单位：土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所）；中国科学院大学；河南大学生命科学学院；江西省红壤及种质资源研究所
卷期：《土壤学报》2023年第60卷第5期
中国酸性土壤研究可追溯至20世纪50年代，中国科学院南京土壤研究所于天仁等认识到酸性红壤固磷能力强，导致磷极易缺乏，开始研究酸性土壤磷肥肥效及其施用方法。至今，磷的生物有效性和作物利用率仍是南方酸性红壤研究的一个重要课题。近二三十年，我国耕地、草地和林地土壤均发生不同程度的酸化。土壤酸化已对我国农业生产力、农产品品质和生态环境构成潜在威胁，实现酸性土壤可持续利用是一项国家重大需求。酸性土壤治理已得到国家高度重视，“十四五”期间国家已部署南方红黄壤酸化区土壤改良与利用相关的多个重点研发项目。目前，我国酸性土壤改良与利用仍存在诸多问题，如酸性土壤分布详情不明、施肥与土壤酸化之间关系存在争议、作物酸害阈值不清、酸性土壤耐逆作物良种缺乏、酸性土壤-植物-微生物的协同效果未充分发挥、土壤酸化和重金属的重叠胁迫、酸性土壤改良和利用关键技术落地性差等。因此，亟需对我国酸性土壤研究已有成果进行总结，提出酸性土壤改良与利用的技术途径和策略，指明将来的研究方向和重点，以推动我国酸性土壤区域耕地质量和产能提升。
01
中国酸性土壤概况
以往经常将我国南方红黄壤地区总面积等同于我国酸性土壤面积，忽视了我国其他地区的酸性土壤，而且南方红黄壤地区的土壤亦不都是酸性土壤，所以需明确酸性土壤的全国分布特征和实际面积。利用第二次全国土壤普查后至2015年前后较新的土壤pH数据，本文初步绘制了中国土壤酸碱度图（图1）。整体上，我国酸性土壤明显分为南方红黄壤地区和东北地区。不同土地利用类型土壤pH分析结果表明，水田和林地酸性土壤占比较高、非酸性土壤占比低，而旱地和草地相反（图2），这可能因为水田主要分布于我国南方红黄壤地区，而旱地和草地主要分布于我国北部和西部地区，林地的土壤酸化是酸沉降和枯枝落叶腐解等多种因素的作用结果。
注：数据源自包括“973”项目和中国科学院战略性先导科技专项等多个研究项目、部分省级土系志以及2010年以后相关论文等。该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1822号的标准地图制作，底图无修改。
图1 中国土壤酸碱度图
Fig. 1 Soil pH map of China
图2 不同土地利用类型中不同pH范围土壤占比
Fig. 2 Percentage of different soil pHs in different land use types
02
土壤酸化机制
土壤酸化分为自然条件下的土壤酸化和人为因素导致的土壤酸化，前者的因素主要有土壤自然风化、盐基离子淋失、植物凋落物在土壤中分解及植物根系分泌物、雷电降雨等，后者的因素有土壤管理方式（如施肥）和人为排放物（如酸沉降）。目前自然因素和酸沉降导致土壤酸化的机制较为清楚，以下仅作简要介绍。由于施肥（主要是氮肥）与土壤酸化之间的关系经常存在争议，这里着重讨论氮肥与土壤酸化。
-自然条件下的土壤酸化-
土壤的自然酸化是一个非常缓慢的过程。据估计，经过229万年，自然条件下红壤pH才下降1个单位。我国南方红黄壤地区气温高、降雨多、雨量大，土壤高度风化，在强烈土壤风化和降雨条件下，土壤中硅和盐基离子大量淋失或流失，而土壤中铁铝氧化物富集，盐基饱和度和酸缓冲性能降低，H+取代土壤表面的阳离子交换位点，土壤H+饱和度增加，产生大量交换性酸，导致土壤酸化。我国东北地区的大、小兴安岭和长白山地区，冬季时间长、气温低，土壤中的枯枝落叶不能完全分解，在微生物作用下，未充分分解的枯枝落叶产生酸性很强的富里酸等有机酸，导致土壤pH很低，这些地区的土壤酸化特征与北欧、北美寒温带地区灰化土类似。
-酸沉降引起的土壤酸化-
酸沉降指由人为活动或自然过程排放出的二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)等致酸气体及其在大气中形成的气态或颗粒态物质通过干沉降或降水（酸雨）沉降至地表的过程。我国酸雨区主要分布在长江以南、青藏高原以东的广大地区及四川盆地，酸沉降严重地区与酸性红黄壤分布区重叠。据分析，近年来我国森林和草原土壤酸化的主要原因是氮沉降，不是硫沉降。我国硫沉降在2007年后开始下降，但是氮沉降在2005—2013年呈上升趋势，2013年以后，氮沉降也开始下降，预计酸沉降导致的土壤酸化问题将逐渐得到缓解。
-氮肥与土壤酸化-
干湿沉降氮和肥料氮均会诱导土壤酸化，氮被认为是全球土壤酸化的重要诱因。时间演变和现有不同地块土壤数据表明，氮肥是农田土壤酸化的重要诱因。
土壤中1分子有机氮矿化消耗1个H+生成1个NH4+，1个NH4+硝化为1个NO3-产生2个H+，植物吸收1个NO3-消耗1个H+，整个过程H+产消平衡，不会导致土壤酸化。如果硝态氮进一步反硝化为含氮气体，会消耗更多H+，还可能导致土壤碱化；相反，如果NO3-被淋溶至地表水或地下水，带走大量的陪伴盐基阳离子，会导致土壤酸化。农田一般施用尿素，如果从尿素水解开始计算，尿素分子中的1个氮水解为1个NH4+也消耗1个H+，后面的过程与上面有机氮转化过程相同，整个过程H+产消平衡，也不会导致土壤酸化（图3）。如果土壤是一个封闭系统，有机氮肥和无机氮肥（尿素）的添加并不会导致土壤酸化，如果有机肥和无机氮肥为碱性，还会提高土壤pH。因此，有学者对“氮肥导致土壤酸化”提出质疑是具有一定道理的。
图3 土壤氮素转化中H+的产生与消耗示意图（+表示产生H+，-表示消耗H+）
Fig. 3 Schematic diagram of production and consumption of H+ during soil nitrogen transformation (+, produce H+; -, consume H+)
实际上，土壤不可能是一个封闭系统，土壤圈与大气圈、生物圈、水圈频繁地进行着物质交换。施入土壤的氮会挥发至大气或淋溶至地下水，在这样一个非封闭系统中，氮素转化产生和消耗的H+之间可能不平衡，即土壤中净H+量有变化，如果净H+量增多，土壤变酸，相反，土壤变碱。如果施氮量超过植物吸氮量，硝态氮会在土壤中残留或者被淋溶，导致植物吸收的硝态氮相对减少，消耗的H+也减少，净H+量增多，会导致土壤酸化。此外，带负电的NO3-淋溶过程中，基于电荷平衡原理，也会有大量盐基阳离子淋溶，如前所述，这也会导致土壤酸化。因此，硝态氮未被植物吸收或者被淋溶可能是氮肥诱导土壤酸化的关键机制。此外，硝态氮也会被反硝化生成含氮气体，这一步消耗H+，消耗H+的数量取决于最终产物，生成含氮气体产物不同，消耗的H+数量不同。据此推测，如果硝化作用产生的硝态氮被反硝化，也会消耗H+，氮肥可能也不会导致土壤酸化，甚至导致土壤碱化。因此，氮肥能否导致土壤酸化取决于土壤氮素转化过程中H+的产消平衡。本课题组对江西进贤长期不同施肥处理下旱地土壤pH进行了比较研究。结果表明，长期不同施肥处理35年后，不施肥处理的土壤pH为5.08，氮肥（尿素）导致土壤pH大幅度下降，单施氮肥处理土壤pH降低至4.19，其他含有氮肥的处理土壤pH也显著降低（pH 4.24~4.78），不含氮肥的处理（磷肥和钾肥处理）土壤pH未降低甚至略有升高，有机肥（猪粪）处理显著提高土壤pH，单施有机肥处理土壤pH升为6.55。本课题组也比较分析了江西进贤40年长期不同施肥下稻田土壤pH变化，结果表明，氮肥未导致稻田土壤酸化，有机肥提高土壤pH幅度亦不高，稻田土壤pH在不同施肥处理之间无显著差异。因此，对于旱地，氮肥诱导土壤酸化，有机肥抑制土壤酸化，但是氮肥和有机肥对淹水条件下稻田土壤pH影响应另当别论，不一定会诱导或抑制土壤酸化。
03
土壤酸化的主要危害
-抑制植物生长-
酸性土壤上最大的问题是作物生长受抑。在我国南方地区，气候条件适宜植物生长，土壤的酸性及其诱导的一系列胁迫因子是作物产能发挥的主要限制因子。
-影响作物品质-
由于酸性土壤钙、镁含量低，香蕉易产生裂果问题，相反，酸性土壤上植物吸收锰比较多，苹果树皮受到毒害，导致非常严重的树皮病。土壤的酸化还显著提高一些有毒重金属的有效性，导致农产品重金属含量升高。
-破坏生态环境-
土壤微生物对pH非常敏感，土壤酸化会降低微生物多样性和丰度，影响微生物群落结构，破坏微生态系统，加剧土壤病虫害发生。
04
作物对酸性土壤的适应
酸性土壤对大多数作物的生长不利，但是由于自然选择和生态适应的原因，长期在酸性土壤上生长的一些植物形成了耐酸性土壤的遗传特性，比如耐酸、铝毒、锰毒、低磷等，这些宝贵的植物遗传特性为研究植物适应酸性土壤的机制提供了重要信息，为培育耐酸耐瘠作物品种提供了优良基因资源。
-不同植物对酸性土壤的适应差异-
不同植物对酸性土壤的适应性不同，pH 5.5~6.5的弱酸性土壤对大多数植物生长无明显危害，但作物需要生长在最适pH范围，生长潜力才能充分发挥。我国对作物最适pH研究较少，细致的研究更是缺乏。目前已知的作物适宜pH范围差异较大，甜菜为7.0~7.5、白菜7.0~7.4、黄瓜和洋葱6.4~7.5、大麦和玉米6.0~7.5、小麦6.3~7.5、大豆6.5~7.5、莴苣6.0~7.0、棉花6.5~7.3、萝卜5.0~7.3、胡萝卜5.6~7.0、番茄5.0~8.0、马铃薯4.5~6.3、茶树4.0~5.0等。一些特殊的植物对酸性土壤有一定的偏好性，如茶树和蓝莓。茶树被认为是典型的喜酸植物，研究得出茶树适宜pH范围为5.0~6.0，最佳pH为5.5。蓝莓也是喜酸植物，对土壤酸碱度敏感。
-植物对酸性土壤的适应机制-
植物在酸性土壤上不仅遭受铝和锰等金属毒害，而且会受到各种各样的养分缺乏胁迫，其中低磷胁迫是酸性土壤中主要养分限制因子。植物耐铝毒、锰毒、低磷相关基因的发现，为酸性土壤上植物分子遗传改良提供了宝贵基因资源，将来如能应用于主要农作物的分子育种，可望大幅提高酸性土壤作物产能。
-植物对酸性土壤多重胁迫的协同适应机制-
酸性土壤不仅存在铝毒、锰毒、低磷问题，还伴有高铁、缺氮及氮肥诱导的土壤酸化等多种问题，植物只有协同适应上述多重胁迫因子，才能在酸性土壤上良好生长。在土壤和植物中，这些因子发生着复杂相互作用，充分认识这些相互作用及其机制对于提高植物协同抵抗酸性土壤多重胁迫具有重要意义。
05
微生物对酸性土壤的响应
-微生物群落水平对酸性土壤的响应-
土壤微生物是陆地生态系统功能的引擎，微生物几乎参与所有已知的土壤物质转化过程，是地上植物生产力和养分利用率的重要驱动者，决定着陆地生态系统的可持续发展。土壤微生物群落对土壤酸化极其敏感，是土壤酸化程度的重要指示者。土壤微生物群落中稀有菌和优势菌对土壤功能的贡献不同，其中稀有菌对维持土壤生态功能更为重要。土壤微生物关键种对于提高酸性土壤肥力、作物养分吸收和生产力具有重要作用。作为植物的第二基因组，根际微生物组在促进植物生长、适应逆境、维持植物健康等方面已成为农业科学的研究热点。在不同施肥措施和不同作物品种条件下，根际作用均表现出对酸性土壤微生物群落结构和功能的显著影响。充分发挥酸性土壤微生物功能，对于改善植物营养、提高养分利用率、缓解土壤酸化和降低化肥施用量等具有重要作用。
-微生物个体水平对酸性土壤的响应-
微生物个体存活是群落组成和维持的基础，微生物在酸性土壤上发挥功能的前提是具有较强的耐酸铝能力。铝毒作用于微生物的细胞壁、细胞膜、细胞核和细胞器，影响微生物的物质和能量代谢，抑制微生物的生长和发育。一些模式微生物的耐铝机制已有深入研究，与植物的铝耐受水平相当（最高浓度一般小于0.1 mmol·L-1）。将来如何将分离到的耐铝、解磷微生物接种至大田酸性土壤，提高植物抗逆能力，将是研究的关键。
06
酸性土壤改良与利用策略
-酸性土壤的分区分级分类改良-
我国酸性土壤面积大，地区间差异大，同一地区不同地块间差异也大，在南方坡耕地，甚至同一地块的不同位置土壤pH也存在较大差异。因此，在酸性土壤改良前，做好土壤pH和养分的基础检测很有必要，根据不同地区、不同地块、不同土地利用类型的土壤酸度特点，结合植物类型，有针对性地进行酸性土壤的分区、分级和分类改良。优先选择酸性土壤面积大、酸度等级高、种植酸敏感植物的土壤进行改良，合理施用石灰等碱性物质，根据土壤酸度等级，确定施用量和施用周期，实现快速降酸和长效控酸目标。
-土壤酸度改良和肥力提高并重-
南方红壤的突出特点是酸和瘦，目前针对红壤酸度的改良开展了大量研究，而对于瘦的问题，已有研究明显不足。目前已有很多改良酸性土壤的碱性材料，如石灰、有机物料、生物质炭、粉煤灰、碱渣、磷石膏、造纸废渣等，并在酸性土壤改良中发挥了较好效果。南方地区高温多雨，土壤有机质分解快，养分淋失多，酸性土壤肥力较低，多种养分缺乏。改良酸性土壤不仅需要提高土壤pH，而且需要提高土壤肥力，二者并重，才能有效提高酸性土壤生产力。
-有机无机相结合的肥料施用措施-
有机肥在改良酸性土壤上有多方面优势：（1）有机肥本身大都pH较高，可降低土壤酸度和铝毒；（2）有机肥可提高土壤酸缓冲能力，减缓土壤酸化，有机肥中的一些有机官能团还可结合铝离子，降低铝的活性；（3）南方气温高、降雨多，有机肥可在土壤中快速分解，较快为植物生长提供更多养分；（4）南方红壤黏性强、易板结，有机肥可改善土壤团聚体结构，间接提高土壤肥力。由于有机肥肥效较慢，短期内，有机肥应与化肥配施，为酸性土壤上作物苗期生长提供充足养分。在施用有机肥的同时，如能结合秸秆还田和冬季绿肥施用，则能显著改良土壤酸度，并降低有机肥施用量，减少其负面影响，提高耕地产能。
-酸性土壤地区适宜发展多种种植制度的特色农业-
我国南方红黄壤丘陵区山地、林地较多，灌溉条件差异大，又有旱地和水田之分，植物种类多，种植制度多样化。种植耐酸性土壤的植物种类，不仅可降低酸性土壤改良成本，还能显著提高经济效益。针对酸性土壤区不同地块特点，兼顾生态保护和产能提升，以大食物观为指导思想，遵循“宜粮则粮、宜经则经、宜林则林”的酸性土壤综合利用原则，充分发挥不同植物优势，形成同市场需求相适应、同水热资源环境承载力相匹配的酸性土壤特色农业模式，大力促进我国南方红黄壤酸化区农业发展。
07
研究展望
-发展新型酸性土壤改良剂-
石灰是一种传统的酸性土壤改良剂，有粉尘污染、深层改良不足、易造成土壤板结、土壤易返酸等缺点。生物质炭和农作物秸秆制成的有机物料在酸性土壤改良上也有很好效果，但是由于这些材料成本和施用量较大，目前在农业生产实践中尚未得到大面积推广应用。一些工业废弃物如粉煤灰、碱渣、磷石膏、造纸废渣等也可降低土壤酸度，但因担心上述产品的负面环境效应，目前这些材料也未得到推广应用。因此，亟需解决上述改良材料存在的现实问题，突破其应用瓶颈，在产品性状、造粒技术、环境监测、新产品创制等方面加强技术研发和攻关，生产出施用简便、经济长效、生态环保的新型酸性土壤改良剂。
-加强不同作物酸害的土壤pH阈值研究-
不同植物承受酸害的土壤pH阈值差异很大，作物酸害的土壤pH阈值是进行酸性土壤改良的前提。当土壤pH低于或者接近于作物酸害的土壤pH阈值时，才需要对酸性土壤进行酸度改良，否则，会浪费人力和物力，对一些特殊耐酸性土壤植物类型，效果甚至会适得其反。在田间条件下开展不同作物酸害发生的土壤pH阈值研究非常必要。通过系统查询相关资料，发现该方面的研究较少，亟需加强该方面的研究。
-研发减缓土壤酸化的氮肥高效施用技术-
我国酸沉降已得到很大遏止，未来自然生态系统如森林和草原的土壤酸化应会减缓。即使酸沉降已减少，氮在酸沉降中的比例也在增加，目前农田酸化主要诱因也是氮肥。系统揭示氮在土壤圈-大气圈-生物圈-水圈中质子产消的来源、方式、途径，对于研发减缓土壤酸化的氮肥高效施用技术具有重要意义。氮肥引起的土壤酸化主要因为铵态氮的硝化作用和植物对铵态氮的吸收。虽然酸性土壤硝化作用较弱，但是进一步抑制土壤硝化作用，仍可能有效减缓土壤酸化、提高氮肥利用率和降低氮肥的负面环境效应。上述均为理论分析，尚需进一步开展系统性的田间试验来验证其效果。
-重视中微量元素对酸性土壤上植物生长的作用-
针对酸性土壤改良的研究大多侧重于氮、磷、钾大量元素，而对于中微量元素关注不够。在南方高温多雨条件下，土壤养分淋溶损失较大，有机质分解速率也较快，导致土壤肥力整体偏低，多种养分缺乏。除了氮、磷、钾三种大量元素，限制南方红黄壤地区产能提升的关键中微量元素是什么，目前仍缺乏系统研究。基于最小养分限制率，一种关键微量元素的提高，可能会起到“四两拨千斤”的作用。因此，研究中微量元素在酸性土壤上作物生长中的作用，对于提升我国酸性土壤的作物产能具有关键性意义。
-培育耐酸性土壤多重胁迫的作物品种-
对于植物如何适应酸性土壤逆境和养分胁迫因子，如铝毒、锰毒、低磷等，已开展了大量系统深入研究，目前对于植物耐酸性土壤胁迫的生理机制已较为清楚，在分子机制上也有很多突破，许多耐酸性土壤相关基因已被分离和鉴定。上述这些生理和分子机制的研究大都还停留在实验室层面，在田间条件下应用实例很少，缺乏落地效应。将来，亟需将上述机制方面的研究成果推向大田，充分利用已发现的酸性土壤耐逆基因，进行分子辅助设计育种，培育耐酸性土壤多重胁迫的作物新品种，发挥提高酸性土壤生产力的实际功效。作为植物的第二基因组，根际微生物组愈加显现出在植物抵抗逆境和养分高效利用中的重要作用，将来如何调控植物根际微生物群落或者进行根际微生物的优配组装，结合酸性土壤耐逆植物品种的改良，也是酸性土壤上耐逆作物品种培育中可尝试、有吸引力的途径。
-积极开展土壤酸化趋势预测-
土壤酸化已在全国范围内普遍发生，利用历史相关数据，结合目前农业、工业、气候、环境和生态现状与发展，建立土壤酸化预测模型，科学预测我国未来土壤酸化的程度和趋势，对于制订阻控土壤酸化的长远政策和建议具有积极作用。
08
结语
我国不同区域的土壤均存在不同程度的酸化。随着我国酸沉降不断得到有效控制及氮肥减施增效项目的实施，土壤酸化整体趋势有望趋缓，特别是自然生态系统的土壤酸化会得到有效遏制。因为我国人多地少的现实状况，粮食安全是农业发展的第一要素，大量施用氮肥是提高作物产量的重要手段，所以农田土壤仍将不同程度地酸化。在南方红黄壤地区，土壤本身较酸，氮肥加速土壤酸化至一定程度，对作物生长的危害非常大，须加以有效阻控。在该地区开展酸性土壤的分区、分级、分类改良，研发氮肥减施增效技术，创制新型酸性土壤改良剂，重视有机无机肥配施，培育耐逆作物新品种，发挥中微量元素肥料功效，发展多种种植制度的特色农业，对于减缓土壤酸化、提升耕地质量和产能具有特殊重要意义。在我国北部和西部地区，由于农田土壤碳酸盐的酸缓冲体系较强，氮肥诱导的土壤pH降低幅度较小，目前对农业生产尚未构成太大威胁，但是如任其长期发展下去，一旦突破土壤酸缓冲能力的临界点，土壤pH可能大幅降低，将来可能对作物产生不利影响。将来需要充分利用酸化模型，对我国北部和西部地区土壤未来的酸化趋势和作物危害进行预估，以降低土壤酸化将来对上述地区农业生产造成的不利影响。2023年，农业农村部已启动了在全国15个省份、20个县开展酸化耕地治理的工作，同时，多个关于南方红黄壤相关的国家重点研发和科技攻关项目已立项或者正在立项。随着这些项目的实施，我国土壤持续酸化的现状有望得到改善，土壤酸化区的耕地质量和产能将大幅提升，为确保粮食安全夯实基础。
作者简介
沈仁芳
长期从事土壤肥力、植物营养与植物生理等方面的研究工作，在土壤酸化过程、植物适应酸性土壤生理和分子机制、作物养分高效吸收利用机制等方面取得了一定的成绩。主编出版《铝在土壤-植物中的行为及植物的适应机制》，发表学术论文230余篇，其中SCI论文100余篇。