土壤酸化及其调控研究进展

本文综述了近30年来国内外在土壤酸化及其调控方面的研究进展。重点介绍了土壤自然酸化过程及其酸沉降、铵态氮肥、作物生长和土地利用等对土壤酸化的加速作用;土壤酸化对土壤肥力、养分循环和土壤生物的负面影响;土壤酸化的预测和控制及酸化土壤的改良和修复。本文可为我国南方酸化红壤的改良、利用和管理提供参考。     

酸沉降对生态环境的影响

阐述了酸沉降产生的原因及其对生态环境和人类健康的影响,指出由于矿质燃料的燃烧、人为排放SO_2和NO_x导致气溶胶和云雨逐渐酸化。当森林暴露在高浓度SO_2和NO_x下时森林会衰退,表现为叶片发黄和落叶甚至死亡,土壤持续酸化导致盐基离子淋失和土壤溶液中铝离子富集是森林衰退的主要机制,土壤养分亏缺也是森林衰退的主要原因。在酸沉降敏感地区水体酸化和铝离子富集造成湖泊和河流严重酸化及鱼类大量损失。酸沉降与气态污染对水生与陆地生态系统造成大面积损害,并影响到人类的健康。     

有机肥替代化学氮肥提升红壤抗酸化能力

  【目的】  长期过量施用化学氮肥加剧了红壤区农田土壤酸化,严重制约着该区域农业的可持续发展。施用石灰和有机肥是防治红壤酸化的主要措施,我们研究了有机无机肥配合提高红壤抗酸化能力的作用与机理。  【方法】  本研究基于2009年在湖南祁阳中国农业科学院红壤站开展的有机肥替代化学氮肥长期定位试验,其中4个处理分别为单施化肥(由于酸化严重,于2018年底添加石灰改良)、有机肥替代化肥氮20%、40%和60%,供试有机肥为猪粪。采集2018和2020年的土壤样品,分析各施肥处理红壤pH、交换性酸铝、阳离子交换量、有机质、酸缓冲能力等指标的变化及相互关系。  【结果】  至2018年,单施化肥处理较试验之初土壤pH降低了0.48个单位,交换性酸、铝分别增加了2.74和1.06 cmol/kg;添加石灰改良后,土壤pH升高了0.58个单位,交换性酸、铝分别降低了2.62和1.45 cmol/kg。有机肥替代化肥氮40%和60%处理均可有效防治红壤酸化,其中以替代60%处理效果最佳;至2020年60%有机替代处理土壤pH较初始值提高了0.78个单位,交换性酸和交换性铝分别降低了1.10和1.25 cmol/kg。有机肥替代化肥氮40%和60%处理较单施化肥处理显著提高了土壤阳离子交换量,而石灰改良前后土壤阳离子交换量无显著变化。土壤酸缓冲曲线表明,土壤交换性铝含量随着pH的降低而显著升高,单施化肥、有机肥替代化肥氮20%、40%和60%处理的斜率分别为2.71、2.42、1.93和0.16;土壤交换性铝对pH响应斜率与土壤pH、交换性镁、阳离子交换量、交换性钾、有机质含量呈极显著或显著负相关关系。  【结论】  有机肥替代40%以上化学氮肥既能防治红壤酸化,又能提升红壤抗酸化能力。土壤阳离子交换量和有机质可能是导致土壤交换性铝对pH响应差异的主要因素,即阳离子交换量和有机质含量高的土壤pH降低1个单位时,交换性铝增幅较小,但其作用机理还有待进一步研究。     

不同施肥制度对南方旱地红壤微生物组结构和功能影响研究进展

土壤微生物组在促进土壤养分循环、提高土壤固碳能力和维持土壤肥力等方面具有重要的作用。红壤是我国南方重要的耕地资源,但其有机质含量低、水土流失严重,且面临着土壤酸化导致的活性铁铝增加、作物生长受限和微生物活性下降等严峻问题。我国近年来基于红壤旱地长期定位试验和短期培育试验开展了很多工作,在通过调控红壤微生物组以缓解土壤酸化、增加有机质含量和提高氮磷养分有效性方面取得了突破性进展。本文综述了红壤区农田土壤微生物组结构的主要驱动因素,回顾和比较了长期施用化肥、有机肥和有机无机配施等不同施肥制度对我国南方旱地红壤微生物组结构和功能影响的研究工作,阐述了有机培肥制度对红壤微生物群落多样性的积极效应;总结了配施有机肥在提高红壤有机碳周转功能类群和氮磷代谢功能类群丰度,促进红壤有机碳分解、维持有机质稳定和提高土壤氮磷养分有效性等方面的重要作用;探讨了高多样性微生物群落中关键特殊性代谢功能对驱动微生物群落装配和维持土壤生态功能稳定的作用。最后,对我国旱地红壤微生物组未来的研究方向进行了展望,强调了可以通过改进微生物培养策略、明确微生物组不同类群的功能特征和驱动因素、充分挖掘农业微生物组资源、开发调控红壤微生物组的微生物肥料产品和高效农业管理措施来提高红壤养分循环效率、促进有机质稳定和降低铁铝活性,充分发挥微生物组在红壤耕地资源可持续利用与农业绿色发展中的作用。     

酸沉降下加速土壤酸化的影响因素

酸沉降对土壤和水域的酸化影响是土壤环境化学研究前沿的热点问题之一。酸沉降的化学组成对酸性土壤的进一步酸化起着催化剂的作用。在酸雨影响下，SO4^2-,NO3^-，有机阴离子是加速土壤酸化和盐基淋溶损失的主要阴离子，外源H^ 的进入会加速铝离子水解。自然因素与人为因素导致土壤酸化的实际酸化速率差异表明：HCO3^－，RCOO^－在土壤剖面中的淋失状况可反映自然土壤的酸化速率，而SO4^2－和N3^- 溶产生的质子负荷揭示土壤受人为因素影响的酸化速率。通过计算酸沉降的主要化学成分进入土壤前后的质子负荷平衡，与酸中和容量（ANC）相结合，反映酸沉降加速土壤酸化的进程。     

长期酸化对红壤中活性固相铝库大小及亏损程度的影响

用连续分级提取和反复多次酸提取方法研究了长期土壤酸化对红壤固相铝库中铝含量及亏损程度的影响。研究结果表明:嵊县红壤的活性铝库大于永春红壤和屯溪红壤;因永春红壤和屯溪红壤的酸化程度大于嵊县红壤,前两者的有机铝库和无机铝库都比嵊县红壤的亏损,因此反复酸提取过程中铝的释放量也比嵊县红壤少;当高强度酸输入土壤后,弱键合的有机络合态铝可快速活化并亏损,剩余铝库因活性小而释放速率减小,但长期酸化过程中,动力学控制的低活性铝库的活化可能对铝的溶解量仍有重要贡献。     

人为因为诱导下的红壤酸化机制及其防治

探讨了各种人为因素，如施用化学肥料、酸沉降、酸性矿坑水排放、土地利用以及植物被移去、皆伐、全树利用等诱导下的红壤酸化机制。通过比较分析，导致酸化发生的两个基本过程：一是增加H^ ，二是减少盐基；任何有利于这两个过程进行的人为因素都将导致或加重土壤酸化。对这种酸化提出了相应的防治对策。     

酸沉降与我国南方森林土壤的酸化

通过模拟酸沉降土壤连续浸泡试验，研究了我国南方5种森林土壤的酸化过程，并讨论了影响土壤酸化的几个因素。结果表明，土壤对酸沉降H^ 的中和能力，对酸沉降阴离子（SO4^2-和NO3^-）的吸附，土壤阳离子（Ca^2 ,Mg^2 )等盐基离子以及Al^3 )的风化，土壤pH和BS的变化，都在土壤酸化过程中有着重要作用。同时，酸沉降的酸度（pH值）是决定土壤酸化的主要因素，而酸沉降中高含量的盐基离子可能缓解土壤的酸化过程。结合土壤本身物理化学基本特性可以得知，福建土壤对酸沉降引起的酸化最为敏感；江西、湖南土壤次之；重庆土壤的酸化敏感性较弱；而贵州土壤对酸沉降不太敏感。     

退化红壤肥力障碍特征及重建措施Ⅰ.退化状况评价及酸害纠正措施

本文主要通过11年的长期定位试验,研究了退化红壤养分库(NPK)的重建措施及产量效果以及纠正酸害(铝害)的途径.本文为第一部分.研究表明,我国南方红壤及砖红壤养分水平较低,这是长期土壤退化的结果,根据对1021个标本的数据分析,磷素退化最严重,其次是氮,再次是钾.研究发现,纠正红壤酸度过低可以通过施用碱性磷肥(钙镁磷肥)来达到,这既补充了磷又纠正了酸害,一举两得.     

长期施用猪粪对红壤酸度的改良效应

土壤酸化严重限制了我国南方红壤区土壤的农业利用。本研究应用江西鹰潭红壤生态实验站长期猪粪养分淋失试验,分析了不同施肥处理（对照处理：N 0 kg/hm2;低量有机肥：N 150 kg/hm2;高量有机肥：N 600 kg/hm2;高量有机肥+石灰处理：有机肥N 600 kg/hm2 ＋石灰3 000 kg/(hm2·3a)）长期施用对红壤酸度的改良效应。研究结果表明,9年高量有机肥施用中土壤pH值平均每年上升0.085个单位,而低量有机肥施用对土壤pH没有显著影响。有机肥长期施用增加了土壤盐基离子浓度,其中Ca、Mg增加幅度较大,使得长期施肥后土壤盐基以Ca为主,其次是Mg,而K、Na比例较低。长期有机肥施用有效降低了红壤旱地表层土壤交换性酸含量,尤其是对交换性铝含量的降低程度较大,且随施肥量的增加而增大,在施肥4年后可基本消除铝毒。高量施肥基础上的石灰添加进一步提高了土壤pH值,加快了土壤酸度改良。红壤旱地猪粪施用显著提高了玉米产量,达到酸度改良效果的最低猪粪用量为Ca 162 kg/hm2。在施肥初期添加一次石灰,将土壤pH值迅速提高,然后通过有机肥对pH的稳定作用保持和逐步提高土壤pH,可在最短时间、用最少投入消除土壤酸害。     

中国酸性土壤利用的科学问题与策略

中国土壤酸化呈现出全国普遍发生的趋势,对作物产量、农产品品质和生物多样性造成不利影响。自20世纪50年代以来,我国在酸性土壤方面开展了大量工作,取得显著成效,但因我国酸性土壤分布详情不明、土壤酸化机制存在争议、耐逆作物品种缺乏、作物酸害阈值不清、改良产品及技术落地性差等问题,酸性土壤利用仍受到极大限制。针对上述问题,绘制了新的中国土壤酸碱度图,明确了我国酸性土壤的分布详情,讨论了土壤酸化机制特别是氮肥与土壤酸化之间的关系,论述了土壤酸化的危害,解析了植物和微生物对酸性土壤的响应和适应机制,提出了分区分级分类改良、酸度改良和肥力提高并重、有机无机肥配施、发展特色农业等酸性土壤改良和利用策略,建议进一步加强酸性土壤新型改良剂、作物酸害阈值、氮肥高效利用、中微量元素、耐逆作物育种和土壤酸化模型等方面研究,以期为酸性土壤可持续利用提供支撑。     

Long-Term Application of Chemical Fertilizers and Rice Straw on Soil Aluminum Toxicity

The red soil region in China is very important to agriculture. However, soil aluminum (Al) toxicity often occurs as a result of the high soil acidity. In a long-term experiment, we analyzed soil samples to determine the effect of fertilization on soil acidity and potential Al toxicity. The results showed that after 12 years of utilization, Al toxicity occurred in the soil of the control plot. Chemical fertilizer further decreased soil pH and intensified Al toxicity. However, rice straw effectively improved soil pH and ameliorated soil Al toxicity from 0 to 50 cm deep, which may be attributed to the accumulated soil organic matter (SOM) and the decomposition of the rice straw. Corresponding to the lower Al content in soil, peanut crops grew healthier with greater yields in the rice straw plot, indicating that returning crop stalks to the field should be a feasible fertilization strategy in the region.     

基于Web of Science和万方专利对土壤酸化和改良材料研究的计量分析

土壤酸化问题在近年来广受土壤和环境领域关注。为探索土壤酸化和改良材料应用现状，本文以Web of Science核心合集和万方专利数据库为基础，以“acid* soil*” or “soil acidi*”为检索式检索1990-2019年的期刊论文，以“酸化/酸性土壤改良剂/调理剂”为主题词检索2010-2019年的发明专利，分别检索出10193篇期刊论文和297篇发明专利，采用VOSviewer、CiteSpace和HistCite等可视化软件对关键词、期刊、作者、机构、国家等字段进行共现、共被引和引文分析等。结果表明土壤酸化及其改良材料得到越来越多的重视，进一步加强土壤酸化及其改良研究对土壤基础科学发展具有重要意义；研究领域聚焦于土壤酸化的生物化学过程、土壤铝毒及其防治、土壤重金属活化及其钝化、土壤酸化及其改良材料应用四大方面；近10年来，土壤酸化改良主要聚焦于石灰、农业废弃物/副产品、工业废弃物/副产品和矿物类等热点改良材料，而生物质炭、天然高分子、腐植酸盐和微生物菌剂等新型热点材料越来越受到学者的关注；高产国家美国、中国和澳大利亚等农业大国合作关系密切；高产机构中国科学院、中国科学院大学和西澳大学等机构有密切合作关系；高产作者Baligar VC，Xu renkou，Fageria NK等有密切合作关系。本研究有助于全面了解土壤酸化及其改良研究领域现状和趋势，为土壤酸化调控和可持续发展提供重要参考和依据。     

烟田土壤酸化原因及调控技术研究进展

烟田土壤酸化问题已成为我国烟田土壤质量和烟草生产的主要限制因素,然而,到目前为止对烟田土壤酸化机理及调控技术尚缺乏系统性研究及总结,极大地限制了我国烟田土壤酸化改良进程和烟叶可持续生产.本文综述了近些年来国内外烟田土壤酸化机理及调控技术的研究进展,定量分析了不同致酸因子对烟田土壤酸化的贡献,揭示了盐基离子的投入和输出不...     

工业副产品对红壤酸度改良的研究

选择4种工业副产品(粉煤灰、碱渣、赤泥和磷石青),通过室内培养实验研究了它们对酸性红壤的改良效果.结果表明碱渣和赤泥能降低土壤溶液中的毒性形态的Al、可溶性Al以及交换性Al,增加土壤pH、交换性盐基和ECEC,可成为石灰的替代品作为酸性土壤的改良剂,且长期施用不会像石灰那样加剧土壤Mg、K的缺乏.粉煤灰的改良效果不太理想,而磷石青虽然能增加土壤交换性盐基和ECEC,降低土壤的交换性Al,但增加土壤溶液中的毒性形态的Al和可溶性Al,因此不利于表层土壤酸化的改良.加入质子消耗量与土壤交换性酸量等当量的碱渣和赤泥时,红壤pH升高到5.81～6.26,土壤Al的饱和度降低到15%以下,即可消除Al的毒害.根据碱渣和赤泥的质子消耗容量和红壤的交换性酸量来确定改良剂的施入量是估算改良剂用量的可行方法.     

不同土地利用方式下南亚热带赤红壤酸化特征

土地利用方式是影响土壤酸化的重要因素，研究不同土地利用方式下赤红壤酸化特征可为缓解和治理赤红壤区土壤酸化提供依据。本研究采集了4种土地利用方式(菜地、果园、水田、林地)的赤红壤区土壤样品，测定了表层(0～20 cm)和表下层(20～40cm)土壤的理化性状，结合田间调查和统计数据分析了不同土地利用方式下土壤酸化特征及成因。结果表明：果园表层土壤pH显著低于林地，果园表下层土壤p H显著低于水田和林地；菜地、果园土壤交换性Al³⁺含量显著高于水田和林地；果园表层土壤的盐基饱和度与阳离子交换量均显著低于自然林地，菜地表下层土壤盐基饱和度显著低于水田；与水田和林地相比，菜地和果园的酸化更严重，酸缓冲能力更低。不同土地利用下施肥、复种指数以及耕作方式上的差异可能是造成气候与母质相似地区土壤酸化差异的主要原因。     

南方典型红壤区旱地与水田土壤酸度的剖面差异性

为探明红壤区不同耕地利用类型下土壤酸度的剖面变化特征及其主要影响因素,选取江西省余江县和湖南省祁阳县的典型水田、旱地两种耕地利用类型下、第四纪红色黏土母质发育的红壤,分5层(0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm)测定土壤pH、交换性铝、交换态盐基阳离子及有机质含量等指标,分析剖面酸度特征及其相互关系。结果表明：土壤pH均随土层深度的增加呈增加趋势,不同耕地利用类型下以水田剖面p H较高,范围为5.80～6.43,旱地剖面p H较低,范围为4.68～5.41。土壤交换性铝含量以水田含量较低,范围为0.16～1.56 cmol/kg,旱地的含量较高,范围为4.22～7.02 cmol/kg,水田的交换性铝含量随土层深度的增加呈降低趋势,旱地则呈现相反的变化趋势。0～20 cm土层的交换性铝与有机质含量呈显著负相关,40～100 cm土层的交换性铝与交换态盐基阳离子含量呈显著负相关。耕地利用类型是影响土壤酸度的主要因素之一,旱地土壤酸度强于水田。增加耕层土壤有机质含量可能是减缓酸化、降低交换性铝含量的策略之一。     

雨水资源合理利用及其宏观调控

从多降天上雨,多蓄地上流,南水北调,节水灌溉,高效利用有限降水等方面,系统地论述了雨水资源开发利用的战略思想和宏观调控措施,对我国当前旱地和节水农业的持续发展具有重要指导意义。