤酸化的預(yù)測(cè)研究。這一方法僅需要少量的土壤參數(shù)，簡(jiǎn)便實(shí)用。