【文献解读|不同质子源对亚热带玉米种植红壤酸化的贡献】

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"文献解读"专题·第3篇

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文章信息

原名：Contribution of different proton sources to theacidification of red soil with maize cropping in subtropical China

译名：不同质子源对亚热带玉米种植红壤酸化的贡献

期刊：Geoderma

2020年影响因子：6.114

5年影响因子：6.183

在线发表：2021年2月

第一作者：董岳

通讯作者：张甘霖

第一单位：中国科学院南京土壤研究所

DOI: 10.1016/j.geoderma.2021.114995

导读

不断增加的酸沉降和高强度的氮肥施用导致了世界上许多地区严重的土壤酸化。然而，不同种植制度下土壤的酸化速率，特别是不同质子(H⁺)源对土壤酸化速率的定量贡献尚不清楚。在亚热带典型红壤上，采用不同施氮量处理(0、100、200和400 kg N ha⁻¹yr⁻¹)进行了为期2年的田间蒸渗仪试验。通过计算主要元素的输入-输出平衡，量化了不同H⁺源的途径和预算。结果表明，施肥通过增加NO₃^-和盐基阳离子(K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺)的淋溶，增加植物吸收和收获对阳离子的去除，从而显著加速土壤酸化。植物对阴、阳离子的不平衡吸收是土壤H⁺的主要来源(64.4-80.5%)。植物通过重新分配土壤中的阳离子，对土壤酸化起着重要作用。由于植物吸收和收获对阳离子的去除，高尿素氮(200和400 kg N ha⁻¹yr⁻¹)处理土壤交换性盐基离子显著减少，而3种施肥处理土壤交换性H⁺和Al³⁺显著增加。当然，氮素转化也起着重要作用(12.1%~38.8%)。而H⁺直接沉降对该区的影响相对较小(5.78%~7.34%)。量化不同来源的酸化贡献有助于制定进一步的土壤修复措施。农田管理是缓解土壤酸化的重要措施，包括增加秸秆还田和控制施肥。

重点：

• 施肥通过促进硝化作用、NO₃^-淋失和植物生长而加速土壤酸化。

• 植物通过重新分配土壤盐基阳离子库在土壤酸化中起着重要作用。

• 建议秸秆还田缓解酸性敏感土壤的酸化。

• 两年施肥显著增加了土壤交换性H⁺和Al³⁺的含量。

01

研究目的

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本研究通过在亚热带红壤上施用不同含量的氮肥，同时观测酸雨的外部输入和植物收获、淋洗的输出，来量化不同H⁺源的收支。主要目的是：

(1)确定不同H⁺源对农田土壤酸化的贡献；

(2)量化农田不同施氮处理的土壤酸化速率；

(3)评价耕作管理(包括施肥和作物)对土壤酸化的影响。

02

土壤酸化速率的计算

酸度收支是通过汇总所有H⁺产生过程(H⁺沉降、N转化和植物吸收)和H⁺中和过程计算出来的。土壤中产生的H⁺总量被定义为土壤酸化速率：

H_soil = H_D+H_N+H_U   (1)

其中H_D、H_N和H_U分别是H⁺沉降、N转化和植物吸收产生的净H⁺。通过H⁺沉降(H_D)产生的H⁺被计算为：

H_D = H⁺_in   (2)

其中H⁺_in是通过H⁺沉降直接输入的H⁺。N转化产生H⁺(H_N)的公式为：

H_N = (NH⁺_4in−NH⁺_4out)−(NO₃^-_in−NO₃^-_out)   (3)

其中NH₄⁺_in和NO₃^-_in是通过雨水和肥料输入的NH₄⁺_in和NO₃^-_in，NH₄⁺_out和NO₃^-_out是通过渗滤液输出的NH₄⁺_out和NO₃^-_out。由于不同形态氮的酸化潜力不同，分别计算了NH₄⁺和NO₃^-的输入，而计算中没有考虑溶解的有机N的输入。在这项研究中，尿素的N形态被处理为NH₄NO₃，在尿素水解完成时具有相同的酸化潜力。

通过估计植物中碱度(过剩阳离子)的浓度来计算植物吸收产生的H⁺(H_U)：

H_U = Cat_U −AN_U   (4)

其中Cat_U是植物对阳离子(K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Fe³⁺和Mn²⁺)的吸收，AN_U是植物对阴离子(限于SO₄²⁻和H₂PO₄^-)的吸收。由于没有收获根系，因此只计算了秸秆和谷物的吸收量。计算是以当量浓度为基础的。

H⁺的消耗可以用ANC来表示。因此，通过估算盐基阳离子的输入(沉降)和输出(淋溶)之间的差值，计算了盐基阳离子交换和粘土矿物风化(ANC_BC)的H⁺净消耗量：

ANC_BC = BC_out + BC_uptake – BC_in   (5)

其中BC_out是渗滤液输出的盐基阳离子，BC_uptake是植物对盐基阳离子的吸收，BC_in是通过沉降输入的盐基阳离子。

通过估算SO₄²⁻的输入(沉淀)和输出(淋洗)之差，计算了SO₄²⁻的H⁺消耗量：

ANC_S=S_in−S_uptake−S_out   (6)

其中S_in是通过沉降输入的SO₄²⁻，S_uptake是植物对SO₄²⁻的吸收，S_out是渗滤液输出的SO₄²⁻。

ANC(H⁺和Al³⁺)淋洗的H⁺消耗量(ANC_H+Al)是通过估算H⁺和Al³⁺的输出(淋洗)来计算的：

ANC_H+Al = H_out+ Al_out   (7)

式中，H_out是渗滤液输出的H⁺，Al_out是渗滤液输出的Al³⁺。

03

主要结果

从处理前后土壤化学性质的变化、通过水输入和输出的元素含量变化（H⁺；无机氮NH₄⁺-N，NO₃^--N；盐基阳离子K⁺，Ca²⁺，Na⁺，Mg²⁺）、按植物吸收计算的元素输出（作物产量、植物收获的氮素输出量、植物收获的离子输出量）、不同来源的H⁺的产生量和消耗量进行结果分析，并从H⁺沉降、氮转化、植物吸收这三个方面对土壤酸化的影响；土壤酸化的速率、酸化缓冲过程进行了讨论。主要结果如下图1-10：

图1. 采样期内雨水pH及雨量的日变化。

图2. 湿沉降中离子(H⁺，NH₄⁺-N，NO₃^--N，K⁺，Ca²⁺，Na⁺，Mg²⁺)的输入。

图3. 对照和不同氮肥处理下渗滤液的pH和H⁺的输出量。误差条表示平均值的标准误差(n=3)。

图4. 渗滤液中NH₄⁺-N、NO₃^--N输出量与施肥量的关系。

图5. 渗滤液盐基阳离子(K⁺，Ca²⁺，Na⁺，Mg²⁺)输出量与施肥量的关系。

图6. 渗滤液中NO₃^-浓度与盐基离子(K⁺，Ca²⁺，Na⁺，Mg²⁺)浓度的关系。

图7. 对照和不同氮肥处理下的作物产量。误差条表示平均值的标准误差(n=3)，条上的小写字母表示不同处理间玉米地上部分(籽粒和秸秆)产量的显著差异(P<0.05)。

图8. 对照和不同氮肥处理下植株吸收氮素的输出量。误差条表示平均值的标准误差(n=3)；条上的小写字母表示不同处理之间的显著性差异(P<0.05)。

图9. 对照和不同氮肥处理下植物吸收的离子输出量。阳离子包括K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Fe³⁺和Mn²⁺；阴离子包括SO₄²⁻和H₂PO₄⁻；误差条表示平均值的标准误差(n=3)；大写字母表示不同处理间植物吸收阳离子输出量的显著性；小写字母表示不同处理间植物吸收阴离子输出量的显著性。

图10. 对照和不同氮肥处理下不同来源的H⁺产生量和H⁺消耗量。误差条表示平均值的标准误差(n=3)。植物吸收表明植物对阴离子和阳离子的吸收不平衡；BC和风化指示盐基阳离子交换和粘土矿物风化。

04

主要结论

施氮促进了硝化作用、NO₃^-和盐基阳离子淋失以及植物吸收和收获对阳离子的清除，从而显著促进了土壤酸化。植物吸收在土壤酸化过程中起着重要作用，它通过对盐基阳离子库的重新分配来促进土壤酸化。农作物的收获最终清除了土壤中的盐基阳离子，阻碍了土壤的酸缓冲能力（土壤交换性盐基阳离子），增加了土壤潜性酸（交换性H⁺和Al³⁺），加剧了土壤酸化，表明秸秆还田有可能缓解土壤酸化。在施氮和种植的影响下，农田土壤酸化速率高于自然生态系统。3种施肥处理的土壤酸化速率分别为5.35×10³~6.80×10³ mol ha⁻¹yr⁻¹。植物对阴阳离子的不平衡吸收（64.4%~80.5%）是导致土壤酸化的主要H⁺源，其次是N转化（12.1%~38.8%）和H⁺沉降（5.78%~7.34%）。由于盐基离子交换的中和、粘土矿物的风化、SO₄^2-的吸附以及ANC（H⁺和Al³⁺）的淋溶，土壤pH没有明显下降。然而，植物吸收、收获和淋洗造成的盐基离子流失量增加，导致土壤交换性盐基离子显著减少，土壤交换性H⁺和Al³⁺显著增加。如果维持一切照常的施肥和田间管理措施，从长远来看，土壤酸化可能会严重，土壤pH值将显著下降。因此，量化不同H⁺源对土壤酸化的贡献有助于制定进一步的土壤修复措施。为缓解土壤酸化，农区应提倡增加秸秆还田、控制施肥等田间管理措施。

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参考文献：

Dong Y , Yang J L , X Zhao, et al. Contribution of different proton sourcesto the acidification of red soil with maize cropping in subtropical China[J].Geoderma, 2021, 392:114995.