摘"" 要：黑土區(qū)是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，是我國(guó)糧食安全的重要保障。近年來(lái)，黑土酸化的加劇嚴(yán)重限制了黑土區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。低pH和鋁毒是酸化土壤抑制作物生長(zhǎng)的主要不利因素，土壤微生物活性的改變亦影響營(yíng)養(yǎng)元素的生物化學(xué)地球循環(huán)，同時(shí)，酸化土壤重金屬活化等問(wèn)題也嚴(yán)重影響了酸化黑土區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，尋求友好的酸化黑土改良措施尤為重要。綜述了黑土酸化的現(xiàn)狀和土壤酸化的成因、危害及改良等方面的研究進(jìn)展，以期為酸化黑土阻控提供科學(xué)參考。

關(guān) 鍵 詞：黑土酸化； 酸化土壤改良； 酸沉降； 氮循環(huán)； 秸稈及其衍生物

氧化鈷; 納米結(jié)構(gòu); 電容器; 電催化

中圖分類號(hào)：O343.1;O341""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/ j.issn.16735862.2024.01.007

Research progress on acidification and improvement of black soil

CUI Song "LYU Yan "CHEN Lanfeng^1，2

TONG Deli1， BAO Sijia1， ZHANG Zhiming1， PAN Jing1， HE Haisheng2

（1. College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

（1. College of Life Science， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 2. Experimental Teaching Center， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：

Black earth region is an important grain production base and an important guarantee of grain security in our country. In recent years， the acidification of black soil has intensified， which has seriously limited the sustainable development of agriculture in black soil area. Low pH and aluminum toxicity are the main adverse factors for acidified soil to inhibit crop growth. The change of soil microbial activity also affects the biochemical earth cycle of nutrient elements， and the activation of heavy metals in acidified soil seriously affects agricultural production in acidified black soil areas. Therefore， it is particularly important to seek friendly improvement measures for acidified black soil. In this paper， the present situation of acidification of black soil and the research progress in the causes， harm and improvement of soil acidification are reviewed， which can provide scientific reference for the control of acidified black soil.

Key words：

black soil acidification; acidified soil improvement; acid deposition; nitrogen cycle; straw and its derivatives

黑土區(qū)是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，約占全國(guó)耕地面積的20%，是我國(guó)糧食安全的重要保障。東北黑土區(qū)區(qū)域范圍界定于松花江、遼河流域中上游的松嫩平原和遼河平原，區(qū)域面積達(dá)1.09×106km2^［1］。自20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初，我國(guó)農(nóng)田土壤普遍發(fā)生酸化^［2］，土壤pH降幅在0.13～0.80個(gè)單位之間^［3］；農(nóng)田土壤總酸化速率從1980年的 3.3kep· ha^-1· yr^-1增加至2010年的7.9kep·ha^-1· yr^-1［4］。近年來(lái)，由于過(guò)度開墾和不合理的農(nóng)業(yè)管理，黑土退化嚴(yán)重^［56］，酸化加劇^［78］。土壤酸化成為限制黑土區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一，酸化現(xiàn)象嚴(yán)重增加了黑土區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的阻力，制約“藏糧于地、藏糧于技”國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施。2023年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳發(fā)布的《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳關(guān)于開展酸化耕地治理重點(diǎn)縣建設(shè)的通知》中提到，預(yù)期通過(guò)連續(xù)3年的酸化耕地治理，可以使土壤pH平均提高0.5個(gè)單位，使糧食產(chǎn)能提升10%以上^［9］。本文綜述了近年來(lái)黑土酸化及改良的研究進(jìn)展，可為黑土酸化預(yù)測(cè)與控制和酸性土壤的改良、利用提供參考。

1 土壤酸化及其危害

土壤酸化是土壤退化的主要特征之一^［10］。在自然條件下，大多數(shù)土壤的形成過(guò)程是物質(zhì)淋溶的過(guò)程，Ca²⁺，Mg²⁺，K+，Na+等鹽基離子較易淋失，其淋溶過(guò)程本質(zhì)是酸化過(guò)程^［11］。土壤膠體上吸附的另一類陽(yáng)離子H+和A1³⁺，亦會(huì)引發(fā)土壤酸化，故稱為致酸離子。

土壤的自然酸化主要是指由于降水引起的土壤鹽基離子的淋失、交換性H+和A1³⁺含量增加的現(xiàn)象^［12］，且土壤pH與交換性A1³⁺含量有緊密聯(lián)系^［13］。在正常情況下，鋁不會(huì)脅迫植物的生長(zhǎng)^［14］。但在酸性土壤（pHlt;6.5）中，鋁毒被認(rèn)為是限制植物生長(zhǎng)的重要因素^［15］。根尖是植物對(duì)鋁最敏感的部位，當(dāng)Al³⁺的濃度達(dá)到5μmol·L^-1時(shí)，就會(huì)破壞植物根尖的細(xì)胞質(zhì)膜^［16］，鋁脅迫下植物根系伸長(zhǎng)生長(zhǎng)受到抑制，根系吸收和運(yùn)輸功能及根系酶活性迅速下降^［17］，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)。此外，土壤酸化還會(huì)使土壤中的金屬離子活化^［2］。通過(guò)模擬酸雨發(fā)現(xiàn)，當(dāng)昆山地區(qū)土壤的pH從7.20下降到6.42時(shí)，Cd的活化率增加了0.34%～3.29%^［18］。土壤酸化導(dǎo)致土壤中重金屬活化，并使蔬菜中的重金屬含量增加^［1921］，由此增加了重金屬進(jìn)入人體的風(fēng)險(xiǎn)。

土壤酸化還會(huì)影響土壤微生物的豐度與群落組成，土壤pH是影響土壤微生物活性的最重要土壤性質(zhì)因子之一^［22］。微生物是土壤中最為活躍的生物因素，是元素生物化學(xué)地球循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)力，并且與作物間有良好的響應(yīng)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用石灰對(duì)林下酸化土壤進(jìn)行改良時(shí)，隨著土壤pH升高，土壤中微生物指數(shù)（真菌/細(xì)菌）顯著降低^［23］；同時(shí)，細(xì)菌的多樣性指數(shù)增加，并降低了植物的發(fā)病率^［24］。然而，也有報(bào)道表明，土壤pH與土壤微生物指數(shù)正相關(guān)^［25］，高土壤pH的微生物表現(xiàn)出較高的生物活性，這可能由土壤類型、氣候條件等差異引起。通過(guò)研究設(shè)施栽培對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)及微生物區(qū)系的影響，發(fā)現(xiàn)大棚種植8y和20y的土壤pH與田間土壤pH相比顯著降低了13.17%和12.89%，且種植20y時(shí)，土壤細(xì)菌、放線菌數(shù)量和微生物總數(shù)急劇降低，細(xì)菌數(shù)量和微生物總數(shù)比8y時(shí)分別降低75.51%和75.83%，放線菌數(shù)量比4y時(shí)降低91.08%^［26］。模擬酸沉降結(jié)果表明，土壤酸化導(dǎo)致表層土壤（0～10cm）微生物生物量C∶P和N∶P顯著提高，表明土壤酸化可能加劇了微生物磷限制^［22］。另外，Wang等^［27］的研究結(jié)果表明，酸性土壤中土壤多功能性可能主要受稀有微生物控制，而土壤pH是驅(qū)動(dòng)稀有細(xì)菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)及土壤多功能性的最主要土壤因子。

2 人為因素加速土壤酸化

2.1 酸沉降對(duì)土壤酸化的加速作用

酸沉降主要指化石燃料燃燒及汽車尾氣排放的SO2和N2O等硫和氮的化合物經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、降水或重力作用等過(guò)程降落到地面的現(xiàn)象^［12］。酸沉降是全球面臨的主要環(huán)境問(wèn)題之一^［28］，其主要以酸雨的方式到達(dá)地面，酸雨中H+的輸入加速了土壤酸化^［29］。研究發(fā)現(xiàn)，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤酸化與大氣沉降的酸輸入呈顯著正相關(guān)，大氣沉降對(duì)總酸輸入的貢獻(xiàn)約為84%，是中國(guó)森林土壤酸化的主要驅(qū)動(dòng)因素^［30］。對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)而言，酸雨沉降輸入土壤的酸性物質(zhì)不到農(nóng)田輸入總酸性物質(zhì)的25%^［31］。

土壤中的 N，P，K 等元素的含量是土壤肥力的重要表現(xiàn)之一^［32］。劉俐等^［33］通過(guò)模擬酸雨淋溶實(shí)驗(yàn)研究紅壤對(duì)酸雨的緩沖機(jī)制，發(fā)現(xiàn)淋溶量增大或強(qiáng)酸性酸雨（pH為2.5）的作用會(huì)導(dǎo)致礦物中鹽基離子釋放淋失，從而導(dǎo)致土壤肥力下降。通過(guò)室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)?zāi)M酸雨發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加相同含量的生物質(zhì)炭時(shí)，隨著淋洗液pH升高和淋出液Ca²⁺含量降低，被pH為3.5和5.6的酸雨淋洗液處理后的Ca²⁺淋出量分別為蒸餾水處理的1.15倍和1.09倍^［34］。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤酸化由氮肥的不合理施用導(dǎo)致^［35］。酸沉降還與NH3有重要關(guān)聯(lián)^［36］，NH3可以中和酸雨中的酸性物質(zhì)，但溶解后產(chǎn)生的NH+4會(huì)參加土壤中的硝化作用，產(chǎn)生H+使土壤酸化^［37］。我國(guó)是繼歐洲和北美之后的世界第三大酸雨區(qū)，20世紀(jì)90年代以后，我國(guó)重工業(yè)比例下降，能源由煤轉(zhuǎn)化為天然氣，隨后酸沉降轉(zhuǎn)而以氮（N）沉降為主^［38］，從1980年到1996年，我國(guó)的NH3排放總量從5.9Tg增加到11.1Tg^［39］，到2012年下降到9.7Tg，減排效果越發(fā)顯著^［40］。雖然近年來(lái)酸沉降問(wèn)題得到了一定的緩解，但環(huán)境污染導(dǎo)致的酸雨問(wèn)題仍對(duì)土壤酸化產(chǎn)生影響，仍需進(jìn)一步研究。

2.2 不當(dāng)農(nóng)藝措施對(duì)土壤酸化的加速作用

作物生產(chǎn)中過(guò)量施用化學(xué)氮肥會(huì)直接加速土壤的酸化^［41］，這一過(guò)程主要由硝化作用驅(qū)動(dòng)^［42］。硝化作用是土壤氮循環(huán)的重要過(guò)程之一，是指NH+4-N在微生物作用下轉(zhuǎn)化為NO-3-N的過(guò)程^［43］。Tian等^［35］通過(guò)對(duì) 106 項(xiàng)研究進(jìn)行meta分析發(fā)現(xiàn)，氮肥的使用導(dǎo)致全球土壤pH平均降低了0.26個(gè)單位。1980到2010年間，我國(guó)耕地土壤pH降幅在0.13到0.80個(gè)單位之間^［3］，酸化速率從2.6kep·ha^-1 ·yr^-1加速到7.6kep· ha^-1· yr^-1，其中，氮輸入增加和氮利用效率的降低增強(qiáng)了硝酸鹽的排放，是我國(guó)農(nóng)田加速酸化的主要原因^［4］。紅壤長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期使用化學(xué)氮肥導(dǎo)致紅壤pH降低了1.11～1.56個(gè)單位，土壤中交換性鋁的含量則增加了53.4～65.7mmol·kg^-1［44］。由此可見，氮投入減少或氮素利用量大幅增加可以預(yù)防土壤酸化進(jìn)一步加速。

Ca²⁺，Mg²⁺，K+，Na+等鹽基離子的投入和輸出不平衡也會(huì)造成土壤酸化^［45］。當(dāng)作物秸稈移出土壤后，土壤中的鹽基離子也將被大量帶出土壤。然而，土壤中的鹽基離子卻沒(méi)有及時(shí)得到有效補(bǔ)充，為保持電荷平衡，鹽基離子會(huì)加速水解，使土壤中產(chǎn)生大量H+并吸附在土壤膠體上，使土壤逐步趨于酸化^［46］。Dong等^［47］對(duì)我國(guó)亞熱帶典型紅壤進(jìn)行了不同施氮處理，發(fā)現(xiàn)植物對(duì)堿陽(yáng)離子的吸收量是土壤淋失量的2.4 ～ 4.84倍，表明植物的吸收量可能是土壤交換性堿陽(yáng)離子減少的主要原因，且亞熱帶典型紅壤的酸化速率為2.83 × 103mol·hm^-2·a^-1，其中由作物移除產(chǎn)生的H+占73%。綜上可知，秸稈還田具有潛在的阻控土壤酸化的能力。

3 酸化土壤的改良

3.1 石灰對(duì)酸化土壤的改良

石灰是傳統(tǒng)且有效的酸性土壤改良劑，石灰中的CaO等堿性物質(zhì)可以與土壤中的酸性物質(zhì)迅速反應(yīng)，快速提高土壤pH，顯著改善在酸性土壤上植物的生長(zhǎng)狀況^［48］。土壤pH隨石灰施入量的增加呈現(xiàn)快速上升再逐漸平緩的趨勢(shì)，但在不同類型的土壤上，石灰用量對(duì)土壤酸度改良效果存在差異。當(dāng)不同用量的石灰作用于稻田土壤時(shí)，土壤pH會(huì)有不同程度的增加，石灰用量每增加100kg·hm^-2，土壤pH約增加0.01個(gè)單位^［49］。當(dāng)1500kg·hm^-2的石灰作用于黃棕壤時(shí)，土壤pH會(huì)提高0.16個(gè)單位^［50］。當(dāng)750～7500kg·hm^-2的石灰作用于稻田土壤時(shí)，土壤pH會(huì)提升0.89～2.42個(gè)單位^［51］。

石灰的施用還可以緩解鋁毒^［52］。當(dāng)石灰施用量為1500 kg·hm^-2時(shí)，土壤中單核鋁含量降低了24.4％^［50］。當(dāng)石灰添加量從0增加至4g·kg^-1時(shí)，土壤pH逐漸升高，但土壤pH提高的同時(shí)會(huì)促進(jìn)氨氧化細(xì)菌的生長(zhǎng)，從而加速土壤的硝化作用^［48］。

對(duì)酸化土壤施用石灰可以提高作物的產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度為2%～255%，其中，糧食類作物的增產(chǎn)率為42%，經(jīng)濟(jì)類作物的增產(chǎn)率為47%^［51］。Li等^［53］發(fā)現(xiàn)，通過(guò)施用石灰來(lái)提高土壤pH可以減少煙草細(xì)菌枯萎病的發(fā)生，且控制率可以達(dá)到31.09%；施用石灰還可以有效控制根結(jié)線蟲病和黑脛病，其中根結(jié)線蟲病的控制率可以達(dá)到50%，黑脛病的控制率可以達(dá)到41.75%^［54］。

施用石灰后，土壤中的微生物群落在屬水平上表現(xiàn)出豐富度顯著性差異。共有15種具有顯著性差異的物種，其中有8種細(xì)菌表現(xiàn)為處理組顯著低于對(duì)照組，7種真菌表現(xiàn)為處理組顯著低于對(duì)照組^［55］。對(duì)煙田土壤施用石灰后，從移栽前到團(tuán)棵期，根際土壤中的細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量分別減少了87.0%，89.8%和 87.3%^［54］。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)芹菜菜地施用石灰氮后，芹菜根際土壤中的細(xì)菌、放線菌數(shù)量與對(duì)照根際土壤相比，分別增加了100%和65%^［56］。

由此可見，施用石灰可在改良土壤酸化的同時(shí)對(duì)植株病害起到一定的防控效果，但同時(shí)會(huì)對(duì)土壤中可培養(yǎng)微生物的豐富度產(chǎn)生影響。因此，在用石灰改良土壤酸化的同時(shí)，要注意其對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境的影響。

3.2 秸稈對(duì)酸化土壤的改良

秸稈中富含多種化學(xué)元素、礦質(zhì)元素及大量的有機(jī)成分^［57］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有機(jī)肥資源每年可提供氮磷鉀養(yǎng)分7405.7×104t，其中農(nóng)作物秸稈可提供2164×104 t，占比高達(dá)29.2% ^［58］。秸稈還田意義重大，可以保持土壤質(zhì)量，維持土壤養(yǎng)分平衡^［59］。從 1980年到 2010年，我國(guó)秸稈還田總量從 583.92×104t 增加到 1770.66×104t^［60］。秸稈還田或植物殘茬返回的陽(yáng)離子可以抵消植物吸收產(chǎn)生的H+，緩解土壤酸化^［61］。同時(shí)，秸稈中有機(jī)陰離子的脫羧作用可以提高土壤pH^［62］。研究表明，秸稈還田的不同處理均可提高土壤pH，其中，模擬秸稈淺旋還田、秸稈深混還田和秸稈富集深還可使土壤pH分別顯著提高0.22，0.14，0.12個(gè)單位^［7］。煙田土壤施用煙草秸稈生物有機(jī)肥可以顯著提高土壤中的鹽基離子飽和度。其中，當(dāng)煙草秸稈生物有機(jī)肥施用量為1500kg·hm^-2時(shí)，鹽基離子飽和度提升效果最為顯著，高達(dá)36.88％^［63］。

秸稈還田可提高作物產(chǎn)量，秸稈還田配合施用控釋肥的各處理小麥產(chǎn)量高于秸稈還田配施化肥的處理，也高于秸稈不還田的控釋肥處理和化肥處理，增加幅度為1.61%-23.59%^［64］。除此之外，微生物可以作為反應(yīng)秸稈還田對(duì)土壤酸化改良效果更為直觀的土壤活性指標(biāo)^［63］。秸稈還田可以提高土壤中微生物的生物量，長(zhǎng)期連續(xù)玉米秸稈還田使微生物生物量碳和微生物生物量氮的含量顯著提高了60.35% 和 32.47%^［65］。毛竹在施用5000kg·hm^-2玉米秸稈12個(gè)月后，土壤中的微生物生物量氮增加了17.4%^［66］。然而，秸稈直接還田對(duì)土壤的利弊仍存在許多爭(zhēng)議，如會(huì)爆發(fā)病蟲害^［67］和土壤酸化^［68］等問(wèn)題，仍需對(duì)其繼續(xù)研究。

3.3 秸稈生物質(zhì)炭對(duì)酸化土壤的改良

作為一種新型酸性土壤改良劑，生物質(zhì)炭可用于改良酸化土壤^［69］、提高作物產(chǎn)量^［57］。生物質(zhì)炭的性質(zhì)容易受原材料及熱解溫度的影響，從而限制其在土壤改良中發(fā)揮作用的最大化^［70］。生物質(zhì)炭還可以通過(guò)表面陰離子官能團(tuán)質(zhì)子化作用減緩酸化過(guò)程中土壤pH的降低，從而抑制土壤鋁的活化。不同溫度下熱解的生物質(zhì)炭均可顯著提高土壤pH，與對(duì)照組相比，300℃，500℃和700℃下玉米秸稈炭分別將酸性土壤的pH提高了0.363，0.816和1.48個(gè)單位，且分別將酸性土壤的交換性Al³⁺含量顯著降低了55.6%，82.7%和98.0%^［71］。

探究不同產(chǎn)地油菜秸稈制備的生物質(zhì)炭對(duì)紅壤酸度的影響的研究發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)地油菜秸稈制備的生物質(zhì)炭均可顯著提高土壤pH，在5%的添加量下，在生長(zhǎng)在堿性土壤上的油菜秸稈制備的生物質(zhì)炭處理下，紅壤pH提高了37.4%，在生長(zhǎng)在酸性土壤上的油菜秸稈制備的生物質(zhì)炭處理下，紅壤pH提高了22.4%^［72］。

將生物質(zhì)炭施用于酸性土壤，土壤中活性有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了25％^［73］。將生物質(zhì)炭施用于土壤后，土壤將持續(xù)釋放Mg²⁺，且其釋放的Mg²⁺量高于Ca（OH）2處理的2倍以上，較高的Mg²⁺可通過(guò)調(diào)控植物對(duì)鋁離子的生理響應(yīng)來(lái)緩解植物鋁毒害癥狀，因而生物質(zhì)炭相較Ca（OH）2能更有效緩解酸化過(guò)程對(duì)植物根系的抑制作用。模擬12y酸輸入時(shí)，生物質(zhì)炭處理土壤溶液鋁離子濃度較Ca（OH）2處理低33%，玉米根相對(duì)伸長(zhǎng)率則較Ca（OH）2處理高18.6%^［17］。因此，生物質(zhì)炭相較Ca（OH）2處理展現(xiàn)出了更為長(zhǎng)效的酸性土壤改良潛力。

生物質(zhì)炭的施用可以有效提升微生物活性和作物產(chǎn)量。在毛竹林中施用5000kg·hm^-2玉米秸稈生物質(zhì)炭，12個(gè)月后土壤中微生物生物量氮增加了12.2%^［66］，且施用生物質(zhì)炭顯著降低了土壤氨氧化細(xì)菌豐度，其在第3個(gè)月和第12個(gè)月降幅分別為 44.6% 和 39.0%。土壤中添加4%秸稈炭的黑麥草的生物量增加了68%^［73］。以廣東省地區(qū)紅壤為研究對(duì)象進(jìn)行田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，減氮與施用生物質(zhì)炭均可提高土壤pH，與常規(guī)施氮處理相比，在減氮40%條件下，配施10～20t·hm^-2生物質(zhì)炭的土壤pH顯著提高了0.48～0.65個(gè)單位，且生菜產(chǎn)量提高了9.5%～22.7%^［74］。

4 研究展望

土壤酸化過(guò)程受自然酸化、酸沉降和不當(dāng)農(nóng)藝措施等多重因素的影響。酸化和鋁毒是限制作物生長(zhǎng)的主要因素，土壤酸化使得土壤中的鋁活化，植物根系生長(zhǎng)受到抑制，最終導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。酸化土壤中的重金屬離子活性增強(qiáng)并積累，增加了農(nóng)產(chǎn)品受重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)；此外，土壤酸化影響微生物活性及群落結(jié)構(gòu)，從而影響土壤的多功能性。目前，人們普遍通過(guò)選擇添加不同的外源物質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)土壤酸度，雖然在此方面國(guó)內(nèi)外已有許多重大進(jìn)展，但仍有一些問(wèn)題尚不明確，尤其是對(duì)不同母質(zhì)類型土壤來(lái)說(shuō)，改良劑對(duì)土壤酸度的改善作用仍需進(jìn)一步闡釋。選取合理的改良措施對(duì)酸化黑土進(jìn)行改良并實(shí)現(xiàn)對(duì)黑土酸化的長(zhǎng)期阻控，將對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重大意義。

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【責(zé)任編輯：王瑞丹】