气候智能农业下粪肥与生物炭改良剂对土壤健康的协同增效机制研究

本综述系统探讨了粪肥（鸡粪与奶牛粪）与生物炭（Biochar）在气候智能农业（CSA）框架下对土壤健康的综合改良效应。研究通过田间试验证实，有机改良剂可显著提升土壤养分（如钙、钾、磷）含量，改善物理结构（如降低容重、提高孔隙度和饱和导水率），并通过相关性分析与主成分分析（PCA）揭示了养分有效性、土壤压实度与孔隙度间的内在关联。成果为优化有机改良策略、促进农业可持续发展提供了重要科学依据。

　　

1 引言

全球人口预计在未来几十年内突破90亿，这将导致2050年全球粮食需求增长70%，因此提升农业生产力对保障粮食安全至关重要。土壤作为生产粮食和纤维的关键资源，其功能与生态系统服务的增强直接关系到农业可持续性。土壤健康（Soil Health）指土壤在自然或管理生态系统范围内支持动植物生产力、改善水气质量及促进人类健康的能力，其评估对应对土地退化、改进土壤管理和确保粮食安全具有重要意义。

土壤健康由物理、化学和生物学特性共同决定。物理指标包括容重（Bulk Density）、孔隙度（Porosity）、团聚体稳定性和质地等；化学指标涵盖pH、盐度、有机质含量、阳离子交换量（CEC）及宏量/微量养分水平。物理性质影响养分储存、淋溶、侵蚀、水分运动和土壤有机碳（SOC）固定，而化学性质则调控微生物活性和养分有效性。

气候智能型土壤改良剂（如有机粪肥和生物炭）在提升农业韧性和可持续性方面发挥关键作用。这些改良剂专注于改善土壤健康、增加碳（C）固存和减少温室气体排放。鸡粪和奶牛粪富含宏量和微量养分，长期以来被用作天然肥料；而生物炭因其顽固性，在土壤中可存留多年，特别适用于高温地区（如德克萨斯州），能改善土壤物理、化学和生物学特性，提高水肥保持能力、渗透能力和孔隙度，减少侵蚀和径流。

尽管已有大量研究关注单一改良剂的效果，但关于它们在不同土壤类型和气候条件下的组合效应研究仍较为有限。本研究通过甜玉米-高粱轮作系统，探讨了两种生物炭用量（2268和4536 kg ha^?1）和两种粪肥（鸡粪与奶牛粪）在三种施用量（基于推荐氮量）下的综合效应，旨在评估这些改良剂对土壤化学和物理健康指标的影响。

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2 材料与方法

试验位于德克萨斯州Prairie View A&M大学研究农场，土壤类型为Wockley细砂壤土。试验采用2×2×3因子设计，包括两种生物炭用量、两种粪肥类型和三种粪肥施用量，设置三次重复。粪肥和生物炭均混入0–15 cm土层。甜玉米和高粱种子行距60 cm、株距30 cm种植，采用滴灌系统，并依据IrrigWise工具进行灌溉调度。

土壤化学指标分析：收获后采集0–15 cm土层样品，测定碳（C）、氮（N）、硫（S）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、铜（Cu）、铁（Fe）、锌（Zn）和锰（Mn）含量。物理指标分析：采用原状土芯法测定容重和孔隙度，使用张力入渗仪测量饱和导水率（K_sat）。

数据使用Statistix 10软件进行方差分析（ANOVA），并通过Tukey检验（p<0.05）比较处理间差异。利用R软件corrplot包绘制相关性热图，并进行主成分分析（PCA）以评估土壤健康指标与改良剂用量间的关系。

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3 结果与讨论

3.1 土壤化学健康指标

粪肥类型对甜玉米土壤养分含量影响较小，仅钾（K）和钙（Ca）有显著差异；但对高粱则显著影响P、K、Ca、Mg和铝（Al）水平。奶牛粪处理的土壤钾和钙含量分别比鸡粪处理高32%（甜玉米）及45.4%和67.5%（高粱）。鸡粪处理在高粱中表现出更高的P和Al含量。

粪肥施用量对多数养分均有显著影响。加倍推荐施用量导致P、Ca、Mg和Mn含量达到最高，显著优于对照组。然而，碳（C）和氮（N）含量未受显著影响，可能与砂壤土的易淋溶特性和低有机质含量有关。

生物炭用量对土壤养分含量无显著影响，这与部分先前研究结果不一致，可能源于试验土壤类型和生物炭特性的差异。

作物类型也影响养分有效性：甜玉米季后土壤养分含量较低，而高粱季后较高。这归因于甜玉米的纤维状浅根系主要利用表土养分，而高粱的深根系统能从更深土层吸收养分。

3.2 土壤物理健康指标

粪肥类型对甜玉米的K_sat、容重和孔隙度无显著影响，但奶牛粪在高粱季降低了K_sat（较鸡粪低31.2%）。粪肥施用量显著改善甜玉米的物理性质：加倍推荐量使K_sat和孔隙度分别提高25%和29.27%，容重降低。类似趋势在高粱中未达显著水平。

生物炭用量显著改善甜玉米土壤物理性质：高用量生物炭提高K_sat和孔隙度，降低容重。其多孔结构为土壤增加了孔隙，从而改善水分运动和养分传输条件。

3.3 化学与物理指标间相关性

容重与钾（K）、镁（Mg）、锰（Mn）呈负相关，而与铁（Fe）正相关（高粱）。孔隙度与K、Mg正相关，表明高孔隙土壤有助于养分保持和有效性。K_sat与P、Ca、Mg、Mn正相关（甜玉米），说明水分运动促进养分传输至作物根部。

碳（C）与氮（N）呈强正相关，与其他宏量/微量养分也存在显著相关性，凸显了有机质在维持土壤肥力中的核心作用。

3.4 主成分分析（PCA）

PCA显示，前四个主成分（PCs）累计解释方差超过80%。甜玉米中，C、N、P、Ca、Mg和Zn对多维度贡献突出；高粱则更受C、N、Mn、Fe、Zn及物理指标（容重、孔隙度、K_sat）影响。

双标图分析表明，对照组在Dim1上与其他处理分离，与较高容重和Al含量相关。粪肥处理（尤其高用量）与K、Ca等养分富集密切关联。甜玉米对养分有效性响应更明显，而高粱更依赖土壤物理性质，反映了作物根构型和养分吸收策略的差异。

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4 结论

本研究阐明了粪肥类型、用量及生物炭对土壤健康的复合效应。奶牛粪显著提升钾、钙含量；高用量粪肥改善养分状态和物理性质；生物炭虽未直接影响养分，但通过优化孔隙结构和水分运动增强土壤物理健康。作物类型显著调节改良剂效果，甜玉米侧重养分响应，高粱则更依赖物理结构改善。

相关性分析和PCA揭示了养分有效性、土壤压实度和孔隙度作为健康关键指标的重要性。研究强调，需平衡有机改良剂用量以优化肥力并降低环境风险，为针对不同作物制定定制化土壤管理策略提供了理论依据。未来研究应关注长期效应、微生物动态及经济环境效益，以推动农业可持续发展。