2022年全国土地日活动-土壤酸化,揪出这个危害土壤健康的“隐形杀手”!

来源:冀云 发布时间:2022-06-27
    2022年6月25日是第32个全国土地日,今年活动的主题是“节约集约用地  严守耕地红线”。很应景,今天我们推出的这篇文章,说的是关于土壤酸化的那些事儿。
    土壤酸化会导致土壤中有利于农作物生长发育的有益元素流失,有害重金属化合物的溶解度增加,更易被作物吸收,土壤结构变差,肥力降低,严重制约我国粮食安全、食品安全及农业的可持续发展。什么是土壤酸化?土壤如何酸化?酸化土壤如何改良与可持续利用?让我们一起揪出危害土壤健康的“隐形杀手”,一起探寻土壤酸化的秘密。                                                                     
土壤健康的隐形杀手—土壤酸化
  王茜  严明疆  田言亮  崔浩浩  申建梅  张光辉
  自然资源部地下水科学与工程重点实验室
  中国地质科学院水文地质环境地质研究所
   
  上世纪80年代,欧洲地区西德境内巴伐利亚州、巴登-符腾堡州和黑森州的很多树木突然得了一种“怪病”,在黑森州海拔500m以上地区的冷杉树相继枯死,超过半数的松树病入膏肓,这种“怪病”导致树木树根腐烂,颜色发黑,针叶脱落,林冠逐渐稀疏,这片原本生机盎然的绿色森林逐渐变得死气沉沉,秃树、死鸟、死蜂随处可见,因此这里得名为“黑色森林”(图1)。根据森林普查数据显示,西德境内超过三分之一的森林受到不同程度损害,而在“黑色森林”之乡—巴登-符腾堡州,占林区一半的森林遭受破坏。在西德邻国的捷克斯诺伐克,那里的森林同样遭遇了这种“怪病”的侵袭。在其首都布拉格东北方向的Krokonose国家公园中,有34000hm2以云杉为主的森林,放眼望去,满目皆是死亡和濒临死亡的树木。
图1 “怪病”侵袭下的森林。资料图
  针对广泛发生于欧洲的森林“怪病”,科学家们开展了一系列的调查与研究,发现这些树木正在遭受来自工厂、农场和汽车排放物中酸沉降的危害,在中欧的大部分地区,在1950~1980年间大气中的氮沉降增加了1倍,而在一些严重地区的土壤里,土壤的酸度增加了近10倍。
  我国的土壤酸化具有面积大、分布广、酸化程度高和危害大的特点。据统计,截至2015年,我国酸化土壤面积达204万平方公里,约占我国陆地面积的21%。主要分布在长江以南的广大地区,多数集中于广东、广西、湖南、湖北、安徽、江西、浙江、江苏、福建、台湾、云南、贵州、四川和西藏等14个省区(图2)。土壤酸化会导致土壤中有利于农作物生长发育的有益元素流失,有害重金属化合物的溶解度增加,更易被作物吸收,土壤结构变差,肥力降低,严重制约我国粮食安全、食品安全及农业的可持续发展。
图2 我国土壤酸碱性分布图。(图片来源:中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 数字土壤实验室)
  1.何为土壤酸化
  我们知道,酸碱性是土壤自身固有的性质,它是土壤中所发生各类化学性质的综合反映,通常用pH值来表示土壤酸碱度。土壤酸化是指在自然和人为条件下土壤pH值下降的现象,是土壤发生退化的一个重要表征。土壤溶液中氢离子的浓度决定了土壤的酸度,当土壤pH值小于6.5时,便可认为其为酸性土壤,其中土壤pH值介于5.5~6.5之间的土壤为弱酸性土壤,在5.0~5.5范围的为酸性土壤,pH值<5.0的土壤为强酸性土。
  土壤酸化效应高度依赖于土壤的类型、土壤理化性质及人类生产活动影响。例如,含有较高碳酸钙组分的石灰性土壤,缓冲能力较强,土壤酸化效应很难导致土壤pH值的明显降低;而在盐基离子含量较低 的中性和微酸性土壤中,土壤酸化效应则可导致土壤pH值显著下降。
  2.土壤如何酸化
  土壤酸化是土壤中产生的氢离子或外界输入的氢离子持续不断地消耗土壤中的酸缓冲物质的过程。例如土壤内动植物的呼吸形成碳酸、微生物分解动植物残体产生有机酸等,都是土壤“变酸”的原因。通常将土壤酸化成因分为自然土壤酸化和人类活动影响的土壤酸化。
  非人类干扰下的自然土壤酸化
  土壤酸化过程在自然界中是固然存在的,它是伴随土壤发生和发育的一个自然过程。在土壤自然酸化的早期阶段,土壤中硅酸盐矿物的风化及碳酸岩盐的溶解消耗土壤中的氢离子,导致土壤pH值逐渐下降;随后,在强烈的淋溶作用下,土壤表层交换位上的盐基阳离子逐渐淋失,交换性酸(交换性H+和交换性Al3+)逐渐形成,土壤呈酸性或强酸性反应。这也正是为何酸性与强酸性土常出现在高温多雨的热带、亚热带地区和湿润的寒温带地区的原因所在。
  人类活动对土壤酸化的加速作用
  人类活动对于土壤酸化的影响主要有两类表现形式,其一为酸沉降。酸沉降是指大气中的酸性物质以降水的形式或者在气流作用下迁移至地面的过程,即酸雨。文章开头所提到欧洲森林大面积枯死的原因即为此。我国是世界上酸沉降比较严重的国家之一,而且酸沉降分布区通常与我国红壤分布区相重叠,加剧了土壤的酸化。研究表明,高达60%-70%的外来氢离子主要通过另一种人类活动进入土壤,即化肥的不合理施用(图3)。氮是生命之源,是农作物生命周期中需求量最大的营养元素之一。氮肥,特别是铵态氮肥因其使用简单见效快,被广大农民普遍施用。这种肥料仅需在作物种植后撒施于地表即可,这样便导致大量的铵态氮在土壤表层积累,在氧气充足条件下铵态氮很快转化为硝态氮,即硝化作用。在硝化作用过程中大量氢离子被释放,加速土壤的酸化进程。因此,不合理的化肥施用是农田土壤酸化的“罪魁祸首”。
  
图3 施用化肥导致土壤酸化的发生机理。
  3.土壤酸化的危害
  土壤酸化究竟会对土壤及农作物产生怎样的危害呢?首先,土壤酸化会对土壤的理化性质造成颠覆性的影响,酸化的土壤,结构和性状都会发生改变,使得生长于其中的农作物根系发育环境变差,进而影响农作物产量与农产品的品质(图4)。
图4 土壤酸化对小麦根系及生长的影响。(图片来源于《我国农田土壤酸化现状及影响》, 张福锁)
  土壤酸化最直接的影响就是导致土壤pH值降低,土壤中酸碱平衡打破,很多原本存在于土壤溶液内的化学平衡都会发生改变。此外,土壤中存在的活性铝及有害重金属在酸化的土壤环境中更易溶出与活化。当土壤溶液中活性铝离子的含量超过植物根系的可耐受限度时,根系就会表现出短小、卷曲、脆弱易折断等现象。锰、镉、铬、铅等有害重金属在土壤pH下降时,在土壤溶液中的溶解度升高,活性增强。若高浓度的有毒重金属元素在土壤中大量积累,整个土壤环境必然会成为有毒害的环境介质,进而影响农作物的生长,危害人类身体健康。
  土壤中大量存在的微生物和酶是土壤元素、化合物、养分循环与转化的“催化剂”,但酸性环境下的土壤,这些“催化剂”的活性受到抑制。土壤的酸化会导致生存于其中的微生物种群发生改变,嗜酸细菌含量增加,有益微生物数量降低,扰乱土壤中营养元素的良性循环,导致农作物减产。广西果农种植出的裂果香蕉就是因为土壤酸化影响了香蕉生长过程中对钙、镁等元素的吸收,导致香蕉果皮韧性变差,在降雨量大的时候,香蕉果肉快速膨胀,而果皮膨胀速度较慢,就会产生裂果香蕉(图5)。
  
图5 土壤酸化下的香蕉裂果病。资料图
  4.酸化土壤的改良与可持续利用
  在我国,酸性土壤大部分分布在南方水热资源丰富的地区,这些地区具有很大的农产品种植潜力,但由于酸性土壤普遍存在酸-毒-贫等特点,使得其农作物种植潜力无法施展。如何改善酸性土壤的这些缺点,让其更好的为人类服务,实现其可持续利用,现在主要有以下几种对策。
  首先,需要改良土壤酸性和提高土壤肥力并重。酸性土壤的限制因子不仅仅是酸害与铝毒,一系列农作物生长所需的大量和微量元素例如,钙、镁、磷等都存在不同程度缺乏,仅改良土壤酸性的前提下,并不能有效促进农作物良性生长。因此,需要针对性补充土壤中缺乏的植物生长所必须的营养元素。
  其次是化肥和有机肥结合施用的对策。大量施用氮肥是造成土壤酸化的“罪魁祸首”,长期单一施用氮肥会造成农作物减产甚至绝收的现象。有机肥中大多含有一些碱性物质,合理施用可以提高土壤的pH值,还可以改善土壤的结构,为农作物生长提供所需养分。但有机肥又存在肥效缓、针对性差的缺点,因此将二者结合施用,取其优点,弥补不足,从而达到增产、增效和增优的目标。
  第三就是利用植物自身的抗逆生长潜力,因地制宜种植耐酸抗铝且养分利用效率高的农作物。例如,茶树喜欢在酸性的土壤中生长,在适宜的气候条件下种植此种类型植物,有利于降低投入成本,实现经济效益。此外,还可通过秸秆还田、合理利用畜禽粪便、深翻耕地加厚耕种层等措施实现对酸化土壤的改良。秸秆还田可以增加土壤中的养分,提高有机质含量,还可以改善土壤的理化性状,调节土壤酸碱平衡。猪、牛、羊和家禽类的养殖会产生大量粪便,这些粪尿中丰富的氮、磷和钾,通过向农田增施经过无害化处理的畜禽粪尿,可以提高土壤酸碱缓冲容量,也可降低局部的环境污染,同时实现化肥的零增长。
  “民非谷不食,谷非地不生”,我国面临地少人多的基本国情,土地是我们最宝贵的资源,是中华民族永续发展的根基。遏制住土壤酸化这个“隐形杀手”的步伐,还土壤以健康,关乎着我们每个人“米袋子”、“菜篮子”,也是维系人与自然和谐发展的重要保障。
   
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