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体接受一定数量的交换氢离子或铝离子，并将碱离子（盐基）转移到土壤中的过程。我国土壤酸化呈现面积大、分布广、酸化程度高及危害大等特点。其中酸化土壤的总面积高达2.04×108hm2,约占全国土壤面积的22.7%(赵其国等,1998);主要分布在长江以南的热带、亚热带地区及西南红、黄壤上,另外北方的设施菜地、果园及部分旱地农田也存在酸化现象;大部分酸化土壤pH<5.5,还有一部分<5.0,酸化严重的甚至低于4.5(赵其国,2002),而且酸化的程度及面积有增加的趋势。土壤酸化导致土壤有毒金属离子活度增加,肥力降低,土壤结构变差,影响作物生长发育,并带来一系列环境问题,已经成为影响我国粮食安全及农田可持续发展的主要障碍因素之一。目前,土壤酸化的发生机理及相关防治措施成为土壤学及作物学等相关领域研究的热点,但关于土壤酸化改良过程中的一些关键技术的机理仍需进一步研究,如:作物耐酸性与致酸性之间的相互关系,种植制度与土壤酸化的关系等。本文主要对土壤酸化成因、土壤酸化的危害,耐酸作物品种筛选及土壤酸化防治措施的研究进展进行综述,为我国土壤酸化的改良治理提供一定的借鉴。1土壤氧化的原因1.1土壤中总中盐基离子的大量淋失导致土壤酸化的原因主要有自然因素和人为因素。自然酸化是农业生产中普遍存在的一种不可避免的酸化现象,主要是指南方地区由于降水量大,而引起土壤中盐基离子大量淋失,交换性氢及铝含量大量增加的现象,这种酸化速度较缓慢。1.2人体疾病与自然因素相比,人为因素则加速了土壤酸化,主要包括酸沉降、肥料的不合理施用、连作及种植致酸作物。1.2.1酸雨污染格局酸沉降是指煤、石油或天然气的燃烧及汽车尾气排放过程中产生的二氧化硫(SO2)和氧化亚氮(N2O)等硫和氮的化合物,经过扩散、降水或重力作用等过程降落到地面的现象称为酸沉降。酸沉降造成土壤养分匮乏,重金属含量增加,土壤结构变差,植物生长受到抑制(梁骏等,2008)。近年来,随着工业化的发展,由酸沉降带来的危害越来越大。其中酸雨是酸沉降的主要形式,我国是世界第3大酸雨区,酸雨地区面积已达全国面积的40%,具有区域性强、频率高及酸性强等分布特征。我国主要有华中、华南和华东沿海酸雨区。90年代以来,以长沙、株洲、赣州和南昌等城市为中心的华中酸雨区污染水平超过西南酸雨区,成为全国酸雨污染最严重的地区,中心区年平均降水pH值低于4.0,酸雨频率最高达90%以上(田贺忠等,2001)。在酸雨较严重的鼎湖山自然保护区通过长期监测发现,土壤pH下降了0.3~0.5个单位,土壤中的交换性钙也持续下降,其含量仅有20世纪50年代的60%左右(黎积样,1959;夏汉平等,1997)。1.2.2化肥用量大幅增加施用硫酸铵、氯化铵等生理酸性肥料,铵根离子氧化后被作物吸收带走,而氢离子和铝离子含量增加,导致土壤pH降低。随着工业化进程,我国农田氮肥用量大幅增加,截止2007年,氮肥用量已达3.26×107t,较1981年增长191%(中国农业统计年鉴,1982—2008)。Guo等(2010)对我国典型农田土壤(包括水田和旱地)耕层酸化程度进行了研究,结果表明与1980年相比,到2000年耕层土壤pH降低0.13~0.80个单位,因施氮肥导致每年向土壤中释放2×104~2.21×105mol·hm-2的氢离子,为酸沉降的10~100倍。1.2.3土壤微量元素的补充作物生长过程中吸收大量的盐基离子,是造成土壤酸化的重要原因之一,尤其是长期种植单一植物,通过秸秆和籽粒带走的盐基离子长期得不到补充,导致土壤离子失衡、pH降低。羽扇豆等豆科作物在生长过程中根系会分泌一定的酸性物质,活化土壤磷素营养(Zhouetal.,2009),但如果连作及单作豆科作物会导致土壤pH下降,呈酸化趋势,而且随着时间的延长,酸化趋势加剧。茶树、水稻及杜鹃花等富铝作物的残体释放的铝离子也会加剧土壤酸化(张倩等,2011;Alekseevaetal.,2011)。2土壤氧化的危害2.1土壤ph和土壤制度因子h,土壤中总氮、总磷的变化国内外研究证实,酸化引起土壤中K+、Na+、Ca2+、Mg2+及NH4+等盐基离子淋失(刘春生等,2002;余涛等,2006)。主要是因为酸化土壤中正电荷增加,吸附在土壤胶体上的盐基离子的数量会减少,使得这些离子比较容易随水淋失,导致土壤贫瘠,肥力降低,尤其是在酸雨淋洗的作用下这种现象更为明显。刘春生等(2002)通过模拟酸雨淋溶褐土的试验结果表明,钙、镁、钠及钾等4种盐基离子被pH2~5的酸雨10年的淋失总量分别为5070.8、780.7、566.5和529.7mg·kg-1,而且随酸雨氢离子浓度增加淋溶量呈增加趋势。土壤酸化对于氮、磷等矿质营养元素的有效性及含量的影响较大。一般认为,土壤速效氮(硝态氮、铵态氮或碱解氮)在中性、微酸及微碱条件下有效性最高,当土壤pH低于6.0时,硝化速率明显下降,pH低于4.5时,硝化作用基本停止,碱解氮也随土壤pH下降呈直线下降趋势(余涛等,2006;吕贻忠和李保国,2006)。随pH下降铵态氮下降速率缓慢(吕贻忠和李保国,2006)。土壤pH在6.0~7.0,磷的有效性最高。酸性土壤中,磷酸根离子易与铝离子和亚铁离子结合,形成难溶性磷酸盐。而且酸性土壤中的1∶1型粘土矿物的晶格表面所解离出的OH-能够和磷酸根离子进行阴离子交换,导致磷酸根离子被粘粒所吸附,从而影响磷的有效性(Stephensonetal.,1987)。尤其是在pH低于5.5时,土壤对磷的固定作用更加明显。然而也有研究表明,由于大量施用化学氮、磷肥而导致酸化土壤中,有效氮、磷含量呈增加趋势(曾路生等,2010)。因此,酸化土壤中的氮磷有效性与土壤酸化程度及施肥水平有很大关系。有研究表明,在中性和微碱性土壤环境条件下,细菌及放线菌活性高,易使土壤中的有机碳矿化,当pH低于4.5时不利于有机质的矿化(吕贻忠和李保国,2006)。然而,也有研究表明,在土壤pH4.6~7.5内,随pH降低土壤有机质矿化作用增加(梁颁捷等,2001)。酸化严重影响土壤健康质量。研究表明,酸化导致土壤交换性酸、铝增加,这是酸化土壤对作物产生危害的主要原因(Delhaize&Raye,1995)。蔡泽江(2010)在湖南祁阳18年定位试验研究表明,施用化学氮肥旱地土壤交换性铝增加了53.4~65.7mmol·kg-1。另外,土壤酸化能够增加土壤中铁、锰、铜及铅等重金属元素有效性,不但影响作物生长发育及产量形成,还降低了农产品品质,而且果实中重金属元素的积累也会通过食物链危害人或动物的健康。曾路生等(2010)研究表明,山东寿光保护地酸化土壤中的有效铜含量为丰富水平的7~8倍,产生铜毒害。刘景(2009)在湖南祁阳红壤试验站经过18年的研究表明,不施肥及单施化肥处理的旱地土壤镉及镉活化率与土壤pH呈显著负相关,在酸化严重的氮处理上活化率高达95.7%,而且小麦和玉米籽粒中的镉含量也越高,存在着严重的镉污染的安全风险。上述结果表明,虽然化肥的投入表面上补偿了土壤养分的消耗,从而掩盖了土壤实质上的退化,使得人们对目前高度集约化农业利用导致的土壤酸化问题的实质并不十分清楚,长此以往只能加剧土壤酸化程度,导致土壤健康质量进一步恶化。而且不同类型土壤对酸输入的耐受能力和缓冲能力差异较大,目前对土壤酸化临界阈值及相应的指标表征方面的认识仍相当薄弱,亟需在理论及应用实践上加强这方面的研究。2.2影响作物生长发育的因素2.2.1氧化铝对土壤理化性质的影响酸化土壤中铝毒对根系的抑制作用最为明显,当植物受到铝胁迫时,根尖和侧根变得短而坚硬,根伸长受到抑制(Matsumotoetal.,1976)。铝进入细胞后短时间内与细胞壁上的负电荷结合,降低细胞壁的弹性,抑制细胞的膨胀和伸长(Silvaetal.,2000),随着时间延长,细胞染色体粘连,纺锤丝遭到破坏,最终影响细胞的有丝分裂(Clarkson,1985)。铝还能破坏膜脂的流动性及脂类与膜蛋白的相互作用,引起膜质过氧化伤害(Schwarzerováetal.,2002)。土壤酸化影响作物对大量元素及有益中量元素的吸收。研究表明,在酸化土壤中,铝抑制硝酸还原酶的活性和合成,干扰作物根系对氮的吸收、同化和转移(Taylor&Foy,1985)。铝与钾竞争吸附位点,降低了植物对于钾素的吸收。关于铝对钙吸收影响的机制有多种猜测,但多数认为是铝阻塞了钙通道(Rengel,1992)。2.2.2超氧化物歧化酶从表观上来讲,受酸化伤害(铝毒)的作物矮小,叶子呈墨绿色,叶尖发黄甚至枯死,生长点或叶柄萎蔫,与缺钙和缺铁的症状类似(利容千和王建波,2002)。铝诱导植物细胞产生大量的活性氧,叶片丙二醛(MDA)含量增加,超氧化物歧化酶(SOD),过氧化物酶(POD)及过氧化氢酶(CAT)等保护酶做出应急反应。另外,土壤酸化导致作物叶片可溶性糖(SS)及硝酸还原酶(NR)活性降低,叶片光合能力下降(王海云,2008),干物质累积受到抑制。2.2.3对作物产量的影响土壤酸化导致作物产量降低。蔡泽江(2010)研究表明,长期施用化学氮肥加剧红壤酸化,18年土壤pH降低1.2~1.5个单位,导致作物产量随施肥年限呈降低趋势,其中小麦产量平均每年下降11~104kg·hm-2,玉米产量平均每年下降24~210kg·hm-2。曾勇军等(2012)通过盆栽试验研究表明,在浇灌水pH为3.5~6内,随着pH降低,水稻每穗粒数减少,结实率和产量降低。与杂交稻相比,常规稻对土壤酸化反应更为敏感,当土壤pH降低时,产量下降也更为明显。3选择耐酸作物的品种和耐酸机制3.1微生物资源不同作物及不同品种对土壤酸度的适应范围不同,筛选耐酸品种,明确作物的耐酸范围,对于在生产实践中优化作物种植布局,充分挖掘酸化土壤的生产潜力具有重要作用。作物耐酸性往往通过耐铝性来体现,目前筛选耐铝种质资源的方法主要包括田间鉴定、盆栽试验和营养液培养试验等(Carvey&Ownby,1995),普遍认为,营养液培养是最有效的方法,而苏木精染色和根系再生长量测定则是最常用的筛选指标(Reidetal.,1971;詹洁等,2009)。目前分子技术也应用到耐酸(铝)品种筛选中(Yamajietal.,2009)。3.2根系有机酸的氧化外部排斥和内部耐受机制是植物耐铝毒性最重要的2种生理机制(李交昆和唐璐璐,2013)。其内部忍耐机制包括:细胞质中的有机酸、可溶性蛋白及其他有机配体对铝的螯合、液泡的区室化、诱导酶活性等。外部排斥机制主要是分泌有机酸、酚类化合物、可溶性糖、可溶性蛋白及粘胶质等来适应环境胁迫(Taylor,1985)。普遍认为,在耐铝机理中,根系有机酸的分泌是作物最重要的耐铝机制。在遭受铝胁迫时,不同作物对分泌的有机酸种类不同,如:大豆、玉米等分泌柠檬酸(Kollmeieretal.,2001;Yangetal.,2001),小麦分泌苹果酸(Zhangetal.,2001),荞麦分泌草酸(Zhengetal.,1998a),萝卜和油菜可以同时分泌苹果酸和柠檬酸(Zhengetal.,1998b;Ligabaetal.,2004)。另外,按照有机酸分泌对铝胁迫的响应时间,可将有机酸分泌分为快速模式和慢速模式(Ma,2000)。快速模式以小麦和荞麦为代表,此类作物可在铝胁迫后几十分钟内向介质中释放有机酸,而慢速模式以燕麦、玉米及绣球花等作物为代表,一般在遭受铝胁迫数小时后才作出反应。有研究认为,柠檬酸阴离子结合铝离子的能力大于草酸和苹果酸,柠檬酸解铝毒的能力更强。因此,作物根系有机酸分泌种类及分泌量对其耐铝程度具有重要作用。然而,到目前为止,不同作物的根系对特定有机酸分泌的调控机制仍不清楚,需进一步研究。4回收和土壤处理4.1土壤氧化的预防和处理4.1.1控制二氧化硫等污染物排放随着现代工业的发展,酸沉降已成为导致土壤酸化的重要原因。因此,需从源头上控制二氧化硫、氧化亚氮等污染物的排放。如:采用新型的环保能源,采用高效农业废弃物处理技术。4.1.2土壤氧化酶基因目前,我国的化学氮肥施用量高、氮肥利用率低已成为造成土壤酸化的最主要因素之一。减少氮肥施用量、多施用生理碱性肥料以及根据土壤氮肥背景值及作物的需氮规律施肥是减少土壤中氮素残留,防止土壤酸化的重要措施。4.2与传统改良方法比较已酸化的土壤很难通过自身作用得以恢复,因此酸性土壤的改良成为研究的热点。作为传统的改良方法施有机肥、石灰等碳酸钙类肥料或化学改良剂及间作轮作等改良措施已经得到了广泛应用,而生物碳、高分子化合物等新兴改良技术也正处于研究阶段,另外硅肥及某些有机酸对酸性土壤也有一定的改良效果,逐步在农业生产中推广。4.2.1有机肥及阳离子交换作用的改良机理对于土壤酸化来讲,有机肥的投入与农产品的收获是两个互逆的过程,有机肥的投入可有效补充由于农产品的移除而引起的盐基离子损失(孟红旗等,2012)。长期施用有机肥能够有效降低土壤pH,稳定或提高土壤酸碱缓冲能力,降低交换性酸及铝含量,缓解土壤酸化(汪吉东等,2012)。有机肥对土壤酸化的改良机理在于:(1)直接作用。有机肥通常为碱性,随着有机肥的施用,大量盐基离子进入土壤中,增加了土壤溶液的离子强度和阳离子交换量,有效缓解土壤酸化(Materechera&Mkhabela,2002),这种直接的中和作用及阳离子输入的交换过程作用迅速。(2)有机物在矿化的过程中产生大量富含羟基、苯酚等官能团的酸性物质,与土壤中羟基铝、铁水合氧化物发生配位体交换,消耗土壤中的质子,降低土壤pH,而且有机物分解产生的有机酸在进一步脱羧过程中释放的CO2将消耗氢离子(Yanetal.,1996)。然而,有研究认为,有机肥中的有机氮到硝态氮的转化过程是一个酸化的过程(Helyar&Porter,1989),因此有机肥对土壤酸度的长期效果取决于有机肥质子消耗能力和随后过程中硝化产生的酸,大量有机肥施用是否会引起土壤酸化,与有机物料的有机酸盐含量、作物种类及土壤背景值有关,需进一步观测。4.2.2石灰改性土壤改良剂钙对植物的抗逆性具有重要作用。酸性条件下钙可以维持细胞膜的正常结构,增强植物的耐铝毒能力,降低植物对重金属元素的吸收(Bradyetal.,1993)。目前,碳酸钙类肥料或化学改良剂,如:碳酸钙粉、钙镁磷肥、白云石粉含重金属少的冶金炉渣均可用来改良酸性土壤。石灰在传统农业中应用较为广泛,是较经济、便捷的酸性土壤改良剂。施用石灰可以中和酸性土壤中的活性酸和潜在酸,缓解铝毒,生成氢氧化物沉淀,增加土壤中的钙含量及土壤酶活性(段雷等,2011)。但由于石灰只能撒在土壤表面,且移动性较差,用来改良15cm土层以下的酸性土壤费用较高,而且大量施用石灰将引起土壤板结、复酸化作用和阳离子不平衡(Scottetal.,2000)。4.2.3与引发作物作或麻黄豆科作物在吸收养分时会通过根系向土壤中释放氢离子,加速土壤酸化,而豆科作物与禾本科作物间作或轮作会有效缓解这一现象。Li和Rengel(2012)在盆栽条件下的研究表明,鹰嘴豆与小麦间作可以缓解单做鹰嘴豆而带来的土壤酸化现象。4.2.4生物碳对酸性土壤理化性质的影响作物收获后从土壤中带走了大量碱性物质,作物秸秆还田能够增加土壤碱性。生物碳是作物秸秆在缺氧条件下加热而成的(陈温福等,2011)。生物碳中含有的碱性物质在进入土壤后可以很快释放出来,中和部分土壤酸度,增加盐基离子含量和阳离子交换量(袁金华和徐仁扣,2010)。生物炭可以提供植物所必须的氮、磷、钾、钙及镁等营养元素,并钝化酸性土壤里面的重金属元素,促进作物生长(何绪生等,2011)。另外,生物碳良好的孔隙结构和吸附能力也为土壤微生物的生存提供了附着位点和较大的空间(何绪生等,2011)。上述结果表明,生物碳对酸性土壤具有一定的改良效果,但其改良机理仍需进一步明确。目前我国对生物碳的研究仍处于理论研究,由于生物碳收集及运输成本较高,在一定程度上阻碍了生物碳的推广、应用。4.2.5改变酸性土壤类型近年来随着科学技术的进步,许多高科技产品也应用到土壤酸化的改良中来。一些高分子聚合物(如:聚丙烯酰胺,纳米羟基磷灰石等)在改良酸性土壤方面取得了许多成果,研究表明聚丙烯酰胺可增加酸性土壤中大团聚体数量,提高土壤孔隙度,吸附重金属元素,提高作物叶片抗氧化酶活性,促进作物生长(Bhardwajetal.,2010;陈世军等,2012)。4.2.6提高土壤ph每一种改良技术都有优点和不足,将几种改良技术综合起来才能充分改良效果。有机肥与石灰配合施用是常用的综合改良措施之一,在旱地红壤上