玄武巖粉配施對玉米種植田土壤的作用效果試驗

摘 要 在土壤酸化日趨嚴重的背景下，利用“增強風化”技術原理向農(nóng)田土壤中添加玄武巖等硅酸鹽巖粉，可有效改善土壤酸化并提升土壤肥力。為探究玄武巖粉配施對玉米種植田土壤的作用效果，以不施玄武巖粉為對照，研究配施不同粒徑（10～100 μm和100～1 000 μm）和不同施加量（1 kg·m-2和5 kg·m-2）的玄武巖粉對土壤pH值和肥力狀況的影響。結果表明，配施玄武巖粉能有效抑制土壤pH值下降，施加玄武巖粉的土壤pH值平均下降0.275，小于不施加玄武巖粉土壤pH值的下降幅度，且玄武巖粉粒徑越小抑制土壤pH值下降的效果越明顯。施加玄武巖粉能提高土壤陽離子交換量（cation exchange capacity，CEC），促進玉米植株對于速效氮、速效磷、速效鉀的吸收，且玄武巖粉施加量越大、粒徑越小，作用效果越明顯。綜上所述，施加玄武巖粉可有效改善土壤酸化并提升土壤肥力，為農(nóng)田健康和可持續(xù)發(fā)展提供助力。

關鍵詞 玄武巖粉；“增強風化”技術；土壤pH值；土壤肥力；作用效果

中圖分類號：S156 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.22.004

在自然演變或人為干預下，土壤中交換性酸的不斷增加會導致土壤pH值持續(xù)下降，這一過程被稱為土壤酸化。土壤的自然酸化與其自身的形成和發(fā)展過程緊密相關，主要是由碳酸和有機酸分解產(chǎn)生的氫離子引起的[1]。在我國南方熱帶和亞熱帶地區(qū)，土壤酸化問題表現(xiàn)得尤為嚴重[2]?；实倪^量施用和工業(yè)化過程導致的酸沉降顯著加速了耕地土壤酸化的進程[3]。土壤酸化會引發(fā)多種環(huán)境風險，包括導致土壤養(yǎng)分不平衡、作物生長受限、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量減少等問題，對土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能造成嚴重威脅。另外，土壤酸化是一個逐漸惡化的過程，若不改變當前的農(nóng)田管理方式，我國亞熱帶地區(qū)的農(nóng)田土壤酸化問題將變得更為嚴重。玉米等重要糧食作物在集約化種植過程中也會不斷消耗土壤中的養(yǎng)分，造成土壤養(yǎng)分失衡或貧瘠化。為保持作物產(chǎn)量，農(nóng)民需要不斷施用化肥來補充養(yǎng)分。這導致土壤理化性質被破壞，產(chǎn)生土壤板結、鹽堿化等問題，同時過度使用農(nóng)藥和化肥會殺死土壤中的有益微生物，破壞農(nóng)田生態(tài)平衡，導致生態(tài)多樣性降低等更嚴重的問題。

作為氣候變化背景下具有重點發(fā)展?jié)摿Φ摹柏撎技夹g”之一，“增強風化”技術可以為解決土壤酸化問題提供思路[4]。該技術通過向農(nóng)田土壤中添加硅酸鹽巖粉，起到吸收大氣中多余的二氧化碳和改良土壤促進作物增產(chǎn)等雙重作用。硅酸鹽巖粉風化后產(chǎn)生的Ca2+、Mg2+等堿金屬離子與二氧化碳和水反應生成的次生硅酸鹽呈弱堿性，可以改善土壤酸化情況。同時，硅酸鹽巖粉風化給農(nóng)田系統(tǒng)帶來了植物生長所必需的營養(yǎng)元素，可促進土壤肥力提升和作物增產(chǎn)。相關研究結果表明，玄武巖是提高土壤肥力并逆轉土壤酸化的理想材料[5]。此次研究以常見的玉米種植田土壤為研究對象，探究在玉米種植期間撒施玄武巖粉對土壤pH值和肥力的改善效果，為農(nóng)田土壤酸化改善、土壤肥力提升和增強風化相關研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于江蘇省南京市蔬菜花卉科學研究所橫溪科技園的溫室大棚，地理坐標為東經(jīng)118°46′、北緯31°43′，海拔33 m，屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)。土壤類型為黃棕壤，多年設施生產(chǎn)，土壤已經(jīng)熟化，肥力一般。

1.2 試驗材料

試驗田種植農(nóng)科玉368甜糯玉米，試驗用玄武巖采自江蘇省盱眙縣清明山礦區(qū)，為中新世下草灣組（N1x）堿性玄武巖，使用球磨機磨成10～100 μm和100～1 000 μm 2種不同粒徑的礦粉。配施的2種粒徑玄武巖粉通過堿熔消解后上機測定其主量元素含量（見表1）。有機肥由江陰市聯(lián)業(yè)生物科技有限公司生產(chǎn)提供，總養(yǎng)分含量不低于8%，有機質含量不低于45%；復合肥[m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=15∶15∶15]由安徽省司爾特肥業(yè)股份有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗設計

按照施加玄武巖粉的粒徑和施加量不同進行分組，分別為處理F1，粒徑為10～100 μm，施加量為1 kg·m-2；處理F5，粒徑為10～100 μm，施加量為5 kg·m-2；處理C1，粒徑為100～1 000 μm，施加量為1 kg·m-2；處理C5，粒徑為100～1 000 μm，施加量為5 kg·m-2，并設置有無植物2個空白對照，分別命名為CK1和CK0。

1.4 試驗實施

玄武巖粉改良玉米種植田土壤試驗的周期為2022年4月6日至2022年6月23日，為期78 d（不含育苗時間）。肥料按有機肥6 000 kg·hm-2+45%復合肥450 kg·hm-2的標準施入。在玉米種植前采集各田塊的表層土壤，測定初始土壤條件。在玉米生長過程中，使用土壤pH計和電導率速測儀測定土壤基本理化性質的變化。在玉米收獲后，采集每塊試驗田中部生長層的土壤，分析其陽離子交換量（cation exchange capacity，CEC）和速效氮、速效磷、速效鉀等的含量變化。

1.5 項目測定

使用山東仁科測控技術有限公司生產(chǎn)的土壤參數(shù)速測儀測定土壤pH值和電導率。采用三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法測定土壤CEC值，具體測試流程參考《土壤 陽離子交換量的測定 三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法》（HJ 889—2017）。采用堿液擴散法測定土壤速效氮含量，采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法測定速效磷含量，采用醋酸銨-火焰光度計法測定速效鉀含量。

1.6 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2021進行數(shù)據(jù)整理，利用Origin 2021作圖分析。

2 結果與分析

2.1 土壤pH值和電導率變化

由表2可知，相較于空白對照組CK0，其他處理組都存在玉米種植后期土壤pH值下降的趨勢，說明玉米的存在會降低土壤pH值。這可能是玉米根系分泌物中存在的有機酸和H+的作用結果。通過對比施加玄武巖粉的試驗組和玉米空白對照組CK1，發(fā)現(xiàn)施加玄武巖粉能有效減緩土壤pH值的下降趨勢，平均可使土壤pH值下降0.275。其中，施加1 000μm玄武巖粉的試驗組，土壤pH值平均下降幅度為0.400，而施加100 μm玄武巖粉的試驗組土壤pH值平均下降幅度為0.150，表明玄武巖粉改善土壤pH值的作用效果與粒徑有關，粒徑越小土壤酸化改善效果越明顯。但施加量對土壤pH值的改善效果并不明顯。分析認為，這可能與玄武巖粉的風化速度有關。在試驗周期內(nèi)，玄武巖粉的風化量有限，即施加5 kg·m-2的試驗組中的玄武巖粉并不能完全風化，因此在相同粒徑玄武巖粉施加的試驗組中，施加量的增加對土壤pH值的改善作用不顯著。電導率在部分試驗組中表現(xiàn)出升高的趨勢。這反映出玄武巖粉風化形成的堿金屬陽離子等可能增強了土壤的導電性，可為評估玄武巖粉風化速率和風化程度提供一定的參考。但電導率與土壤含水率有關[6]。兩次測試時的土壤含水率對試驗結果影響較大，因此土壤電導率的變化趨勢僅作為特定試驗條件下的參考值。

2.2 土壤CEC值變化

CEC值是衡量土壤保肥能力的重要指標之一，反映了土壤對養(yǎng)分的吸附和儲存能力并決定了土壤的緩沖性能，對土壤改良和有效施肥具有重要作用[7]。由圖1可知，試驗前后土壤CEC值有較大變化，除C5處理外，其他處理組的CEC值都有較大程度的增加?？瞻讓φ战MCK0的CEC值增加可能與試驗中的施肥有關。通過結果分析得到，玉米的存在可以促進土壤CEC值的增加，這可能與玉米根系分泌物可改變土壤表面電荷有關。在施加細粒玄武巖粉的試驗組中觀察到施加量越大，土壤CEC值越高。土壤CEC值隨著施加玄武巖粉粒徑的增大而減小。施加玄武巖粉可增加土壤CEC值，但在此次試驗中的增加程度較為有限，分析認為這可能與土壤本身的性質有關。此次試驗土壤為黏土[CEC值超過30 cmol（+）·kg-1]，因此添加玄武巖粉對土壤CEC值的提升效果較為有限，但并不能排除玄武巖粉在壤土和砂質土壤[CEC值在2～10 cmol（+）·kg-1]中的作用效果。

2.3 土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量的變化

土壤中的氮、磷、鉀都是作物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，而速效氮、速效磷、速效鉀更是能被植物短期內(nèi)吸收的營養(yǎng)元素，對其含量進行測量可以很好地評價土壤肥力水平[8]。由圖2可知，相較于試驗前土壤和空白對照組CK0，施加1 000 μm玄武巖粉的試驗組土壤速效鉀含量明顯增加，但速效氮和速效磷含量的變化并不明顯，甚至有所降低。由于所有試驗組均施加了復合肥和有機肥，試驗組中土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量相較于試驗前應該有明顯的含量上升。因此，相較于試驗前土壤，施加玄武巖粉有效促進了玉米植株對速效氮、速效磷、速效鉀的吸收，特別在施加細粒玄武巖粉的F1和F5試驗組中表現(xiàn)明顯。玄武巖粉中含有的K2O和P2O5對試驗結果有一定影響，尤其是對于施加細粒玄武巖粉的F1和F5組，由于玄武巖粉更快風化從而釋放自身元素，土壤中速效鉀和速效磷含量隨玄武巖粉施加量增加而增加。同時，粗粒玄武巖粉施加量的增加對玉米吸收速效氮、速效磷、速效鉀等營養(yǎng)元素具有正向促進關系，特別在促進速效鉀的吸收中表現(xiàn)明顯。試驗結果顯示，施加100 μm玄武巖粉的試驗組，其土壤速效氮、速效磷和速效鉀的含量均小于施加1 000 μm的試驗組，即粒徑越小，玄武巖風化速度越快，同時促進玉米對土壤中速效氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的吸收越有效。

3 結論與討論

此次試驗探究了施加不同粒徑的玄武巖粉對土壤pH值和肥力水平的影響，發(fā)現(xiàn)施加玄武巖粉能有效抑制土壤pH值下降，平均使將土壤pH值下降0.275，小于不施加玄武巖粉的土壤pH值下降幅度。玄武巖粉改善pH值的作用效果與其粒徑有關，粒徑越小，改善作用越明顯。但施加量對改善效果的影響不明顯。施加玄武巖粉能夠提高土壤CEC值，并促進玉米植株對速效氮、速效磷、速效鉀的吸收，且玄武巖粉施加量越大、粒徑越小，效果越明顯。

土壤酸化改善的主要原因是玄武巖風化形成的堿性陽離子與土壤溶液中的H+發(fā)生反應，可減小土壤的活性酸度；玄武巖粉促進土壤膠體表面的交換性鋁形成有機配合態(tài)鋁，降低潛在酸度[9]。另外，玄武巖中的多種營養(yǎng)元素（P、K、Ca、Si和Mg等）會在玄武巖風化過程中釋放出來，在玄武巖中礦物改善土壤吸附電性，增加土壤CEC值的前提下，進一步增強植物對速效氮、速效磷和速效鉀的吸收能力。KELLAND等研究發(fā)現(xiàn)，添加玄武巖粉可在一定程度上代替部分磷肥和鉀肥的作用促使作物增產(chǎn)，同時提高土壤的CEC值[10]。ANADA等研究發(fā)現(xiàn)，添加玄武巖粉使土壤pH值不斷提高，CEC值隨著玄武巖風化速率的增加而變大，同時抑制有毒元素（Al和Mn）的釋放[11]。GILLMAN等的實驗研究發(fā)現(xiàn)，添加玄武巖粉末增加了土壤CEC值和pH值，同時玄武巖風化為土壤帶來了豐富的可交換微量元素鈣、鎂和鉀[12]。

綜合相關研究成果和此次試驗結果，在農(nóng)田土壤中施加玄武巖粉可作為土壤改良劑改善土壤酸化，提高土壤肥力和肥料利用率，在未來“增強風化”技術推廣的基礎上必將給農(nóng)田管理方式帶來巨大變革。

參考文獻：

[1] 徐仁扣，李九玉，周世偉，等.我國農(nóng)田土壤酸化調控的科學問題與技術措施[J].中國科學院院刊，2018，33（2）：160-167.

[2] GUO J H，LIU X J，ZHANG Y，et al.Significant acidification in major Chinese croplands[J].science，2010，327（5968）：1008-1010.

[3] 韓天富，柳開樓，黃晶，等.近30年中國主要農(nóng)田土壤pH時空演變及其驅動因素[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2020，26（12）：2137-2149.

[4] 高偉斌，陳旸，王浩賢.增強硅酸鹽巖風化：“碳中和”之新路徑[J].地球科學進展，2023，38（2）：137-150.

[5] SWOBODA P，D?RING T F，HAMER M.Remineralizing soils？The agricultural usage of silicate rock powders：a review[J].Science of The Tota lEnvironment，2022，807：150976.

[6] 張一清，王文娥，胡明宇，等.容重及含水率對土壤電導率的影響研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2022，40（3）：162-169.

[7] 李建鑫，劉茜，張麗娟，等.電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定森林土壤交換性鉀、鈉、鈣、鎂的含量[J].湖南有色金屬，2020，36（1）：77-80.

[8] 儲成才，王毅，王二濤.植物氮磷鉀養(yǎng)分高效利用研究現(xiàn)狀與展望[J].中國科學：生命科學，2021，51（10）：1415-1423.

[9] 劉嬌嫻，崔駿，劉洪寶，等.土壤改良劑改良酸化土壤的研究進展[J].環(huán)境工程技術學報，2022，12（1）：173-184.

[10] KELLAND M E， WADE P W， LEWIS A L，et al.Increased yield and CO2 sequestration potential with the C4 cereal Sorghum bicolor cultivated in basaltic rock dust‐amended agricultural soil[J].Global Change Biology，2020，26（6）：3658-3676.

[11] ANDA M， SHAMSHUDDIN J， FAUZIAH C I，et al.Dissolution of ground basalt and its effect on oxisol chemical properties and cocoa growth[J].Soil Science，2009，174（5）：64-271.

[12] GILLMAN G P， BURKETT D C， COVENTRY R J.Amending highly weathered soils with finely ground basalt rock[J].Applied Geochemistry，2002，17（8）：987-1001.

（責任編輯：張春雨）

基金項目：2021年江蘇省自然資源保護利用專項資金（礦地融合試點）項目（蘇財建〔2021〕45號）。

作者簡介：莫朋軍（1998—），在讀碩士，主要從事農(nóng)田增強風化相關研究。E-mail：mf21290014@smail.nju.edu.cn。