澳大利亚半干旱亚热带地区土地利用管理40年后土壤硫形态演变研究

本研究针对土地利用变化导致土壤有机质减少进而影响硫循环的关键问题，通过长期定位试验结合同步辐射XANES技术，揭示了农业开发40年后土壤硫形态从氧化态向还原态转化的规律，发现耕作区全硫下降34%且酯硫酸盐-S优先流失，为贫硫土壤系统的养分管理提供了重要理论依据。

　　

在全球农业可持续发展的背景下，土壤养分管理正面临严峻挑战。作为植物必需的第四大营养元素，硫(S)在土壤中95%以上以有机形态存在，其有效性直接依赖于有机质的矿化过程。然而，随着高纯度低硫肥料的使用、大气硫沉降减少以及集约化农业生产中作物携出量增加，全球范围内土壤硫缺乏现象日益凸显。在澳大利亚半干旱亚热带地区，上世纪60年代大规模的植被开垦导致450万公顷原生林地被转为农用，这种土地利用方式的剧烈改变如何影响土壤硫的储存形态与转化路径，成为亟待解答的科学问题。

研究人员依托始于1965年的Brigalow流域长期定位试验(BCS)，采用同步辐射硫K边X射线吸收近边结构(XANES)光谱技术，对三种土地利用方式（原生桉树林地、耕作区、牧场区）下土壤硫形态演变进行了长达40年的追踪。研究团队采集1981-2022年间0-10厘米深度的土壤样品，通过XANES光谱解析了五种主要硫形态：二硫化物(G1)、硫醇/硫醚(G2)、亚砜/磺酸(G3)、磺酸盐(G4)以及硫酸酯/无机硫酸盐(G5)。

研究结果显示，土地利用转变显著降低了土壤全硫储量。至2022年，耕作区全硫含量从286 mg/kg降至178 mg/kg（降幅34%），牧场区从269 mg/kg降至223 mg/kg（降幅17%）。这种损失主要源于有机硫的消耗，其中酯硫酸盐-S(ROSO₃)的流失比例高于碳键合硫(C-S)。XANES光谱分析揭示出重要的形态转化规律：与原生林地相比，农业用地中还原态硫形态(G1+G2)比例从26%升至35%，而氧化态硫形态(G4+G5)从53%降至45%，平均硫氧化态呈现下降趋势。特别值得注意的是，火烧处理短期内会使无机硫酸盐(SO₄^2?)含量激增，但由于其易淋失特性，这种增加效应随时间逐渐减弱。

3.1. 土壤硫、有机碳和氮的时空变化

通过对比1981-2022年土壤样品发现，原生林地硫储量保持稳定，而农业区出现显著流失。耕作区有机硫减少102 mg/kg，占总硫损失的94%；牧场区有机硫减少40 mg/kg，占总损失的83%。这种硫损失与土壤有机碳(TOC)和全氮(TSN)的下降呈现同步性：耕作区TOC下降50%，TSN下降53%；牧场区TOC下降14%，TSN下降29%。提取态硫分析表明，无机硫酸盐和可溶性有机硫各占提取态硫的50%，但其总量仅占全硫的2-7%，说明土壤硫库主要以难分解有机形态存在。

3.2. 基于同步辐射XANES的土地利用硫形态分析

XANES光谱解析显示原生林地硫形态组成稳定：硫酸酯/无机硫酸盐(G5)占比33%，硫醇/硫醚(G2)占26%，磺酸盐(G4)占20%。农业用地则呈现动态变化：火烧处理后短期內G5组分增加（耕作区从30.3%升至34.2%），但长期来看还原态硫逐渐累积。至2022年，牧场区C-S:酯硫酸盐-S比值从2.1升至2.8，表明酯硫酸盐-S的优先流失。平均氧化态分析进一步证实，农业用地硫形态从+4.2向+3.8转变，反映出在贫硫环境中生物矿化过程优先利用氧化态硫库。

4.1. 原生林地土壤硫特征

原生桉树林地作为对照系统，展现了稳定的硫循环特征。尽管大气硫沉降在1990-2015年间下降2.5%，且研究点经历连续干旱年，但总硫储量保持恒定，说明成熟生态系统具有强大的硫保持能力。XANES光谱显示其硫形态组成与温带肥沃土壤显著不同，磺酸盐(G4)占比高达20%，这可能与半干旱地区有机质周转缓慢的特性相关。

4.2. 长期土地利用变化对硫的影响

农业开发导致硫损失主要通过三条途径：作物产品携出（耕作区3 kg/ha/y）、有机质矿化加速和淋溶作用。值得注意的是，硫损失比例低于碳(50%)和氮(53%)的损失，表明硫在土壤中具有更强的保存能力。与温带地区研究结论相反，本研究发现硫形态向还原态转化，这可能是因为在贫硫环境中，微生物优先矿化易分解的酯硫酸盐-S，导致还原态碳键合硫相对富集。

4.3. 硫输入输出平衡评估

定量分析表明，耕作区硫收支呈现负平衡：大气硫输入仅0.5-1 kg/ha/y，而作物携出达3 kg/ha/y。硫亏空由有机硫矿化补充，早期矿化速率达6.8 kg/ha/y（1983-1997年），后期降至0.1 kg/ha/y（1997-2022年）。这种矿化速率的急剧下降与土壤有机质耗竭直接相关，解释了为何农业生产力在开垦20年后下降20%。

该研究通过先进的光谱技术揭示了半干旱生态系统硫循环的独特规律，证明土地利用变化不仅导致硫储量减少，更引发硫形态组成的根本性改变。研究结果对全球类似气候区的农业管理具有重要启示：首先，强调有机质管理对硫可持续利用的关键作用；其次，揭示酯硫酸盐-S库的脆弱性，提示需要优化硫肥施用策略；最后，建立的硫形态转化模型为预测土壤肥力演变提供了新思路。随着全球气候变化加剧，这种基于分子形态的养分管理研究将为构建韧性农业系统提供科学基础。