來源：土壤時空
提到“酸化”，人們首先想到的往往是酸沉降和土壤酸化。上世紀70年以來，隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市化的不斷推進，我國大氣酸沉降逐年增加，當前，我國已成為繼北美和歐洲之后的世界第三大酸沉降集中分布區(qū)（Galloway et al., 2008; Liu et al., 2013）。而日益增加的酸沉降則導(dǎo)致了森林和草地等自然生態(tài)系統(tǒng)嚴重的土壤酸化問題（Yang et al., 2012; Zhang et al., 2022）。除對土壤的影響之外，嚴重的大氣N、S沉降也會導(dǎo)致地表水系統(tǒng)中N、S輸入量和運移量的增加（Duan et al., 2016）。研究表明，從1990s-2010s，中國內(nèi)陸水域的N沉降輸入量從122.26 Gg N yr?1增長到了237.75 Gg N yr?1（Gao et al., 2019）。
那大量的酸沉降輸入地表水系統(tǒng)，會引起地表水的酸化嗎？Yu et al.（2017）對全國范圍內(nèi)255個樣點的調(diào)查結(jié)果表明，在中國，地表水酸化并不是一個嚴重的問題，僅有少量的地表水pH低于6.0。但是，地表水沒有發(fā)生酸化是否代表著酸沉降對水域周邊的生態(tài)系統(tǒng)沒有產(chǎn)生影響呢?
為探究我國亞熱帶農(nóng)業(yè)流域的酸化狀況，近期，Dong et al.（2022）以典型亞熱帶農(nóng)業(yè)流域——紅壤關(guān)鍵帶（RSCZO）為研究對象，基于對流域系統(tǒng)內(nèi)主要輸入輸出源的定期監(jiān)測，對流域系統(tǒng)內(nèi)主要元素的輸入輸出平衡和以及不同質(zhì)子（H+）產(chǎn)生過程和中和過程對土壤酸化和中和的貢獻進行了量化（圖1）。
圖1 紅壤關(guān)鍵帶
流域“酸化”了嗎？
兩年的監(jiān)測結(jié)果表明，雖然流域內(nèi)雨水的平均pH僅為4.63，且超過90%的雨水為酸性（pH<5.6），但流域入口和出口處的地表水卻均為中性（入口和出口處平均pH分別為7.34和6.93）。這表明流域內(nèi)大量的N肥施用（320 kg N ha-1 yr-1）和嚴重的酸沉降并未導(dǎo)致地表水的明顯酸化。
但對流域內(nèi)主要元素輸入輸出平衡的計算結(jié)果表明，RSCZO流域內(nèi)存在明顯的NO3-凈流失（2945 molc ha-1 yr-1，圖2）同時伴隨鹽基離子的大量凈流失（3842 molc ha-1 yr-1，圖2）。通過與亞熱帶紅壤風(fēng)化速率的對比（230-1080 molc ha-1 yr-1，Duan et al., 2002），我們發(fā)現(xiàn)RSCZO的鹽基離子庫處于凈虧損狀態(tài)（2762-3612 molc ha-1 yr-1）。如果維持當前的虧損速率，20年后，RSCZO的土壤鹽基飽和度將會下降23-32%。
圖2 紅壤關(guān)鍵帶內(nèi)主要元素負荷
注：正值和負值分別表示凈輸入和凈輸出；未考慮植物對NH4+、NO3-和H+的吸收。
流域為什么“酸化”了？
由于流域內(nèi)大量的N肥施用和植物收獲，RSCZO的總H+產(chǎn)生量（5152 molc ha-1 yr-1）遠大于大部分自然生態(tài)系統(tǒng)（圖3）。N轉(zhuǎn)化過程（12.1-38.8%）是流域酸化的主要驅(qū)動力（68%），而H+沉降的直接貢獻則較?。?%）。由于秸稈還田，植物對陰離子和陽離子的不平衡吸收對酸化的貢獻（24%）略低于我們在土柱模擬實驗中的研究結(jié)果（Dong et al., 2021）。與此同時，我們發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)水田的酸化速率顯著低于旱地和果園（圖3）。這表明秸稈還田和輪作在緩解酸敏感土壤酸化問題上可能能起到重要的作用。
在5.0<pH<6.5的土壤中，鹽基離子交換和礦物風(fēng)化是最為重要的酸緩沖機制（Van Breemen et al.,1983, 1984）。因此，由于流域內(nèi)大量的H+產(chǎn)生，流域內(nèi)土壤的鹽基離子會參與到酸化中和過程中，研究結(jié)果表明，鹽基離子交換和粘土礦物風(fēng)化是流域內(nèi)最重要的中和機制（75%，圖3）。這也直接導(dǎo)致了RSCZO內(nèi)鹽基離子庫的凈虧損（圖2）。而鹽基離子的損耗勢必會增加流域的脆弱性并延緩流域從酸化中的恢復(fù)，也遲早會導(dǎo)致流域內(nèi)土壤pH甚至地表水pH的表觀下降。
圖3 紅壤關(guān)鍵帶內(nèi)H+產(chǎn)生速率和消耗速率
注：圖中數(shù)值單位均為molc ha-1 yr-1；紅色表示H+產(chǎn)生速率；藍色表示H+消耗速率；BC and Weathering表示鹽基離子交換和礦物風(fēng)化；HD、HN和HP分別表示沉降、N轉(zhuǎn)化和植物對陰陽離子的不平衡吸收產(chǎn)生的H+；HP-U、HP-O和HP-P分別表示旱地、果園和水田的HP產(chǎn)生量；ANCBC、ANCH+Al和ANCS分別表示鹽基離子交換和礦物風(fēng)化、H+和Al3+淋失以及SO42-吸附消耗的H+。
由此可見，雖然酸沉降和施肥并未導(dǎo)致我國內(nèi)陸流域地表水的明顯酸化，但間接導(dǎo)致的鹽基離子損耗極大地消耗了流域的鹽基離子庫，削弱了流域的酸緩沖能力。長久來看，持續(xù)的H+輸入和鹽基離子流失可能會導(dǎo)致更為嚴重的土壤酸化和Al毒等問題。
相關(guān)研究近期發(fā)表在國際學(xué)術(shù)刊物《Science of the Total Environment》上。博士生董岳為論文第一作者，張甘霖研究員為通訊作者。研究得到了NSFC-廣東省人民政府聯(lián)合集成項目（U1901601）和國家自然科學(xué)基金項目（41877010、41771251和42107334）等項目的聯(lián)合資助。
論文信息：
Dong, Y., Yang, J.L., Zhao, X.R., Yang, S.H., Jan, M., Peter, D., Zhang, G.L., 2022. Soil acidification and loss of base cations in a subtropical agricultural watershed. Sci. Total Environ. 827, 154338. Doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.154338
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