基于滴灌水肥管理的农田土壤酸化调控机理研究

仇振杰，孙梦莹

(1. 湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000；2. 城市地下基础设施结构安全与防灾湖南省工程研究中心，湖南 益阳 413000)

随着集约化农业生产的发展，农田土壤酸化趋势日益严重，对农业生产和生态环境产生了极大危害[1-3].20 世纪80 年代至21 世纪初，我国农田土壤的pH 值平均下降了0.5 个单位，显著高于欧美长期施肥定位试验测定的土壤酸化速率[4-5].与此同时，全国农田土壤酸化面积已达2.04×108hm2，占全国土壤总面积的22.7%[6]；主要分布在长江以南的热带、亚热带红黄壤地区以及北方设施菜地、果园和部分旱地农田；大部分农田酸化土壤pH 介于5～5.5，严重酸化地区pH小于4.5[6].土壤酸化增加了土壤中H+、Al3+的含量，加剧了营养性碱基离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)的淋失从而降低了土壤肥力[7]；活化了锰、镉、铜、铅等重金属离子，恶化了土壤结构[8-9]；降低了土壤微生物、酶活性和养分的有效性，进而抑制了作物的生长[10-11]，由此并发一系列环境问题，已成为制约我国农田可持续发展的主要瓶颈和影响粮食安全的主要障碍因素.因此，采取合理有效的措施防治或减轻土壤酸化，有利于环境和农业的可持续发展.本文综述了近20 年来基于滴灌水肥管理措施的土壤酸化与调控的主要研究进展，以期为土壤酸化防治、利用和管理提供参考.

1 农田土壤酸化成因

土壤酸化是指土壤吸收性复合体接受了一定数量交换性氢离子或铝离子，使土壤中碱性的盐基离子淋失的过程[6].作为农田土壤退化的重要表现，土壤酸化一直都是学术界的关注热点.自然界的土壤酸化是一个持续、缓慢的过程，主要是指气候湿润区降水量较大所引起的土壤中的盐基离子大量淋失及H+和Al3+增加的过程[1,7].随着科学技术的进步，近代工业和农业得到高速发展，人类活动对土壤酸化进程的影响日益凸显.大量研究表明：相较于自然因素(降雨)，人为因素加速了农田土壤的酸化进程，加剧了酸化程度，其中主要包括化学肥料的过量施用、不合理的灌溉、酸沉降和种植致酸作物等[1,12].通过对酸雨区鼎湖山自然保护区土壤长期监测发现，土壤pH下降了0.3～0.5 个单位，土壤交换性钙离子含量较20 世纪50 年代下降了40%[6].尽管如此，与农业措施(过量施用化肥和不合理灌溉)相比，酸沉降对土壤的致酸强度仅占总酸性物质输入致酸的7%～25%[13].在小麦、玉米和水稻的粮田中，70%的土壤酸化是因为过量施氮造成的；在果蔬田中，过量施氮对土壤酸化的贡献已达到了90%[2]，而导致过量施氮的直接原因是氮肥利用率低下.典型红壤区不同施肥长期定位试验结果表明：土壤pH 随化学氮肥施用时长而显著降低，且以单施氮肥处理的土壤pH 降幅最高，达1.5 个单位[14]；而不施氮肥的和仅施磷和钾肥的土壤pH 仅下降了0.1 和0.4 个单位[7].Han 等[8]通过盆栽试验定量化研究施氮量对农田土壤酸化的影响，结果指出，在山东设施土壤中施氮量介于600～1 200 kg/hm2会使土壤中H+增加12.1～58.2 kmol/hm2，土壤pH 下降0.45～1.06 个单位.氮肥主要通过硝化和淋溶作用加速土壤酸化[7]，其硝化反应方程式为NH+4+2O2=NO-3+H2O+2H+.从该式可知1 mol NH+4氧化成NO-3产生了2 mol H+，如果硝化产物NO-3完全被作物吸收，那么作物会释放出1 mol OH-，中和1/2 的H+，还有1/2 的H+贡献于土壤酸化；如果硝化产物NO-3通过淋溶损失，那么2 mol H+将全部贡献于土壤酸化[7].因此，提高氮肥的利用率有助于减缓土壤酸化.

农业生产过程中不合理的灌溉加速了土壤碱基离子的迁移和淋失，从而增加了致酸离子在土壤表层的累积，进而加剧了土壤酸化进程[15-16].针对中国土壤退化的影响因素研究表明，不合理的大水漫灌措施导致黄、淮海平原次生盐渍化严重，中南地区红壤贫瘠、酸化[17].长期沟灌条件下设施土壤酸化和盐渍化试验结果也表明，0～60 cm土壤剖面pH 变化幅度介于5.78～6.80，表层土壤与底层土壤pH 差异显著[12]，这是因为农业生产中大水漫灌、沟灌等灌溉方式导致盐基离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)大量淋失出耕作层，降低了土壤酸中和容量(acid neutralizing capacity，ANC)，进而加剧了土壤酸化[8,15].因此，在集约化农业生产过程中，采用合理的灌溉方法和水肥管理措施，以及提高氮肥利用率和减少氮肥施用量对防治或减轻土壤酸化具有重要意义.

2 滴灌水肥管理对土壤酸化调控机理

滴灌是一种利用低压系统(塑料管道)输水，在根系边际滴水灌溉作物的技术，具有节水、节肥、省能、省工和便于实现水肥一体化的优点，已在世界范围内得到了广泛发展；滴灌能将养分和水分直接运送到作物根部进行局部灌溉，能减少作物棵间蒸发和土壤水深层渗漏，进而减少灌水量，提高水分利用效率；此外，养分随水施入，在作物根区聚集，有利于作物吸收养分，减少作物能量消耗，进而减少施肥量，提高肥料利用效率，减少氮素淋失[18-19].滴灌技术在精量灌溉和水肥调控方面的优势，使其在降低土壤酸化程度、减缓酸化进程方面具有可行性.长达13 a 的不同灌溉方式对设施土壤酸化特征影响的定位试验研究表明，土壤活性酸度和交换性酸以及土壤交换性Al3+均以滴灌处理含量最低，而土壤盐基饱和度和pH 均以滴灌处理最高，滴灌更有利于抑制土壤酸化[20].此外，研究还表明土壤pH 下降速率和量级与施氮量正相关，而氮磷肥料的合理配施有利于减轻土壤酸化程度[15,21-22].滴灌对土壤水氮迁移转化的影响是其影响土壤理化性质和酸碱度的基本途径，而滴灌技术参数(滴头流量、灌溉频率、灌水量、滴灌带埋深等)和水肥管理措施(施肥量、施肥方式等)又是影响滴灌条件下土壤水分分布和氮素迁移转化的重要因素.

2.1 滴灌技术参数对土壤酸化的影响

2.1.1 滴头流量

在众多滴灌技术参数中，滴头流量是影响土壤水氮分布最为重要的因素之一[23-24].学者们针对不同土壤类型、不同滴头流量条件下水分养分迁移转化展开了广泛的研究.刘春卿等[25]通过土箱试验研究了滴灌流量对含盐土水盐运移及再分布的影响，研究结果表明，大滴头流量促进了土壤水分水平运移，而低流量滴灌促进了水分垂直运移，有利于盐分向深层土壤累积.相似的研究结果在重壤土、中壤土和砂壤土试验中也得到了验证[23]，其结果还表明，滴头流量对水平运移的影响比对垂直运移的影响大.李久生等[26]通过土箱试验研究了滴灌施氮条件下，不同滴头流量对不同土壤中硝态氮运移的影响，结果指出，灌水施肥结束后，无论壤土还是砂土，硝态氮均在湿润锋附近发生累积，且在距滴头17.5 cm 范围内分布均匀，随着滴头流量的增加(由2 L/h 增至7.8 L/h)，距离滴头17.5 cm 范围内硝态氮平均浓度由56.6 mg/L 增至66.1 mg/L.水氮在土壤中的分布，导致了土壤pH 的空间变化.Haynes[27]采用2 L/h 和4 L/h 的灌水器，研究了滴灌施氮对土壤pH 的影响，结果指出，与滴头流量4 L/h 处理土壤时酸化主要发生在以滴头为中心、半径30 cm 的土壤表层相比，滴头流量2 L/h 处理土壤时其土层40 cm 深度出现了明显酸化.在传统的石灰治理土壤酸化过程中，亚表层(10～40 cm)发生酸化会难以治理[27]，因此，对易酸化土壤宜使用较大流量滴灌.

2.1.2 灌水量

相较于滴头流量，灌水量对土壤水分分布影响易与重力作用重叠.文献[26]研究表明，当滴头流量为1 L/h 时，土壤中含水率变化为0 的等值线在水平和垂直方向达到的距离均随灌水量的增加而增加，但垂直方向湿润范围的增加比水平方向明显；在砂土环境中，含水率变化为0 的等值线在垂直方向达到的距离随灌水量的增加而明显增加，但水平方向变化不明显.曹振玺等[28]对比了同一滴头流量条件下，不同灌水量对土壤电导率EC 分布的影响，结果指出，随着灌水量增加，表层土壤脱盐率增大，垂直方向脱盐深度增加.土壤盐分的累积是导致土壤pH 下降的重要因素，范庆锋等[12]研究发现长期滴灌条件下蔬菜大棚土壤pH 与全盐含量呈极显著负相关；尹志荣等[29]通过微咸水滴灌枸杞试验，探明了灌水量越大土壤全盐含量越高，表层盐分累积越明显，且土壤表层pH 最低；随着灌水量增大，0～20 cm深度的土壤pH 越低.

2.1.3 滴灌带埋深

与滴头流量和灌水量不同，滴灌带埋深直接影响了水分和养分在土壤中的运移和分布.Lamm 等[30]研究指出土壤水分和养分运移深度随滴灌带埋深的增加而增加；与此同时，滴灌带以上土层水分传输减少.Balkcom[31]对比了地下滴灌施肥与肥料撒施-地下滴灌对土壤化学性质和棉花产量的影响，发现地下滴灌施氮处理时土壤表层pH 明显较高，且土壤pH 随土壤深度增加而减小.也有研究表明，滴灌带埋深会加强其所处土层水分和养分的富集.如仇振杰[32]在进行再生水地下滴灌大田玉米试验时发现，滴灌带埋深30 cm 时，20～40 cm 深度土壤pH 显著高于地表滴灌和滴灌带埋深15 cm 时.此外，地下滴灌条件下局部灌溉的特点易强化点源入渗，水分和养分在滴灌带附近土层富集，在灌溉和降雨作用下可能发生养分淋失.大田玉米地下滴灌研究表明NO-3-N 淋失量随滴灌带埋深增加而显著增加[32]，这可能会导致土壤pH 下降，加速土壤酸化.

2.2 滴灌施肥对土壤酸化的影响

加州理工学院灌溉培训研究中心研究指出，使用滴灌施肥可节省用肥25%，而在我国一些温室滴灌施肥试验中，滴灌用肥量可减少30%[26].肖艳等[33]研究了畦灌和滴灌2 种方式对土壤pH 和有效铁、磷含量的影响，指出滴灌施肥条件下根围湿润区土壤pH 高于根外非湿润区和畦灌区，且具有较高的有效磷含量.相似的结果在连续13 a 的保护地灌溉试验中得到.李爽等[15]对比了沟灌、渗灌和滴灌对0～60 cm 土壤酸化特征的影响，研究指出，土壤活性酸度和交换性酸均以滴灌处理为最低，而土壤pH 与交换性酸呈极显著负相关.李若楠等[34]研究了滴灌氮肥用量对土壤环境质量的影响，结果表明，相较其他施氮量处理，冬春茬黄瓜和秋冬茬番茄施氮量为300 和225 kg/hm2时，氮肥利用率显著增加了9%～14%，土壤pH 增加了0.06～0.18.尽管如此，滴灌施肥对土壤酸化特征的影响还与肥料类型和施肥方式有关.Wortmann 等[35]研究指出，与尿素和无水氨相比，硫酸铵和磷酸二氢铵转化成硝态氮过程产生的酸化需要更多的石灰进行中和.邓兰生等[36]通过盆栽试验研究了滴施不同品种氮肥对赤红壤酸化过程的影响，结果表明，硫酸铵、硝酸铵和尿素施入土壤后均会导致土壤pH 下降，且下降幅度为：硫酸铵＞硝酸铵＞尿素.此外，氮肥随灌溉水运移的特性也在一定程度上影响土壤酸化特征.Haynes[27]研究了滴灌条件下不同氮肥迁移转化特征对土壤pH 的影响，结果表明，尿素比硫酸铵更易转化成硝态氮，且因为铵基盐在滴头处大量的累积，滴施硫酸铵造成的土壤酸化主要发生在0～20 cm 的土层；而尿素较强的流动性使得其造成的土壤酸化出现在40 cm 深度.与肥料类型相比，滴灌施肥方式通过肥料空间分布模式影响土壤酸化特征.李久生等[26]研究了4 种施肥滴灌方案下氮素的运移分布，结果指出，1/4W-1/2N-1/4W(先灌1/4 时间的水，接着灌1/2时间的肥液，最后灌1/4 时间的水)较其他方案硝态氮在10～20 cm 分布较多，在20～30 cm 分布较少，从减少硝态氮淋失的角度，此方案较优.侯振安等[37]通过同位素示踪对比了不同滴灌施肥次序对氮肥利用率的影响，研究表明N-W(前期施氮，后期灌水)处理氮素在0～20 cm 分布最均匀，收获后土壤残留硝态氮也最小，氮肥利用率较高.

2.3 滴灌条件下水土环境变化对土壤酸化的影响

灌溉过程中，尤其在排水条件较差的土壤中，灌溉水会驱替土壤孔隙中的空气，改变土壤孔隙中水分和氧气的比例，从而改变土壤三相结构；也有研究表明滴头附近的土壤会产生空穴，土壤强度(抗穿透性)增加以及通透性降低；此外，滴灌独特的水肥分布模式也会改变土壤结构，这些均会促使土壤微生物活性和作物根系呼吸作用发生变化，进而影响土壤养分迁移转化过程.Liu等[38]通过田间试验研究了滴灌对盐碱地种子发芽和作物生长的影响，结果表明滴灌能够抑制根区土壤盐分累积，促使种子发芽，且土壤剖面ECe和pH 随土壤基质势的增加而降低.王京伟等[39]对比了常规滴灌和覆膜滴灌对土壤微生物和酶活性的影响，分析指出，覆膜滴灌相较常规滴灌土壤脲酶活性提高了20.83%～30.61%，磷酸酶活性提高了76.92%～84.61%，与此同时盐分聚集度和土壤pH 降低.与传统灌溉相比，滴灌精量灌溉的特性使其在应用过程中能够节省水肥，提高作物产量，但实际上滴灌增产效果可能并不显著.这与滴灌滴头附近长期处于湿润状态，导致作物根区缺氧，抑制根系吸收水分和养分，同时低氧环境下土壤中还原物质的大量积累造成土壤酸化有关.雷宏军等[40]研究指出增氧滴灌可提高土壤中氧气含量，避免因物质还原造成土壤酸化，从而促进作物的生长.滴灌条件下的灌溉水质也是影响土壤pH 的重要因素.Hassanli 等[41]通过对伊朗南部城市污水持续滴灌2 a 的土壤进行研究，结果表明，0～30 和30～60 cm 土壤pH 分别提高了0.8 和0.6 个单位.Wang 等[42]综合分析了再生水灌溉对农业和景观的影响，研究指出再生水的盐度介于600～1 700 μs/cm，水质体现为碱性，灌溉土壤后土壤pH 较高.

3 总结与展望

常见的土壤酸化调控技术主要有施用化学改良剂和生物碳技术.作为传统有效的酸化改良剂，石灰能迅速提高土壤pH 值，中和土壤中的潜在性酸，降低土壤溶液中交换性铝含量，但长期施用石灰会加速土壤表层K+和Mg2+淋失，导致土壤板结和养分不平衡，停用后会存在更强的复酸化过程.此外，石灰在土壤中的移动性差，仅能中和15～20 cm 以上表层土壤的酸度，对20 cm 以下的表下层和底层土壤基本无效.因此，针对化学和生物改良剂对酸化土壤的影响还应建立长期田间试验，考察改良剂的长期效果及可能的负面影响.生物碳中含有大量碱性物质和必需营养元素，能够有效地调控土壤中养分循环，提高土壤pH.尽管如此，生物质炭在土壤中的转化过程也会增加温室气体的排放，增大环境风险.此外，当前制作生物质炭的主要方法是将秸秆集中收集后，进行炭化处理，成本很高，难以推广.而基于农业措施利用生态系统自身特点来降低土壤酸化程度和减缓酸化进程的方法与措施(滴灌水肥管理措施)在实践应用中逐步显现较大潜力和空间.但是，针对滴灌对土壤酸化的影响研究还不充分，建议可从以下2 个方面开展深入研究：

1)滴灌技术参数和水肥管理措施对农田土壤酸化的影响机制，尤其是技术参数与水肥管理交互作用对土壤酸化的影响规律；

2)基于滴灌对土壤结构的改变，研究其对农田土壤酸化特征和作物生长的影响规律.