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改良和修复土壤酸化意义重大

点击次数:   更新时间:2017/11/25 14:43:33  
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土壤酸化本是一个较为缓慢的自然过程,但近几十年来,由于高强度人为活动的影响,国内耕地土壤酸化的进程大大加速,对生态环境和农业生产的危害加重,在热带和亚热带地区情况尤为严重。因此,采取有效措施减缓土壤酸化进程,并对严重酸化土壤进行改良和修复,对保护生态环境和保障农业的可持续发展都具有重要意义。


笔者对近30年来土壤酸化与调控的主要研究进展进行调研,为土壤酸化预测与控制以及酸性土壤的改良、利用和管理提供参考。


土壤酸化加速的原因


土壤酸化是伴随土壤发生和发育的一个自然过程,但研究发现,化学肥料,特别是铵态氮肥通过硝化作用释放质子,可加速土壤酸化。


近年来随着研究的深入,越来越多的证据表明,氨氧化古菌可能在酸性土壤的硝化反应中发挥了主导作用,因此,热带、亚热带地区酸性红壤中硝化反应与土壤酸化的关系成为新的研究热点。不过,不同耕地的利用方式、氮肥的品种和施用水平等对红壤酸化的影响及其与硝化反应的关系有待深入研究,通过长期施肥试验并结合短期模拟研究,阐明红壤酸化与硝化反应的定量关系,可为酸化控制提供依据。


同时,农作物收获会从土壤中移走钙、镁、钾等盐基养分,也加速了土壤酸化。研究表明,种植豆科类植物和茶树对土壤酸化具有更明显的加速作用。


酸化对土壤的负面影响


土壤酸化导致H+浓度增加,H+与钙、镁、钾等盐基性养分阳离子竞争换位,酸沉降让这些盐基离子大量淋失。酸沉降还会导致土壤溶液中硫酸根和硝酸根浓度增加,也促进了盐基离子的淋失。酸化后,土壤对磷酸根、钼酸根和硼酸根的吸附能力增加,土壤中磷元素、微量元素钼和硼的有效浓度降低。


土壤酸化使土壤中铝和锰等毒性元素浓度增加,活动性增强,从而影响植物的正常生长。酸性土壤中的铝元素被认为是森林退化、农作物生长不良甚至减产的主要原因。


土壤酸化还会影响土壤微生物的活动。因为大多数土壤微生物都对酸敏感,土壤酸化后,土壤微生物的数量会减少,微生物的生长和活动受到抑制,进而影响到土壤有机质的分解和土壤中碳、氮、磷、硫的循环。


国内研究人员对红壤肥力退化的时空变化、退化机制、红壤中养分循环特征等已开展了大量研究,不过,红壤酸化对土壤肥力和养分循环的影响研究有待加强。目前研究人员对酸性土壤的肥力状况及肥力退化的恢复等研究较多,但对土壤酸化过程与养分循环的交互作用和耦合机制等仍需深入研究。


酸化土壤的改良与修复


施用石灰等碱性物质改良农田酸性土壤,是酸化土壤地区的一项传统农业措施,研究人员已开展了广泛研究。一些工业废弃物,如粉煤灰、碱渣、磷石膏、造纸废渣等也用于酸性土壤改良,其中,磷石膏的应用最广泛。由于石膏(CaSO4)的溶解度大于石灰石(CaCO3),其在土壤剖面中的移动性高于石灰石粉,对改良高度风化的热带、亚热带地区的亚表层和底层酸化土壤有很好的效果,已在巴西、美国和南非等地得到广泛的推广和应用。


近年来的研究发现,一些农作物秸秆等农业有机废弃物也可以改良酸化土壤,将农业有机物废弃物经热解制成的生物质炭也是一种很好的有机改良剂。不过,农业废弃物及其衍生物对酸化土壤的改良研究大多停留在室内模拟阶段,离田间实际应用还有较大差距。


Weligama等报道,可利用喜硝植物如小麦根系吸收硝态氮过程中释放的氢氧根中和土壤酸度,随后的田间试验进一步证明,可以基于硝态氮诱导的根际碱化,开发酸性表下层土壤的生物改良技术。该方法目前仅在澳大利亚半干旱地区开展了小范围的研究,对降雨量丰富的热带和亚热带地区,其作用机制和效果有待进一步研究。


虽然施用石膏和磷石膏可以改良热带、亚热带地区酸性底层土壤的酸度,但在石膏和磷石膏资源缺乏地区仍需开发新的方法。Van der Watt在Nature上报道了一种利用煤炭中提炼的富非酸钙改良亚表层土壤酸度的方法,研究发现,其效果优于石膏、EDTA钙盐、Ca(OH)2和Ca-CO3。由于亚表层土壤酸化问题至今仍是困扰土壤学家的难题,特别是在热带和亚热带地区,对改良原理和技术的研究亟待加强。


施用石灰等传统改良技术在中国也得到普遍应用,磷石膏等工业废弃物对酸化红壤的改良效果也有一些研究。近年来中国在修复酸化红壤的新方法研究中也取得了进展,基于农业有机废弃物的有机改良方法、由农作物秸秆制备生物质炭改良剂、有机物与无机碱性物质配合制备复合改良剂等,在室内模拟条件下均取得很好的改良效果,但田间条件下的改良机制和效果有待研究。笔者认为,对于新的改良技术,还应建立长期田间试验,考察改良剂的长期效果及可能的负面影响。


研究土壤酸化加速机制


虽然国内外对土壤酸化及其调控机理已开展了广泛研究,取得了许多重要进展,但仍有一些问题至今还不完全清楚。特别在中国,由于酸沉降至今没有得到有效控制,土壤酸化的加速作用持续存在;土地的高强度农业利用、大量铵态氮肥施用,对农田土壤酸化的加速作用越加明显。而且,在酸沉降和铵态氮肥的影响下,中国酸化土壤的面积不断扩大。


因此,国内加强对酸沉降和高强度农业利用等因素长期影响下土壤加速酸化机制的研究意义重大。笔者建议,首先应建立一系列长期定位观测试验,在田间条件下研究并阐明土壤加速酸化的机制。在土壤酸化调控方面,要特别关注具有潜在酸化趋势土壤的酸化控制,研发新方法,采取新措施,减缓土壤酸化进程,减轻土壤酸化对农业生产和生态环境的危害。同时,应将化学方法、生物学方法与农艺措施相结合,建立综合调控技术,实现对红壤加速酸化的长效控制。



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