科學(xué)通報(bào) | 中國(guó)耕地土壤酸化趨勢(shì)的轉(zhuǎn)折: 從持續(xù)酸化到總體停止

土壤酸化是一個(gè)復(fù)雜的生物地球化學(xué)過(guò)程, 對(duì)全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力構(gòu)成了嚴(yán)重威脅. 其本質(zhì)是土壤中酸性物質(zhì)的累積速率超過(guò)了土壤系統(tǒng)的緩沖能力, 導(dǎo)致pH持續(xù)下降. 這一過(guò)程會(huì)引發(fā)一系列連鎖反應(yīng): 土壤中原本穩(wěn)定的鋁、錳等金屬元素被活化, 形成對(duì)植物具有毒性的離子形態(tài), 損傷作物根系 [1] ; 同時(shí), 它會(huì)破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致土壤板結(jié)和通透性下降, 并改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu), 最終抑制作物生長(zhǎng), 威脅國(guó)家的糧食安全 [2] .

1 十余年之問(wèn): 酸化趨勢(shì)是否已發(fā)生轉(zhuǎn)變?

中國(guó)農(nóng)田的土壤酸化問(wèn)題, 在2010年首次引起了全球?qū)W術(shù)界的廣泛關(guān)注. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張福鎖教授團(tuán)隊(duì)在 Science 發(fā)表研究表明, 在過(guò)去20年間, 伴隨農(nóng)業(yè)集約化, 中國(guó)主要農(nóng)田經(jīng)歷了前所未有的快速酸化過(guò)程 [3] . 該研究指出, 過(guò)量施用氮肥是導(dǎo)致土壤酸化的主要驅(qū)動(dòng)因素. 化學(xué)氮肥在土壤中的硝化作用會(huì)釋放大量氫離子, 這是土壤酸化的直接來(lái)源. 該研究在全國(guó)范圍內(nèi)引發(fā)廣泛關(guān)注. 隨后的十余年, 中國(guó)啟動(dòng)了“化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)”、測(cè)土配方施肥等一系列農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展政策. 一個(gè)亟待回答的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是: 這些措施是否有效? 令人擔(dān)憂的酸化趨勢(shì)是仍在持續(xù), 還是已經(jīng)放緩甚至逆轉(zhuǎn)了?

2 繪制首張“土壤酸化動(dòng)態(tài)地圖”

要回答這個(gè)問(wèn)題, 我們需要的不只是兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的“快照”, 而是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)序、高分辨率的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系. 為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo), 我們采用了一條數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新路徑. 首先, 我們系統(tǒng)性地收集和整理了1985~2022年間公開(kāi)發(fā)表的7024份區(qū)域土壤調(diào)查數(shù)據(jù), 構(gòu)建了迄今為止最廣泛的中國(guó)耕地土壤pH時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù). 其次, 我們運(yùn)用了隨機(jī)森林(Random Forest)這一機(jī)器學(xué)習(xí)算法. 該模型融合了多維度的預(yù)測(cè)因子, 包括靜態(tài)的土壤屬性(如土壤類型、質(zhì)地)和動(dòng)態(tài)的氣候因素(溫度、降水)以及關(guān)鍵的農(nóng)業(yè)管理措施(如氮肥施用量、土地利用方式等). 通過(guò)這個(gè)模型, 我們得以重建并預(yù)測(cè)了中國(guó)1985~2040年, 每年 1?km2 分辨率的耕地土壤pH時(shí)空演變, 該研究發(fā)表于 Nature Geoscience [4] .

3 關(guān)鍵發(fā)現(xiàn): 2013 年的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”

Zhang等人的工作揭示了一個(gè)我國(guó)農(nóng)田土壤酸化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折. 圖1 顯示, 從20世紀(jì)80年代開(kāi)始的持續(xù)酸化趨勢(shì), 在2013年左右在全國(guó)尺度上總體停止了 [4] . 數(shù)據(jù)顯示, 在1985~2013年間, 全國(guó)耕地土壤pH顯著下降; 在這之后, 這一持續(xù)下降的勢(shì)頭得到了有效遏制.

圖 1 化學(xué)氮肥消耗量與耕地土壤pH變化趨勢(shì). Reprinted with permission from Ref. [4], Copyright ? 2025, Springer Nature

這個(gè)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”并非偶然. 模型分析顯示, pH的變化趨勢(shì)與我國(guó)氮肥施用模式的改變高度相關(guān). 中國(guó)的化學(xué)氮肥施用量在2012~2014年左右達(dá)到歷史峰值, 隨后在國(guó)家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展政策的推動(dòng)下開(kāi)始下降. 作為酸化“主要驅(qū)動(dòng)力”的氮肥投入減少, 土壤的酸化進(jìn)程也隨之放緩并趨于穩(wěn)定.

然而, 這種宏觀尺度上的“穩(wěn)定”, 掩蓋了不同區(qū)域間的巨大差異. 當(dāng)我們深入分析不同耕地類型時(shí), 發(fā)現(xiàn)了兩種截然不同的響應(yīng)模式:

(1) 水田(paddy fields)的“恢復(fù)”: 以南方為主的水稻田, 在2013年后表現(xiàn)出明顯的pH“恢復(fù)”(回升)趨勢(shì). 這主要?dú)w功于水田獨(dú)特的淹水環(huán)境. 在厭氧條件下, 微生物介導(dǎo)的鐵、錳氧化物還原和硫酸鹽還原等生物地球化學(xué)過(guò)程會(huì)大量消耗土壤中的氫離子 [5] , 從而賦予了水田更強(qiáng)的“自我修復(fù)”能力.

(2) 旱地(dryland soils)的“停滯”: 占中國(guó)耕地面積更廣的旱地(如北方的小麥、玉米田), 其pH在21世紀(jì)初就已基本穩(wěn)定. 其中, 以黃淮海平原為主體的旱地核心區(qū), 在經(jīng)歷早期的酸化后, pH保持了相對(duì)穩(wěn)定. 這是因?yàn)楹档赝寥乐杏糜谥泻退岬膲A性物質(zhì)(如碳酸鹽)一旦耗盡, 其通過(guò)礦物風(fēng)化再生的過(guò)程極其緩慢, 自然恢復(fù)非常有限 [6] . 但在部分區(qū)域(如黃土高原)也有pH的反彈跡象. 這表明旱地的響應(yīng)模式存在區(qū)域分化, 但整體已擺脫了持續(xù)惡化的困境.

4 警示: 酸化“過(guò)程”停止, 不等于酸化“狀態(tài)”解除

這一系列發(fā)現(xiàn), 引出了我們這項(xiàng)研究最核心的觀點(diǎn): 必須清醒地區(qū)分“酸化過(guò)程”和“酸化狀態(tài)”. 從“酸化過(guò)程”(即動(dòng)態(tài)趨勢(shì))來(lái)看, 我們?nèi)〉昧穗A段性的重大勝利: 中國(guó)農(nóng)田土壤的持續(xù)酸化進(jìn)程, 總體上已被遏制. 這證明了我國(guó)的農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展政策是卓有成效的.

但是, 從“酸化狀態(tài)”(即當(dāng)前水平)來(lái)看, 形勢(shì)依然嚴(yán)峻. 穩(wěn)定, 不等于恢復(fù). 大量在過(guò)去幾十年里已經(jīng)酸化的土壤, 仍然處在不健康的酸性狀態(tài)下. 水田雖然展現(xiàn)了恢復(fù)的潛力, 但幅度和范圍仍有限; 而面積廣大的旱地, 則基本“停滯”在酸化的狀態(tài)上, 尚未出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性改善. 我們的模型預(yù)測(cè), 即使在未來(lái)持續(xù)優(yōu)化氮肥管理的理想情景下, 到2040年, 土壤pH的恢復(fù)幅度也將非常有限.

本研究也存在一定的局限性. 首先, 研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)依賴于已發(fā)表的區(qū)域調(diào)查數(shù)據(jù), 這在早期年份和部分地區(qū)存在稀疏性問(wèn)題, 且使用區(qū)域平均值可能掩蓋田塊尺度上的真實(shí)變異. 其次, 模型未能納入所有變量, 例如本研究聚焦于糧食作物, 對(duì)施肥強(qiáng)度更高的經(jīng)濟(jì)作物(如果蔬)覆蓋不足, 同時(shí)缺乏全國(guó)范圍內(nèi)詳細(xì)的石灰施用、有機(jī)肥施用率等數(shù)據(jù).

盡管存在這些不確定性, 本研究的核心結(jié)論——即中國(guó)農(nóng)田土壤酸化過(guò)程總體停止——是穩(wěn)健可靠的. 這項(xiàng)研究表明, 要讓土壤“痊愈”將是一場(chǎng)持久戰(zhàn). 未來(lái)的土壤健康管理必須從“統(tǒng)一減氮”轉(zhuǎn)向“分區(qū)施策”和“精準(zhǔn)修復(fù)”. 這包括: 持續(xù)優(yōu)化氮肥管理; 對(duì)有恢復(fù)潛力的水田, 應(yīng)充分利用其內(nèi)在的生物地球化學(xué)機(jī)制; 而對(duì)于恢復(fù)緩慢的旱地, 則必須考慮施用石灰等堿性改良劑進(jìn)行“人工干預(yù)”. 土壤酸化治理不是一蹴而就的短期任務(wù), 而是一個(gè)需要長(zhǎng)期堅(jiān)持的系統(tǒng)工程.

參考文獻(xiàn)

[1] Kochian L V, Pi?eros M A, Liu J, et al. Plant adaptation to acid soils: the molecular basis for crop aluminum resistance . Annu Rev Plant Biol , 2015 , 66: 571 -598

[2] Xu R K, Li J Y, Zhou S W, et al. Scientific issues and controlling strategies of soil acidification of croplands in China (in Chinese). Bull Chin Acad Sci, 2018, 33: 160–167 [徐仁扣, 李九玉, 周世偉, 等. 我國(guó)農(nóng)田土壤酸化調(diào)控的科學(xué)問(wèn)題與技術(shù)措施. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 2018, 33: 160–167].

[3] Guo J H, Liu X J, Zhang Y, et al. Significant acidification in major Chinese croplands . Science , 2010 , 327: 1008 -1010

[4] Zhang W, Wei C, Li J, et al. Stabilization of acidification in China’s cropland soils . Nat Geosci , 2025 , 18: 1125 -1132

[5] K?gel-Knabner I, Amelung W, Cao Z, et al. Biogeochemistry of paddy soils . Geoderma , 2010 , 157: 1 -14

[6] Rengel Z. Soil pH, soil health and climate change. In: Singh B P, Cowie A L, Chan K Y, eds. Soil Health and Climate Change. Berlin, Heidelberg: Springer, 2011. 69–85.

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