四十余年来通过多种有机改良剂在酸性土壤区域调控土壤酸度与作物产量

《Soil and Tillage Research》：Management of soil acidity and crop productivity through diverse organic amendments in acid soil areas for over forty years

　　- 多种有机改良剂增强了酸性耕地的土壤pH缓冲能力。- 多种有机改良剂的添加增加了土壤有机碳组分。- 腐殖质基团的增加和铝-有机结合增强了pH缓冲能力。- 土壤有机碳组分增加和酸化减缓提高了作物产量。**引言**土壤酸化（pH ≤ 5.5的下降）已成为可持续农业生产的重大制约因素。全球约50%的耕地土壤已达到这一临界酸化阈值，且由于不合理施肥和氮沉降，这一比例仍在增加。土壤pH的下降严重抑制了养分有效性和根系生长，从而导致作物产量降低。模型预测表明，到2050年，土壤酸化可能导致作物产量减少高达24%，在缺乏有效应对措施的情况下，对可持续粮食生产构成严峻挑战。因此，阐明土壤酸化的调控机制并制定针对性的缓解策略，对于确保全球粮食安全和农业可持续性至关重要。有机改良剂的施用包括动物来源碳（如畜禽粪便）和植物来源碳（如绿肥和秸秆），是被广泛推荐的农艺实践，用于缓解土壤酸化并提高作物产量。畜禽粪便施用以引入丰富的碱性物质来显著缓解土壤酸化。此外，粪便输入诱导形成的铝-有机复合物可以有效缓解铝毒性。然而，植物来源碳输入对调控土壤酸化的影响仍存在争议。秸秆施用于中国西南酸性软土可通过抑制质子（即H?）的产生使土壤pH提高0.4–0.5个单位。相反，秸秆和绿肥施用可能在分解过程中释放有机酸从而加速酸化。尽管已有大量研究探讨了有机改良剂在缓解土壤酸化中的单独作用，但多种有机改良剂联合施用的长期潜在效应及其对维持作物生产力的最终贡献仍知之甚少。因此，深入了解联合有机改良剂对土壤酸化影响的机制，对于制定针对性管理措施以缓解土壤酸化和提高农业生产力至关重要。有机改良剂主要通过改善土壤pH缓冲能力来缓解土壤酸化，这是决定土壤酸化速率的关键因素。这种增强通常归因于两个相互关联的机制。一方面，土壤pH缓冲能力与阳离子交换量（CEC）相关，CEC反映了阳离子交换位点的数量，较高的CEC含量表现出更强的质子输入缓冲能力。另一方面，有机改良剂施用后土壤有机质的积累通过增加表面电荷密度来增强CEC，从而改善土壤pH缓冲能力。在分子水平上，土壤有机质的缓冲效率源于其丰富的去质子化羧基官能团，这些官能团作为质子结合位点，对土壤pH缓冲能力贡献显著。腐殖质是含有大量羧基和酚基官能团的复杂大分子混合物，其在改善土壤pH缓冲能力中的关键作用已得到广泛验证。然而，在长期多种有机改良剂施用条件下，土壤有机质（特别是腐殖质组分）对土壤酸性缓冲的贡献和机制尚未得到充分量化。此外，植物和动物来源的改良剂在化学组成上存在显著差异，但它们对腐殖质官能团丰度和组成的不同影响及其对土壤pH缓冲能力的后续影响在很大程度上尚未探索。为填补这些知识空白，自1981年起开展了一项长期田间试验，以阐明在酸性土壤区域，联合有机改良剂在缓解土壤酸化和提高作物产量方面的协同效应长期调控的关键驱动因素和途径。本研究的总体目标是全面了解长期有机改良剂管理如何调控酸性土壤的土壤pH缓冲能力并维持农业生态系统生产力。具体而言，我们的目标是：(i) 研究动物和植物来源有机改良剂联合施用对缓解土壤酸化的影响；(ii) 揭示土壤有机质（特别是腐殖质）对土壤pH缓冲能力的贡献和调控机制；(iii) 评估增强的土壤pH缓冲能力的长期持久性及其对维持酸性土壤区域作物生产力的作用。我们假设：(i) 长期联合施用动物和植物来源碳输入可以增加土壤pH缓冲能力并缓解土壤酸化；(ii) 动物和植物来源碳输入的联合施用通过增加土壤有机碳组分（腐殖质）来减缓土壤酸化。这通过促进与铝氧化物的络合以及提供质子结合位点的去质子化羧基官能团来实现。**实验地点**长期施肥试验于1981年设立，位于中国江西省进贤县红壤研究所（28°35′N, 116°17′E）。该地区具有典型亚热带气候，年均温18.1°C，年均降水量1727 mm。试验开始前，根据FAO分类标准，土壤被归类为铁质灰化土，质地为粘土。长期试验采用双季水稻轮作制。**土壤酸化特征**施肥管理显著影响土壤酸化，多种来源碳输入持续增强土壤缓冲能力并缓解土壤酸性。具体而言，与对照和植物来源碳输入相比，多种来源碳输入的土壤pH缓冲能力和pH显著增加。2023年，FGM2处理的土壤pH缓冲能力分别比FG和FGS处理高9%和33%。2013年也观察到相同趋势。**长期多种碳减缓土壤酸化**与我们的第一个假设一致，长期多种来源碳输入显著增加了土壤pH缓冲能力，而单一植物来源碳输入则无显著效果。这些结果与之前的发现一致，即多种来源碳输入可缓解土壤酸化，而植物来源碳输入的效果取决于土壤和管理条件，往往呈中性或酸化效应。**结论**这些发现证实了我们的假设：42年的长期施肥试验表明，多种来源碳输入（绿肥和畜禽粪便的组合）增加了酸性水稻土的土壤pH缓冲能力。与对照相比，多种来源碳输入将土壤pH提高了0.1–0.4个单位，并将土壤pH缓冲能力增强了31–40%，而植物来源碳输入则影响甚微。观察到的土壤pH缓冲能力增强可归因于协同……**CRediT作者贡献声明****刘璐：** 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理，概念化。**刘凯楼：** 写作 – 审阅与编辑，数据整理。**张帅：** 写作 – 审阅与编辑，概念化。**吴东：** 写作 – 审阅与编辑，概念化。**Gilles Colinet：** 写作 – 审阅与编辑，概念化。**Jeroen Meersmans：** 写作 – 审阅与编辑，概念化。**张文菊：** 写作 – ...**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文所述工作。**致谢**本研究由中国农业科技重大项目资助。作者感谢中国农业大学-根特大学联合培训项目和中国奖学金管理委员会。刘璐 | 刘凯楼 | 张帅 | 吴东 | Gilles Colinet | Jeroen Meersmans | 张文菊