改良剂对土壤酸化修复研究与展望

殷会德，石 岩

(青岛农业大学旱作技术/山东省重点实验室，山东 青岛 266109)



■研究进展

改良剂对土壤酸化修复研究与展望

殷会德，石 岩*

(青岛农业大学旱作技术/山东省重点实验室，山东 青岛 266109)

土壤改良剂在土壤修复方面应用十分广泛，能直接改变土壤pH值，间接的提高农作物的产量和品质。为推进土壤改良剂的应用，在前人研究的基础上，对改良剂的研究背景、土壤酸化的类型、土壤酸化的危害，以及酸性土壤改良剂施用效果研究进行了较为详细的综述，指出土壤酸化在农业生产中的危害，并对改良剂在农业生产中的应用前景进行了合理的展望。

土壤酸化；改良剂；土壤修复；农业生产

土壤酸碱度是土壤重要的化学性质，直接对土壤养分含量、养分有效性和土壤微生物活性造成影响，进而对作物的生长发育进程产生影响[1-3]。由于土壤溶液中H+和OH-不平衡导致土壤pH值小于6.5的这类土壤被称为酸性土壤[4]。土壤酸化是指在自然条件和人工条件下，土壤中H+浓度升高引起土壤pH值降低的现象，是土壤退化的一种重要形式，会导致土壤盐基饱和度下降，以及养分的淋溶，使土壤保蓄能力降低，进而造成土壤生产能力下降，并对水资源造成污染，已成为当前国内外农业生产与生态环境保护领域共同关注的一个焦点[5-6]。

土壤酸化是一个持续不断的自然进程，但人工条件使得这一进程大大加快[11]。对已经产生酸化的土壤，需要进行一些手段来改善，目前主要有两种改善手段，一是采用化学改良剂进行改善，另一种是采用一定的生物手段来达到改善的作用[12]。土壤改良剂也被称为土壤调节剂，一般用来改善土壤的理化性质，使之更适合农作物的生长和发育。目前改良剂种类繁多、效果不尽相同，根据其效果又具有不同的别称，如土壤结构剂能促进土壤团粒形成，土壤固定剂能防止水土流失，以及使用最广泛的调节土壤pH值的土壤调酸剂[13]。施用酸性土壤改良剂是快速有效解决土壤酸化问题的方法，对土壤修复具有重要而是深远的意义。为此，特对土壤酸化现状、土壤酸化的类型、土壤酸化的危害，酸性土壤改良剂施用效果研究进行了较为详细的综述，并对改良剂在农业生产中的应用前景进行了合理的展望。

1 土壤酸化现状

由于酸性土壤成因和降雨关系密切，所以我国酸性土壤主要分布在长江以南，但是随着工农业的快速发展，特别是近年来施肥过量和不平衡，在大多数耕地中，存在着不同程度的土壤酸化，从而降低了耕地的土壤肥力，不利于农业生产的可持续发展[6]。土壤酸化不但降低农产品品质，制约作物产量的提高，而且影响肥料的有效性。在我国酸性土壤中，低pH的酸性土壤占酸性土壤比例越来越大，酸性土壤上的土壤酸化现象在不断加剧[7-9]。酸性土壤不一定会出现土壤酸化的现象，但土壤酸化却可以发生在所有土壤中。目前影响土壤酸化的主要原因是受人类工业活动和农业活动的影响，主要形式是酸雨和肥料。酸雨是人类当前面临的最严重的环境问题之一。世界上大部分工业国都面临过酸雨威胁，而我国有将近一半的土地处在酸雨区。酸雨的威胁主要来自酸雨中的携带酸性物质，进入土壤从而引起土壤酸化。在工业迅速发展的情况下，大量工业废水、废渣等带有酸性污染物的排放直接加剧了土壤酸化进程。工业发展对能源需求导致大量矿物燃料的燃烧，大部分燃料燃烧产生的气体未经净化就直接排入大气，产生硫氧化物和氮氧化物，这些气体在大气中经过溶解氧化最终形成硫酸和硝酸进入土壤[10]。当酸雨中的酸含量大于土壤的缓冲容量时，土壤pH值开始下降。而在农用土壤中，引起土壤酸化的原因除了酸雨外还主要来自于肥料的不合理施用，而肥料中对土壤酸化影响最大的是氮肥施用。农田中作物连作以及牧草或豆科植物的种植也会导致土壤酸化的加剧。土壤酸化是一个持续不断的自然进程，但人工条件使得这一进程大大加快[11]。我国无论是自然条件下的土壤，还是人工条件影响下的土壤，均表现出酸化的趋势。森林植被覆盖下的土壤是生态系统可持续发展的基石，森林生态系统具有保证生物生产能力，保护环境质量和动植物健康生长等作用。目前我国森林酸化现象非常严重。我国中南部森林表层土壤pH为3.43～4.38，达到了极酸水平(pH<4.5)[14]。在经受多年酸沉降的影响下，重庆4种典型的森林生态系统表层土壤pH为3.87～4.47[15]。我国草地占总用地面积的40%，是欧亚草原的重要组成部分和主要的景观形式。草地在保持生态环境稳定，维持物种多样性和丰富社会经济活动等方面具有重要作用。目前我国北方草地表层pH显著下降，20年来土壤pH从7.84下降到7.21，下降了0.63，在土壤碳酸盐含量低的地区，土壤pH下降更严重[16]。

我国人口基数大，人均耕地面积少，长期存在着保障粮食安全的巨大压力，对土壤的利用强度远远高于其他国家，土壤酸化现象尤其突出。土壤酸化的日益加剧，使酸性土壤的占地面积大越来越大，土壤酸化危害越来越严重，严重影响了农业生产。自20世纪80年代以来我国农田土壤出现明显的酸化现象，农田土壤pH值平均下降了约0.5。在自然条件下土壤酸化是一个相对缓慢的过程，在短时间内通常难以直接观测到，需要几十年甚至几百年才能观测到土壤化学性质的显著变化[17]，而大量化学肥料的使用大大加速了农田土壤的酸化进程。

2 土壤酸化的类型

2.1 自然发生旳酸化土壤

自然发生的土壤酸化速度非常缓慢，酸化原因主要包括强烈的风化作用、酸性硫酸盐土、土壤母质中碱性阳离子的缺乏和自然降雨。从世界范围看，自然发生的酸化土壤主要分布在两大地区，一是热带、亚热带地区，二是温带地区。

土壤酸化是一个持续性的过程，受成土母岩的影响，在雨水的淋溶冲刷下，使盐基离子Ca2+等流失。我国南方地区降雨量大，降雨引起土壤中碱基化合物(主要为钙和镁)大量淋失，土壤交换性氢及铝含量大量增加，使土壤变酸，如我国红壤、砖红壤和黄壤属于由此类原因导致的酸化土壤。土壤微生物活动分解有机质生成的有机酸和二氧化碳，植物根系吸收养分的同时分泌的酸性物质，土壤微生物的代谢活动产生的有机酸，都可以引起土壤自然酸化[18]。

2.2 人为驱动的酸化土壤

与自然条件相比，人工条件则加速了土壤酸化进程，主要包括由于人类活动引起的酸沉降和集约化农业生产，已成为现阶段加重土壤酸化的主要因素。

酸性气体在空气中的大量排放，导致了酸沉降的加重。过去的两个世纪以来，矿物质的燃烧使得雨水中含有硫酸和硝酸形成酸雨，而且牲畜和工业的NHX排放对耕层土壤也有明显的酸化作用。也有证据表明火山喷发物质中的SO2和HCl对酸沉降也有一定贡献。大气中的酸沉降已成为世界上最严重的环境污染问题之一，对农业生产和自然生态系统都有很大的危害。

集约化农作物生产中，碳循环的不平衡和碱性物质的移除对土壤酸化有一定贡献。酸雨被认为是土壤酸化的主要原因，但在农田土壤酸化领域不重要，过量施用化肥才是影响农田土壤酸化的主要因素，特别是铵态氮肥的投入是最主要的酸化來源，铵态氮肥的酸化效用主要来源于硝化反应。酸化程度取决于氮源形态、硝态氮淋洗的比例以及植物吸收的氮数量。硫酸按的酸化程度要高于尿素和硝酸铵钙。土壤pH的降低，导致耕层和亚耕层可交换铝和锰的量著增加，高浓度的铝(Al3+)、锰(Mn2+)对作物产生毒害，铝离子首先危害作物根系生长，锰离子则主要对作物地上部产生危害，研究结果[19]表明过量施肥导致的土壤酸化，其危害效应主要体现在可溶性锰的增加，进而导致严重的锰毒，抑制植物的生长。

3 土壤酸化的危害

由于土壤中质子参与了几乎所有元素的循环，土壤酸化会导致质子平衡被打破，从而影响土壤元素形态的转变。大多数农作物种植的适宜土壤酸碱度范围在微酸性到中性之间。不同作物对土壤pH的适应性不同，但土壤酸化仍然严重影响作物根系的正常生长和发育。土壤低pH值对植物的正常生长和发育产生的影响是由直接影响土壤理化性质和微生物活性引起的。

3.1 金属离子溶出

土壤酸化会使土壤中的含铝矿物释放出大量铝离子，导致植物铝中毒。有研究表明，铝胁迫下的植物根系伸长生长受到抑制，根系吸收和运输功能及根系的酶活性迅速下降[20]。植物中铝浓度过高时也会抑制细胞有丝分裂和DNA合成，影响酶活，破坏细胞膜结构，抑制养分吸收等。在低pH值条件下，土壤中锰、铜、锌、镉、铅、铬等重金属离子溶解度升高，活性增加，当其浓度超过一定限度时就会使农作物发生重金属中毒现象，影响农作物生长发育，并对对农业生产和生态环境产生潜在威胁[21]。重金属的溶出不仅影响作物生长，还会通过植物吸收富集进入食物链，而多数重金属动物体内无法进行正常代谢，也无法排出，人和动物食用超过一定量后就会出现重金属中毒。

3.2 养分有效性下降

土壤胶体对钾、钙、镁等阳离子的吸附作用会随土壤酸化现象的加重而减弱，土壤酸化使土壤溶液中的Al3+不断排挤盐基离子导致土壤的盐基饱和度和阳离子交换量下降。土壤微生物的多样性和数量也会受到土壤酸化的影响，在强酸性土壤中几乎所有的微生物活性受铝毒害，土壤的低pH值会抑制土壤微生物的活性和数量[22]。由于土壤微生物直接参与了土壤中有机质的分解过程，因此土壤酸化影响微生物活性的同时间接影响了土壤中碳、氮、磷、硫这些元素循环的平衡性。植物根系对Ca2+和Mg2+的吸收还会受到酸性土壤中较高浓度的竞争性阳离子(H+、Al3+、Mn2+)的抑制。叶片中钙和镁含量也会出现随着土壤中H+的增加而显著减少的现象。

4 酸性土壤改良剂的研究进展

土壤改良剂也被称为土壤调节剂，一般用来改善土壤的理化性质，使之更适合农作物的生长和发育。目前所施用的土壤改良剂或多或少含有一些农作物生长所必需的营养元素，在缺素土壤上施用含有相应部分微量元素的改良剂还能起到为植物提供养分的作用。目前改良剂种类繁多、效果不尽相同，根据其效果又具有不同的别称，如土壤结构剂能促进土壤团粒形成，土壤固定剂能防止水土流失，以及使用最广泛的调节土壤酸碱度的土壤调酸剂。

4.1 石灰类改良剂

石灰矿在我国分布广泛，加之石灰生产工艺简单、价格低廉，在农业生产中施用石灰类物质非常常见。常见的石灰类物质主要有石灰石、生石灰、熟石灰等。施用这类改良剂可以迅速有效的提高土壤pH值，并中和土壤中的潜在性酸，降低土壤溶液中交换性铝含量，还能补充酸性土壤中缺乏的钙元素[23]。师超等[24]研究证明酸性土壤中施加石灰可以提高土壤pH值，增加养分有效性，改变土壤理化性质。Houle等[25]通过连续施加10年石灰后，发现石灰施用量与土壤pH值、阳离子交换量以及盐基饱和度有显著的正相关关系，但是却降低了土壤耕作层的交换性钾含量。Prietzel[26]和Børja[27]等对欧洲赤松施用石灰进行了研究，指出施用石灰在帮助森林土壤抵抗土壤酸化进程外还能显著提高叶片中的Ca含量。

但在酸性土壤施用石灰也有不足的地方，土壤长期施用石灰会导致加速土壤K+和Mg2+浸出，停止施加会出现更强的复酸化过程[28]。施用石灰还会加速土壤有机质中富里酸和胡敏酸分解，石灰施入后通过加速土壤C、N循环会降低土壤中的N含量，但Prietzel等[26]在森林土壤中长期施用石灰40年后却发现土壤表层有机碳和总氮含量在上升。此外由于石灰在土壤中移动性慢，施用石灰短时间内对深层土壤的改良效果有限，而且长期大量施用石灰容易形成CaSO4破坏土壤孔隙结构而导致土壤板结。单施石灰还有可能引起钙、镁、钾养分失衡而导致减产的同时也可能引起镁和铝水化氧化物的共沉淀，降低Mg2+的有效性。Brennan 等[29]研究结果表明尽管施用石灰可以有效调节土壤酸度，但同时也引起了土壤缺锌，导致作物减产，因此，用石灰进行酸化土壤改良时应注意补充锌肥，或者石灰和鸡粪配施，可以达到较好的改良效果，提高土壤C、N含量,保证土壤养分平衡。

4.2 工业和矿业副产品

人们研究发现，白云石、粉煤灰、磷矿粉、磷石膏、碱渣等矿物和淤泥、制浆废液等物质中含有碱性物质，可以中和土壤中的酸性成分，提高土壤酸碱度。因此这些工业和矿业副产品或废弃物也常常被人们用来作为改良土壤酸度的原料。白云石主要由结晶碳酸钙和碳酸镁构成，罗红香等[30]发现在酸性土壤上施加白云石粉，会使土壤pH、有效磷和速效钾含量均随白云石粉施加量的增加而增加。张国等[31]在研究白云石粉的粒径大小与改良效果之间的的关系时发现，白云石粉颗粒的粒径越小，用量越高，改良土壤效率越高，但粒径越小持续时间越短。在酸性土壤中适当施加白云石能增加土壤pH值，提高土壤中钙、镁离子的含量，并明显促进小麦、油菜的生长发育进程和提高农作物产量[32-34]，而且不容易发生复酸化的现象。李九玉等[35]通过在酸性土壤中施加粉煤灰、碱渣、赤泥和磷石膏对比改良作用，发现碱渣和赤泥可以替代石灰在酸性土壤中施加，除了能够降低土壤铝离子的毒害，提高土壤pH值外，长期在酸性土壤中施加白云石还不容易造成土壤镁、钾离子的缺乏。肖厚军等[36]发现在强酸性黄壤中施加磷石膏能明显改善高粱的营养状况，还能提高高粱叶片细胞膜保护酶的活性。黄兰芬等[37]研究发现，在酸性土壤中施加碱渣能明显降低交换性酸含量，少量施加碱渣能提高土壤有效磷含量，但在土壤中大量施加碱渣却会降低土壤有效磷含量。磷矿粉、磷石膏、碱渣在提高土壤pH值的同时，还可以为植物提供一些微量元素，但是这类产品在生产工艺上无法完全消除自身含有的少量重金属元素(Cd、Cr、Pb等)，田间长期大量施用会增加重金属积累的风险。魏贤[13]施用钢渣作为酸性土壤改良剂能提高小麦油菜产量，而且随着钢渣用量增加而增加。钢渣的施加可以明显提高酸性土壤pH值，在旱作土壤中施加钢渣后能降低碱解氮含量，但是对水稻土壤碱解氮影响较小。在不同轮作中，连续施用钢渣不会造成土壤铬、镉、砷有毒重金属的积累，也不会对作物可食用部分造成铬、镉、砷的污染，施用钢渣能降低水稻地上部茎叶和籽粒中的Mn含量，降低水稻锰中毒的风险。

4.3 有机改良剂

自古以来，人们就有目的的向土壤中施用有机物料以培肥改土。土壤中微生物活动能分解有机质产生多种有机络合物富集土壤养分，在提高土壤养分有效性的同时还增强土壤对酸碱的缓冲性。施用有机质能增强土壤颗粒凝聚性，改善土壤孔隙结构，增强土壤团粒结构。可以施加到土壤中的有机物来源十分广泛，除了农业生产中本身产生的动植物残体外，还有人畜家禽的粪便、绿肥和草木灰，以及由不同有机材料制成的生物炭等。生物质炭具备比较高的稳定性，不容易被土壤中的微生物分解，且生物质炭具备比较高的pH值，施加到酸性土壤中可以提高土壤pH值，降低土壤酸度[38]。赵牧秋等[39]在酸性土壤上施用不同材料制备的生物炭，发现生物炭能显著提高土壤pH值，同时其改良能力和生物炭碱性基团含量显著正相关。张祥[40]在酸性红壤和黄棕壤上施用花生壳制备的生物炭时发现，单施生物炭对作物生长和产量促进作用有限，生物炭必须配合肥料施用才能显著促进作物生长发育。张瑞清等[41]在酸性土壤中施加生物质原料及其生物质炭后，土壤交换性氢和交换性铝含量均较对照不同程度降低，均不同程度地提高了土壤pH值，降低了土壤交换性酸含量，并且这种作用随着生物质炭施加量的增大而明显提高。

易珊[42]研究发现，等量施用生物灰渣对酸性土壤的改良效果要优于石灰。谷健云等[43]将pH值为8.26的生物质灰渣施入土壤后，生物质灰渣中的碳酸钾与土壤溶液中游离的H+会发生反应，降低了土壤溶液中H+的浓度，从而提高土壤pH值。时仁勇等[44]在生物质灰对红壤酸度的影响中发现，生物质灰对红壤酸度的影响迅速有效。生物质灰的施加对土壤交换性氢的影响不大，但显著降低土壤交换性铝含量，钾、钙、镁等离子均明显改善，且作用效果随生物质灰施加量的增加而增加。由于生物质灰含有碱性物质，因此施加生物质灰能明显提高酸性土壤的pH，降低土壤交换性酸含量，对土壤酸度有较好的改良效果。

索龙等[45]将玉米秸秆施加到土壤中发现，土壤pH值的改变是由于灰化碱中和了土壤酸，随着培养的进行，灰化碱产生消耗，其对土壤酸度的改变作用逐步降低。张明等[46]在用不同种作物秸秆改良葡萄园酸性土壤的研究中发现，酸性土壤最终的pH变化值与作物秸秆中的灰化碱含量、盐基离子含量，以及氮含量呈正相关。

4.4 新型改良剂

随着土壤退化的加剧，土壤中的障碍因子越来越多样化和复杂化。目前，普通改良剂普遍存在功能单一、施用周期短和施用量大等缺点，针对这些缺点人们开始利用新型分子材料研究新型人工合成改良剂。如水解聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、纳米羟基磷、聚乙烯醇等一系列高分子聚合物。这类改良剂分子量虽然大，但由于分子结构比较特殊，比表面积大，难分解，作用时间长。随着人们环境意识的提高，越来越多的人开始关注这种新型的高效无毒改良剂。聚丙烯酰胺依靠其分子中亲水基团和疏水基团的翻转作用在土壤中形成水包膜来提高土壤的持水量，聚丙烯酰胺对土壤的保水作用与其用量成正比关系，同时聚丙烯酰胺可以提高酸性土壤对氮、磷、钾的吸附作用，减少土壤养分的流失[47-49]。张宏伟等[50]在土壤中施加用腐殖酸、丙烯酸和丙烯酰胺的共聚物，结果不同程度的改善了土壤阳离子交换量和pH值。纳米羟基磷因为可以吸附溶液中的铜、锌离子而在重金属污染修复中广泛应用[51]。

5 土壤改良剂存在的问题

近年来，我国土壤改良剂的发展和应用呈现出一种上升的趋势。例如，当前施用比较多的高分子土壤改良剂，虽然这类改良剂吸水保水能力强，但成本较高，功能单一，反复使用性能差。土壤改良剂的作用非常多，改善酸性土壤的效果也非常明显，但还存许多问题。

土壤改良材料大多集中在天然和人工合成的物质，而很少对生活垃圾和废弃物进行利用，导致大量土壤改良的廉价原材料被废弃，造成改良剂产品材料单一。土壤改良产品大多是通过一两年的试验就得出研究结果，并没有对土壤环境和农产品质量变化进行长期的研究，也没有进行长期的定位跟踪试验和数据验证。而且缺少对不同土壤改良剂增产、增效、改土机制的研究，导致许多改良剂的作用机制不清楚。

酸性土壤障碍因素较多(pH、结构、养分、水分等)，而且大部分的改良剂基本上单独使用，复合度低，增加了包装、运输和人工成本，因此，对于各种酸性土壤障碍因素，结合植物特性，开发多功能改良剂、营养型改良剂以及功能肥料将更加经济适用。

6 展望

我国人口众多，人均资源占有量少。土壤酸化的日益加剧，酸性土壤占地面积大，土壤酸化危害严重，这些土壤问题又时刻在严重影响着我国农业生产的发展。施用酸性土壤改良剂是快速有效解决土壤酸化问题的方法，对缓解我国农业生产的巨大压力有重要意义。新型改良剂的开发和应用是解决越来越复杂多样化的土壤问题的重要方法，随着对改良剂的推广和深入研究，不同类型的改良剂逐渐由单独施用变成复合施用，不仅起到了更好的改酸效果，同时能够应对更为复杂的土壤环境和农业需求。土壤改良剂具有广阔的市场前景，在面对未来复杂多样的土壤问题，改良剂一定会发挥出越来越重要的作用。

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Research and Prospect of Amendment on Soil Acidification and Remediation

YINHui-de，SHI Yan

(Dryland-TechnologyKeyLaboratoryofShandongProvince,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingdao,Shandong266109,China)

Soil conditioners are widely used in the aspect of soil restoration.They can directly change the soil pH value, and indirectly improve crop yield and quality. In order to promote the application of conditioner, this article that is on the basis of predecessors' research is mainly discussed the research background, the type of soil acidification, the harm of soil acidification and fertilizing effects, and pointed out the harm of soil acidification in agricultural production, and looked application prospect of agricultural production.

soil acidification; amendment; soil remediation; agricultural production

2016-06-25

殷会德(1990- )，男，在读硕士，研究方向：旱作高产栽培生理。

石岩，教授。