石灰與生物炭對礦山廢水污染農(nóng)田土壤的改良效應(yīng)

張新帥，張紅宇，黃凱，施翠仙，陳建軍，李元，湛方棟*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；2.云南威鑫農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，昆明 650201）

土壤酸化是指在人為因素和自然因素共同作用下，引起土壤氫離子增多，使pH值降低的過程。土壤酸化的自然進程極其漫長，但近年來，受人類活動，尤其是酸性礦山廢水排放的影響，礦山周邊土壤酸化加速。酸性礦山廢水主要是在礦山開采、選礦及尾礦貯存等過程中，還原性硫化礦物在空氣、水和細菌作用下被氧化后產(chǎn)生。酸性礦山廢水活化農(nóng)田土壤重金屬，使土壤中交換鹽基減少、交換酸增多、有機質(zhì)的分解和礦質(zhì)養(yǎng)分元素循環(huán)等受到抑制，影響作物地上部生長、生理特性和產(chǎn)量。因此解決我國礦山周邊農(nóng)田土壤酸化問題迫在眉睫。

石灰和生物炭是酸性土壤改良和重金屬鈍化的常用材料。有研究發(fā)現(xiàn)施用石灰可以降低土壤酸度，有效緩解重金屬毒害，補充鈣（Ca）、鎂（Mg）營養(yǎng)，提高土壤微生物數(shù)量和活性，增加有機質(zhì)的礦化和養(yǎng)分循環(huán)能力，提高土壤養(yǎng)分有效性，改善植株營養(yǎng)和生長狀況，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。蔣少軍等認為生物炭是一種具有疏松多孔、比表面積大等特征的碳質(zhì)材料，通常具有較高的pH和陽離子交換量（CEC），本身含有豐富的礦質(zhì)元素。生物炭對重金屬污染物有著良好的吸附能力，可顯著降低重金屬污染物的遷移性及其生物可利用度，可以通過提高土壤pH和養(yǎng)分以及改善土壤物理性狀來改良酸性重金屬土壤并達到增產(chǎn)的目的。

梁河縣位于我國西南部，伴隨當?shù)刈匀毁Y源的開發(fā)，礦山廢水污染周邊農(nóng)田，農(nóng)田土壤酸化嚴重，同時伴隨Cd等重金屬污染問題的產(chǎn)生，土地利用率和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降。玉米是我國重要的糧食作物，土壤酸化、肥力下降，嚴重威脅玉米的可持續(xù)生產(chǎn)。目前針對玉米主產(chǎn)區(qū)域酸性礦山廢水土壤酸化問題，不同用量的石灰、生物炭單施與配施對酸性礦山廢水污染農(nóng)田土壤的改良效果研究尚少有報道。因此，本文通過大田試驗設(shè)計不同用量的石灰、生物炭單施與配施處理，研究其對酸性礦山廢水污染農(nóng)田土壤和玉米生長的影響，以探討石灰、生物炭對酸性礦山廢水污染農(nóng)田的改良效果，為酸性礦山廢水污染農(nóng)田治理和農(nóng)作物安全種植提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點介紹

試驗地點位于云南省梁河縣酸性農(nóng)田（24°53'N、98°15'E），海拔1 248 m，農(nóng)田距離礦山約6 km。鉛鋅礦區(qū)產(chǎn)生的部分廢水經(jīng)灌溉水渠排入農(nóng)田。土壤類型為山原褐土，其基本理化性質(zhì)如表1所示。試驗區(qū)Cd含量是《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管制值（pH≤5.5，Cd≤0.3 mg·kg，Pb≤70 mg·kg）的10倍，屬于重度Cd超標農(nóng)田土壤。

表1 試驗土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

1.2 試驗小區(qū)設(shè)計與試驗處理

試驗采用當?shù)刭徺I的石灰（L），主要成分為CaCO，pH 12.1，全Cd和全Pb含量分別為0.11 mg·kg和1.02 mg·kg。生物炭（B）為供試橡膠樹枝條粉碎后在400～500℃厭氧條件下制備而成，其比表面積為22.660 7 m·g，平均孔徑為2.771 nm，C、P、S、K的原子數(shù)百分比分別為99.03%、0.05%、0.12%、0.80%，pH 9.5，有機質(zhì)含量123.2 g·kg，全N、全P、全K含量分別為6.3、15.7、17.2 g·kg，堿解N、速效P和速效K含量分別為70.3、113.2、181.3 mg·kg，全Cd和全Pb含量分別為0.1 mg·kg和11.0 mg·kg。石灰和生物炭分別設(shè)置3個用量，石灰用量為0、1 500 kg·hm和4 500 kg·hm，生物炭用量為0、15 000 kg·hm和45 000 kg·hm，設(shè)計二因素三水平的正交試驗（表2）。

表2 正交試驗方案Table 2 The orthogonal test scheme

大田試驗設(shè)計中每個處理設(shè)3個平行，共27個小區(qū)，每個小區(qū)長5 m，寬3 m，面積15 m，小區(qū)之間間隔30 cm，設(shè)置覆膜隔離板，以防止小區(qū)之間串水串肥，小區(qū)隨機區(qū)組排列。玉米種植前15 d在大田加入石灰和生物炭，并與耕作層（0～20 cm）土壤混合均勻。供試玉米（L.）品種為會單四號，為Cd低累積品種。2019年5月10日，挑選大小一致且籽粒飽滿的種子播種。采用壟間挖坑種植，每坑播種玉米種子3粒，株距40 cm，行距60 cm，壟寬20 cm；種植前施用復(fù)合肥450 kg·hm作為底肥，供試復(fù)合肥總養(yǎng)分量為25%，其中，N∶PO∶KO為10∶10∶10；玉米拔節(jié)期施氮肥450 kg·hm作為追肥。2019年9月20日收獲。

1.3 樣品采集方法

玉米成熟后，通過S型采樣法采集各小區(qū)玉米植株10株，帶回實驗室用自來水和去離子水清洗干凈，分為根、莖、葉和籽粒4部分，105℃殺青30 min，然后在75℃烘干至質(zhì)量恒定，稱量干質(zhì)量，粉碎后過篩，裝袋保存?zhèn)溆?。同時采集玉米根際土壤，一部分新鮮土樣裝袋-80℃保存，留測微生物和土壤酶活性，另一部分自然風(fēng)干，磨碎后分別過100目和20目篩，裝袋備用。

1.4 土壤pH、速效養(yǎng)分含量、CEC和Cd有效態(tài)測定

土壤pH采用電位計法測定；分別采用堿解擴散法、NaHCO浸提-鉬銻抗比色法和NHAc浸提-火焰光度法測定土壤堿解N、速效P和速效K含量；采用三氯化六氨合鈷-分光光度法測定土壤CEC；用0.1 mol·L氯化鈣提取土壤有效態(tài)Cd，火焰原子吸收分光光度計測定有效態(tài)Cd含量。

1.5 土壤微生物數(shù)量和酶活性測定

土壤微生物數(shù)量采用不同培養(yǎng)基進行稀釋平板計數(shù)，細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，真菌采用馬丁氏瓊脂培養(yǎng)基，放線菌采用高氏1號培養(yǎng)基。分別采用3，5-二硝基水楊酸比色法、磷酸苯二鈉比色法和淀酚藍法測定土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶和脲酶活性。

1.6 玉米養(yǎng)分和Cd含量測定

稱取0.1 g玉米根、莖、葉和籽粒植物樣，HSO-HO消煮，分別用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法和火焰光度法測定玉米植株N、P、K含量。稱取0.1 g玉米根、莖、葉和籽粒植物樣，用HNO-HO消煮，將濾液定容至50 mL，采用火焰原子吸收分光光度計測定玉米植株Cd含量。

1.7 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計

采用Excel 2007進行試驗數(shù)據(jù)處理，計算平均值和標準差，采用SPSS 23.0和Student-Newman-Keuls（SNK）檢驗法檢驗數(shù)據(jù)在0.05水平上的顯著性，采用雙因素方差分析檢驗施用石灰、生物炭處理及二者交互作用的顯著性。采用Origin 9.1繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤pH、CEC含量和生物學(xué)性質(zhì)的影響

如圖1所示，與L1B1處理相比，石灰、生物炭單施和配施均會導(dǎo)致土壤pH顯著增加，增幅分別為24.9%～29.5%、17.2%～32.4%、25.7%～39.6%。石灰、生物炭單施處理下，隨著施用量的增加，土壤pH呈增加趨勢，且生物炭單施處理間差異顯著（＜0.05）；石灰、生物炭配施時，當石灰或生物炭施用量恒定，隨著另一材料施用量的增加，土壤pH整體呈增加趨勢，L3B2與L3B3處理間差異不顯著，說明在石灰用量為4 500 kg·hm，生物炭用量為15 000 kg·hm時就已達到改良土壤pH的目的。

圖1 石灰、生物炭對土壤pH和CEC含量的影響Figure 1 The influence of lime and biochar on soil pH and CEC

與L1B1處理相比，石灰、生物炭單施和配施均可提高土壤CEC含量，分別增加17.45%～60.20%、57.25%～155.30%和50.48%～149.48%，石灰、生物炭單施處理下，隨著施用量的增加，土壤CEC含量呈增加趨勢，但石灰處理間差異不顯著（＞0.05）；石灰、生物炭配施時，當石灰或生物炭施用量恒定，隨著另一材料施用量的增加，土壤CEC含量呈增加趨勢，其中單施生物炭L1B3和配施L3B2、L3B3處理土壤CEC含量與L1B1處理之間存在顯著差異（＜0.05）。雙因素方差分析表明，石灰和生物炭均對土壤pH和CEC含量存在極顯著影響，并且二者之間在土壤pH和CEC含量上存在交互作用。

由圖2可知，石灰、生物炭單施和配施均能影響細菌、真菌和放線菌數(shù)量。石灰單施處理下，隨著施用量的增加，細菌數(shù)量增加，真菌、放線菌數(shù)量減少；生物炭單施處理下，隨著施用量的增加，真菌和放線菌數(shù)量增加，細菌數(shù)量減少；石灰、生物炭配施處理下，當石灰或生物炭用量恒定時，隨著另一材料施用量的增加，細菌、真菌和放線菌數(shù)量均增加。L3B3處理下，細菌、真菌和放線菌分別較L1B1處理增加189.3%、68.3%和128.5%。雙因素方差分析表明，石灰對細菌和放線菌數(shù)量存在極顯著影響，生物炭對放線菌數(shù)量存在極顯著影響，并且二者之間在細菌和放線菌數(shù)量上存在交互作用。

圖2 石灰、生物炭對土壤微生物數(shù)量的影響Figure 2 The influence of lime and biochar on the amount of soil microorganisms

如圖3所示，石灰、生物炭單施和配施對蔗糖酶、酸性磷酸酶和脲酶活性有不同影響。與L1B1處理相比，石灰單施處理下，隨著施用量的增加，蔗糖酶和脲酶活性升高，酸性磷酸酶活性降低；生物炭單施處理下，隨著施用量的增加，蔗糖酶活性升高，酸性磷酸酶和脲酶活性降低；石灰、生物炭配施處理下，當石灰或生物炭用量恒定時，隨著另一材料施用量的增加，蔗糖酶、脲酶活性升高，酸性磷酸酶活性降低。與L1B1處理相比，石灰、生物炭單施和配施，蔗糖酶和脲酶活性增幅分別為43.2%～118.4%和45.0%～86.2%，酸性磷酸酶活性顯著降低，降幅為9.5%～39.7%，其中L1B3處理顯著降低39.74%。L3B3處理下，土壤蔗糖酶和脲酶活性較L1B1處理顯著增加117.4%和63.1%。雙因素方差分析表明，石灰對土壤蔗糖酶活性和酸性磷酸酶活性存在極顯著影響，生物炭對土壤脲酶活性、蔗糖酶活性和酸性磷酸酶活性存在極顯著影響，并且二者之間在土壤脲酶活性和酸性磷酸酶活性上存在交互作用。

圖3 石灰、生物炭對土壤酶活性的影響Figure 3 The influence of lime and biochar on soil enzyme activity

2.2 對土壤-玉米體系養(yǎng)分含量的影響

由表3可知，石灰、生物炭單施和配施影響土壤中堿解N、速效P和速效K的含量。與L1B1處理相比，除L3B2處理增加土壤速效P含量外，其他均能降低土壤速效P含量，降幅為18.0%～40.7%，且石灰、生物炭單施和配施處理土壤速效P含量均與L1B1處理之間存在顯著差異（＜0.05）。石灰、生物炭單施和配施均能增加土壤速效K含量，增幅分別為2.4%～6.0%、80.7%～393.8%、90.7%～316.8%，且單施生物炭與石灰、生物炭配施處理土壤速效K含量與L1B1處理之間存在顯著差異（＜0.05）。石灰、生物炭單施處理下，隨著改良劑施用量的增加，土壤堿解N含量減少；石灰、生物炭配施處理下，當石灰或生物炭用量恒定時，隨著另一材料施用量的增加，土壤堿解N含量增加。L3B3處理下，速效K和堿解N較L1B1處理顯著增加296.3%和64.4%。雙因素方差分析表明，施用石灰對土壤堿解N、速效P和速效K存在極顯著影響，施用生物炭對土壤堿解N、速效P和速效K存在顯著或極顯著影響，并且二者之間在土壤堿解N、速效P和速效K上存在交互作用。

表3 石灰、生物炭對土壤養(yǎng)分含量的影響（mg·kg-1）Table 3 The influence of lime and biochar on soil nutrient content（mg·kg-1）

石灰、生物炭單施和配施對玉米各器官的養(yǎng)分含量有不同影響（表4）。隨著施用量的增加，生物炭單施處理下，玉米根、葉N含量先減少后增加，莖N含量先增加后減少，籽粒N含量增加；石灰單施處理下，根N含量增加，莖、葉和籽粒N含量先減少后增加；石灰、生物炭配施處理下，根、籽粒N含量增加，莖、葉N含量先減少后增加。石灰、生物炭單施和配施處理下N在玉米各器官內(nèi)分布規(guī)律均為籽粒＞根＞葉＞莖，N主要集中在玉米籽粒內(nèi)。雙因素方差分析表明，石灰對根、莖和葉中N含量存在顯著或極顯著影響，生物炭對莖和葉中N含量存在顯著或極顯著影響，并且二者之間在莖、葉和籽粒N含量上存在交互作用。

表4 石灰、生物炭對玉米植株N含量的影響（g·kg-1）Table 4 The influence of lime and biochar on nitrogen content of corn plants（g·kg-1）

如表5所示，隨著改良劑施用量的增加，生物炭單施處理下，玉米根、莖P含量先減少后增加，葉P含量減少，籽粒P含量先增加后減少；石灰單施處理下，根、籽粒P含量增加，莖、葉P含量先減少后增加；石灰、生物炭配施處理下，根、莖P含量減少，葉、籽粒P含量增加。生物炭單施和石灰、生物炭配施處理下，P在玉米各器官內(nèi)分布規(guī)律為葉＞籽粒＞根＞莖，石灰單施處理下為籽粒＞葉＞根＞莖。雙因素方差分析表明，石灰對根和籽粒中P含量存在顯著或極顯著影響，生物炭對莖中P含量存在極顯著影響，并且二者之間在根、莖和籽粒含量P之間存在交互作用。

表5 石灰、生物炭對玉米植株P(guān)含量的影響（%）Table 5 The influence of lime and biochar on phosphorus content of maize plants（%）

由表6可知，石灰、生物炭單施和配施均能增加植株K含量。與L1B1處理相比，隨著施用量的增加，生物炭單施處理下，根、莖、葉、籽粒K含量增幅分別為 68.0%～102.7%、86.7%～90.4%、26.2%～35.0%、13.8%～34.5%；石灰單施處理下，根、籽粒K含量增幅分別為20.0%～73.3%、24.1%～27.6%，L3B1處理下，莖、葉K含量分別增加45.8%、29.1%；石灰、生物炭配施處理下，根、莖、葉、籽粒K含量分別增加61.3%～78.7%、39.8%～83.1%、34.0%～43.7%、20.7%～41.4%。石灰、生物炭單施和配施處理下根、莖、葉、籽粒K含量均與L1B1處理之間存在顯著差異（＜0.05）。雙因素方差分析表明，石灰對根、莖和葉K含量存在極顯著影響，生物炭對根、莖、葉和籽粒K含量存在極顯著影響，并且二者之間在根、莖、葉和籽粒K含量上存在交互作用。因此，玉米中N、P、K養(yǎng)分吸收量的增加主要由添加石灰和生物炭獲得。

表6 石灰、生物炭對玉米植株K含量的影響（%）Table 6 The influence of lime and biochar on potassium content of maize plants（%）

2.3 對土壤-玉米體系Cd含量的影響

由圖4可知，施加改良劑均能降低土壤有效態(tài)Cd含量，且石灰、生物炭單施和配施與L1B1處理差異顯著（＜0.05）。與L1B1處理相比，石灰、生物炭單施和配施處理土壤有效態(tài)Cd分別降低64.09%～90.14%、23.22%～96.46%、52.44%～92.96%，其中生物炭單施降低土壤有效態(tài)Cd的效果優(yōu)于石灰單施和石灰、生物炭配施。不同改良劑施用量的結(jié)果表明，隨著施加量的增加，土壤有效態(tài)Cd呈下降趨勢，可見，施加改良劑是一種有效降低土壤有效態(tài)Cd的方法，其中石灰單施最佳用量為4 500 kg·hm，生物炭單施最佳用量為45 000 kg·hm，石灰、生物炭配施最佳用量為4 500 kg·hm石灰+15 000 kg·hm生物炭。雙因素方差分析表明，施加石灰和生物炭對土壤有效態(tài)Cd含量存在極顯著影響，并且二者之間存在極顯著的交互作用，因此土壤中有效態(tài)Cd含量的降低是由于添加了石灰和生物炭。

圖4 石灰、生物炭對土壤有效態(tài)Cd含量的影響Figure 4 The influence of lime and biochar on soil available Cd content

石灰、生物炭單施和配施使玉米根系Cd含量增加，但與L1B1處理差異不顯著（＞0.05）（表7）。生物炭單施處理下莖、葉、籽粒Cd含量均下降，降幅分別為13.9%～58.3%、13.8%～35.4%、14.3%～42.9%；石灰單施處理下，莖、葉、籽粒Cd含量降幅分別為5.6%～38.9%、1.5%～4.6%、14.3%～42.9%；石灰、生物炭配施處理下，莖、葉降幅分別為19.4%～55.6%、3.1%～33.8%，籽粒Cd含量下降14.3%。L1B2、L2B1處理下籽粒Cd含量與L1B1處理差異顯著（＜0.05），其余處理下差異不顯著，石灰、生物炭單施和配施處理下，Cd在玉米器官內(nèi)的分布規(guī)律均為根＞葉＞莖＞籽粒。雙因素方差分析表明，石灰對莖和籽粒Cd含量存在極顯著影響，生物炭對莖Cd含量存在極顯著影響，并且二者之間在莖、葉、籽粒Cd含量上存在交互作用。

表7 石灰、生物炭對玉米植株Cd含量的影響（mg·kg-1）Table 7 The influence of lime and biochar on Cd contents of maize plants（mg·kg-1）

2.4 對玉米生物量和產(chǎn)量的影響

與L1B1處理相比，石灰、生物炭單施和配施顯著增加玉米籽粒產(chǎn)量（表8），增幅分別為27.8%～38.7%、29.0%～32.3%、30.8%～48.6%。石灰、生物炭單施和配施均能增加根、莖、葉生物量，生物量總體呈現(xiàn)葉＞莖＞根，石灰、生物炭單施時，隨著施加量的增加，玉米生物量和籽粒產(chǎn)量呈增加趨勢，石灰、生物炭配施時，當石灰或生物炭施用量恒定時，隨著另一材料施用量的增加玉米生物量和籽粒產(chǎn)量呈增加趨勢。在L3B3處理下，各器官生物量和產(chǎn)量達到最大值，表明石灰、生物炭配施比石灰、生物炭單施效果更好，且在石灰、生物炭配施施用量達到最大時，玉米生物量和增產(chǎn)效果最佳。雙因素方差分析表明，石灰對產(chǎn)量存在極顯著影響，生物炭對莖生物量和籽粒產(chǎn)量存在極顯著影響，并且二者之間在籽粒產(chǎn)量上存在交互作用。

表8 石灰、生物炭對玉米生物量和產(chǎn)量的影響Table 8 The influence of lime and biochar on maize biomass and yield

2.5 相關(guān)性分析

如表9所示，玉米根生物量與土壤pH、速效K含量、CEC、放線菌數(shù)量和蔗糖酶活性呈顯著或極顯著正相關(guān)；莖生物量與pH、速效K含量和CEC呈顯著正相關(guān)；葉生物量與pH、CEC含量、蔗糖酶活性呈顯著或極顯著正相關(guān)，與土壤有效態(tài)Cd含量呈顯著負相關(guān)；籽粒產(chǎn)量與pH、蔗糖酶活性呈極顯著正相關(guān)，與土壤有效態(tài)Cd含量呈顯著負相關(guān)。土壤pH與有效態(tài)Cd含量呈極顯著負相關(guān)（=-0.933，＜0.01，=6）；土壤速效K含量與根K含量（=0.736，＜0.05，=6）、莖K含量（=0.701，＜0.05，=6）呈顯著正相關(guān)。

表9 玉米植株生物量、產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性Table 9 Correlations among maize plant biomass，yield and soil indicators

3 討論

3.1 石灰和生物炭對土壤pH、CEC和生物學(xué)性質(zhì)的影響

石灰和生物炭都是堿性物質(zhì)，石灰可以中和酸性土壤中交換性酸和活性酸從而使土壤pH升高，補充Ca、Mg等營養(yǎng)元素以逐漸實現(xiàn)對酸性土壤的改良。在酸性土壤中施加生物炭，因其表面的—COO—和—O—等官能團是堿的主要存在形式，從而明顯提高土壤pH，且生物炭的灰分中含有Ca、Mg、K、Na等鹽基離子，施入土壤后會與土壤中的H、Al進行交換，進而降低其濃度，提高土壤pH。本研究中，施用石灰和生物炭能提高土壤CEC。生物炭比表面積較大，孔隙及表面官能團豐富，含有芳環(huán)結(jié)構(gòu)和羥、羧基等基團，其添加到土壤后可以增加離子交換的位點，提高表面交換活性，有利于增加土壤CEC。

土壤中存在的細菌、真菌和放線菌作為土壤微生物的主要生物量，它們的數(shù)量和種類組成變化會對土壤的生化活性以及土壤養(yǎng)分產(chǎn)生直接影響，是表征土壤肥力的重要指標之一。本研究中適量的石灰和生物炭能增加細菌、真菌和放線菌數(shù)量，過量施用使細菌和真菌數(shù)量減少。施用石灰能改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的硝化作用，從而改善土壤養(yǎng)分狀況，提高養(yǎng)分循環(huán)能力，提高土壤微生物生物量；生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，可有效改良致密性土壤的物理結(jié)構(gòu)，為土壤微生物提供充足的碳源，同時其表面豐富的孔隙結(jié)構(gòu)可成為微生物有利的棲息地，促進微生物繁殖。但生物炭和石灰過度施用也可能會降低土壤微生物生物量。因為不同材料的生物炭和石灰對不同地區(qū)和不同作物的影響存在較大差異，所以，在施用生物炭和石灰時，要對地區(qū)進行調(diào)查，按照需要適量添加，才能為土壤微生物創(chuàng)造一個好的生活環(huán)境。

土壤酶在很大程度上來源于土壤微生物，施用石灰和生物炭影響土壤微生物組成和活性，所以同樣也會影響土壤酶。土壤酶活性作為土壤中的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化速度以及土壤腐殖質(zhì)化強度的反映，常被作為土壤質(zhì)量的生物活性指標。脲酶作為土壤中活躍的水解酶，可直接參與土壤有機氮的轉(zhuǎn)化過程；土壤磷酸酶活性的高低則影響土壤有機磷的分解轉(zhuǎn)化；土壤蔗糖酶可將蔗糖分子水解成易被植物和土壤微生物吸收利用的葡萄糖和果糖，提高土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化。土壤有機質(zhì)是酶促反應(yīng)底物的主要來源，生物炭添加后明顯增加了土壤有機質(zhì)含量，其多孔結(jié)構(gòu)還能夠吸附反應(yīng)底物，從而促進酶促反應(yīng)的發(fā)生。石灰、生物炭添加后也增強了微生物活動，這有利于加快有機物質(zhì)的分解，為土壤酶提供更多的反應(yīng)底物，從而提高土壤酶活性。本研究中，隨著石灰和生物炭施用量的增加，酸性磷酸酶活性降低，這與前人研究結(jié)果不同。有研究發(fā)現(xiàn)，土壤酶對pH變化非常敏感，大部分土壤酶及其相關(guān)微生物適宜的pH高于偏酸性土壤的pH，提高土壤pH能刺激土壤蔗糖酶和脲酶活性，但與酸性磷酸酶相關(guān)的微生物被抑制，活性降低，這可能是影響本研究結(jié)果的原因。

3.2 石灰和生物炭對土壤-玉米體系養(yǎng)分含量的影響

施用石灰、生物炭等改良劑能有效改善土壤養(yǎng)分的有效性。本研究中施用石灰、生物炭使土壤速效K含量增加，速效P和堿解N含量減少。施用改良劑有利于根系微生物和酶活性增加，促進根系生長，使發(fā)達的根系和主根能吸收深層土壤中的K素，提高K的親和力，從而打破土壤中各種形態(tài)K的平衡，使得土壤中的礦物K不斷轉(zhuǎn)為有效K，從而提高了土壤中的速效K含量。石灰和生物炭含有大量的Ca，加入后使土壤中Ca溶液達到飽和，從而與土壤中的磷酸根離子形成了難溶性磷酸鈣鹽，加入石灰和生物炭越多，形成的難溶性磷酸鹽越多，致使土壤有效P含量減少；L3B2處理下速效P含量略微增加，可能是與土壤理化性質(zhì)、農(nóng)業(yè)耕作方式、管理條件等試驗條件有關(guān)，存在一定的偶然性，后續(xù)還要繼續(xù)試驗以驗證此結(jié)果是否具有長期穩(wěn)定性。生物炭獨特的表面特性使其對土壤水溶液中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮及氣態(tài)氨等不同形態(tài)存在的營養(yǎng)元素有很強的吸附作用。但過量石灰施入后通過加速土壤C、N循環(huán)會降低土壤中的N含量，因此需要將石灰等改良劑與有機肥等有機改良劑配合施用。

石灰、生物炭單施和配施促進玉米植株對N、P、K的吸收。生物炭的多孔結(jié)構(gòu)能改變土壤孔隙度和孔徑分布，減少養(yǎng)分元素的淋溶，增強其對營養(yǎng)元素的吸持能力，使得土壤養(yǎng)分被固定且具有緩釋作用；其發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)為微生物提供適宜的棲息環(huán)境，提高土壤保肥性能。石灰和生物炭自身含有較高的速效養(yǎng)分，比土壤本身養(yǎng)分高，與土壤混合后提高了土壤中有效養(yǎng)分的含量，增加養(yǎng)分在土壤中的被消耗時間，進而促進植株對養(yǎng)分的吸收，增加玉米籽粒內(nèi)的N、P、K含量。

3.3 石灰和生物炭對土壤-玉米體系Cd含量的影響

土壤重金屬污染是酸化土壤中所產(chǎn)生的典型問題，重金屬的活性與農(nóng)產(chǎn)品安全直接相關(guān)。本研究中，石灰、生物炭單施和配施均能有效降低土壤有效態(tài)Cd含量。提高土壤pH降低土壤重金屬的生物有效性是改良酸性土壤的重要機理，相關(guān)性分析表明，土壤有效態(tài)Cd含量與土壤pH呈極顯著負相關(guān)，石灰作為一種常用的無機鈍化劑，主要通過提高土壤pH來降低土壤有效態(tài)Cd含量，pH升高可以增加土壤顆粒表面的負電荷，進而提高土壤顆粒對帶正電荷的Cd的吸附能力，同時還有利于土壤有效態(tài)Cd生成氫氧化物沉淀和碳酸鹽沉淀，從而降低土壤溶液中的Cd濃度。生物炭作為有機鈍化劑，除了能通過提高土壤pH影響土壤有機質(zhì)、CEC等土壤理化性質(zhì)來間接降低土壤有效態(tài)Cd含量外，還由于其富含大量羧基、羰基、醚等官能團，可直接與Cd發(fā)生有機絡(luò)合反應(yīng)，以此來降低有效態(tài)Cd的含量。一方面，施加石灰能顯著提高土壤pH，減少土壤有效態(tài)Cd含量，從而減少玉米對土壤有效態(tài)Cd的吸收利用，進而降低玉米中Cd含量。另一方面，石灰中富含Ca元素，Ca能調(diào)控玉米內(nèi)離子平衡，也能阻止Cd向玉米中富集，降低對Cd的吸收。生物炭也可以增加土壤Cd庫的相對容量，使玉米籽粒中Cd含量下降，從而減少對玉米的毒害作用，降低玉米植株中的Cd含量。相關(guān)分析表明，植株生物量和籽粒產(chǎn)量與土壤有效態(tài)Cd含量呈顯著負相關(guān)，與蔗糖酶活性呈極顯著正相關(guān)，這表明生物炭和石灰的添加導(dǎo)致土壤有效態(tài)Cd含量降低，減少了Cd對玉米和土壤微生物的毒害作用，改善玉米和微生物的生長環(huán)境，使微生物活性增強，加快有機物質(zhì)分解，增加了籽粒產(chǎn)量和生物量；石灰、生物炭自身也能提供作物所需要的某些營養(yǎng)物質(zhì)，如C、N、P、K、Ca及Mg等，改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，提升土壤質(zhì)量，促進玉米生長，進而提高玉米籽粒產(chǎn)量。

4 結(jié)論

（1）石灰、生物炭單施和配施均能提高土壤pH和CEC，配施可增加微生物數(shù)量，使土壤蔗糖酶和脲酶活性提高，酸性磷酸酶活性降低。

（2）石灰、生物炭單施和配施均能增加土壤速效K含量，降低土壤速效P含量；石灰、生物炭單施處理下，堿解N含量減少，配施處理下，堿解N含量增加；單施和配施均能有效促進玉米植株對N、P、K的吸收。

（3）石灰、生物炭單施和配施均能有效降低土壤有效態(tài)Cd含量和玉米籽粒Cd含量，提高玉米籽粒產(chǎn)量。

（4）石灰、生物炭配施改良效果最佳，優(yōu)于生物炭和石灰的單獨施用，且4 500 kg·hm石灰+45 000 kg·hm生物炭處理效果最好，具有明顯的土壤改良效應(yīng)。