酸性森林土壤緩沖酸沉降關(guān)鍵機理研究進展

江軍, 曹楠楠,2, 俞夢笑,2, 常中兵,2, 陳洋,2, 張碩,2, 閆俊華*

酸性森林土壤緩沖酸沉降關(guān)鍵機理研究進展

江軍1, 曹楠楠1,2, 俞夢笑1,2, 常中兵1,2, 陳洋1,2, 張碩1,2, 閆俊華1*

(1. 中國科學院華南植物園，中國科學院退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復與管理重點實驗室，廣州 510650; 2. 中國科學院大學，北京 100049)

對有關(guān)酸性森林土壤如何緩沖酸沉降的研究進行了綜述，從土壤礦物風化與離子交換反應(yīng)、有機質(zhì)的作用，和其他生命與非生命因素方面去探討酸性森林土壤緩沖酸沉降的關(guān)鍵機理，旨在加深人們對酸性森林土壤響應(yīng)酸沉降模式與緩沖機制的理解，從而更好地預(yù)測酸沉降背景下酸性森林土壤的酸化進程及其負面效應(yīng)，為制定科學合理的森林經(jīng)營管理措施，維持整個森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與生態(tài)服務(wù)功能提供科學借鑒。

酸沉降；土壤酸化；陽離子交換量；酸緩沖能力；土壤有機質(zhì)

由于礦物風化、植物對養(yǎng)分的吸收以及微生物新陳代謝活動的影響，森林土壤一直處在不斷的自然酸化進程中[1]。工業(yè)革命以來，人類經(jīng)濟的高速發(fā)展增加了大氣硫氧化物(SO2)與氮氧化物(NOX)的濃度，產(chǎn)生了極其嚴重的人為酸沉降問題，加速了森林土壤的酸化。在全球尺度上，酸沉降已經(jīng)成為許多自然林與人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤酸化的一個主要驅(qū)動力[2–4]。森林土壤酸化不僅會導致植物物種豐富度與森林生產(chǎn)力的降低[4–5]，還會對森林集水區(qū)與溪流水質(zhì)安全構(gòu)成潛在威脅[6–7]。因此，充分認識森林土壤對酸沉降的響應(yīng)規(guī)律與反饋機制，制訂科學合理的應(yīng)對措施，對人們可持續(xù)地經(jīng)營森林，維持整個森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定及其生態(tài)服務(wù)功能具有十分重要的現(xiàn)實意義。

雖然森林土壤擁有巨大的緩沖能力，會通過其內(nèi)部一系列物理的、化學的或生化的反應(yīng)來應(yīng)對酸沉降的增加，但長期強酸性物質(zhì)(H+、NO3–和SO42–)的持續(xù)輸入將不可避免地降低森林土壤pH與酸緩沖能力(ANC)[3,8–9]。然而，目前關(guān)于森林土壤如何緩沖酸沉降機理研究更多的是基于歐美溫帶森林的觀測結(jié)果[6,10–11]，這些溫帶森林土壤具有陽離子交換量(CEC)大、鹽基飽和度(BS)高的特點[2,10,12],因此所得結(jié)論能否推廣到那些風化程度較高、BS與pH均較低的酸性森林土壤(pH<7)還未可知。特別是在熱帶、亞熱帶地區(qū)，廣泛分布著磚紅壤、紅壤、赤紅壤、黃壤等酸性土壤類型，而且該區(qū)森林土壤絕大部分亦為酸性土壤[13]。在人為酸沉降增加的背景下，這些酸性森林土壤鹽基離子(Ca2+、Mg2+、K+和Na+)的流失與有毒物質(zhì)(Al, Cd和Cu)的釋放增加[14–15]，有些森林土壤pH甚至已降到4以下，土壤酸化問題異常嚴峻[16–17]。由于酸性森林土壤的分布區(qū)域大多屬于經(jīng)濟欠發(fā)達的國家或地區(qū)，人為酸沉降問題在短期內(nèi)無法從根本上得到解決，這就需要人們對這些酸性森林土壤能否繼續(xù)，又將如何繼續(xù)緩沖酸沉降有一個比較深入的認識。

為此，本文綜述了國內(nèi)外相關(guān)研究成果，主要從土壤礦物風化與離子交換反應(yīng)、有機質(zhì)的作用,以及其它生命與非生命因素方面去探討酸性森林土壤緩沖酸沉降的關(guān)鍵機理，并就酸性森林土壤的改良措施與今后需重點關(guān)注的研究領(lǐng)域提供一些建議，旨在加深人們對森林土壤酸化過程與規(guī)律的理解，從而更好地為森林的可持續(xù)經(jīng)營服務(wù)。

1 礦物風化與離子交換反應(yīng)

森林土壤是一個包含各種有機與無機組分的復雜系統(tǒng)，其對酸的緩沖可以簡單地理解為所有組分都參與的質(zhì)子化與去質(zhì)子化的反應(yīng)過程[13]，這一點不僅適用于酸性土壤，同樣存在于堿性或中性土壤的酸化反應(yīng)中。總體而言，森林土壤會通過自身礦物風化、溶解，釋放金屬陽離子的方式來消耗酸沉降所攜帶的過量氫離子(H+)，從而抑制pH的降低[2,10,18]，但這一過程持續(xù)的關(guān)鍵在于酸沉降速率與礦物風化速率之間的動態(tài)平衡。一旦H+的輸入速率超過土壤釋放陽離子的速率，土壤pH與ANC就會降低[19]。不同于溫帶森林土壤較高數(shù)量的永久電荷，酸性森林土壤擁有較高數(shù)量的可變電荷[13]。這些可變電荷主要來自土壤黏土礦物與金屬氧化物的表面[20–21]。因此，大部分酸性森林土壤都是通過硅酸鹽黏土礦物的風化、溶解以及陽離子交換反應(yīng)來緩沖酸沉降的[22]。由于金屬陽離子在土壤表面的吸附能力遵從三價陽離子(Fe3+>Al3+)>二價陽離子(Mn2+>Ca2+>Mg2+)>單價陽離子(K+>Na+)的順序[2],所以低價的陽離子會最先參與到與H+交換反應(yīng)的進程中。根據(jù)Bowman等[2]的不同pH土壤緩沖體系(圖1)，當酸性森林土壤pH為4.5~7時，鹽基離子與H+的交換反應(yīng)主導了酸的緩沖進程，這將導致鹽基離子的凈流失與土壤BS的降低[2,10,23–24]。pH<4.5的強酸性森林土壤對酸的緩沖主要依賴硅酸鹽等含鋁礦物的沉淀或溶解[19,25–26]，該進程在消耗H+同時將導致Al3+的凈釋放[26]。Li等[27]的研究表明，由于森林土壤酸化，Al3+濃度增加了44.7%。相比之下，鐵(Fe)在酸性條件下的溶解度要遠低于鋁(Al),但當土壤pH降至3以下時，F(xiàn)e的主導作用將逐漸凸顯[2,28]。礦物風化與離子交換反應(yīng)是土壤緩沖酸沉降的必然過程，該過程會一直持續(xù)，直到土壤陽離子庫消耗殆盡。因此，酸性森林土壤持續(xù)緩沖酸沉降的能力與其自身可用于風化反應(yīng)的礦物或陽離子庫的數(shù)量密切相關(guān)。

作為土壤緩沖能力的重要指標，CEC (單位質(zhì)量土壤上靜電吸附的交換性陽離子的摩爾數(shù))可以通過控制土壤交換性陽離子(如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Al3+和Fe3+)的供應(yīng)[29]，在維持土壤養(yǎng)分與pH緩沖方面扮演重要角色[30–31]。因此，那些擁有較高CEC的森林土壤往往具備較高的酸緩沖能力[3,10,17]。研究表明，CEC與2∶1型黏土礦物的含量顯著正相關(guān)[17]。在酸性的老成土中，絕大部分CEC來源于2∶1型硅酸鹽黏土礦物，由于Al3+能夠占據(jù)2∶1型硅酸鹽黏土礦物的絕大多數(shù)陽離子交換位，所以土壤酸化會導致交換性Al3+在老成土的大量積累。然而，有研究表明，在酸緩沖進程中，硅酸鹽黏土礦物含量較低的氧化土，交換性Al3+的比例較低[22]。酸性森林土壤大多位于熱帶、亞熱帶地區(qū)，高溫高濕的氣候條件加速了土壤礦物的風化，主要礦物組成已由原生的2∶1型硅酸鹽礦物轉(zhuǎn)化為1∶1型次生礦物(如高嶺石黏土礦物)。相對于原生礦物，次生礦物對土壤CEC與BS的貢獻較小[17]，因此這些酸性森林土壤的酸緩沖能力相對較低[3]。然而，由于高嶺石與Fe/Al氧化物之間的雙電子層對質(zhì)子有較強的吸附能力，所以擁有較多高嶺石與Fe/Al氧化物的森林土壤仍能持續(xù)緩沖酸沉降，從而延緩酸化進程[32]。Jiang等[9]的研究表明，由于較高的Fe/Al氧化物與交換性Al3+含量，亞熱帶成熟闊葉林土壤的酸化進程在模擬酸雨處理下并未顯著加速。所以,高價的金屬陽離子(尤其是Al3+)在酸性森林土壤緩沖酸化中的作用不容忽視。Tian等[24]的meta-analysis表明，不僅是酸性森林土壤，全球土壤對酸的緩沖也已開始由鹽基離子向非鹽基(如Al3+)轉(zhuǎn)變。

圖1 不同pH條件下土壤對酸的緩沖進程[2]

2 有機質(zhì)的吸附調(diào)節(jié)作用

土壤有機質(zhì)(SOM)作為土壤的重要活性組分,可在形成與分解的過程中作用于礦物風化、CEC或BS，從而影響土壤的酸緩沖能力。在強酸性森林土壤中，由于較低的pH抑制了土壤呼吸和微生物活性，SOM的積累增加[33]。這些SOM不僅能彌補土壤自身用于風化反應(yīng)礦物的不足，還能提供更多陽離子交換位，抑制土壤的酸化進程。歐美許多學者很早就開始探究SOM對CEC的貢獻與相關(guān)機理。例如，Kalisz等[34]通過大量美國森林樣地的觀測數(shù)據(jù)，證明了CEC與SOC間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。Thompson等[35]通過土壤粒徑分析，認為除了細的黏粒組分外，SOM可以解釋各粒徑土壤CEC變異的99%。在我國熱帶與亞熱帶地區(qū)，也有研究通過野外觀測與室內(nèi)模擬試驗量化了SOM對CEC的直接貢獻[3,9,16]。此外，在缺乏直接觀測證據(jù)的情形下，一些研究者則采用模型推演的方式來論證CEC與SOM間的關(guān)系[25–26,36]。相對于農(nóng)田等耕作土壤，酸性森林土壤往往擁有較低的黏土礦物含量，因此SOM成了CEC的主要貢獻者，在應(yīng)對土壤酸化中扮演了不可或缺的角色[37]。所以，較高SOM含量的森林土壤往往具備較高的CEC與酸緩沖能力。Jiang等[9]在我國南亞熱帶酸性森林土壤開展的研究表明，在演替頂極的成熟森林，由于土壤發(fā)育程度高，積累的較高數(shù)量與質(zhì)量的SOM是土壤緩沖酸沉降的主要貢獻者。相比之下，處在演替初期的森林，土壤發(fā)育程度相對較低，SOM的積累較少，酸的緩沖更多還是依賴土壤礦物的風化、溶解(圖2)[9]。然而，由于SOM包含了較大數(shù)量的酸性官能團, 容易導致質(zhì)子化點的密度與H+的釋放增加，因此SOM對CEC貢獻較大的酸性森林土壤的pH往往更低[37]。

SOM能夠成為CEC的重要來源，并在酸緩沖進程中扮演重要角色[11,38]，主要源于其巨大的比表面積與大量的負電荷數(shù)，因而具備了強大的陽離子吸附能力。所以，SOM在貢獻CEC，提供陽離子交換位的同時，還能固定游離態(tài)的金屬陽離子，降低其淋溶。SOM的吸附作用主要是通過與金屬陽離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的有機-金屬復合體，從而增加絮凝[11,38]。這種穩(wěn)定的有機-金屬復合體大多發(fā)生在帶負電荷的有機質(zhì)組分(如羧基、酚羥基)與多價的金屬陽離子(尤其是Al3+)之間[11,26]。在pH<4.5的強酸性森林土壤，Al的緩沖在消耗H+的同時, 也增加了土壤溶液中Al3+的濃度[25]。這些游離態(tài)的Al3+與SOM的絡(luò)合反應(yīng)，降低了Al3+的淋溶與植物生長的Al毒風險[36]。Jiang等[3]和Lu等[16]在鼎湖山季風常綠闊葉林開展的研究進一步證實了這一觀點。他們認為，在強酸(pH=2.5)與高氮(150 kg N hm–2a–1)處理下，Al3+的淋溶均未顯著增加。Al與SOM的有機絡(luò)合已被認為是許多酸性森林土壤持續(xù)緩沖酸沉降的重要機理[25,37,39]。因此，如果酸性森林土壤具有較高的SOM含量且SOM中Al的飽和度較高，那么該土壤緩沖酸的能力就更強。反之，如果SOM中Al的飽和度較低，有機捆綁點就會傾向于去質(zhì)子化，從而增加H+向土壤溶液的釋放[37,40]。另外，土壤中有機絡(luò)合Al的比例也會因土層深度的不同而不同。Lange等[41]的研究表明，在15 cm土層深度有機絡(luò)合Al的比例高達39%，而在40 cm土層，這一比例降至26%。這一現(xiàn)象可能歸功于深層土壤較低的Al3+淋溶量與較低的SOM含量[42]。Al的有機絡(luò)合同樣會增加SOM的穩(wěn)定性。在這一進程中，Al主要是通過中和有機分子表面的電荷來影響可溶性有機質(zhì)(DOM)的濃度，從而降低SOM的流失[38]。除了貢獻CEC、絡(luò)合金屬陽離子外，SOM的礦化進程(HC2O4–+H++1/2O2→2CO2+H2O)也會消耗部分H+，延緩土壤酸化[43–44]。

圖2 不同演替階段酸性森林土壤緩沖酸沉降的關(guān)鍵進程[9]。黑色箭頭粗細表示反應(yīng)程度的強弱；+: 增加; -: 降低。

對酸性森林土壤而言，由于SOM在貢獻CEC、絡(luò)合金屬陽離子中的巨大貢獻，SOM的不斷積累對酸的緩沖就顯得尤為重要。然而，人類活動(如森林砍伐、開墾等)的干擾導致了森林土壤的侵蝕與退化，降低了SOM的含量[45]，進而引起CEC與土壤酸緩沖能力的降低[29]。這可能主要源于以下兩方面原因, 首先，隨著SOM的降低，一些酸性官能團(如羧基和酚羥基)的溶解降低，引起土壤腐殖質(zhì)表面負電荷數(shù)量的降低，削弱了SOM與交換性陽離子的絡(luò)合作用[46]; 另一方面，由于SOM的降低，腐殖質(zhì)與黏粒礦物之間陽離子的固定(橋接)作用降低, 增加了腐殖質(zhì)-黏粒礦物復合體的不穩(wěn)定[47]。

3 影響酸緩沖能力的其它因素

作為植物生長的立地基礎(chǔ)與養(yǎng)分源泉，森林土壤對酸沉降的緩沖自然會受到其它生命與非生命因素的影響[24]。這些因素與土壤緩沖體系的交互作用，無疑增加了人們理解酸性森林土壤持續(xù)緩沖酸沉降潛力與關(guān)鍵機理的難度。

與溫帶森林相比，熱帶、亞熱帶森林大多植根于酸性土壤，其更大生產(chǎn)力的維持導致對土壤陽離子更大的需求量[48]，這種對陽離子的過度吸收無疑會加劇土壤酸化[22]。就種間差異而言，針葉樹為主的森林通常比闊葉樹主導的森林更能加速土壤酸化[47]。因為植物根系(尤其是細根)是有機酸的重要來源[49]，針葉樹在養(yǎng)分吸收過程中能夠通過根系釋放更多的有機酸到土壤中，以此來平衡過多陽離子(Ca2+、Mg2+和K+)的吸收[11,26,50]，這一過程一方面加速了土壤鹽基離子庫的耗竭，一方面增加了土壤溶液中H+的濃度，加劇土壤酸化[51]。Augusto等[52]的研究表明，歐洲幾種常見樹種酸化土壤的能力依次為挪威云杉()>冷杉()>樺木()>櫟樹()>椴樹()。Gruba等[11]的研究也得到類似結(jié)論。而且，針葉樹凋落物分解過程所產(chǎn)生的更多可溶性有機碳(DOC)，也是有機酸的一個重要來源[44]。Waller等[53]的研究表明，DOC的增加意味著自然產(chǎn)生的有機酸增加，這是許多歐美溫帶針葉林土壤ANC在人為酸沉降顯著降低后依然增加緩慢的重要原因。Yan等[7]對不同類型亞熱帶森林DOC通量的研究也表明, 馬尾松針葉林土壤DOC明顯高于常綠闊葉林土壤，進一步證明了針葉林能夠釋放更多有機酸, 加劇土壤酸化。另外，針葉林凋落物的易分解組分與養(yǎng)分含量均較低(較高的碳氮比)，凋落物層厚度較大，這些難分解的凋落物不利于養(yǎng)分離子的循環(huán)與土壤酸化的恢復[54]。相比之下，闊葉林凋落物質(zhì)量較高，分解速率較快，能夠通過分解釋放更多的鹽基離子到土壤中，促進土壤陽離子庫的快速恢復，延緩土壤酸化[12,55]。

在我國南方酸性土壤地區(qū)，由于分布了大量的馬尾松針葉林，酸沉降輸入的外源H+與內(nèi)源有機酸的聯(lián)合效應(yīng)可能會進一步加劇這些森林土壤的酸化，導致整個森林生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。然而，也有研究表明，在土壤酸化的環(huán)境下，許多植物可以通過根系釋放有機酸(如檸檬酸和蘋果酸)的方式改變根區(qū)Al的形態(tài)，從而達到降低Al毒的目的。這些有機酸不僅可以螯合自由的Al3+，降低其對植物生長的負效應(yīng)，還能在一定程度上減輕土壤酸化[56]。另外，土壤微生物也能釋放有機酸(如檸檬酸)，破壞土壤黏粒結(jié)構(gòu)，同時螯合自由的Al或Fe，增加其在土壤深層的積累[22]。

森林林冠層的截留作用，會使到達林地地表的酸性物質(zhì)濃度發(fā)生改變，從而影響土壤的酸緩沖能力。K?e?ek等[57]的最新研究表明，成熟云杉森林的林冠可以降低大氣酸沉降的27%~28%。在同一區(qū)域、相同酸沉降背景下，由于森林類型的不同，林冠的形態(tài)與結(jié)構(gòu)也會存在明顯差異，因而緩沖酸沉降的效應(yīng)也不同。Shen等[58]通過對比我國亞熱帶酸性土壤地區(qū)不同類型人工林林冠截留酸雨的效應(yīng),認為由于林冠的截留作用，馬占相思林內(nèi)穿透雨NO3–的濃度增加了44%，而且其穿透雨SO42–的濃度約為龍眼人工林的2倍，由此導致馬占相思林土壤pH比龍眼人工林降低了約1.4個單位。劉菊秀等[59]在鼎湖山自然保護區(qū)的研究表明，闊葉林穿透雨pH要明顯高于大氣降水pH，而馬尾松針葉林穿透雨pH卻呈現(xiàn)進一步降低趨勢，因此闊葉林林冠緩沖酸雨的能力要強于針葉林林冠。

土壤的酸緩沖能力還會受到土壤氮(N)、磷(P)有效性的影響。Lu等[17]的研究表明，N飽和的酸性森林土壤的酸緩沖能力要明顯弱于N限制的森林土壤。究其原因，可能是因為N飽和森林NO3–的流失量相對較高，為了維持土壤溶液中的電荷平衡，這些NO3–流失的同時往往伴隨著鹽基離子的流失[17]。在酸雨或氮沉降增加的背景下，這一過程得到加強，土壤鹽基離子庫耗竭嚴重，酸化加劇。然而，也有研究表明，在高N沉降下，反硝化作用反而增強了土壤的酸緩沖能力，這主要是因為反硝化作用可以使NO3–轉(zhuǎn)化成N2或N2O，降低其在土壤內(nèi)部的淋溶[60]，從而減少了鹽基離子的流失。Fang等[61]通過15N同位素標記的方法進一步論證了反硝化作用所產(chǎn)生的氣態(tài)N是森林土壤過量NO3–去除的主要途徑。有研究表明，在潮濕的熱帶、亞熱帶酸性森林土壤，反硝化作用甚至貢獻了大約80%的N匯[62]。與N不同的是，在pH較低的酸性森林土壤中，P一般是作為植物生長的限制因子存在。因為這些酸性森林土壤一般都已高度風化，P要么以有機的形態(tài)被大量淋失[63]，要么因土壤酸化而被Al3+固定形成穩(wěn)定化合物，不利于植物的吸收利用[64]。然而，正是由于這種穩(wěn)定Al-P化合物組分的存在，才使得Al3+的淋溶與Al毒風險降低[1]。在熱帶缺P的酸性森林土壤，增施P肥通常會改變土壤養(yǎng)分狀況，增加土壤pH，減輕土壤酸化[28], 這可能是因為P添加促進了植物對N的吸收[65]，從而減少了NO3–的淋溶，以致鹽基離子的流失降低[28,66]。然而，在砂巖發(fā)育的酸性森林土壤，低P有效性往往會增加SOM的C/P比，在限制微生物礦化作用的同時，增加可溶性有機酸的產(chǎn)量，加劇土壤酸化[67–68]。

此外，自然氣候條件也會顯著影響土壤的酸化進程。在降水豐富地區(qū)，強烈的淋溶作用增加了金屬陽離子的流失，土壤酸化加劇[69]。由于酸性森林土壤大多位于熱帶、亞熱帶氣候區(qū)，較高的降水強度與頻率，再加之人為酸沉降的影響，土壤酸化問題可能會愈發(fā)嚴重。

4 展望

酸沉降背景下酸性森林土壤的酸化進程與緩沖機制一直是生態(tài)學研究的熱點問題，該問題的深入探究將有助于加深人們對全球變化背景下森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)規(guī)律的認識，從而更好地為林業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營服務(wù)。在前人研究成果的基礎(chǔ)上，本部分就酸性森林土壤的改良與今后需加強研究的領(lǐng)域進行展望，并提出參考建議。

4.1 酸性森林土壤改良建議

鑒于森林土壤酸化對整個森林生產(chǎn)力及其生態(tài)服務(wù)功能的負面效應(yīng)，改良酸性森林土壤顯得迫在眉睫。然而，現(xiàn)有改良方法或多或少都存在一些弊端。比如，對鹽基耗竭的酸性森林土壤而言, 噴灑石灰是一種改善土壤酸度，補充鈣離子的有效方法[70]。方熊等[71]曾建議將土壤改良劑(石灰)在森林的上坡位噴灑，因為這樣可以通過地表徑流的遷移作用將其帶至下坡位，增加改良面積。但是，地表噴灑的方式對下層土壤的改良作用比較有限[72]。工業(yè)副產(chǎn)品(如石膏、堿渣等)，能夠增加土壤CEC與BS[73]；有機廢物包含碳酸氫鹽和去碳酸基[74]，可以中和酸性土壤中的有機酸性陰離子; 城市污水不僅可以改良土壤，還能夠解決城市污染問題[71]。然而，這些改良措施的背后都存在增加土壤重金屬污染的風險，因此可能僅限用于非經(jīng)濟林土壤的修復[71]。在農(nóng)業(yè)酸化土壤改良中廣泛使用的添加生物炭方法取得了較好的效果。生物炭的堿性特性既能中和土壤酸度，增加土壤緩沖能力，又能通過有機官能團的專性吸附方式絡(luò)合金屬陽離子，降低Al毒[75]。但是，該方法能否較好地用于酸性森林土壤的改良，相關(guān)報道還不多見。

森林土壤不同于農(nóng)田土壤，由于其地形、地勢條件的復雜性，再加上廣闊的面積，通過施用改良劑的方法改善土壤酸化顯然不夠現(xiàn)實。為此，一方面要大力推進經(jīng)濟發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，減少SO2與NOX的排放，從源頭上降低酸沉降；一方面要根據(jù)當?shù)氐沫h(huán)境、經(jīng)濟條件，在森林經(jīng)營中，多推廣耐酸性、對土壤養(yǎng)分需求相對較低的鄉(xiāng)土樹種，把土壤酸化的負面影響降至最低。

4.2 今后研究方向的思考

盡管現(xiàn)有研究已經(jīng)比較全面系統(tǒng)地探討了酸沉降下酸性森林土壤的酸化進程與緩沖機制，但今后仍需加強以下幾個方面的研究。

第一，現(xiàn)有研究更多著眼于森林集水區(qū)或小流域尺度，得出的結(jié)論能否推廣到區(qū)域尺度或全球范圍，還需進一步驗證。因此，今后的研究要更加注重對大尺度范圍內(nèi)土壤酸化進程的觀測研究，并結(jié)合氣象因子，進行模型推演預(yù)測，提高研究結(jié)論的普適性與科學性。

第二，現(xiàn)有研究主要還是從土壤礦物風化、離子交換反應(yīng)等物理、化學過程的層面探究酸性森林土壤緩沖酸沉降的相關(guān)機理，缺乏對土壤生物，特別是土壤微生物在酸緩沖進程中的貢獻與作用機制的探討。由于土壤微生物對土壤酸度的改變十分敏感，可能會通過其內(nèi)部一系列的生化過程來調(diào)節(jié)自身的適應(yīng)性，從而影響土壤的酸化進程，所以這應(yīng)是今后需要重點加強的研究領(lǐng)域。

第三，土壤酸化是一個復雜的過程，會受到眾多內(nèi)在與外在因素的影響。因此，今后的研究要特別加強各影響因素之間的耦合研究(如礦物風化-有機質(zhì)-微生物的耦合研究)，深入探究酸沉降背景下酸性森林土壤的緩沖機制。

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A Review of the Key Mechanisms of Acidic Forest Soils to Buffer Acid Deposition

JIANG Jun1, CAO Nan-nan1,2, YU Meng-xiao1,2, CHANG Zhong-bing1,2, CHEN Yang1,2, ZHANG Shuo1,2, YAN Jun-hua1*

(1. Key Laboratory of Vegetation Restoration and Management of Degraded Ecosystems, South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049, China)

Acidic forest soils are highly weathered with low pH and base saturation (BS), and thus a weak acid buffering capacity. However, whether or not these acidic forest soils can continue buffering elevated anthropogenic acid deposition remain largely unknown and controversial. The acidification processes in acidic forest soils from domestic and foreign studies were reviewed, aiming to advance people’s understanding of the response patterns and key buffering mechanisms of acidic forest soils to elevated anthropogenic acid deposition. The adverse effects of acid deposition-induced soil acidification in forest ecosystems will be predicted and disposed, and some references to forest management and maintaining the stability of those affected forest ecosystems and their services were also provided.

Acid deposition; Soil acidification; Cation exchange capacity; Acid buffering capacity; Soil organic matter

10.11926/jtsb.4086

2019–04–25

2019–07–14

國家杰出青年科學基金項目(41825020); 國家自然科學基金項目(31901296, 31270557)資助

This study was supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars (Grant No. 41825020), and the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 31901296, 31270557).

江軍(1986~ ), 男, 助理研究員, 研究方向為陸面生物地球化學循環(huán)。E-mail: jiangjun@scib.ac.cn

E-mail: jhyan@scbg.ac.cn