基于养分管理的吉泰盆地红壤旱地酸化速率多情景对比

《Agronomy》：Multi-Scenario Contrasts in the Acidification Rate of Red Soil Dry Land in the Jitai Basin Based on Nutrient Management

　　

随着集约化农业的扩张，土壤酸化已成为制约全球农业生产力提升的关键因素。因此，在当前土壤条件下比较不同管理情景下的酸化速率，并据此制定区域治理方案，对于保障粮食安全至关重要。本研究以吉泰盆地红壤旱地为对象，基于养分平衡法定量化了酸化速率，并在当前土壤条件下评估和比较了多种养分管理情景下的土壤酸化速率。结果表明：作物收获移除和氮肥投入是导致红壤旱地酸化的主要驱动因素；氮肥过量施用加速了土壤酸化；定期撒施石灰是缓解酸化的最有效情景；全氮、土壤有机质、阳离子交换量、土壤pH和土壤类型主导了土壤酸化速率的空间分布；土壤总酸化速率和实际酸化速率呈同心环状格局，中心区和边缘区较高、中间环带较低，而潜在酸化速率呈现“西高东低”的梯度分异。通过整合多情景结果，研究区被划分为四个酸化防控等级区。建议未来红壤旱地酸化治理中优化施肥管理，并适当提高作物收获残余物还田比例；对酸化严重区域可采取撒施石灰的策略。

红壤旱地酸化是集约化农业发展背景下全球农业生产力的重要制约因素。已有研究表明，过量氮肥投入和酸沉降是加速土壤酸化的主要人为驱动力，而土壤酸化不仅抑制作物生长，还通过养分流失和重金属活化降低土壤肥力，威胁粮食安全与农业可持续性。当前研究多在样地尺度定量酸化速率，较少将质子收支与土壤属性的空间异质性耦合，难以明确酸化最严重的区域及其主导因子；多情景管理比较也较少转化为区域尺度的酸化治理分区。针对上述不足，研究人员选取我国南方典型红壤丘陵盆地——吉泰盆地为研究区，基于H+预算方法定量评价红壤旱地酸化速率及其主导因素，比较当前土壤状态下多种养分管理情景的酸化速率并分析其空间分布格局，进而制定因地制宜的区域酸化治理方案，为区域尺度酸化精准防控提供依据。

研究人员通过2023–2024年田间调查与采样，在吉泰盆地筛选出2009–2024年间未发生土地利用变化且有作物种植记录的旱地地块作为评价单元，共记录184个调查样点，涵盖作物类型、产量、秸秆还田比例、肥料种类与施用量等信息。基于电荷平衡和养分平衡原理，计算主要阴阳离子（K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、H₂PO₄^?、SO₄^2?、Cl^?、NH₄⁺、NO₃^?、HCO₃^?）的输入与输出，量化总酸化速率（H_tot）、实际酸化速率（H_act）和潜在酸化速率（H_pot）。设计了当前情景（CS）、维持现状（MCS）、增施氮肥（IANF）、优化施肥（OFA）、秸秆还田（ST）、施用石灰（LA）和硝化抑制（DN）七个管理情景。采用地理探测器筛选环境协变量，利用随机森林（RF）模型结合五折空间交叉验证进行酸化速率空间制图，并依据H_tot、H_act和H_pot三维度渐进式交叉评价划分酸化防控区。

研究结果如下：（1）酸化速率及其影响因素：氮素过程和作物收获移除过程是红壤旱地酸化的两个主要来源，平均产酸量分别为2.21 keq·ha^?1·yr^?1和2.88 keq·ha^?1·yr^?1。芝麻地总酸化速率和实际酸化速率最高，分别为7.50 keq·ha^?1·yr^?1和6.51 keq·ha^?1·yr^?1；油菜地最低。化学肥料施用对油菜酸化速率贡献达58.39%，而作物收获移除对芝麻、花生和甘薯的贡献分别为44.66%、138.70%和75.25%，是主要驱动因子；有机肥施用贡献为负，可缓解酸化。（2）多情景比较：与当前情景相比，增施氮肥使酸化速率从4.09 keq·ha^?1·yr^?1升至4.38 keq·ha^?1·yr^?1；优化施肥、秸秆还田、硝化抑制和施用石灰均不同程度降低酸化速率，其中石灰施用情景下总酸化速率和实际酸化速率均转为负值（?1.62和?2.23 keq·ha^?1·yr^?1），效果最显著。秸秆全量还田情景使酸化速率降低68.1%，实际酸化速率降低82.09%。（3）空间分布主导因子：地理探测器筛选出全氮（TN）、土壤有机质（SOM）、阳离子交换量（CEC）、土壤pH和土壤类型为酸化速率空间分布的主导因子。随机森林模型对H_tot、H_act和H_pot预测的R²分别为0.766、0.701和0.724，精度良好。（4）空间格局：各情景下总酸化速率和实际酸化速率呈同心环状格局，中心区和边缘高、中间环带低；潜在酸化速率呈“西高东低”梯度分异。（5）酸化防控分区：研究区被划分为应急治理区（占6.57%）、短期恢复区（占51.09%）、长期防控区和持续监测区。应急治理区主要位于盆地中心，受高实际和潜在酸化速率双重驱动；短期恢复区围绕应急治理区分布，以实际酸化问题为主；长期防控区分散于南部及东西缘，潜在酸化风险较大；持续监测区集中于北部和西部边缘，酸化速率较低。

讨论部分指出，作物收获移除和氮输入是红壤旱地酸化的主要酸化源，六种管理措施减缓酸化的效果排序为：施用石灰>秸秆还田>优化施肥>硝化抑制>维持现状>增施氮肥。氮肥过量施用通过铵态氮硝化释放H⁺加速酸化；优化施肥减少氮肥比例并增加有机肥，既减少铵态氮输入又补充盐基离子；秸秆还田利用残余物中的盐基离子中和酸性物质，在酸性土壤上升pH效果更明显；石灰直接外源调节土壤pH，可逆转酸化过程，但需注意粉尘污染、土壤板结和酸反弹风险。空间分布上，TN通过驱动硝化产酸加剧酸化，而SOM和CEC通过吸附H⁺增强缓冲能力缓解酸化；pH通过调节硝化作用影响酸化速率；不同土壤类型因成土过程和性质差异导致酸化速率差异，紫色土因富含碳酸钙等盐基物质而酸化较慢，红壤因脱硅富铝化作用显著而酸化较快。治理分区方面，应急治理区应及时撒施石灰、生物炭等改良剂并严格限制高氮磷硫肥料；短期恢复区需阻断酸化源、优化氮肥形态并增施有机肥；长期防控区应种植耐酸作物、通过轮作改善土壤结构；持续监测区以维持现状并加强农民酸化意识培训为主。研究局限在于仅基于2023–2024年单期调查数据，缺乏多年连续观测，且H⁺预算参数为单一最优估计值，未能进行正式的不确定性分析，未来需开展逐年田间调查并获取多年代表性数据以完善时间动态评估。

研究结论：通过量化吉泰盆地红壤旱地主要作物的土壤H⁺收支，明确了不同作物间酸化速率存在差异，作物收获移除是酸化速率的主要贡献者。情景模拟表明增施氮肥会加速酸化，施用石灰是缓解酸化的最显著措施。空间分布上，TN、SOM、CEC、土壤pH和土壤类型是造成酸化速率空间异质性的显著影响因素。总酸化速率和实际酸化速率总体呈同心环状格局，潜在酸化速率呈“西高东低”梯度分异。基于多情景并结合酸化速率空间分布特征，划分了红壤旱地酸化防控分区。建议未来酸化治理中同时考虑实际酸化与潜在酸化风险，及时优化调整氮肥形态，改善土壤结构，种植耐酸作物，并在酸化严重区域定期撒施石灰以缓解酸化问题。