期刊：Resources, Conservation & Recycling
題目：Straw return exacerbates soil acidification in major Chinese croplands作者：Fei Liang, Binzhe Li, Rolf David Vogt, Jan Mulder, He Song, Jingsheng Chen, Jingheng Guo*秸稈還田被廣泛推薦為提高土壤肥力和固碳在土壤中的有吸引力的措施。秸稈還田被認(rèn)為可以補(bǔ)充同化的鹽基離子，從而緩解土壤酸化。然而，另一方面，秸稈分解會(huì)增加土壤中的 CO2 和土壤中的有機(jī)酸的含量。這些弱酸可能會(huì)加速鹽基離子淋溶，從而導(dǎo)致土壤酸化。一般認(rèn)為秸稈還田對(duì)土壤酸化有緩解作用，但忽略了鹽基離子淋溶增加的潛在影響。支持這一觀點(diǎn)的主要依據(jù)是在強(qiáng)酸性土壤上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，有報(bào)告稱秸稈會(huì)導(dǎo)致土壤 pH 值升高。秸稈還田是否也能緩解酸性較弱土壤的酸化，目前還不清楚。此外，對(duì)決定酸性較弱土壤在秸稈還田后酸化平衡的主要驅(qū)動(dòng)因素的研究也不足因此，本研究的主要目的是評(píng)估不同土地利用類型和土壤pH范圍內(nèi)的秸稈還田對(duì)土壤酸化的影響。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，作者在中國各地使用三個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行了綜合分析。中國主要農(nóng)田的表土遭受了顯著的酸化，自20 世紀(jì) 80 年代以來，中國主要耕地土壤遭受了嚴(yán)重酸化，全國范圍內(nèi)平均 pH 值下降了0.5-0.6個(gè)單位。為改善土壤和環(huán)境質(zhì)量，中國自2000 年起開始實(shí)施秸稈還田政策。這些全國范圍內(nèi)的變化為研究秸稈還田對(duì)土壤酸化的影響提供了難得的機(jī)會(huì)。首先，作者介紹了過去四十年（1980-2020 年）秸稈還田的快速增長。然后，從122 項(xiàng)已發(fā)表的科學(xué)研究中匯編了全國145 項(xiàng)田間試驗(yàn)，以評(píng)估秸稈引起的土壤 pH 值變化及其主要驅(qū)動(dòng)因素。最后，估算了全國范圍內(nèi)和六個(gè)區(qū)域內(nèi)秸稈誘發(fā)土壤酸化的風(fēng)險(xiǎn)。全國秸稈產(chǎn)量和秸稈還田率的計(jì)算首先，作者計(jì)算了所有作物品種的秸稈/谷物總產(chǎn)量比，即用國家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站（stats.gov.cn）上公布的全國秸稈產(chǎn)量除以相應(yīng)的糧食產(chǎn)量。這一總比率是所有作物的總體“平均值”，而不是任何特定物種的“平均值”。計(jì)算得出的總秸稈/籽粒比率為 1.05（1.00-1.10，95% 置信區(qū)間，n = 113）。然后，根據(jù)這個(gè)秸稈/籽粒比和相應(yīng)年份的實(shí)測(cè)糧食產(chǎn)量（stats.gov.cn）計(jì)算出了秸稈年產(chǎn)量。計(jì)算得出的秸稈產(chǎn)量與現(xiàn)有研究的測(cè)量值一致，比率為 1.04±0.10。根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)四個(gè)年代（即 1980 年代、1990 年代、2000 年代和 2010 年代）的秸稈還田率進(jìn)行了匯編和并取平均值。了在全國范圍內(nèi)評(píng)估秸稈引起的酸化風(fēng)險(xiǎn)，作者分別編制了旱地和水田的土壤pH分布。這些數(shù)據(jù)來自全國第二次土壤普查。首先，主要根據(jù)各省的地理位置及其種植模式，將耕地劃分為中國的六個(gè)區(qū)域：東北（NE；黑龍江省、吉林省和遼寧?。⑷A北（NC；北京市、天津市、內(nèi)蒙古自治區(qū)、山東省、山西省、河南省和河北省）、西北（NW；新疆自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)、青海省、甘肅省和陜西?。?、長江中下游（MLYP；上海、江蘇、湖南、湖北、江西、安徽和浙江省）、西南（SW；西藏、四川、重慶、云南和貴州?。┖蜄|南（SE；福建、廣東、廣西和海南?。?。然后，分別計(jì)算了各區(qū)域旱地和水田土壤的 pH 分布。隨著糧食產(chǎn)量的提高，中國的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量在過去四十年中幾乎翻了一番，到 2020 年將達(dá)到 7.06×108噸。此外，一系列政策使全國范圍內(nèi)的秸稈還田率從 20 世紀(jì)80 年代的不足 20%提高到2010年代的約53%。在旱地和水田，秸稈誘導(dǎo)的土壤 pH 值變化幅度與初始土壤 pH 值呈負(fù)相關(guān)（p < 0.01）。旱地的臨界土壤 pH 值為 6.7（5.9-7.1，95% CI）。水田相應(yīng)的臨界土壤 pH 值為 5.4（4.5-5.9，95% CI）。這表明水田土壤酸化的風(fēng)險(xiǎn)明顯高于旱地（p < 0.01）。氮肥對(duì)土壤酸化的作用明顯大于秸稈還田。然而，在 45 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)有 17 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，秸稈還田導(dǎo)致的 pH 值下降幅度大于氮肥。此外，在高秸稈還田水平下，土壤 pH 值的下降幅度明顯大于低秸稈還田水平，這凸顯了隨著秸稈還田率的增加，土壤進(jìn)一步酸化的風(fēng)險(xiǎn)。在西北地區(qū)和華北地區(qū)，由于水田種植面積較小，90%以上的堿性和中性旱地將因秸稈還田而酸化。一般來說，長江中下游和西南的旱地土壤 pH 值為中性。因此，這些旱地的土壤酸化風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)低于西北和華北。另一方面，在這兩個(gè)地區(qū)，秸稈引起的水稻田土壤酸化風(fēng)險(xiǎn)較高。中國東北的旱地和水田土壤均呈弱酸性。因此，秸稈引起的酸化風(fēng)險(xiǎn)在水田比旱地更高。秸稈引發(fā)酸化的風(fēng)險(xiǎn)最低（即 25.5%）的是中國東南（SE）的旱地，那里的土壤大多呈微酸性（pH 值為 5.5-6.5）。然而，這些土壤僅占中國旱作農(nóng)業(yè)用地面積的 2.5%。據(jù)估計(jì)，在全國范圍內(nèi)，秸稈還田分別加劇了77% 和80%的旱地和水田的土壤酸化。農(nóng)作物秸稈還田作為一項(xiàng)強(qiáng)制性農(nóng)業(yè)政策已在中國實(shí)施，其主要目的是緩解當(dāng)前的土壤酸化問題。然而，作者研究表明，除酸性和中性旱地土壤外，秸稈還田加劇而非逆轉(zhuǎn)了中國主要農(nóng)田的土壤酸化。秸稈還田引起的土壤酸pH變化幅度與初始土壤酸堿度呈負(fù)相關(guān)。旱地和水田的臨界初始土壤 pH 值分別為 6.7 和 5.4，超過這個(gè)值，秸稈還田將導(dǎo)致土壤進(jìn)一步酸化。根據(jù)中國耕地土壤 pH 值的地理分布，作者估計(jì)秸稈還田會(huì)導(dǎo)致 77% 的旱地和 80% 的水田土壤酸化。這項(xiàng)首次揭示了秸稈還田在區(qū)域范圍內(nèi)加速土壤酸化的證據(jù)，表明過度的秸稈還田不僅會(huì)造成秸稈資源的浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響。 圖1. 實(shí)驗(yàn)研究地點(diǎn)的地理分布。橙色和綠色點(diǎn)分別表示旱地和水田
 圖2. 1980-2020年中國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量和還田率的變化。農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量和還田率數(shù)據(jù)均根據(jù)已發(fā)表的文獻(xiàn)計(jì)算得出。灰色區(qū)域代表農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量的 95% 置信區(qū)間
 圖3. SN 和 N 處理的土壤 pH 值差異分布（a）及其與初始土壤 pH 值的關(guān)系（b）。SN 和 N 分別表示秸稈與氮肥混合施用的試驗(yàn)處理和僅施用氮肥的對(duì)照處理。土壤 pH 負(fù)差表示秸稈還田導(dǎo)致土壤酸化
 圖4. 不同處理的土壤pH差異。a: 只施氮肥（即 N-CK）和秸稈還田（即 SN-N）造成的土壤 pH 值差異比較。b：秸稈還田水平對(duì) SN 處理與相應(yīng)氮肥對(duì)照（即 SN-N）之間土壤 pH 值差異的影響。低水平和高水平分別對(duì)應(yīng)同一試驗(yàn)中最低和最高的秸稈還田率。紅線和綠方塊分別代表中值和均值
 圖5. 中國六大農(nóng)業(yè)區(qū)秸稈引發(fā)土壤酸化的風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)分別以旱地和水田的面積百分比表示。各欄中的橫線和虛線為相應(yīng)的平均值及其95%的置信區(qū)間
 圖6. 氮肥施用和秸稈還田導(dǎo)致的土壤鹽基離子（BC）變化示意圖
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