土壤酸化危害及作物耐酸性研究

土壤酸化危害及作物耐酸性研究

土壤酸化是指土壤吸收體接受一定數(shù)量的交換氫離子或鋁離子，并將堿離子（鹽基）轉(zhuǎn)移到土壤中的過程。我國土壤酸化呈現(xiàn)面積大、分布廣、酸化程度高及危害大等特點。其中酸化土壤的總面積高達(dá)2.04×108hm2,約占全國土壤面積的22.7%(趙其國等,1998);主要分布在長江以南的熱帶、亞熱帶地區(qū)及西南紅、黃壤上,另外北方的設(shè)施菜地、果園及部分旱地農(nóng)田也存在酸化現(xiàn)象;大部分酸化土壤pH<5.5,還有一部分<5.0,酸化嚴(yán)重的甚至低于4.5(趙其國,2002),而且酸化的程度及面積有增加的趨勢。土壤酸化導(dǎo)致土壤有毒金屬離子活度增加,肥力降低,土壤結(jié)構(gòu)變差,影響作物生長發(fā)育,并帶來一系列環(huán)境問題,已經(jīng)成為影響我國糧食安全及農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展的主要障礙因素之一。目前,土壤酸化的發(fā)生機理及相關(guān)防治措施成為土壤學(xué)及作物學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點,但關(guān)于土壤酸化改良過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)的機理仍需進一步研究,如:作物耐酸性與致酸性之間的相互關(guān)系,種植制度與土壤酸化的關(guān)系等。本文主要對土壤酸化成因、土壤酸化的危害,耐酸作物品種篩選及土壤酸化防治措施的研究進展進行綜述,為我國土壤酸化的改良治理提供一定的借鑒。1土壤氧化的原因1.1土壤中總中鹽基離子的大量淋失導(dǎo)致土壤酸化的原因主要有自然因素和人為因素。自然酸化是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的一種不可避免的酸化現(xiàn)象,主要是指南方地區(qū)由于降水量大,而引起土壤中鹽基離子大量淋失,交換性氫及鋁含量大量增加的現(xiàn)象,這種酸化速度較緩慢。1.2人體疾病與自然因素相比,人為因素則加速了土壤酸化,主要包括酸沉降、肥料的不合理施用、連作及種植致酸作物。1.2.1酸雨污染格局酸沉降是指煤、石油或天然氣的燃燒及汽車尾氣排放過程中產(chǎn)生的二氧化硫(SO2)和氧化亞氮(N2O)等硫和氮的化合物,經(jīng)過擴散、降水或重力作用等過程降落到地面的現(xiàn)象稱為酸沉降。酸沉降造成土壤養(yǎng)分匱乏,重金屬含量增加,土壤結(jié)構(gòu)變差,植物生長受到抑制(梁駿等,2008)。近年來,隨著工業(yè)化的發(fā)展,由酸沉降帶來的危害越來越大。其中酸雨是酸沉降的主要形式,我國是世界第3大酸雨區(qū),酸雨地區(qū)面積已達(dá)全國面積的40%,具有區(qū)域性強、頻率高及酸性強等分布特征。我國主要有華中、華南和華東沿海酸雨區(qū)。90年代以來,以長沙、株洲、贛州和南昌等城市為中心的華中酸雨區(qū)污染水平超過西南酸雨區(qū),成為全國酸雨污染最嚴(yán)重的地區(qū),中心區(qū)年平均降水pH值低于4.0,酸雨頻率最高達(dá)90%以上(田賀忠等,2001)。在酸雨較嚴(yán)重的鼎湖山自然保護區(qū)通過長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn),土壤pH下降了0.3~0.5個單位,土壤中的交換性鈣也持續(xù)下降,其含量僅有20世紀(jì)50年代的60%左右(黎積樣,1959;夏漢平等,1997)。1.2.2化肥用量大幅增加施用硫酸銨、氯化銨等生理酸性肥料,銨根離子氧化后被作物吸收帶走,而氫離子和鋁離子含量增加,導(dǎo)致土壤pH降低。隨著工業(yè)化進程,我國農(nóng)田氮肥用量大幅增加,截止2007年,氮肥用量已達(dá)3.26×107t,較1981年增長191%(中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒,1982—2008)。Guo等(2010)對我國典型農(nóng)田土壤(包括水田和旱地)耕層酸化程度進行了研究,結(jié)果表明與1980年相比,到2000年耕層土壤pH降低0.13~0.80個單位,因施氮肥導(dǎo)致每年向土壤中釋放2×104~2.21×105mol·hm-2的氫離子,為酸沉降的10~100倍。1.2.3土壤微量元素的補充作物生長過程中吸收大量的鹽基離子,是造成土壤酸化的重要原因之一,尤其是長期種植單一植物,通過秸稈和籽粒帶走的鹽基離子長期得不到補充,導(dǎo)致土壤離子失衡、pH降低。羽扇豆等豆科作物在生長過程中根系會分泌一定的酸性物質(zhì),活化土壤磷素營養(yǎng)(Zhouetal.,2009),但如果連作及單作豆科作物會導(dǎo)致土壤pH下降,呈酸化趨勢,而且隨著時間的延長,酸化趨勢加劇。茶樹、水稻及杜鵑花等富鋁作物的殘體釋放的鋁離子也會加劇土壤酸化(張倩等,2011;Alekseevaetal.,2011)。2土壤氧化的危害2.1土壤ph和土壤制度因子h,土壤中總氮、總磷的變化國內(nèi)外研究證實,酸化引起土壤中K+、Na+、Ca2+、Mg2+及NH4+等鹽基離子淋失(劉春生等,2002;余濤等,2006)。主要是因為酸化土壤中正電荷增加,吸附在土壤膠體上的鹽基離子的數(shù)量會減少,使得這些離子比較容易隨水淋失,導(dǎo)致土壤貧瘠,肥力降低,尤其是在酸雨淋洗的作用下這種現(xiàn)象更為明顯。劉春生等(2002)通過模擬酸雨淋溶褐土的試驗結(jié)果表明,鈣、鎂、鈉及鉀等4種鹽基離子被pH2~5的酸雨10年的淋失總量分別為5070.8、780.7、566.5和529.7mg·kg-1,而且隨酸雨氫離子濃度增加淋溶量呈增加趨勢。土壤酸化對于氮、磷等礦質(zhì)營養(yǎng)元素的有效性及含量的影響較大。一般認(rèn)為,土壤速效氮(硝態(tài)氮、銨態(tài)氮或堿解氮)在中性、微酸及微堿條件下有效性最高,當(dāng)土壤pH低于6.0時,硝化速率明顯下降,pH低于4.5時,硝化作用基本停止,堿解氮也隨土壤pH下降呈直線下降趨勢(余濤等,2006;呂貽忠和李保國,2006)。隨pH下降銨態(tài)氮下降速率緩慢(呂貽忠和李保國,2006)。土壤pH在6.0~7.0,磷的有效性最高。酸性土壤中,磷酸根離子易與鋁離子和亞鐵離子結(jié)合,形成難溶性磷酸鹽。而且酸性土壤中的1∶1型粘土礦物的晶格表面所解離出的OH-能夠和磷酸根離子進行陰離子交換,導(dǎo)致磷酸根離子被粘粒所吸附,從而影響磷的有效性(Stephensonetal.,1987)。尤其是在pH低于5.5時,土壤對磷的固定作用更加明顯。然而也有研究表明,由于大量施用化學(xué)氮、磷肥而導(dǎo)致酸化土壤中,有效氮、磷含量呈增加趨勢(曾路生等,2010)。因此,酸化土壤中的氮磷有效性與土壤酸化程度及施肥水平有很大關(guān)系。有研究表明,在中性和微堿性土壤環(huán)境條件下,細(xì)菌及放線菌活性高,易使土壤中的有機碳礦化,當(dāng)pH低于4.5時不利于有機質(zhì)的礦化(呂貽忠和李保國,2006)。然而,也有研究表明,在土壤pH4.6~7.5內(nèi),隨pH降低土壤有機質(zhì)礦化作用增加(梁頒捷等,2001)。酸化嚴(yán)重影響土壤健康質(zhì)量。研究表明,酸化導(dǎo)致土壤交換性酸、鋁增加,這是酸化土壤對作物產(chǎn)生危害的主要原因(Delhaize&Raye,1995)。蔡澤江(2010)在湖南祁陽18年定位試驗研究表明,施用化學(xué)氮肥旱地土壤交換性鋁增加了53.4~65.7mmol·kg-1。另外,土壤酸化能夠增加土壤中鐵、錳、銅及鉛等重金屬元素有效性,不但影響作物生長發(fā)育及產(chǎn)量形成,還降低了農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì),而且果實中重金屬元素的積累也會通過食物鏈危害人或動物的健康。曾路生等(2010)研究表明,山東壽光保護地酸化土壤中的有效銅含量為豐富水平的7~8倍,產(chǎn)生銅毒害。劉景(2009)在湖南祁陽紅壤試驗站經(jīng)過18年的研究表明,不施肥及單施化肥處理的旱地土壤鎘及鎘活化率與土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān),在酸化嚴(yán)重的氮處理上活化率高達(dá)95.7%,而且小麥和玉米籽粒中的鎘含量也越高,存在著嚴(yán)重的鎘污染的安全風(fēng)險。上述結(jié)果表明,雖然化肥的投入表面上補償了土壤養(yǎng)分的消耗,從而掩蓋了土壤實質(zhì)上的退化,使得人們對目前高度集約化農(nóng)業(yè)利用導(dǎo)致的土壤酸化問題的實質(zhì)并不十分清楚,長此以往只能加劇土壤酸化程度,導(dǎo)致土壤健康質(zhì)量進一步惡化。而且不同類型土壤對酸輸入的耐受能力和緩沖能力差異較大,目前對土壤酸化臨界閾值及相應(yīng)的指標(biāo)表征方面的認(rèn)識仍相當(dāng)薄弱,亟需在理論及應(yīng)用實踐上加強這方面的研究。2.2影響作物生長發(fā)育的因素2.2.1氧化鋁對土壤理化性質(zhì)的影響酸化土壤中鋁毒對根系的抑制作用最為明顯,當(dāng)植物受到鋁脅迫時,根尖和側(cè)根變得短而堅硬,根伸長受到抑制(Matsumotoetal.,1976)。鋁進入細(xì)胞后短時間內(nèi)與細(xì)胞壁上的負(fù)電荷結(jié)合,降低細(xì)胞壁的彈性,抑制細(xì)胞的膨脹和伸長(Silvaetal.,2000),隨著時間延長,細(xì)胞染色體粘連,紡錘絲遭到破壞,最終影響細(xì)胞的有絲分裂(Clarkson,1985)。鋁還能破壞膜脂的流動性及脂類與膜蛋白的相互作用,引起膜質(zhì)過氧化傷害(Schwarzerováetal.,2002)。土壤酸化影響作物對大量元素及有益中量元素的吸收。研究表明,在酸化土壤中,鋁抑制硝酸還原酶的活性和合成,干擾作物根系對氮的吸收、同化和轉(zhuǎn)移(Taylor&Foy,1985)。鋁與鉀競爭吸附位點,降低了植物對于鉀素的吸收。關(guān)于鋁對鈣吸收影響的機制有多種猜測,但多數(shù)認(rèn)為是鋁阻塞了鈣通道(Rengel,1992)。2.2.2超氧化物歧化酶從表觀上來講,受酸化傷害(鋁毒)的作物矮小,葉子呈墨綠色,葉尖發(fā)黃甚至枯死,生長點或葉柄萎蔫,與缺鈣和缺鐵的癥狀類似(利容千和王建波,2002)。鋁誘導(dǎo)植物細(xì)胞產(chǎn)生大量的活性氧,葉片丙二醛(MDA)含量增加,超氧化物歧化酶(SOD),過氧化物酶(POD)及過氧化氫酶(CAT)等保護酶做出應(yīng)急反應(yīng)。另外,土壤酸化導(dǎo)致作物葉片可溶性糖(SS)及硝酸還原酶(NR)活性降低,葉片光合能力下降(王海云,2008),干物質(zhì)累積受到抑制。2.2.3對作物產(chǎn)量的影響土壤酸化導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低。蔡澤江(2010)研究表明,長期施用化學(xué)氮肥加劇紅壤酸化,18年土壤pH降低1.2~1.5個單位,導(dǎo)致作物產(chǎn)量隨施肥年限呈降低趨勢,其中小麥產(chǎn)量平均每年下降11~104kg·hm-2,玉米產(chǎn)量平均每年下降24~210kg·hm-2。曾勇軍等(2012)通過盆栽試驗研究表明,在澆灌水pH為3.5~6內(nèi),隨著pH降低,水稻每穗粒數(shù)減少,結(jié)實率和產(chǎn)量降低。與雜交稻相比,常規(guī)稻對土壤酸化反應(yīng)更為敏感,當(dāng)土壤pH降低時,產(chǎn)量下降也更為明顯。3選擇耐酸作物的品種和耐酸機制3.1微生物資源不同作物及不同品種對土壤酸度的適應(yīng)范圍不同,篩選耐酸品種,明確作物的耐酸范圍,對于在生產(chǎn)實踐中優(yōu)化作物種植布局,充分挖掘酸化土壤的生產(chǎn)潛力具有重要作用。作物耐酸性往往通過耐鋁性來體現(xiàn),目前篩選耐鋁種質(zhì)資源的方法主要包括田間鑒定、盆栽試驗和營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗等(Carvey&Ownby,1995),普遍認(rèn)為,營養(yǎng)液培養(yǎng)是最有效的方法,而蘇木精染色和根系再生長量測定則是最常用的篩選指標(biāo)(Reidetal.,1971;詹潔等,2009)。目前分子技術(shù)也應(yīng)用到耐酸(鋁)品種篩選中(Yamajietal.,2009)。3.2根系有機酸的氧化外部排斥和內(nèi)部耐受機制是植物耐鋁毒性最重要的2種生理機制(李交昆和唐璐璐,2013)。其內(nèi)部忍耐機制包括:細(xì)胞質(zhì)中的有機酸、可溶性蛋白及其他有機配體對鋁的螯合、液泡的區(qū)室化、誘導(dǎo)酶活性等。外部排斥機制主要是分泌有機酸、酚類化合物、可溶性糖、可溶性蛋白及粘膠質(zhì)等來適應(yīng)環(huán)境脅迫(Taylor,1985)。普遍認(rèn)為,在耐鋁機理中,根系有機酸的分泌是作物最重要的耐鋁機制。在遭受鋁脅迫時,不同作物對分泌的有機酸種類不同,如:大豆、玉米等分泌檸檬酸(Kollmeieretal.,2001;Yangetal.,2001),小麥分泌蘋果酸(Zhangetal.,2001),蕎麥分泌草酸(Zhengetal.,1998a),蘿卜和油菜可以同時分泌蘋果酸和檸檬酸(Zhengetal.,1998b;Ligabaetal.,2004)。另外,按照有機酸分泌對鋁脅迫的響應(yīng)時間,可將有機酸分泌分為快速模式和慢速模式(Ma,2000)。快速模式以小麥和蕎麥為代表,此類作物可在鋁脅迫后幾十分鐘內(nèi)向介質(zhì)中釋放有機酸,而慢速模式以燕麥、玉米及繡球花等作物為代表,一般在遭受鋁脅迫數(shù)小時后才作出反應(yīng)。有研究認(rèn)為,檸檬酸陰離子結(jié)合鋁離子的能力大于草酸和蘋果酸,檸檬酸解鋁毒的能力更強。因此,作物根系有機酸分泌種類及分泌量對其耐鋁程度具有重要作用。然而,到目前為止,不同作物的根系對特定有機酸分泌的調(diào)控機制仍不清楚,需進一步研究。4回收和土壤處理4.1土壤氧化的預(yù)防和處理4.1.1控制二氧化硫等污染物排放隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,酸沉降已成為導(dǎo)致土壤酸化的重要原因。因此,需從源頭上控制二氧化硫、氧化亞氮等污染物的排放。如:采用新型的環(huán)保能源,采用高效農(nóng)業(yè)廢棄物處理技術(shù)。4.1.2土壤氧化酶基因目前,我國的化學(xué)氮肥施用量高、氮肥利用率低已成為造成土壤酸化的最主要因素之一。減少氮肥施用量、多施用生理堿性肥料以及根據(jù)土壤氮肥背景值及作物的需氮規(guī)律施肥是減少土壤中氮素殘留,防止土壤酸化的重要措施。4.2與傳統(tǒng)改良方法比較已酸化的土壤很難通過自身作用得以恢復(fù),因此酸性土壤的改良成為研究的熱點。作為傳統(tǒng)的改良方法施有機肥、石灰等碳酸鈣類肥料或化學(xué)改良劑及間作輪作等改良措施已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,而生物碳、高分子化合物等新興改良技術(shù)也正處于研究階段,另外硅肥及某些有機酸對酸性土壤也有一定的改良效果,逐步在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣。4.2.1有機肥及陽離子交換作用的改良機理對于土壤酸化來講,有機肥的投入與農(nóng)產(chǎn)品的收獲是兩個互逆的過程,有機肥的投入可有效補充由于農(nóng)產(chǎn)品的移除而引起的鹽基離子損失(孟紅旗等,2012)。長期施用有機肥能夠有效降低土壤pH,穩(wěn)定或提高土壤酸堿緩沖能力,降低交換性酸及鋁含量,緩解土壤酸化(汪吉東等,2012)。有機肥對土壤酸化的改良機理在于:(1)直接作用。有機肥通常為堿性,隨著有機肥的施用,大量鹽基離子進入土壤中,增加了土壤溶液的離子強度和陽離子交換量,有效緩解土壤酸化(Materechera&Mkhabela,2002),這種直接的中和作用及陽離子輸入的交換過程作用迅速。(2)有機物在礦化的過程中產(chǎn)生大量富含羥基、苯酚等官能團的酸性物質(zhì),與土壤中羥基鋁、鐵水合氧化物發(fā)生配位體交換,消耗土壤中的質(zhì)子,降低土壤pH,而且有機物分解產(chǎn)生的有機酸在進一步脫羧過程中釋放的CO2將消耗氫離子(Yanetal.,1996)。然而,有研究認(rèn)為,有機肥中的有機氮到硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化過程是一個酸化的過程(Helyar&Porter,1989),因此有機肥對土壤酸度的長期效果取決于有機肥質(zhì)子消耗能力和隨后過程中硝化產(chǎn)生的酸,大量有機肥施用是否會引起土壤酸化,與有機物料的有機酸鹽含量、作物種類及土壤背景值有關(guān),需進一步觀測。4.2.2石灰改性土壤改良劑鈣對植物的抗逆性具有重要作用。酸性條件下鈣可以維持細(xì)胞膜的正常結(jié)構(gòu),增強植物的耐鋁毒能力,降低植物對重金屬元素的吸收(Bradyetal.,1993)。目前,碳酸鈣類肥料或化學(xué)改良劑,如:碳酸鈣粉、鈣鎂磷肥、白云石粉含重金屬少的冶金爐渣均可用來改良酸性土壤。石灰在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用較為廣泛,是較經(jīng)濟、便捷的酸性土壤改良劑。施用石灰可以中和酸性土壤中的活性酸和潛在酸,緩解鋁毒,生成氫氧化物沉淀,增加土壤中的鈣含量及土壤酶活性(段雷等,2011)。但由于石灰只能撒在土壤表面,且移動性較差,用來改良15cm土層以下的酸性土壤費用較高,而且大量施用石灰將引起土壤板結(jié)、復(fù)酸化作用和陽離子不平衡(Scottetal.,2000)。4.2.3與引發(fā)作物作或麻黃豆科作物在吸收養(yǎng)分時會通過根系向土壤中釋放氫離子,加速土壤酸化,而豆科作物與禾本科作物間作或輪作會有效緩解這一現(xiàn)象。Li和Rengel(2012)在盆栽條件下的研究表明,鷹嘴豆與小麥間作可以緩解單做鷹嘴豆而帶來的土壤酸化現(xiàn)象。4.2.4生物碳對酸性土壤理化性質(zhì)的影響作物收獲后從土壤中帶走了大量堿性物質(zhì),作物秸稈還田能夠增加土壤堿性。生物碳是作物秸稈在缺氧條件下加熱而成的(陳溫福等,2011)。生物碳中含有的堿性物質(zhì)在進入土壤后可以很快釋放出來,中和部分土壤酸度,增加鹽基離子含量和陽離子交換量(袁金華和徐仁扣,2010)。生物炭可以提供植物所必須的氮、磷、鉀、鈣及鎂等營養(yǎng)元素,并鈍化酸性土壤里面的重金屬元素,促進作物生長(何緒生等,2011)。另外,生物碳良好的孔隙結(jié)構(gòu)和吸附能力也為土壤微生物的生存提供了附著位點和較大的空間(何緒生等,2011)。上述結(jié)果表明,生物碳對酸性土壤具有一定的改良效果,但其改良機理仍需進一步明確。目前我國對生物碳的研究仍處于理論研究,由于生物碳收集及運輸成本較高,在一定程度上阻礙了生物碳的推廣、應(yīng)用。4.2.5改變酸性土壤類型近年來隨著科學(xué)技術(shù)的進步,許多高科技產(chǎn)品也應(yīng)用到土壤酸化的改良中來。一些高分子聚合物(如:聚丙烯酰胺,納米羥基磷灰石等)在改良酸性土壤方面取得了許多成果,研究表明聚丙烯酰胺可增加酸性土壤中大團聚體數(shù)量,提高土壤孔隙度,吸附重金屬元素,提高作物葉片抗氧化酶活性,促進作物生長(Bhardwajetal.,2010;陳世軍等,2012)。4.2.6提高土壤ph每一種改良技術(shù)都有優(yōu)點和不足,將幾種改良技術(shù)綜合起來才能充分改良效果。有機肥與石灰配合施用是常用的綜合改良措施之一,在旱地紅壤上