生物质炭和微生物菌肥对酸化黄褐土农田土壤改良及玉米生长的影响

吕金岭，李太魁，寇长林

(1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002； 2.农业农村部原阳农业环境与耕地保育科学观测实验站，河南 新乡 453500； 3.河南省农业生态环境重点实验室，河南 郑州 450002)

土壤酸化是土壤退化的一个重要表现，也是近些年来农业发展过程中普遍存在的问题之一[1-2]。导致农田土壤酸化的原因很多，除自然酸化外，长期大量施用化肥、大气酸及氮持续高量沉降以及土地利用方式的不断调整是导致农田土壤酸化的主要原因[3]。如何快速调控已显著酸化的农田土壤，改善土壤质量、增加作物产量已成为农业可持续发展的热点问题之一[4]。关于农田土壤酸化调控方法已有大量研究，主要聚焦在石灰、粉煤灰、碱渣、磷石膏、造纸废渣等工业废弃物的还田等方面。近年来，利用农作物秸秆、畜禽粪便等农业有机废弃物改良土壤酸度逐渐成为研究热点，如利用作物秸秆热解制成的生物质炭是一种很好的土壤改良剂，施用以秸秆和畜禽粪便为基质衍生出来的微生物菌肥成为当前农田土壤酸化改良的方式之一[5-10]。然而，农田有机废弃物的衍生物(秸秆生物质炭和微生物菌肥)对农田土壤酸化的改良还大多停留在初期探索阶段[11-13]，不同秸秆生物质炭及微生物菌肥使用量对已显著酸化土壤的改良效果以及对作物主要生理指标的影响程度尚不清楚。因此，开展以秸秆衍生物为原料的土壤酸化调控研究对于土壤酸化治理尤为重要。

黄褐土是近几年来发现的酸化较为严重的农田土壤之一。长期高强度的种植模式导致黄褐土土壤pH值下降较快，相关资料显示，严重酸化地块pH值甚至降低至4左右，作物产量降幅可达30%～50%，土壤质量退化显著[14-15]。究其原因，与黄褐土自身特性和当地施肥习惯有关。相关研究发现，黄褐土的矿物构成以伊利石和蛭石(2∶1)为主，其中含有游离可溶性钙离子，灌溉或者高量降雨容易导致可溶性钙离子下渗与淋溶，而土壤盐基离子淋失正是导致土壤酸化的重要原因之一[16-17]；其次，过量施肥问题在黄褐土农田区域较为普遍[18-19]，高强度施用铵态氮肥导致铵根离子在土壤中残留较为严重，而铵根离子易在硝化微生物的作用下发生硝化反应产生氢离子[20]，成为黄褐土酸化的又一重要原因。除此之外，黄褐土农田区域的大气酸或氮沉降量大也是黄褐土农田土壤酸化不可忽视的原因。基于此，以黄褐土农田土壤为研究对象，在常规和优化施肥基础上添加中、高量生物质炭和微生物有机肥，探究以生物质炭和微生物菌肥为主要调理剂条件下，黄褐土农田土壤酸化反馈效果以及玉米关键生长期典型生理指标的响应程度，为黄褐土土壤酸化大面积治理提供技术支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料

生物质炭来源为玉米秸秆生物质炭，在炉温600 ℃条件下制得，具体指标：得炭率3%、含水量15%、pH值10、比表面积150 m2/g、钾含量≤1.0 mg/kg、磷含量≤1.0 mg/kg、汞含量≤0.5 mg/kg、砷含量≤10 mg/kg和镉含量≤1.0 mg/kg。供试玉米品种为郑单958。微生物菌肥购自河北石家庄沃福沃肥业有限公司，其有效活菌数≥2.0亿cfu/g，包含胶动样类芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌等，氮、磷、钾含量分别为2%、2%、1%。

1.2 试验设计

试验设置5个处理，分别为不施肥处理(CK)、传统施肥处理(CT，按照当地常规量施入氮、磷、钾肥，其中氮、磷、钾肥分别由尿素、过磷酸钙和氯化钾提供，纯N、P2O5、K2O施用量分别为240、103、51 kg/hm2)、微生物菌肥处理(WJ，按照4.5 t/hm2标准施用微生物菌肥,补充化肥氮、磷、钾使其整体施肥量等同CT处理)、低量生物质炭处理(T200，炭∶土=1∶200，相当于耕层施入10 t/hm2生物质炭量，总氮、磷、钾量同CT处理，其中总氮、磷、钾含量为生物质炭与化肥量之和)、高量生物质炭处理(T20，炭∶土=1∶20，相当于耕层施入100 t/hm2生物质炭，总氮、磷、钾量同CT处理)。

每桶装土量为100 kg，3次重复。每桶种植4穴，最终留苗1株。2017年7月5日播种，2017年9月13日收获。玉米生长季施肥2次，其中基肥氮占总施氮量的60%，追肥氮占总施氮量的40%，其他均作基肥。施肥深度为20 cm，基肥期土样与肥料混匀后灌溉，追肥期表施尿素后灌溉。灌溉日期分别为2017年7月5日、7月25日和8月15日。每次每桶灌水量为3～5 L。

1.3 测定指标与方法

于2017年8月1日(大喇叭口期)和8月17日(灌浆期)，用Li-6400XT植物光合测定仪在9：00—11：00点分别测定最新展开叶和穗位叶的光合特性，每个处理随机选择3株长势相当的玉米进行测定，并取平均值。为了防止阳光随时间的变化，在利用Li-6400XT之前，先测定开始的光照强度，然后把人工光源设定为该时间的光照强度，分别测定玉米的光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。

植株收获后，将整株挖出冲洗根部泥土，测定玉米株高、根长，并将地上部、地下部分别于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘箱中烘干至恒质量，称量干质量，并测定植株地上部、地下部的全氮、全磷、全钾含量。

1.4 数据分析

采用SPSS 17.1软件进行试验数据统计分析，采用Origin 8.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤肥力指标的影响

表1 玉米收获后不同施肥处理的土壤养分含量和关键盐基离子含量

2.2 不同施肥处理对玉米光合指标的影响

不同施肥处理对玉米关键生长时期的光合响应指标影响不同。如图1所示，大喇叭口期，T20和WJ处理Pn分别为24.9、24.1 μmol /(m2·s)，显著高于其他处理(P<0.05)；其次为T200处理，Pn为22.6 μmol/(m2·s)；CK最低，仅为18.2 μmol/(m2·s)。

不同字母代表差异显著(P<0.05)，下同

同样,T20和WJ处理的Gs、Ci、Tr分别为0.26 mmol/(m2·s)、232.2 μmol/(m2·s)、2.20 mmol/(m2·s) 和0.25 mmol/(m2·s)、240.3 μmol/(m2·s)、2.10 mmol/(m2·s)，显著高于其他处理(P<0.05)；其次为T200和CT处理，CK的Gs、Ci和Tr最低。灌浆期，T20处理的Pn、Gs、Ci和Tr最高，其次为WJ、T200处理，而CT处理和CK最低(图2)。可见，生物质炭和微生物菌剂添加可以显著提高玉米的光合效率。

图2 灌浆期不同施肥处理对玉米光合作用的影响

2.3 不同施肥处理对玉米主要农艺性状和养分含量的影响

由图3可见，T20处理玉米株高显著高于其他处理(P<0.05)，其次为T200和WJ处理，CT处理和CK较低；与株高结果类似，T20处理玉米根长最长，其次为WJ处理，T200、CT和CK处理根长较短，且无显著差异(P>0.05)；对比不同处理玉米的地上部干质量和根干质量，结果显示，T20和WJ处理玉米地上部干质量和根干质量显著高于其他处理(P<0.05)，其次为T200处理和CT处理，CK最低。由此说明，添加生物质炭和微生物菌剂可以促进酸化黄褐土上玉米干物质的积累。

图3 不同施肥处理玉米株高、根长和干物质量

由不同施肥处理玉米植株养分指标(表2)可见，T20和T200处理根部全氮含量显著高于其他处理，其次为CT处理，CK和WJ处理较低；T20和WJ处理根部全磷含量最高，其次为T200和CT处理，CK最低；T20处理根部全钾含量最高，其次为T200和WJ处理，CK最低。与根部养分含量结果不同，T20处理地上部氮含量显著高于其他处理，而其他处理地上部全氮含量差异不明显(P>0.05)；T20、T200和CT处理地上部全磷含量无明显差异，但显著高于CK和WJ处理(P<0.05)；T200处理全钾含量显著高于其他处理(P<0.05)，其次为T20、CT和WJ处理，CK最低。值得注意的是，WJ处理地上部全磷含量低于T20和T200处理，甚至低于CT处理，这可能与微生物对养分的协同吸收有关。

表2 玉米根和地上部植株中N、P、K含量

3 结论与讨论

3.1 不同施肥处理对黄褐土土壤酸化关键指标的影响

相关研究表明，土壤交换性盐基离子与土壤酸碱度呈显著正相关关系，pH值从低到高的过程中，伴随着氢离子的减少，土壤盐基离子的释放会逐渐增多[22]。在本试验中，除了硝态氮、铵态氮和交换性钾外，相比CK，CT处理土壤交换性钙、交换性镁和交换性钠含量无明显变化，说明CT处理无益于土壤酸碱度的改善。值得注意的是，CT处理土壤速效磷含量提升显著，这可能与磷肥施用导致土壤中速效磷含量上升有关。除此之外，本研究还发现，T20、T200和WJ处理土壤交换性钙、交换性镁和交换性钠含量增幅明显(P<0.05)，这可能与土壤pH值提升导致土壤盐基饱和度增加有关，也说明T20、T200和WJ处理有利于黄褐土酸化土壤的改良。然而，对比T20和T200处理的几种关键盐基离子含量发现，T20处理土壤交换性钙、交换性镁和交换性钠离子含量显著高于T200处理，由于秸秆生物质炭中的钙、镁、钠离子含量较低，推断这主要与高量生物质炭添加条件下土壤pH值升高导致交换性离子释放有关。但本试验缺乏对黄褐土酸化土壤交换性酸和交换性铝含量等重要参数的测定，使得生物质炭和生物菌肥的改良机制未能完全说明。未来大田试验过程中应涉及更多参数的测定，同时应加强土壤微生物群落结构变化的研究。

3.2 生物质炭添加和微生物菌肥施用对酸化黄褐土玉米农田的改良效果

关于添加生物质炭或微生物菌剂对土壤改良效果的研究已经有了大量报道[23-25],但酸化改良研究相对较少[26]。秸秆高温碳化后产生大量的羧基，使得生物质炭呈现强碱性特征。当秸秆生物质炭施入已经酸化的农田土壤后，羧基会与土壤中的氢离子结合从而降低土壤中的酸根离子浓度，缓解土壤酸化[6,23]。本研究设置了高量和低量生物质炭添加处理，结果显示，这2种秸秆生物质炭添加处理都可以显著提升土壤pH值，提高玉米的光合响应指标及地上地下干物质量。但添加高量生物质炭对土壤pH值的提升效果更加明显，同时玉米Pn、Gs、Ci和Tr最高。但由于试验设计生物质炭添加量梯度不够多，是否存在更合适的生物质炭量可以在显著改善土壤酸化的同时提升作物产量，尚待进一步研究。除此之外，微生物菌肥处理也是本试验的关注点，微生物菌肥缓解土壤酸化的机制主要体现在释放的微生物菌群对土壤中铝离子的络合、提供有机质和固定土壤中铵根离子，从而优化作物的根系生长环境，实现降酸的目的[25]。关于微生物菌群对土壤质量的改良效果研究已有大量报道，并显示出对土壤质量具有较好的改良效果。本研究结果显示，适量的微生物菌群对土壤酸化有显著的缓解作用，土壤pH值较原始土样显著提升，其土壤酸化改良效果仅次于添加秸秆生物质炭处理，而植物光合响应指标和干物质量的增加甚至高于低量生物质炭添加处理，说明微生物菌剂有机肥添加处理对于土壤酸化也有较好的改良效果。可见，添加生物质炭和微生物菌肥对酸化黄褐土均有良好的改良效果。考虑到土壤酸化改良的复杂性和反复性，未来应加强长期、密集的大田梯度试验，同时结合不同农艺措施探究更深入的土壤酸化改良机制。

3.3 酸化黄褐土农田土壤酸化改良的初步设想

施肥是导致黄褐土酸化的重要因素之一，原因主要是铵根离子的硝化反应产生氢离子[25-26]。因此，建议减少铵态氮肥的施用(可增加有机肥施用)，同时探究黄褐土典型作物种植模式下的氮素去向，在保障作物产量和质量的前提下，寻找合适的施肥量以达到氮素输入(肥料、土壤矿化、灌溉水、干湿沉降等)与输出平衡[27-28]；其次，一年两季高强度的种植模式导致作物收获后带走大量的盐基离子，所以可以采取3～5 a休耕1次的做法，同时补充土壤可能匮缺的主要盐基离子，保障土壤主要盐基离子相对平衡，从而降低土壤酸化；再次，深耕也是一种缓解土壤酸化的办法，通过深耕可以让犁底层酸化较弱的土壤与耕层显著酸化的土壤混合，从物理角度达到降低酸化的目的；此外，考虑到土壤自然酸化过程，可以每隔3～5 a施用1次秸秆生物质炭，通过生物质炭的强碱性达到降低土壤酸化的目的；最后，在农田肥料生产过程中，为了降低成本，相关企业经常混杂一些劣质强酸性肥料，这也成为农田酸化过程中不可忽视的因素，因此，在施肥的过程中一定要选择有质量保证的肥料，从源头降低酸化来源。

综上，传统施肥无益于黄褐土农田土壤酸化的改善，无论玉米光合指标还是植株地下地上关键生长指标均显示出较低水平。添加生物质炭和微生物菌肥不仅提升土壤pH值,显著缓解土壤酸化，同时还能显著改善玉米的主要光合指标及农艺性状。本研究中，生物质炭和微生物菌剂生物有机肥的施用量都是在参考前期酸化调控研究的基础上设置的，未来将进一步结合黄褐土的土壤理化性质、矿物构成及变化过程的相关研究结果，开展多梯度和长期定位试验，进一步深入探索黄褐土酸化治理的方法。