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土壤酸化及其生態效應
2019-10-21   來源:生態學雜志   

自然條件下的土壤酸化是一個非常緩慢的過程。近幾十年來,在人類活動的影響下,原本緩慢的自然酸化過程不斷加快。土壤酸化加速帶來的一系列負面效應正迫使人們必須對土壤酸化加以重視。本文首先介紹了土壤酸化的自然過程和人為因素引起的土壤酸化,闡述了土壤鹽基飽和度、土壤酸緩沖體系、酸沉降、化學肥料、植物、土地利用方式等對土壤酸化的影響;然后總結了土壤酸化帶來的一系列生態效應,如植物生長受到抑制、土壤生物群落結構改變、土壤重金屬有效性升高、水體質量下降等;最后從施用酸性土壤改良劑和種植耐逆高效優質植物兩個方面,論述了酸性土壤的可持續利用策略,并對土壤酸化將來的研究方向進行了展望。

世界酸性土壤面積占地球無冰蓋陸地總面積的30%以上(vonUexkulletal.,1995),我國酸性土壤面積約占全國陸地總面積的22.7%(沈仁芳,2008)。自然條件下的土壤酸化是一個非常緩慢的過程,土壤pH需要經歷數十年甚至數百年才會出現明顯降低。在不受人為活動影響下,土壤酸化是土壤形成及發育過程中的一個自然現象(Krugetal.,1983)。工業革命以來,在人為活動的持續影響下,土壤酸化速率越來越快。對于承載著億萬生命的土壤圈,土壤酸化加速意味著動植物和微生物群體生存環境的改變,必將影響農業生產和生態環境。因此,我們需要認識土壤酸化的過程及其機理,運用新策略和方法調控土壤酸化進程,實現酸性土壤地區農業的可持續發展,保護酸性土壤區域的生態環境。

土壤酸化一般用土壤pH來評價,當土壤pH小于6.5時,便被認為是酸性土壤(黃昌勇,2000)。實際上,土壤酸化是土壤酸緩沖能力不斷下降的一個動態過程。vanBreemen等(1984)提出了酸中和能力(AcidNeutralizingCapacity,ANC)的概念,ANC指土壤中堿性組分與酸性組分的差值,土壤酸化的過程就是ANC的不斷降低。前人對土壤酸化的研究主要集中在土壤pH及鹽基離子水平的變化上(潘根興,1990;Yangetal.,2015;Zhangetal.,2016)。進一步利用已有知識,綜合分析和認識土壤酸化過程及其影響因素,了解土壤酸化的生態效應,對于酸性土壤的可持續利用具有重要意義。

1土壤酸化過程

1.1自然條件下的土壤酸化

自然條件下土壤的酸堿性主要受土壤鹽基離子淋溶狀況影響(于天仁,1988)。由于母質和成土過程的影響,我國酸性土壤主要分布在長江以南的廣大地區以及東北的大小興安嶺、長白山地區。長江以南的地區降雨多,降水量大,土壤淋溶作用強烈,土壤中的鹽基離子隨水淋失或流失,土壤鹽基飽和度和緩沖性能降低,氫離子飽和度增加,引起土壤酸化(于天仁,1988)。東北的大小興安嶺和長白山地區冬季時間長,氣溫低,有土壤凍結現象,土壤中的枯枝落葉不能完全降解(王金鶴,2014),未充分分解的枯枝落葉在微生物作用下會產生酸性很強的富里酸及其他有機酸,導致土壤酸化(黃昌勇,2000)。因此,寒濕條件下的森林土壤酸化也不容小覷。

與不斷收獲、不斷補充礦質營養的農業生態系統不同,自然生態系統條件下,植物不斷地從土壤中吸取養分而沒有加以返還,即使有枯枝落葉少量返還到土壤,但植物生長帶走的養分始終大于枯枝落葉返回的養分,使土壤鹽基離子不斷地被帶走,導致土壤酸化。英國洛桑試驗站100多年的試驗表明,20年間,林地表層土壤pH從6.2降到了3.8,而未施過肥的草地土壤pH從5.2降到了4.2(Blakeetal.,1999)。不同植被下的土壤酸度差異明顯。在不施肥條件下,種植茶樹8年后,表土pH從4.16降到了3.32(Yangetal.,2018)。種植馬尾松林土壤酸度顯著高于楓香、白櫟及荒草地土壤(Wangetal.,1995),土壤pH會隨著馬尾松等植物種植年限的增加而逐漸降低(黃付平等,1994)。在特定環境條件下,植物殘落物也能導致土壤酸化。例如,我國熱帶和亞熱帶沿海地區常見的一種紅樹林生態系統,紅樹林死亡后所殘留的枯枝落葉,因為含硫很高,植物殘體在土壤中被分解后,形成硫酸,可導致土壤嚴重酸化(張希然等,1991),土壤pH甚至低于3.0。

1.2人為因素引起的土壤酸化

在土壤自然緩慢酸化過程中,人為因素正在加速這一過程。在各種人為因素中,化肥的大量使用顯著地提高了糧食產量,對全球糧食安全功不可沒,但不合理的化肥施用嚴重影響了土壤健康質量和環境質量,特別會導致土壤酸化(張北贏等,2010;Li-angetal.,2013)。同時,工業生產和農耕活動產生的酸性氣體隨降雨進入土壤,即酸沉降,也會導致土壤酸化(許中堅等,2002)。另外,酸性礦區廢水排放、土地利用方式的改變、樹木的不合理種植等因素也會導致土壤酸化(許中堅等,2002)。1980s—2000s,20年間,我國各地區不同生態系統pH都有不同程度的變化(表1)。其中以草原生態系統的酸化程度最大,農田系統其次,森林系統酸化程度最小。

土壤酸化及其生態效應

草原生態系統主要集中在我國西北地區,長久以來,該地區土壤普遍被認為以中性至堿性狀態存在,大量碳酸鹽的存在被認為是緩沖土壤酸化的重要屏障(Bradyetal.,2008)。自20世紀80年代至21世紀初,各種形式的氮硫沉降對草原生態系統的碳酸鹽緩沖體系造成了巨大的損耗,草地的平均碳流失率為每年26.8g·m-2(Yangetal.,2012)。最近研究顯示,土壤初始pH和有效陽離子交換量是草原土壤酸緩沖能力的重要解釋變量,內蒙古半干旱草原土壤的酸緩沖體系已經從碳酸鹽系統過渡到鹽基離子系統(Caietal.,2017),這導致土壤的酸緩沖能力降低。氮硫沉降是影響草原生態系統酸化的主要因素(Yangetal.,2012),由于草原生態系統土壤酸緩沖能力降低,導致其土壤pH快速地降低。土壤酸化對草原碳分配、植物和微生物的影響(Chenetal.,2015;Chenetal.,2017)可能會擾動正常的草原生態系統,破壞生態平衡。草原生態系統的土壤酸化程度如此之大,應該引起土壤學家和生態學家的重視。

2影響土壤酸化的因素

2.1鹽基飽和度

鹽基飽和度(basesaturationpercentage,BSP)是指土壤中交換性鹽基占全部交換性陽離子數量的百分數(黃昌勇,2000)。植物不斷地從土壤中吸收營養離子,或外界氣候導致鹽基離子淋溶量增強,土壤鹽基容量持續減小,土壤開始酸化。對西藏地區數種酸性土壤研究發現,土壤pH與BSP呈正相關,且鈣離子飽和度對土壤pH和BSP的影響最大(范宇等,2004)。在設施蔬菜栽培中,土壤交換性鹽基總量增加,但同時土壤陽離子交換量也提高,造成了鹽基飽和度的下降,是誘發設施農業土壤酸化的原因之一(范慶峰等,2014)。土壤pH的下降會使土壤膠體表面電荷性質發生變化,對陽離子吸附能力減弱,加速離子擴散甚至淋洗(于天仁,1988),鹽基飽和度將會進一步降低。

2.2土壤酸緩沖體系

由于土壤中不同酸緩沖體系的存在,外部酸堿物質進入土壤后,土壤性質不會發生巨大變化。不同土壤中存在不同酸緩沖體系,主要有碳酸鹽緩沖體系、硅酸鹽緩沖體系、交換性陽離子緩沖體系和鐵鋁氧化物緩沖體系等(黃昌勇,2000)。

在石灰性土壤中,碳酸鹽緩沖體系起主要緩沖作用,pH緩沖范圍介于5.0~8.5,主要通過碳酸鈣的水解來實現pH緩沖作用。即使對石灰性土壤進行快速地淋洗,只要碳酸鈣未耗盡,土壤pH大都會保持在一個較高水平(Vriesetal.,1989)。含碳酸鈣較高的石灰性土壤的酸緩沖容量約是非石灰性土壤的2倍(劉偉等,2001)。我國西北地區的農田、森林生態系統近20年來土壤pH變動不大(表1),這些地區土壤碳酸鹽含量較高,印證了碳酸鹽緩沖體系的巨大酸緩沖能力。

在含原生礦物多的土壤中,硅酸鹽緩沖體系起主要緩沖作用。不同于碳酸鈣體系的直接消耗質子過程,硅酸鹽緩沖體系在自然土壤酸化早期起作用,主要通過原生硅酸鹽礦物風化、蝕變釋放出鈣、鎂、鉀、鈉等元素,對土壤的酸性物質起到緩沖作用(黃昌勇,2000;徐仁扣,2015)。

當土壤中的碳酸鹽或硅酸鹽耗盡,這兩個緩沖體系不能發揮作用時,土壤交換性陽離子就發揮主導酸緩沖作用。交換性陽離子緩沖體系的pH范圍一般為5.0~4.2(Bartlettetal.,1969)。由于氫離子半徑小,運動速度快,故其在土壤中的交換能力很強,當其從外界進入土壤后,極易與土壤中的鹽基陽離子爭奪吸附位點,從而使鹽基陽離子從土壤中隨水淋失,致使土壤酸緩沖能力下降(黃昌勇,2000)。對種植茶樹8年后的土壤研究發現,隨著土壤pH下降,土壤交換性鹽基離子含量下降,交換性鋁離子含量上升,鹽基飽和度下降(Yangetal.,2018),這會進一步減弱土壤對酸的緩沖能力。

土壤中的鐵鋁氧化物也能抑制土壤酸化,起到土壤pH緩沖體系的緩沖效果。Vries等(1989)早在幾十年前就觀測到,當土壤中的鋁氧化物耗盡的時候,pH會進一步下降甚至到3.0,也就是說,鋁氧化物在低pH的土壤環境下,也具有一定的酸緩沖能力。近幾年有學者對紅壤研究觀測到,游離氧化鐵含量高的土壤pH值高于含量低的土壤,且游離氧化鐵含量與土壤pH之間呈顯著的正相關關系(Lietal.,2012)。進一步的研究表明,鐵鋁氧化物能有效抑制土壤酸化進程(Lietal.,2013a,b)。土壤鹽基陽離子被大量淋洗后,通過雙電層重疊作用,鐵鋁氧化物表面的正電荷平衡了硅鋁酸鹽礦物表面的負電荷,抑制了交換性酸的產生,從而抑制了土壤酸化(Lietal.,2013a,b;徐仁扣,2015)。這一研究成果豐富了土壤酸化理論。

2.3酸沉降

工業革命以來,世界特別是發達國家工業化迅速發展,自20世紀80年代開始,有關含硫物質的酸沉降加快土壤酸化進程的報道逐漸增多(vanBree-menetal.,1982;Johnstonetal.,1986)。由此,歐美國家出臺了一系列酸沉降減排政策。多年后,加拿大東部和美國東北部27個樣點土壤樣品的調查分析結果表明,硫沉降量減少了5.7%~76%,硫沉降減少量與土壤鹽基飽和度呈正相關,硫沉降對北美及加拿大地區土壤酸化的加速作用正在降低(Law-renceetal.,2015)。Karlsson等(2011)對瑞典森林持續12年的調查也發現,隨著歐洲酸沉降減排方案的實施,土壤酸化狀況正在扭轉。中國自80年代以來,經濟發展迅速,對礦物燃料的應用大幅增加,由此帶來的酸沉降危害面積也迅速蔓延(劉菊秀,2003)。統計表明,中國的硫沉降自2005年才有所降低(Fangetal.,2013)。對1980—1985年和2006—2010年兩個時間段的森林系統調查發現,硫沉降是我國森林土壤酸化的主要誘因之一(Zhuetal.,2016)。另外,有研究表明,20世紀80年代至21世紀,中國的五大主要草場土壤pH平均下降0.62個單位,其主要推動力是氮沉降,其次是硫沉降(Yangetal.,2012)。大氣氮沉降物中,不僅氮的氧化物能導致土壤酸化,而且銨對土壤酸化影響也很大,1分子NH4+在土壤中發生硝化作用,釋放出4個H+(Galloway,1995)。最近研究結果表明,降雨能夠減緩氮沉降導致的草原土壤酸化(Caietal.,2017)。上述分析表明,酸沉降是自然生態系統如森林和草原土壤酸化加速的主要原因。

2.4化學肥料

與加速自然生態系統土壤酸化的誘因不同,在現代農田生態系統中,大量使用化肥特別是氮肥是農田土壤酸化的主要原因,農田土壤酸化速率與糧食產量和氮肥施用量呈明顯正相關(Zhuetal.,2017)。20多年間,農田土壤pH平均下降了0.5個單位,其中,氮循環釋放的H+達到了20~221kmol·hm-2·a-1(Guoetal.,2010)。進入農田系統的NH4+會被土壤吸附,造成土壤陽離子吸附位點減少,使鹽基陽離子更易流失(Matschonatetal.,1996)。同時,植物吸收銨根離子以及銨態氮在土壤中發生硝化作用,都會釋放氫離子,直接導致酸化(Galloway,1995)。也有報道表明,尿素和硝酸銨對酸化的影響比其他銨態氮肥更大(Tianetal.,2015)。長期施肥試驗的結果表明,與對照相比,單施化學磷鉀肥處理的耕層土壤pH也顯著下降,土壤酸化速率明顯提高(孟紅旗,2013)。一般認為,磷缺乏是熱帶森林系統發育的一個重要限制因子(Vitouseketal.,2010)。最近研究表明,向氮富余導致酸化的熱帶森林系統中追加磷素,短期內抑制了土壤酸化趨勢,但長期來看,磷素的追加并不能更好地緩解酸化,甚至會加重土壤酸化(Maoetal.,2017)。由此看來,不管是農田生態系統還是自然生態系統,未來各類化肥甚至各種營養元素的施用必須有更加合理科學的配施方式。

2.5植物

農作物在生長過程中不斷地從土壤中吸收礦質養分,并持續地被人類采獲,且從土壤中帶走的陽離子總量大于陰離子總量,加速土壤酸化(Guoetal.,2010)。相關研究證明,植物同化所產生的堿性物質被地上部隔離,植物被收獲后,這部分物質沒有返還回土壤,從而導致土壤堿性物質的減少,造成土壤酸化(Baraketal.,1997)。大量種樹能酸化土壤(Jacksonetal.,2005)。在對煙草種植地的研究發現,煙草種植降低了土壤pH,也導致土壤鹽基陽離子的損失(Zhangetal.,2016)。茶樹本身就適合在酸性土壤上生長,又因為茶樹本身特性與土壤中的鋁離子有著密切聯系(丁瑞興等,1991),山茶科植物更傾向于使土壤酸化。豆科植物在生長過程中能固定空氣中的氮,使之對土壤中陽離子有更多吸收量,致使氫離子泌出,導致土壤酸化(Haynes,1983)。山茶科和豆科植物是導致土壤酸化的兩種典型植物。植物對不同氮素形態的吸收也影響著土壤酸化。當植物吸收NH4+時,會釋放等量H+以保持體內電荷平衡,同時土壤NH4+的減少又會消耗鹽基離子組成的緩沖體系,二者都會加速土壤酸化。不同植被類型對氮和各種鹽基離子的吸收速率及吸收量存在差異,對土壤酸化造成的影響也存在差異,并且受植被、水熱條件、土壤條件甚至土地利用方式的影響(段雷等,2002)。在對植物生長構成脅迫的環境下,植物根系會主動分泌能溶解土壤養分的物質(洪常青等,2003),以滿足自身對養分的需求,某些根系分泌物對土壤就存在酸化作用。植物殘落物在土壤中進行分解,也會產生致酸物質,在特殊氣候環境下,對土壤產生酸化作用,我國東北地區林地土壤的部分酸化就是這種原因造成的(王金鶴,2014)。農民在不了解作物特性時,不當的連作方式及農耕習慣也是植物造成土壤酸化的重要因素(于天一等,2014)。

2.6其他因素

在20世紀80年代,瑞典國家科學基金會曾報道土地利用方式的改變和連續的植被演替會導致土壤酸化(Overreinetal.,1980)。由于植被會影響土壤酸化,擾動后重新生長起來的植被會導致表層土壤酸化(Krugetal.,1983)。某些農業措施,如:不合理的灌溉方式、施肥方式甚至輪作方式,都會影響土壤酸化過程(徐仁扣等,2002;張北贏等,2010;李爽等,2012)。目前,設施農業中,高強度種植方式和大量化肥施用,不僅引起了土壤的酸化,也引起了土壤鹽漬化,值得高度重視。

3土壤酸化的生態效應

3.1生物

當土壤發生酸化時,土壤固相鋁會被解吸到土壤溶液或以交換性鋁形態吸附于土壤膠體上,使土壤毒性鋁活性增加,鋁毒是酸性土壤限制植物生長發育的主要因子(沈仁芳,2008)。雖然我國南方地區水熱資源豐富,但是由于鋁毒、錳毒、酸害及一系列養分脅迫因子存在于酸性土壤,作物的生產潛力難以發揮(Zhaoetal.,2014)。酸化對植物群落結構的影響不容小覷。研究發現,雖然亞熱帶濕潤森林系統在酸性土壤環境中擁有最大的物種豐富度,但是,相比于其他森林生態系統,亞熱帶濕潤闊葉林系統對進一步的土壤酸化更加敏感(Azevedoetal.,2013)。這項研究對我國南方酸性土壤區域森林系統的保護具有警示作用。劉芳等(2014)對長白山土壤不同梯度海拔下裸足肉蟲的群落分布特征發現,裸足肉蟲的豐富度和多樣性均與土壤pH呈極顯著的正相關。對內蒙古典型草原連續5年使用氮肥后,施肥引起的土壤酸化降低了草原微生物碳氮及微生物活性,還改變了土壤微生物碳代謝群落結構多樣性(齊莎等,2010)。在長期的氮沉降致使草原酸化后,草原植物物種豐富度顯著降低(Stevensetal.,2004;Chenetal.,2017)。大棚蔬菜酸性模擬試驗也表明,土壤酸化顯著影響微生物群落組成(張昌愛,2003)。土壤細菌對土壤酸化比較敏感,而土壤真菌對土壤酸化不太敏感(Zhaoetal.,2013a,2018)。不同的氨氧化微生物對低pH響應也不一樣,氨氧化細菌比氨氧化古菌對低pH更加敏感(Cheetal.,2015)。以上分析可知,土壤酸化對植物、動物和微生物都有影響,這必將改變酸性土壤整個生態系統特征。

3.2環境

土壤酸化的本質是土壤本身化學性質的變化。一般情況下,土壤中的金屬元素隨著pH值的上升,易被土壤顆粒吸附,活性較低(Vegaetal.,2006)。當土壤pH降低時,一些元素特別是金屬元素會被溶解、釋放或轉化為植物可吸收利用的有效態,增加了這些元素的生物有效性(周國華,2014)。對于植物缺乏的營養元素,元素生物有效性的提高可以改善植物生長。然而,如果是重金屬等毒害元素,那么就會對植物、動物、微生物的生長、農產品品質、地下水環境造成嚴重危害。例如,在pH小于6.0時,土壤中鎘的離子交換態比例升高,能達到總量的40%~60%;在pH小于6.5時,鉛的離子交換態占總量的比例也直線上升;砷的離子交換態比例在中性或酸性環境中卻不升反降(余濤等,2006)。酸性土壤重金屬對農產品品質和地下水環境的影響是一個值得重視的課題。鋁是土壤中最豐富的金屬元素,土壤酸化會急劇增加土壤溶液中鋁的濃度,這對水體環境和農產品品質會構成潛在威脅。幸運的是,大部分植物進化出了一種機制,雖然植物根系鋁含量會很高,但是地上部和種子中的鋁卻很低(Chenetal.,2008)。因此,糧食作物和大部分蔬菜作物的可食部分鋁含量比較安全,但是鋁對地下水、河流、湖泊的影響仍值得探討。除了鋁和重金屬,土壤中很多元素有效性都受pH影響。例如,土壤酸化時,有效硅、有效硼、堿解氮隨pH的下降呈直線下降,大量鹽基離子被淋失,給農業生產帶來不利影響(余濤等,2006)。土壤酸化和磷富集是我國長江三角洲地區蔬菜地的重要問題(Liangetal.,2013)。有的大棚蔬菜地土壤pH值低于5.0,氮和磷的淋失加重了土壤酸化的負面環境效應(Liangetal.,2013),一些廢棄礦山、礦井引起的土壤酸化不僅是土壤環境問題,而且腐蝕金屬設備、破壞水體、毒害水生生物,甚至影響國家水上建設(許中堅等,2002)。上述土壤酸化引起的環境問題應該引起人們的高度關注和重視。

4酸性土壤的可持續利用

4.1施用酸性土壤改良劑

使用石灰是改良酸性土壤最傳統的方法。石灰不僅能中和土壤酸度,還能改善土壤結構,增加土壤鈣含量。施用石灰也有不少缺點,例如,石灰僅對表層土酸度提高有效,對底層土壤的酸度影響很小,且如果施用方式不合理,容易造成土壤板結,深層改良不足(易杰祥等,2006),但是很多植物根系下扎很深;施用石灰過程中,粉塵飛揚,農民越來越不愿意施用這種物質;基于經濟利益的考慮,農民也越來越不愿意購買這種物質。隨著人們對酸性土壤改良認識的提高,一些工業副產品被加以應用,如磷石膏、堿渣等,除了單一或混合使用的化學改良劑外,還有一些復合改良劑的報道(徐仁扣等,2018)。由于工業副產品或礦物可能含有對土壤有害的物質,需要進一步對這些產品加強監察和監管,也需要評估潛在的環境風險。

除化學改良劑外,生物改良劑也有一定效果,如生物有機肥、生物菌劑或綠肥。對魯南地區馬鈴薯酸化土壤進行改良試驗發現,生物改良劑較化學改良劑的增產效果更明顯(翟勝祥,2016)。綠肥、有機物料或秸稈施入土壤后,可以提高土壤有機質含量,增強土壤微生物活性,進而改善酸性土壤植物生長。合理施用有機物料,例如有機肥、秸稈或秸稈制成的生物質炭,在酸性土壤改良上也取得了很好效果(徐仁扣等,2018)。

無論是生物改良劑還是化學改良劑,都面臨著經濟成本及農戶農業操作習慣的問題,對于大面積的推廣施用,還需要時間去檢驗。施用土壤改良劑的期望在于能長期良好地改善土壤生態環境,改善植物生長,改善農產品品質,并在合理的可接受成本內才可以進行推廣和實際應用。不斷地提高改良劑的質量,降低施用成本,解決產品本身存在的問題,是酸性土壤科研工作者和相關企業應該努力的方向。

4.2種植耐逆高效優質植物

改良酸性土壤,一方面可以改良酸性土壤環境,另一方面還可以改良植物。不同植物甚至同一植物的不同品種對酸性土壤鋁毒和養分脅迫的適應能力都不一樣(Zhaoetal.,2013b)。選育和種植擁有良好耐酸、抗鋁、養分高效遺傳特性的植物,也是一種對酸性土壤可持續利用的方法(趙學強等,2015)。酸性土壤中鋁毒是限制植物生長發育的重要因素(沈仁芳,2008)。因此,篩選出對鋁毒有明顯耐性,同時又高產、優質等性狀的作物品種,進行分子遺傳分析,開展育種工作,并最終獲得適應酸性土壤的植物新品種是酸性土壤可持續利用的另一個策略。在這個方面,國內外研究人員已經做了大量的工作,并獲得了許多耐鋁、抗鋁植物基因(Ryanetal.,2011;Maetal.,2014;Zhaoetal.,2014),這些基因資源為酸性土壤上植物的遺傳改良提供了分子信息。

5結論和展望

5.1結論

自然條件下的土壤酸化是一個非常緩慢的過程,強烈的人為活動使得土壤酸化正在加速。影響土壤酸化的因素多種多樣,如土壤鹽基飽和度、土壤酸緩沖體系、化肥、酸沉降、植被、氣候、灌溉方式、種植制度等。土壤酸化是一個久遠的科學問題,人為因素導致的土壤酸化加速正逐漸引起人們對這一問題的關注。土壤酸化會降低農業生產力,改變土壤生物多樣性和植被群落結構,還能引起土壤中養分的淋失和土壤重金屬有效性的提高。土壤酸化是一個與農業、生態、環境密切關聯的問題。目前,一些酸性土壤可持續利用的策略和技術正在被研發,但是這些技術也存在一些缺陷,實用性的推廣技術并不成熟。隨著土壤酸化程度的加重,土壤酸化將會是一個迫切需要解決的重大科學問題,深入解析土壤酸化過程的機理,研發酸性土壤的可持續利用技術,是該領域面臨的主要研究任務。

5.2展望

在土壤酸化機理方面,以往的研究主要集中在pH、鹽基飽和度、酸堿緩沖能力等方面,而對于H+產生的根源和過程理解不深入。在純化學層面,早在許多年前,酸堿反應已經發展出多種更詳盡并互為補充的理論。在純化學酸堿理論中,Lewis已將酸堿反應擴大到了電子層面(李靜等,2015)。反觀土壤酸化過程的研究,我們有很大的進步空間,同時也任重道遠。土壤酸化過程的研究主要利用土壤化學知識,土壤化學是一門立足于化學這一基礎學科上的學科,由于土壤環境的復雜性,土壤酸堿理論發展緩慢。隨著土壤分析技術的不斷創新,可以預見土壤酸堿理論在未來將取得很大發展,土壤酸化的過程和機理會越來越清楚。

我國地幅遼闊,多種土壤類型并在,雖然目前土壤酸化區域主要以東南丘陵地區為主要研究地域,但是值得注意的是,北方草原系統酸化速率也逐漸加快。我們需要重視全國范圍下的土壤酸化情況,而不僅僅是東南丘陵地區。地表覆蓋率較低的西北地區土壤酸承受能力臨界值到底是多少以及如何控制這種酸化?需要認真考慮。另外,對于我國東南部已經嚴重酸化的地區,應該如何改良和利用也值得深思。我國東南地區水熱資源豐富,生產潛力巨大,但是土壤酸化限制了植物生產力的發揮,如能克服土壤酸化的問題,這一地區將為我國糧食安全做出巨大貢獻。

土壤圈連接多個圈層,僅僅土壤單一學科可能很難再去深入探究這一復雜的體系。為此,在土壤酸化進程研究方面,從土壤圈、巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈的圈層角度考慮,利用土壤學、植物學、動物學、微生物學、生態學、環境科學等多學科知識進行研究,可能會更好地理解土壤酸化的進程,預測土壤酸化的發展趨勢。這些知識也將為我們長期可持續利用酸性土壤開闊視野。

以前很多研究都是關注土壤酸化降低植物生產力的問題。最后,不得不強調的是,土壤酸化將是一個重要的生態環境問題。土壤酸化正在改變土壤生物和植被,這將改變酸性土壤生態系統;土壤酸化也引起了土壤養分的淋失,這將影響酸性土壤區域水體環境質量;土壤酸化提高了土壤重金屬元素的生物有效性,這對水環境及農產品安全也有一定潛在威脅。有關土壤酸化的生態環境效應,也是一個需要考慮的重要問題。

文/張玲玉1,2趙學強1,2∗沈仁芳1,2(1土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所),南京210008;2中國科學院大學,北京100049)

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標簽:土壤 酸化 效應

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