茶园土壤酸化研究现状和展望

杨向德，石元值，伊晓云，马立锋*（.中国农业科学院茶叶研究所/农业部茶树生物学与资源利用重点实验室，浙江 杭州 30008；2.中国农业科学院研究生院，北京 0008）

茶园土壤酸化研究现状和展望

杨向德1，2，石元值1，伊晓云1，马立锋1*
（1.中国农业科学院茶叶研究所/农业部茶树生物学与资源利用重点实验室，浙江 杭州 310008；2.中国农业科学院研究生院，北京 100081）

酸性土壤是茶树生长所必须的条件之一，但并非土壤酸性越强，越适宜茶树生长，其最适宜pH值为5.0～5.5，而当前茶园受到自身因素和人为因素的影响，茶园土壤酸化日趋严重。本文回顾了近几十年来茶园土壤酸化现状；分析了茶园土壤酸化的主要原因；阐述了土壤酸化对茶树生长的危害；最后对酸化茶园和新建茶园给出了具体的改良措施。通过分析总结，得出了化学肥料尤其是氮肥的施用是造成茶园土壤酸化最主要的原因；土壤酸化将导致土壤肥力下降和一些重金属元素含量的上升，影响茶叶的产量和品质；施有机物料是改良和控制土壤酸化的理想途径。最后，作者就茶园土壤酸化的问题提出了今后的研究方向。

茶园土壤；酸化现状；酸化原因；酸化危害；改良措施

茶树（Camellia sinensis L.）原产于我国西南地区，长期生长在酸性土壤中，逐渐形成了喜酸的特性，但并非土壤酸性越强，越适宜茶树生长。研究表明，茶树适合生长在pH4.0～6.5的土壤中，其中pH5.0～5.5最适宜，当pH低于4.0时茶树生长受到限制，并且土壤的理化性状也会发生恶化，影响茶叶产量和品质［1-3］。当前土壤酸化日趋严重，已成为世界性的问题，引起了各国科技工作者的极大兴趣。本文就茶园土壤酸化现状、引起酸化的原因、土壤酸化导致的危害以及土壤改良措施等方面取得的研究进展进行了综述。最后，作者就茶园土壤酸化提出了今后的研究方向，希望对茶叶工作者有所帮助。

1 土壤酸化的概念和评价方法

土壤酸化是指土壤中 H+增加及盐基离子减少的过程［4］，其本质是土壤中的 H+、Al3+被土壤吸附后，与其中的碱性盐基离子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+等）发生交换，最后使其淋失的过程。根据 H+的形态，土壤酸度可分为活性酸和潜性酸两种。活性酸可用土壤溶液中的H+浓度直接反映，其强度用pH值来表示；潜性酸主要取决于交换态的 H+和Al3+，只有被交换到土壤溶液中时，潜性酸才显示出来，通常盐基不饱和的土壤才有潜性酸，且潜性酸的酸度比活性酸大。

早期于天仁［5］提出用石灰位来表示土壤的酸度，之后学者陆续提出新的土壤酸度评价方法，如Al饱和度（ASP）、盐基饱和度（BS）、酸缓冲容量（pHBC）和酸化速率（AR）等［6-13］。

2 茶园土壤酸化现状

20世纪60年代，各国茶园土壤pH值大多在5.0～6.0之间，到70、80年代，各国茶园土壤就开始出现不同程度的酸化，尤其到了80年代中期，土壤pH值降到了4.0～5.0之间，其中日本茶园酸化最为严重［1-3］。我国茶园土壤在 80年代后期逐渐酸化，浙江等6省茶园土壤pH值在5.0以下的占70%左右（其中pH值低于4.0的占12.5%）［14］，江苏等3省茶园土壤pH值小于4.0的占13.7%［15］。20世纪90年代，我国茶园土壤的酸化速度加剧，江苏等3省茶园土壤pH值小于4.0的占到了43.9%［15］。

进入21世纪，各国茶园土壤酸化问题进一步加剧。日本静冈超过77%的茶园土壤pH值小于4.0，超过 60%的茶园土壤 pH小于 3.5，甚至达到了2.7［16］，南印度阿萨姆地区茶园土壤pH下降明显［17-18］。我国重庆市约80%的茶园处于非最佳的茶树生长土壤pH范围［19］，江苏省典型茶园土壤pH值均低于茶树生长最适宜土壤pH条件［20］，福建省茶园土壤pH值在4.5以下的茶园占86.9%（其中pH值低于4.0的占28%）［21］，江西省茶园土壤pH值都在4.5以下，其中小于4.0的占 72.0%［22］，贵州省茶园土壤普遍酸化［23］。可见，我国茶园土壤酸化日益加重，土壤pH值适宜的茶园比例在不断减少［24-26］。

3 茶园土壤酸化原因

土壤酸化最直接的原因是由 H+循环脱节所引起的，即由于不同因素导致产生 H+与消耗 H+不平衡所致［4］。在稳定的生态系统中，H+产生的任何一个生物地球化学反应都存在与之对应可逆的 H+消耗反应，当不可逆的质子流输入生态系统则引起土壤的酸化［27］。在土壤—植物—动物系统中，通过C、N、S的循环和转移释放质子是导致土壤酸化的主要原因［28-29］。C循环通过生物量收获、有机酸根的淋溶等途径来移除土壤中的过量盐基性离子［30-31］。植物生长而产生的永久性酸，其产生速率受土壤养分状态的限制，施肥提高了土壤养分状态，生物收获量增加，因而施用化肥是通过提高生态系统C循环来加速土壤酸化进程［32］。生态系统N循环通过NH4+的净输入和 NO3-的净输出来实现对土壤碱性物质的移除［27，32-33］。大气氮沉降和人为氮施肥超过生态系统（包括植物和土壤）的 N积累速率，将导致NO3-的净输出（通过土壤淋溶和地表径流）增加，土壤酸化进程被生态系统N循环加速［34］。自然条件下，土壤酸化速率非常缓慢。据研究［35］，在自然环境下pH值下降一个单位平均需要100年左右，而人类活动加速了土壤酸化的进程，如酸沉降、生物量的移除和大量化学氮肥的施用［33，36］。研究表明，茶园土壤酸化主要由茶园内源酸化因子和茶园外源酸化因子的进入引起的。

3.1 内源酸化因子的影响

当 Ca2+、Mg2+、Na+、K+等盐基离子从土壤中淋失时会造成土壤的酸化。茶树生长过程中会吸收土壤中大量的盐基离子，为了维持土壤电荷平衡，植株会向土壤中释放H+，使土壤酸化［37-38］。茶树是叶用作物，每轮采摘会带走大量的盐基离子，移走的生物量使盐基饱和度下降，土壤中H+、Al3+浓度增加，进而使土壤进一步酸化［33］。固氮植物由于固氮作用吸收的阳离子多于阴离子也会导致根系土壤的酸化［39-40］，如果茶园间作固氮植物，也会引起茶园土壤酸化。

在酸性土壤中，Al以不稳定的形态被茶树吸收［41］，茶树体内平均Al含量为1500 mg·kg-1，老叶中高达20000 mg·kg-1［42］，随着老叶的凋落和茶树的修剪物还园，通过Al的生物地球化学循环加速了土壤的酸化［43］。由于茶树的喜铵性和富铝特性，其对铵和铝离子的大量吸收导致根系释放大量质子可能对土壤酸化有重要贡献［44-46］。

茶园土壤中含有多种有机酸，有机酸是茶园土壤物质的重要组成部分［47］，茶树中有机酸的分泌也是导致茶园土壤酸化的一个重要因素。茶树在生长过程中会产生多酚类等有机化合物，以分泌物或凋落物的形式进入土壤［48］，凋落物中酚类物质主要是以单宁酸为主的一类具有羟基芳香环及其他功能团的化合物［49］，苏有健等［50］研究指出在低浓度范围内，随着单宁酸浓度的增加，土壤中活性Al含量增加，其原因是有机酸引起土壤酸化，从而活化了土壤中的Al。

3.2 茶园外源酸化因子的影响

与茶树自身的物质循环和根系分泌物对土壤酸化的作用相比，茶园土壤酸化受人类活动影响更大。

3.2.1 化学肥料

土壤施用氮肥后，硝化作用释放质子是引起土壤酸化的主要机制［51-52］，据分析每年向1 hm2土壤中施入500 kg的氮会产生32.5 kmol的H+［35］，这是施氮肥对土壤酸化的直接作用［53］。

另外，氮肥的投入，增加了作物产量，将带走更多的盐基离子，留下更多的H+，加速了土壤酸化，这是施氮肥导致土壤酸化的间接原因［33］。

作为叶用作物的茶树，对氮肥的需求比其他大多数作物要高很多，为保证茶叶高产，向茶园中施入大量的氮肥。化学肥料特别是氮肥的施用直接或间接地导致了土壤的酸化［54-58］，由于NH4+的硝化作用释放质子加速了土壤酸化［51，59-60］，不同的氮肥对土壤的酸化速率影响很大，硫酸铵对土壤的酸化作用强于尿素和硝酸铵钙［54，61］。

3.2.2 酸沉降

酸沉降，包括湿沉降和干沉降，导致酸沉降的因素很多［62-63］。近年来大型畜禽养殖场产生的NH3随降雨沉降对土壤酸化有影响［64-65］，酸雨是导致土壤酸化的原因之一。酸雨中的H+与土壤胶体表面吸附的盐基离子进行交换，被交换下来的盐基性离子随渗漏水淋失，同时土粒表面的H+又会自发的与矿物晶格表面的Al发生反应，转化成交换性Al。酸沉降导致土壤溶液中SO42-和NO3-浓度增加，也促进了盐基离子的淋失，加速了土壤酸化［51，66］。Wen等［67］通过酸雨模拟实验表明，酸雨对土壤 pH值的降低有很大的影响。Barak等［34］发现施用氮肥引起的酸化作用是酸沉降的25倍，但是在环境污染严重区域，酸沉降是导致土壤酸化不可忽略的一个影响因素，土壤 pH值与茶区附近工业分布的稠密程度有直接关系［68］，茶园土壤pH值低于4.0时，其相应酸雨的频率都在80%以上［69］。

3.2.3 强降雨和灌溉

从长远效应来说，降雨丰富和大量灌溉区域，土壤更容易酸化。土壤被雨水淋洗越快，酸化越严重。土壤中大量的盐基离子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+等）被酸性阳离子（H+、Al3+等）取代，同时NO3-的淋失，使土壤颗粒表面吸附态H+迅速积累而颗粒表面吸附态Ca2+、Mg2+等阳离子不断减少［70］。

3.2.4 成土母质

不同土壤由于成土母质、质地、有机质含量、矿物组成和理化性质的差异，其对酸的敏感性也不同，因此，导致土壤酸化的时间也不同。由花岗岩风化形成的土壤较页岩或石灰岩形成的土壤更易使土壤酸化，不论是初级还是次级矿物，在风化过程中产生的H2SiO3和H2SO4等致酸性物质使土壤酸化［53］，酸雨和高温能促进风化作用，加速土壤酸化［71-74］。

4 茶园土壤酸化的危害

土壤酸化限制了作物的生长，土壤中铝含量的增加对植物根系的生长和养分的吸收有很大的影响［75-76］，茶园土壤酸化危害主要表现在以下几个方面。

4.1 破坏土壤结构

酸化土壤，一般缺乏良好的物理性质，随着土壤酸度的增强，其中的腐殖质大多变为可溶性的腐植酸，变得易于淋失［77］。土壤有效态 Ca含量与土壤交换性Al呈显著的负相关关系，酸性土壤Al的活化是导致土壤Ca含量降低的主要原因［78］，而Ca是形成土壤结构的主要盐基成分，所以土壤低含量Ca造成土壤结构解体而难以形成良好的黏粒结构，使土壤板结［77］。

4.2 影响营养元素的吸收

土壤的酸化将直接对茶树根系的生长及其吸收功能产生影响。土壤 pH值过低，会使植物所需养分元素的生物有效性发生变化，从而导致植株某些营养元素失调［79-80］。土壤酸化使土壤中的Ca、P等大量元素和Mo、B等微量元素的有效性降低，影响作物的吸收［78，81-82］。当土壤pH在5.0～6.0时，茶树根系发达，发芽早，新梢生长快，而在pH＜4.0时茶树根尖生长受抑制，对N、P、K的吸收量急剧下降，茶树发芽迟缓［83］。

4.3 易产生风险元素的毒害作用

土壤中的一些重金属元素随 pH值的降低，其溶解性、移动性、有效性增加［29］，茶园土壤酸化易导致 Pb、Cu等重金属元素在茶树叶片中的累积增加，不仅影响茶叶质量，同时对人体的健康产生危害［84， 85］。

土壤酸化使土壤中的Al3+、Mn2+浓度升高，对植物产生毒害作用［51］，F是一种对人体生长发育具有重要意义的元素，但是若摄入量过多，会对人体的健康造成一定的危害［86-88］，宗良纲等［89］发现当土壤pH＜4.0时，土壤中水溶性F含量迅速增加，增加茶树对F的吸收。

4.4 影响微生物的活性

土壤中绝大多数微生物对酸敏感，所以在酸性条件下土壤中微生物的种类和数量均较少，而且活性很低，使一些重要的微生物酶失活，或者使细胞的蛋白质变性，影响土壤养分的转化［2，90］。

同时酸化土壤中高浓度的Al，也会毒害微生物，使微生物的活性丧失［91-92］。然而，土壤酸化也能使一些嗜酸反硝化细菌的活性增强，增加土壤N2O的排放［93］。

5 茶园土壤酸化控制措施

酸化的本质是释放到土壤中的质子使土壤酸化，因此，可通过产生质子和消耗质子之间的平衡关系来控制土壤的酸化过程［94］。

5.1 酸雨的控制

在地处酸雨地带的茶园，种植矮牵牛花可以吸收大气中的SO2和NOx，减少酸雨的形成［95］。同时，酸雨中含有的SO2和NOx可以通过脱S技术和对汽车排气装置进行改进，减少SO2和NOx的排放［96］。

5.2 合理施用氮肥

茶园施肥方式极不合理，重化肥、轻有机肥现象严重，尤其是生理酸性肥料的施用，是造成土壤酸化的重要原因之一［36，55，97-98］。施用铵态氮肥加速了土壤酸化，且土壤酸度随氮肥用量增加而增加［99-100］，因此合理的投入氮肥既能保证作物的产量，又能降低土壤硝化作用，减少质子供体，降低土壤的酸化作用［99］。

5.3 施用化学改良剂

5.3.1 白云石粉等

施用石灰等碱性物质改良农田土壤酸度是酸性土壤地区的一项传统农业措施［101］，但用石灰来改良土壤的酸度成本较高，研究指出1 kg的铵态氮需要7.2 kg的CaCO3来中和，而且施用石灰虽然可以矫正土壤的 pH值，但对茶叶产量和品质的提高不明显，若施用不当，还会产生不利影响［33］。而采用白云石粉（CaCO3+MgCO3）效果较好，尤其对于长期施氨态氮肥而引起缺镁的茶园，施用白云石粉既改善了土壤的酸度，同时含有钙镁离子增加了土壤的阳离子交换量［1-2］。

5.3.2 生理碱性肥料

对于强酸性的土壤可以施加生理碱性肥料来改善土壤的酸度，如钙镁磷肥、硝酸钾和草木灰等，施入到土壤时作物吸收其中的阴离子多于阳离子，使土壤中残留了较多的 Ca2+、Mg2+、Na+、K+等，可以增加土壤的阳离子交换量，提高土壤的酸缓冲容量（ANC），使土壤pH值升高［102-103］。

5.3.3 有机物料

一些农作物秸秆等农业有机废弃物可以改良土壤酸度［104-107］，有机质能够增加土壤的 pH值［104］，通过有机氮的矿化和有机阴离子的脱羧作用（灰化碱的释放），消耗质子使pH升高［108-109］；而硝化作用释放质子，使土壤pH降低，所以pH的变化主要取决于灰化碱的含量与土壤中氮素的转化［37，110-111］。另外，有机物和土壤矿物对离子的吸附与解析对土壤pH的变化也起到一定作用［112］。此外，有机质能够与Al结合形成复合物降低了土壤中Al的饱和度，从而改善了土壤的酸度，减少了Al的毒害作用［113］。

生物炭能显著改良茶园土壤的酸度［114-115］，添加植物凋落物、残留物和秸秆来改良土壤酸度，且效果显著［37-38，116］，但农业废弃物及其衍生物对酸性土壤的改良研究大多停留在室内模拟阶段，离田间实际应用还有较大差距［51］。

6 展望

土壤酸化是土壤退化的重要过程之一，多年来，科学工作者在茶园土壤酸化领域已开展了大量的研究工作，但由于土壤自身的复杂性和茶园土壤环境的特殊性，对茶园土壤酸化的研究仍落后于其它作物，今后对茶园土壤酸化的研究可以从以下几个方面考虑：

6.1 土壤酸化是一个复杂的过程，主要是由于产生和消耗H+不平衡所致。与其它旱地相比，茶园是一个非常独特的生态系统。茶树是叶用作物，需要向茶园投入大量的氮肥来保证产量。茶树是多年生作物，每年进行1～2次修剪，剪下的枝叶以及茶树凋落物均归还茶园，且茶树叶片中富含Al、F和多酚类等物质，这些物质进入土壤更加复杂了茶园物质的循环过程。化学肥料和茶树凋落物拥有各自的生物地球化学循环途径，使进入土壤的质子源不同、产生的净质子数不同，驱动土壤酸化贡献率大小也不同，因此应该进一步探究化学肥料和茶树凋落物对土壤质子的输入和输出途径，通过质子负荷来核算他们对茶园土壤酸化的贡献率问题。

同时由于茶园土壤特殊的生产措施，如采茶季节对土壤不断的踩踏使土壤容重、三相的组成及比例等物理性质发生很大变化。大量氮肥的投入和茶树凋落物还园使土壤的化学变化途径变得复杂，土壤物理化学环境的改变，必然会引起土壤中微生物的数量与活性发生变化，这个循环过程随着茶园内部和外在的环境而改变。从茶园自身的特点出发，综合、平衡各种因素，最后要建立一套适合茶园自身特点的土壤酸化评价方法。

6.2 目前对酸性土壤的改良有无机改良剂和有机改良剂，但长期施用无机改良剂的土壤，生物活性不高、底土改良不彻底、养分元素不均衡等土壤理化性质恶化显现。而农作物秸秆等农业有机废弃物对土壤的酸度具有明显的改良作用，这种改良作用不仅通过增加土壤有机质来提高土壤CEC，而且植物物料或多或少含有一定量的碱性物质，能对土壤酸度起到直接的中和作用，提高土壤pH，并可在短期内见效。也有不少研究通过一些生物措施来改良和修复酸性土壤，通过土壤动物、植物和微生物对酸化土壤进行修复。然而其效果的持续性、底土改良的难度大、作物品质的不保证性等都存在一定的问题，对今后研发酸性土壤改良剂或调理剂，需要综合各个方面的因素，确保改良效果的持续性，不影响作物的品质最好还能提高作物的品质，最重要的是能大规模的投入大田生产模式。

6.3 土壤酸化是一个长期的过程，目前关于茶园研究大部分都是盆栽试验，或者大田短期试验，试验周期都较短，其产生的酸化机制有别于长期效应，因此茶园土壤酸化研究应该在长期定位试验条件下展开。

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Research Progress and Prospects on Soil Acidification at Tea Plantations

YANG Xiang-de1，2，SHI Yuan-zhi1，YI Xiao-yun1，MA Li-feng1*
（1. Tea Research Institute， Chinese Academy of Agriculture Sciences， Key Laboratory of Tea Biology and Resource Utilization of Tea， Ministry of Agriculture， Hangzhou， Zhejiang 310008， China；
2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081， China）

Acidic soil is one of the essential requirements for tea growth. Soil pH between 5.0 and 5.5 is considered ideal for the plantations， and an acidity beyond the optimum level can be detrimental for the plant development. Globally， increasing soil acidity due to changes in the environment and human activities threatens the agriculture. This paper reviews the current status on soil acidification at domestic as well overseas tea plantations in the past decades； analyses the main culprits that caused the phenomenon；expounds the adverse effects on the plant growth； and summarizes potential approaches for improvements. A conclusion was drawn from the studies in regard to the direct relationship between soil acidification and continual application of chemical fertilizers. Nitrogen fertilization was seen as the most critical factor in the acidity increase， which resulted in a decline on soil fertility and rise of heavy metal contents at tea plantations with a long term impact on the quality as well as quantity of the tea they produced. Hence，application of organic fertilizers was highly recommended in order to alleviate the undesirable effect brought about by the chemical fertilization and to control the soil acidification. Direction for future research is discussed as a conclusion of this review.

tea plantation； soil； acidification； improvement measures

S606

A

2015-08-11初稿；2015-09-23修改稿

公益性行业（农业）科研专项经费项目（201303012）；现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-23）；中国农业科学院科技创新工程（CAAS-ASTIP-2014-TRICAAS-0X）；浙江省基金（LY13C150002）；中国农业科学院基本科研业务费预算增量项目（2013ZL023）。

杨向德（1989-），男，硕士研究生，从事茶树生理与营养调控的研究。E-mail：565833509@qq.com

E-mail： malf@mail.tricaas.com