2. 西北农林科技大学化学与药学院,杨凌 712100;
3. 西北农林科技大学水土保持科学与工程学院(水土保持研究所),杨凌 712100
2. College of Chemistry and Pharmacy, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;
3. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China
粮食安全是国家发展的基石,耕地质量建设是保障国家粮食安全的战略需求[1]. 近30 a,在耕地利用强度增大、施肥及管理不当等加剧影响下,土壤酸化、盐碱化等土壤质量退化问题更加严重[2]. 分布在我国长江以南热带和亚热带地区的酸性黄壤[3],严重制约着该区域土壤生产潜力的发挥,限制作物的高产高效[4]. 因此,开展酸化土壤改良和提高作物产量对我国长江上游地区农业可持续发展具有重要意义.
有研究表明,降低无机肥施用量、增加有机物料或白云石等碱性物料投入是改良酸性土壤比较高效实用的技术措施[5]. 传统无机矿物材料如白云石通过补充Ca2+和Mg2+等盐基离子增加土壤盐基饱和度,促进交换性铝水解沉淀,但随碱性被中和、养分被吸收而容易丧失作用,存在土壤复酸化风险[6];白云石持续施用可能加速土壤有机质分解,造成土壤板结[7]. 有机物料如有机肥、新型生物炭等材料,主要通过有机阴离子的去羧基作用和碳酸盐等含氧官能团质子化作用释放碱性物质消耗土壤H+,进而释放盐基阳离子,增加土壤盐基饱和度,增强养分蓄持能力[8]. 有机肥腐殖质分解持续缓释养分增加土壤有机质,生物炭大比表面积负电荷具有长久吸附能力,能提升土壤酸缓冲能力. 然而,有机物料存在改良效果缓慢、使用成本高等问题. 由此可见,很难利用单一改良剂同时解决土壤降酸提质改良且效果持续等耦合性问题.
有机-无机复合改良技术能够发挥长效综合作用,有助于协同推进土壤酸性改良、基础肥力培育和作物产量提升[9]. 然而,受不同改良剂种类、配比和土壤特性等因素影响,复合配施后因化学成分和作用机制差异可能具有拮抗作用,有研究表明有机肥矿化释放的铵态氮发生硝化作用再次释放质子,对土壤pH的提升效果不显著,甚至在一定条件下会诱发土壤pH值下降[10,11],生物炭在土壤pH升高后可能促进土壤氮发生硝化反应,抵消土壤酸度的改良效果[12]. 酸性土壤的改良效果主要取决于灰化碱、矿化反应和硝化反应的作用总和,外源添加材料形成的不同C/N复配组合导致其调控酸化土壤的效果具有不确定性[13],使得其对酸性黄壤的改良效果及作物生长的影响还有待进一步评价.
因此,本研究基于西南酸性黄壤地区的春玉米田间试验,探讨白云石、生物炭或有机肥三者的复配组合的技术对土壤酸性离子运移、碳氮分布和作物产量的影响,阐明复合型改良剂调控黄壤致酸效应的差异与机制,以期为合理利用多元材料防治黄壤酸化提供理论依据和技术支撑.
1 材料与方法 1.1 试验区概况春玉米田间试验于2024年5~10月在重庆市南川区大有镇石良村(29°01′N,107°18′E)开展(图 1). 试验区处于四川盆地东南边缘与云贵高原过渡地带,属亚热带湿润季风气候区,多年平均气温14.8℃,年平均日照时数401 h,年平均降水量1 200 mm,光热水丰富且与玉米生长同期,是典型的西南雨养玉米生产区. 依据USDA土质分级标准,试验区土壤类型为黄壤,土质为粉质黏土. 试验田初始土壤基本理化性质(0~40 cm土层平均值):pH值为5.13,盐基饱和度(BS)为80.73%,交换性氢(EC-H)交换量为0.31 cmol·kg-1,交换性铝(EC-Al)交换量为1.81 cmol·kg-1,ω[有机碳(SOC)]为17.28 g·kg-1,ω[全氮(TN)]为1.33 g·kg-1,ω[有效磷(AP)]为5.36 mg·kg-1,ω[速效钾(AK)]为129.51 mg·kg-1.
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图 1 试验站地理位置 Fig. 1 Geographical location of the test station |
选用当地玉米品种“盛馨6B”,本试验开始前于2024年5月16日进行播种育苗,2024年5月27日按照行距80 cm,株距50 cm进行移栽. 移栽前撒施混匀的改良剂,按照当地农户习惯基施磷酸二铵(15-42-0)400 kg·hm-2,其中包含有机肥的处理遵从等氮原则减量配施,拔节期追施尿素(含46% N)375 kg·hm-2,生育期内根据生长情况进行人工除草除虫,其他管理各小区保持一致. 本试验采用完全随机区组排列,以不施任何改良剂作为对照(CK)、有机无机改良剂组合设置单施有机肥(OF)、单施生物炭(BC)、有机肥配施白云石(OF+D)和生物炭配施白云石(BC+D)共5个处理(表 1),每个处理重复3次,共15个小区,每小区面积为15 m2(3 m×5 m). 供试材料基本理化信息如表 2所示,有机肥购自标优美生态工程盐城有限公司,生物炭购自河南星诺环保材料有限公司,白云石购自河北庆江新材料有限公司.
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表 1 酸性土壤改良试验处理设计/kg·hm-2 Table 1 Experimental treatment design for acidic soil improvement/kg·hm-2 |
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表 2 土壤改良材料与无机肥料的基本理化性质 Table 2 Basic physical and chemical properties of soil improvement materials and inorganic fertilizers |
1.3 样品采集与分析 1.3.1 土壤含水率与盐基离子含量
采用土钻间隔3层取土壤样品(0~10、10~20和20~40 cm),后用烘干法测得土壤含水率. 风干研磨过1 mm筛采用梅特勒-托利多pH计以水土质量比2.5∶1测定土壤pH. 采用KCl淋溶-中和滴定法测定交换性氢铝;应用乙酸铵交换法和原子分光光度计测定盐基离子含量,加和法确定交换性盐基总量,计算得到盐基饱和度.
1.3.2 土壤碳氮含量土壤研磨过2 mm筛,利用AA3型流动分析仪测定硝态氮(NO3--N). 过0.25 mm筛采用凯氏定氮法测定土壤全氮,重铬酸钾氧化外加热法测定土壤有机碳,土壤速效磷的测定采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提钼锑抗比色法.
1.3.3 作物生物量与产量在玉米播种后47、62、77、98和120 d对应的苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期共5个关键生育期,随机从各小区选择长势相同的3~5株代表性玉米,经过处理后放至烘箱中105℃杀青30 min,然后调至75℃烘干至恒重称重获得玉米植株干物质量. 按器官分类分别研磨粉碎后过0.25 mm筛,利用凯氏定氮法测定玉米各器官全氮,用于计算氮素利用效率. 玉米成熟后,测定穗粒数和穗行数等指标,待人工脱粒并风干考种后,计算其百粒重和产量.
1.4 数据处理本研究利用Python对数据进行统计分析,应用SPSS 27对不同处理不同土层的土壤理化性质等数据采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan多重比较(α=0.05)进行显著性检验,采用Origin 2021软件和R语言绘图. 涉及到的相关指标计算公式如下.
1.4.1 土壤盐基饱和度| $ \text {交换性酸}\left(\mathrm{cmol} \cdot \mathrm{~kg}^{-1}\right)=\text {交换性} \mathrm{H}^{+}+\text {交换性} \mathrm{Al}^{3+} $ | (1) |
| $ \text {交换性盐基总量}\left(\mathrm{cmol} \cdot \mathrm{kg}^{-1}\right)=\text {交换性}\mathrm{K}^{+}+ \\ \;\;\text {交换性}\mathrm{Na}^{+}+\text {交换性}\mathrm{Ca}^{2+}+\text {交换性}\mathrm{Mg}^{2+} $ | (2) |
| $ \text {有效阳离子交换量}\left(\mathrm{ECEC}, \mathrm{cmol} \cdot \mathrm{kg}^{-1}\right)= \\ \;\; \text {交换性酸+交换性盐基总量} $ | (3) |
| $ \text {盐基饱和度 (BS,} \%)=\text { 交换性盐基总量/ECEC} $ | (4) |
| (5) |
| (6) |
式中,W为土壤储水量,cm;ωi为第i层土壤含水率,%;N为土壤硝态氮储量,kg·hm-2;xi为第i层土壤硝态氮含量,mg·kg-1;Bi为第i层土壤容重,g·cm-3;Li为所取土层的厚度,cm;i取值1~3.
1.4.3 作物氮利用效率| (7) |
| (8) |
| (9) |
式中,P为成熟期玉米氮素累积量,kg·hm-2;NP为成熟期玉米植株含氮量,g·kg-1;GM为成熟期玉米地上部干物质累积量,kg·hm-2;PFP为氮肥偏生产力,kg·kg-1;NUPE为氮素吸收效率,kg·kg-1;Y为不同处理的玉米产量,kg·hm-2;N为施氮量,kg·hm-2.
2 结果与分析 2.1 复配改良剂对酸性黄壤pH、EC-H和EC-Al的影响图 2为复配改良添加对黄壤0~40 cm土层pH和交换性氢铝离子的影响情况,其中图 2(a)表明,全生育期内CK、OF、OF+D、BC和BC+D的pH分别在3.31~6.41、3.66~6.44、3.69~7.20、4.78~6.80和3.15~6.72之间,相较于CK各处理使得pH增加5.8%~8.2%,但均未达到显著水平. OF、OF+D、BC和BC+D分别相比CK提高了0.30、0.43、0.36和0.33个pH单位,OF+D对提升黄壤pH作用最优. 如图 2(b)和图 2(c)所示,在0~10、10~20和20~40 cm土层中EC-H和EC-Al分别降低了20.3%和24.8%、21.2%和28.2%、22.0%和33.0%,与CK相比各处理均能削减全土层中酸性离子. 各处理EC-H于0~10 cm和20~40 cm土层中差异更显著,EC-Al则在10~20 cm土层中改良效果更突出. 20~40 cm中OF+D相较CK的EC-H显著降低了31.1%,其余三者差异未达显著,具体表现为:BC>OF>BC+D>CK. 10~20 cm中OF、BC、BC+D与CK相比EC-Al分别显著减低了28.8%、21.4%和22.8%,OF+D较三者又减少了16.2%. 可见OF+D对于降低黄壤酸性整体效果最佳.
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(a)~(c)分别表示不同处理土壤pH、EC-H和EC-Al变化情况,其中小写字母表示不同处理间差异显著性(P<0.05);处理编号对应为1.CK,2.OF,3.BC,4. OF+D,5. BC+D 图 2 复配改良添加对0~40 cm土壤pH和交换性氢铝离子的影响 Fig. 2 Effects of compound modifier addition on pH and exchangeable hydrogen and aluminum ions in 0-40 cm soil |
由图 3复配改良添加对盐基饱和度的影响进一步表明,与CK相比BS显著提高34.8%,表现为:OF+D>OF>BC+D>BC>CK. 3个土层的BS与pH均呈正相关,其中10~20 cm亚表层土壤相关性最好(R2=0.197),20~40 cm深层土壤次之(R2=0.193),0~10 cm表层土壤最差(R2=0.171). 0~40 cm中有机肥(OF和OF+D)相比生物炭(BC和BC+D)增加25.9%,特别是在10~20 cm中OF+D显著高于BC和BC+D(P<0.001),略高于OF 13.2%.
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(a)表示不同处理各土层盐基饱和度变化情况,其中*表示P<0.05具有显著性,**表示P<0.01具有极显著性,***表示P<0.001具有极高显著性;(b)表示各土层盐基饱和度与pH的相关关系,外侧峰用于补充散点图,x和y轴外侧分别表示各土层BS和pH值的分布特征;处理编号对应为1.CK,2.OF,3.BC,4. OF+D,5. BC+D 图 3 复配改良添加对0~40 cm土壤盐基饱和度的影响 Fig. 3 Effects of compound modifier addition on base saturation in 0-40 cm soil |
2024年全生育期各处理0~40 cm剖面土壤含水率分布及储水量变化如图 4,土壤水分随土层深度增加先减小后升高. 玉米播后62~98 d,0~20 cm土壤含水率表现为:OF>BC>BC+D>OF+D>CK,但各处理较CK无显著差异,20~40 cm中,OF、BC、OF+D、BC+D则显著增加29.61%、27.10%、5.50%和5.25%. 0~40 cm剖面中BC+D土壤含水率分布均匀,OF+D分布则集中在浅表层,且前者含水率高于后者,说明BC+D有效改善了黄壤物理结构,促进水分向深层入渗累积. 播后98~120 d各处理均接近田持差异不显著,OF、BC、OF+D和BC+D土壤含水率分别为22.67%、21.40%、20.10%和20.93%,仍略高于CK处理的19.63%,复合改良剂添加能够有效提高黄壤的抗旱能力. 图 4(f)各生育期土壤储水量变化与含水率变化规律一致,苗期和成熟期各处理较CK平均提高了14.07%和4.09%,但均无显著差异. 拔节期到灌浆期,OF处理分别显著提高了39.02%、19.17%和31.22%,BC显著提高45.30%、15.30%和19.57%,OF略优于BC,改良效果最佳. OF+D和BC+D相比于OF和BC土壤储水量分别降低了24.11%和21.85%,增施白云石反而不利于保墒.
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(a)~(e)分别表示CK、OF、OF+D、BC和BC+D处理土壤水分分布情况,(f)表示全生育期各处理土壤储水量变化,其中小写字母表示同一时期在不同处理间差异显著性(P<0.05) 图 4 2024年春玉米生育期0~40 cm土壤含水率分布及储水量变化 Fig. 4 Distribution of soil moisture content and changes in soil water storage in the 0-40 cm soil layer during the spring maize growing season in 2024 |
2024年全生育期各处理0~40cm剖面土壤硝态氮分布及储量变化如图 5,全生育期土壤平均ω(NO3--N)在6 ~84 mg·kg-1之间,随时间推移先增后减. 各土层中CK的NO3--N始终处于最低水平,不同处理均有效提高了NO3--N含量,但不同土层中均未形成显著差异. 在0~40 cm土层中整体表现为:OF+D>BC>BC+D>OF>CK,OF+D相比OF、BC和BC+D分别显著增加63.54%、38.27%和60.06%. BC和BC+D高量分布在30~40 cm,OF和OF+D则靠近20~30 cm,且前者NO3--N含量高峰时段更加持久,BC比OF更利于硝态氮迁移滞留,进而增加全耕层氮素残留. 图 5(f)各生育期土壤硝态氮储量变化所示,苗期土壤NO3--N储量较CK处理有所提升但差异较小,拔节期到成熟期土壤NO3--N储量差异显著增大,与CK相比这四阶段分别提高74.81%、35.45%、150.92%和59.67%. OF+D比OF在各生育期平均提高45.20%,BC+D比BC仅在抽雄期和成熟期提高38.90%,其他时期则降低,说明OF+D促进氮积累,BC+D则反之,OF+D优于BC+D.
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(a)~(e)分别表示CK、OF、OF+D、BC和BC+D处理土壤硝态氮分布情况,图(f)表示全生育期各处理土壤硝态氮储量变化,其中小写字母表示同一时期在不同处理间差异显著性(P<0.05) 图 5 2024年春玉米生育期0~40 cm土壤硝态氮分布及储量变化 Fig. 5 Distribution and changes in soil nitrate nitrogen in the 0-40 cm soil layer during the spring maize growing season in 2024 |
图 6为添加复配改良剂后不同土层土壤养分含量. 其中图 6(a)和图 6(c)表明在0~20 cm土层中,与CK相比ω(TN)和ω(SOC)平均提升了0.21 g·kg-1和4.50 g·kg-1,20~40 cm中分别增加了0.18 g·kg-1和3.08 g·kg-1. 但全土层中除BC外对TN和SOC的影响均未达到显著水平,两者均表现为:BC+D>OF+D>OF,配施白云石有助于黄壤碳氮固存. BC与CK相比TN增加38.3%,SOC增加90.1%,显著优于其他处理. 图 6(d)中C/N变化与TN和SOC结果一致,在0~40 cm土层中BC和BC+D相比OF和OF+D的C/N提高作用更显著,且在深层土壤中BC比BC+D的C/N平均高出12.4%,表明BC最利于提高黄壤C/N. 由图 6(b)所示0~40 cm土层中AP受添加复配改良剂影响极显著,相较于CK各处理在0~10、10~20和20~40 cm中AP分别增加了503.1%、468.3%和387.5%,浅层增幅略大于深层. 与CK相比,OF、OF+D和BC+D显著增加了289.2%、551.6%和184.4%的AP,BC又较三者了提高359.1%,增磷效果最佳.
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(a)~(d)分别表示各处理土壤TN、AP、SOC和C/N变化情况,其中小写字母表示同一土层在不同处理间差异显著性(P<0.05);处理编号对应为1.CK,2.OF,3. OF+D,4. BC,5. BC+D 图 6 复配改良添加对土壤养分含量的影响 Fig. 6 Effects of compound modifier addition on soil nutrient content |
图 7为不同复合改良组合作用下玉米干物质变化情况,各处理干物质均随着时间推移逐渐增大,且分配规律基本一致,苗期到拔节期差异主要表现在叶中,拔节期到抽雄期表现在茎中,成熟期则体现在籽粒中. 苗期到拔节期相比CK各处理的玉米干物质平均增加9.0%~12.7%,但差异均未达到显著,而OF+D与BC+D将玉米干物质提高17.6%和13.9%,表现出促进玉米生长的显著优势. 拔节期之后与CK相比差异增加,OF、BC、OF+D和BC+D分别将玉米干物质提高22.1%~53.0%、20.5%~45.1%、21.3%~58.5%和27.6%~56.3%,OF和OF+D表现优于BC和BC+D. 全生育期干物质积累表现为:OF+D(39.5%)>BC+D(34.7%)>OF(26.8%)>BC(21.6%)>CK.
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不同小写字母表示同一时期不同处理间玉米整株干物质差异显著性(P<0.05);处理编号对应为1.CK,2.OF,3. OF+D,4. BC,5. BC+D 图 7 2024年春玉米生育期干物质变化 Fig. 7 Changes in aboveground biomass of spring maize during the growing season in 2024 |
由表 3可知,相较于CK,各处理的穗行数、行粒数和百粒重均有所提高但差异不显著,三者分别增加了1.0%~5.7%、0.5%~7.5%和2.2%~8.9%. OF、BC、OF+D和BC+D产量分别提高了6.1%、1.6%、10.3%和17.3%,OF+D>OF且BC+D>BC,配施白云石激发增产潜力,BC+D产量高于OF+D,但无显著差异. 表 4为春玉米植株氮素积累量及氮素利用效率,与CK相比各处理叶和茎中氮积累平均增加了15.5%和63.5%,但未达到显著水平. OF和OF+D在籽粒中氮积累显著提高了62.2%和77.6%,从而促进植株整体的氮积累量增加59.9%和73.8%. 其中OF+D比OF提高13.9%,BC+D比BC提高5.3%,说明配施白云石更助于黄壤氮素同化周转,特别是OF+D的NUPE和PFP皆显著提升73.8%和10.3%,玉米氮吸收效果最佳.
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表 3 春玉米产量及其构成要素1) Table 3 Yield and its components of spring maize |
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表 4 春玉米成熟期各器官氮素积累量及氮素利用效率1) Table 4 Nitrogen content in different organs and nitrogen use efficiency of spring maize at maturity stage |
3 讨论 3.1 复配改良剂对黄壤酸度的影响
石灰矿物改良剂白云石,本身弱碱性能够与土壤中H+结合生成弱酸性的盐,中和土壤表面的活性酸和潜性酸,提高土壤pH,降低交换性酸[14,15]. 江家泉等基于白云石为原料制造改良剂配施肥料1 a后土壤pH值提高了0.25,施用3 a后pH提高幅度为7.8%~12.3%[16]. 本研究结果显示配施白云石pH平均增加了0.33,这与前人结论一致[17],而较CK差异不显著可能是由于施用年限较短. 与白云石相比,有机复合调理剂改良效果更加全面综合,且不需要频繁施用. 生物炭表面羧基的质子化和碳酸盐的溶解导致的阳离子释放增加,且在土壤中持续发生的缓慢氧化反应,从而提高了掺入土壤酸缓冲能力和耕作土壤的可持续生产力[18,19]. 有机肥中大量腐殖质表面的含氧官能团与土壤中的H+和Al3+结合,降低交换性铝的含量,进而提高土壤pH值,改善土壤酸碱缓冲能力,同时有机肥对有机氮矿化的激发效应较高,对红壤酸化具有预防或逆转作用[20]. 本研究中有机肥和生物炭在单施或配施白云石后均能降低土壤酸度,与前人大量研究结论一致,而研究中与BC相比,BC+D在提升土壤pH和降低EC-H方面的作用减弱,可能是因为生物炭通过吸附土壤中碱性阳离子与致酸离子发生反应,白云石本身富含钙镁等盐基离子矿物质,可以补充土壤酸化过程中流失的养分[21,22],但与生物炭配施时,这些盐基离子可能率先与碳酸盐形成稳定产物,中和掉了生物炭部分碱性,同时优先占据了生物炭表面含氧有机官能团吸附阳离子的位置,加剧土壤中盐基离子吸附竞争,从而导致生物炭阻酸性能下降,但因Ca2+和Mg2+的交换能力小于Al3+,故BC+D仍比BC对EC-Al和BS的表现更好.
此外与前人不同,本研究还进一步对比了不同土层中黄壤酸度差异发现,生物炭处理(BC和BC+D)在0~10 cm和20~40 cm土层中对EC-H和BS的影响更显著,而有机肥处理(OF和OF+D)则在10~20 cm土层中能够更好消减EC-Al,提高黄壤BS. 这可能是因为农田土壤酸化主要由于偏施氮肥导致硝态氮累积或淋溶损失,氮素转化中由硝化作用释放的H+不能被中和,使得土壤净H+增加,并且有机肥比生物炭有效氮更多,从而促进了矿化释放铵盐产生了更多H+. 而有机肥分解产生腐殖质,可与金属铝离子形成稳定络合物,通过Al3+交换增强缓解潜性酸度,而生物炭依赖表面孔隙吸附阳离子缓慢释放和土壤-炭长期互作,降低Al3+含量可能不及有机肥直接,且腐殖质不足可能限制其长期缓冲能力. 因此在土壤环境变化尤为剧烈的10~20 cm根层附近,OF+D相较其他处理具有较强酸缓冲能力,可以更好地抵抗酸性物质的持续输入,实现了降酸控酸,发挥出长效改良作用.
3.2 复配改良剂添加对酸性黄壤水氮的影响水分对玉米生长和产量形成至关重要,西南酸性黄壤区雨量丰沛但分布不均,玉米关键生育期季节性干旱频发,土壤水分不断蒸发,表层土壤板结产生“结壳”,降低土壤水分入渗率,减少对土体的补给量,严重影响深层土壤蓄水[23]. 此外土壤水分变化通过影响氧化还原状态,破坏H+产消平衡,进而影响土壤pH[24,25]. 但以往酸性黄壤改良忽视了对黄壤持水性影响的探讨. 已有较多研究显示,添加生物炭增加大团聚体比例,土壤孔隙、通气性和渗水性也随之增加,从而影响土壤持水能力[26],合理用量的生物炭有利于增加土壤总孔隙度、毛管孔隙度和通气孔隙度,有利于水分入渗,从而提高土壤田间持水量[27],长期施用有机肥促进植物根系生长发育,显著提高了谷物水分利用效率并降低了时空产量变异性[28],通过增加养分促进微生物活动,优化土壤总体健康,间接影响水分的分布和利用,土壤持水能力得到了显著提高[29]. 本研究与前人这些结果相吻合,OF和BC黄壤储水量分别提高23.5%和22.4%,短期内OF略优于BC,可能是因为生物炭施入黏重黄壤后,稀释作用快速降低土壤容重,增加土壤通透性,显著疏松土壤,使得水分向深层入渗但本研究只关注了0~40 cm,同时生物炭疏水性,只有在表面氧化后才具有吸水和保水性质[30,31],有机肥却能快速腐解增强保水能力[32]. 两者在配施白云石后土壤含水量反而有所降低,可能与促进玉米生长耗水增多或堵塞中小孔隙使得水分通道曲折不利于入渗截留和增加大孔隙度加强了水分蒸发有关.
提高氮肥利用率降低硝态氮的累积和淋溶损失能够有效控制农田土壤酸化. 添加生物炭后其对氮的吸附、阳离子或阴离子反应,使得氮肥得以保留和高效利用,同时大比表面积和高孔隙率可能增加土壤持水能力,从而减少土壤水渗流和其中所含的氮[33,34]. 多数研究表明有机肥对土壤氮素循环过程中多方面共同复杂改变影响氮素利用,经过9a的配施有机肥,ω(全氮)提高0.23~0.85 g·kg-1,有机肥替代化肥使土壤中硝态氮、铵态氮、全氮和碱态氮含量分别增加了52.56%、18.27%、12.09%和32.37%[35],有机肥缓释效应减少了养分垂向迁移,更利于作物吸收提高氮素利用效率[36]. 本研究中配施有机肥和生物炭后,黄壤中硝态氮储量和全氮含量均得到提高,特别是富碳肥料生物炭,以不稳定碳对氮的固定化作用显著增加TN. 但可能由于生物炭表面带负电荷的羧基和酚羟基充当NH4+的保留位点,从而显示出对矿质氮的吸附能力[37],白云石中Ca2+和Mg2+阳离子也被吸引到了以上位点,导致BC+D土壤氮含量有所下降.
3.3 复配改良剂添加对酸性黄壤碳磷的影响施用土壤改良剂对土壤中养分起到调节或激活作用,有机肥通过对土壤酸碱度的调节及土壤结构和土壤生化性质的改善等多因素共同作用影响养分释放和植物有效性利用[38]. 白云石通过增加土壤阳离子交换量,改善养分供应,从而增强土壤保肥供肥能力. 施用白云石土壤有效磷和速效钾含量呈增加趋势[39,40]. 本研究中也得到了相似结论,OF和OF+D均显著提高AP且后者效果优于前者. 生物炭通过增加无机养分可用性,优化植物必需养分的浓度和吸收,施用生物炭减少了磷沉淀提高了环境可用磷[41]. 在酸性土壤下生物炭提高了有效磷等养分有效性,降低了作物歉收的风险[42]. 单施生物炭时本研究与上述结论一致,但配施白云石后可能由于竞争吸附加剧和孔隙堵塞,且有效磷本身易流失[43],导致BC+D较BC的AP含量减少.
大量研究证实,有机肥经微生物作用后,形成腐植酸类有机胶体加速土壤有机质的分解、转化和养分转化[44]. 长期施用有机肥可增加固碳效率,对不同组分有机碳和不同深度处含量均有提升效应,显著提高土壤有机质总储量[45],而生物炭中碳含量约为60%,具有高度稳定的芳香结构不易被分解,添加生物炭能够直接影响土壤中有机碳的储备量且增加易氧化有机碳组分,进一步促进土壤有机碳的积累和长期存留[46],其替代化肥添加在20%和50%替代比下总有机碳均显著增加了138.5%和299.8%[47]. 因此本研究中短期内BC固碳能力显著大于OF,白云石通过加快土壤有机质转化促进土壤固碳,故OF+D能够进一步提升土壤碳循环效率和总有机碳,然而本研究中BC+D较BC有机碳含量降低,可能是因为改变了原表面的官能团与有机物发生反应促进有机碳矿化,也可能混施降低了生物炭高碳氮比输入,影响了微生物附着和碳氮代谢活动,加速了有机碳分解.
3.4 复配改良剂对春玉米生长的影响土壤改良的根本目的是实现作物提质增效,玉米干物质积累是产量形成的基础,有研究证实施用白云石和生石灰改良剂3a后,增加了玉米干物质积累与转运量,提高了玉米产量[48]. 有机肥与石灰配施能够促进光合作用,增加各器官养分含量,利于矿物养分迁移,从而促进干物质积累提高产量[49]. 生物炭影响植物生长和产量源于能够优化土壤保水性、渗透性等物理因素和pH、养分、阳离子交换能力等化学环境因子,从而促进植物根系的生长和养分的有效吸收,这意味着生物炭对产量的增益效果随着施用年限增加逐渐显现,长期施用生物炭效果才可能更加明显[50]. 本研究中与CK相比,OF和BC下玉米干物质分别提高了26.8%和21.6%,产量分别提高了6.1%和1.6%,可能正是因为生物炭若无配套养分供应,短期内不能显著刺激植物生长,而有机肥中营养成分释放缓慢,能够提供持续的养分供应,从而促进干物质积累[51],两者增施白云石能够补充植物所需盐基离子,进一步促进玉米吸收养分,特别是生物炭的强吸附作用,减少了盐基(Ca2+和Mg2+)养分损失,使得BC+D的产量提高达17.3%.
较高的干物质积累可能伴随着相对低的氮含量,而有机物料添加通过自身提供的缓释特性改善氮素供应和作物需求之间的同步性,获得籽粒干物质和氮积累量的协同提高,提升氮肥利用效率. 研究表明生物炭基肥增加了玉米茎和籽粒的总氮含量,提高了肥料的偏生产力[52],这与本研究中BC和BC+D全玉米植株整体的氮积累量分别增加29.5%和34.8%结论一致,生物炭这一明显优势正是因为其诱导的土壤性质改变导致土壤硝化和反硝化细菌基因丰度变化[53],促进微生物滋生和土壤养分活化,提高了氮等主要养分的利用效率. 同样有研究表明有机肥养分总量巨大、种类丰富、长期与化肥配施短期内即可提供最佳氮供应和较高的植物氮吸收,使作物表现出更好的可持续性和年际稳定性[54],长期内能够通过土壤中养分的替代、养分保留力的增强和微生物活性的提升,有效减少氮盈余获得高氮利用率,代替化肥能协调生育期作物的养分供应,有效降低施肥所需水平,有利于籽粒的氮素积累,从而提高肥料利用效率[54,55]. 因此本研究中OF和OF+D分别显著提高籽粒中氮积累62.2%和77.6%,特别是OF+D显著提升73.8%氮素吸收效率和10.3%氮肥偏生产力,正是因为有机肥优化玉米干物质分布,并导致更多的氮素转移到可收获籽粒,从而在提高总生物量的同时提高了氮肥生产力. 而作物氮素浓度主要受施氮量和氮肥形态影响,有机肥中氮形态多样,氮素能更好地被作物吸收输送[56],生物炭含碳量较高,施入土壤后C/N过高,降低了土壤氮素有效性,这能够解释在本研究中OF和OF+D相比BC和BC+D,具备更高的籽粒氮含量和氮肥利用效率.
4 结论(1)有机肥配施白云石显著降低25.9%的EC-H和34.1%的EC-Al、提高45.8%的BS和0.43个单位pH,并能够及时缓冲根层附近酸性物质输入,减少潜性酸水解造成的pH剧烈波动,实现最佳控酸阻酸.
(2)有机肥配施白云石相比单施有机肥,土壤NO3--N提高了55.2%且更有益于活化碳磷养分,而单施生物炭相比生物炭配施白云石将土壤储水量、NO3--N、TN、SOC和AP分别增加了16.5%、2.1%、27.7%、50.3%和516.4%,表明有机肥配施白云石更有效改善黄壤肥力.
(3)配施白云石使玉米干物积累拔节期前就表现出显著优势,并在此后加速籽粒生物量积累提高百粒重,有机肥配施白云石相比单施有机肥和生物炭配施白云石相比单施生物炭分别增产398.25 kg·hm-2和1 486.56 kg·hm-2. 同时有机肥配施白云石促进了干物质和氮积累协同,使得NUPE和PFP增加73.8%和10.3%,有利于助推农业绿色可持续发展.
(4)有机肥配施白云石能够促进黄壤控酸培肥和作物稳产协同,更全面发挥酸性黄壤新质生产力,未来可在此基础上开展更加细化的用量梯度等相关研究,为我国长江上游地区多元材料改良黄壤提供技术支撑.
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2026, Vol. 47


