來源：土壤時空
提到“酸化”，人們首先想到的往往是酸沉降和土壤酸化。上世紀70年以來，随着經濟的迅速發展和城市化的不斷推進，我(wǒ)國大(dà)氣酸沉降逐年增加，當前，我(wǒ)國已成爲繼北(běi)美和歐洲之後的世界第三大(dà)酸沉降集中(zhōng)分(fēn)布區（Galloway et al., 2008; Liu et al., 2013）。而日益增加的酸沉降則導緻了森(sēn)林和草地等自然生(shēng)态系統嚴重的土壤酸化問題（Yang et al., 2012; Zhang et al., 2022）。除對土壤的影響之外(wài)，嚴重的大(dà)氣N、S沉降也會導緻地表水系統中(zhōng)N、S輸入量和運移量的增加（Duan et al., 2016）。研究表明，從1990s-2010s，中(zhōng)國内陸水域的N沉降輸入量從122.26 Gg N yr−1增長到了237.75 Gg N yr−1（Gao et al., 2019）。
那大(dà)量的酸沉降輸入地表水系統，會引起地表水的酸化嗎(ma)？Yu et al.（2017）對全國範圍内255個樣點的調查結果表明，在中(zhōng)國，地表水酸化并不是一(yī)個嚴重的問題，僅有少量的地表水pH低于6.0。但是，地表水沒有發生(shēng)酸化是否代表着酸沉降對水域周邊的生(shēng)态系統沒有産生(shēng)影響呢?
爲探究我(wǒ)國亞熱帶農業流域的酸化狀況，近期，Dong et al.（2022）以典型亞熱帶農業流域——紅壤關鍵帶（RSCZO）爲研究對象，基于對流域系統内主要輸入輸出源的定期監測，對流域系統内主要元素的輸入輸出平衡和以及不同質子（H+）産生(shēng)過程和中(zhōng)和過程對土壤酸化和中(zhōng)和的貢獻進行了量化（圖1）。
圖1 紅壤關鍵帶
流域“酸化”了嗎(ma)？
兩年的監測結果表明，雖然流域内雨水的平均pH僅爲4.63，且超過90%的雨水爲酸性（pH<5.6），但流域入口和出口處的地表水卻均爲中(zhōng)性（入口和出口處平均pH分(fēn)别爲7.34和6.93）。這表明流域内大(dà)量的N肥施用（320 kg N ha-1 yr-1）和嚴重的酸沉降并未導緻地表水的明顯酸化。
但對流域内主要元素輸入輸出平衡的計算結果表明，RSCZO流域内存在明顯的NO3-淨流失（2945 molc ha-1 yr-1，圖2）同時伴随鹽基離(lí)子的大(dà)量淨流失（3842 molc ha-1 yr-1，圖2）。通過與亞熱帶紅壤風化速率的對比（230-1080 molc ha-1 yr-1，Duan et al., 2002），我(wǒ)們發現RSCZO的鹽基離(lí)子庫處于淨虧損狀态（2762-3612 molc ha-1 yr-1）。如果維持當前的虧損速率，20年後，RSCZO的土壤鹽基飽和度将會下(xià)降23-32%。
圖2 紅壤關鍵帶内主要元素負荷
注：正值和負值分(fēn)别表示淨輸入和淨輸出；未考慮植物(wù)對NH4+、NO3-和H+的吸收。
流域爲什麽“酸化”了？
由于流域内大(dà)量的N肥施用和植物(wù)收獲，RSCZO的總H+産生(shēng)量（5152 molc ha-1 yr-1）遠大(dà)于大(dà)部分(fēn)自然生(shēng)态系統（圖3）。N轉化過程（12.1-38.8%）是流域酸化的主要驅動力（68%），而H+沉降的直接貢獻則較小(xiǎo)（7%）。由于稭稈還田，植物(wù)對陰離(lí)子和陽離(lí)子的不平衡吸收對酸化的貢獻（24%）略低于我(wǒ)們在土柱模拟實驗中(zhōng)的研究結果（Dong et al., 2021）。與此同時，我(wǒ)們發現，流域内水田的酸化速率顯著低于旱地和果園（圖3）。這表明稭稈還田和輪作在緩解酸敏感土壤酸化問題上可能能起到重要的作用。
在5.0<pH<6.5的土壤中(zhōng)，鹽基離(lí)子交換和礦物(wù)風化是最爲重要的酸緩沖機制（Van Breemen et al.,1983, 1984）。因此，由于流域内大(dà)量的H+産生(shēng)，流域内土壤的鹽基離(lí)子會參與到酸化中(zhōng)和過程中(zhōng)，研究結果表明，鹽基離(lí)子交換和粘土礦物(wù)風化是流域内最重要的中(zhōng)和機制（75%，圖3）。這也直接導緻了RSCZO内鹽基離(lí)子庫的淨虧損（圖2）。而鹽基離(lí)子的損耗勢必會增加流域的脆弱性并延緩流域從酸化中(zhōng)的恢複，也遲早會導緻流域内土壤pH甚至地表水pH的表觀下(xià)降。
圖3 紅壤關鍵帶内H+産生(shēng)速率和消耗速率
注：圖中(zhōng)數值單位均爲molc ha-1 yr-1；紅色表示H+産生(shēng)速率；藍(lán)色表示H+消耗速率；BC and Weathering表示鹽基離(lí)子交換和礦物(wù)風化；HD、HN和HP分(fēn)别表示沉降、N轉化和植物(wù)對陰陽離(lí)子的不平衡吸收産生(shēng)的H+；HP-U、HP-O和HP-P分(fēn)别表示旱地、果園和水田的HP産生(shēng)量；ANCBC、ANCH+Al和ANCS分(fēn)别表示鹽基離(lí)子交換和礦物(wù)風化、H+和Al3+淋失以及SO42-吸附消耗的H+。
由此可見，雖然酸沉降和施肥并未導緻我(wǒ)國内陸流域地表水的明顯酸化，但間接導緻的鹽基離(lí)子損耗極大(dà)地消耗了流域的鹽基離(lí)子庫，削弱了流域的酸緩沖能力。長久來看，持續的H+輸入和鹽基離(lí)子流失可能會導緻更爲嚴重的土壤酸化和Al毒等問題。
相關研究近期發表在國際學術刊物(wù)《Science of the Total Environment》上。博士生(shēng)董嶽爲論文第一(yī)作者，張甘霖研究員(yuán)爲通訊作者。研究得到了NSFC-河南省人民政府聯合集成項目（U1901601）和國家自然科學基金項目（41877010、41771251和42107334）等項目的聯合資(zī)助。
論文信息：
Dong, Y., Yang, J.L., Zhao, X.R., Yang, S.H., Jan, M., Peter, D., Zhang, G.L., 2022. Soil acidification and loss of base cations in a subtropical agricultural watershed. Sci. Total Environ. 827, 154338. Doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.154338
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