结构石灰改良土壤：降低养分流失风险与提升土壤健康的关键机制研究

本文系统探讨了结构石灰（SL）作为土壤改良剂的应用潜力，通过实验室模拟与田间试验相结合，揭示了其在减少胶体颗粒流失（特别是低电导率土壤）、调控磷（P）形态迁移以及影响有机碳（DOC）动态方面的双重作用，为农业可持续管理提供了重要理论依据。

　　

摘要

本研究通过实验室孵育实验和田间采样分析，系统评估了结构石灰（SL）对细质地矿质土壤的结构稳定性、养分流失风险及土壤健康的多维度影响。SL主要成分为CaO/Ca(OH)₂与CaCO₃，其应用可显著改变土壤理化性质与生物过程。

1 引言

结构石灰长期用于高速公路建设的土壤稳定工程，近年来在农业领域被用于抑制黏质土壤中颗粒态磷（PP）的流失。SL通过提升土壤电导率（EC）和Ca²⁺活性，促进颗粒絮凝与团聚体形成，从而减少侵蚀风险。然而，SL对土壤有机碳动态、微生物群落及养分有效性的长期影响尚不明确。本研究假设：（1）黏土含量越高，所需SL剂量越大；（2）SL提升团聚体稳定性；（3）微生物群落变化主要受pH驱动；（4）pH升高增强有机质（OM）溶解度，可能导致碳库变化。

2 材料与方法

2.1 实验室孵育与降雨模拟

采集14种不同黏土含量（16%-81%）的南方芬兰农田土壤，添加三种SL剂量（SL1:1 Mg ha^-1 CaO、SL2:2 Mg ha^-1、SL3:3 Mg ha^-1），以未处理为对照。孵育5周后测定土壤pH、EC，并通过降雨模拟分析排水浊度、颗粒态磷（PP）、溶解性活性磷（DRP）及溶解性有机碳（DOC）。团聚体稳定性通过湿筛法测定水稳性团聚体（WSA%）占比。

2.2 田间试验设计

在6个曾施SL（1-6年前）的田间地块采样，对比处理区与相邻对照区。分析0-40 cm土层容重（BD）、总碳（TC）、养分含量及微生物群落（16S rRNA与ITS2测序）。碳库计算采用等效土壤质量法（ESM）。

2.3 统计分析

采用方差分析（ANOVA）、PERMANOVA等统计方法，评估SL对各参数的显著性影响，并使用R软件进行数据处理。

3 结果

3.1 SL对排水水质的影响

SL显著降低低EC土壤的浊度与PP浓度（p<0.05），但对DRP无显著影响。DOC浓度随SL剂量增加而上升，表明pH升高促进了有机质溶解。团聚体稳定性（WSA%）虽略有提升，但未达统计显著性。

3.2 田间土壤结构稳定性与养分迁移

田间数据表明，SL对浊度、DRP和TP的抑制效果不一致，但低EC土壤中PP流失风险显著降低。SL处理区30-40 cm土层碳含量显著高于对照（p=0.015），提示DOC可能向下迁移并沉积。土壤有效养分（如P、Ca、Mg）未因SL处理发生显著变化，但硼（B）含量呈现降低趋势。

3.3 微生物群落响应

细菌与真菌群落结构主要受土壤深度和采样点影响，而非SL处理。少数菌群（如Chloroflexales、Sphingobacteriales）在SL区丰度较高，可能与pH微升有关。病原菌群未发现显著变化。

4 讨论

SL通过提升EC和Ca²⁺浓度促进胶体絮凝，而非通过火山灰反应（需pH>12）。其效果在低EC土壤中最显著，但长期稳定性受施肥、淋溶等因素制约。SL引起的pH升高（通常<8）增强了DOC溶解度，可能导致表层碳向深层迁移，但整体碳库未显著增加。微生物群落对SL的响应较弱，可能与pH变化幅度较小有关。

5 结论

SL可有效降低低EC土壤的侵蚀与PP流失风险，但对DRP控制效果有限。其环境效益需结合土壤本底性质评估。SL对微生物群落无显著负面影响，且可能促进碳的深层迁移，为土壤固碳提供了新视角。未来需关注SL与农业管理的协同效应及长期生态影响。