石灰、生物炭对酸性土壤改良及玉米生长的影响

方 煜，黄 凯，杨京民，李青容，李 元，祖艳群，陈建军

（云南农业大学 资源与环境学院/云南省农业污染控制与生态修复工程实验室，云南 昆明 650201）

0 引言

目前，我国的农田土壤酸化问题日益严重，土壤酸化面积逐年增加，尤其在我国南方地区表现得更为突出[1]。研究发现，中国酸性土壤面积达203万km2，占中国耕地总量的21%，已成为限制土壤中农作物生长的主要因素[2]。

土壤酸化的成因较多，像自然雨水中的H+通过降雨进入土壤后与碱性物质中和，土壤中一部分碱性物质会在淋溶过程中随水分流失，导致土壤pH值的下降[3]。另外，农药、化肥的使用和工业污染废水的排放等人为活动也会使得土壤酸化程度加剧。由于施用无机肥料过量吸收了带正电阳离子，可加速交换性碱的淋溶和抑制土壤反应[4]。土壤酸化作为土壤退化的重要表现之一，会降低土壤中的养分有效性，造成土壤的退化、铝铁毒害、结构失衡等不良影响，并且还会使得土壤重金属的活性增强，影响农作物的正常发育，使得农作物的品质下降和产量减少，因此，治理土壤酸化是提高和保持土壤生产力的重点之一[5-6]。对酸性土壤常见的改良方法是施加改良剂，改善土壤酸碱度，通过降低土壤重金属有效性降低重金属污染程度[6-7]。现在的改良剂种类繁多，可分为有机类、无机类、新型材料类，不同的改良剂对土壤理化性质的修复效果不尽相同[8-9]，因此，选取合适的钝化剂对解决土壤恶化问题具有重要意义。

石灰矿在云南分布广泛，加之石灰生产工艺简单、价格低廉、生产普遍，易获得，在农业生产中应用较为常见，是中和农业土壤酸性最突出、最有效的措施，对酸性土壤有明显的改良效果。施用这类改良剂可以迅速有效地提高土壤pH值，导致土壤中重金属形态及有效性的变化，并中和土壤中的潜在性酸，降低土壤溶液中交换性铝含量[6，8]。生物炭作为一种新型的土壤改良剂，是生物质热解后残留的固体碳质物质，原料来源广泛，主要有森林木材、作物秸秆、城市生活废弃物等[7，10]。生物质炭一般呈碱性，具有多孔、容重较小、比表面积大等特点，可通过离子交换、共沉淀、物理吸附和表面络合作用修复土壤重金属[11-12]。生物炭还具有较高的稳定性，不容易被土壤中的微生物分解，生物炭能降低土壤容重，增加土壤阳离子交换量，提高作物对营养元素的吸收利用[13]。因此，生物质炭也成为了改善土壤酸化状况、提高土壤盐基饱和度、改善土壤理化状况和增加土壤保肥能力的重要物质[14]。

本试验在云南省梁河县丙赛河流域展开，梁河县自20世纪80年代初探明有中型储量锡矿后，引起多家企业开采挖掘，生产的废水废渣流入丙赛河，导致当地农田污染恶化[15]。通过前期筛选出的生物炭、石灰等土壤改良剂，联合当地玉米品种进行种植，旨在提高矿区周边酸性土壤的利用效率，降低土壤重金属在食物中的富集风险，保持土壤健康，促进养分循环，保障矿区周边农田的安全利用。

1 材料与方法

1.1 研究地点及材料

本试验于2020年4月25日在德宏傣族景颇族自治州梁河县河西乡小勐武来连村的农田（24°53′N、98°15′E）开展，当地海拔1248 m，年降雨量1415.5 mm，适宜发展玉米生产。测得当地农田土壤背景pH值为4.68，有机质为34.10 g/kg，全氮为1.19 g/kg，全磷为0.82 g/kg，全钾为11.53 g/kg，全Cd含 量 为0.32 mg/kg，全Pb含 量 为26.05 mg/kg。石灰在当地购买，生物炭为橡树枝在400～500℃下制备。石灰pH值为12.35，土壤全Cd和全Pb含量分别为0.32 和26.05 mg/kg。生物炭pH值为8.07，全Cd、全Pb含量分别为0.15、15.2 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用团队前期在当地筛选出的低累积玉米（Zea mays L.）品种康玉3号和雅玉78号，小区面积15 m2（3 m×5 m），株距60 cm，行距40 cm，根据当地种植方式，采取不起垄种植。播种前施用复合肥（15-15-15，总养分＞25%）作为基肥，施用量为450 kg/hm2。在生长期间根据生长状况定期进行杀虫、除草、排水及追肥，作物栽培管理措施与正常生产一致。石灰、生物炭的具体施用量及方法见表1。

表1 大田试验土壤改良剂添加量 kg/hm2

1.3 样品采集

2020年9月15日玉米成熟后采取植物样及土样，采用5点取样法，每个小区采取10株玉米，并收集根际土壤，土壤风干后混匀，分别过20目和100目尼龙筛，装袋保存。每株植物用自来水和去离子水清洗泥土，分为根、茎、叶、籽粒4部分，放入大信封，放入105 ℃烘箱内杀青30 min，然后在75 ℃下烘干至恒重，用不锈钢粉碎机粉碎，保存、待测。

1.4 土壤理化性质的测定

土壤pH值的测定：以水土比2.5∶1.0混合，震荡静置，用pH计测上清液的pH值。土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解N、速效P、速效K含量按照《土壤农化分析》测定。土壤Cd、Pb含量：取部分0.149 mm土样，采用HNO3-HCl-HClO3法消解，火焰原子吸收分光光度法测定土壤样品中Cd、Pb总量；土壤Cd、Pb有效态采用DTPA提取剂提取。土壤酶活性采用苏州格锐思生物科技有限公司的土壤酶试剂盒，用分光光度计测定。

1.5 玉米生长及籽粒Cd、Pb含量测定

玉米株高用卷尺量取地面到植株自然伸展时的最高处；叶面积采用玉米叶片长和最大叶宽计算，叶面积=叶长×叶宽×0.75。小区作物产量采用单位面积测产。植物重金属Cd、Pb含量利用石墨炉原子吸收分光光度计进行测定。

1.6 数据分析

采用 Microsoft Excel 2019进行数据处理和表格处理；采用SPSS 25.0统计软件进行方差分析；用Origin 9.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤理化性质的影响

2.1.1 石灰、生物炭组配对土壤pH值和有机质含量的影响 由图1可见，添加石灰、生物炭改良剂后，土壤的pH显著（P＜0.05）提高。其中L1B2处理下康玉3号的土壤pH提升幅度最高，为6.45，相较于CK提升了1.13个单位。种植雅玉78号的土壤处理下，L1B1、L1B2较CK土壤pH分别提升了1.38、1.44个单位。在2个玉米品种之间，添加改良剂对pH的影响无显著差异。添加石灰、生物炭改良剂显著（P＜0.05）提升了土壤有机质含量，且随着生物炭占比的增加而提升。其中，种植雅玉78号的土壤有机质的含量在L1B2处理下提升最高，为52.52 mg/kg，相比于未添加改良剂的雅玉78号土壤，提升了101.07%。L1B1、L1B2处理下康玉3号的土壤有机质含量相比于CK土壤，分别提升了13.59%、61.55%。在2个玉米品种之间，相同处理的改良剂的添加对土壤有机质含量的影响没有显著差异。

图1 石灰、生物炭对土壤pH和有机质含量的影响

2.1.2 石灰、生物炭组配对土壤氮磷钾养分的影响 由图2可见，2种玉米的不同处理间，L1B1处理下土壤碱解氮含量比CK分别降低了16.39%（康玉3号）、24.69%（雅玉78号），且种植雅玉78号土壤的碱解氮含量普遍高于康玉3号。与CK相比，L1B1处理下土壤的速效磷含量无显著差异，L1B2处理下土壤速效磷含量分别升高了92.12%（康玉3号）、92.96%（雅玉78号）。添加石灰、生物炭对康玉3号土壤的速效钾含量影响显著，与CK相比，L1B1和L1B2分别提升了204.79%、202.03%。与CK相比，L1B1处理下雅玉78号的土壤速效钾含量显著提升，提升了85.20%。

图2 石灰、生物炭对土壤氮磷钾养分含量的影响

2.1.3 对土壤酶活性的影响 由图3可见，与CK相比，添加石灰、生物炭对种植玉米的土壤脲酶活性没有显著影响。添加石灰、生物炭后土壤蔗糖酶活性有显著（P＜0.05）提高。种植雅玉78号的处理，随着生物炭占比的升高，土壤蔗糖酶活性显著升高，与CK相比，土壤蔗糖酶活性在L1B1、L1B2处理下分别提升了50.82%、130.66%。而种植康玉3号的土壤蔗糖酶活性，与CK相比，L1B1、L1B2处理分别提升了54.32%、44.08%。改良剂的添加对土壤酸性磷酸酶活性有显著降低，且随着生物炭含量的增加而降低，降幅分别为46.68%～56.65%（康玉3号）、20.62%～21.95%（雅玉78号）。对种植康玉3号的土壤的过氧化氢酶活性而言，随着生物炭含量的增加而逐渐升高，与CK相比，土壤的过氧化氢酶活性在L1B1、L1B2处理下分别提升了4.16%、8.32%。种植雅玉78号的土壤的过氧化氢酶活性随着生物炭占比的增加先升高后降低，L1B1处理下土壤的过氧化氢酶活性比CK提升了4.19%。

图3 石灰、生物炭对土壤酶活性的影响

2.1.4 对土壤有效态Cd、Pb的影响 由图4可见，与CK相比，添加石灰、生物炭显著（P＜0.05）降低了土壤有效态Cd含量。与种植康玉3号的CK相比，L1B1、L1B2处理分别降低了土壤有效态镉含量11.11%、16.67%。与种植雅玉78号的CK相比，L1B1、L1B2处理分别降低了33.33%、18.19%。与CK相比，添加石灰、生物炭显著（P＜0.05）降低了土壤有效态Pb含量。与康玉3号CK的有效态Pb含量相比，L1B1、L1B2处理分别降低了44.39%、39.40%。与雅玉78号CK的有效态Pb含量相比，L1B1、L1B2分别降低了32.81%、44.67%。

图4 添加石灰、生物炭对土壤有效态Cd、Pb含量的影响

2.2 组配石灰、生物炭对玉米籽粒吸收Cd、Pb的影响

由表2可见，与CK相比，添加石灰、生物炭对康玉3号籽粒的Cd含量有显著（P＜0.05）降低作用，L1B1、L1B2处理分别降低了66.67%、68.33%；但对康玉3号籽粒中Pb含量无显著影响。与CK相比，L1B1处理对雅玉78号玉米籽粒Pb含量有显著降低作用，降低了47.06%；但对其籽粒Cd的含量无显著影响。玉米籽粒中Cd、Pb含量均没有超过国家食品谷物安全标准限量（Cd＜0.1 mg/kg、Pb＜0.2 mg/kg）。

表2 添加石灰、生物炭对玉米籽粒Cd、Pb含量的影响 mg/kg

2.3 组配石灰、生物炭对玉米生长和产量的影响

由表3可见，添加石灰、生物炭对2个品种玉米的株高、叶面积、产量有显著（P＜0.05）提升。与CK相比，康玉3号的产量在L1B1、L1B2处理下分别提升了39.31%、19.63%。与CK相比，雅玉78号的产量在L1B1、L1B2处理下分别提升了18.13%、9.83%。2个玉米品种之间，L1B1处理下康玉3号的产量最高，为11748.85 kg/hm2。

表3 添加石灰、生物炭对玉米株高、叶面积和产量的影响

3 讨论

本研究中，在添加石灰、生物炭后，土壤的pH值、有机质含量显著提高。石灰具有强碱性，进入土壤后与活性酸发生中和反应，从而可以有效降低土壤酸度[9]。生物质炭含有碱性物质，如酚基、羧基和羟基等官能团，能与酸性土壤中的H+结合，从而降低其浓度，因此，能明显提高酸性土壤的pH，降低土壤交换性酸的含量，对土壤酸度有较好的改良效果[16]。两者混施后，生物炭能够减缓石灰加入土壤后导致pH急剧增加的趋势，减缓土壤板结，更有利于酸化土壤的改良。石灰的添加还可以显著促进酸性土壤中矿物结合有机碳的形成[17]。此外，由于生物炭富含碳以及高度的芳香结构，具有较高的化学活性，添加入土壤后可以为土壤微生物提供适宜的环境，提高微生物活性，对土壤结构和通气性有一定改善，能加速土壤中有机残物的分解，提高土壤有机质含量[18]。

石灰、生物质炭含有许多无机成分，输入土壤后可以提高土壤中无机营养成分和养分的生物可利用性[19]。石灰迅速提高了土壤pH，促进了土壤微生物活动[20]。生物质炭可以通过生物与非生物过程产生一系列衍生有机化合物，影响土壤的养分运输[21]。生物炭自身还含有较高的速效养分，与土壤混合后，其疏松多孔的结构增强了土壤对营养元素的吸持能力，减少了养分元素的淋溶[22]。本研究中添加石灰、生物炭的康玉3号土壤的速效磷、速效钾含量有显著提高，L1B1、L1B2处理之间差别不显著。在酸性土壤中，土壤矿物（铁/铝氢氧化物）与带负电荷的生物炭之间的竞争相互作用可以提高土壤磷的有效性[23]；生物炭氧化过程中产生的负表面官能团以及正表面官能团的丢失可能导致了土壤P的保留和浸出减少[24-25]。生物炭中含量较高的灰分，可以促进矿质养分快速向土壤释放，减少土壤K的淋失，使得土壤速效K含量增加[26]。与不添加改良剂的对照相比，添加石灰、生物炭降低了土壤碱解氮含量，且随着生物炭占比的不同而不同。这可能是由于生物炭可吸附土壤溶液中的氮素养分，从而减缓了土壤氮的产生[27]。石灰、生物炭改良剂被广泛用于土壤金属含量的改良，通过降低重金属溶解度、提供吸附位点和金属剂表面络合物的沉淀来降低金属迁移。本研究中，L1B1、L1B2处理下的土壤有效态Cd、Pb含量显著降低。在酸性pH值下，金属的溶解度较高，而添加石灰可以提高土壤pH，从而改善土壤表面负电荷，降低金属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、活性官能团的存在，生物炭的应用也表现出很强的金属固定化[30-31]。

土壤酶是评价土壤性质的重要因子，受多种土壤环境条件的影响，对土壤代谢能力和养分循环至关重要。土壤酸性磷酸酶与土壤磷素、pH有密切关系[32]；土壤蔗糖酶与土壤有机质、氮、磷含量有关，反映了土壤肥力程度[33]；土壤过氧化氢酶能降低土壤过氧化氢对植物的毒害[34]；土壤脲酶可以水解土壤中的尿素，产生氨和碳酸，促进土壤氮素的循化[32]。本研究中，随着石灰、生物炭的添加，土壤酸性磷酸酶活性逐渐降低。改良剂的添加使得土壤速效磷含量和pH值升高，降低了磷酸盐的产生，减少了释放酸性磷酸酶的微生物的活动[35-36]。而土壤蔗糖酶活性和过氧化氢酶活性在L1B1处理下显著升高。改良剂的添加增加了土壤养分含量，提高了土壤肥力，丰富了微生物群落，对土壤酶的活性有促进作用[34，37]。土壤水、气、热是影响植物生长发育的关键因素。土壤含水量过低、土壤板结、透气性差均不利于植物生长。施入生物炭，可以增加土壤空隙，减小土壤容重，使土壤疏松多孔，有较好的通水透气性，同时也可以增强土壤的保水力，提高土壤含水量，促进植物的生长和产量的提高[38]。施用石灰能提高土壤pH和交换性钙、交换性镁含量，降低土壤交换性铝含量，是作物增产的主要原因[21]。在本研究中，添加石灰、生物炭有效改善了酸性土壤环境，提高了土壤养分含量，对玉米生长发育和产量有显著促进作用。

4 结论

（1）添加石灰、生物炭能促进玉米生长，对玉米的株高、叶面积和产量有显著提高作用。

（2）添加石灰、生物炭对酸性土壤的理化性质有明显改良，能显著提高土壤pH和有机质含量，增加土壤酶活性（脲酶、酸性磷酸酶除外），提高土壤速效磷、速效钾含量，减少氮素淋失。

（3）添加石灰、生物炭对土壤有效态Cd、Pb含量有显著降低，对康玉3号籽粒Cd含量有显著降低，雅玉78号籽粒中Pb含量显著降低。

综上所述，在石灰、生物炭条件下种植低累积玉米康玉3号、雅玉78号对当地酸化土壤有较好的修复效果，且L1B1（石灰4500 kg/hm2、生物炭15000 kg/hm2）处理下康玉3号玉米的产量更高。