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土壤酸化成因及其对农田土壤－微生物－作物系统影响的研究进展

花匠小妙招
2024-11-09 05:48

摘要: 自然土壤酸化是一个缓慢的过程，但是农田土壤因频繁的人类活动加速了这一过程，从而给农田土壤－微生物－作物系统带来一系列的负面影响。论文从大气酸沉降、施肥和管理方式、种植作物以及作物移除四个方面介绍了农田土壤酸化的主要原因；重点阐述了土壤酸化对农田土壤肥力、土壤盐基离子以及土壤酸缓冲体系的影响。总结了酸性农田土壤对土壤细菌群落结构、功能性微生物（如氨氧化古菌和氨氧化细菌等）群落结构以及土传病害的影响；分析了土壤酸化对作物的毒害作用，如造成农作物减产、迫使作物根系受到铝毒害等；从外源添加物减缓土壤酸化角度，论述了可持续利用酸性土壤的策略，提出了土壤酸化后的改良措施，展望了土壤酸化需进一步探究的课题。

Abstract: Soil acidification is a natural and slow process in natural conditions. However, intensive cultivations and anthropogenic activities accelerate this process and causing serious adverse impacts on soil-microbial-crop consortium in farmland. In our review, firstly, the main reasons for soil acidification were summarized, such as atmospheric acid deposition, the application of fertilizers, soil managements, crop types and the removal of crop residues. Secondly, the effects of soil acidification on soil fertility, soil base cations, soil pH buffering capacity were illustrated and the responses of soil bacterial communities, functional microbial communities (e.g. ammonia-oxidizing archaea and ammonia-oxidizing bacteria) and soil-born diseases to soil acidification were summarized. Then the possible consequences of soil acidity on crop yield loss and the increasing aluminum toxicity in crop roots were analyzed. Finally, the sustainable strategies for acidic soil use from the perspective of using exogenous amendments were discussed and proposed suggestions for the improvement and remediation of acidified soils, and the future research avenue in soil acidification was put forward.

土壤酸化主要是由土壤中质子（H + ）数量的增加及碱基阳离子（如K + 、Ca2 + 、Na + 和Mg2 + ）的损失从而导致土壤酸中和容量（ANC）的减少而引起的[1]。在土壤正常形成和发育过程中，土壤酸化是一个缓慢且自然的过程，在不受人为活动影响时需数十年甚至数百年土壤pH才会出现明显下降[2]。然而，对农田土壤而言，有诸多因素会加速土壤酸化过程，例如酸沉降[3]、氮（N）肥施用[4]、深耕扰动土壤[2]以及种植茶树[5]或豆科作物[6]。据统计，我国酸性土壤约占全国陆地总面积的23%，全球范围内已有40% ~ 70%的耕地土壤受到酸化的影响[7]。农田土壤酸化作为土壤退化的一种表现，将对全球粮食生产和土壤的可持续利用产生巨大威胁。

肥料的施用是影响农田土壤酸化最主要的因素[4]。化肥的施用虽然能够显著提高粮食产量，在保障粮食安全方面起到至关重要的作用，但其不合理应用也严重威胁了土壤健康，并成为导致土壤酸化的元凶[8]。Zhu等[9]通过对1980年以来近40年的我国农田土壤基本元素输入和输出导致土壤酸化的研究表明，由N输入导致的土壤酸化速率已从1980年的H + 4.7 × 103 mol hm–2 a–1增长至2000年的H + 8.6 × 103 mol hm–2 a–1，并以此速率持续酸化，且土壤酸化速率与粮食产量和N肥消耗量的增加均存在显著正相关关系；磷（P）输入引起的土壤潜在酸化速率已从H + 0.2 × 103 mol hm–2 a–1增加至H + 1.3 × 103 mol hm–2 a–1。此外，不同植物对阴阳离子的选择性吸收[10]以及作物秸秆移除[11]也会加剧土壤酸化。前人研究还发现，土壤酸化还受降水[12]、农田管理措施[13]、土壤质地[14]以及气候类型[15]等多因素的共同影响。因此，作为制约农业生产中最重要的土壤属性之一[16]，开展与其相关的土壤酸化机理研究，预测土壤酸化对农田土壤环境以及作物产量的影响，是当前农业领域研究的重要任务之一。

虽然国内外在土壤酸化成因及其治理与修复方面开展了大量研究，但尚且缺乏有关土壤酸化及其对农田土壤–微生物–作物系统影响的总结。本文在评述土壤酸化原因及其对农田土壤危害的基础上，总结了土壤酸化对土壤肥力、土壤缓冲体系、土壤微生物以及作物生产的影响，重点归纳了基于豆科植物农业生产体系中的土壤酸化研究结果，解析了土壤酸化与土壤微生物的相互关系，并重点探讨了通过添加外源物缓解农田土壤酸化、提高酸化土壤可持续利用的研究进展，以期为农田土壤酸化机理、防护以及酸化土壤治理提供参考。

1. 农田土壤酸化的原因

1.1 酸沉降对农田土壤酸化的影响

大气酸沉降是导致农田土壤酸化的主要原因之一，酸沉降的前体物主要是硫氧化物（SOX）和氮氧化物（NOX）（图1）。自工业革命到上世纪80年代，硫（S）释放量的增加使得SO2成为酸沉降的主要成分[17]，欧美国家曾采取一系列减排措施来应对酸沉降，并于多年后取得成效。如，Lawrence等[18]针对北美及加拿大地区27个样点的土壤样品研究分析表明，S沉降量已经降低了6% ~ 76%。我国自80年代以来经济发展迅速，对木材、煤炭和石油等的使用大幅增加，因此S沉降带来的土壤酸化面积也随之扩大。到上世纪90年代，由于我国重工业比例下降，能源由煤向天然气转化，随后酸沉降转而以氮（N）沉降为主，NOX成为酸雨的主要成分之一[14]。研究发现，N、S沉降被认为是加速森林和草原生态系统土壤酸化的主要原因[3,14]，而农田生态系统土壤酸化主要是由于N肥的过量施用导致的[19]。当每年大气N沉降高于36 kg hm–2时，HN + （酸度输入，HN + = （NH4 + 输入 − NH4 + 输出） + （NO3−输出 − NO3−输入））明显增加，土壤酸化效应显著[1]；在21世纪初的10年间，全球土地的N沉降累积量已超过50 kg hm−2[20]；还有研究表明，NH3是近年来酸沉降的另一重要前体物[21]。在过去几十年内，我国N沉降主要是以NH4 + 为主[12]，其来源主要是化肥施用和牲畜养殖所排放的NH3[22]。NH3溶于降水虽然可以中和降水的部分酸度，但溶解后产生的NH4 + 在土壤中通过硝化过程产生的H + 依旧会导致土壤酸化。

图 1 农田土壤酸化的主要原因

Figure 1. Main causes of acidification in agricultural soil

1.2 施肥和管理方式对农田土壤酸化的影响

化肥施用，尤其是N肥的施用是导致农田土壤酸化的另一主要原因[23]。Tian和Niu[19]利用106篇独立研究进行meta分析结果表明，N肥施用是导致土壤酸化的元凶。其中1 kg铵态氮肥施入土壤后通过硝化作用（NH4 + + 2O2 = NO3− + 2H + + H2O）产生的酸度需要1.8 kg的纯Ca(OH)2来中和。长期定位监测试验研究结果显示，N肥的连续施用使土壤pH明显降低[24]，并且由N肥施用导致的土壤酸化的贡献率是酸沉降贡献率的数十倍[25]。张喜林等[26]基于黑土肥力与肥效长期定位试验的研究结果显示，27年的尿素（CO(NH2)2）倍施导致耕层黑土pH下降了1.52个单位。但不同类型N肥的施用对农田土壤酸化的影响不同。Chien等[10]在温室内以轮作方式连续3年种植小麦－玉米，其中小麦施N 100 kg hm–2，玉米施N 200 kg hm–2，用以评估硫酸铵（(NH4)2SO4）、CO(NH2)2和硝酸铵（NH4NO3）对土壤酸化程度的影响，结果表明，不同类型N肥造成的土壤酸化程度为：(NH4)2SO4 > NH4NO3 ≈ CO(NH2)2。其中，CO(NH2)2引起的土壤酸化程度低于(NH4)2SO4是因为CO(NH2)2水解能够消耗H + ，中和部分酸度[27]。但Dong等[28]利用15N标记研究结果表明，施肥后一个月内土壤中的NO3−是经由CO(NH2)2水解产生NH4 + ，而后NH4 + 参与硝化过程所产生的。相对于带正电的NH4 + ，带负电的NO3−很难被吸附到带负电的粘土矿物和土壤有机质表面[29]。因而NO3−在土壤溶液中更易溶解、流动、浸出和淋出土体[30]，从而加速土壤酸化的发生。因此，由CO(NH2)2水解产生的NH4 + 和硝化作用是施用CO(NH2)2后短期内土壤酸化的驱动因素。但也有研究发现，适当施用硝态N肥能够有效减少硝化作用和硝态氮的淋失，进而抑制土壤酸化过程[31]。这意味着不同N素的供应对酸化的影响不同，其导致土壤酸化的内在机制仍需进一步探究。除N肥外，其他肥料的施用也会导致土壤酸化的发生。如，氯化钾的施用使水稻土壤pH显著降低[32]。孟红旗[33]对不同地区长期施用磷钾肥的耕层土壤研究表明，施肥土壤pH较不施肥处理显著降低，土壤酸化速率明显提高。

不同耕作方式也会导致土壤酸化。国外利用玉米－小麦轮作对比传统耕作方式和免耕方式对土壤酸化的长期定位实验结果表明，在农田生态系统中，采用免耕措施会加剧土壤剖面中0 ~ 10 cm的表层土壤酸化[34]。如果免耕加剧土壤酸化具有普遍性，那今后就需要引起重视，因为作为保护性耕作的一种方式，生产应用时需要平衡减少侵蚀和保持土壤肥力健康的关系。不同种植制度对土壤酸化速率的贡献也不同。Hao等[35]基于粉质粘土的研究表明，不同种植体系下土壤酸化速率为：玉米－小麦 > 水稻－休耕 > 水稻－小麦。此外，灌溉方式也可能是造成土壤酸化的原因，不同灌溉方式下土壤水运动方向和速率的不同使土壤中致酸离子的迁移和累积发生改变，进而影响土壤酸化进程。李爽等[36]连续13年利用沟灌、滴灌和渗灌3种不同方式在草甸土上研究了灌溉方式对土壤酸化的影响，结果表明，沟灌最易引起土壤酸化，渗灌次之，而滴灌反而能够抑制土壤酸化。因此，对于酸化风险高的土壤，我们可以采用不同作物合理轮作的方式缓解土壤酸化，而且未来应重视研究更为合理科学的肥料种类、施用方式和耕作措施。

1.3 种植不同作物对农田土壤酸化的影响

土壤酸化在影响作物生长的同时，不同作物因其产酸及其酸化土壤的能力差异很大，也会对土壤酸化有着不同程度的贡献。已有研究人员证实，在相同环境下生长的不同植物其H + 产出量存在显著差异[7]。一般而言，豆类作物能够利用根瘤中的固氮酶固定空气中N2形成最终形成NH4 + ，造成过多的阳离子吸收，导致植物根系释放H + [37]。因此，与非豆科植物相比，豆科植物更容易酸化土壤[38]。此外，大豆生长过程中根系会分泌大量的有机酸，大豆连作使得有机酸在根部长期大量累积，降低了大豆根际土壤的pH，造成土壤酸化。刘晓冰等[39]研究发现，大豆连作4年后土壤pH下降0.34个单位；也有研究者认为，豆科植物对阴阳离子吸收模式不同也是导致土壤酸化的原因之一，其原因在于豆科植物在生长过程中吸收的无机阳离子会多于阴离子，因此会不断地从土壤中移除碱基阳离子，与此同时，为了维持土壤溶液的电荷平衡，根系会向土壤中释放H + ，从而加速土壤酸化[40]；当为结瘤羽扇豆提供充足浓度的营养物质时，植株根系吸收的K + 量远高于其他阳离子，在根部供K + 区域释放的H + 是不供K + 区域的两倍，并且羽扇豆等豆科植物对于土壤中阳离子的过量吸收与其根部的H + 释放之间呈显著正相关，但过量阴离子吸收与OH−释放之间无显著线性关系[41]。

对于非豆科植物来说，pH的变化主要取决于N肥施用以及地上生物量的移除。Zhang等[42]对重庆市7个烟草种植县的土壤研究表明，烟草地上生物量的移除会从土壤中带走339 kg hm–2 a–1盐基离子，是移除阴离子的7.6倍，由此产生的H + 12.5 × 103 mol hm–2 a–1是导致土壤酸化的主要原因；Yang等[5]发现连续8年种植茶树的表层土壤pH降低了21%，而引起茶树土壤酸化的原因是由于茶树喜NH4 + 和富Al3 + 的特性，即在其生长过程中对这两种阳离子的大量吸收导致根际释放大量H + ，并且茶树凋落物中富含的大量铝（Al）会在回归土壤后也成为加速土壤酸化的潜在原因之一[43]。

1.4 作物移除对农田土壤酸化的影响

作物移除（主要是收获作物秸秆）以及碱基离子（BCs）损失也是驱动农田土壤酸化的主要因素。Zhu等[9]关于中国农田土壤酸化的研究表明，作物移除所导致的H + 产量从1.2 × 103 mol hm–2 a–1增加到2.3 × 103 mol hm–2 a–1，由BCs损失所导致的实际土壤酸化速率从H+2.3 × 103 mol hm–2 a–1增加到H+6.2 × 103 mol hm–2 a–1。但在不同种植体系内BCs移除量不同。研究表明，在小麦－玉米轮作中，作物收获的BCs平均去除量为77.9 kg hm–2 a–1，而在小麦－水稻轮作中为68.1 kg hm–2 a−1 [44]。也有研究者认为作物移除主导了土壤酸化，在不施N肥处理中，土壤酸化速率为2.83 × 103 mol hm–2 a–1，由作物移除导致的H + 产出量占总的H + 产出量的73%[11]；此外，作物对BCs的吸收量是淋失量的2.4 ~ 4.8倍，说明作物吸收量可能是土壤交换性BCs减少的主要原因，由作物吸收导致BCs的损失会显著降低土壤交换性BCs，并可能进一步加剧土壤酸化。因而，减少BCs的移除是缓解土壤酸化行之有效的办法之一，这应当成为推广秸秆还田的另一个原因。

2. 酸化对农田土壤的影响

2.1 酸化对农田土壤肥力的影响

土壤酸化会导致土壤肥力下降，部分土壤养分有效性降低[45]。在酸化土壤中，N素转化成植物可直接吸收的硝酸盐或铵盐的过程会受到抑制[38]。此外，酸性土壤中的P主要是吸附态P，在土壤酸化后磷酸根离子易与Fe3 + 和Al3 + 等金属离子反应生成难溶性的磷酸铁盐和磷酸铝盐，甚至有效性更低的闭蓄态P，致使约90%的酸性土壤都严重缺P，其含量甚至低至2 mg kg−1[46]。研究者们还会把Ca/Al摩尔比作为表征酸性土壤肥力的指标，Ca2 + 能够缓解或中和Al3 + 对植物的毒害[47-48]。此外，Ca2 + 作为盐基离子的主要成分之一，土壤pH降低后释放的H + 还会与盐基离子竞争胶体上的交换位点，加速盐基离子的淋失，其淋失量会随着土壤pH的降低而降低[49]。对长期连续种植烟草的土壤研究表明，土壤酸化后开始的10年中每单位pH的降低会导致40.3 mmol盐基离子的淋失，10年后则变成每单位pH的降低会消耗28.3 mmol盐基离子[42]。除H + 外，土壤溶液中的NH4 + 也会置换结合在土壤胶体表面的盐基离子，使它们更易被淋出土体，进一步加剧土壤酸化[50]。长远来看，土壤pH的降低在耗尽土壤盐基离子的同时还降低土壤的酸缓冲能力。

土壤酸化后还会影响土壤的矿物组成。相比于酸化对土壤化学性质和土壤肥力的影响，酸化对土壤矿物组成的影响是一个长期且缓慢的过程。徐仁扣等[51]对南京茶园的酸性黄棕壤研究表明，种茶20年的土壤明显酸化，使得粘土矿物呈现出由蛭石→绿泥石化蛭石→高岭石转化的趋势[52]。随着粘土矿物的转变，土壤的表面电荷也会随之发生变化，如Balke等[53]对英国洛桑试验站长期定位实验的研究表明，土壤酸化会导致阳离子交换量（CEC）显著降低，其内在机制是由于酸化过程中形成的无定形羟基Al覆盖在粘土矿物表面，掩盖了一部分的土壤永久负电荷[54]，而徐仁扣等[51]认为矿物风化导致粘土矿物由2∶1型向1∶1型高岭石转化也是导致CEC降低的原因之一。因此，土壤酸化后会加速矿物风化，降低土壤矿物质的结晶度，减弱对阳离子吸持能力，同时还会降低土壤保肥能力。

2.2 酸化对农田土壤缓冲体系的影响

由于土壤存在酸碱缓冲体系，当外界物质进入土壤后短时间内并不会引起土壤性质的根本性变化。但由于成土母质的不同，土壤中存在着不同的酸碱缓冲体系[55]，如碳酸盐、硅酸盐、交换性阳离子以及铁铝氧化物缓冲体系等[56]。当土壤pH介于6.2 ~ 8.6时，土壤缓冲体系主要通过碳酸钙水解缓冲pH变化[56]。研究表明，碳酸钙含量较高的石灰性土壤具有非石灰性土壤双倍的酸缓冲容量[57]；碳酸盐体系巨大的缓冲能力使得我国西北地区近20年农田生态系统的pH变化幅度较小，但在该缓冲体系下的土壤酸化后可能会加速碳流失[14]。此外，长期不同施肥处理下黄潮土仍处于碳酸钙初级缓冲体系，在该体系下土壤缓冲容量变化受盐基离子和有机质的影响较小[58]。当土壤pH > 5.0时，土壤中易风化的原生及次生硅酸盐水解释放出碱金属或碱土金属与H + 发生反应以缓冲土壤pH的变化，而处于硅酸盐缓冲体系下的土壤缓冲容量主要受有机质含量及盐基离子库容变化的影响。研究发现，连续5年不同施肥处理下的太湖地区典型的黄泥土处于硅酸盐和盐基离子缓冲体系下，其土壤有机质含量越高，土壤酸碱缓冲容量与土壤阳离子交换量越大[59]。

当土壤pH处于4.2 ~ 5.0范围时，交换性Ca2 + 、Mg2 + 、K + 、Na + 等盐基阳离子会缓冲土壤酸化过程[60]。由于H + 在土壤中具有很强的交换能力，外界H + 进入土壤溶液后极易与盐基离子竞争吸附位点，导致盐基离子淋失。Yang等[5]对连续种植8年的茶树土壤研究发现，在土壤pH降低0.8个单位后，交换性盐基离子也随之显著降低，同时还伴随着盐基饱和度的降低，增加了交换性Al3 + 浓度，并进一步降低了土壤的酸缓冲能力。随着盐基阳离子的淋失，农田生态系统的缓冲能力也随之降低，从而给农作物带来不利于生长的胁迫环境[61]。若土壤pH < 4.2，将由铁铝氧化物（非碱性阳离子Al3 + 、Fe3 + 和Mn2 + ）在土壤中起缓冲作用，以防止土壤进一步酸化[55]。其作用机理是铁铝氧化物表面的正电荷与铝硅酸盐矿物表面的负电荷发生双电层重叠作用，抑制交换性酸的产生，从而起到缓解酸化的作用[58]。早在1989年，Vries等[62]就发现当土壤中铁铝氧化物枯竭时pH会持续降低到3.0。Li等[61]通过对红壤研究发现，游离氧化铁与pH存在显著正相关关系，进一步证实了铁铝氧化物对阻控土壤酸化起到关键作用。但是，这些非碱性阳离子在土壤中的解离过多也会对植物产生毒害作用[63]。

3. 酸化对土壤微生物和作物生产的影响

3.1 酸化对土壤微生物的影响

土壤微生物主要包括细菌、真菌和放线菌[64]，它们参与土壤的养分循环，既是土壤有机物质的“转化者”，又是C、N、P、S等元素供应的“源”和“库”[65]。土壤微生物对pH变化的响应较为敏感，土壤酸化后会导致微生物数量减少，微生物生长和活动受到抑制，真菌/细菌比例、微生物呼吸、微生物活性和微生物代谢熵降低，进而影响土壤微生物参与的养分循环过程[66]。土壤pH下降0.5个单位，微生物基础呼吸下降20%，土壤pH下降1.0个单位，微生物呼吸下降40%，呼吸熵下降35%。研究表明，与真菌相比，适宜细菌生存的土壤pH范围相对较窄，对于大多数细菌来说，适宜其生长的最佳pH范围为6.5 ~ 7.5，当土壤pH变化1.5个单位时，土壤细菌活性显著降低50%[67]。因而，土壤酸化对土壤细菌群落的影响一般大于对真菌群落的影响[68]。Liu等[69]对我国东北黑土带土壤细菌群落分布特征的研究表明，土壤pH是决定细菌群落组成的主要因素；Zhou等[70]基于东北黑土长期定位实验研究发现，施肥34年后土壤pH降低了1.72个单位，土壤细菌种群的丰度与多样性显著降低，冗余分析（RDA）表明，土壤pH是影响细菌群落结构变化的最重要因素之一；Bartram等[71]也发现，单独施用化肥导致土壤pH降低会影响细菌的生长繁殖，显著降低细菌16S rRNA基因的拷贝数[72]。

针对参与土壤氮素循环中的固氮作用、硝化作用和反硝化作用过程的功能性微生物研究表明，土壤pH变化会显著影响固氮菌丰度和群落结构[73]；长期连作烟草的土壤由于化肥施用导致的土壤酸化也会减少与硝化作用有关的微生物数量，抑制硝化细菌的活性和功能[71]。研究表明，作为调控硝化作用限速步骤的主要贡献者氨氧化古菌（AOA）比氨氧化细菌（AOB）对酸化反应更为敏感[74]。例如，长期施氮导致的红粘土酸化对AOA群落结构组成的影响要大于对AOB的影响[75]；随着酸性土壤pH的降低，AOA丰度增加[76]。但Enwall等[77]采用DGGE技术对瑞典土壤长期定位试验的AOB群落结构研究发现，连续46年施用(NH4)2SO4造成粘土土壤的酸化，AOB的群落结构也发生显著变化。上述研究表明，不同类型土壤酸化后的AOA和AOB群落结构变化存在差异，相关原因仍需进一步探究。

此外，由于土壤酸化，土壤微生态环境发生改变，致使嗜酸性根际有害微生物大量繁殖，有益微生物的活性降低、种类减少，促使土传病原菌大量增殖，加剧病虫害的发生。研究表明，随着单位土壤pH的降低，病虫害发病率增加14% ~ 18%[78]。郑世燕等[79]研究也发现，土壤酸化后会引发甚至加重烟草青枯病的发生，尤其是在pH 4.5 ~ 5.5范围内青枯病发生的更快、更剧烈[80]。有研究证实土壤pH是通过影响土传病原菌和土壤微生物的存活而直接导致植物病害发生[81]。沈桂花等[82]应用土壤改良剂对已经酸化的黄壤研究表明，土壤pH是影响微生物代谢活性和群落多样性变化的主要因素之一，土壤pH越低，土壤微生物的代谢活性和群落多样性越低，同时土壤微生物群落多样性的降低与烟草青枯病的发生显著相关。因此，鉴于土壤酸化导致土传病害频发且存在病害防治的难度有增加的趋势，减缓土壤酸化迫在眉睫。

3.2 酸化对作物的影响

酸性土壤中Al3 + 、Fe2 + 和Mn2 + 等金属离子的增加不仅会加剧对植物的毒害作用，还会使作物由于缺少可供吸收的养分而影响其生长，导致作物减产，品质变差；肥料投入增加，不仅给环境带来负面效应，同时也增加了农民的耕种成本[38]。在我国湖南省祁阳市进行的旱地红壤长期定位试验表明，单独施用N肥的土壤pH较有机无机肥料配施处理的土壤pH显著降低，造成Al3 + 毒害，致使小麦大幅度减产[83]；袁珍贵等[84]以23个晚稻品种为实验材料，利用湖南省长沙县的正常大田（pH 6.5）和酸化大田（pH 4.4）进行了土壤酸化对不同晚稻品种产量影响的研究，结果表明，酸化大田的水稻产量减产幅度为2% ~ 57%；徐仁扣等[85]指出土壤酸化使经济作物如油菜籽、芝麻等减产达15% ~ 40%。此外，土壤酸化尤其会增加Al的溶解度，当土壤pH降低时，土壤固相Al会被溶解到土壤溶液中或者被吸附到土壤胶体上，从而增加了土壤活性Al和Al毒发生的潜在风险。对植物产生Al毒的Al形态不单是有Al3 + 和单核羟基Al[86]，还有聚合形态的羟基Al[87]。根系是受Al毒危害最敏感的部位，Al3 + 会积聚在根中或根尖的细胞液泡中，抑制根尖分生组织的细胞分裂[88]。由于低pH和Al3 + 的胁迫使得根系伸长区远端减少了H + 的流入，或是在根系成熟区增加了H + 的流出，导致根际pH降低，继而加剧土壤酸化[89]。土壤酸化还会促使过多的H + 进入根细胞的细胞质，使细胞质内pH下降，酶活性降低，生物自由基积累，加剧膜脂的过氧化作用，引起细胞解体和细胞亚显微结构的损坏，从而导致植株生长受害[90]。此外，高浓度的H + 通过竞争作用将Ca2 + 等具有稳定原生质膜结构作用的阳离子交换下来，使质膜的酯化键桥解体，导致膜透性增加，根系内的大部分矿质元素和部分有机物质外渗，同时还会降低根系对介质中养分的选择性吸收[91]。

4. 外源添加物减缓农田土壤酸化的机制和效果

随着人口和粮食需求量的增加，化肥施用量也随之增加，尤其是单独施用化肥导致的农田土壤酸化问题尤为突出，而不同的外源添加物可用于减缓不同类型的土壤酸化，因而我们从外源添加物的角度总结减缓农田土壤酸化的机制和效果。添加外源添加物是改良酸性土壤的主要措施，外源添加物种类繁多，大致可分为传统材料和新型材料。

4.1 传统外源添加物的作用

传统改良剂应用较多的为石灰类[92]、有机物料类[93]、作物秸秆类[94]、工农业废弃物及其副产品类[95]以及天然矿物类[96]等。其中，石灰类的应用时间最长，已有2000多年的历史[97]。近期研究表明，单施生石灰一年后可使稻田土壤pH提高0.9 ~ 2.4个单位[98]；曾廷廷等[92]对施用石灰提高作物产量的整合分析结果表明，施用石灰提高土壤pH的同时促使玉米、高粱、豆类以及水稻等粮食作物增产2% ~ 149%；施用石灰石对种植在不同初始pH土壤的作物产量研究结果表明，pH 5.8是酸性土壤的改良目标，并且推算出土壤pH为4.5 ~ 5.5时最适石灰量施入范围是3000 ~ 6000 kg hm–2。种植50年的牧草，土壤pH下降1个单位，需要施用1000 kg hm–2 Ca(OH)2才能恢复到原有pH 6.0。然而，也有研究表明，大量或连续多年施用石灰有可能导致土壤复酸化作用的发生[99]，而一次性施用石灰，9年后pH和交换性Al变化不大，主要是增加碳的矿化和NO3−的淋溶。而且有研究发现，过多的施用石灰导致土壤中锰和锌的亏缺[100]。相反，畜禽粪便和作物秸秆还田腐解后具有很高的pH，能够起到缓解土壤酸化的作用。畜禽粪便能够增加土壤有机质，而土壤有机质中含有许多弱酸性官能团（例如-COOH和-OH），这些弱酸性官能团通过质子化过程中和H + 形成中性分子，从而减缓土壤酸化。Du等[101]基于141篇关于施用有机肥对土壤理化性质和作物产量的研究进行的meta分析结果表明，相比于化肥，施用有机肥能够有效缓解土壤酸化，使作物平均增产7.6%；并且对于酸性土壤、温暖或者潮湿气候以及长期实验区域，施用有机肥的效果尤为显著，但有机肥的施入又存在潜在的重金属超标风险[102]。

作物秸秆富含有机阴离子和盐基离子，通过脱羧作用可增加质子净消耗，同时提高pH[103]，而且作物秸秆分解过程中形成的有机酸和阴离子可有效地通过络合作用与Al3 + 结合。但作物秸秆也可能会加剧土壤酸化，这主要取决于秸秆本身的碱度、C/N和土壤初始pH[104]，如豆类秸秆残茬C/N低，易引起酸化。秸秆覆盖导致N矿化速率增加，酸化潜力增强，引起硝化作用和NO3−及其它阳离子淋溶。白云石、钾长石等矿物类改良剂近年来也被应用于缓解土壤酸化，此类矿物能同时补充大量的矿质养分[105]，但开采成本较高。因此，在采取措施缓解土壤酸化时，应综合考虑该措施的经济成本以及可能给环境带来的负面效应。

4.2 新型外源添加物的作用

很多新型材料也被用于改良土壤酸化，如天然高分子材料（纤维素、木质素、壳聚糖、糖醛和海藻酸盐等）[106]、腐殖酸盐类[104]、生物炭[107]以及钙镁磷肥[108]等。其中生物炭是近年来备受关注的新型酸化土壤改良剂，生物炭是秸秆热解炭化后形成的富含有机官能团和碳酸盐等物质的新型碱性矿质肥料，通过羧基质子化和碳酸盐溶解释放盐基离子[109]，或通过抑制硝化作用减缓酸化[110]，在缓解Al毒和提高土壤养分有效性方面起到关键作用。已有研究表明，玉米[111]、小麦[112]和花生[110]等施用生物秸秆炭能够显著提高土壤pH以及降低土壤交换性Al3 + 浓度，从而缓解土壤酸化，其对土壤酸化的改良效果优于秸秆直接还田效果[113]。而冀建华等对已经酸化的水稻土（pH 4.7）连续4年施用750 ~ 1875 kg hm–2的硅钙钾镁肥等碱性矿质肥料结果表明，肥料施入土壤后释放的交换性盐基离子和大量碱（OH− 9.7 × 103 ~ 18.4 × 103 mol hm–2 a–1）[114]是阻控土壤酸化的主要驱动因素，并且肥料施用量越大，改良效果越明显。腐殖质类物质富含羧基和酚基功能团，可以束缚对植物有害的成分，增加土壤的缓冲性，在提高土壤pH的同时又可促进土壤中Ca2 + 的渗透和固持[115]。上述新型材料改良酸性土壤效果持久，是值得推广应用的改良剂，但也存在经济成本和农户操作习惯等问题。

5. 结论与展望

土壤化学过程是农田土壤酸化的核心，但酸化不是简单的化学反应过程，该过程受酸沉降、肥料施用、作物根系分泌有机酸，以及作物吸收过多的阳离子和作物地上生物量移除等因素所驱动。此外，土壤酸化会减少微生物数量、降低微生物活性，加剧土传病害，最终影响土壤的理化性质，严重时还会导致农作物减产。而通过不同外源添加物的方式来减缓农田土壤酸化虽然被人们普遍应用，但改良效果仍存在局限性，所以在应用时应充分考虑不同土壤类型以及传统改良剂和新型材料的特性，并从根源上阻控土壤酸化。然而，到目前为止，关于我国农田土壤酸化的研究工作仍有限。因此，针对我国的农田管理措施，开展有关农田土壤酸化研究可集中在如下几个方面：①土壤酸化与土壤氮循环密切相关，含氮量高的土壤可能会由于较高的硝化速率更易发生酸化，通过添加生物硝化抑制剂促使植物根系释放某种化合物来调控硝化作用以缓解土壤酸化值得我们深入探讨；②长期施肥尤其是氮肥在导致土壤酸化时是否有平衡点，即在适量施肥后一方面能够保证作物产量，同时也可以遏制由施肥导致的土壤酸化的发生，也值得进一步探索；③通过收获作物而移除的盐基离子量化研究也有待加强；不同种植体系下，尤其是轮作—连作处理下前茬作物和后茬作物对土壤酸化的贡献还需进一步明确；④在添加秸秆、畜禽粪便等有机物以缓解土壤酸化时，关于添加物所携带的阴阳离子含量和组成对土壤酸化的影响尚需研究；⑤要特别关注具有潜在酸化趋势的土壤，采取适宜的措施和方法来控制其被进一步酸化，同时深入探究相关潜在的酸化机理。

图 1 农田土壤酸化的主要原因

Figure 1. Main causes of acidification in agricultural soil

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