茶园土壤酸化成因及改良措施研究和展望

樊战辉，唐小军，郑丹，杨琴，陈光年，李晓文，孙家宾*

茶园土壤酸化成因及改良措施研究和展望

樊战辉1，唐小军2，郑丹3，杨琴1，陈光年1，李晓文1，孙家宾1*

1. 成都市农林科学院，四川 成都 611130；2. 四川省生态环境科学研究院，四川 成都 610041；3. 农业部沼气科学研究所，四川 成都 610041

由于茶园自身及外在因素的影响，近年来茶园土壤酸化趋势日益严重。茶园土壤酸化表现为土壤结构性变差、肥力降低及重金属含量增加，进而影响到茶树的生长发育，降低茶叶的品质，甚至可能对人体健康产生危害，严重威胁茶园的可持续发展。本文回顾并梳理了近年来茶园土壤酸化方面的研究成果，综述了茶园土壤酸化的成因、危害及改良措施，并提出了该领域未来的研究方向。

茶园；土壤酸化；酸化成因；酸化改良

茶是世界三大无酒精饮品之一，茶叶来源于茶树的嫩梢。茶树是一种喜酸怕碱的多年生经济作物，栽培历史悠久，长期栽培造成了茶园土壤酸化问题。上世纪60年代，世界各地茶园土壤pH大多在5.0~6.0；80年代中期，pH下降到4.0~5.0左右，甚至更低[1]。其中，日本茶园土壤酸化最为严重，全日本平均pH在3.9以下的茶园要占38.64%，4.0~4.9的茶园占37.52%；本世纪初，日本静冈超过77%的茶园土壤pH小于4.0，超过60%的茶园土壤pH小于3.5，甚至达到了2.7[2]。在我国，1987—1989年中国农科院茶叶研究所组织对浙江、江西、湖南、广东、广西、贵州和安徽等省或自治区的低丘红壤茶园进行了大面积的抽样调查，调查显示，茶园土壤pH在5.1~6.0的占39.0%，4.1~5.0占58.5%，小于4.0的占12.5%，而且发现不少pH在3.0以下的茶园[3]。90年代茶园酸化速度更加惊人，研究显示，1990—1991年苏、浙、皖三省茶园土壤pH小于4的占13.7%，到了1998年pH小于4的占43.9%；最适宜茶树生长的土壤由1990—1991年的59.4%下降到了1998年的20.3%[4]；21世纪初，在国家茶产业技术平台支持下，对全国13个省市主要茶区的茶园土壤进行了调查取样分析，分析样品共计2 135份，其中pH小于3.5的占5.3%；pH范围在3.5~4.0的占10.3%；范围在4.0~4.5的占56.7%；pH 4.5~5.0的占17.5%；pH大于5的占10.2%；茶园土壤平均酸化速率为每年pH降低0.05[5]。上述研究表明，茶园土壤酸化趋势日益加重，且有进一步加重趋势。本文对茶园土壤最适pH、茶园土壤酸化的成因、茶园土壤酸化的危害以及茶园土壤酸化的改良措施等研究进行综述，以期为茶园土壤酸化改良提供借鉴。

1 茶园土壤适宜的pH

茶树是一种重要的经济作物，其生长发育与周围环境相关，特别是茶园土壤pH与茶树的生长发育密切相关，一般认为茶树适宜生长在酸性土壤中，茶树最适宜的pH究竟是多少，学界有不同的认识。吴洵[6]认为，茶树生长的土壤pH十分宽广，一般可延伸到2.0~7.5。林金沐[7]认为，土壤pH为7以上，种植茶树不能成活；pH为6~7，种植茶树虽可成活，但生长不好；pH为4.0~5.5，种植茶树生长好，树冠密，树幅大。林智等[8]研究认为，茶树生长的最适pH是5~6，在此范围内茶树对矿质元素铝、锰、钙、钼、硼的吸收最为有利；最佳pH为5.5，茶叶中水浸出物含量最高，氨基酸、茶多酚和咖啡碱含量也较高。吉当玲等[9]研究表明，pH为4.4~5.3时，茶树生长良好，理论产量较高。彭福元等[10]对湖南省的茶园土壤调查显示，高产优质茶园土壤的pH为4.5~5.5。方兴汉[11]采用水培试验考察茶树生长生物量结果表明，硝态氮源茶树的适宜pH为4.5~6.0，最适pH为6.0；氨态氮源茶树的适宜pH为4.5~6.5，最适pH为5.5。郭荣发等[12]对粤北、中、南7个高产茶园的土壤酸度研究表明，该区茶园土壤pH在3.55~5.0范围，茶叶产量与pH呈显著负相关。农业部发布的《有机茶产地环境条件》将土壤pH限定在4.0~6.5[13]。茶树是喜酸作物，但并非土壤越酸，茶树生长也就越好，综合茶叶产量与品质，大多数学者认可适宜茶树生长的土壤pH范围为4.5~6.0，其中5.5是最适值。

2 茶园土壤酸化的危害

2.1 对土壤环境的危害

茶园土壤酸化，土壤理化性质变差，改变了土壤结构，降低了土壤缓冲性能。土壤变酸会使土壤中可溶性腐殖质增加，长期淋溶导致土壤中腐殖质含量降低[14]。茶园土壤中随着pH降低茶树生长所需锌、铜、铁、锰等元素的溶解性有所增加，有利于茶树吸收这些元素，同时也增加淋溶损失，或与钙、镁一同随水流失，降低土壤的供肥能力[15]。土壤酸化，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，导致土壤的团聚结构和孔隙度降低[16]，造成土壤天晴时容易结硬块，雨后容易成烂泥，影响茶树生长。茶园土壤酸度降低，会降低土壤对重金属离子的吸附能力，活化重金属，其溶解性、移动性、有效性增加。钟晓兰等[17]在模拟酸雨对土壤重金属镉的活化影响研究表明，酸雨浸泡土壤能增强土壤活性态Cd的含量，酸雨酸度越大，重金属Cd的活化能力越大，土壤中Cd含量越高，重金属Cd的活化能力越大；pH从7.2下降到6.42，Cd活性率增加了0.34%~3.29%。随着pH的逐渐降低，土壤中交换性铅将呈现出明显上升的趋势，在pH为5时，其含量可达到20%左右[18-19]，导致茶树可能受到铅毒损伤。

2.2 对茶树生长及茶叶品质的影响

土壤酸化对茶树的生长及茶树根系的吸收功能产生影响，土壤pH过低，导致茶树根尖萎缩[20]，还会使植物所需养分元素的生物有效性发生变化，从而导致植株某些营养元素失调[21-22]，林智等[8]研究表明，土壤酸化对茶树地上部分，特别是新梢的生长将产生间接影响，当pH小于4.0时，根尖萎缩，生长受抑制，此时茶树对氮、磷、钾的吸收量急剧下降，茶树发芽迟缓，新梢生长缓慢。

茶园土壤酸化，是土壤理化性质变差的表现，土壤物理性状表征着土壤肥力大小，也会对茶树生长产生影响，土壤物理性状恶化，会使土壤养分有效性降低，从而抑制茶树吸收养分[23]，影响茶叶产量和品质。茶园土壤酸化，会引起锰离子的大量淋失，减少茶树叶绿素合成原料，降低光合作用，影响产量和茶叶品质。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[24]，影响氨基酸合成与转运，造成茶叶原料品质下降。

茶园土壤酸化还会造成土壤重金属离子活化，其溶解性、移动性、有效性增强，增加茶树对重金属的吸收固定，导致茶叶产品重金属（如铅、铜等）含量增加，影响饮茶者健康[25]。氟摄入量过多也会对人体健康产生危害，在我国某些地区已经出现饮茶型氟中毒报道[26]，沙济琴等[27]研究表明，山茶科植物对氟的富集能力很强，属于含氟高的植物，而茶树的叶片是累积氟的主要器官，宗良纲等[28]发现当土壤pH＜4.0时，土壤中水溶性氟含量迅速增加，增加茶树对氟的吸收。谢忠雷等[29]发现茶叶中的氟含量与土壤中pH增加呈显著负相关。

2.3 影响微生物生态系统

土壤中绝大多数微生物对酸敏感[30]，如硝化细菌适宜的pH为6.5~7.9，氨化细菌适宜的pH为6.6~7.5，根瘤菌适宜的pH为6.6~7.0，自生固氮菌适宜的pH为6.5~7.8，纤维分解菌适宜的pH为6.8~7.5，嫌气性固氮菌pH为6.9~7.3[31]，土壤酸化会降低土壤微生物种群数量。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[32]。由于土壤酸化所引起的重金属活化以及茶园土壤中高浓度的铝也会毒害微生物，影响微生物活性，进而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试验表明，土壤的真菌种群方面的多样性指数出现明显下降趋势[33-35]。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[36]，进而抑制微生物的呼吸，结果将使微生物种群数降低。土壤酸化也能使一些嗜酸反硝化细菌的活性增强，增加土壤N2O的排放[37]。

3 茶园土壤酸化的成因

土壤酸化本质是土壤中氢离子增加的过程[38]。土壤酸化过程中氢离子来源主要有水、碳酸、有机酸的离解和酸沉降以及酸性肥料的施用等[39]。前人的研究表明，导致茶园土壤酸化的成因主要与茶树生长、土壤性质、化学品投入、降水灌溉和周边环境等因素有关。

3.1 茶树自身因素

茶树自身生长发育可以引起茶园土壤酸化。已有研究表明，自然土壤经植茶后，土壤酸度逐渐降低，降低的速率茶园土壤较普通耕地和荒地土壤快；随着植茶年限增加土壤酸度增加[40-41]。茶树生长代谢是导致茶园土壤酸化的内源因素，茶树在生长过程中会吸收土壤中大量的盐基离子，为了维持土壤电荷平衡，植株会向土壤中释放大量的氢离子，使得土壤酸化[42-43]。由于茶树属聚铝性植物，平均含铝量在1 500 mg·kg-1以上，老叶中可达20 000 mg·kg-1，因此，在其生长过程中每年都要从土壤中吸收大量的活性铝，导致根系释放大量质子，对土壤酸化有重要贡献[44-46]。茶树中有机酸的分泌也是导致茶园土壤酸化的一个重要因素[47]。茶树在生长发育过程中会产生多酚类等有机化合物，以凋落物或分泌物的形式进入土壤[48]，凋落物中酚类物质主要是以单宁酸为主的化合物[49]，苏有健等[50]研究表明，随着单宁酸浓度的增加，土壤中活性铝含量增加，其原因是有机酸引起土壤酸化，进而活化了土壤中的铝。

3.2 土壤性质

茶园土壤的成土类型也对土壤的酸化有影响，不同的成土母质、有机质含量、土壤质地、黏土矿物组成、土壤潜在酸度大小以及土壤交换性能等内在因素都在一定程度上决定了土壤酸化缓冲能力。曹丹等[51]研究表明，有机质含量高的茶园土壤酸化速率有减缓的趋势；土壤酸化速率与土壤粘粒含量呈显著负相关关系，土壤粘粒含量越高，土壤负电荷量越多，土壤阳离子交换量就越大，土壤的缓冲性能增强，土壤不易被酸化；而与土壤阳离子交换量呈极显著负相关关系，土壤交换性能是土壤胶体交换属性的表现，土壤胶体上吸附的各种盐基离子能对土壤氢离子（酸性物质）起缓冲作用，土壤阳离子交换量越小，土壤缓冲性能越小，土壤酸化速率随之增大。王效举[52]研究表明不同土壤母质植茶后，茶园土壤与周边荒地酸化差异也有较大差异。

3.3 化学投入品

人类对茶树生产管理过程中为了提高茶叶产量投入化学肥料，也是造成茶园土壤酸化的因素之一。重氮肥、轻有机肥的做法是导致目前我国茶园土壤酸化的一个重要原因[53]。Barak等[54]研究发现，施用氮肥引起的土壤酸化作用是酸沉降的25倍。化学肥料中的氮肥施入土壤，硝化作用释放的质子是引起土壤酸化的主要机制[55-56]，茶树是叶用植物，需氮元素比一般植物要多，为保证高产，茶农一般会使用大量氮肥，在一定程度上加速了茶园土壤的酸化。Huang等[57]研究显示500 kg氮施入1 hm2土壤会产生32 500 mol氢离子，我国许多茶区氮的施用远超于此，进一步加速茶园土壤的酸化。此外，氮肥的投入，增加了作物产量，将带走更多的盐基离子，留下更多的氢离子，加速了土壤酸化，这是施氮肥导致土壤酸化的间接原因[58]。徐楚生[15]研究表明在1 hm2茶园内施氮75~600 kg范围内，施氮量与茶园土壤酸化程度呈负相关。不同的氮肥对土壤酸化影响程度不同，硫酸铵对土壤的酸化作用强于尿素、碳酸氢钙和硝酸铵钙[59-60]。

3.4 降水和灌溉因素

土壤的化学组成与水量关系异常明显，在降水量大的地区和灌溉时，常常有较多的水在土壤表层流动，从而降低了矿质土壤对酸的中和潜力，结果使得较多的酸释放到表层水中，降低了土壤的pH[61]。另外，茶树种植主要分布在湿润的热带、亚热带山地丘陵地区，在高温、多水的气候条件下，当降水量大于蒸发量时，土壤中可以发生淋溶过程，即进入土壤中的水带着土壤中的可溶性物质沿剖面向下迁移进入地下水，或随地表径流进入地表水。由于氢离子的性质非常活泼，当降水中含有氢离子或土壤中有氢离子产生时，会消耗土壤中的碱性物质；另一方面，土壤中的碱性物质也可在淋溶过程中随水分迁移流失。上述两个过程使土壤中的碱性物质不断消耗，酸碱平衡遭到破坏，土壤逐渐呈酸性[62]。

3.5 周边环境

周边环境主要指局部区域内的酸沉降对茶园土壤酸化的影响。大气环境中的酸沉降，是土壤氢离子的重要来源，酸性物质通过重力或雨水进入到土壤直接导致的土壤酸化。酸性物质来源有天然排放和人工排放，天然排放主要有海洋雾沫夹带一些硫酸到空中、森林火灾和火山爆发产生的二氧化硫气体、高空雨云闪电产生的氮氧化物、微生物分解产生的氮氧化物和二氧化硫等；人工排放主要是人类生产生活使用的石化燃料排向大气的二氧化硫和氮氧化物等酸性物质。自18世纪60年代第一次工业革命以来，社会生产力不断发展，石化燃料使用量不断增加，排向大气的二氧化硫和氮氧化物也不断增加，加剧酸沉降的形成。多数学者认为人工排放与茶园土壤酸化有着密切联系，罗敏等[63]研究表明茶区土壤pH与附近工业分布的稠密程度有直接关系；程正芳等[64]研究显示，江苏南部茶园土壤pH低于4.0时，其相应酸雨的频率都在80%以上。

4 茶园土壤酸化改良措施

茶园土壤酸化是自然和人为因素参与的进程，在此过程中土壤自然酸化持续不断，人为因素使得进程加快[65]，如何减缓茶园土壤酸化进程，生产和管理中可以防治结合采取以下措施。

4.1 科学施肥

科学施肥是减缓人为因素造成茶园土壤酸化的有效措施。我国农业施肥主要存在化肥施用总量和强度均偏高、化肥施用结构不均衡且利用率低及有机肥利用率较低[66]。据统计，2012年我国氮肥、磷肥和钾肥的施用总量位居世界第一，达3 846.2万t，约占世界总施用量的20%，是美国的1.9倍，日本的35.0倍；施用强度高达615 kg·hm-2，位居世界第一，是世界平均施用强度的4.7倍，美国的4.9倍，日本的2.4倍[67]；长期偏重氮肥和磷肥，而钾肥施用比例偏低[68]；有机肥用量日趋减少，建国初期，有机肥在肥料投入占比超过90%，1980年下降到47.1%，至2000年下降到31.4%[69]。按土壤状况和茶树养分需求测土配方施肥，能降低化学肥料施用强度，可有效防治茶园土壤酸化。

4.2 利用有机改良剂改良

利用有机肥、沼渣沼液及农作物秸秆等有机废弃物减缓和平衡酸化茶园土壤，有机肥有极大的缓冲能力，有着调节土壤酸碱度的作用，长期补充于土壤，可以平衡酸碱，增强土壤肥力[70]。如黄红壤酸化茶园，每亩施复合型改良剂250 kg和有机肥100 kg，可将茶园土壤pH从4.1左右调整至5.0[62]。

4.3 生物改良

酸化茶园土壤生物改良是指利用土壤动物、植物和微生物对酸化土壤的修复作用和植物根系分泌物缓解酸性土壤铝毒对酸化茶园土壤进行修复改良。蚯蚓活动能够显著影响土壤pH[71-72]。张池等[73]研究发现壮伟远盲蚯蚓和皮质远盲蚯蚓使华南地区某水稻土的pH分别提高了0.09和0.19。唐劲驰等[74]研究显示，远盲蚓属蚯蚓与有机物料联合生物体系修复酸化黄金桂茶园土壤，蚯蚓处理土壤的pH下降程度明显低于复合肥处理。一些耐酸微生物与水生植物的根共生，在根系周围形成保护层，可降低氢和铝对根系的毒害，微生物保护根系分泌氨分子，也可中和根际环境的酸度[75]。某些茶园绿肥植物对茶园土壤酸化有一定的修复效果，李艳等[76]研究表明，爬地兰可以提高茶园土壤pH，受爬地兰根系有根瘤的影响，茶园土壤pH提高0.40[77]，吴志丹等[78]用爬地兰绿肥覆盖茶园3 a后，pH均高于清耕；宋莉等[79]研究表明，在茶园种植黑麦草、混播（播白三叶和黑麦草）均可以提高茶园的pH，与未种植茶园相比分别提高了0.2%和2.7%；盛忠雷等[80]研究报道了箭舌豌豆、紫云英、南方苜蓿、蚕豆在茶园作为绿肥种植均能提高茶园土壤pH。

4.4 化学改良

采用石灰石是传统的酸性土壤改良措施，可以迅速提高土壤pH，且廉价易得。长期施用石灰石会加速土壤钾、镁离子浸出，导致土壤板结，引起土壤养分失衡，停施会出现更强的复酸化[81-83]，对茶叶的产量和品质提高也不明显[84]。而采用白云石改良茶园土壤酸化问题效果较好[1]，白云石中含有大量钙镁离子能够增加土壤阳离子交换量，且白云石粒径越小效果越好。对于黄红壤酸化茶园，若需要将土壤pH从3.9左右调整至5.0，建议每亩一次性需施用250~300 kg的白云石粉[62]。

4.5 新型改良剂

随着土壤酸化的加剧，近些年出现了一些新型的酸化改良材料，如生物炭及水解聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、纳米羟基磷、聚乙烯醇等一系列高分子聚合物，这类材料都具有比表面积大的特性，改良土壤酸度显著[85-90]，但是多数停留在室内模拟阶段，离田间应用还有较大差距，即使是生物炭在田间试验、示范效果良好，其成本也难让农户接受。

5 展望

茶园土壤酸化相比种植其他作物的土壤来说，其具有特殊性、复杂性和长期性，研究上落后于其他作物土壤的酸化，今后研究可以从以下几个方面着手。

5.1 深度解析造成茶园土壤酸化成因

茶园土壤酸化既有茶树自身引起的酸度降低，又有外源输入包括酸沉降、化肥造成的酸度降低，目前研究都较为笼统，对预防、改良茶园土壤酸化问题针对性不强。

5.2 开展栽培模式对茶园土壤酸化影响研究

杨广容等[91]对3个古茶园（树龄300~1 300 a）研究发现，其土壤pH介于4.30~4.75，与现代茶园（树龄5~60 a）4.64~4.75相比，古茶园土壤酸化趋势不明显，与此同时，古茶园土壤的CEC含量均显著高于现代茶园土壤。梁名志等[92]、牛素贞等[93]和李友勇等[94]对云南和贵州栽培的古茶树（园）土壤研究结果也显示古茶树土壤的pH为4.00~6.09，与现代茶园相比，土壤酸化趋势不明显，古茶园土壤有机质、速效氮和有效磷含量都高于现代茶园。这些研究表明，古茶园栽培模式有利于防止茶园土壤酸化。另外，茶园间作绿肥的栽培模式也有利于酸化茶园土壤pH的提升，可开展茶树不同栽培模式对茶园土壤酸化影响的研究。

5.3 开展农林废弃物作为改良剂开发工作

结合茶树栽培模式，开展农林废弃物作为改良剂方面的研究，如秸秆、畜禽粪污发酵后的沼渣、沼液等改良茶园土壤方面的研究，有利于农村生态环境防治，又是国家“一控两减”政策的贯彻落实。

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Study and Prospect of Soil Acidification Causes and Improvement Measures in Tea Plantation

FAN Zhanhui1, TANG Xiaojun2, ZHENG Dan3, YANG Qin1, CHEN Guangnian1, LI Xiaowen1, SUN Jiabin1*

1. Chengdu Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Chengdu 611130, China; 2. Sichuan Academy of Environmental Sciences, Chengdu 610041, China; 3. Biogas Institute of Ministry of Agriculture (BIOMA), Chengdu 610041, China

In recent years, the acidification of tea garden soil has become increasingly serious due to the influences of internal and external factors. Soil acidification of tea plantation mainly manifests as soil structural deterioration, reduced fertility and increased heavy metal content. These variations can affect the growth and development of tea trees and reduce the tea quality, and may even harm human health, seriously threaten the sustainable development of tea plantation. This paper reviewed the research advance on soil acidification of tea plantations in recent years, summarized the causes, harms and improvement measures for soil acidification, and finally proposed the future research directions.

tea plantation,soil acidification, acidification cause, acidification improvement

S571.1；S154.1

A

1000-369X（2020）01-015-11

2019-05-24

2019-07-03

成都市农林科学院科研创新重点项目

樊战辉，男，高级工程师，主要从事农村能源与环境方面的研究与应用工作。

2361196350@qq.com