长期施用牛粪重建表土缓冲容量并缓解软土中肥料诱导的酸化

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Long-term cattle manure application rebuilds topsoil buffering capacity and mitigates fertilizer-induced acidification in Mollisols

　　

长期施用合成肥料导致的土壤酸化威胁着农业的可持续性。研究人员调查了长期施用牛粪缓解高有机质软土中肥料诱导酸化的潜在机制。土壤样本取自一项长达十年的田间试验，包含四种处理：无肥料、仅施用合成肥料、以及合成肥料配施15 (CFM) 和 30 Mg ha^-1 (CFM2) 的牛粪。研究人员对2021年和2022年采集的0至40 cm深度样本进行了分析，测定了土壤pH值、pH缓冲容量、交换性H⁺和Al³⁺、阳离子交换量（CEC）、交换性盐基阳离子，及其对模拟酸化的响应。持续施用合成肥料降低了0–20 cm耕层土壤的pH值和pHBC，增加了交换性Al³⁺，并消耗了交换性盐基阳离子。在0–10 cm土层中，CFM2处理使土壤pH值升至接近中性，2022年比CF处理高出1.91个pH单位。交换性Al³⁺从CF处理下的约0.19 cmol kg^-1分别降至CFM和CFM2处理下的0.09和0.04 cmol kg^-1。NoF处理未能将土壤pH值恢复至初始水平。配施牛粪以剂量依赖性方式增加了土壤pH值、pHBC、CEC以及交换性K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺。在模拟酸化条件下，土壤抗性表现为CFM2 > CFM > NoF > CF。CFM2处理下的初始交换性盐基阳离子库比CF处理大约20%，从而提供了更大的质子中和库。这些效益主要局限于0–20 cm耕层。总体而言，施用牛粪通过重建交换性盐基阳离子库和增强土壤缓冲容量，有效缓解了合成肥料诱导的酸化。

土壤酸化是一个自然进程，但人类活动特别是合成肥料的过度使用，通过释放质子并消耗盐基阳离子显著加速了这一过程，导致全球土壤退化及作物减产。增强土壤pH缓冲容量（pHBC）被认为是直接缓解酸化的有效途径。在天然低肥力土壤中，施用有机肥能提升pHBC，但在高有机质含量的软土中，牛粪能否通过强化内在缓冲机制而非仅靠短期化学中和来缓解酸化，仍存在机制上的知识空白。因此，研究人员开展了这项研究，探究长期施用牛粪重建盐基阳离子库和缓冲容量的机制。结论指出，长期施用牛粪有效缓解了化肥诱导的酸化，这对于高投入农业系统的可持续管理具有重要意义，该论文发表在《Agriculture, Ecosystems 》。

样本队列来源于中国黑龙江省海伦市光荣村的长期田间试验（2012–2022）。该地区为温带季风气候，土壤分类为高有机质软土。试验设置无肥料、合成化肥、配施15和30 Mg ha^-1牛粪四种处理，在0–40 cm分四层取样。研究人员采用酸碱滴定曲线法测定pHBC；通过室内模拟酸化实验分析交换性盐基阳离子释放与再分配；利用1 M NH₄OAc法和1 M KCl提取测定阳离子交换量（CEC）和交换性酸度；利用离子平衡法计算地上部净质子负荷；并使用主成分分析（PCA）等统计方法评估变量关系。

土壤pH和交换性酸度
通过田间采样测试发现，连续施用合成肥料显著降低了0–20 cm耕层的土壤pH并增加了交换性Al³⁺，而牛粪配施有效抑制了Al³⁺的活化并提升了pH值，且该效应随深度增加而减弱。

CEC和交换性盐基阳离子
通过化学提取分析表明，牛粪施用显著增加了0–10 cm土层的CEC及交换性K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺含量，但在20–40 cm底层土壤中无显著差异。

土壤pH与交换性阳离子的关系
通过线性回归分析得出，土壤pH与交换性H⁺和Al³⁺呈显著负相关，而与Ca²⁺、Mg²⁺和Na⁺等主要交换性盐基阳离子呈显著正相关。

施用牛粪增强土壤pHBC
通过模拟酸化实验得出，牛粪处理下的土壤具有更高的pHBC，且维持了更大的交换性盐基阳离子库（以Ca²⁺为主）。土壤对酸化的抗性依次为CFM2 > CFM > NoF > CF，且此优势在0–20 cm耕层最明显。

施用牛粪增强土壤养分库和有效性
通过土壤养分测试显示，牛粪施用显著提升了Olsen-P和有效K含量，增加了全碳、全氮和全磷浓度；而合成化肥处理的低pH环境抑制了硝态氮（NO₃^--N）的积累。

基于离子平衡的地上部净质子负荷
通过计算作物吸收移除的质子负荷发现，牛粪处理增加了作物地上部净质子负荷，主要归因于生物量增加及K⁺等阳离子积累带走了更多电荷。

土壤性质之间的相互关系
通过Pearson相关和PCA分析得出，牛粪处理组与较高的pH、CEC及盐基阳离子关联，而化肥处理与交换性酸度相关，此处理间的区分随深度增加而消失。

土壤pHBC和酸中和响应
综合分析表明，尽管牛粪处理增加了作物收获移除相关的净质子负荷，但0–20 cm耕层土壤仍因缓冲系统的强化而维持了较高的pH和酸中和能力。

讨论部分总结
长期施用合成肥料释放H⁺导致盐基阳离子耗竭，其中交换性Al³⁺是比H⁺更敏感的酸化指标。停止施肥不能恢复土壤pH，因为作物收获移除阳离子会持续驱动酸化。牛粪虽然增加了作物收获移除的质子负荷，但同时通过提升土壤有机质（SOM）的可变电荷容量、直接添加盐基阳离子及增强阳离子交换，显著扩大了质子中和库。即使在软土这种高有机质土壤中，施用牛粪同样能通过有机与无机机制协同作用，有效缓解化肥诱导的酸化，但效益主要局限于0–20 cm耕层。

结论部分翻译
长达十年的田间试验表明，在高有机质软土中，集约化合成施肥驱动了显著的表土（0–20 cm）酸化，表现为土壤pH下降和以Al³⁺为主的交换性酸度增加。无肥料处理仅部分恢复了表土pH，并未使其恢复至初始水平，这表明在秸秆移除条件下，当盐基阳离子通过作物收获持续移除时，酸化仍会持续。相反，长期配施牛粪以剂量依赖性方式有效缓解了肥料诱导的酸化并提高了表土pH。这一改善由更强的土壤化学韧性支撑，表现为更高的pHBC和对模拟酸化的更大抗性。在机制上，牛粪施用重建了交换性盐基阳离子库（K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺）并强化了阳离子交换特性，从而在加酸过程中扩大了质子中和池。尽管牛粪的翻混仅限于耕层，但这些效应显著限制了管理表土内的酸化。基于作物的离子平衡计算进一步表明，牛粪施用增加了盐基阳离子的吸收和移除；然而，这种增加的生物学酸化压力并未转化为更低的土壤pH值，因为土壤缓冲系统得到了同步强化。牛粪施用抵消酸输入的能力主要局限于0–20 cm耕层，对底土的作用有限。总体而言，研究结果表明，在这种软土及类似管理条件下的高有机质土壤中，牛粪是一项有效的管理措施，它通过重建交换性盐基库和增强缓冲容量，在高投入种植系统中维持了土壤pH的稳定性。