茶园土壤酸化研究进展

张 帅 户杉杉 潘荣艺 高水练*

(1.福建农林大学安溪茶学院；2.福建农林大学园艺学院；3. 福建省安溪县现代农业产业园协同创新中心)

茶树起源于云贵高原一带，在我国长江流域以南广泛种植，茶树的土壤生长环境主要以酸红壤为主。由于其长期生长在酸性环境，导致茶树喜酸怕碱的生存习性。但土壤并非越酸越好，研究证实，符合茶树适合生长的土壤酸度为4.5～6.0，茶树的最适宜酸度为5.5[1]。然而当茶树的土壤pH<4.0就会抑制茶树生长及其相关代谢活动，最终将严重影响到茶树产量与品质[2]。目前茶园的土壤酸化现象日趋严重，已发展成为世界性难题。我国作为世界上茶叶种植面积第一大国，解决茶园土壤酸化迫在眉睫。

1 茶园酸化现状及成因

1.1 酸化现状

在我国茶区茶产业发展的同时，茶园的土壤酸化现象已成为制约我国茶区生产的关键因素。对于土壤酸度的评定，于天仁研究出用石灰位来表示土壤的酸度，之后学者陆续提出新的土壤酸度评价方法，如AL饱和度(ASP)、盐基饱和度(BS)、酸缓冲容量(pHBC)和酸化速率(AR)等[3-5].贵州茶树种植面积为696万亩，处于全国首位，据研究调查，该茶园土壤平均pH为4.6[6]；福建茶树种植面积为355万亩，占全国茶园总面积的8.5%[7]。其茶园土壤酸化面积更是日趋加重，根据相关数据表明全省有86.9%的茶园，其土壤pH<4.5，其中pH<4.0的过度酸化茶园占28%[8]；浙江松阳县茶园在对2007-2015年之间的土壤环境的调查，得出土壤pH值<4.0占1.67%，pH值在4.0～4.5之间的占7.55%[9]。由此可见，我国华南、西南、江南三大重点茶区茶园土壤酸化程度正在逐步加深，酸化速度正在逐渐加快，土壤pH适宜的茶园面积正在持续缩小。

1.2 酸化成因

1.2.1外源酸 外源酸是指在茶树生长过程中，人为添加或者自然环境恶化而带来的酸化因子。随着茶树生长年限的增加，外源酸化因子逐渐积累，茶园土壤酸化现象日趋加重。土壤酸化的主要原因来自于氮肥的大量投入[10]。上世纪80年代中期，为了追求茶树高产，大量施用生理酸性N肥[1]，导致茶园土壤酸化速度加快。实验证明不同形态下的氮肥对茶园土壤酸化影响的程度不同。CO(NH2)2和(NH4)2SO4为茶园最多施用氮肥，其酸化能力为硫酸铵最强，尿素次之[11]。氮肥的过量施用，土壤中NH4+的增加，易形成阳离子积聚 “微区”，破坏土壤团粒结构，促使土壤盐基离子(Ca2+、Mg2+等)的淋失[12]，导致土壤酸化。

据研究[13]表明在大自然环境下pH值下降一个单位平均需要100年左右，而人类活动可以加速了土壤酸化的过程，如酸沉降、生物量的移除和大量化学氮肥的施用等。茶园施用氮肥不仅增加了土壤有机氮含量，而且会促进土壤中氨氧化细菌AOB的生长，抑制氨氧化古菌AOA生长，从而加剧NH4+-N的硝化和矿化，增加土壤的NO3--N含量，加剧土壤酸化[14]。同时，由于茶树长期以来“喜氨聚铝”的生长习性，导致其茶园铵态氮肥的过量施用。茶树吸收铵态氮后，根系部会分泌出大量氢离子，此外氨的硝化作用也会产生大量氢离子[15]，加剧土壤的酸化进程。

其次，酸沉降也会造成土壤酸化。酸沉降顾名思义为酸性物质的沉降累积，其pH低于5.6，SO2和NOx是主要的致酸物[16]。SO2和NOx主要来自于矿石原料的燃烧以及石油、煤炭等能源燃料的燃烧，并伴随微尘颗粒、降雨等进入茶园土壤。酸雨是最为普遍的酸沉降代表，是由酸性气体(SO2、NO、NO2等)随着降雨等方式降落到地面，直接引起土壤的酸化。由于茶园土壤表层酸性缓冲物质的不断消耗，酸雨如未及时中和，将会加重土壤的酸化。酸沉降也会导致土壤酸化现象并且还会加剧了土壤矿物质的化学变化[17]，在雨水冲刷力作用下盐基阳离子不断淋失，促进了茶园土壤的酸化[18]。

茶园有机酸离解以及不合理的耕作种植方式同样影响着土壤的酸碱度。茶园内茶树修剪枝条以及其他植物残体的分解所带来的有机酸如：苹果酸、草酸、柠檬酸等[19]，导致土壤中酸性物含量增加，进而降低了土壤的pH值。由于不合理的茶园间作套种等种植方式，在特定环境下根系会分泌大量酸性物，例如菜豆和玉米在土壤铝浓度为0～200 μmol时，根系增加分泌柠檬酸到质外体或根际溶液[20]；而大豆、向日葵和花生在缺铁时，根系分泌的H+和柠檬酸增加5～10倍[21]；在茶园种植的肥田萝卜，当缺磷时，根系分泌的酒石酸、苹果酸和琥珀酸增加，其中酒石酸可增加到10倍之多[22]。

1.2.2内源酸 内源酸主要是指茶树自身代谢所产生的酸性物质。茶树本身具有“嫌钙聚铝”的生活习性，由于茶树在生长过程中根系周围会富集土壤中的大量的活性铝，并转移运输到茶树叶片中，随着叶片的凋落，再次进入茶园的土壤中，使土壤交换性Al含量升高[23]。在这一过程中茶树根系会释放有机酸和H+，降低了土壤的pH值。茶树是一种多年生常绿植物，由于其长期的种植加重了土壤中硅酸盐化合物以及含铁化合物的矿化，加速了钾、钙等元素的流失和铝硅积累[24]，是导致土壤酸化的重要因素之一。研究表明[25]，种植13、34以及54年茶园土壤pH较未使用土壤降低1.37、1.62、1.85(表1)。并且在酸化前期(0-13年)，0～10 cm土壤酸化速率达到4.40kmol H+ha-1year-1。其次茶树翻耕条件差，根系分泌物逐渐累积而酸化土壤[26]。由于茶树本身的“嫌钙”的生活特性，在生长管理上不能通过施用大量含钙碱物质来改善其土壤，将会致使土壤酸化累积。

2 酸化危害分析

2.1 土壤酸化对茶园土壤的危害分析

2.1.1盐基离子的淋失 土壤酸化使茶园土壤中正电荷增加，净负电荷较少，对盐基阳离子的吸附力显著降低[27]，加速了土壤中盐基离子的淋失。实验证明，通过不同酸度酸雨对第四纪红壤进行淋溶得出，盐基离子对酸雨的敏感程度为Ca2+>Mg2+>K+>Na+，并且在pH值为3和2.5的酸雨淋溶条件下，红壤中盐基离子释放量会明显升高，当其pH为3.0～5.6情况下，盐基离子淋溶趋于平缓[28]。土壤酸化将会诱使土壤可交换性碱性阳离子及其饱和度得降低，进而使其交换性酸得到增加，导致酸化茶园土壤形成[29]。此外，在长期的酸雨淋洗情况下导致土壤中交换性阳离子向下迁移，土壤的CEC下降，对盐基阳离子的吸附能力降低，进而使其对土壤对酸的缓冲能力下降[30]。同时，酸雨酸性越强，Ca2+、Mg2+流失量越大[31]，加重抑制了茶树生长过程中对营养元素的吸收利用能力，使茶树产量与品质降低。

施肥方法对土壤酸化也有影响，施肥方法不合理，不仅促进土壤的酸化，而且还会引起土壤盐基离子淋失。胡波等模拟氮沉降试验中，通过对8个月喷施NH4NO3溶液发现，随着喷施浓度的升高，土壤酸化程度也会逐渐加强，盐基离子淋失显著性也将得到提高[32]。鲁艳红等通过34年长期施用N、P、K肥发现，与对照组相比，土壤交换性酸提高2.3倍，水解性酸提高35.4%，盐基离子减少18.4%[33]。此外氮肥的施用种类也会导致土壤盐基离子方面的淋失。实验证明不仅砖红壤而且还有黄壤方面，氨态氮的淋失量均远低于硝态氮，交换性盐基离子的迁移量随硝态氮淋溶量的增加而增大，而且砖红壤在氮素和盐基离子的淋失量方面均较低于黄壤[34]。

*表中数据源自WANG Hui 等[25]

2.1.2金属离子的活化 土壤酸化会降低土壤对重金属离子的吸附力，使重金属离子得到活化，进而增加其土壤的重金属溶解度[35]。研究土壤酸化会导致土壤中的Ca、P等大量元素和Mo、B等微量元素的有效性的降低，进而影响其作物的吸收能力[36]实验证明随着pH值的逐渐降低，土壤中交换性铅将呈现出明显上升的趋势，不仅引起酸度升高，还会使交换性铅增长趋势加强，在pH值为5时，其含量可达到20%左右[37]，导致茶树受到铅毒损伤。常规中土壤的镉离子交换态含量为20%到40%之间，但当pH<6.0时，镉离子交换态会增加到60%[38]。铜离子作为茶园重金属之一，随着土壤pH值的降低，土壤对铜离子的吸附能力降低，土壤类型中最大吸附量对比结果为砖红壤>赤红壤>红壤[39]。

铝元素作为地壳中的金属元素其含量最为丰富，在土壤中经常以结合态存在，不会对茶树产生毒害作用，但是土壤的酸化会增加土壤中可溶性铝的含量，反之土壤中交换性铝含量的增加也将导致土壤的酸化[40]。实验表明当pH<4.5时，土壤的酸碱度变化主要由铝体系所调控，由于酸性土壤中交换性酸主要以交换性铝的形态存在[41]。当pH>4.5时，将由交换性氢离子所调控，并随着土壤pH值的升高，土壤中的交换性铝含量将明显处于下降趋势[42]。并且酸雨的淋溶也将加剧土壤中含铝原生和次生矿物的风化速度[28]，促进了铝离子释放。伴随着酸雨pH的降低，土壤中铝离子浓度将呈现出明显的上升趋势。

2.1.3对土壤结构及微生物种群的影响 土壤结构是影响茶树生长发育的重要因素，不但影响茶园中土壤温度、水分、空气的含量，而且也会造成茶园肥效利用的差异化。伴随着盐基离子的大量淋失，土壤将出现营养缺失严重现象，使得酸性土壤的土壤结构与正常土壤相比具有显著差异。土壤酸性方面的增强将使土壤中的腐殖质转化为可溶性，由于长期的淋溶，将导致土壤中腐殖质含量降低[43]。由于酸性土壤中交换性氢离子的大量存在，土壤很难形成自己的团粒结构，导致土壤的透水性和透气性方面降低[44]。实验表明阳离子交换容量(CEC)与土壤机械组成、团聚体组成和土壤孔隙存在显著相关关系(R2=0.900，P<0.05)，土壤酸化将导致土壤团聚结构和孔隙度降低，从而降低CEC值[45]。

土壤酸化还会降低土壤微生物种群数量。不同微生物的适宜酸度不同，如硝化细菌为pH 6.5～7.9，氨化细菌为pH 6.6～7.5，根瘤菌为pH 6.6～7.0，自生固氮菌为pH 6.5～7.8，纤维分解菌为pH 6.8～7.5，嫌气性固氮菌为pH 6.9～7.3[46]。土壤pH的不断降低将会抑制土壤中的微生物生长活性，还会影响其土壤有机质分解和氮素的固定[47]。由于土壤酸化所引起的重金属(铜、镉、铝、铅等)活化也会降低土壤微生物数量，通过对其供试土壤的添加外源铝进行胁迫实验表明，土壤的真菌种群方面的多样性指数出现明显下降趋势[48]。此外，土壤酸化的累积还会导致土壤营养元素含量的差异，造成CO2、CH4等温室气体的排放[49]，进而抑制微生物的呼吸，结果将使微生物种群数降低。

2.2 土壤酸化对茶树产量品质的危害分析

树适宜生长酸度为4.5～6.0，酸度过低则会引发茶树Al毒、Mn毒等毒害的发生，影响茶树根尖细胞分裂，降低茶树根系呼吸作用，进而影响整个地上部的落叶或生长停滞[50]。实验表明，当土壤pH<4.0时，不仅导致茶树发芽迟缓，叶梢生长缓慢，还会加速钾、镁、钙、磷等元素的淋失[51-52]。土壤中Mg2+的大量淋失，减少了茶树叶绿素合成原料，茶树光合作用降低，产量与品质下降。土壤酸化可以导致茶树根尖萎缩，对土壤中氮、磷、钾等元素的吸收和利用能力降低，引起茶树因营养缺乏而提前老化或衰败[53]，影响茶树产量和品质。

土壤酸化的不良影响还表现在它促进土壤重金属离子活化，增加茶树对重金属的吸收固定，导致茶叶产品重金属含量增加，影响饮茶者健康[54]。土壤酸化会破坏茶树叶片细胞酸碱平衡，降低茶叶多酚物质的合成[50]，影响氨基酸合成与转运。

3 土壤酸化改良措施

3.1 合理施肥，增施有机肥

化肥的过量施用是引起土壤酸化的重要因素之一，尤其是氮肥的过量施用。大量施用氮肥不但会加剧土壤酸化，还将造成茶树出现“缺素症”。因此，在农业管理过程中，应合理配比施肥，适时定量施肥，可以根据土壤检测数据进行针对性施肥。并且积极推广施用新型的肥料，如：缓释氮肥，新型的复合肥等。还应该定期调整肥料品种，避免单一施肥，在酸化茶园内少施生理酸性肥，选择生理中性(碳酸氢铵等)或者生理碱性(碳酸钾等)肥料，减轻土壤酸性恶化。

偏重有机肥的施用。一些农作物秸秆等农业中的有机废物可以改良土壤酸碱度[56]，有机肥能够增加土壤的pH值，通过有机氮的矿化和有机阴离子的脱羧作用(灰化碱的释放)，可以消耗质子使pH升高[57-58]腐熟的有机肥不仅含有植物必需的大量元素、微量元素，其腐殖质等有机养分含量也较为丰富[59]，不仅提高了茶园肥力，还会增加土壤的孔隙度、持水力，并与茶园重金属络合，形成金属结合态，减少土壤盐基阳离子淋失[60]。通过茶园配施生物基质肥料，并检测0～40 cm土层表明，土壤pH值平均提高0.19～0.66个单位，土壤交换性酸降低12.32%～52.42%，盐基离子总量增加42.13%～268.60%，盐基饱和度提高46.64%～247.27%[61]。此外有机质可与土壤中矿质胶体结合，增加土壤的酸缓冲能力[62]。有机质还可以与土壤中游离性铝离子结合形成复合物，进而使土壤中交换性铝的含量降低，土壤酸度下降[63]。

3.2 施用土壤改良剂

传统的酸性改良试剂为石灰或白云石粉[64]，茶园可以通过施用石灰或白云石粉达到中和土壤中的交换性酸，即速提高土壤pH，降低因酸化而引起的土壤物理化学特性的不良现象，加强土壤养分元素的利用率目的。在缺镁性酸性红壤中，施用白云石粉会优于石灰，一方面可以调节土壤pH，另一方面则可以起到增施镁肥的效果，提升茶叶品质。工业碱渣同样可以起到改善茶园土壤酸碱度作用。王辉等通过开展小区实验研究碱渣对土壤酸碱度以及茶叶品质的影响得出，施用碱渣可以提高茶园pH，使钙、镁养分保持合理比例形成良好的生长环境促进茶树生长，通过施用碱渣，茶叶中的茶多酚、儿茶素、咖啡碱、氨基酸和叶绿素含量分别比对照提高22.5%、27.8%、34.9%、69.0%和52.1%，而Pb含量下降51.2%[65]。由于茶树有一种“嫌钙”植物生长特性，因此应科学合理施用。

3.3 采用生物改良法

生物炭是一种由农业废弃物在厌氧高温条件下燃烧所得的残渣，呈现出碱性，还具有孔洞结构，不但可以起到改善土壤pH，还可以使土壤的保水和保肥能力得到提高。实验表明，通过施加生物炭100～300 g/kg，茶园土壤pH平均提高0.05～0.22，土壤有机质提高1.6%～7.9%，生物炭还明显降低土壤交换性重金属的含量，其中Pb降低3.5%～79.1%，Cd降低26.8%～74.6%，Cu降低12.5%～17.2%[66]，进而使茶园重金属毒害得到降低，提升了茶叶产量和品质。随着生物炭施用量的增加，还可以使CO2和N2O的排放量得到降低[67]，土壤微生物种群数呈现出上述趋势，最终茶园土壤再次酸化得到抑制。

绿肥作为土壤绿色肥源，普遍应用于许多国家和地区。茶园合理套种绿肥不仅可以缓解土壤酸化，改善土壤物理结构，还可以达到提高茶叶产量和品质的效果。目前，国内常见绿肥有：白三叶草、百喜草、猪屎豆、紫花苜蓿、紫云英、绿肥一号、大豆以及平托花生等。实验证明通过套种白三叶草和多年生黑麦草可明显改善茶园土壤气相与液茶园相比例，使土壤有机质以及氮磷钾等营养元素得到提高[68]，还可以土壤微生物种群得到提升，进而改良茶园生态环境，减轻土壤酸化的现象，提升土壤的肥力。茶园增施生物质材料也可以提高土壤pH，通过施加水稻秸秆和玉米秸秆，使土壤中交换性铝的含量得到降低，提升了盐基离子数，最终使土壤阳离子交换量得到提升[69]。茶园添加大豆叶(柄)和水稻秸秆后，土壤中交换性Al含量降低了8.7%和16.7%，pH升高0.08和0.18[70]。

4 评述与展望

茶园土壤酸化每况愈下，已经成为全国茶园亟待解决的一个关键性问题。茶树有一种喜酸性的生长特性，因此适宜生长pH值在4.5～6.0土壤环境中。酸性土壤是茶树生长所必须的条件之一，但并非土壤酸性越强,越适宜茶树生长,其最适宜茶树生长的土壤pH值为5.0～5.5, 当土壤pH值<4.0过酸时会严重影响茶树正常生长及其品质，最终将导致茶树生长停滞；茶树土壤酸化还会加剧土壤的板结，抑制茶树的根系生长，影响茶树养分吸收，最终将造成土壤中营养成分流失，导致有害微生物的大量繁殖，最终结果将严重影响到茶树的正常生长。然而当前茶园受到自身因素和人为因素的影响,茶园土壤酸化现象日趋加重。本文对比了近十几年来茶园土壤酸化现状；总结出了茶园土壤酸化的主要原因；阐明了土壤酸化对茶树生长的危害性；还对酸化茶园和新建茶园给出了具体的改良方法。因此通过对强酸性茶园土壤进行改良，合理施肥，增施有机肥、施用化学改良剂、采用生物改良法不仅可以将土壤调节到合适的范围之内而且还可以提高茶园的产量及其茶叶的品质。

4.1 现有研究评述

土壤酸化作为目前茶园栽培管理过程中的一大瓶颈，通过分析总结,得出了化学肥料其中之一的铵态氮肥的过度施用是造成茶园土壤酸化最主要的原因;土壤酸化将导致土壤肥力下降和一些重金属元素含量的上升,影响茶叶的产量和品质;施有机物料是改良和控制土壤酸化的理想途径。国内外许多学者专家已经开展大量研究工作，当前在治理措施以及预防手段上取得了不少成果。但由于茶园土壤酸化这一问题的复杂多样性，在研究的广度和深度上尚存在不足之处。

4.2 现有研究存在的不足

(1)茶园土壤酸化主要调控因子不明

土壤酸化主要是由于土壤中氮素硝化矿化所产生的H+，以及盐基阳离子大量淋失导致茶园茶树等植物根系受胁迫所分泌的H+累积引起，但是何种离子的增加或减少而引起茶园土壤H+比例失调，进而影响茶园土壤酸化尚不明确。不同茶区茶园土壤的基质结构不同，管理方法存在差异性，使得实验开展具有复杂性与重要性。

(2)酸化改良试剂研究

传统的酸化改良试剂虽然能够在短时间内起到改善土壤的效果，但是茶树有一种“嫌钙”植物生长特性，不利于长期施用，而且其保持性较差，施用方法不适合成年茶树茶园。因此新型土壤酸化改良试剂需要具备：持续时间长、适应性广、不影响茶叶产量与品质、绿色环保等特点。所以新型土壤酸化改良试剂的开发具有广阔前景。

(3)实验开展局限性

目前实验的开展与进行多于室内盆栽实验，与实际环境存在差异。并且实验周期短，实验对象单一，未能很好地受众。因此，茶园土壤酸化方面研究工作应该在大田环境下开展，对多品种茶树进行长期实验研究。

4.3 未来研究方向

未来应该加强对施用有机肥方面、施用化学改良剂、采用生物改良法方面的研究，尤其是改良机理方面的研究，茶园应该合理施肥，增施有机肥。施用有机肥是降低土壤酸化的有效途径。在茶园使用有机肥不仅可以改善茶园土壤的物理和化学性状还可以缓解土壤的酸化性状，因此施用有机肥对茶园的酸化具有很大的缓冲作用。施用化学改良剂可以调整土壤的ph值、采用生物改良法可以增加土壤微生物种群数、使土壤中交换性铝的含量出现下降现象，提升了盐基离子数，提高土壤阳离子交换量。通过以上的进一步深化研究相信未来茶园的酸化情况可以得到抑制，为防止茶园土壤再次酸化提高茶园的产量及其茶叶的品质提供建议。