我国农田土壤酸化调控的科学问题与技术措施

我国南方日趋严重的农田土壤酸化不仅导致农作物大幅度减产甚至绝收，而且促进重金属等有害物质在农产品中吸收累积，威胁国家粮食安全和民众健康。但因酸性土壤分布详情不清，作物酸害阈值不明，土壤酸化预测的研究不足，酸化防治技术严重缺乏，红壤酸化没有得到有效控制。采取有效措施改良酸化农田土壤、遏制土壤的持续酸化，将热带和亚热带地区的土壤酸度维持在较低水平，对我国农业可持续发展和乡村振兴战略的实施具有重要意义。

土壤酸化指土壤 pH 值不断降低、土壤交换性酸不断增加的过程，它是伴随土壤发生和发育的一个自然过程，主要由碳酸和有机酸离解产生氢离子(H+)驱动。土壤的自然酸化过程比较缓慢，但近几十年来由于高强度人为活动的影响，土壤酸化的进程大大加速，对生态环境和农业生产造成严重危害，我国南方热带和亚热带地区酸化问题尤为突出。人为活动对酸化的影响主要包括大气酸沉降和不当的农业措施。过去40年，研究人员已对酸沉降影响下森林土壤酸化进行了广泛和深入的研究，但对农田土壤酸化的研究相对滞后。本文主要介绍我国农田土壤酸化调控存在的问题和主要技术措施。

1 我国农田土壤酸化现状与危害

1.1 我国农田土壤酸化现状

我国南方热带和亚热带地区水、热资源丰富，农林业生产潜力巨大，是经济作物和粮食的主产区。但由于该地区主要分布酸性土壤，随着近年来大气酸沉降不断加剧和化肥的过量施用，这一区域土壤酸化速度显著加快，土壤酸化和肥力退化问题突出，严重制约了土壤生产潜力的发挥。据21世纪初调查，我国亚热带地区301个农田采样点土壤的平均pH值已由20世纪80年代的5.37下降至5.14(粮食作物种植土壤)和5.07(经济作物种植土壤)。湖南祁阳定位试验的监测结果显示，长期单施化肥20年后土壤pH值由5.7下降至4.5。我国酸性土壤面积也在不断扩大，20世纪80年代强酸性土壤(pH 值 <5.5)的面积约为1.69亿亩，21世纪初已增加到2.26 亿亩。

土壤酸化在全国范围内普遍发生，南方地区尤为严重。根据全国农业技术推广服务中心 2015年公布的2005—2014 年全国测土配方施肥土壤基础养分数据，湖南省(120个县市区)、广西壮族自治区(104 个县市区)、浙江省(74 个县市区)和广东省(94 个县市区)的农田土壤平均 pH 值低于6.0 的分别占 60.8%、70.2%、75.7% 和93.6%，其中土壤平均 pH 值低于5.5 的分别占29.2%、28.8%、41.9% 和 54.3%。江西省91个县市区中有90个土壤平均pH值低于6.0，其中土壤平均pH值低于5.5的占 92.3%，还有18.7% 县市区的土壤平均pH值低于5.0;福建省已公布的41个县市区的农田土壤平均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。以上调查分析数据表明，我国亚热带地区土壤酸化问题已十分突出，其中江西、福建和广东等省土壤酸化尤为严重。目前的研究已经确认，化学氮肥的长期过量施用是我国农田土壤加速酸化的主要原因，并且土壤酸化是一个持续进行的过程(图1)，若仍广泛沿用目前的农田管理模式，我国亚热带地区农田土壤酸化问题还将进一步加剧。

1.2 土壤酸化的主要危害

土壤酸化对农林业生产和生态环境会造成严重危害。酸化使土壤固相中的铝活化并释放进入土壤溶液(图 1)，对农作物根系产生毒害，影响作物生长。土壤酸化还会加速土壤养分的流失，使土壤肥力下降。因此土壤酸化将导致农作物减产，农产品品质下降，农民收入减少。在严重酸化情况下(pH值<4.0)，农作物甚至无法生长，农民颗粒无收。研究表明，酸性土壤pH值由5.4下降至4.7时，油菜籽减产达40%，花生和芝麻的减产幅度为15%左右。进一步酸化将导致更大幅度的减产，如当土壤pH值由4.6 降至4.2时，油菜籽的减产幅度达62% 以上。土壤酸化还会严重影响农产品品质，如：土壤酸化导致香蕉品质下降，使得广西金穗香蕉公司近年来遭受了上亿元的经济损失。

土壤酸化同时还会使重金属污染的危害程度加重。土壤酸化使土壤中重金属的活性增加，使得植物对这些有害重金属的吸收量增加。因此土壤酸化也是我国南方亚热带地区镉米产生的主要原因之一，酸化使土壤镉的活性大大增加，水稻对镉的吸收和累积增加，镉等有毒重金属由此进入食物链，危害人体健康。另外，土壤酸化还会造成植物病害加剧，使得植物多样性和土壤微生物多样性受到影响。

2 土壤酸化调控存在的主要问题

2.1 酸性土壤分布详情不清

通过 20 世纪 80 年代开展的第二次全国土壤普查和 2005 年开始的全国测土配方施肥计划，虽然获取了大量农田土壤 pH值的数据，绘制了区域尺度的土壤 pH值分布图，但田块尺度的土壤酸度信息仍严重缺乏。土壤酸度存在很大的空间变异性，目前公布的县域土壤平均pH值对土壤酸化调控的指导作用有限。如能根据测土配方施肥计划获取的海量数据，在酸性土壤地区建立田块尺度的土壤酸度状况数据库，将可为土壤酸化分类调控对策的制订、酸化土壤的改良和土壤酸化的阻控提供依据。

2.2 土壤酸化预测研究严重缺乏

土壤酸化快慢除与质子源的大小有关外，还受土壤性质的影响。土壤酸化未来发展趋势的预测研究可对土壤酸化的潜在危害提出预警，并为土壤酸化的阻控提供参考。20世纪80年代至21世纪初，欧美等国研究人员对酸沉降影响下森林土壤的酸化趋势开展了大量预测研究，建立了一系列酸化预测模型。但国内外至今很少开展农田土壤酸化的预测研究。由于农田土壤酸化的质子源主要来自铵态氮肥中铵离子在土壤中发生的硝化反应(图 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础上的酸化预测模型不能直接用于农田土壤酸化的预测研究。近期中国农业大学张福锁院士领导的团队与荷兰de Vries 教授合作，以预测森林土壤酸化的经验性模型为基础，建立了农田土壤酸化的预测模型——VSD+ 模型，并在较大的区域尺度上对我国不同种植模式下的土壤酸化趋势进行预测研究。这将对我国土壤酸化预测研究起到积极的推动作用。

2.3 作物酸害阈值不明

土壤酸化达到一定程度(一般pH值在 5.5 以下)，会对作物产生酸害，从而导致作物生长不良，甚至减产。主要原因是酸化导致土壤固相铝溶出，对植物根系产生毒害。由于不同植物对酸害和铝毒的敏感性不同，达到植物酸害的临界土壤pH值(酸害阈值)也因作物品种及基因型而不同。虽然国内外对作物发生铝毒害的机制及作物缓解铝毒害的机制开展了广泛而深入的研究，但对作物酸害阈值的研究还很缺乏。目前这方面研究的难点是：田间条件下开展作物酸害试验需要具备连续pH值梯度的同类土壤的不同处理。作物收获后，通过分析作物产量与土壤pH值和交换性酸度之间的关系获取某一植物的酸害阈值，但这种连续pH值梯度的土壤处理难以获得。盆栽实验等控制条件下获得的酸害阈值数据与田间条件下获得的结果存在差异。不同作物及同一作物的不同品种需要通过实验一一获取，工作量很大。另外，土壤阳离子交换量和盐基饱和度等性质参数也影响作物的酸害阈值。然而，作物酸害阈值将为酸化土壤的分类调控提供直接依据，是调控土壤酸化的重要参数，未来应加强这方面的研究。

2.4 土壤酸化的阻控研究重视不够

土壤含有一定量的酸碱缓冲物质，因此对外源酸和碱的加入具有缓冲pH值变化的能力。土壤酸化后，土壤中的酸主要以交换性酸(主要为交换性铝)存在于土壤固相部分，其数量比土壤溶液中的高得多。因此，土壤一旦发生严重酸化，调节土壤pH值所需碱性物质的数量多，酸碱反应时间长，改良的难度很大。但如在土壤发生严重酸化之前提前预防，采取一定的技术措施减缓土壤酸化，则可起到事半功倍的效果。特别对土壤黏粒和有机质含量低的土壤，由于这类土壤对酸的缓冲能力弱，对外源酸更为敏感，容易酸化，对其酸化的预防尤为重要。目前对土壤酸化阻控研究重视不够，相关的研究还比较少，可供选择的技术措施非常有限。

2.5 酸化土壤的改良技术有待创新

改良酸性土壤的常用方法是施用石灰等碱性物质直接中和土壤酸度，该方法是改良酸性土壤的传统和有效的方法，但也存在一些问题。长期、大量施用石灰会导致土壤板结和养分不平衡，因为石灰仅提供养分钙，而大量的钙会导致土壤镁(Mg)、钾(K)缺乏以及磷(P有效性下降。土壤酸化伴随着土壤肥力退化，土壤酸度改良必须与土壤肥力提升同步进行。将石灰等无机改良剂与有机肥等有机改良剂配合施用，可以解决这一问题，但目前仍存在一些技术障碍，有待研究。

酸性土壤改良另一长期未得到解决的问题是表下层土壤酸度的改良。石灰在土壤中的移动性差，仅能中和15—20cm以上表层土壤的酸度，对20cm 以下的表下层和底层土壤基本无效。而植物根系可深达40—60cm的土层，表下层土壤酸度的改良与表层土壤同等重要。自20世纪70年代以来，美洲和非洲的一些国家纷纷采用磷酸工业的副产品磷石膏改良表下层土壤酸度，取得很好的效果。但我国磷酸工业产生的磷石膏中残留了比较多的酸性物质，限制了这一方法在我国酸性土壤改良中的应用。因此，表下层土壤酸度的改良是我国酸化土壤改良要重点解决的科学问题。

为了实现酸性土壤改良剂的精准施用，需要建立改良剂用量的估算方法。目前主要根据土壤pH值和土壤pH缓冲容量确定改良剂用量。由于土壤pH缓冲容量的测定比较烦琐，该方法实用性不强。土壤pH缓冲容量与土壤阳离子交换量(CEC)之间存在很好的相关性，还与土壤有机质含量有关，应建立基于土壤pH值、CEC和有机质含量的估算改良剂用量的简便方法，未来应加强研究。

3 土壤酸化预测与酸害阈值的研究展望

3.1 土壤酸化预测研究

我国在农田土壤酸化的预测模型和模拟预测研究方面取得了一定的进展，目前针对主要类型土壤结合重要作物的轮作方式在较大区域尺度上开展了模拟研究，获得土壤酸化参数平均值的未来变化趋势。这些研究将为政府决策提供重要参考。未来要加强较小区域尺度上土壤酸化的模拟预测研究，特别在田块尺度上的预测研究将为土壤酸化的调控提供直接的依据。除采用酸化预测模型外，在田块尺度上计算土壤酸化速率，也可用于土壤酸化的预测研究。这一方法仅需要少量的土壤参数，简便实用。