石灰、生物炭對酸性土壤改良及玉米生長的影響

方 煜，黃 凱，楊京民，李青容，李 元，祖艷群，陳建軍

（云南農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院/云南省農業(yè)污染控制與生態(tài)修復工程實驗室，云南 昆明 650201）

0 引言

目前，我國的農田土壤酸化問題日益嚴重，土壤酸化面積逐年增加，尤其在我國南方地區(qū)表現(xiàn)得更為突出[1]。研究發(fā)現(xiàn)，中國酸性土壤面積達203萬km2，占中國耕地總量的21%，已成為限制土壤中農作物生長的主要因素[2]。

土壤酸化的成因較多，像自然雨水中的H+通過降雨進入土壤后與堿性物質中和，土壤中一部分堿性物質會在淋溶過程中隨水分流失，導致土壤pH值的下降[3]。另外，農藥、化肥的使用和工業(yè)污染廢水的排放等人為活動也會使得土壤酸化程度加劇。由于施用無機肥料過量吸收了帶正電陽離子，可加速交換性堿的淋溶和抑制土壤反應[4]。土壤酸化作為土壤退化的重要表現(xiàn)之一，會降低土壤中的養(yǎng)分有效性，造成土壤的退化、鋁鐵毒害、結構失衡等不良影響，并且還會使得土壤重金屬的活性增強，影響農作物的正常發(fā)育，使得農作物的品質下降和產量減少，因此，治理土壤酸化是提高和保持土壤生產力的重點之一[5-6]。對酸性土壤常見的改良方法是施加改良劑，改善土壤酸堿度，通過降低土壤重金屬有效性降低重金屬污染程度[6-7]。現(xiàn)在的改良劑種類繁多，可分為有機類、無機類、新型材料類，不同的改良劑對土壤理化性質的修復效果不盡相同[8-9]，因此，選取合適的鈍化劑對解決土壤惡化問題具有重要意義。

石灰礦在云南分布廣泛，加之石灰生產工藝簡單、價格低廉、生產普遍，易獲得，在農業(yè)生產中應用較為常見，是中和農業(yè)土壤酸性最突出、最有效的措施，對酸性土壤有明顯的改良效果。施用這類改良劑可以迅速有效地提高土壤pH值，導致土壤中重金屬形態(tài)及有效性的變化，并中和土壤中的潛在性酸，降低土壤溶液中交換性鋁含量[6，8]。生物炭作為一種新型的土壤改良劑，是生物質熱解后殘留的固體碳質物質，原料來源廣泛，主要有森林木材、作物秸稈、城市生活廢棄物等[7，10]。生物質炭一般呈堿性，具有多孔、容重較小、比表面積大等特點，可通過離子交換、共沉淀、物理吸附和表面絡合作用修復土壤重金屬[11-12]。生物炭還具有較高的穩(wěn)定性，不容易被土壤中的微生物分解，生物炭能降低土壤容重，增加土壤陽離子交換量，提高作物對營養(yǎng)元素的吸收利用[13]。因此，生物質炭也成為了改善土壤酸化狀況、提高土壤鹽基飽和度、改善土壤理化狀況和增加土壤保肥能力的重要物質[14]。

本試驗在云南省梁河縣丙賽河流域展開，梁河縣自20世紀80年代初探明有中型儲量錫礦后，引起多家企業(yè)開采挖掘，生產的廢水廢渣流入丙賽河，導致當地農田污染惡化[15]。通過前期篩選出的生物炭、石灰等土壤改良劑，聯(lián)合當地玉米品種進行種植，旨在提高礦區(qū)周邊酸性土壤的利用效率，降低土壤重金屬在食物中的富集風險，保持土壤健康，促進養(yǎng)分循環(huán)，保障礦區(qū)周邊農田的安全利用。

1 材料與方法

1.1 研究地點及材料

本試驗于2020年4月25日在德宏傣族景頗族自治州梁河縣河西鄉(xiāng)小勐武來連村的農田（24°53′N、98°15′E）開展，當地海拔1248 m，年降雨量1415.5 mm，適宜發(fā)展玉米生產。測得當地農田土壤背景pH值為4.68，有機質為34.10 g/kg，全氮為1.19 g/kg，全磷為0.82 g/kg，全鉀為11.53 g/kg，全Cd含 量 為0.32 mg/kg，全Pb含 量 為26.05 mg/kg。石灰在當地購買，生物炭為橡樹枝在400～500℃下制備。石灰pH值為12.35，土壤全Cd和全Pb含量分別為0.32 和26.05 mg/kg。生物炭pH值為8.07，全Cd、全Pb含量分別為0.15、15.2 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用團隊前期在當地篩選出的低累積玉米（Zea mays L.）品種康玉3號和雅玉78號，小區(qū)面積15 m2（3 m×5 m），株距60 cm，行距40 cm，根據當地種植方式，采取不起壟種植。播種前施用復合肥（15-15-15，總養(yǎng)分＞25%）作為基肥，施用量為450 kg/hm2。在生長期間根據生長狀況定期進行殺蟲、除草、排水及追肥，作物栽培管理措施與正常生產一致。石灰、生物炭的具體施用量及方法見表1。

表1 大田試驗土壤改良劑添加量 kg/hm2

1.3 樣品采集

2020年9月15日玉米成熟后采取植物樣及土樣，采用5點取樣法，每個小區(qū)采取10株玉米，并收集根際土壤，土壤風干后混勻，分別過20目和100目尼龍篩，裝袋保存。每株植物用自來水和去離子水清洗泥土，分為根、莖、葉、籽粒4部分，放入大信封，放入105 ℃烘箱內殺青30 min，然后在75 ℃下烘干至恒重，用不銹鋼粉碎機粉碎，保存、待測。

1.4 土壤理化性質的測定

土壤pH值的測定：以水土比2.5∶1.0混合，震蕩靜置，用pH計測上清液的pH值。土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解N、速效P、速效K含量按照《土壤農化分析》測定。土壤Cd、Pb含量：取部分0.149 mm土樣，采用HNO3-HCl-HClO3法消解，火焰原子吸收分光光度法測定土壤樣品中Cd、Pb總量；土壤Cd、Pb有效態(tài)采用DTPA提取劑提取。土壤酶活性采用蘇州格銳思生物科技有限公司的土壤酶試劑盒，用分光光度計測定。

1.5 玉米生長及籽粒Cd、Pb含量測定

玉米株高用卷尺量取地面到植株自然伸展時的最高處；葉面積采用玉米葉片長和最大葉寬計算，葉面積=葉長×葉寬×0.75。小區(qū)作物產量采用單位面積測產。植物重金屬Cd、Pb含量利用石墨爐原子吸收分光光度計進行測定。

1.6 數據分析

采用 Microsoft Excel 2019進行數據處理和表格處理；采用SPSS 25.0統(tǒng)計軟件進行方差分析；用Origin 9.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤理化性質的影響

2.1.1 石灰、生物炭組配對土壤pH值和有機質含量的影響 由圖1可見，添加石灰、生物炭改良劑后，土壤的pH顯著（P＜0.05）提高。其中L1B2處理下康玉3號的土壤pH提升幅度最高，為6.45，相較于CK提升了1.13個單位。種植雅玉78號的土壤處理下，L1B1、L1B2較CK土壤pH分別提升了1.38、1.44個單位。在2個玉米品種之間，添加改良劑對pH的影響無顯著差異。添加石灰、生物炭改良劑顯著（P＜0.05）提升了土壤有機質含量，且隨著生物炭占比的增加而提升。其中，種植雅玉78號的土壤有機質的含量在L1B2處理下提升最高，為52.52 mg/kg，相比于未添加改良劑的雅玉78號土壤，提升了101.07%。L1B1、L1B2處理下康玉3號的土壤有機質含量相比于CK土壤，分別提升了13.59%、61.55%。在2個玉米品種之間，相同處理的改良劑的添加對土壤有機質含量的影響沒有顯著差異。

圖1 石灰、生物炭對土壤pH和有機質含量的影響

2.1.2 石灰、生物炭組配對土壤氮磷鉀養(yǎng)分的影響 由圖2可見，2種玉米的不同處理間，L1B1處理下土壤堿解氮含量比CK分別降低了16.39%（康玉3號）、24.69%（雅玉78號），且種植雅玉78號土壤的堿解氮含量普遍高于康玉3號。與CK相比，L1B1處理下土壤的速效磷含量無顯著差異，L1B2處理下土壤速效磷含量分別升高了92.12%（康玉3號）、92.96%（雅玉78號）。添加石灰、生物炭對康玉3號土壤的速效鉀含量影響顯著，與CK相比，L1B1和L1B2分別提升了204.79%、202.03%。與CK相比，L1B1處理下雅玉78號的土壤速效鉀含量顯著提升，提升了85.20%。

圖2 石灰、生物炭對土壤氮磷鉀養(yǎng)分含量的影響

2.1.3 對土壤酶活性的影響 由圖3可見，與CK相比，添加石灰、生物炭對種植玉米的土壤脲酶活性沒有顯著影響。添加石灰、生物炭后土壤蔗糖酶活性有顯著（P＜0.05）提高。種植雅玉78號的處理，隨著生物炭占比的升高，土壤蔗糖酶活性顯著升高，與CK相比，土壤蔗糖酶活性在L1B1、L1B2處理下分別提升了50.82%、130.66%。而種植康玉3號的土壤蔗糖酶活性，與CK相比，L1B1、L1B2處理分別提升了54.32%、44.08%。改良劑的添加對土壤酸性磷酸酶活性有顯著降低，且隨著生物炭含量的增加而降低，降幅分別為46.68%～56.65%（康玉3號）、20.62%～21.95%（雅玉78號）。對種植康玉3號的土壤的過氧化氫酶活性而言，隨著生物炭含量的增加而逐漸升高，與CK相比，土壤的過氧化氫酶活性在L1B1、L1B2處理下分別提升了4.16%、8.32%。種植雅玉78號的土壤的過氧化氫酶活性隨著生物炭占比的增加先升高后降低，L1B1處理下土壤的過氧化氫酶活性比CK提升了4.19%。

圖3 石灰、生物炭對土壤酶活性的影響

2.1.4 對土壤有效態(tài)Cd、Pb的影響 由圖4可見，與CK相比，添加石灰、生物炭顯著（P＜0.05）降低了土壤有效態(tài)Cd含量。與種植康玉3號的CK相比，L1B1、L1B2處理分別降低了土壤有效態(tài)鎘含量11.11%、16.67%。與種植雅玉78號的CK相比，L1B1、L1B2處理分別降低了33.33%、18.19%。與CK相比，添加石灰、生物炭顯著（P＜0.05）降低了土壤有效態(tài)Pb含量。與康玉3號CK的有效態(tài)Pb含量相比，L1B1、L1B2處理分別降低了44.39%、39.40%。與雅玉78號CK的有效態(tài)Pb含量相比，L1B1、L1B2分別降低了32.81%、44.67%。

圖4 添加石灰、生物炭對土壤有效態(tài)Cd、Pb含量的影響

2.2 組配石灰、生物炭對玉米籽粒吸收Cd、Pb的影響

由表2可見，與CK相比，添加石灰、生物炭對康玉3號籽粒的Cd含量有顯著（P＜0.05）降低作用，L1B1、L1B2處理分別降低了66.67%、68.33%；但對康玉3號籽粒中Pb含量無顯著影響。與CK相比，L1B1處理對雅玉78號玉米籽粒Pb含量有顯著降低作用，降低了47.06%；但對其籽粒Cd的含量無顯著影響。玉米籽粒中Cd、Pb含量均沒有超過國家食品谷物安全標準限量（Cd＜0.1 mg/kg、Pb＜0.2 mg/kg）。

表2 添加石灰、生物炭對玉米籽粒Cd、Pb含量的影響 mg/kg

2.3 組配石灰、生物炭對玉米生長和產量的影響

由表3可見，添加石灰、生物炭對2個品種玉米的株高、葉面積、產量有顯著（P＜0.05）提升。與CK相比，康玉3號的產量在L1B1、L1B2處理下分別提升了39.31%、19.63%。與CK相比，雅玉78號的產量在L1B1、L1B2處理下分別提升了18.13%、9.83%。2個玉米品種之間，L1B1處理下康玉3號的產量最高，為11748.85 kg/hm2。

表3 添加石灰、生物炭對玉米株高、葉面積和產量的影響

3 討論

本研究中，在添加石灰、生物炭后，土壤的pH值、有機質含量顯著提高。石灰具有強堿性，進入土壤后與活性酸發(fā)生中和反應，從而可以有效降低土壤酸度[9]。生物質炭含有堿性物質，如酚基、羧基和羥基等官能團，能與酸性土壤中的H+結合，從而降低其濃度，因此，能明顯提高酸性土壤的pH，降低土壤交換性酸的含量，對土壤酸度有較好的改良效果[16]。兩者混施后，生物炭能夠減緩石灰加入土壤后導致pH急劇增加的趨勢，減緩土壤板結，更有利于酸化土壤的改良。石灰的添加還可以顯著促進酸性土壤中礦物結合有機碳的形成[17]。此外，由于生物炭富含碳以及高度的芳香結構，具有較高的化學活性，添加入土壤后可以為土壤微生物提供適宜的環(huán)境，提高微生物活性，對土壤結構和通氣性有一定改善，能加速土壤中有機殘物的分解，提高土壤有機質含量[18]。

石灰、生物質炭含有許多無機成分，輸入土壤后可以提高土壤中無機營養(yǎng)成分和養(yǎng)分的生物可利用性[19]。石灰迅速提高了土壤pH，促進了土壤微生物活動[20]。生物質炭可以通過生物與非生物過程產生一系列衍生有機化合物，影響土壤的養(yǎng)分運輸[21]。生物炭自身還含有較高的速效養(yǎng)分，與土壤混合后，其疏松多孔的結構增強了土壤對營養(yǎng)元素的吸持能力，減少了養(yǎng)分元素的淋溶[22]。本研究中添加石灰、生物炭的康玉3號土壤的速效磷、速效鉀含量有顯著提高，L1B1、L1B2處理之間差別不顯著。在酸性土壤中，土壤礦物（鐵/鋁氫氧化物）與帶負電荷的生物炭之間的競爭相互作用可以提高土壤磷的有效性[23]；生物炭氧化過程中產生的負表面官能團以及正表面官能團的丟失可能導致了土壤P的保留和浸出減少[24-25]。生物炭中含量較高的灰分，可以促進礦質養(yǎng)分快速向土壤釋放，減少土壤K的淋失，使得土壤速效K含量增加[26]。與不添加改良劑的對照相比，添加石灰、生物炭降低了土壤堿解氮含量，且隨著生物炭占比的不同而不同。這可能是由于生物炭可吸附土壤溶液中的氮素養(yǎng)分，從而減緩了土壤氮的產生[27]。石灰、生物炭改良劑被廣泛用于土壤金屬含量的改良，通過降低重金屬溶解度、提供吸附位點和金屬劑表面絡合物的沉淀來降低金屬遷移。本研究中，L1B1、L1B2處理下的土壤有效態(tài)Cd、Pb含量顯著降低。在酸性pH值下，金屬的溶解度較高，而添加石灰可以提高土壤pH，從而改善土壤表面負電荷，降低金屬的溶解度和生物有效性，增加其在土壤中的沉淀[28-29]。由于生物炭的高孔隙率、pH值、活性官能團的存在，生物炭的應用也表現(xiàn)出很強的金屬固定化[30-31]。

土壤酶是評價土壤性質的重要因子，受多種土壤環(huán)境條件的影響，對土壤代謝能力和養(yǎng)分循環(huán)至關重要。土壤酸性磷酸酶與土壤磷素、pH有密切關系[32]；土壤蔗糖酶與土壤有機質、氮、磷含量有關，反映了土壤肥力程度[33]；土壤過氧化氫酶能降低土壤過氧化氫對植物的毒害[34]；土壤脲酶可以水解土壤中的尿素，產生氨和碳酸，促進土壤氮素的循化[32]。本研究中，隨著石灰、生物炭的添加，土壤酸性磷酸酶活性逐漸降低。改良劑的添加使得土壤速效磷含量和pH值升高，降低了磷酸鹽的產生，減少了釋放酸性磷酸酶的微生物的活動[35-36]。而土壤蔗糖酶活性和過氧化氫酶活性在L1B1處理下顯著升高。改良劑的添加增加了土壤養(yǎng)分含量，提高了土壤肥力，豐富了微生物群落，對土壤酶的活性有促進作用[34，37]。土壤水、氣、熱是影響植物生長發(fā)育的關鍵因素。土壤含水量過低、土壤板結、透氣性差均不利于植物生長。施入生物炭，可以增加土壤空隙，減小土壤容重，使土壤疏松多孔，有較好的通水透氣性，同時也可以增強土壤的保水力，提高土壤含水量，促進植物的生長和產量的提高[38]。施用石灰能提高土壤pH和交換性鈣、交換性鎂含量，降低土壤交換性鋁含量，是作物增產的主要原因[21]。在本研究中，添加石灰、生物炭有效改善了酸性土壤環(huán)境，提高了土壤養(yǎng)分含量，對玉米生長發(fā)育和產量有顯著促進作用。

4 結論

（1）添加石灰、生物炭能促進玉米生長，對玉米的株高、葉面積和產量有顯著提高作用。

（2）添加石灰、生物炭對酸性土壤的理化性質有明顯改良，能顯著提高土壤pH和有機質含量，增加土壤酶活性（脲酶、酸性磷酸酶除外），提高土壤速效磷、速效鉀含量，減少氮素淋失。

（3）添加石灰、生物炭對土壤有效態(tài)Cd、Pb含量有顯著降低，對康玉3號籽粒Cd含量有顯著降低，雅玉78號籽粒中Pb含量顯著降低。

綜上所述，在石灰、生物炭條件下種植低累積玉米康玉3號、雅玉78號對當地酸化土壤有較好的修復效果，且L1B1（石灰4500 kg/hm2、生物炭15000 kg/hm2）處理下康玉3號玉米的產量更高。