酸性土壤可持續(xù)利用

【來(lái)源/作者】北納生物

<土壤>

　　酸性土壤主要分布于水熱資源豐富的熱帶和亞熱帶地區(qū)，植物生產(chǎn)潛力巨大。由于酸性土壤中存在酸害、鋁毒和養(yǎng)分缺乏等多種脅迫因子，酸性土壤的植物生產(chǎn)潛力難以充分發(fā)揮。酸性土壤約占陸地總面積的30%，約50%耕地和潛在可耕地屬于酸性土壤，中國(guó)酸性土壤約占國(guó)土總面積的22.7%。發(fā)揮酸性土壤的作物生產(chǎn)潛力，將為保障糧食安全做出巨大貢獻(xiàn)。酸性土壤不制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，而且對(duì)生物多樣性和生態(tài)環(huán)境造成了負(fù)面影響。酸性土壤可持續(xù)利用對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)均具有重要意義。酸性土壤的可持續(xù)利用可以通過(guò)土壤酸性改良和肥力并重提高、化肥和有機(jī)肥施用相結(jié)合、充分利用植物遺傳潛力、發(fā)揮酸性土壤生態(tài)功能等一系列對(duì)策加以實(shí)現(xiàn)。自然條件下的土壤酸化本身是一個(gè)緩慢過(guò)程，但是人類活動(dòng)如氮肥過(guò)量施用和大量酸沉降，極大地加速了土壤酸化。將來(lái)的研究應(yīng)從降低氮肥的施用量和酸沉降的排放量來(lái)減緩?fù)寥浪峄俾剩罢咧饕蕾囉诘世寐实奶岣?，后者主要依賴于工業(yè)化技術(shù)的提高和國(guó)家政策制度。

　　隨著人類活動(dòng)的加劇，本來(lái)非常緩慢的土壤酸化過(guò)程變得越來(lái)越快，近20 年來(lái)土壤酸化程度遠(yuǎn)超過(guò)去幾百年來(lái)的土壤酸化。酸性土壤已成為一些地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的限制因子，在酸化嚴(yán)重的土壤上種植作物甚至絕收。土壤酸化也引起了生物多樣性的降低，生物群落結(jié)構(gòu)的改變。土壤pH值降低，土壤中重金屬活性升高，影響了農(nóng)產(chǎn)品的安全。植物利用酸性土壤養(yǎng)分能力低，土壤中聚集的養(yǎng)分更容易流失，存在潛在的面源污染風(fēng)險(xiǎn)。酸性土壤分布區(qū)域大都水熱資源豐富，植物生產(chǎn)潛力巨大，克服酸性土壤中的不利因子，不僅對(duì)于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，而且對(duì)于保護(hù)生態(tài)環(huán)境和改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)都有重要意義。

　　1 酸性土壤概況

　　1.1 酸性土壤面積與分布

　　在范圍內(nèi)，酸性土壤(＜pH 5.5) 的面積約39.5 億hm2，約占無(wú)冰蓋陸地總面積的30%。*約25 億hm2耕地和潛在可耕地屬于酸性土壤，約占耕地和潛在可耕地總面積的50%。世界酸性土壤主要分布于熱帶、亞熱帶和部分溫帶地區(qū)，水熱資源豐富，氣候條件適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。中國(guó)酸性土壤主要分布于南方高溫多雨的紅壤地區(qū)，遍及14 個(gè)省（自治區(qū)、直轄市），面積達(dá)218 萬(wàn)km2，約占全國(guó)土地總面積的22.7%。

　　1.2 酸性土壤的形成原因

　　酸性土壤的形成過(guò)程分為自然條件下和人為條件下的土壤酸化。在自然的高溫多雨條件下，土壤礦物質(zhì)高度風(fēng)化，強(qiáng)烈淋溶，土壤酸緩沖體系能力顯著下降，導(dǎo)致土壤中硅和鹽基離子大量淋失而鐵鋁氧化物富集，形成了酸瘠土壤。在自然條件下，土壤酸化是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，土壤pH值需要經(jīng)歷數(shù)十年甚至數(shù)百年才會(huì)出現(xiàn)明顯降低。隨著世界工業(yè)化的發(fā)展，各種人類活動(dòng)正在引起土壤酸化速率的加快。據(jù)統(tǒng)計(jì)，過(guò)去20年間，中國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)和草原生態(tài)系統(tǒng)土壤pH值分別下降了0.42、0.37 和0.62個(gè)單位。在各種人為因素中，氮肥的過(guò)量施用被認(rèn)為是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤酸化加速的主要誘因。酸沉降，主要是氮硫沉降，被認(rèn)為森林和草原生態(tài)系統(tǒng)土壤酸化加速的主要原因。另外，一些植物種類如豆科和茶科植物會(huì)引起土壤酸化，高強(qiáng)度種植模式下作物收獲帶走了大量鹽基，也會(huì)導(dǎo)致土壤酸化。值得一提的是，目前設(shè)施農(nóng)業(yè)中，高強(qiáng)度種植方式和大量化肥施用，不僅導(dǎo)致了土壤的酸化，也引起了土壤鹽漬化，值得高度重視。隨著土壤酸化的加劇，土壤酸化對(duì)作物生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的影響正引起人們的高度關(guān)注。

　　2 酸性土壤與植物生產(chǎn)力

　　2.1 酸性土壤限制植物生長(zhǎng)的因子

　　酸性土壤地區(qū)一般高溫多雨，氣候條件非常適合植物快速生長(zhǎng)。據(jù)估計(jì)，中國(guó)酸性土壤地區(qū)用占全國(guó)27%的耕地養(yǎng)活了全國(guó)43%的人口。范圍內(nèi)，雖然酸性土壤面積很大，但是僅5.4%的酸性土壤被用作種植農(nóng)作物，種植農(nóng)作物的酸性土壤面積僅占世界農(nóng)作物總面積的12%，酸性土壤中蘊(yùn)藏著農(nóng)業(yè)發(fā)展的大潛力，這表明大面積的酸性土壤潛在可耕地未被開(kāi)發(fā)和利用。酸性土壤區(qū)域植物巨大生產(chǎn)潛力未被挖掘的主要原因是因?yàn)樗嵝酝寥乐写嬖诙喾N限制植物生長(zhǎng)的因子。酸性土壤限制植物生長(zhǎng)的因子分為物質(zhì)過(guò)多和過(guò)少兩種，過(guò)多的物質(zhì)主要有酸、鋁、錳、鐵，過(guò)少的物質(zhì)有鈣、鎂、氮、磷。其中，鋁毒被認(rèn)為酸性土壤限制植物生長(zhǎng)的主要因子，幾個(gè)微摩爾級(jí)濃度的鋁就會(huì)對(duì)植物根系產(chǎn)生嚴(yán)重毒害。鋁本身在對(duì)植物產(chǎn)生直接毒害的同時(shí)，也間接地影響了植物對(duì)多種養(yǎng)分的吸收，降低了植物養(yǎng)分吸收效率，酸性土壤上的植物需要同時(shí)克服這些共存脅迫因子才能良好生長(zhǎng)。提高植物對(duì)這些共存脅迫因子的適應(yīng)能力可以發(fā)揮酸性土壤植物生產(chǎn)潛力。

　　2.2 植物適應(yīng)酸性土壤的機(jī)制

　　在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，植物為了適應(yīng)酸性土壤，已形成了各種各樣的耐酸性土壤機(jī)制。鑒于鋁毒是酸性土壤限制植物生長(zhǎng)的主要因子，在植物耐鋁機(jī)制方面的研究多也為深入。不同植物種類或者同一植物的不同品種對(duì)鋁毒的響應(yīng)能力差異很大。植物的耐鋁機(jī)制分為內(nèi)部忍耐機(jī)制和外部排斥機(jī)制，內(nèi)部忍耐機(jī)制指鋁在植物體內(nèi)與有機(jī)酸或酚類物質(zhì)配體絡(luò)合，將鋁分室在液泡、表皮等部位，降低高濃度鋁的毒害，或者鋁誘導(dǎo)形成一些蛋白或改變相關(guān)酶的活性，來(lái)適應(yīng)鋁脅迫環(huán)境；外部排斥機(jī)制指鋁在細(xì)胞外進(jìn)行螯合，將鋁排除在細(xì)胞外，使其不能進(jìn)入植物細(xì)胞，主要包括有機(jī)酸或磷酸根的分泌、細(xì)胞壁對(duì)鋁的固定、根際pH值升高等。目前，已有不少植物耐鋁基因被分離鑒定，這為酸性土壤耐鋁植物的遺傳改良提供了分子信息。相對(duì)于鋁毒，關(guān)于植物抵抗酸性土壤其他脅迫因子的研究較少，也不深入。另外，目前對(duì)擬南芥和一些糧食作物如水稻的耐鋁分子生理機(jī)制研究較多，對(duì)于一些木本植物耐鋁機(jī)制認(rèn)識(shí)不夠，而木本植物卻具有非強(qiáng)的耐鋁能力。

　　植物除了利用本身的遺傳潛力來(lái)抵抗酸性土壤，外部因子特別是土壤中的一些因子也會(huì)顯著影響植物適應(yīng)酸性土壤的能力。如上所述，酸性土壤中不僅存在鋁毒，而且存在多種其它共存脅迫因子，單一鋁毒限制因子的酸性土壤基本上是不存在的。在我們的研究中，發(fā)現(xiàn)這些限制因子之間存在有意思的相互作用。例如，酸性土壤低pH 值抑制了硝化作用，銨態(tài)氮經(jīng)常為酸性土壤的主要氮源，而銨態(tài)氮能夠緩解鋁對(duì)植物的毒害，同時(shí)耐鋁植物較為偏好銨態(tài)氮，這為通過(guò)利用氮鋁相互作用機(jī)制來(lái)提高植物耐鋁能力和氮效率提供了理論支持。鋁毒和錳毒同為酸性土壤植物生長(zhǎng)限制因子，在水稻上的研究表明，鋁能減輕錳對(duì)水稻的毒害。這些結(jié)果暗示著植物能夠通過(guò)充分利用其生長(zhǎng)環(huán)境中的各種限制因子之間的相互作用，來(lái)實(shí)現(xiàn)其適應(yīng)酸性土壤的目的。充分利用這些相互作用，可以幫助植物來(lái)協(xié)同適應(yīng)酸性土壤的多種脅迫因子。

　　3 酸性土壤與生態(tài)環(huán)境

　　土壤的不斷酸化顯著改變酸性土壤上的生物群落結(jié)構(gòu)和功能，包括植物、動(dòng)物和微生物。雖然在酸性土壤環(huán)境中亞熱帶濕潤(rùn)森林系統(tǒng)擁有大物種豐富度，但是亞熱帶濕潤(rùn)闊葉林系統(tǒng)對(duì)土壤酸化非常敏感。長(zhǎng)期氮沉降導(dǎo)致的草原酸化顯著降低了草原植物物種豐富度。一些森林生態(tài)系統(tǒng)植物絕亡和土壤退化與土壤嚴(yán)重酸化有關(guān)。對(duì)長(zhǎng)白山土壤不同梯度海拔下裸足肉蟲(chóng)的群落分布特征發(fā)現(xiàn)，土壤pH值與裸足肉蟲(chóng)的豐富度和多樣性呈極顯著的正相關(guān)，表明土壤pH 值對(duì)土壤動(dòng)物有顯著影響。連續(xù)5年使用氮肥后，內(nèi)蒙古典型草原土壤酸化降低了草原微生物碳氮和微生物活性，也改變了土壤碳代謝微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性。土壤真菌一般對(duì)土壤酸化不太敏感，而土壤細(xì)菌對(duì)土壤酸化非常敏感。不同的氨氧化微生物對(duì)土壤酸化響應(yīng)也不一樣，氨氧化細(xì)菌比氨氧化古菌對(duì)土壤酸化響應(yīng)更加敏感。因此，土壤酸化對(duì)植物、動(dòng)物和微生物群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性有著重要影響。

　　土壤酸化除了對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性造成嚴(yán)重影響外，對(duì)周圍環(huán)境質(zhì)量也有重要影響。土壤中的金屬元素活性一般都很低，但是隨著土壤pH值降低，金屬元素的生物有效性顯著升高。如果這些金屬元素是植物必需營(yíng)養(yǎng)元素，那么可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)；但是如果是一些重金屬元素，則會(huì)對(duì)周邊水體和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)存在潛在威脅。特別對(duì)于一些廢棄礦山和礦井，土壤酸化不僅是土壤環(huán)境問(wèn)題，而且酸害和重金屬還會(huì)腐蝕金屬設(shè)備、破壞水體、毒害水生生物，甚至影響國(guó)家水上建設(shè)。另外，鋁不僅對(duì)植物有毒，對(duì)所有生物都有毒害。土壤酸化也會(huì)引起土壤和水體中毒性鋁濃度升高，對(duì)水體環(huán)境和人類健康構(gòu)成潛在威脅。幸運(yùn)的是，大部分農(nóng)作物都僅在根系積累鋁，而地上部特別是種子中鋁含量很低。因此，除根部外，大部分作物的可食部分是安全的，但是鋁對(duì)地下水、河流、湖泊的負(fù)面影響仍值得探討。目前，由于氮肥用量過(guò)多，一些設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤酸化嚴(yán)重，同時(shí)土壤氮磷含量很高，在降雨較多的季節(jié)，這些土壤富集的氮磷如果流失到環(huán)境中，也會(huì)造成面源污染。土壤酸化對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響也不容小覷。

　　4 酸性土壤可持續(xù)利用對(duì)策

　　雖然酸性土壤大都分布于水熱資源豐富地區(qū)，但是由于酸性土壤的酸、瘠、毒等特點(diǎn)，酸性土壤的巨大生產(chǎn)潛力難以充分發(fā)揮。傳統(tǒng)的酸性土壤改良措施是施用石灰，這種改良方式雖然簡(jiǎn)單有效，但是由于存在不少缺點(diǎn)，如粉塵污染、深層改良不足、容易造成土壤板結(jié)、土壤容易返酸及基于經(jīng)濟(jì)利益考慮，農(nóng)民越來(lái)越不樂(lè)意施用石灰。近些年來(lái)一些新型的酸性土壤改良劑不斷出現(xiàn)，酸性土壤種植模式也越來(lái)越多樣化。綜合考慮，我們提出以下幾項(xiàng)酸性土壤可持續(xù)利用對(duì)策。

　?。?）改良土壤酸性和提高土壤肥力并重的對(duì)策。在改良酸性土壤過(guò)程中，對(duì)土壤酸性的改良較為重視，卻忽視了對(duì)土壤肥力的提高。如上所述，酸性土壤限制因子不僅僅是酸害和鋁毒，一系列養(yǎng)分如鈣、鎂、磷甚至一些微量元素都存在缺乏，如果僅僅改良土壤酸性，效果經(jīng)常并不明顯。因此，需要在提高土壤pH值的同時(shí)，也要補(bǔ)充土壤中缺乏的營(yíng)養(yǎng)元素。

　?。?）化肥和有機(jī)肥施用相結(jié)合的對(duì)策?；侍貏e是氮肥，如果大量施用會(huì)加速土壤酸化，長(zhǎng)期大量施用氮肥，一些酸性土壤已出現(xiàn)作物絕收的現(xiàn)象。有機(jī)肥大都含有一些堿性物質(zhì)，不但可以提高土壤pH值，還能提供養(yǎng)分，也可以改善土壤的物理結(jié)構(gòu)。但是有機(jī)肥肥效慢，化肥肥效快且針對(duì)性強(qiáng)，將二者進(jìn)行結(jié)合施用，可以發(fā)揮二者優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)缺點(diǎn)，達(dá)到增產(chǎn)、增效和目標(biāo)。

　?。?）利用植物本身的抗逆潛力，在酸性土壤種植耐酸抗鋁且養(yǎng)分利用效率高的植物。有些植物種類或品種，具有*的適應(yīng)酸性土壤能力，有些植物甚至“喜歡”在酸性土壤上生長(zhǎng)，如茶樹(shù)。種植這些類型植物，可以不用改良酸性土壤，降低投入成本，還能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益。

　?。?）采用宜農(nóng)則農(nóng)、宜林則林的對(duì)策，充分發(fā)揮酸性土壤的自然生態(tài)功能。很大一部分酸性土壤分布于林地或山地，有些區(qū)域還是自然保護(hù)區(qū)或者風(fēng)景區(qū)，山水如畫(huà)，風(fēng)景優(yōu)美。對(duì)于這種類型的酸性土壤，需要根據(jù)區(qū)域內(nèi)的植物類型特點(diǎn)，有針對(duì)性地利用和改良，因?yàn)橛行┲参锲盟嵝酝寥溃绻患优袛嗟靥岣咄寥纏H 值，可能會(huì)起到反面效果。在這些地區(qū)，應(yīng)該種植一些耐酸性土壤的植物種類，充分發(fā)揮酸性土壤的生態(tài)功能，而不是提高其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。

　　5 展望

　　大量氮肥施用和酸沉降被認(rèn)為是導(dǎo)致土壤酸化加速的主要原因，但是世界人口還在不斷增加，人類對(duì)糧食的需求還將不斷升高，氮肥施用量在短期內(nèi)不會(huì)降低甚至還會(huì)上升，工業(yè)化產(chǎn)生的酸沉降會(huì)降低但不會(huì)*消失。自然條件下的土壤酸化是一個(gè)緩慢過(guò)程，人類活動(dòng)正使得土壤酸化速率在不斷加快。不可避免的是將來(lái)土壤會(huì)變得越來(lái)越酸，如何減緩?fù)寥浪峄俾适且粋€(gè)性課題。雖然酸性土壤改良能夠在短期內(nèi)取得較好效果，但是使用大量的改良劑也不是長(zhǎng)久之計(jì)，也不能從根本上解決問(wèn)題，改良后的酸性土壤還會(huì)返酸。將來(lái)的研究應(yīng)該從根本上降低氮肥施用和酸沉降對(duì)土壤酸化的影響。對(duì)于酸沉降，隨著相關(guān)工業(yè)技術(shù)的提升，工業(yè)化排出的酸沉降會(huì)越來(lái)越少，目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)有效控制了酸沉降物質(zhì)的排放，長(zhǎng)期來(lái)看，酸沉降對(duì)土壤酸化的影響將越來(lái)越小。減少氮肥施用量，同時(shí)要保證高產(chǎn)，需要提高氮肥利用率，如何提高氮肥利用率目前仍是一個(gè)難題，氮肥利用率的提高必將減緩化肥引起的土壤酸化。因此，提高酸性土壤氮肥利用率是減緩?fù)寥肋M(jìn)一步酸化的一個(gè)重要技術(shù)途徑。