科學通報 | 中國耕地土壤酸化趨勢的轉折: 從持續酸化到總體停止

土壤酸化是一個復雜的生物地球化學過程, 對全球農業生產力構成了嚴重威脅. 其本質是土壤中酸性物質的累積速率超過了土壤系統的緩沖能力, 導致pH持續下降. 這一過程會引發一系列連鎖反應: 土壤中原本穩定的鋁、錳等金屬元素被活化, 形成對植物具有毒性的離子形態, 損傷作物根系 [1] ; 同時, 它會破壞土壤團粒結構, 導致土壤板結和通透性下降, 并改變土壤微生物群落結構, 最終抑制作物生長, 威脅國家的糧食安全 [2] .

1 十余年之問: 酸化趨勢是否已發生轉變?

中國農田的土壤酸化問題, 在2010年首次引起了全球學術界的廣泛關注. 中國農業大學張福鎖教授團隊在 Science 發表研究表明, 在過去20年間, 伴隨農業集約化, 中國主要農田經歷了前所未有的快速酸化過程 [3] . 該研究指出, 過量施用氮肥是導致土壤酸化的主要驅動因素. 化學氮肥在土壤中的硝化作用會釋放大量氫離子, 這是土壤酸化的直接來源. 該研究在全國范圍內引發廣泛關注. 隨后的十余年, 中國啟動了“化肥使用量零增長行動”、測土配方施肥等一系列農業綠色發展政策. 一個亟待回答的關鍵科學問題是: 這些措施是否有效? 令人擔憂的酸化趨勢是仍在持續, 還是已經放緩甚至逆轉了?

2 繪制首張“土壤酸化動態地圖”

要回答這個問題, 我們需要的不只是兩個時間點的“快照”, 而是一個長時序、高分辨率的動態監測體系. 為了實現這一目標, 我們采用了一條數據驅動的創新路徑. 首先, 我們系統性地收集和整理了1985~2022年間公開發表的7024份區域土壤調查數據, 構建了迄今為止最廣泛的中國耕地土壤pH時序數據庫. 其次, 我們運用了隨機森林(Random Forest)這一機器學習算法. 該模型融合了多維度的預測因子, 包括靜態的土壤屬性(如土壤類型、質地)和動態的氣候因素(溫度、降水)以及關鍵的農業管理措施(如氮肥施用量、土地利用方式等). 通過這個模型, 我們得以重建并預測了中國1985~2040年, 每年 1?km2 分辨率的耕地土壤pH時空演變, 該研究發表于 Nature Geoscience [4] .

3 關鍵發現: 2013 年的“轉折點”

Zhang等人的工作揭示了一個我國農田土壤酸化的關鍵轉折. 圖1 顯示, 從20世紀80年代開始的持續酸化趨勢, 在2013年左右在全國尺度上總體停止了 [4] . 數據顯示, 在1985~2013年間, 全國耕地土壤pH顯著下降; 在這之后, 這一持續下降的勢頭得到了有效遏制.

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

這個“轉折點”并非偶然. 模型分析顯示, pH的變化趨勢與我國氮肥施用模式的改變高度相關. 中國的化學氮肥施用量在2012~2014年左右達到歷史峰值, 隨后在國家農業綠色發展政策的推動下開始下降. 作為酸化“主要驅動力”的氮肥投入減少, 土壤的酸化進程也隨之放緩并趨于穩定.

然而, 這種宏觀尺度上的“穩定”, 掩蓋了不同區域間的巨大差異. 當我們深入分析不同耕地類型時, 發現了兩種截然不同的響應模式:

(1) 水田(paddy fields)的“恢復”: 以南方為主的水稻田, 在2013年后表現出明顯的pH“恢復”(回升)趨勢. 這主要歸功于水田獨特的淹水環境. 在厭氧條件下, 微生物介導的鐵、錳氧化物還原和硫酸鹽還原等生物地球化學過程會大量消耗土壤中的氫離子 [5] , 從而賦予了水田更強的“自我修復”能力.

(2) 旱地(dryland soils)的“停滯”: 占中國耕地面積更廣的旱地(如北方的小麥、玉米田), 其pH在21世紀初就已基本穩定. 其中, 以黃淮海平原為主體的旱地核心區, 在經歷早期的酸化后, pH保持了相對穩定. 這是因為旱地土壤中用于中和酸的堿性物質(如碳酸鹽)一旦耗盡, 其通過礦物風化再生的過程極其緩慢, 自然恢復非常有限 [6] . 但在部分區域(如黃土高原)也有pH的反彈跡象. 這表明旱地的響應模式存在區域分化, 但整體已擺脫了持續惡化的困境.

4 警示: 酸化“過程”停止, 不等于酸化“狀態”解除

這一系列發現, 引出了我們這項研究最核心的觀點: 必須清醒地區分“酸化過程”和“酸化狀態”. 從“酸化過程”(即動態趨勢)來看, 我們取得了階段性的重大勝利: 中國農田土壤的持續酸化進程, 總體上已被遏制. 這證明了我國的農業綠色發展政策是卓有成效的.

但是, 從“酸化狀態”(即當前水平)來看, 形勢依然嚴峻. 穩定, 不等于恢復. 大量在過去幾十年里已經酸化的土壤, 仍然處在不健康的酸性狀態下. 水田雖然展現了恢復的潛力, 但幅度和范圍仍有限; 而面積廣大的旱地, 則基本“停滯”在酸化的狀態上, 尚未出現實質性改善. 我們的模型預測, 即使在未來持續優化氮肥管理的理想情景下, 到2040年, 土壤pH的恢復幅度也將非常有限.

本研究也存在一定的局限性. 首先, 研究的數據基礎依賴于已發表的區域調查數據, 這在早期年份和部分地區存在稀疏性問題, 且使用區域平均值可能掩蓋田塊尺度上的真實變異. 其次, 模型未能納入所有變量, 例如本研究聚焦于糧食作物, 對施肥強度更高的經濟作物(如果蔬)覆蓋不足, 同時缺乏全國范圍內詳細的石灰施用、有機肥施用率等數據.

盡管存在這些不確定性, 本研究的核心結論——即中國農田土壤酸化過程總體停止——是穩健可靠的. 這項研究表明, 要讓土壤“痊愈”將是一場持久戰. 未來的土壤健康管理必須從“統一減氮”轉向“分區施策”和“精準修復”. 這包括: 持續優化氮肥管理; 對有恢復潛力的水田, 應充分利用其內在的生物地球化學機制; 而對于恢復緩慢的旱地, 則必須考慮施用石灰等堿性改良劑進行“人工干預”. 土壤酸化治理不是一蹴而就的短期任務, 而是一個需要長期堅持的系統工程.

參考文獻

[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. 我國農田土壤酸化調控的科學問題與技術措施. 中國科學院院刊, 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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