我國南方日趨嚴(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，對我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施具有重要意義。
來源:《中國科學(xué)院院刊》 作者:徐仁扣等
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。土壤的自然酸化過程比較緩慢，但近幾十年來由于高強(qiáng)度人為活動的影響，土壤酸化的進(jìn)程大大加速，對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重危害，我國南方熱帶和亞熱帶地區(qū)酸化問題尤為突出。人為活動對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，但對農(nóng)田土壤酸化的研究相對滯后。本文主要介紹我國農(nóng)田土壤酸化調(diào)控存在的問題和主要技術(shù)措施。
1 我國農(nóng)田土壤酸化現(xiàn)狀與危害
1.1 我國農(nóng)田土壤酸化現(xiàn)狀
我國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，我國亞熱帶地區(qū)301個農(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)。湖南祁陽定位試驗的監(jiān)測結(jié)果顯示，長期單施化肥20年后土壤pH值由5.7下降至4.5。我國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。
土壤酸化在全國范圍內(nèi)普遍發(fā)生，南方地區(qū)尤為嚴(yán)重。根據(jù)全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心 2015年公布的2005—2014 年全國測土配方施肥土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，湖南省(120個縣市區(qū))、廣西壯族自治區(qū)(104 個縣市區(qū))、浙江省(74 個縣市區(qū))和廣東省(94 個縣市區(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個縣市區(qū)中有90個土壤平均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)氮肥的長期過量施用是我國農(nóng)田土壤加速酸化的主要原因，并且土壤酸化是一個持續(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
土壤酸化對農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境會造成嚴(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)，對農(nóng)作物根系產(chǎn)生毒害，影響作物生長。土壤酸化還會加速土壤養(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，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，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，油菜籽的減產(chǎn)幅度達(dá)62% 以上。土壤酸化還會嚴(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。
土壤酸化同時還會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，使得植物對這些有害重金屬的吸收量增加。因此土壤酸化也是我國南方亞熱帶地區(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土壤普查和 2005 年開始的全國測土配方施肥計劃，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值對土壤酸化調(diào)控的指導(dǎo)作用有限。如能根據(jù)測土配方施肥計劃獲取的海量數(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)展趨勢的預(yù)測研究可對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，歐美等國研究人員對酸沉降影響下森林土壤的酸化趨勢開展了大量預(yù)測研究，建立了一系列酸化預(yù)測模型。但國內(nèi)外至今很少開展農(nóng)田土壤酸化的預(yù)測研究。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)測模型不能直接用于農(nóng)田土壤酸化的預(yù)測研究。近期中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張福鎖院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊與荷蘭de Vries 教授合作，以預(yù)測森林土壤酸化的經(jīng)驗性模型為基礎(chǔ)，建立了農(nóng)田土壤酸化的預(yù)測模型——VSD+ 模型，并在較大的區(qū)域尺度上對我國不同種植模式下的土壤酸化趨勢進(jìn)行預(yù)測研究。這將對我國土壤酸化預(yù)測研究起到積極的推動作用。
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)，會對作物產(chǎn)生酸害，從而導(dǎo)致作物生長不良，甚至減產(chǎn)。主要原因是酸化導(dǎo)致土壤固相鋁溶出，對植物根系產(chǎn)生毒害。由于不同植物對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。雖然國內(nèi)外對作物發(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。盆栽實驗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驗一一獲取，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)時間長，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。特別對土壤黏粒和有機(jī)質(zhì)含量低的土壤，由于這類土壤對酸的緩沖能力弱，對外源酸更為敏感，容易酸化，對其酸化的預(yù)防尤為重要。目前對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。長期、大量施用石灰會導(dǎo)致土壤板結(jié)和養(yǎng)分不平衡，因為石灰僅提供養(yǎng)分鈣，而大量的鈣會導(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性差，僅能中和15—20cm以上表層土壤的酸度，對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酸化土壤改良要重點(diǎn)解決的科學(xué)問題。
為了實現(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緩沖容量的測定比較煩瑣，該方法實用性不強(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便方法，未來應(yīng)加強(qiáng)研究。
3 土壤酸化預(yù)測與酸害閾值的研究展望
3.1 土壤酸化預(yù)測研究
我國在農(nóng)田土壤酸化的預(yù)測模型和模擬預(yù)測研究方面取得了一定的進(jìn)展，目前針對主要類型土壤結(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。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)測研究，特別在田塊尺度上的預(yù)測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)測模型外，在田塊尺度上計算土壤酸化速率，也可用于土壤酸化的預(yù)測研究。這一方法僅需要少量的土壤參數(shù)，簡便實用。
來源:固廢觀察
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