土壤pH是决定农田土壤肥力特征的重要参数之一，而土壤酸化已成为全球耕地最为普遍的过程^[1]。土壤酸化会导致土壤结构破坏、养分流失、土壤重金属活性增强，降低土壤质量和生产力，使作物减产^[2]。自1980年至21世纪初，我国农田土壤pH下降了约0.5个单位，酸化土壤面积达全国土壤面积的22.7%^[3]。控制土壤酸化、改良酸性土壤是我国保障农业可持续发展的关键。

土壤改良剂指加入土壤用于改善土壤物理、化学、生物活性的物质^[4]。已有大量学者针对酸性土壤筛选、研发了一系列土壤改良剂，包括石灰类改良剂（石灰石、白云石等）、矿物和工业副产品（磷石膏、碱渣、粉煤灰等）、有机物料改良剂（秸秆、腐熟粪便等）和新型改良剂（聚丙烯酰胺、丛枝菌根真菌等）^[5]。也有较多学者对不同改良剂的施用效果进行了比较。王荣辉等^[6]比较了基于电石废渣、矿场废弃物和石灰的3种酸性土壤改良剂，发现不同来源、不同施用量的改良剂对水稻产量的影响差异较大。闫静等^[7]发现碱渣对烟田土壤酸度的改良效果要优于石灰，但李九玉等^[8]的研究结果显示石灰对茶园表层土壤的改良效果要优于碱渣。上述研究表明，土壤改良剂种类繁多，但不同改良剂类型、不同施用量、不同施用条件均会影响其对酸性土壤的改良效果。然而，现有的对比试验由于规模限制，选择的改良剂种类一般不超过6类^[8]，用量梯度不超过6个^[9]，针对的土壤类型最多为2种^[10]，所获得的结果并不能较为全面地比较众多类型改良剂的优缺点和施用效果，限制了对已有改良剂科学、合理的使用。

数据整合分析（Meta-analysis）可对同一主题下的多个独立试验或研究进行综合统计，以判断试验中的处理对试验对象产生的效应及其大小^[11]。本研究收集整理了我国开展的酸性土壤改良田间试验和培养试验，采用Meta-analysis的方法分析改良剂施用后土壤酸度、土壤肥力和作物产量的变化，以期更为全面、综合地比较不同类型改良剂的改良效果，为改良剂在酸性土壤中的合理施用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 数据来源

在Web of Science和中国知网（CNKI）数据库中，以关键词“土壤酸化、酸性土壤、红壤”，“改良、调理、修复”和“农田、耕地”对2023年6月1日前发表的相关期刊文献进行检索和筛选。筛选标准为：（1）研究对象为旱耕地，不包括水田、果园和药材园；（2）试验地点在中国，试验时间明确；（3）试验中对照组为空白或基施化肥两种形式，处理组为施用改良剂，且施用量明确，其他因素一致；（4）文献中的重复数明确且不小于3；（5）土壤无其他物质污染；（6）土壤pH≤6.5；（7）当一项研究有多次取样时，取数据明确的最后一次取样；（8）土壤数据来自非根际土。经筛选共获得127篇有效文献。

1.2 数据提取及换算补齐

提取文献中土壤pH、速效氮、有效磷、速效钾、有机质、交换性酸和交换性Al含量数据及作物生物量（产量）数据，提取各个试验处理的重复数以及改良剂施用信息（包括改良剂类型、用量、性质、施用时间等）。根据土壤性质、改良剂性质、改良剂类型以及改良剂施用条件进行分组（表 1）。

已有研究中文字和表格展示的数据直接提取，图形展示的数据使用GetData Graph Digitizer 2.24提取，每组数据均应包括平均值（M）、样本量（n）和标准差（SD）。如文献中提供标准误（SE），则利用公式SD=SE×$\sqrt n $转换为SD。如果标准误SE缺失，取对应实验组或对照组的10%作为替代^[12]。所有数据在分析前进行标准化处理，改良剂施用量单位统一为g·kg^–1，大田试验的改良剂施用量根据施用深度和土壤容重进行换算，若未提供施用深度则默认施用深度为0~20 cm^[11]；如果给出的pH数据是用KCl溶液进行测定的，则根据公式$ p{H_{H2O}} =- 1.95 + 11.58lgp{H_{Kcl}} $ ^[13]将其转化；土壤有机质（SOM）数据以土壤有机碳（SOC）表示的利用公式SOM=SOC×1.724^[14]转化。

1.3 数据分析

采用对数响应比（Response ratios，RR）来评估试验处理中添加土壤改良剂对酸化土壤相关指标的影响程度。对于研究中的某一指标而言，对数响应比（RR）为处理组的均值（X_E）与对照组的均值（X_C）之比^[15]，依据公式$\ln \mathrm{RR}=\ln \left(X_E \div X_C\right)=\ln \left(X_E\right)-\ln \left(X_C\right)$进行计算。各组的总体异质性采用非参数化随机效应模型计算，合并效应值采用加权的抽样检验方法进行随机化检验，其权重W_ij基于对数响应比（lnRR）的方差和案例间方差（Pooled study variance）进行计算^[15]。各合并效应值的95%置信区间使用迭代64 999次的拔靴法进行计算。若置信区间与0重叠，则表示施用改良剂对酸化土壤相关指标无显著影响；若置信区间不与零重叠，则表明施用改良剂对酸化土壤相关指标具有显著的正效应（> 0）或负效应（< 0）（P < 0.05）。采用罗森塔尔失安全系数（Rosenthal’s fail-safe number）检验发表偏倚^[15]。对数响应比及其95%的置信区间通过M=（exp（lnRR）－1）×100%转化为权重响应比（处理相对于对照增减的百分数，M）后用Origin 9.1作图。

2 结果 2.1 改良剂施用下酸性土壤化学性质和作物产量的变化

改良剂施用使土壤pH、速效氮、有效磷、速效钾和有机质分别增加12.12%、12.98%、37.99%、26.97%和46.20%，并使土壤中交换性酸和交换性Al的含量分别降低59.26%和55.08%（图 1）。此外，改良剂施用后作物增产57.22%。

2.2 改良剂施用下土壤酸度的变化

改良剂在极强酸性土壤（pH≤4.5）中的改良效果最好，施用后土壤pH增幅达14.39%，交换性Al和交换性酸分别下降68.61%和69.90%（图 2）。随土壤pH升高，土壤改良剂的降酸效果逐渐减弱。土壤有机质含量对改良剂的降酸效果影响并不显著。

改良剂的降酸效果随改良剂碱度及pH升高而加强（图 3）。改良剂pH从小于等于7增加至大于10，其施用后土壤pH的增幅从5.18%增至16.33%，交换性Al的降幅从22.10%增至80.99%，交换性酸的降幅从29.60%增至77.05%。改良剂碱度从小于100提高至大于300 cmol·kg^–1，其施用后土壤pH的增幅从6.83%增至18%左右，交换性酸的降幅从31.62%增至84.62%。

生产实践中存在施用单一改良剂或混施几种改良剂的情况，但结果显示两者的降酸效果并无显著差异（图 4）。施用单一改良剂时，石灰类改良剂的降酸效果最好，土壤pH增幅达18%，交换性Al和交换性酸降幅分别达80.63%和75.81%。混合施用改良剂时，有机-无机混施对土壤pH的提升效果显著优于有机混施或无机混施。

改良剂对土壤酸度的改良效果与其施用量呈正相关（图 5）。改良剂施用量为小于2、2~20和大于等于20 g·kg^–1时，土壤pH的增幅依次为8.07%、10.88%和17.13%，土壤交换性Al的降幅分别为41.02%、55.97%和63.59%，土壤交换性酸的降幅分别为47.76%、51.58%和66.72%。改良剂对土壤酸度的改良效果大体上随施用时间的增加而减弱（图 5）。改良剂施用小于等于70 d时，土壤pH和交换性Al的变化幅度为14.17%和60.91%，显著高于施用后70~180 d的土壤。

2.3 改良剂施用下土壤肥力的变化

在不同pH和有机质含量的土壤之间，改良剂施用对土壤速效氮、有效磷、速效钾和有机质含量的影响并无显著差异（图 6），但相对而言在酸性土壤（5.5 < pH≤6.5）中施用改良剂更有利于土壤速效养分和有机质含量的提高。

过高pH（pH > 10）改良剂的施用不利于土壤肥力的提高（图 7）。反之，施用pH≤7的改良剂时土壤速效氮和有效磷的增幅最高（51.38%和108.23%），施用9 < pH≤10的改良剂时土壤速效钾的增幅最高（90.31%），施用7 < pH≤8的改良剂时土壤有机质的增幅最高（116.65%）。

单施或混施改良剂对土壤肥力的影响无显著差异（图 8）。单施一种改良剂时，有机肥类改良剂对土壤速效氮和有效磷的增幅最大（60.16%、135.30%），生物质炭类改良剂对土壤速效钾和有机质的提升效果最好（达75.52%%和76.02%）。

改良剂施用量与土壤速效养分、有机质含量成正比（图 9）。随着改良剂施用量从小于2 g·kg^–1增加至大于等于20 g·kg^–1，土壤有效磷、速效钾和有机质含量增幅从21.22%、11.57%和19.32%显著增加至92.61%、75.19%和156.87%。改良剂对土壤有机质的提升随时间延长而减弱，改良剂配施化肥降低了改良剂的培肥效果。

2.4 改良剂施用下作物生物量（产量）的变化

土壤理化性质越差，改良剂施用对作物增产的效果越显著，土壤pH≤4.5时改良剂的增产效果达93.52%，土壤有机质含量低于10 g·kg^–1时施用改良剂可增产一倍以上（图 10）。一定范围内，改良剂pH的提高有利于作物产量提升，施用pH为9~10的改良剂时增产效果最好（87.65%），但过高pH（> 10）的改良剂施用增产效果减弱。改良剂类型影响作物的增产效果，施用单一改良剂时，增产效果从高到低依次为生物质炭类（78.23%）、石灰类（67.60%）、矿物类（62.56%）、有机肥（37.23%）、成品改良剂（20.45%）和植物物料（5.00%）。作物产量随着改良剂施用量的增加而增加，当改良剂施用量大于等于20 g·kg^–1时增产效果达到一倍以上。改良剂施用后短期内对作物的增产效果更为明显。

3 讨论 3.1 施用改良剂对土壤酸度的影响

改良剂施用平均使土壤pH增加12.12%、土壤交换性酸和交换性Al含量分别下降59.26%和55.08%（图 1），是改良酸性土壤的有效方法。此外，在酸化越严重的土壤中改良剂对土壤的改良效果越好。这主要是因为酸化越严重的土壤其阳离子交换量（CEC）和交换性盐基离子含量越低^[16-17]，对酸、碱的缓冲能力就越弱。

已有的研究更多关注改良剂的pH，因为pH越高对土壤酸度的改良效果越好^[18]。本研究（图 3）证实了该观点，进一步指出改良剂碱度也是影响其降酸效果主要因素^[19]。物料的碱度是对有机阴离子含量的估计，随着有机物料的分解，有机阴离子被脱羧，导致质子的消耗和CO₂的释放^[20-21]。尤其是有机物料，其施入土壤的中后期土壤pH上升幅度与有机肥中碱性物质含量（即碱度）高度相关（图 3）。若剔除氮素氨化和硝化作用的影响，施入有机物料的碱度几乎完全等于当量石灰试验的酸中和量^[20]。这也可以解释本研究中pH为7~8的改良剂降酸效果与pH > 10的改良剂无显著差异（图 3）的原因，即本研究中pH为7~8的改良剂大部分是堆肥后的有机肥和低温制成的生物质炭，均有较高的碱度^[21]。因此，在筛选、研发酸性土壤改良剂时，除了pH外改良剂碱度也是一个需要考虑的指标。

改良剂在短期（70 d）内的降酸效果表现更好（图 5），是因为改良剂本身含有的碱性物质可在短时间内释放，中和土壤溶液中的H⁺，使pH快速上升。中期以后，土壤胶体中的潜性酸持续释放，而改良剂中的碱性物质逐渐枯竭，从而又使得pH下降^[22]。有机物料难降解的特性有助于延长其产生的有机阴离子脱羧基化和碱性物质释放过程^[23]，基于有机物料研发长效抑酸改良剂逐渐成为当前产品研发的热点。

化肥中的氮在土壤中会向硝酸盐转化并产生质子，土壤中不断产生和累积的H⁺会加速土壤盐基离子的损失，从而降低土壤酸碱缓冲能力，加速土壤酸化^[24]。改良剂施用促进作物对土壤硝酸盐的吸收利用，加快了氮肥向硝酸盐的转化过程可能是化肥配施减弱改良剂降酸效果的原因。

3.2 施用改良剂对土壤肥力的影响

施用改良剂有助于土壤培肥。土壤pH提升有利于增加土壤有效磷和速效钾的有效性，如增加土壤中无机磷的溶解、吸附态磷的解吸以及磷与其他土壤组分的反应等，降低磷肥施入土壤后的固定速率，提高土壤的供磷水平等^[10]；土壤交换性Al³⁺的降低和pH的升高导致土壤表面的负电荷大量增加，为K⁺等阳离子创造了更多的吸附点位，从而增加了阳离子在土壤表面的吸附量^[17]，减少了钾离子的淋溶损失，提高了钾的有效性。但过高pH改良剂的施用不利于土壤速效养分和有机质的提高（图 7），这可能与高pH改良剂的主要类型有关。低pH改良剂大多是有机类物质，富含养分和有机质，而高pH改良剂大多是石灰等无机物质，养分和有机质含量低。这反映改良剂本身的养分含量对土壤速效养分的影响远大于土壤酸度改变对土壤速效养分的影响。

总体而言，有机肥改良剂对土壤速效氮和有效磷的增幅大于生物质炭类改良剂，但生物质炭类改良剂对土壤速效钾的增幅要大于有机肥改良剂（图 8）。这除了与改良剂本身的养分含量有直接的关系以外，还与改良剂本身的特性有关。有研究表明，生物质炭的添加对土壤速效氮的含量无显著影响，甚至会导致土壤速效氮含量降低^[9]，但有机肥的施用能够有效增加土壤速效氮含量^[25]。生物质炭中含有大量的K^[17]，并且会促进土壤中缓效钾向速效钾的释放^[26]，所以生物质炭对土壤速效钾的增幅大于有机肥。生物质炭中大量稳定有机碳在施入土壤后使得土壤有机碳含量显著升高^[27]，而有机肥中的有机质降解速度较生物质炭更快，这可能是生物质炭对土壤有机质提升作用显著大于有机肥的原因。

3.3 施用改良剂对作物生物量/产量的影响

土壤酸化会导致土壤中的矿质营养元素流失、养分有效性下降和严重的铝毒，进而限制植物的生长^[28]。Meta分析结果（图 1）显示，添加改良剂能够显著降低土壤酸度，增加土壤肥力，从而显著增加作物的产量，这与大部分的单一改良剂试验相符^[7，29]。

在酸化越严重的土壤中，改良剂对作物的增产效果越好（图 10），这与改良剂对强酸性土壤的改良效果更好有关。土壤酸化会导致土壤中的有效硅、有效硼和碱解氮含量下降，还会使土壤中盐基离子淋失，导致作物减产^[30]。该现象在强酸性土壤中尤为明显，当土壤pH < 5.5时土壤中固相铝溶出对作物产生毒害，当土壤pH < 4.0时甚至会导致作物无法生长^[31]。徐仁扣等^[31]的研究结果表明，酸性土壤pH由5.4下降0.7个单位时，油菜籽减产40%，而当土壤pH由4.6下降0.4个单位时，油菜籽减产62%以上。由此可见，酸化越严重的土壤对作物的限制作用越强，此时改良剂施用对土壤酸度的提高在作物增产的效果上也就更为明显。

一定范围内改良剂pH的提高有利于作物增产（图 10），这与改良剂对土壤酸度的改良效果（图 3）一致。但过高pH（大于10）的改良剂却使作物增产效果有所减弱，这除了与土壤培肥效果有关，还可能与植物组织和器官的分化有关。过高pH的改良剂施用后短期内可能会在土壤中形成一个以改良剂为中心的高pH区域，并抑制该区域植物组织和器官的分化^[32]。总体而言，无机类改良剂对土壤酸度的改良效果要优于有机类（图 4），而有机类改良剂对土壤肥力的提升效果较好（图 8）。本研究并未在单一类型（有机或无机）改良剂施用和有机、无机改良剂混合施用之间发现显著差异（图 10），这可能涉及不同类型改良剂之间的协同、拮抗作用，也可能归咎于目前不同改良剂组合施用的研究结果较少。但作物增产是土壤酸度减弱和土壤速效养分提升的综合表现，未来有必要进一步加强无机类和有机类改良剂的配合施用研究，以获得更好的酸性土壤改良效果。

4 结论

施用改良剂可有效降低土壤酸度，增加土壤肥力，并达到增产的效果。改良剂的pH和碱度越高，对土壤酸度的改良效果就越好，因此对于强酸性土壤（pH < 4.5）建议施用石灰、高碱度生物质炭等高pH以及高碱度改良剂。有机肥和生物质炭类的改良剂培肥能力较强，因此对于酸性（4.5≤pH < 5.5）且有机质含量较低（小于10 g·kg^–1）的土壤建议施用高碱度有机肥、生物质炭等改良剂，对于酸性（4.5≤pH < 5.5）且有机质含量较高（大于10 g·kg^–1）的土壤建议施用生物质炭、矿物类改良剂，对于弱酸性（5.5≤pH < 6.5）土壤，建议施用有机质含量较高的有机肥进行改良。