来源：土壤时空
提到“酸化”，人们首先想到的往往是酸沉降和土壤酸化。上世纪70年以来，随着经济的迅速发展和城市化的不断推进，我国大气酸沉降逐年增加，当前，我国已成为继北美和欧洲之后的世界第三大酸沉降集中分布区（Galloway et al., 2008; Liu et al., 2013）。而日益增加的酸沉降则导致了森林和草地等自然生态系统严重的土壤酸化问题（Yang et al., 2012; Zhang et al., 2022）。除对土壤的影响之外，严重的大气N、S沉降也会导致地表水系统中N、S输入量和运移量的增加（Duan et al., 2016）。研究表明，从1990s-2010s，中国内陆水域的N沉降输入量从122.26 Gg N yr−1增长到了237.75 Gg N yr−1（Gao et al., 2019）。
那大量的酸沉降输入地表水系统，会引起地表水的酸化吗？Yu et al.（2017）对全国范围内255个样点的调查结果表明，在中国，地表水酸化并不是一个严重的问题，仅有少量的地表水pH低于6.0。但是，地表水没有发生酸化是否代表着酸沉降对水域周边的生态系统没有产生影响呢?
为探究我国亚热带农业流域的酸化状况，近期，Dong et al.（2022）以典型亚热带农业流域——红壤关键带（RSCZO）为研究对象，基于对流域系统内主要输入输出源的定期监测，对流域系统内主要元素的输入输出平衡和以及不同质子（H+）产生过程和中和过程对土壤酸化和中和的贡献进行了量化（图1）。
图1 红壤关键带
流域“酸化”了吗？
两年的监测结果表明，虽然流域内雨水的平均pH仅为4.63，且超过90%的雨水为酸性（pH<5.6），但流域入口和出口处的地表水却均为中性（入口和出口处平均pH分别为7.34和6.93）。这表明流域内大量的N肥施用（320 kg N ha-1 yr-1）和严重的酸沉降并未导致地表水的明显酸化。
但对流域内主要元素输入输出平衡的计算结果表明，RSCZO流域内存在明显的NO3-净流失（2945 molc ha-1 yr-1，图2）同时伴随盐基离子的大量净流失（3842 molc ha-1 yr-1，图2）。通过与亚热带红壤风化速率的对比（230-1080 molc ha-1 yr-1，Duan et al., 2002），我们发现RSCZO的盐基离子库处于净亏损状态（2762-3612 molc ha-1 yr-1）。如果维持当前的亏损速率，20年后，RSCZO的土壤盐基饱和度将会下降23-32%。
图2 红壤关键带内主要元素负荷
注：正值和负值分别表示净输入和净输出；未考虑植物对NH4+、NO3-和H+的吸收。
流域为什么“酸化”了？
由于流域内大量的N肥施用和植物收获，RSCZO的总H+产生量（5152 molc ha-1 yr-1）远大于大部分自然生态系统（图3）。N转化过程（12.1-38.8%）是流域酸化的主要驱动力（68%），而H+沉降的直接贡献则较小（7%）。由于秸秆还田，植物对阴离子和阳离子的不平衡吸收对酸化的贡献（24%）略低于我们在土柱模拟实验中的研究结果（Dong et al., 2021）。与此同时，我们发现，流域内水田的酸化速率显著低于旱地和果园（图3）。这表明秸秆还田和轮作在缓解酸敏感土壤酸化问题上可能能起到重要的作用。
在5.0<pH<6.5的土壤中，盐基离子交换和矿物风化是最为重要的酸缓冲机制（Van Breemen et al.,1983, 1984）。因此，由于流域内大量的H+产生，流域内土壤的盐基离子会参与到酸化中和过程中，研究结果表明，盐基离子交换和粘土矿物风化是流域内最重要的中和机制（75%，图3）。这也直接导致了RSCZO内盐基离子库的净亏损（图2）。而盐基离子的损耗势必会增加流域的脆弱性并延缓流域从酸化中的恢复，也迟早会导致流域内土壤pH甚至地表水pH的表观下降。
图3 红壤关键带内H+产生速率和消耗速率
注：图中数值单位均为molc ha-1 yr-1；红色表示H+产生速率；蓝色表示H+消耗速率；BC and Weathering表示盐基离子交换和矿物风化；HD、HN和HP分别表示沉降、N转化和植物对阴阳离子的不平衡吸收产生的H+；HP-U、HP-O和HP-P分别表示旱地、果园和水田的HP产生量；ANCBC、ANCH+Al和ANCS分别表示盐基离子交换和矿物风化、H+和Al3+淋失以及SO42-吸附消耗的H+。
由此可见，虽然酸沉降和施肥并未导致我国内陆流域地表水的明显酸化，但间接导致的盐基离子损耗极大地消耗了流域的盐基离子库，削弱了流域的酸缓冲能力。长久来看，持续的H+输入和盐基离子流失可能会导致更为严重的土壤酸化和Al毒等问题。
相关研究近期发表在国际学术刊物《Science of the Total Environment》上。博士生董岳为论文第一作者，张甘霖研究员为通讯作者。研究得到了NSFC-广东省人民政府联合集成项目（U1901601）和国家自然科学基金项目（41877010、41771251和42107334）等项目的联合资助。
论文信息：
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
主要参考文献：
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