设施土壤酸化研究现状、产生机理及防治措施

谷端银高俊杰焦娟王秀峰(．泰安市农业科学研究院， 山东 泰安 27000； 2．山东农业大学园艺科学与工程学院， 山东 泰安 2708；3．作物生物学国家重点实验室， 山东 泰安 2708)

设施土壤酸化研究现状、产生机理及防治措施

谷端银1高俊杰1焦娟1王秀峰*2，3(1．泰安市农业科学研究院， 山东 泰安 271000； 2．山东农业大学园艺科学与工程学院， 山东 泰安 271018；3．作物生物学国家重点实验室， 山东 泰安 271018)

本文综述了设施(塑料大棚、日光温室、玻璃温室等)土壤酸化的现状，分析了其产生的原因以及土壤酸化对设施土壤养分、设施内作物病害发生等的影响，并提出了具体的防治措施。

设施;土壤酸化;研究现状; 产生机理; 防治措施

设施蔬菜生产的目标是通过改良小气候环境，为蔬菜生产提供合适的生长条件，从而增加复种指数，使蔬菜早熟、高产，以达到调节淡季、均衡上市，提高效益的目的[1]。设施蔬菜生产由于设施特殊的建造结构、高度集约化的生产、无雨水淋洗等特点，再加上人为的不合理种植和施肥，设施土壤的物理、化学和生物学特性均发生了很大的变化，使得土壤恶化，导致连作障碍。喻景权等[2]认为造成蔬菜连作障碍的主要因素有三个方面：土壤理化性质的劣化；土传病虫害；植物的自毒作用。在土壤理化性质劣化方面，对于设施土壤盐渍化、养分不平衡等研究较多 [3，4，5，6，7]，近年来设施土壤酸化问题越来越受到研究者的重视[8，9，10，11，12]。由于酸化对土壤生产力的提高及对生产环境和人体健康存在的直接和潜在的威胁，因此对土壤酸化的研究还是应该引起高度重视。

1 设施土壤酸化的现状

设施土壤是指玻璃温室、塑料大棚和日光温室等园艺设施土壤的总称。设施土壤在覆盖结构之下，与大田土壤相比，其内部生态环境及水热平衡发生改变，土壤的理化性质也发生变化。设施土壤酸化即是其体现之一。Van认为土壤酸化主要指土壤中的H+和Al3+数量增加，导致阳离子库的耗竭[13]。研究表明，设施土壤pH值随种植年限延长多数呈降低趋势，致使土壤酸化。于群英[14]测定了皖北地区典型设施土壤的 pH 值和交换性酸，发现菜地土壤的酸化与土壤类型有关，潮土菜园土经过10 年耕作变成酸性土壤，砂姜黑土菜园土经过5年左右耕作变成酸性土壤，土壤 pH 值与种植蔬菜时间呈正相关。据李俊良调查研究[15]，寿光种植13年的大棚土壤pH值有的下降到了4．31。而梁成华[16]对辽宁大棚土壤研究表明当地大棚土壤pH值比露地土壤仅降低0．5(大棚土壤pH值6．1，露地土壤pH值6．6)。孟鸿光等[17]对沈阳城郊温室土壤特性调查时也发现在大棚、温室等不同的设施利用条件下，土壤pH值呈下降趋势。吴凤芝等[18]测得连作黄瓜4年的大棚土壤pH值为6．83，而连作25年的大棚土壤pH值下降至6．75，而露地土壤pH值为6．97，表明随种植年限增加，土壤pH值逐渐下降，但下降幅度较小。陈为峰[5]在对山东省大棚土壤内外pH值测定后，也发现大棚种植后，棚内比棚外pH值均有不同程度的下降，下降幅度在0．12～2．05之间。曾希柏等[9]发现寿光设施菜地土壤pH值在12．7a前逐年降低，12．7a后则土壤pH值出现升高趋势。王玉宝[19]发现设施甜樱桃园土壤pH值随着种植年限的增长呈下降的趋势，并且土层越浅下降越明显。陈洪江等[20]发现威海设施菜地土壤pH值＜5．5的酸化比例为69．77%，pH值＜4．5的强酸化比例为18．15%，pH值最低达到3．9，酸化现象较为严重。

2 设施土壤酸化的可能机制

设施土壤酸化与大田土壤酸化机制不同。导致大田土壤酸化的原因有自然因素和人为因素。土壤自然酸化非常缓慢，人为活动的影响大于自然因素。而影响土壤酸化的人为因素一是由于大气环境污染导致酸雨产生，酸雨地区的土壤酸化速度增快[21，22]。不当的农业措施是导致土壤酸化的另一原因。Cregan PD et al[23]明确了这些措施主要有种植豆科作物和牧草、收获的动植物产品从土壤中移走碱性物质、化肥的大量施用等。沈月[24]对辽宁地区棕壤酸化研究发现长期施肥对土壤pH值影响较大，与不施肥相比，连续施用尿素(270kg N·hm2)27年土壤pH值下降1．31个单位，土壤缓冲容量降低3．87 mmol kg-1pH unit-1。随着尿素施用量的增多，土壤交换性酸和交换性铝的含量呈增加趋势。王嫒华等[12]通过采取人为模拟酸化和盐基淋失( 自然洗盐) 过程，研究发现积盐酸化与露地酸化本质上是相同的，但在等量酸加入时，设施内积盐土壤耕层酸化更快，酸害更严重，且易积盐。由于设施栽培的特殊性，导致设施土壤酸化的原因是十分复杂的。这些可能的酸化机制主要包括以下几个方面。

2.1 施肥

2.1.1 大量施入生理酸性肥料

生理酸性肥料如硫酸钾、硝酸铵、氯化铵、硫酸铵、碳酸氢铵等在施用后，K+、NH4+被作物根系选择性吸收后，酸性阴离子如SO4

2－、Cl－、NO3－等与土壤溶液中游离H+结合形成强酸，导致pH值下降，土壤酸化[25]。曾希柏等[9]发现设施菜地土壤中SO4

2－含量与土壤pH值存在极显著负相关(相关系数达0．5508)。朱建华等[26]研究结果表明，施用复合肥可不同程度地降低表层土壤的pH值，土壤酸化随时间的推移加剧。而李海云[27，28]研究设施阴离子对黄瓜的影响时发现，施肥量越大，土壤EC值呈上升趋势，而pH值呈下降趋势，而这与施肥品种无关。在同一施肥水平下，以不施肥为对照，各处理分别施用含SO4

2－、Cl－、NO3－的肥料，发现对pH值的影响是Cl－＞SO4

2－＞NO3－＞CK。邹长明等[29]比较了长期施用含硫和含氯肥料对土壤酸化的影响差别，发现施用含硫肥料更易使土壤酸化，pH值变化呈“平衡－突破－平衡” 趋势。土壤胶体使土壤具有强大的缓冲性能，使土壤的活性酸度(即pH值)与交换性酸度处于一种动态平衡状态，由此可防止土壤pH值剧烈变化。但当H+积累到一定程度后，这种动态平衡被破坏，于是发生突变，然后在新的基础上达到新的平衡。韩江培[30]在研究设施栽培条件下土壤酸化与土壤盐渍化耦合发生机理时发现，当阴离子为Cl-时，各阳离子对设施土壤均有一定的致酸作用，作用顺序：Ca2+＞NH4+＞Mg2+＞K+＞Na+。随着各阳离子浓度的增加，土壤pH值下降幅度增加。

2.1.2 过量施入氮肥

过量施入氮肥是致使土壤酸化的重要原因。葛晓光等[31，32，33，34]在14．5年施肥条件下菜田－蔬菜生态系统变化研究中发现，耕作土壤随施氮量的增加土壤pH值呈下降趋势，有机肥的施用可以减轻无机氮肥对土壤的酸化作用。

而铵态氮肥的过量施用是加速土壤酸化的主要原因。徐仁扣等[35]证明铵态氮肥用量达80kg．hm-2时土壤酸化加速。而有调查分析表明[36]，我国年有机肥(禽类或人粪尿)使用量，一般90～120m3．hm-2，最高用量超过150 m3．hm-2；化肥投入一般在7500 kg．hm-2左右，高者达15000 kg．hm-2，这远远超过蔬菜的吸收量。大量铵态氮肥施入土壤后，铵根离子一部分被植物根系及土壤微生物所吸收，另外部分参与硝化作用[37，38]。植物每吸收一个铵根离子将置换为一个氢离子，土壤溶液中氢离子数量增加。硝化过程中，NH4+和NO2

-的氧化过程都会释放出H+[39]，土壤溶液中氢离子数量增加，导致土壤变酸。设施土壤表现出pH值随硝化活性的增强和NO3－积累量的增多而下降[40]。Shen et al[41]同时通过温室内盆栽黄瓜-番茄试验研究发现过量施用氮肥导致矿质元素N的积累，显著降低了土壤的pH值，导致产生次生盐渍化及土壤酸化。Han et al[ 42]又比较研究了寿光和宁波不同初始pH值及温室不同种植时间下，寿光和宁波设施土壤表层(0～20cm)和亚表层(20～40cm)均表现出明显的酸化和盐渍化现象，同时发现寿光设施土壤酸化主要是因为过量施用N肥及K肥导致土壤中的Ca2+和HCO3

-下降所致，土壤pH值与Ca2+和HCO3-比例显著相关。

2.1.3 施入未腐熟的有机肥

为增加有机肥施用，菜农大量施用猪、牛厩肥和畜禽粪便。肖辉等[43]研究发现施用腐熟的鸡粪、猪粪能提高土壤pH值。但很多菜农施用的有机肥未腐熟，这些未腐熟的有机肥在分解过程中可能产生大量的有机酸和二氧化硫，二氧化硫遇水或设施土壤条件下转化为亚硫酸和硫酸，也会使土壤酸度增大[44，45，46，47]。研究表明有些植物残体或凋落物在分解过程中可以产生致酸物质[48]，这些废弃的有机物作为有机肥施入也可导致设施土壤酸化，降低了土壤的可持续性[49]。

2.2 根系分泌物

植物不仅可以通过矿质元素的生物循环、吸收、转运、凋落、回归等因素影响土壤酸度，还可以通过根系的选择吸收分泌物直接影响土壤环境[50]。已有文献从不同侧面涉及植物对土壤的酸化作用机理，例如段雷等从不同植被对养分的吸收探讨植物对土壤的酸化作用[51]。

植株分泌的大量有机酸会导致土壤矿物分解加速和阳离子的溶出，土壤胶体溶液中阳离子的淋失加速，导致土壤酸化[52]。现已鉴定出植物根系分泌物的低分子量有机酸主要包括草酸、柠檬酸、琥珀酸、苹果酸等[53]。植物分泌有机酸的种类和数量因植物品种、生长期及部位等而存在不同[54]。

2.3 灌水方式

设施蔬菜种植需要大量的水分，因此设施蔬菜灌水次数相对露地增多。随着灌溉水分的在设施土壤中多次下灌，部分阴离子如NO3

－下移并有可能淋溶出根区，而H+则留在表层土壤中[35]，也可能是导致设施土壤酸化的原因之一。

2.4 微生物比例失调

由于设施种植作物单一，形成了特殊的环境，使一些硝化菌、氨化菌等有益微生物受到抑制[45]。日本胜又广太郎等[55]认为，设施内由于连作引起微生物组成变坏，主要是细菌和真菌比例问题，细菌增多会引起土壤酸化。Shen et al[41]试验结果显示，在同一个种植季，随着氮肥的增多，微生物功能多样性显著降低。2.5 与碳循环有关的土壤和植物过程

设施栽培种植复种指数较高，蔬菜茬次密集，设施栽培作物的收获从土地上不断移走是碳循环导致土壤酸化的主要方面。在设施作物的生长过程中，植株体内会积累有机阴离子(碱)[56]。设施蔬菜的产出量高，从土壤中带走了过多的碱基元素，当蔬菜收获时，使得土壤向酸化方向发展。

3 设施土壤酸化的影响

3.1 对土壤营养成分的影响

土壤酸化会加重铝和锰的毒害[57，58]，而容易缺乏Mg、Ca、Zn、Mo等元素。土壤酸化可增加Ca2＋、Mg2＋的淋溶，进一步使土壤酸化加剧[59]，对设施生产造成不利影响。曾路生[60]对寿光设施土壤研究发现，有效态重金属含量与土壤pH值变化表现出显著或极显著的负相关性。

3.2 对园艺植物病害发生的影响

酸性土壤滋生真菌，根际病害加重，且控制困难。村上圭一等[61]发现土壤类型和土壤pH值对十字花科植物根肿病有一定影响，同一类型的土壤，pH值则影响病原菌密度和发病程度。徐林华等[62]开展了设施土壤酸化与根肿病的防治研究。一般认为，土壤酸化使得茄果类蔬菜的青枯病、黄萎病增多[63]。而廖咏梅等[64]发现抑病作用与土壤pH值大小的关系不很明显。马铃薯疮痂病与pH值有较明显的关系，通过调节pH值，可以控制该病害的发生[65]。在酸性缺钙土壤上，大白菜发生心腐病、番茄脐腐病，黄瓜霜霉病等。同时，由于土壤结构被破坏，土壤板结，理化性质变坏，使蔬菜抵御旱涝能力减弱，也易使其发生各种病害。

3.3 对园艺植物产品品质的影响

土壤酸化较严重时，土壤活性铝、锰等元素因活化而在土壤中含量增加，可降低蔬菜根系细胞分裂及呼吸作用，甚至引起植株中毒等，使设施蔬菜产品品质降低。土壤酸化时较多的氢离子也对蔬菜吸收其它阳离子产生一定的拮抗作用[63]，影响蔬菜品质。

4 设施土壤酸化的防治措施

设施土壤酸化影响土壤养分的平衡，使蔬菜生长受到抑制，产量、品质降低，影响收益；严重时，还可引起各种病害，威胁到设施蔬菜的生产与发展，应引起重视并加以调控。

4.1 合理施肥

根据设施土壤特性和设施栽培作物的需肥特点合理施用肥料，预防土壤酸化。

4.1.1 合理施用大量元素肥料，增施中微量元素肥料

设施种植因产量高和复种指数高，施肥量远远高于露地。在用肥方面存在不合理的现象，即氮肥施用过量，而磷钾不足，中微量元素肥料更少。因此，根据设施用肥的特点，不同生长期应选用不同配比的肥料，生长期以氮磷肥为主，品质形成期以磷钾肥为主，进行配方施肥。同时，适时增施中微量元素肥料。

4.1.2 施用腐熟的有机肥和生理碱性肥料

施用腐熟的有机肥科有效增加土壤有机质含量，改善土壤质地，提高土壤缓冲性能[58]，防止土壤板结。合理施用生理碱性肥料和中性肥料，如尿素、钙镁磷肥等；不宜过量施用硫酸铵、氯化铵、普钙等酸性肥料。

4.1.3 施用生物肥料

生物肥料含有大量的有益微生物菌群，对土壤理化性质及生物群落有良好作用，同时使用微生物肥料可减少化肥用量，有利于无公害蔬菜的生产，避免土壤酸化发生。

4.2 施用土壤酸性调理剂或改良剂

土壤调理剂能调节土壤酸碱度、缓解土壤板结、改善土壤环境[66]。施用氰氨化钙可调节土壤酸性。氰氨化钙(CaCN2)俗名石灰氮或碳氮化钙[67]，可作为土壤酸性调理剂和土壤消毒剂使用，日本将氰氨化钙作为土壤消毒剂使用已有多年历史[68]。因为石灰氮施入土壤中后水解出Ca(OH)2，具有中和土壤酸性的作用，而中间产物氰氨和双氰氨具有杀虫、灭菌、供氮的作用。金震宇等[69]应用花生壳、碳化稻壳等改良剂设施土壤，有效缓解了设施土壤酸化。

4.3 合理轮作与灌溉

轮作是避免土传病害发生的良好农业措施，采取不同园艺植物轮作可有效避免土壤恶化。冬季温室作物大量施肥，到夏季揭膜后大量降雨使得土壤中的养分可能随雨水向土下流失，对土壤造成恶化，Shi W M et al[70]建议在揭膜前尽量通过种植作物将土壤中的养分尽量吸收，不仅可以提高经济效益，也可有效提高土壤的可持续性。同样，设施蔬菜生产过程中大量的灌水使得土壤中的碱性离子可能随水向土下流失，也易造成土壤酸化，在施肥方式避免大水漫灌，而应逐步采用滴灌、喷灌等方式，提高水肥一体化水平，提高肥料利用率。所以采用合理的轮作措施和灌溉方式，也能有效防止土壤酸化。

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谷端银 (1979- ),女, 农艺师,博士,研究方向为设施蔬菜与无土栽培。

山东省现代农业产业技术体系项目（SDAIT-05-09）、国家现代农业产业技术体系项目（CARS-25）资助。