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酸性土壤可持续利用

作者:未知

  摘要:酸性土壤主要分布于水热资源丰富的热带和亚热带地区,植物生产潜力巨大。由于酸性土壤中存在酸害、铝毒和养分缺乏等多种胁迫因子,酸性土壤的植物生产潜力难以充分发挥。全球酸性土壤约占陆地总面积的30%,约50%耕地和潜在可耕地属于酸性土壤,中国酸性土壤约占国土总面积的22.7%。发挥酸性土壤的作物生产潜力,将为保障粮食安全做出巨大贡献。酸性土壤不仅限制了农业生产力,而且对生物多样性和生态环境造成了负面影响。酸性土壤可持续利用对于农业生产和生态环境保护均具有重要意义。酸性土壤的可持续利用可以通过土壤酸性改良和肥力并重提高、化肥和有机肥施用相结合、充分利用植物遗传潜力、发挥酸性土壤生态功能等一系列对策加以实现。自然条件下的土壤酸化本身是一个缓慢过程,但是人类活动如氮肥过量施用和大量酸沉降,极大地加速了土壤酸化。将来的研究应从降低氮肥的施用量和酸沉降的排放量来减缓土壤酸化速率,前者主要依赖于氮肥利用率的提高,后者主要依赖于工业化技术的提高和国家政策制度。
  关键词:土壤酸化;铝毒;养分胁迫;农业生产力;生态环境
  The Sustainable Use of Acid Soils
  Shen Renfang, Zhao Xueqiang
  (State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)
  Abstract: Acid soils are mainly distributed in the tropical and subtropical regions with abundant heat and water resource and have a huge potential for agricultural production. However, some co-existing soil stresses such as soil acidity, aluminum toxicity, and nutrient deficiency greatly limit the agricultural production potential in acid soils. In the world, acid soils cover approximately 30% of the global land and up to 50% of cultivable and potentially arable land. In China, acid soils account for about 22.1% of the total land area. Improving the capability of plants to adapt to the stressful factors in acid soils can contribute to food security. Acid soils not only limit agricultural productivity but also have negative effects on ecological environments, the sustainable use of acid soils can play an important role in agricultural productivity and ecological environments. We can realize the sustainable use of acid soils through increasing soil pH value and fertility, applying chemical fertilizers with organic fertilizers, using plant genetic potentiality, and developing soil ecological functions. Natural soil acidification is a very slow process, but various anthropogenic activities, especially the overuse of nitrogen fertilizer and acid depositions, greatly accelerate soil acidification. Soil acidification can be decelerated through decreasing the application rate of nitrogen fertilizers and the deposition of acids, and the former depends on the improvement of nitrogen fertilizer use efficiency while the latter depends on the improvement of industrial technology and national policies.
  Keywords: Soil Acidification; Aluminum Toxicity; Nutrient Stress; Agricultural Productivity; Ecological Environment
  0  引言
  隨着人类活动的加剧,本来非常缓慢的土壤酸化过程变得越来越快,近20年来土壤酸化程度远超过去几百年来的土壤酸化。酸性土壤已成为一些地区农业发展的限制因子,在酸化严重的土壤上种植作物甚至绝收。土壤酸化也引起了生物多样性的降低,生物群落结构的改变。土壤pH值降低,土壤中重金属活性升高,影响了农产品的安全。植物利用酸性土壤养分能力低,土壤中聚集的养分更容易流失,存在潜在的面源污染风险。酸性土壤分布区域大都水热资源丰富,植物生产潜力巨大,克服酸性土壤中的不利因子,不仅对于提高农业生产力,而且对于保护生态环境和改善农产品品质都有重要意义。以下内容介绍了世界和中国酸性土壤概况,解析了酸性土壤与植物生产力、生态环境之间的紧密关系,提出了酸性土壤可持续利用的对策,并对将来的研究进行了展望。   1  酸性土壤概况
  1.1 酸性土壤面积与分布
  在全球范围内,酸性土壤(<pH5.5)的面积约39.5亿hm2,约占无冰盖陆地总面积的30%[1]。全世界约25亿hm2耕地和潜在可耕地属于酸性土壤,约占耕地和潜在可耕地总面积的50%[1]。世界酸性土壤主要分布于热带、亚热带和部分温带地区,水热资源丰富,气候条件适宜农业生产。中国酸性土壤主要分布于南方高温多雨的红壤地区,遍及14个省(自治区、直辖市),面积达218万km2,约占全国土地总面积的22.7%[2]。
  1.2 酸性土壤的形成原因
  酸性土壤的形成过程分为自然条件下和人为条件下的土壤酸化。在自然的高温多雨条件下,土壤矿物质高度风化,强烈淋溶,土壤酸缓冲体系能力显著下降,导致土壤中硅和盐基离子大量淋失而铁铝氧化物富集,形成了酸瘠土壤。在自然条件下,土壤酸化是一个非常缓慢的过程,土壤pH值需要经历数十年甚至数百年才会出现明显降低。随着世界工业化的发展,各种人类活动正在引起土壤酸化速率的加快。据统计,过去20年间,中国农田生态系统、森林生态系统和草原生态系统土壤pH值分别下降了0.42、0.37和0.62个单位[3-5]。在各种人为因素中,氮肥的过量施用被认为是农田生态系统土壤酸化加速的主要诱因[3,6]。酸沉降,主要是氮硫沉降,被认为森林和草原生态系统土壤酸化加速的主要原因[4-5]。另外,一些植物种类如豆科和茶科植物会引起土壤酸化,高强度种植模式下作物收获带走了大量盐基,也会导致土壤酸化。值得一提的是,目前设施农业中,高强度种植方式和大量化肥施用,不仅导致了土壤的酸化,也引起了土壤盐渍化,值得高度重视。随着土壤酸化的加剧,土壤酸化对作物生产和生态环境的影响正引起人们的高度关注。
  2  酸性土壤与植物生产力
  2.1 酸性土壤限制植物生长的因子
  酸性土壤地区一般高温多雨,气候条件非常适合植物快速生长。据估计,中国酸性土壤地区用占全国27%的耕地养活了全国43%的人口[7]。全球范围内,虽然酸性土壤面积很大,但是仅5.4%的酸性土壤被用作种植农作物,种植农作物的酸性土壤面积仅占世界农作物总面积的12%,酸性土壤中蕴藏着农业发展的最大潜力[1],这表明大面积的酸性土壤潜在可耕地未被开发和利用。酸性土壤区域植物巨大生产潜力未被挖掘的主要原因是因为酸性土壤中存在多种限制植物生长的因子。酸性土壤限制植物生长的因子分为物质过多和过少两种,过多的物质主要有酸、铝、锰、铁,过少的物质有钙、镁、氮、磷[8]。其中,铝毒被认为酸性土壤限制植物生长的最主要因子,几个微摩尔级浓度的铝就会对植物根系产生严重毒害[2]。铝本身在对植物产生直接毒害的同时,也间接地影响了植物对多种养分的吸收,降低了植物养分吸收效率,酸性土壤上的植物需要同时克服这些共存胁迫因子才能良好生长[8-9]。提高植物对这些共存胁迫因子的适应能力可以发挥酸性土壤植物生产潜力。
  2.2 植物适应酸性土壤的机制
  在长期的进化过程中,植物为了适应酸性土壤,已形成了各种各样的耐酸性土壤机制。鉴于铝毒是酸性土壤限制植物生长的主要因子,在植物耐铝机制方面的研究最多也最为深入[10]。不同植物种类或者同一植物的不同品种对铝毒的响应能力差异很大。植物的耐铝机制分为内部忍耐机制和外部排斥机制,内部忍耐机制指铝在植物体内与有机酸或酚类物质配体络合,将铝分室在液泡、表皮等部位,降低高浓度铝的毒害,或者铝诱导形成一些蛋白或改变相关酶的活性,来适应铝胁迫环境;外部排斥机制指铝在细胞外进行螯合,将铝排除在细胞外,使其不能进入植物细胞,主要包括有机酸或磷酸根的分泌、细胞壁对铝的固定、根际pH值升高等[2]。目前,己有不少植物耐铝基因被分离鉴定,这为酸性土壤耐铝植物的遗传改良提供了分子信息[11]。相对于铝毒,关于植物抵抗酸性土壤其他胁迫因子的研究较少,也不深入。另外,目前对拟南芥和一些粮食作物如水稻的耐铝分子生理机制研究较多,对于一些木本植物耐铝机制认识不够,而木本植物却具有非强的耐铝能力[12]。
  植物除了利用本身的遗传潜力来抵抗酸性土壤,外部因子特别是土壤中的一些因子也会显著影响植物适应酸性土壤的能力。如上所述,酸性土壤中不仅存在铝毒,而且存在多种其它共存胁迫因子,单一铝毒限制因子的酸性土壤基本上是不存在的。在我们的研究中,发现这些限制因子之间存在有意思的相互作用[8-9,13]。例如,酸性土壤低pH值抑制了硝化作用,铵态氮经常为酸性土壤的主要氮源,而铵态氮能够缓解铝对植物的毒害,同时耐铝植物较为偏好铵态氮[14-15],这为通过利用氮铝相互作用机制来提高植物耐铝能力和氮效率提供了理论支持。铝毒和锰毒同为酸性土壤植物生长限制因子,在水稻上的研究表明,铝能减轻锰对水稻的毒害[16]。这些结果暗示着植物能够通过充分利用其生长环境中的各种限制因子之间的相互作用,来实现其适应酸性土壤的目的。充分利用这些相互作用,可以帮助植物来协同适应酸性土壤的多种胁迫因子[8]。
  3  酸性土壤与生态环境
  土壤的不断酸化显著改变酸性土壤上的生物群落结构和功能,包括植物、动物和微生物。虽然在酸性土壤环境中亚热带湿润森林系统拥有最大物种丰富度,但是亚热带湿润阔叶林系统对土壤酸化非常敏感[17]。長期氮沉降导致的草原酸化显著降低了草原植物物种丰富度[18-19]。一些森林生态系统植物绝亡和土壤退化与土壤严重酸化有关。对长白山土壤不同梯度海拔下裸足肉虫的群落分布特征发现,土壤pH值与裸足肉虫的丰富度和多样性呈极显著的正相关,表明土壤pH值对土壤动物有显著影响[20]。连续5年使用氮肥后,内蒙古典型草原土壤酸化降低了草原微生物碳氮和微生物活性,也改变了土壤碳代谢微生物群落结构多样性[21]。土壤真菌一般对土壤酸化不太敏感,而土壤细菌对土壤酸化非常敏感[22]。不同的氨氧化微生物对土壤酸化响应也不一样,氨氧化细菌比氨氧化古菌对土壤酸化响应更加敏感[23]。因此,土壤酸化对植物、动物和微生物群落结构和生物多样性有着重要影响。   土壤酸化除了对生态系统生物群落结构和多样性造成严重影响外,对周围环境质量也有重要影响。土壤中的金属元素活性一般都很低,但是随着土壤pH值降低,金属元素的生物有效性显著升高。如果这些金属元素是植物必需营养元素,那么可以促进植物生长;但是如果是一些重金属元素,则会对周边水体和农产品品质存在潜在威胁。特别对于一些废弃矿山和矿井,土壤酸化不仅是土壤环境问题,而且酸害和重金属还会腐蚀金属设备、破坏水体、毒害水生生物,甚至影响国家水上建设[24]。另外,铝不仅对植物有毒,对所有生物都有毒害。土壤酸化也会引起土壤和水体中毒性铝浓度升高,对水体环境和人类健康构成潜在威胁。幸运的是,大部分农作物都仅在根系积累铝,而地上部特别是种子中铝含量很低[25]。因此,除根部外,大部分作物的可食部分是安全的,但是铝对地下水、河流、湖泊的负面影响仍值得探讨。目前,由于氮肥用量过多,一些设施农业土壤酸化严重,同时土壤氮磷含量很高[6],在降雨较多的季节,这些土壤富集的氮磷如果流失到环境中,也会造成面源污染。土壤酸化对环境的负面影响也不容小觑。
  4  酸性土壤可持续利用对策
  虽然酸性土壤大都分布于水热资源丰富地区,但是由于酸性土壤的酸、瘠、毒等特点,酸性土壤的巨大生产潜力难以充分发挥。传统的酸性土壤改良措施是施用石灰,这种改良方式虽然简单有效,但是由于存在不少缺点,如粉尘污染、深层改良不足、容易造成土壤板結、土壤容易返酸及基于经济利益考虑,农民越来越不乐意施用石灰。近些年来一些新型的酸性土壤改良剂不断出现,酸性土壤种植模式也越来越多样化。综合考虑,我们提出以下几项酸性土壤可持续利用对策。
  (1)改良土壤酸性和提高土壤肥力并重的对策。在改良酸性土壤过程中,对土壤酸性的改良较为重视,却忽视了对土壤肥力的提高。如上所述,酸性土壤限制因子不仅仅是酸害和铝毒,一系列养分如钙、镁、磷甚至一些微量元素都存在缺乏,如果仅仅改良土壤酸性,效果经常并不明显。因此,需要在提高土壤pH值的同时,也要补充土壤中缺乏的营养元素。
  (2)化肥和有机肥施用相结合的对策。化肥特别是氮肥,如果大量施用会加速土壤酸化,长期大量施用氮肥,一些酸性土壤已出现作物绝收的现象。有机肥大都含有一些碱性物质,不但可以提高土壤pH值,还能提供养分,也可以改善土壤的物理结构。但是有机肥肥效慢,化肥肥效快且针对性强,将二者进行结合施用,可以发挥二者优点,弥补缺点,达到增产、增效和优质目标。
  (3)利用植物本身的抗逆潜力,在酸性土壤种植耐酸抗铝且养分利用效率高的植物。有些植物种类或品种,具有超强的适应酸性土壤能力,有些植物甚至“喜欢”在酸性土壤上生长,如茶树。种植这些类型植物,可以不用改良酸性土壤,降低投入成本,还能实现经济利益。
  (4)采用宜农则农、宜林则林的对策,充分发挥酸性土壤的自然生态功能。很大一部分酸性土壤分布于林地或山地,有些区域还是自然保护区或者风景区,山水如画,风景优美。对于这种类型的酸性土壤,需要根据区域内的植物类型特点,有针对性地利用和改良,因为有些植物偏好酸性土壤,如果不加判断地提高土壤pH值,可能会起到反面效果。在这些地区,应该种植一些耐酸性土壤的植物种类,充分发挥酸性土壤的生态功能,而不是提高其农业生产力。
  5  展望
  大量氮肥施用和酸沉降被认为是导致土壤酸化加速的主要原因,但是世界人口还在不断增加,人类对粮食的需求还将不断升高,氮肥施用量在短期内不会降低甚至还会上升,工业化产生的酸沉降会降低但不会完全消失。自然条件下的土壤酸化是一个缓慢过程,人类活动正使得土壤酸化速率在不断加快。不可避免的是将来土壤会变得越来越酸,如何减缓土壤酸化速率是一个全球性课题。虽然酸性土壤改良能够在短期内取得较好效果,但是使用大量的改良剂也不是长久之计,也不能从根本上解决问题,改良后的酸性土壤还会返酸。将来的研究应该从根本上降低氮肥施用和酸沉降对土壤酸化的影响。对于酸沉降,随着相关工业技术的提升,工业化排出的酸沉降会越来越少,目前一些发达国家已经有效控制了酸沉降物质的排放,长期来看,酸沉降对土壤酸化的影响将越来越小。减少氮肥施用量,同时要保证高产,需要提高氮肥利用率,如何提高氮肥利用率目前仍是一个难题,氮肥利用率的提高必将减缓化肥引起的土壤酸化。因此,提高酸性土壤氮肥利用率是减缓土壤进一步酸化的一个重要技术途径。
  参考文献
  [1]von Uexküll H R, Mutert E. Global extent, development and economic impact of acid soils[J].Plant and Soil,1995,171:1-15.
  [2]沈仁芳.铝在土壤-植物中的行为及植物的适应机制[D].北京:科学出版社,2008.
  [3]Guo J H, Liu X J, Zhang Y, et al. Significant acidification in major Chinese croplands[J].Science,2010,327:1008-1010.
  [4]Zhu Q, Vries W D, Liu X, et al. The contribution of atmospheric deposition and forest harvesting to forest soil acidification in China since 1980[J].Atmospheric Environment,2016,146:215-222.
  [5]Yang Y, Ji C, Ma W, Wang S, et al. Significant soil acidification across northern China's grasslands during 1980s- 2000s[J].Global Change Biology,2012,18:2292-2300.   [6]Liang L Z, Zhao X Q, Yi X Y, et al. Excessive application of nitrogen and phosphorus fertilizers induces soil acidification and phosphorus enrichment during vegetable production in Yangtze River Delta, China[J].Soil Use and Management,2013,29:161-168.
  [7]He Z, Yang X, Baligar V C. Increasing nutrient utilization and crop production in the red soil regions of China[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis,2001,32:1251-1263.
  [8]Zhao X Q, Chen R F, Shen R F. Coadaptation of plants to multiple
  stresses in acidic soils[J].Soil Science,2014,179:503-513.
  [9]赵学强,沈仁芳.提高铝毒胁迫下植物氮磷利用的策略分析[J].植物生理学报,2015,51(10):1583-1589.
  [10]Ma J F. Syndrome of aluminum toxicity and diversity of aluminum resistance in higher plants[J].International Review of Cytology, 2007,264:225-252.
  [11]Ryan P R, Tyerman S D, Sasaki T, et al. The identification of aluminium- resistance genes provides opportunities for enhancing crop production on acid soils[J].Journal of Experimental Botany, 2011,62:9-20.
  [12]陳荣府,董晓英,赵学强,等.木本植物适应酸性土壤机理的研究进展—以胡枝子(Lespedeza bicolor)和油茶(Camellia oleifera)为例[J].土壤,2015,47(2):252-258。
  [13]Zhao X Q, Shen R F. Aluminum-nitrogen interactions in the soil- plant system[J].Frontiers in Plant Science,2018,9:807.
  [14]Zhao X Q, Guo S W, Shinmachi F, et al. Aluminum tolerance in rice is antagonistic with nitrate preference and synergistic with ammonium preference[J].Annals of Botany,2013,111:69-77.
  [15]Zhao X Q, Shen R F, Sun Q B. Ammonium under solution culture alleviates aluminum toxicity in rice and reduces aluminum accumulation in roots compared with nitrate[J].Plant and Soil,2009, 315:107-121.
  [16]Wang W, Zhao X Q, Hu Z M, et al. Aluminium alleviates manganese toxicity to rice by decreasing root symplastic Mn uptake and reducing availability to shoots of Mn stored in roots[J].Annals of Botany,2015,116:237-246.
  [17]Azevedo L B, Zelm R V, Hendriks A J, et al. Global assessment of the effects of terrestrial acidification on plant species richness[J]. Environmental Pollution,2013,174:10-15.
  [18]Chen W, Xu R, Hu T, et al. Soil-mediated effects of acidification as the major driver of species loss following N enrichment in a semi- arid grassland[J].Plant and Soil,2017,419:541-556.
  [19]Stevens C J, Dise N B, Mountford J O, et al. Impact of nitrogen deposition on the species richness of grasslands[J].Science,2004, 303:1876-1879.
  [20]刘芳,李琪,申聪聪,等.长白山不同海拔梯度裸肉足虫群落分布特征[J].生物多样性,2014,22(5):608-617.
  [21]齐莎,赵小蓉,郑海霞,等.内蒙古典型草原连续5年施用氮磷肥土壤生物多样性的变化[J].生态学报,2010,30(20):5518-5526.
  [22]Zhao X Q, Aizawa T, Schneider J, et al. Complete mitochondrial genome of the aluminum-tolerant fungus Rhodotomla taiwanensis RS1 and comparative analysis of Basidiomycota mitochondrial genomes[J].Microbiology Open,2013,2:308-317.
  [23]Che J, Zhao X Q, Zhou X, et al. High pH-enhanced soil nitrification was associated with ammonia-oxidizing bacteria rather than archaea in acidic soils[J].Applied Soil Ecology,2015,85:21-29.
  [24]许中坚,刘广深,刘维屏.人为因素诱导下的红壤酸化机制及其防治[J].农业环境保护,2002,21(2):175-178.
  [25]Chen R F, Shen R F, Gu P, et al. Investigation of aluminum tolerance species in acid soils of South Chicna[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis,2008,39:1493-1506.
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