赵方杰：化肥会导致土壤酸化吗？|观点

化肥（尤其是氮肥）对农业生产、粮食安全贡献巨大，讨论化肥对土壤的酸化作用不是要抹黑化肥，而是要了解原因，提供解决方案。

文/赵方杰（南京农业大学教授）

来源：作者赐稿

施用化肥会导致土壤酸化吗？这个问题近来引起了一些争议。这个看似简单的问题，其实牵涉到多个复杂的过程，答案因化肥种类、土壤性质、管理方式等多方面因素不同而异。这里我们主要考虑氮肥，因为氮肥用量大，对土壤酸碱度影响也比较大。酸的本质是质子[H ]的产生，氮肥施用对土壤中H 的产生或消耗要从土壤和植物两方面加以考虑。

土壤过程

铵态氮肥施到旱地土壤后，很快会被土壤微生物转化为硝态氮，即硝化作用，这个过程每1摩尔铵态氮将产生2摩尔H ：

NH₄ 2O₂ →NO₃^- H₂O 2H      【1】

尿素施到土壤中后，先水解为铵，这个过程产碱，铵很快转化为硝态氮，这个过程产酸，第二步产生的酸多于第一步产生的碱，综合起来，1摩尔尿素氮转化为硝态氮将产生1摩尔H ：

NH₂-CO-NH₂ 3H₂O→2NH₄ 2OH^- CO₂  【2】

2NH₄ 4O_2→2NO₃^- 2H₂O 4H                      【3】   

有机氮如氨基酸的水解（铵化）和其后的硝化产酸的当量与尿素相同。

铵态氮如果以氨的形态从土壤挥发，也会产生H ：

NH₄  ^→NH₃ H          【4】

硝态氮肥（如硝酸钾）为中性，施入土壤本身不产酸也不产碱。在厌氧条件下，硝态氮可被微生物反硝化，这个过程是消耗酸的，即产碱，1摩尔硝态氮反硝化为氮气将消耗1摩尔H （注意反应式【5】左边的电子消耗，即有10个电子和10个H 是由还原剂提供的，不影响酸碱平衡）：

2NO₃^- 12H 10e^- → N₂ 6H₂0          【5】

以上是发生在土壤中与酸碱相关的一些主要氮素转化过程。

植物过程

下面考虑一下植物氮素吸收与代谢过程。植物吸收阳离子多于阴离子时，根系向土壤排放H ，而吸收阴离子多于阳离子时，则排放OH^-，从而维持电荷平衡。根系吸收铵态氮时，一般阳离子吸收总量超过阴离子吸收总量，所以根际会酸化。而根系吸收硝态氮时，一般阴离子吸收总量超过阳离子吸收总量，根际会碱化。

植物体内将NH₄ 同化为氨基酸是个产酸的过程，同化1摩尔NH₄ 会产生稍多于1摩尔H ，排放到根际土壤。之所以产生稍多于1摩尔H ，除了反应式【6】显示的H ，还因为植物合成的最丰富的两种氨基酸（谷氨酸和天冬氨酸）是酸性的，在细胞质pH条件下会解离出部分H ：

NH₄ ^→NH₃ H   ^→ RCHNH₂COOH H           【6】

植物同化硝态氮则是一个消耗H （产碱）的过程， 1摩尔NO₃^-还原为NH₄ 会消耗2摩尔H ，NH₄ 同化为氨基酸又会产酸，综合结果是同化1摩尔NO₃^-会消耗1摩尔不到一点的H ， 植物通过根系排放OH^-及在体内产生有机阴离子（尤其是苹果酸根）来达到体内酸碱平衡：

NO₃^- 2H   [4 NAD(P)H 4H ] →NH₄   [4NAD(P) ] H₂O  【7】

综合效果

在一个完全封闭的土壤-植物系统中，施用铵态氮肥或尿素，在土壤中转化为硝态氮虽然产酸，但硝态氮被植物吸收及同化会产碱，部分碱排放到根际土壤，另一部分碱以[阳离子与陪伴有机阴离子]的形式存在于植物体内。如果源于肥料的氮完全被植物吸收，而且植物生物质完全回归土壤，整个过程将会达到酸碱平衡，土壤是不会酸化的。

但是，土壤-植物系统是开放的。首先，农业生产中氮肥的施用量往往大于植物吸收量，氮素的利用效率往往不到50%，铵态氮肥或尿素在土壤中转化为硝态氮后，只有部分被植物吸收，另一部分硝态氮从土壤中淋失，伴随硝态氮淋失的是碱性阳离子（如Ca² ，Mg² ， K ），而硝化过程产生的H 则留在土壤中。其次，农作物收获带走了生物质（籽粒、秸秆），把植物中的碱[即阳离子与陪伴有机阴离子]也带走了，加重了土壤中酸的盈余。在这样的开放体系中，铵态氮肥或尿素施用越多，氮素利用效率越低，生物质移除越多，都会加重土壤中酸的盈余。

上述氮素循环产生的盈余H 会不会导致土壤pH的降低？即通常提到的土壤酸化？这取决于土壤性质。在石灰性土壤中，由于碳酸钙对H 的中和作用，只要土壤中还有碳酸钙，pH是不会降低的，当然长期施用铵态氮肥或尿素会使得土壤中碳酸钙含量逐渐降低。在不含碳酸钙的土壤中，盈余H 是会导致土壤pH下降的，下降的速率取决于土壤对H 的缓冲能力，粘质土壤缓冲能力强，pH下降慢一些，沙质土壤缓冲能力低，pH下降快一些。

顺带提一下，大多数豆科植物生物固氮过程也会产酸。

土壤酸化的证据

在多数情况下，长期施用铵态氮肥或尿素会导致土壤酸化，这个结论不但有上述理论的支撑，而且有国内外大量试验结果的支持。只要在Web of Science搜索一下，便可查到很多相关的文章。这里仅举两个例子，都是我亲眼看到的。一个是英国洛桑试验站从1856年开始的Park Grass牧草长期试验，每年收割并移走牧草，不施肥对照小区土壤pH从160多年前的5.5降到现在的5.2左右，这主要是大气酸沉降引起，而施用铵态氮肥（硫酸铵）处理在试验开始之后的30年间土壤迅速酸化，之后pH缓慢下降，现在土壤pH为3.3 左右。土壤酸化对植物物种的多样性产生极大影响，从对照小区的30多种降低到施用铵态氮肥小区的2-3种，只有极端耐铝的植物才能生长（图1）。

图1. 英国洛桑Park Grass长期试验（1856年开始）。右边小区是不施肥对照，现在土壤pH为5.2左右，植物物种有30多种；左边小区为施用铵态氮肥处理，土壤很快酸化，现在pH为3.3左右，只有2-3种极端耐铝的植物可以生长。

第二个例子是中国农科院在湖南祁阳的长期肥料试验（1990年开始），小麦-玉米轮作，不施肥的对照区土壤pH为5.5，施用氮肥（尿素）处理土壤pH现在已经降低到4.1左右，小麦基本上无法生长（图2），只有小区边缘靠近田埂的地方还能长，估计是碱性的水泥田埂对周边的酸性土壤起到局部的缓解作用。

图2. 中国农科院祁阳长期肥料试验（1990年开始）。施用氮肥（尿素）的小区土壤严重酸化，小麦基本上不能生长，右边CK为不施肥对照。

结束语

化肥（尤其是氮肥）对农业生产、粮食安全贡献巨大，讨论化肥对土壤的酸化作用不是要抹黑化肥，而是要了解原因，提供解决方案。其实，解决化肥引起的土壤酸化问题并不困难，施用石灰等碱性物质即可。英国施肥推荐要求农民每隔4-5年施用少量石灰，防止土壤过度酸化，美国多个州也有石灰施用推荐方法。