鲁艳红，廖育林，聂 军，周 兴，谢 坚，杨曾平，吴浩杰

（1. 湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；2. 农业部湖南耕地保育科学观测实验站，湖南 长沙 410125；3. 湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128；4. 中南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125）

土壤酸化是土壤质量退化的重要形式，土壤酸化导致土壤养分不断流失、土壤理化性质恶化、铝离子和重金属离子活度提高，土壤微生物活性降低，造成作物减产，甚至对作物产生毒害作用。土壤酸化本是一个自然过程，其速度非常缓慢，但是现代社会工业化飞速发展和化肥大量施用等人类活动大大加速了土壤酸化过程。近年来农田土壤酸化问题日益突出，对我国粮食安全和生态环境已造成严重威胁。因此，有关土壤酸化治理技术及其机制研究已成为土壤学、农学和环境科学长期关注的热点问题。

20 世纪80年代以来，我国土壤pH 值普遍呈现下降趋势，而南方红壤区的酸化问题尤为突出。红壤广泛分布在南方中亚热带地区，该地区水热资源丰富，土壤风化淋溶作用强烈，土壤呈酸性和强酸性反应；同时该地区农业集约化种植程度高、化肥施用量大，且与我国酸雨分布区重叠，土壤酸化问题已成为制约区域农业持续发展和生态环境的重要障碍因子。查明我国南方红壤酸化的现状和危害、酸化加速的主要原因，可为选用科学合理的技术改良修复酸化农田红壤提供依据，从而为红壤酸化控制和酸化红壤的改良修复工作提供参考。

1 南方红壤酸化现状及土壤酸化的危害

红壤是我国面积最广的土壤类型，主要分布在我国长江以南的热带和亚热带地区，总面积约为2.04 亿hm2，占全国总面积的22.7%。根据第二次全国土壤普查资料，我国南方红壤地区土壤呈弱酸性，pH 值大多在6.0～6.5 之间，其中，福建、湖南和浙江省pH 值在4.5 到5.5 之间的强酸性土壤分别占全省土壤总面积的49.4%、38.0%和16.9%，pH 值在5.5 到6.5 之间的酸性土壤分别占37.5%、40.0%和56.4%。近年来，由于化肥大量施用和酸沉降等原因，南方红壤区农田土壤酸化呈现进一步加剧的趋势，酸化面积也在进一步扩大[1]。陈先富等[2]研究发现江西省兴国县1981～2001年的20年间，95.4%面积土壤发生酸化，大部分地区土壤pH 值降幅在1.0个单位以上。南方红壤酸化速率大，酸化范围广，酸化程度高，不仅粮田土壤存在酸化现象，果园和菜园的土壤酸化问题也很突出。

土壤酸化导致农作物产量和质量降低，对生态环境产生负面影响，是土壤退化的重要表现。土壤酸化导致钙、镁、钾等营养性盐基离子大量淋失，减弱土壤对盐基阳离子的吸持能力，增强土壤对磷、钼的固定作用，从而降低磷、钼的有效性，导致土壤肥力退化；增加土壤中铝、锰和氢等毒性元素的活性，导致铝、锰和氢对植物的毒害增加；增加重金属的溶解度，减少土壤对重金属离子的吸附量，从而增强了土壤重金属的活性和植物有效性；土壤酸化还会减少土壤微生物的数量，抑制其生长和活动，影响土壤有机质的分解和土壤碳、氮、磷和硫的循环，从而对土壤肥力培育和农作物生长造成不利影响。

2 红壤酸化加速的主要原因

土壤酸度主要取决于土壤中酸性物质和碱性物质的化学平衡[3]。土壤具有较强的酸碱缓冲能力，自然状态下的土壤酸化非常缓慢，但是近年来农田红壤酸化呈加速趋势，主要是由于农业集约化发展中化肥的大量施用等农业措施，工业化飞速发展导致酸沉降的增加也对土壤酸化加速起到重要作用。

2.1 农业措施导致农田红壤酸化加速

一些农业措施是导致农田红壤酸化加速的重要原因，施肥是一个重要方面。中国从20 世纪80年代以来农业集约化快速发展，化肥大量投入施用，尤其是氮肥用量的急剧增加，是造成土壤酸化趋势加剧的重要原因。化学氮肥的施用量和施用年限对土壤pH值变化有重要影响，随着氮肥用量的增加和施用年限的延长，土壤酸化程度明显加深[4]。氮肥施用导致土壤酸化主要与土壤的硝化作用有关，不同品种氮肥引起土壤酸化程度不同，对土壤酸化作用最强的是NH4H2PO4，其次是（NH4）2HPO4，较弱的是尿素和硝酸铵[5]。施化学氮肥加速土壤酸化，导致土壤氢、铝离子大量增加，土壤中的钙、镁、钾、钠淋失严重，营养元素的有效性大大降低，土壤pH 值降低，土壤酸缓冲容量和缓冲性能减弱[6]。

长期施用过磷酸钙也会导致土壤酸化。过磷酸钙是生理酸性肥料，施入后易溶于水，离解和，使肥料颗粒周围的磷酸浓度远高于原来的土壤，同时由于过磷酸钙肥料游离酸的溶解，产生的H+也导致肥料颗粒周围土壤溶液pH 值急剧下降。

农业措施导致农田红壤酸化加速的因素还包括农业耕垦活动。通过作物收获，作物从土壤中吸收盐基阳离子，每年有超过20 t/hm2干物质生物量被收获，导致大量的盐基阳离子从土壤中移除，造成土壤中阴阳离子的失衡，土壤氢离子浓度增加，土壤呈现酸化趋势[7]。连年重茬种植、高产品种大面积应用和农业生产技术的提高也加剧了土壤钾、钙、镁等盐基阳离子的移走和过度消耗，使土壤酸化进一步加速。

种植某些作物也会导致土壤酸化。如种植茶树导致土壤严重酸化，主要原因与茶园施肥管理有关，如施用铵态氮肥；另一个原因是由于茶树的聚铝性，茶树根系从土壤深层吸收大量活性铝输送到叶片，铝随落叶归还到土壤，导致铝在表土的大量富集加速土壤酸化。种植豆科作物也会导致土壤酸化，豆科作物通过固氮作用，增加土壤有机氮水平，有机氮发生矿化和硝化作用加快土壤酸化速度。

2.2 酸沉降加速农田红壤酸化

土壤酸化加速另一个不可忽略的影响因素是酸沉降（大气沉降和酸雨）。近年来酸沉降引起土壤酸化加速的问题受到广泛关注。随着国民经济和工业化的飞速发展，我国成为继欧洲和北美之后世界上第三大酸雨区，并且具有不断蔓延和加重的趋势[8]。酸沉降导致土壤酸化面积广，致酸因子复杂，对土壤和生态环境造成严重危害[9]。酸雨加速了土壤中盐基离子的淋失，导致铝和重金属元素活化及土壤pH 值下降[10]。我国长江以南是酸雨重灾区，该地区主要分布的土壤为红壤，对酸雨的敏感性较高[11]，根据对全国不同区域土壤酸雨脆弱性和敏感性分析发现，广东、广西、贵州、四川和云南南部为对酸雨最脆弱地区，浙江、江西、湖南、福建及云南中部为酸雨最敏感地区[12]，因此，这些地区广泛分布的红壤受酸雨的影响也最为严重。

3 土壤酸化的改良修复技术及原理

3.1 酸性土壤的无机改良技术及原理

目前，广泛用于酸性土壤的无机改良剂主要包括生石灰、熟石灰、石灰石粉、白云石粉、石膏、磷矿粉、磷石膏和粉煤灰等，其中应用最广泛、研究最多的是石灰类改良剂。徐仁扣[5]将酸性土壤常用无机改良剂分为化肥类改良剂、矿物类改良剂、工业副产品类改良剂和无机复合型改良剂四大类。

化肥类改良剂主要包括各种无机肥料，如钙镁磷肥及中微量元素硅、钙肥等。钙镁磷肥对酸性土壤具有改良作用，是一种弱碱性肥料。其不仅含有磷，而且含有钙、镁等红壤较缺乏的元素，施用钙镁磷肥供给作物营养同时可以降低土壤酸性，易被农民接受。在酸性旱作土壤[13]和淹水土壤[14]上施用硅肥均能显著提高土壤pH 值。施用石灰、石膏、炉渣等钙肥可提高土壤pH 值，还可调节土壤对钙、镁等中微量元素的供应[15]。

矿物类改良剂主要包括各种石灰石、磷矿粉等，尤其是石灰类物质，在酸性土壤改良上有广泛应用。施石灰是改良酸性土壤最有效的措施之一。石灰是碱性物质，可中和土壤活性酸和潜性酸。大量研究表明，施用石灰可以提高土壤pH 值和交换性Ca2+含量，降低土壤交换性H+、Al3+含量，提高土壤养分有效性，降低铝和重金属元素对作物的毒害[16]。常用的石灰类改良剂包括生石灰（CaO）、熟石灰（Ca(OH)2）、石灰石、方解石粉（CaCO3）和白云石粉（CaMg(CO3)2）等。除了施用石灰改良酸性土壤外，磷矿粉也可作为磷肥和酸性土壤改良剂用于酸性土壤上，磷矿粉只需将天然磷矿石直接磨成粉状，其改良酸性土壤主要是因为所含的氧化钙和硅，不但能中和土壤酸度，还可直接增加土壤中的钙含量，提高Ca/Al 比，降低铝毒[17]。磷矿粉可在酸性土壤上直接施用，也可与农家肥堆沤后施用。

近年来，一些工业副产品也被应用到酸化土壤改良中，如碱渣、磷石膏、硫石膏、粉煤灰和钢渣等，这些改良剂对酸性土壤改良起到一定的作用。碱渣富含钙、镁、钾、硅、锌、铜、钼等营养元素，可直接施用于改良酸性土壤，也可作为生产其他复合型酸性改良剂的原料。磷石膏是磷酸生产过程中的固体废渣，主要成分是硫酸钙，能中和酸性土壤酸度，增加土壤中磷、钾、硫等速效养分。粉煤灰是煤炭燃烧产生的无定形铁铝与硅酸盐矿物的混合物，是燃煤厂的工业副产品，施入土壤后通过与氢离子形成硅酸来中和土壤酸度。这些工业副产品在改良酸性土壤上具有较好的效果，但大多含有一定量的重金属元素，在应用过程中应考虑其潜在的环境风险。

无机复合型酸性土壤改良剂一般是将不同无机矿物、无机矿物和化肥、营养元素等混合制备而成，利用不同物料成分和性质上的互补性，在改良酸性土壤和提高土壤养分上具有良好的效果和应用前景。

3.2 酸化土壤的有机改良技术及原理

利用农作物秸秆等农业有机废弃物也是改良酸性红壤的重要措施。秸秆还田可阻止红壤酸化和促进作物持续增产。农作物秸秆中含有一定量的碱性物质，可中和土壤酸度，提高土壤pH 值。有机物料施入酸性红壤后，释放的碱性物质中和土壤酸度的同时，也降低土壤交换性铝，提高土壤交换性盐基阳离子含量。但不同作物秸秆的碱含量不同，豆科作物秸秆碱含量一般高于非豆科作物，非豆科作物中油菜和玉米秸秆碱含量较高，稻草和小麦秸秆碱含量较低[18]。施用有机物料降低土壤交换性铝，还与施入有机物料后土壤腐殖质含量的增加有直接关系，特别是与胡敏酸的形成有关。胡敏酸分子量大，聚合度高，易与铝络合形成难溶性盐类，从而降低铝活性，增加土壤交换性盐基阳离子。但也有研究表明秸秆还田提高了土壤酸碱缓冲性能，同时显著降低了土壤pH 值，认为可能与秸秆本身的含氮量及阴阳离子组成有关[19]。因此，有机物料对土壤酸度的改良效果主要与其碱性物质含量和元素组成以及土壤自身的理化性质有关。

有机无机复合改良技术是将有机改良剂和无机改良剂配合施用，在酸性土壤改良应用中比单施有机改良剂或单施无机改良剂的改良效果更好。南方红壤区稻草、油菜秸秆、花生秸秆和紫云英绿肥等资源丰富，可将这些有机物料粉碎后与石灰、碱渣等物质配合施用应用于酸性红壤的改良。

3.3 酸化土壤的生物修复技术及原理

酸性土壤生物修复主要利用土壤动物、植物和微生物对酸化土壤的修复作用和植物根系分泌物缓解酸性土壤铝毒对酸性土壤进行修复改良。

蚯蚓对酸性土壤修复有一定的作用，蚯蚓排泄物含有较高的交换性钙、镁、钾，在某些环境下还含有碳酸钙颗粒，蚯蚓排泄物排入土壤对土壤酸度降低有一定的效果；当土壤表施酸性土壤改良剂时，蚯蚓的活动还有利于改良剂由表层向下扩散，降低下层土壤的酸度[5]。一些耐酸微生物与水生植物的根共生，在根系周围形成保护层，可降低氢和铝对根系的毒害，微生物保护根系分泌氨分子，也可中和根际环境的酸度[20]。

高强度农业利用下氮肥施用是农田土壤酸化加速的重要原因，硝化作用形成的硝态氮迁移或淋溶导致表层质子增加，土壤酸化加剧；当硝化作用形成的硝态氮被作物吸收利用，植物根系释放氢氧根离子以保持植物体内电荷平衡，可中和土壤中的部分质子。因此，利用作物吸收硝态氮和根系释放氢氧根可在一定程度上阻控和修复土壤酸化[21]。对已发生严重酸化的土壤，施用硝态氮肥配合种植西红柿、玉米和小麦等喜硝植物，可以提高土壤pH 值，达到修复酸化土壤的目的。

3.4 生物质炭在酸性土壤改良修复中的应用

近年来生物质炭在酸性土壤修复中的应用成为酸化土壤修复改良的热点研究问题。生物质炭是在厌氧或完全绝氧条件下将生物质进行加热生成的含碳丰富的固体物质。生物质炭一般呈碱性并含有丰富的盐基阳离子[22]，生物质炭中的碳酸盐可以直接中和土壤酸度，有机阴离子与质子发生缔合反应消耗质子，从而提高土壤pH 值，还可提高土壤的盐基饱和度和土壤酸碱缓冲容量，提高土壤对养分离子的吸持能力，改良酸性土壤。制备生物质炭的材料包括各种农业和工业有机废弃物、畜禽粪便、城市固体垃圾、木屑等，但大部分来自农业废弃物。不同温度下制备的生物质炭对土壤酸度中和作用的机理有所不同，低温下制备的生物质炭主要通过阴离子缔合作用修复改良酸性土壤，高温下制备的生物质炭主要通过碳酸盐中和作用修复改良酸性土壤。

4 结 语

我国南方亚热带地区分布着广大面积的红壤，近年来由于酸沉降的增加和化肥大量施用等原因导致红壤酸化呈加速态势。红壤农田酸化已成为区域农业可持续发展的重要制约因素，同时也对粮食安全和生态环境安全造成严重威胁。施用改良剂改良修复酸化红壤对缓解土壤酸化、中和土壤酸度、提高土壤肥力、促进农业可持续发展和农业生态环境保护具有重要意义。

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