近几十年来,过量氮肥投入导致中国农田土壤发生显著酸化,对未来粮食安全的风险日益加剧。在自然生态系统中,大量研究表明,定量评价土壤酸化过程不仅为阐明酸化机制提供理论基础,还能为未来酸化治理提供政策建议。相比而言,对于农田土壤酸化过程定量化的研究相当缺乏。为深入理解农田土壤酸化过程,特别是揭示驱动土壤酸化的关键过程,定量研究土壤酸化主要驱动力的贡献,明确未来基于酸化改良的农田管理措施,验证基于模型分析的缓解土壤酸化的有效措施,本研究以产生氢离子(H+)的农田物质循环过程为研究对象,通过盆栽试验揭示物质循环过程H+产生与土壤实际酸化的定量关系,明确土壤pH对土壤氮素循环和氮肥产酸量的影响;利用土壤酸化模型定量评价长期施肥条件下,农田土壤酸化主要驱动力的贡献,提出缓解农田土壤酸化的措施,并结合田间试验验证改良措施对缓解土壤酸化的贡献。主要研究结果和结论如下:1.定量了不同类型氮肥的氢离子产生量、以及物质循环过程氢离子产生与土壤实际酸化的关系。铵态氮肥处理的H+产生量是尿素处理的3.8倍,高于两种肥料H+产生的理论比值2.0;实际肥料产酸量的高低很大程度上取决于土壤的硝化反应能力,硝化能力越强的土壤两者H+产量比值越接近理论值。在非钙质土壤上,氮(N)和碳(HCO3-)循环过程的产酸量与土壤盐基离子库的减少量呈显著的1:1正相关;在钙质土壤上,两者仅呈正相关。验证了非钙质性农田土壤,可以通过外源物质的输入-输出平衡计算H+产生量,量化土壤酸中和能力的变化,即实际土壤酸化速率,为进一步深入研究奠定了理论基础。2.揭示了土壤pH对氮素循环进而对肥料H+产生量的影响。随着土壤pH值的降低,土壤硝化、反硝化、氨挥发降低,淋洗液中的铵硝比显著增加,氮循环过程的氢离子产生量也显著降低;不同土壤类型对pH改变肥料产酸量的效应有一定的影响,这种效应在硝化能力弱的土壤上不显著;等量氮肥施用条件下,中性土壤与碱性土壤实际酸化速率相近,显著高于酸性土壤,而中性土壤缓冲能力一般较低,其酸化问题应受到关注。3.明确了长期施肥情况下农田土壤酸化的主要驱动力,并量化其贡献。基于我国三个长期定位试验的测定数据,应用进一步发展的VSD+模型模拟了农田土壤酸化趋势。模型很好的反映了不同条件下(气候、轮作体系和土壤类型)长期施用肥料对土壤pH和盐基饱和度的影响;在酸敏感区域的土壤上,定量了土壤酸化主要驱动力,发现在氮肥施用处理中N过程占总H+产生量的80%,而在不施氮处理中,盐基离子吸收也是土壤酸化的重要来源,约占总H+产生量的1/3。4.证明了提高氮肥利用率(NUE)能够显著降低农田土壤酸化速率。通过对不同缓解措施的预测发现,最有效的土壤酸化防治措施是优化氮管理,降低铵态氮的输入和硝态氮的淋洗,以及施用有机肥来增加盐基离子(BC)的输入,维持土壤BC平衡。结合三年的田间试验表明,NUE提高20%能够降低23%的肥料H+产生量。综上所述,本研究系统阐明了农田土壤酸化的过程,即揭示了非钙质性土壤上外源物质输入产酸量与实际土壤酸化1:1的正相关关系,从外源物质产酸量的定量研究中,明确了中性土壤的酸敏感,定量评价了农田土壤酸化主要驱动力的贡献,指出优化氮肥管理,合理降低氮肥用量、提高氮肥利用率、减少硝态氮的淋洗,通过施用有机肥、石灰等,保持土壤盐基离子平衡,是缓解高度集约化农业土壤酸化的重要途径。