在短期淹水排水条件下，有机物料中有机还原性物质的氧化有助于酸性旱地土壤 pH 值升高

《Soil and Tillage Research》：Oxidation of organic reducing substances from organic materials contributes to pH elevation in acidic dryland soils under short-term flooding-drainage

　　**摘要**- 短期淹水-排水使酸性土壤pH值提高了多达1.21个单位。- 在实验室条件下，绿肥使土壤交换态Al降低了98.4%。- 田间应用的毛叶蔓豆使交换态Al降低了多达49.8%。- O?还原与有机还原物质（ORS）氧化的耦联消耗了H?，抑制了土壤pH值的下降。- FT-ICR MS揭示了木质素类和芳香族类ORS的选择性氧化。**引言**酸性土壤占全球潜在可耕地的40–50%（Kochian等，2015）。全球pH值低于5.5的土壤面积达到3950万公顷（Liu等，2023）。集约化农业耕作和化学氮肥的过量使用显著加速了土壤酸化过程（Bolan等，1991；von Uexküll和Mutert，1995；Hajkowicz和Young，2005；Guo等，2010；Bian等，2013；Cai等，2014）。铝（Al）毒性是酸性土壤中的一大胁迫因子，被认为是仅次于干旱的全球第二大作物非生物胁迫（von Uexküll和Mutert，1995；Yang等，2013）。土壤酸化会导致Al从固相迁移至土壤溶液中。特别是当pH值降至5.5以下时，大量Al3?被释放到土壤溶液中，对作物生长造成严重危害，并对农业生产和生态安全构成重大威胁（Li等，2022；Ma等，2024；Silva等，2025；Zhang等，2025）。因此，开发合理有效的策略以缓解土壤酸化，对于实现中国和全球农业的可持续发展、恢复生态功能具有重要的现实意义。酸性水稻土在淹水与排水循环期间，其pH值和氧化还原电位（Eh）会发生周期性变化。淹水期间，土壤pH值倾向于向中性升高，而排水期间则回落至接近初始的土壤pH值。相反，Eh呈现相反的变化规律，淹水期间下降，排水期间上升。Zarate Valdez等（2006）将排水后的pH值下降归因于硝化作用，而将淹水条件下的pH值升高归因于反硝化作用。Sun等（2007）认为，还原条件下pH值的上升是由于厌氧微生物呼吸所致。然而，这些假说往往缺乏有力的实验支持。通常认为，淹水期间pH值的升高主要是由于铁、锰氧化物和硫酸盐的厌氧还原，这些过程会消耗质子（Lu等，2022）。厌氧条件促使这些无机化合物被有机物厌氧分解所产生的有机还原剂所还原。相反，排水并供氧后，无机还原物质（如Fe2?、Mn2?、S2?）的氧化会产生质子，导致土壤pH值下降。还原物质是一类具有不同还原强度的化合物的复杂混合物，其特征是在氧化还原反应中具有提供电子的能力。它们可分为还原性无机物质（如Fe2?、Mn2?、S2?），这些是相应氧化物和硫酸盐还原的产物，以及有机还原物质（ORS）。后者由一类化学活性多样的成分组成，能够 readily 提供电子，在土壤氧化还原反应中充当主要的电子供体，这些反应主要发生在水稻土的淹水与排水循环期间。以往关于ORS的研究主要集中在其分子量分布、电化学分级，以及其与土壤组成物质的吸附和氧化还原反应上（Wu和Ding，1991；Wu和Ding，1992；Wu和Ding，1996；Ding，1995；Li等，2008；Chen等，2016），而对其氧化过程中伴随的土壤酸度变化关注较少。Ma等（2010）的研究表明，旱地土壤（源自第四纪红黏土）转化为水稻田后，土壤pH值随水稻种植年限的延长而逐渐升高。经过八年，土壤pH值从4.68升高至5.37，表明水稻田管理在改良原旱地土壤酸性方面具有潜力。然而，仅凭无机化合物的氧化与还原，无法完全解释土地利用方式转换后观察到的这种持久的pH值升高。基于这一背景，我们假设：淹水/排水循环过程中ORS的氧化也会消耗质子，从而降低土壤酸度。为验证这一假设，我们选择了四种旱地土壤作为研究对象。在这四种土壤中加入中国奶豆（CMV）、毛叶蔓豆（HV）和稻草（RS），以增强淹水过程中ORS的产生。本研究的目的是：（i）考察淹水期间由有机物质产生的ORS的氧化半反应与排水过程中土壤pH值变化之间的关系；（ii）阐明在短期淹水-排水循环下，施用不同有机物质后土壤酸性改良的差异及其内在机制。研究结果有望为开发改良旱地土壤酸性的新技术提供重要见解。**章节摘要****材料与方法**关于用于测定和表征土壤基本性质的方法的详细信息，请参见补充材料中的文本S1–S5。**试验土壤的矿物组成**本研究使用的四种土壤的基本性质见表S1。XRD分析（图S1、表S2）证实，所有土壤中的主要黏土矿物均为高岭石和水云母（伊利石），这是高度风化的酸性土壤的典型特征，其中长沙土壤的高岭石含量最高。水稻土中的主要黏土矿物为蛭石和高岭石。所用的MnO?纯度为100%。**浸出实验中绿肥和稻草施用对土壤酸性的改良效果**培养期间土壤pH值、Eh和亚铁离子（Fe2?）的动态变化……**绿肥和稻草改良土壤酸性的机制：将有机物质质量与氧化还原驱动的质子通量相联系**一方面，在相同处理条件下，培养期后的pH值升高幅度各不相同，主要与初始SOM含量相关。有机质含量较高的土壤在厌氧分解过程中倾向于产生更多的ORS，从而在排水后对pH值的升高贡献更大。另一方面，对于同一种土壤，不同的改良处理导致pH值改善的程度不同，即使……**结论**本研究表明，将绿肥或稻草施入酸性旱地土壤，再进行短期淹水-排水，可通过氧化还原介导的质子消耗来缓解土壤酸性。在四种酸性土壤中，改良处理使最终土壤pH值升高了多达1.21个单位，并促进了交换态Al向难转化形式的转化。在培养实验中，交换态Al降低了多达98.4%，在田间条件下降低了49.8%。**CRediT作者贡献声明****李科伟：** 初稿撰写、方法、调查研究。**徐仁口：** 审阅与编辑、资金获取、概念构思。**阎靖：** 调查研究。**王海钿：** 方法。**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本研究由中国国家重点研发计划（2024YFD1900102）资助。李科伟 | 阎靖 | 王海钿 | 徐仁口