科学通报 | 中国耕地土壤酸化趋势的转折: 从持续酸化到总体停止

土壤酸化是一个复杂的生物地球化学过程, 对全球农业生产力构成了严重威胁. 其本质是土壤中酸性物质的累积速率超过了土壤系统的缓冲能力, 导致pH持续下降. 这一过程会引发一系列连锁反应: 土壤中原本稳定的铝、锰等金属元素被活化, 形成对植物具有毒性的离子形态, 损伤作物根系 [1] ; 同时, 它会破坏土壤团粒结构, 导致土壤板结和通透性下降, 并改变土壤微生物群落结构, 最终抑制作物生长, 威胁国家的粮食安全 [2] .

1 十余年之问: 酸化趋势是否已发生转变?

中国农田的土壤酸化问题, 在2010年首次引起了全球学术界的广泛关注. 中国农业大学张福锁教授团队在 Science 发表研究表明, 在过去20年间, 伴随农业集约化, 中国主要农田经历了前所未有的快速酸化过程 [3] . 该研究指出, 过量施用氮肥是导致土壤酸化的主要驱动因素. 化学氮肥在土壤中的硝化作用会释放大量氢离子, 这是土壤酸化的直接来源. 该研究在全国范围内引发广泛关注. 随后的十余年, 中国启动了“化肥使用量零增长行动”、测土配方施肥等一系列农业绿色发展政策. 一个亟待回答的关键科学问题是: 这些措施是否有效? 令人担忧的酸化趋势是仍在持续, 还是已经放缓甚至逆转了?

2 绘制首张“土壤酸化动态地图”

要回答这个问题, 我们需要的不只是两个时间点的“快照”, 而是一个长时序、高分辨率的动态监测体系. 为了实现这一目标, 我们采用了一条数据驱动的创新路径. 首先, 我们系统性地收集和整理了1985~2022年间公开发表的7024份区域土壤调查数据, 构建了迄今为止最广泛的中国耕地土壤pH时序数据库. 其次, 我们运用了随机森林(Random Forest)这一机器学习算法. 该模型融合了多维度的预测因子, 包括静态的土壤属性(如土壤类型、质地)和动态的气候因素(温度、降水)以及关键的农业管理措施(如氮肥施用量、土地利用方式等). 通过这个模型, 我们得以重建并预测了中国1985~2040年, 每年 1 km2 分辨率的耕地土壤pH时空演变, 该研究发表于 Nature Geoscience [4] .

3 关键发现: 2013 年的“转折点”

Zhang等人的工作揭示了一个我国农田土壤酸化的关键转折. 图1 显示, 从20世纪80年代开始的持续酸化趋势, 在2013年左右在全国尺度上总体停止了 [4] . 数据显示, 在1985~2013年间, 全国耕地土壤pH显著下降; 在这之后, 这一持续下降的势头得到了有效遏制.

图 1 化学氮肥消耗量与耕地土壤pH变化趋势. Reprinted with permission from Ref. [4], Copyright © 2025, Springer Nature

这个“转折点”并非偶然. 模型分析显示, pH的变化趋势与我国氮肥施用模式的改变高度相关. 中国的化学氮肥施用量在2012~2014年左右达到历史峰值, 随后在国家农业绿色发展政策的推动下开始下降. 作为酸化“主要驱动力”的氮肥投入减少, 土壤的酸化进程也随之放缓并趋于稳定.

然而, 这种宏观尺度上的“稳定”, 掩盖了不同区域间的巨大差异. 当我们深入分析不同耕地类型时, 发现了两种截然不同的响应模式:

(1) 水田(paddy fields)的“恢复”: 以南方为主的水稻田, 在2013年后表现出明显的pH“恢复”(回升)趋势. 这主要归功于水田独特的淹水环境. 在厌氧条件下, 微生物介导的铁、锰氧化物还原和硫酸盐还原等生物地球化学过程会大量消耗土壤中的氢离子 [5] , 从而赋予了水田更强的“自我修复”能力.

(2) 旱地(dryland soils)的“停滞”: 占中国耕地面积更广的旱地(如北方的小麦、玉米田), 其pH在21世纪初就已基本稳定. 其中, 以黄淮海平原为主体的旱地核心区, 在经历早期的酸化后, pH保持了相对稳定. 这是因为旱地土壤中用于中和酸的碱性物质(如碳酸盐)一旦耗尽, 其通过矿物风化再生的过程极其缓慢, 自然恢复非常有限 [6] . 但在部分区域(如黄土高原)也有pH的反弹迹象. 这表明旱地的响应模式存在区域分化, 但整体已摆脱了持续恶化的困境.

4 警示: 酸化“过程”停止, 不等于酸化“状态”解除

这一系列发现, 引出了我们这项研究最核心的观点: 必须清醒地区分“酸化过程”和“酸化状态”. 从“酸化过程”(即动态趋势)来看, 我们取得了阶段性的重大胜利: 中国农田土壤的持续酸化进程, 总体上已被遏制. 这证明了我国的农业绿色发展政策是卓有成效的.

但是, 从“酸化状态”(即当前水平)来看, 形势依然严峻. 稳定, 不等于恢复. 大量在过去几十年里已经酸化的土壤, 仍然处在不健康的酸性状态下. 水田虽然展现了恢复的潜力, 但幅度和范围仍有限; 而面积广大的旱地, 则基本“停滞”在酸化的状态上, 尚未出现实质性改善. 我们的模型预测, 即使在未来持续优化氮肥管理的理想情景下, 到2040年, 土壤pH的恢复幅度也将非常有限.

本研究也存在一定的局限性. 首先, 研究的数据基础依赖于已发表的区域调查数据, 这在早期年份和部分地区存在稀疏性问题, 且使用区域平均值可能掩盖田块尺度上的真实变异. 其次, 模型未能纳入所有变量, 例如本研究聚焦于粮食作物, 对施肥强度更高的经济作物(如果蔬)覆盖不足, 同时缺乏全国范围内详细的石灰施用、有机肥施用率等数据.

尽管存在这些不确定性, 本研究的核心结论——即中国农田土壤酸化过程总体停止——是稳健可靠的. 这项研究表明, 要让土壤“痊愈”将是一场持久战. 未来的土壤健康管理必须从“统一减氮”转向“分区施策”和“精准修复”. 这包括: 持续优化氮肥管理; 对有恢复潜力的水田, 应充分利用其内在的生物地球化学机制; 而对于恢复缓慢的旱地, 则必须考虑施用石灰等碱性改良剂进行“人工干预”. 土壤酸化治理不是一蹴而就的短期任务, 而是一个需要长期坚持的系统工程.

参考文献

[1] Kochian L V, Piñeros 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, 周世伟, 等. 我国农田土壤酸化调控的科学问题与技术措施. 中国科学院院刊, 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] Kögel-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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