揭秘“看不见的”土壤酸化

土壤是陆地生态系统的核心所在，也是农业生产的基础。然而，自上世纪70年代以来，由于人类活动的干扰，严重的酸沉降和氮肥施用导致了自然和农田生态系统严重的土壤酸化。土壤酸化会对其生态系统服务功能造成严重破坏，如降低土壤养分有效性、减少作物产量、降低生物多样性、增强重金属活性以及导致病虫害加重等。

01.

“看得见的”和“看不见的”土壤酸化

土壤酸化是土壤酸中和容量（ANC）降低的过程（van Breemen et al., 1984）。作为直接反映土壤中H⁺浓度的重要参数，土壤pH值常被用来指示土壤酸度和作为土壤酸化的评价指标。Tian et al.（2015）研究表明，全球范围内，氮添加导致土壤pH显著下降了0.26个单位。在中国，化学氮肥的过量施用导致的土壤酸化则更为严重。1980s-2000s，过量的氮肥施用导致中国农田土壤平均下降了0.5个单位（Guo et al., 2010）。

土壤pH变化只是土壤酸化过程的表观结果之一，其受到质子（H⁺）输入量和土壤酸缓冲能力的综合影响。由于土壤本身具有酸中和能力，当H⁺进入土壤时，土壤可以通过多级缓冲体系来维持土壤稳定（Van Breemen et al.,1983）。因而，显著的土壤pH变化往往需要很长时间。

然而，有时土壤中有H⁺产生，且出现ANC的降低，但土壤pH在短时间内并不会出现显著下降。那么，这种情况下土壤有酸化吗？

近期，Dong et al.（2022）以三种不同母质发育的土壤为研究对象，利用原状土柱实验结合¹⁵N标记，监测了氮肥施用影响下土壤pH在一年时间内的动态变化。结果表明，在施肥和环境因素（土壤温度和水分）等的综合影响下，作物生长季和休耕期期间土壤中硝化作用和硝态氮淋失存在不同的驱动力。在这样的氮转化模式下，作物生长季和休耕期土壤的酸化和中和机制存在明显不同。因此，土壤pH在一年范围内呈现出明显的季节性变化（图1）。虽然在作物生长季期间（45d），土壤pH出现过显著的下降（P <0.01），但实验结束时（365d），土壤pH值与初始值并没有显著差异（P >0.05）（图1）。因此，忽略土壤中的酸化和中和体系，仅以pH为评价参数，可能会掩盖氮素输入对土壤酸化的影响，难以客观评价土壤酸化。

图1 不同土壤pH的动态变化

注：红色虚线表示施肥时间；蓝色虚线表示收获时间；Q：发育于第四纪红黏土的红壤；B：发育于玄武岩的红壤；S：发育于红砂岩的红壤。

02.

测量“看不见的”酸化

前人研究表明，酸沉降、氮转化过程和植物对阴阳离子的不平衡吸收是农田土壤中主要的H⁺来源（Hao et al., 2019；Hinsinger et al., 2003; Yang et al., 2013）。而在4.5<pH< 6.5的土壤中，盐基离子交换和粘土矿物风化是最重要的土壤酸化缓冲机制（Van Breemen et al.,1983）。为揭示亚热带农田红壤酸化的主要酸化和中和机制，Dong et al.（2021）以典型亚热带红壤为研究对象，利用原位小区实验和元素输入输出平衡的方法，计算了大气沉降和施肥影响下典型亚热带红壤酸化速率以及不同H⁺产生过程和中和过程对土壤酸化和中和的贡献。

研究结果表明，植物对阴离子和阳离子的不平衡吸收（64.4–80.5%）是导致土壤酸化的主要H⁺来源，其次是N转化过程（12.1-38.8%）和H⁺沉降（5.78-7.34%）（图2），换言之，作物收获是土壤酸化过程的重要原因。而盐基离子交换和粘土矿物风化是最主要的中和机制（84.9-91.4%），SO4^2-吸附中和了0.66-5.23%的H⁺，而 H⁺和Al³⁺淋失对土壤酸化缓冲的作用则很小（0.06-0.24%）（图2）。虽然土壤中总H⁺产生量达到2.83×10³-6.80×10³ mol ha^-1 yr^-1，但是在多种酸中和过程的缓冲下，经过两年的施肥（100-400 kg N ha^-1 yr^-1）土壤pH值并没有明显下降（P > 0.05）。然而，由于盐基离子大量参与缓冲土壤酸化，施肥处理下土壤交换性盐基离子出现显著下降，同时交换性H⁺和Al³⁺的显著上升（P < 0.05），也就是说，虽然土壤pH没有下降，土壤对酸的缓冲能力正在被消耗，表观pH下降是迟早的事。

图2 不同处理下质子（H+）产生量和消耗量

注：Plant uptake表示植物对阴阳离子的不平衡吸收；BC and weathering表示盐基离子交换和矿物风化；ANC淋失表示H⁺和Al³⁺淋失。

由此可见，如果仅以pH为评价指标，在短期内可能会使我们“看不到”土壤的酸化，从而低估了酸沉降和施肥对土壤酸化的影响。而综合考虑多种土壤酸化和中和过程，对土壤中H⁺产生量进行核算，同时结合交换性盐基和交换性酸等其他评价指标，可以帮助我们更好地揭开土壤酸化的面纱，揭秘隐藏在背后的土壤酸化过程，进而为缓解和治理农田土壤酸化提供有力的理论支撑。

相关研究近期分别发表在国际学术刊物《Science of the Total Environment》和《GEODERMA》上。博士生董岳为论文第一作者，张甘霖研究员为通讯作者。上述研究得到了中英地球关键带重大国际合作项目(41571130051)、NSFC-广东省人民政府联合集成项目（U1901601）和国家自然科学基金项目（41877010、41771251和42107334）等项目的联合资助。

论文信息：

Dong, Y., Yang, J.L., Zhao, X.R., Yang, S.H., Zhang, G.L., 2021. Contribution of different proton sources to the acidification of red soil with maize cropping in subtropical China. Geoderma 392, 114995. Doi: 10.1016/j.geoderma.2021.114995

Dong, Y., Yang, J.L., Zhao, X.R., Yang, S.H., Jan, M., Peter, D., Zhang, G.L., 2022. Seasonal dynamics of soil pH and N transformation as affected by N fertilization in subtropical China: An in situ 15N labeling study. Sci. Total Environ. 816, 151596. Doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.151596

主要参考文献：

Guo, J.H., Liu, X.J., Zhang, Y., Shen, J.L., Han, W.X., Zhang, W.F., Christie, P., Goulding, K.W., Vitousek, P.M., Zhang, F.S., 2010. Significant acidification in major Chinese croplands. Science 327, 1008-1010.

Hao, T., Zhu, Q., Zeng, M., Shen, J., Shi, X., Liu, X., Zhang, F., De Vries, W., 2019. Quantification of the contribution of nitrogen fertilization and crop harvesting to soil acidification in a wheat-maize double cropping system. Plant Soil 434, 167-184.

Hinsinger, P., Plassard, C., Tang, C., Jaillard, B., 2003. Origins of root-mediated pH changes in the rhizosphere and their responses to environmental constraints: A review. Plant Soil 248, 43-59.

Tian, D., Niu, S., 2015. A global analysis of soil acidification caused by nitrogen addition. Environ. Res. Lett. 10, 024019.

van Breemen, N., Driscoll, C.T., Mulder, J., 1984. Acidic deposition and internal proton sources in acidification of soils and waters. Nature 307, 599-604.

van Breemen, N., Mulder, J., Driscoll, C.T., 1983. Acidification and alkalinization of soils. Plant Soil 75, 283-308.

Yang, J.L., Zhang, G.L., Huang, L.M., Brookes, P.C., 2013. Estimating soil acidification rate at watershed scale based on the stoichiometric relations between silicon and base cations. Chem. Geol. 337-338, 30-37.

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责任编辑：郝芮

土壤时空