土壤酸化的防护与治理研究进展

(四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065)

土壤酸化是指土壤中钙镁等盐基离子在被交换性氢铝离子替换后淋失的过程，是一个较迟缓的自然成土过程[1]，然而由于人为的缘故，加剧了这一过程。据统计，我国的酸性土壤以长江以南的亚热带和热带区域及云贵川等地分布为主，面积约为2.04×108hm2，占全国总面积的21.25%[2]。同时无论是森林和草地等自然植被条件下，还是果园、茶园、保护地和水稻等人为利用影响下，土壤均呈现酸化加剧的趋势[3]。因此，采取有效的防护与治理措施以减少土壤酸化对土壤质量的损害具有重要的意义。

1 土壤酸化的成因

土壤酸化的原因可分为自然和人为两方面，其中自然酸化是自然界普遍存在的也是不可避免的，是伴随着土壤生长和发育一个自然而缓慢的过程，人为因素则在很大程度上加剧了这一过程。

1.1 自然因素

土壤的自然酸化主要是剧烈的风化作用、土壤母质中碱性阳离子的流失和自然降雨等因素引起。我国长江以南地区降雨量较大，土壤淋溶作用剧烈，因此土壤酸化加剧现象也较我国其他地方明显。除此之外，土壤也可能由于微生物代谢活动产生的和植物根系吸收养分时在根系附近土壤分泌的酸性物质而自然缓慢酸化[4]。

1.2 人为因素

随着城市化和工业化进程的不断推进和高速发展，引发的酸雨和一些农业措施大大加速了土壤酸化的速率。

1.2.1 酸雨

酸雨，即pH值小于5.6的大气降水，又称酸沉降，主要包括酸雨等湿沉降和气体酸化性物SO2等干沉降。酸沉降主要是由于现代生产生活中燃烧化石燃料所产生的氮氧化物和硫氧化物，在大气中扩散后沉降到地面。酸雨所导致的土壤酸化具有致酸原因复杂、程度快、面积大等特点。因此造成的酸化土壤的修复与治理难度也较大。

1.2.2 不同的农业措施

农业措施在农业生产中不可或缺，一些不同的农业措施在日积月累的条件下也会加速土壤的酸化，这些农业措施主要包括[5]：

(1)化学肥料的不合理施用会加速土壤的酸化，尤其是氮肥的大量施用，这主要是由于施加氮肥后土壤的硝化等一系列作用产生的NO3-而引起的。不论是氮肥中的氯化铵等酸性肥料，还是碳酸氢铵和尿素等中性肥料，都会由于在NH4+被植物吸收后，剩余的酸根或产生的CO2溶于水而产生碳酸，导致土壤一定程度的酸化。

(2)移走植物产品或残体可致使土壤酸化。在土壤-植物系统中，植物根部从土壤中吸收各种营养物质的同时会分泌酸性物质或者OH-和HCO3-，以保证体系的平衡。然而这种吸收和分泌的均衡时间不会很长，因为植物最终会以将残体归还土壤的形式将碱性物质归还，但是由于人为活动，将植物产品或残体移走，导致土壤不能及时获得碱性物质，这时植物根系就会持续分泌致酸物质，导致土壤持续酸化。

(3)豆科类作物的大量种植。豆科类作物固氮作用会增加土壤氮的含量，然后在经过一些列矿化和硝化作用后产生的NO3-会提升土壤酸度，致使土壤酸化。

(4)研究表明在农业生产中，大水漫灌的灌溉方式在一定程度上会加剧土壤的酸化。各种灌溉方式相比，滴灌更利于减缓土壤酸化。这是因为采用滴灌方式时，下表层土壤水溶性盐分和硝酸盐的积聚程度较轻。

2 土壤酸化对土壤质量的影响

土壤酸化产生的最直观的影响就是土壤pH值的下降，其次主要影响土壤的肥力地力质量、健康质量等。

2.1 土壤酸化对土壤肥力地力质量的影响

土壤酸化会降低土壤的肥力质量，主要是由于Ca2+、Mg2+等盐基离子在H+的竞争下大量淋失，土壤的盐基饱和度随之下降，从而致使土壤肥力下降[6]。土壤酸化会促使2:1黏土矿物向1:1型高岭石的转化，加速矿物的风化，从而对碱性盐基阳离子和NH4+等的吸持能力减弱，导致土壤的保肥能力变弱[7]。

2.2 土壤酸化对土壤健康质量的影响

土壤酸化对土壤健康质量(指土壤对人类和动植物健康的影响能力)造成负面影响主要是土壤中活性铝的大量溶出和重金属元素的活化。

土壤中所聚集的H+与铝进行交换，使得土壤中的Al3+大量增加。当土壤溶液中活性铝达到一定浓度时，会抑制DNA的合成和有丝分裂，影响植物的细胞分裂，对植物根系造成的毒害尤为明显[8]。同时由于铝离子是多价离子，与土壤胶体的结合能力特别强，易置换土壤负电荷点上的盐基离子，使其在进入土壤溶液后被淋失。

土壤酸化会增加Pb、Cd、Mn等有毒金属元素的活性，因为在低pH值下，有毒金属离子的溶解度会增大，使其在土壤溶液中的浓度升高,这时有毒重金属元素会持续沉降和积累在表土层，从而致使土壤成为有毒的环境介质[9]。

3 土壤酸化的防护与治理

土壤酸化持续时间长且缓慢，在土壤酸化到一定程度后，就很难通过自身作用得以恢复，因此对待土壤加速酸化问题，减轻土壤酸化的危害可以从起因、经过、结果三个方面着手，也就是控制土壤源头、优化农业措施及已酸化土壤的改良。

3.1 源头控制

加剧土壤酸化的源头主要是酸沉降和化肥的大量施用。

控制酸沉降主要是要控制SO2、NOX等致酸气体的排放，对此，政府可以严格制定相应的排放标准，提倡积极运用太阳能等清洁能源，减少化石燃料燃烧，集成除尘和脱硫脱硝新技术，安装机动车尾气净化器，植树造林等。

1985年全国化肥施用总量为1775.8万吨，而2012年使用量达到了6293.8万吨，为前者的3.5倍[10]。可见我国的化肥使用量正在与日俱增。为了防止肥料的过度使用，可以采用测土配方的施肥技术，肥料分次施用，根区施肥以及选择良好根系构型的作物，都可在提高养分利用效率的同时减少化肥的施用量，同时也可以采用土壤和作物分析仪器开发(SPAD)指导施肥，实现施用时间和施用量与作物对肥料的需求最大程度地吻合，减少不必要肥料的施用[11]。

3.2 优化农业措施

农业措施是导致土壤酸化的重要人为因素之一，因此采用合理科学的农业措施来减缓土壤酸化和缓解已酸化的土壤显得格外重要。

3.2.1 合理的选择和施用肥料

由于施用化肥是直接从外部投加营养物质，因此能够快速改变土壤中的营养物质含量，针对土壤酸化的程度、所缺失的养分，结合农作物生长过程中所需营养元素及其吸收规律，合理地选择不同的肥料配合使用，可有效地节约肥料、培肥土壤，减缓土壤酸化[12]。

3.2.2 秸秆还田

植物产品及残留物的移除会带走碱性物质从而会加快土壤的酸化。秸秆还田则会通过归还碱性物质减缓土壤酸化。豆科类植物秸秆还田可以显著提升土壤pH值，其中含氮量低且灰分碱度高的豆科植物残体(如花生、蚕豆秸秆)对土壤酸度改良效果最好[13]。

3.2.3 合理选择种植作物及品种

由于植物适应土壤酸度的差异性，因此可以结合土壤的酸化现状，选择在此条件下适宜生长的作物进行种植。如在我国酸雨严重的南方地区，可以推广种植耐酸作物，与此同时，对存在潜在酸化趋势、酸缓冲能力弱或酸中和容量低等现象的土壤，应减少豆科植物的种植[14]。

3.2.4 合理的水分管理和耕作模式

合理的水分管理，可以有效减少养分淋溶和流失，在枯水期，采用滴灌的方式，在节约水资源的同时也可促进作物根系对营养物质的吸收；在丰水期，及时排水，避免淹水，以减缓土壤水溶性盐分和硝酸盐过度积累导致的土壤酸化[15]。

由于不同的作物对土壤中的营养物质具有不同的吸收意向和吸收能力，因此可以通过利用水旱轮作和间作套种等方式来均衡土壤中养分的消耗，调节土壤的肥力，从而缓解土壤酸化。

3.2.5 加强酸化状况监测制定分类调控方案

依附已有的农业监测资源，加强酸化现状检测，明确各地区土壤酸化的现状、土壤酸化敏感性及酸化临界点。与此同时，土壤的pH值在5.5～6.5之间的可划分为弱酸性土壤，应采取减小质子源和提高抗酸能力等方式来减缓或阻抗土壤酸化；对pH值低于5.5的酸性土壤，应着重采取提高土壤肥力的措施；对pH值低于5.0的强酸性土壤，可采取石灰等碱性物质与肥料并施来改良酸化土壤；同时，对处于不同pH值的土壤应进行跟踪检测，以便于及时有效地采取防治措施[16]。

3.3 酸化土壤的改良

对于已经酸化的土壤，必须采用一些特殊的措施来使土壤恢复到满足植物生长需求的养分和结构，目前运用的酸化土壤改良措施主要是化学改良和生物改良，针对不同的酸化土壤，应结合具体情况权衡利弊后选用适宜的改良措施。

3.3.1 化学改良

化学改良主要是运用土壤改良剂(调理剂)对其进行改良。酸化土壤改良剂的种类根据所采用的材料不同可以分为传统改良剂、工矿业固体废物改良剂、有机物料改良剂、新型改良剂和复合改良剂等。

传统改良剂主要是石灰或石灰石粉，施用一定量的石灰或石灰石粉不但能中和土壤酸度，改善土壤性质，而且可以降低Al等重金属的毒害，但施用石灰的弊端在于它的作用仅局限于20cm以上的表层土壤，因此所达到的修复效果通常不彻底，易返酸[17]。也不能长期和大量的施用石灰，因为石灰施用过量，会损害土壤结构，同时由于石灰只提供钙，这在一定程度上会降低镁、钾的含量，造成土壤板结，反而会加剧土壤酸化。

近年来，一些磷石膏、白云石、粉煤灰、磷矿粉、碱渣等工矿业副产物的使用也对酸化的土壤起到了改良作用。磷石膏的主要成分是硫酸钙，来源于磷化工行业的副产物，CARVALHO等[18]对酸性红土做玉米盆栽试验的研究表明，磷石膏的施用可以显著降低土壤酸度，这是因为磷石膏能够中和酸性土壤中的Al3+，并生成AlSO4+等稳定的化合物。白云石是一种富含钙镁的碳酸盐矿物，通过白云岩矿床开采得来。郭豪等[19]通过对种植烟草的辽宁丹东酸性土壤施撒白云石粉的实验表明，施撒后的土壤pH值明显升高，并且改善了烟草的生长性状，但注意不能施用过度，否则反而会抑制烟草发育。以上介绍的改良剂由于是工业副产品，因此价格低廉，原料充足，但是也会因此含有一定量的有毒金属元素，使用时可能会造成二次污染，因此在施用过程中应注意剂量和配比。

有机物料改良剂含有丰富的营养元素，可以提高土壤肥力，增加土壤微生物种类和数量并提高其活性，降低土壤交换性铝的含量，进而增强土壤对酸的缓冲能力。目前常用的有机物料有：农作物的茎杆、家畜的粪肥、绿肥及草木灰等。李忠意[20]对重庆涪陵榨菜种植区的酸化土壤进行研究得出，施用水稻秸秆和榨菜叶可以有效地改良酸化土壤，并以80 g/kg土水稻秸秆和400 g/kg土的榨菜叶使用量为最佳。但由于有机物料改良剂的产量较少，因此针对需要大面积改良的酸化土壤，实用性也受到了限制。

新型改良剂主要是指聚丙烯酰胺(PAM)、纳米羟基磷、丛枝菌根真菌等这一类高技术含量的新型酸化土壤改良产品。PAM可以增加土壤中大团聚体数量，提高土壤孔隙度，陈世军等[21]在对南方烟区酸性土壤的实验中发现，当施用量适当时，可以增加土壤对P、K的吸附，减缓其向下层土壤迁移，从而对土壤酸化的改良取得了较好的效果。但由于新型改良剂的成本较高，同时缺乏大量的工程实际应用，因此还有待进一步的开发与研究。

目前还延伸出了一些复合改良剂的研发和使用。Ren-yong Shi等[22]通过对生物质灰分(BA)、骨粉(BM)和碱性矿渣(AS)三种改良剂复合使用，对我国南方4个省的5种老成土进行了酸碱度改良和养分含量提高的培养试验。结果表明，BA、BM和AS的联合应用使五种老成土的pH值提高了0.63-1.37。

3.3.2 生物改良

生物改良主要是通过土壤动植物和微生物来改变土壤的孔隙度等物理结构和化学物质含量，从而实现改良酸性土壤的作用。徐超等[23]通过对野扇花的研究指出，野扇花在强酸环境下仍能够生存，并且可以显著改变土壤中的化学元素，提升酸化土壤的pH值。

张池等[24]综述了国内外关于蚯蚓对土壤修复作用的相关研究，蚯蚓在适应其生长的pH值范围内的活动及产生的粪便可以改善土壤结构、影响土壤团聚体的数量，从而提高酸化土壤的pH值。但由于动植物和微生物的生命活动能力有限，对酸化土壤的改良进程缓慢，需要的时间较长，因此大面积推广研究和使用受到了很大的限制。

4 结语

随着社会的不断发展，土壤酸化问题日益严重，同时土壤酸化往往也是造成土壤重金属污染的先决因素，因此改善土壤酸化现状已然箭在弦上。目前国内外已开展了许多关于土壤酸化及其改良的研究，并且也取得了很好的成果，同时我国也颁布了土壤环境保护法和“土十条”，对土壤的关注度日益剧增，但是目前所采用的酸化土壤改良仍以化学改良剂的施加为主，一些新型的酸化土壤改良方法尚缺乏实际应用。因此进一步探明土壤酸化机理，研发新兴土壤酸化改良技术，结合具体的酸化土壤问题，在前期土壤酸化预防的基础上，开发出更具实际应用价值的方法应对具有酸化趋势或已酸化的土壤是目前亟待深入探讨的问题。