论文部分内容阅读
酸化是土壤发育过程中一种缓慢发生的自然现象,但人为活动干扰(如施肥和酸雨等)会加速土壤酸化过程并导致一系列生态环境风险。鉴于土壤酸化对森林生态系统以及作物生产的危害,本研究通过文献数据和国家统计数据利用元素平衡的方法综合评价了中国自然(森林)生态系统和农田生态系统的土壤酸化速率及其主要贡献源,并结合拓展后的VSD+模型预测不同情景模式下我国典型种植体系代表性农田的酸化趋势及对未来粮食生产的影响,为我国区域生态保护与粮食安全提供理论支撑。本研究主要结果如下:1.中国森林土壤发生了显著酸化。数据表明,1980s (1980-1985) -2000s (2005-2010)全国森林土壤pH值平均下降0.36个单位,中国西南地区(0.63个单位)和半淋溶土类(0.44个单位)pH下降最明显。过去25年间全国硫沉降累积致酸潜力为62.5 keq ha-1,比氮沉降(55.8 keq ha-1)略高,沉降中盐基离子累积中和能力为37.1 keq ha-1。最终沉降导致的净H+产量为39.3 keq ha-1,平均每年为1.58keqha-1。而森林生长累积产生的H+为7.5keqha-1,相当于每年0.3keqha-1。因此,全国森林平均土壤酸化速率为1.87keqha-1 yr-1,其中大气沉降贡献了 84%,森林生长贡献了 16%,表明大气沉降是导致森林土壤酸化的主要驱动因素。2.基于农田主要养分输入-输出平衡,本研究评估了我国区域尺度农田酸化速率及其驱动因素。结果表明农田土壤中氮循环过程产生的H+量从1980年的4.7 keq ha-1 yr-1增加到1996年的11.0 keq ha-1 yr-1,并在2000年后由于氮肥类型的改变而相对稳定在8.6 keqha-1 yr-1左右。同时期作物收获产生的 H+量从 1.2 keq ha-1 yr1 增加到 2.3 keq ha-1 yr-1, H+总产量从 5.9 keq ha-1 yr1 增加到 10.9 keq ha-1 yr-1。从而导致土壤实际酸化速率(土壤盐基离子净消耗)从3.1keq ha-1 yr-1增加到6.6keqha-1 yr-1,潜在酸化速率(土壤盐基离子净累积)从0.2 keq ha-1 yr-1增加到1.3 keq ha-1 yr-1。即1980-2010年农田土壤总酸化速率从3.3 keq ha-1 yr-1增加到7.9 keq ha-1 yr-1,平均为5.6 keq ha-1 yr-1。其中,大气沉降和作物收获分别贡献6.8%和34.2%,施肥贡献55.1%。人口增长对粮食需求的增加是土壤加速酸化的诱因,而氮肥大量施用及利用率的降低是土壤加速酸化的直接驱动因素。3.我国典型石灰性土壤的碳酸钙缓冲容量普遍超过4000 keq ha-1 (0-30cm),其缓冲体系可维持170年以上,并保持土壤pH值在较高水平。而非石灰性土壤酸缓冲容量仅为286-726 keq ha-1 (0-30cm),土壤pH值对H+投入敏感。因此非石灰性(中性和酸性)土壤是我国酸化相对敏感土壤,主要分布于我国东北和南方地区。VSD+模型研究结果表明,一年两熟种植体系(小麦-玉米、小麦-水稻和双季稻)较一年一熟种植体系(单季玉米)具有更高的致酸潜力。如果未来氮肥用量仍保持1%的年增长量(BAU情景),1980-2050年单季玉米体系土壤pH值将下降0.86个单位,而小麦-玉米体系的pH下降可达2.7个单位,小麦-水稻体系体系和双季稻体系分别下降1.7和1.4个单位。另外,预测结果还显示除单季玉米外其它种植体系土壤在250年均有明显的Al3+活化。4.进一步的情景分析表明,在BAU情景下,2050年全国将有超过13%的耕地面临铝毒害风险。若2020年后施氮用量停止增长(N2020情景)则可减少H+产量12-22%, 2050年全国仍有超过10%的耕地面临严重酸化威胁。若2020年后秸秆还田比例达到100% (100%RR情景),可减少H+产量27-79%,受铝毒害威胁的耕地面积将降低到8.9%。有机肥替代30%化肥氮的措施(30%MR情景)能减少82-111%的H+产量。三项技术措施结合的综合管理(INMR情景)可有效中和土壤中H+,对土壤酸化有一定恢复作用,是本研究中控制土壤酸化的最有效措施,可防止作物在2050年前免受铝毒害威胁。5.本研究还定量了不同情境模式下土壤酸化对粮食损失的影响。在BAU情景下,2050年土壤酸化导致的粮食产量损失将达到24.2%,在N2020和100%RR情景下,该损失将分别降低到15.6%和16.2%。而在30%MR和INMR情景下,粮食损失分别被降低到4.5%和2.5%。由此可见,通过资源高效利用和土壤-作物系统养分综合管理能有效控制农田土壤酸化,减轻对我国粮食安全的影响。综上所述,我国森林生态系统和农田生态系统土壤酸化的驱动因素分别为大气沉降(森林土壤)和氮肥过量施用(农田土壤)。若不采取任何措施,未来农田土壤将遭受严重酸化威胁,从而影响粮食生产。本研究表明,解决农田土壤酸化的根本方法是减少施氮量并减少土壤盐基离子的损失。但已经发生严重酸化的土壤应优先施石灰等碱性物质提高土壤pH值,在保证正常生产后再结合该综合措施防治农田土壤酸化。在此措施下,可有效控制中国农田土壤酸化,维持农田可持续生产。