格陵兰冰碛岩粉对不同质地土壤水力特性及玉米产量的短期改良效应研究

《Nutrient Cycling in Agroecosystems》：Short-term effects of Greenlandic glacial rock flour on soil physical properties and maize yield

本研究针对热带地区土壤退化问题，探讨了格陵兰冰碛岩粉（GRF）作为增强岩石风化（ERW）技术协同改良剂，在四种不同质地加纳土壤（沙土、砂壤土、砂质粘壤土和黏土）中的应用效果。通过120天的土壤培养实验和40天的玉米盆栽试验，发现100吨/公顷的GRF施用显著提高了土壤田间持水量（FC）和植物有效水（PAW），但降低了饱和导水率（Ksat）；在细质地土壤中玉米干物质产量（DMY）提升达38%，且叶绿素含量（LCC）与产量呈显著正相关。该研究为热带农业区利用GRF实现碳封存与土壤改良的双重目标提供了重要实证依据。

　　

在全球气候变化与粮食安全双重挑战下，增强岩石风化（Enhanced Rock Weathering, ERW）技术近年来备受关注。这项技术通过将硅酸盐矿物粉末施加到土壤中，使其与大气中的二氧化碳发生反应，形成稳定的碳酸氢盐，从而实现碳封存。但除了这一主要气候效益外，ERW还可能通过改善土壤物理和化学性质，为农业生产带来协同效益。尤其是在土壤退化严重、养分贫瘠的撒哈拉以南非洲地区，探索ERW的农业应用潜力显得尤为迫切。

然而，当前大多数ERW试验集中在少数热带地区，且主要关注土壤肥力变化，针对土壤水力特性（如田间持水量、饱和导水率）和物理结构（如团聚体稳定性）的研究较为缺乏。更关键的是，土壤质地是影响改良剂效果的关键因素，但以往研究多针对单一土壤类型，其结论的普适性有限。格陵兰冰碛岩粉（Glacial Rock Flour, GRF）作为一种天然细粒硅酸盐材料，因其高比表面积和免破碎加工的特性，在ERW应用中展现出独特优势，但其对不同质地热带土壤水力特性及作物产量的影响尚不明确。

为此，研究团队在《Nutrient Cycling in Agroecosystems》上发表论文，系统评估了GRF在四种典型加纳土壤（沙土、砂壤土、砂质粘壤土和黏土）中对土壤水力特性、团聚稳定性及玉米生长的短期影响。通过设置0、50和100吨/公顷三个GRF施用水平，研究揭示了土壤质地如何调控GRF的改良效果，为热带地区土壤可持续管理提供了新思路。

在方法上，研究采用盆栽试验结合室内分析：通过120天土壤培养测定田间持水量（FC）、萎蔫点（WP）、植物有效水（PAW）、饱和导水率（K_sat）和干团聚体稳定性（DAS）；同时进行40天玉米盆栽试验，测定植株高度、叶绿素含量及干物质产量。土壤样本来自加纳不同生态区的四种典型质地土壤，GRF由丹麦和格陵兰地质调查局提供，其粒径中值为2.6微米，比表面积达19.6平方米/克。

田间持水量与植物有效水的变化

研究发现，GRF对FC、WP和PAW的影响因土壤质地而异。100吨/公顷处理在所有土壤中均显著提高了FC，其中粗质地土壤（沙土和砂壤土）的增幅（29%）高于细质地土壤（砂质粘壤土和黏土，15%）。PAW在砂壤土和黏土中显著增加，但在沙土和砂质粘壤土中变化不显著。这表明GRF通过填充孔隙和增加比表面积改善了土壤持水性，但其效果受原生土壤孔隙结构的制约。

饱和导水率的响应

GRF施用显著降低了所有土壤的K_sat，且细质地土壤的降幅（47%）大于粗质地土壤（34%）。这归因于GRF颗粒填充土壤大孔隙，减少了水分快速通道的连续性。尽管这可能不利于排水，但在干旱频发的热带地区，较低的K_sat有助于减少深层渗漏，提升水分利用效率。

团聚体稳定性与可蚀性变化

粗质地土壤因缺乏黏粒和有机质，未能形成可测的稳定团聚体。而在细质地土壤中，GRF反而降低了DAS，提高了可蚀性组分（EF）。例如，黏土中100吨/公顷处理使DAS降低11%，EF增加78%。这可能由于GRF中黏土矿物含量低，且其微孔隙增加导致水分滞留时间延长，削弱了团聚体间粘结力。

玉米干物质产量与营养指标

GRF对玉米干物质产量（DMY）的提升在细质地土壤中更为显著（SCL和C土壤增幅达34–43%），而粗质地土壤仅增长18%。叶绿素含量（LCC）与DMY呈显著正相关（细质地土壤r=0.86–0.93），表明GRF可能通过释放钾、锌等微量元素促进了作物营养吸收。尽管粗质地土壤的水力特性改善更明显，但其基础肥力过低，限制了产量响应。

本研究首次在热带非洲地区实证了GRF作为ERW协同改良剂的双重效益：在粗质地土壤中主要通过优化水力特性增强抗旱能力，而在细质地土壤中则通过营养释放直接促进作物生长。这一发现强调了土壤质地在制定GRF施用策略中的决定性作用。尽管短期內GRF可能对团聚体稳定性产生负面影响，但其在提升水分利用效率和作物产量方面的潜力，为热带农业应对气候变化提供了可行路径。未来研究需关注长期施用下GRF对土壤碳循环及矿物风化的深层机制，以优化其环境与农艺效益。