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FASE 亮文解读：基于优化氮肥管理的土壤酸化阻控策略 |
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论文标题：Mitigation strategies for soil acidification based on optimal nitrogen management
期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering
作者：Pengshun WANG, Donghao XU, Prakash LAKSHMANAN, Yan DENG, Qichao ZHU, Fusuo ZHANG
发表时间：15 Jun 2024
DOI： 10.15302/J-FASE-2024562
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耕地保育与产能提升
Soils for Food Security
专 辑 文 章 介 绍
· 第二篇 ·
▎论文ID
Mitigation strategies for soil acidification based on optimal nitrogen management
基于优化氮肥管理的土壤酸化阻控策略
发表年份：2024年
第一作者：王朋顺
通讯作者：徐东昊，朱齐超
邮箱：dominic.xu@foxmail.com, qichaozhu@126.com
作者单位：中国农业大学资源与环境学院，国家农业绿色发展研究院
Cite this article :
Pengshun WANG, Donghao XU, Prakash LAKSHMANAN, Yan DENG, Qichao ZHU, Fusuo ZHANG. Mitigation strategies for soil acidification based on optimal nitrogen management. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(2): 229–242 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024562
· 文 章 摘 要 ·
土壤酸化是全球粮食生产面临的严重制约因素。本文探讨了土壤酸化的主要成因，重点关注氮肥的作用，并提出了基于优化氮肥管理的阻控策略。自然酸化主要由弱酸淋溶引起，受气候和土壤条件影响，而人为酸化则主要由过量施用氮肥、硝酸盐淋溶和作物收获移除碱性阳离子引起。此外，低土壤酸缓冲能力也会加速酸化过程。本文针对不同土壤酸化阶段提出针对性的阻控策略，强调了弱酸性土壤降低土壤酸化速率和补充盐基离子的重要性，有效的阻控措施包括优化氮肥用量和形态，调节氮转化过程，通过土壤–作物综合管理优化土壤酸化阻控与土壤缓冲能力提升。
· 文 章 亮 点 ·
1. 土壤酸化取决于质子的产生和土壤的缓冲能力。
2. 农田土壤酸化主要由人类活动引起。
3. 氮转化是人为土壤酸化的主导因素。
4. 基于酸化程度和速率构建差异化管理策略以有效应对农田土壤酸化。
5. 优化氮肥用量和氮形态是减缓土壤酸化的有效措施。
· Graphical abstract ·
· 研 究 内 容 ·
▎引言
土壤对陆地生态系统至关重要。然而，全球约33%的耕地处于中度至高度退化状态，土壤酸化是主要类型之一。土壤酸化会限制作物生长，降低磷和阳离子有效含量，活化有毒的铝和锰，并增强重金属的有效性，对作物和动物产生负面影响，进而影响食品质量和人类健康。
▎土壤酸化的原因与过程
1. 土壤酸化的原因
土壤酸化的原因多样，主要包括自然酸化、大气酸沉降、酸性肥料使用和作物吸收等。自然条件下，弱酸性阴离子的解离会释放H+，导致土壤酸化，这在湿润森林生态系统中尤为显著。然而，人类活动如燃烧化石燃料、施用酸性肥料及作物收获等大大加速了酸化过程。农业上，氮肥的过量施用，特别是铵基肥料，显著加速了土壤酸化。同时，作物在吸收养分过程中，为了电荷平衡会释放H+，不同作物引起的土壤酸度变化有所不同，其中豆类作物的酸化潜力较高。
2. 土壤酸化的主要过程
在土壤–植物体系中，养分转化和元素循环会产生质子或氢氧根离子 (与H+的消耗相当)。其中最重要的元素包括碳、氮、阳离子 (碱性阳离子和Al3+)，以及阴离子 (H2PO4–、SO42–和Cl–)，相关过程详见表1。
表1 碳、氮、阳离子和阴离子循环中H+产消过程的一些反应方程
▎农田土壤酸化的主要因素
1. 施用化肥
氮肥施用是土壤酸化的重要因素。中国作为全球最大氮肥消费国，其利用率却低于50%，导致大量氮流失。20世纪80年代至2000年，中国农田氮肥过度施用使主要农田土壤pH值下降0.5个单位，酸化速度快于欧洲森林但类似于澳大利亚农田。全球范围内，氮添加使土壤pH平均下降0.26。氮肥通过扰动土壤–植物系统的氢离子循环加剧土壤酸化，其中氮的形态起关键作用。氮的转化和NH4+、NO3–的吸收均影响酸化过程 (图1)。铵态氮肥因硝化过程和NO3–淋溶具有高风险。1 mol NH4+硝化形成1 mol NO3–产生2 mol H+，若NO3–被植物吸收则释放1 mol OH–。在沙质土壤中，NH4+的硝化和NO3–淋溶对土壤酸化的影响尤为显著。
图1 与土壤酸化相关的氮转化过程。
相比铵态氮肥，液氨和尿素的酸化能力较低，因其转化为NH4+时消耗等摩尔量的H+。有机肥中的氮形态与尿素类似，但其碱度较高，可缓解土壤酸化。硝态氮肥不产H+，植物吸收NO3–会释放等量OH–，具备提升土壤pH的能力。一般来讲，氮肥类型的酸化能力排序为：铵态氮肥>非电荷氮肥>硝态氮肥。长期定位实验证明氮肥类型影响土壤酸化，如150年的Park Grass实验中，硫酸铵降低土壤pH 1.7个单位，而硝酸钠提升0.7个单位。最近研究指出，中国农田超过55.1%的H+产生可归因于氮肥。氮肥对中国土壤酸化贡献大，主要因为施用量超出作物需求。
2. 作物收获和残留物管理
植物导致土壤酸化有两方面原因：一是过量吸收阳离子产生净H+排放，二是收获作物时移除了盐基离子，降低了土壤酸缓冲能力。植物吸收阳离子时会伴随吸收阴离子，植物分解时会释放羟基离子以中和产生的H+。理论上，若不考虑转化损失，将植物整株归还土壤不会对土壤造成酸化，因为阳离子流失，只有碳输入。这样可以增加土壤有机碳和阳离子交换量，提升土壤缓冲力。持续收获移除会导致土壤永久酸化，且影响随生物量增加而增强。
3. 土壤酸缓冲能力
土壤酸化受土壤自身缓冲能力影响，母质矿物、土壤类型、土壤有机质 (SOM) 含量是重要决定因素。母质差异导致土壤特性不同，进而影响缓冲能力和酸化过程。石灰性土壤的缓冲能力依赖于碳酸盐含量。高阳离子交换量 (CEC) 意味着强酸缓冲能力。土壤质地、粘土矿物组成与酸缓冲能力紧密相关，砂质土壤易导致阴离子淋失，加剧酸化。
▎基于优化氮肥管理的土壤酸化阻控策略
1. 土壤酸化分类治理方案
氮肥是加剧土壤酸化的重要因素，因此本文提出优化氮肥管理的策略来阻控土壤酸化，根据酸化速率、土壤缓冲能力及土壤pH值制定方案，并通过优化土壤–作物管理，降低酸化速度、提升土壤缓冲能力并减少酸化危害。在pH值高于6.5的土壤中，土壤酸化影响较小，但长期酸化可能耗尽碳酸盐缓冲物质，因此定期监测土壤质量和pH值对避免酸化风险很重要。在pH值5.5–6.5的微酸性土壤中，酸化会导致土壤肥力下降，需采取措施降低酸化速率并补充盐基离子。当土壤pH值低于5.5时，酸化会降低作物产量，应通过施用碱性物质提高土壤pH值或选择耐铝作物，同时优化氮肥使用和提高土壤缓冲能力以保证可持续生产。
2. 优化养分管理阻控土壤酸化
中国南部近半农田呈强酸性。若维持目前的养分投入水平，到2050年因土壤酸化导致的粮食产量损失将达全国总产量的16%以上。氮循环是土壤酸化的主因，因此需采取基于氮素调控的养分管理措施，如优化氮肥施用量和形态、管理氮素转化及实施综合土壤–作物系统管理，以阻控酸化。
优化氮肥施用量。应根据作物需求调整氮肥用量，以提高氮素利用效率。荟萃分析显示，减少氮肥投入可有效减缓土壤酸化。田间试验也表明优化氮肥施用可降低酸化速率。
优化氮肥形态。研究显示，硝态氮肥能提高根际土壤pH值。因此，在旱地作物可使用硝态氮肥，减少铵态氮肥投入，以降低土壤酸化。有机肥能提高土壤酸缓冲能力，部分替代化肥可有效阻控土壤酸化。此外，联合施用尿素和生物炭，或使用缓释肥，也可阻控土壤酸化。
管理氮转化过程。硝化过程产生H+，导致土壤酸化。使用硝化抑制剂可阻控硝化作用，减少NO3–淋溶。在特定土壤中，脲酶抑制剂、硝化抑制剂和生物炭配施可减少NH3挥发、N2O排放和N浸出损失。
土壤–作物系统综合管理。建议精准施肥与田间管理结合，以提高肥料利用率并阻控农田酸化。如，化肥深施、精准施肥与优化管理结合，可减少化肥使用量，提高养分利用率和产量，减少损失进而阻控土壤酸化。
· 结 论 ·
土壤酸化是全球粮食生产和人类健康的重要威胁之一。自然酸化由碳酸氢根和有机酸伴随盐基离子的净淋失引起，受降水影响较大。但人类活动，如过量施氮和作物持续移除盐基离子，大大加剧了农田土壤酸化。针对不同pH值土壤，本文提出了相应的酸化阻控策略。pH>6.5的土壤酸缓冲能力强，需长期监测土壤碳酸盐含量和pH值。pH<5.5的强酸性土壤可能面临铝毒风险，需提高pH值以确保作物正常生产。pH5.5–6.5范围内土壤对酸投入最为敏感，需降低酸化速率并增强土壤酸缓冲能力。优化氮肥管理是维持作物生产最佳pH值的核心，具体包括优化氮肥施用量，管理氮形态，优化氮转化过程，以及土壤–作物系统综合管理。这些策略可减少硝酸盐淋失、降低盐基离子损失，减少氮转化产生的氢离子，从而协同实现土壤酸化阻控、作物生产与污染减排，促进农业可持续生产。
【作者及团队介绍】
团队围绕“土壤–环境–政策”中的重要科学问题，主要开展区域尺度农田土壤酸化定量、土壤酸化模型模拟、土壤酸化与生态环境危害耦合机制、区域农业绿色发展研究等领域的科学研究。近年来，研究团队在土壤酸化领域建立了农田土壤酸化的定量评估方法，揭示了森林和农田生态系统的土壤酸化原因；预测了未来我国典型农业种植体系土壤酸化趋势以及对我们粮食安全的影响，提出了有机肥替代化肥的农田土壤酸化改良方法，在领域主流期刊发表高水平论文30余篇。在区域农业绿色发展领域，参与中国工程院战略咨询项目，多项研究成果获中央和省部级领导肯定性批示。
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