受控条件下水生大型植物生物量对退化牧场土壤化学与生物指标及Urochloa decumbens生长的短期效应

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Short-term Effects of Aquatic Macrophyte Biomass on Chemical and Biological Indicators of Degraded Pasture Soil Under Controlled conditions

　　

该研究旨在评估在受控条件下混入水生大型植物生物量对退化牧场土壤化学和生物指标的短期影响，并评估其支持土壤恢复的潜力。采用完全随机设计，设5次重复并另设未改良对照。将4种水生大型植物（Egeria densa、Myriophyllum aquaticum、Pistia stratiotes和Salvinia auriculata）的生物量按田间等效施用量5、10和20 t ha^?1混入土壤。评估土壤化学属性、土壤有机碳（SOC）、β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase）和芳基硫酸酯酶（arylsulfatase）活性以及后续Urochloa decumbens生长。采用四象限模型（4QM）进行整合分析。生物量混入总体上提高了土壤pH、盐基总和、盐基饱和度、养分有效性、SOC和酶活性，同时使潜在酸度（H + Al）降低约30%。DTPA提取态微量营养元素和痕量元素呈现物种和施用量依赖性响应。P. stratiotes对土壤盐基状况和植物生长产生特别有利的变化，而S. auriculata始终与较高的SOC和芳基硫酸酯酶活性相关，但植物生长响应较不一致。水生大型植物生物量显示出作为短期有机改良剂在受控条件下改善土壤化学和生物指标的潜力。然而，在能够确定其环境安全性和田间规模适用性之前，仍需开展评估重复施用、痕量元素累积、淋溶和植物吸收的长期研究。

退化牧场土壤可能出现植被覆盖减少、土壤有机质耗竭、养分限制和生物功能受损，最终限制植物生产力和生态系统过程。热带农业系统中，此类区域恢复通常需要能够增加有机碳输入和改善养分循环的管理措施。植物残体来源的有机改良剂可同时提供养分和土壤微生物活动的碳底物。水生大型植物（aquatic macrophytes；大型水生植物）在受人类活动影响的水体中过度增殖可干扰水资源利用、生态系统功能和管理活动，机械移除会产生大量生物量并需要后续处置；农业回用可为这些生物量提供替代去向并循环植物组织累积的养分。巴西里约热内卢州Piraí的Santana Reservoir在水生植物管理过程中每天可产生约500–850 m³收获生物量。直接施用可减少从水体移除到农业利用之间的时间和基础设施需求，但其效应取决于植物物种、施用量、残留物组成和分解动态；大型植物还可能从水体和沉积物中累积痕量元素，因此其作为土壤改良剂的环境安全性不能仅由短期响应推断。此前研究较少在同一实验条件下比较不同淡水大型植物干燥、未堆肥生物量，并整合土壤化学性质、SOC、酶活性、痕量元素浓度和后续植物响应。因此，研究人员评估4种水生大型植物（Egeria densa Planch.、Myriophyllum aquaticum、Pistia stratiotes L.和Salvinia auriculata Aubl.）干燥生物量以3种施用量混入退化牧场土壤的短期效应，测定土壤化学属性、可提取痕量元素、SOC、β-葡萄糖苷酶（GLU；β-glucosidase，参与β-连接碳水化合物水解的酶）和芳基硫酸酯酶（ARYL；arylsulfatase，参与有机硫矿化的酶）活性以及后续Urochloa decumbens（Stapf）R.D. Webster生长，以判断这些残留物支持短期土壤恢复的潜力。研究得出，生物量混入总体改善土壤化学和生物指标并促进Urochloa decumbens生长，但响应幅度依赖物种和施用量；P. stratiotes对土壤盐基状况和植物生长特别有利，S. auriculata与较高SOC和ARYL活性相关但植物生长响应较不一致。其意义在于为水生植物生物量管理与养分循环提供短期实验证据，但原文强调环境安全性和田间适用性尚未确立。

关键技术方法概括（不超过250字）：采用完全随机设计，设4种水生大型植物×3个施用量（5、10、20 t ha^?1）因子及未改良对照，5次重复；土壤为巴西Jaboticabal退化牧场0–20 cm层20点混合样，植物来自巴西Piraí的Santana Reservoir；生物量干燥、研磨、过2 mm筛，按0–15 cm和1.5×10⁶ kg ha^?1换算后与1.0 kg土混合培养42 d，再种植Urochloa decumbens 49 d。测定土壤化学、SOC、GLU和ARYL活性及植物生长；按Van Raij et al. (2001)进行化学分析，按FERTBIO概念（Mendes et al. 2019）和Tabatabai (1994)测定SOC与酶活，计算S-GLU、S-ARYL和平均比酶活性（ASEA；mean specific enzymatic activity，S-GLU与S-ARYL的平均值）；用4QM以相对生物量产量（RBY；relative biomass yield，以试验最高生物量产量为100%）与SOC、ASEA的50% RBY阈值分类；统计用ANOVA、Scott–Knott和PCA。

结果部分如下。3.1 土壤化学属性与痕量元素（Soil Chemical Attributes and Trace Elements）：通过4×3培养试验比较，生物量混入显著影响多个土壤化学属性，幅度依赖大型植物物种、施用量及部分交互。总体而言，混入提高土壤pH、盐基总和（SB；sum of bases）、盐基饱和度（V；base saturation）、有效P、交换性K、Ca、Mg、硫酸盐-S以及若干DTPA提取态微量营养元素和痕量元素，K、S和Mn增加尤其明显；潜在酸度（H + Al；potential acidity）降低，Cu、Fe和Ni响应较小或更依赖处理。较高施用量下处理差异更明显。物种平均而言，P. stratiotes产生最高交换性K、Ca、Mg，并与较高pH、SB和V相关；E. densa与最高硫酸盐-S和DTPA-Zn相关；M. aquaticum显示最高DTPA-Mn和Pb；S. auriculata显示最高DTPA-Fe、Cr、Ni和Cd，但有效P、交换性K和Ca、硫酸盐-S、Zn和V较低。5 t ha^?1时物种差异有限，10和20 t ha^?1更明显。E. densa和M. aquaticum低施用量下土壤有机质低于对照，原文提出可能与快速分解和养分释放有关，但未测土壤呼吸和CO₂矿化， priming effect只能作为假设；S. auriculata处理有机质较高可能与残留物组成和分解动态有关，但未测木质素，也只能作为假设。痕量元素方面，生物量中Cd、Ni、Pb最大浓度分别为1.33、22.40、50.33 mg kg^?1，低于巴西有机肥料和土壤调理剂限值（Cd 3、Ni 70、Pb 150 mg kg^?1；IN SDA No. 27/2006，经IN SDA No. 7/2016修订）；该法规对六价铬[Cr(VI)]限值为2 mg kg^?1，但未测定铬形态，总Cr未直接比较。土壤DTPA提取态最大浓度Cr 0.95、Ni 1.04、Cd 0.20、Pb 1.25 mg dm^?3，因分析基础和单位不同未与巴西土壤质量阈值直接比较。H + Al由对照38.2 mmol_c dm^?3降至改良处理平均26.6 mmol_c dm^?3，约降低30%；E. densa和M. aquaticum 5 t ha^?1下阳离子交换容量（CEC；cation exchange capacity）低于对照，与较低有机质一致，但CEC由交换性盐基和潜在酸度计算，应解释为综合响应。结论是生物量混入改善多个肥力相关化学属性，尤其高施用量，但方向和幅度依赖物种和施用量；评价时需同时考虑养分输入和痕量元素组成，DTPA提取态结果不能解释为法规合规或环境安全证明。

3.2 Urochloa decumbens生长响应（Urochloa Decumbens Growth Responses）：通过后续盆栽生长试验，生物量混入总体促进Urochloa decumbens生长，但幅度依赖生长变量、物种和施用量。E. densa和M. aquaticum所有施用量及P. stratiotes和S. auriculata 10和20 t ha^?1下分蘖增加；多数改良处理地上部干生物量增加，根生物量响应较有限，尤其S. auriculata；E. densa和S. auriculata较低施用量下叶面积响应较弱；株高和相对叶绿素浓度较对照显著增加仅见于P. stratiotes 20 t ha^?1。因子处理内，株高不受施用量显著影响；5和10 t ha^?1物种间无显著差异，20 t ha^?1时S. auriculata和P. stratiotes株高高于E. densa。E. densa、M. aquaticum和P. stratiotes 20 t ha^?1分蘖高于5 t ha^?1，S. auriculata无显著施用量效应；20 t ha^?1时E. densa分蘖多于S. auriculata。叶绿素一般不受施用量影响，除P. stratiotes 20 t ha^?1高于5 t ha^?1；最高施用量下P. stratiotes叶绿素高于S. auriculata。根干生物量对施用量响应较弱，地上部干生物量响应更一致；S. auriculata地上部干生物量最低。结论是土壤化学属性改善未均匀转化为植物生长，P. stratiotes在最高施用量下表现较有利，与其较强提高pH、交换性盐基、SB和V一致；S. auriculata的土壤指标与植物响应不一致；E. densa的有利植物响应与快速分解和养分释放的原文解释一致，但本研究使用干燥、未堆肥生物量。

3.3 土壤酶活性、SOC与四象限分类（Soil Enzymatic Activity, SOC, and Four-quadrant Classification）：通过测定ARYL、GLU和SOC并用4QM整合，生物量混入显著影响两种酶活性，响应依赖物种和施用量；最强响应一般与S. auriculata相关，尤其较高施用量，其次为P. stratiotes和M. aquaticum；E. densa处理酶活性较低，常接近未改良对照。SOC呈类似物种和施用量依赖格局，S. auriculata尤其20 t ha^?1下最高，P. stratiotes和M. aquaticum最高施用量下也较高；对照和E. densa低施用量最低。RBY与SOC的物种特异线性回归得到50% RBY对应SOC分别为E. densa 36.45、M. aquaticum 33.66、P. stratiotes 37.87、S. auriculata 60.93 g kg^?1；因设计在物种间平衡，取算术平均42.23 g kg^?1（95% CI：39.69–44.77 g kg^?1）作为试验特异SOC阈值。RBY与ASEA线性回归得到ASEA阈值1.49 g PNP kg^?1 SOC h^?1（95% CI：1.21–1.77），对应50% RBY。4QM分类显示，Q1（高SOC/高ASEA）包括M. aquaticum 20 t ha^?1、P. stratiotes 10和20 t ha^?1、S. auriculata 5、10和20 t ha^?1；Q2（高SOC/低ASEA）无处理；Q3（低SOC/低ASEA）包括未改良对照、E. densa 5和10 t ha^?1、M. aquaticum 5 t ha^?1；Q4（低SOC/高ASEA）包括E. densa 20 t ha^?1、M. aquaticum 10 t ha^?1、P. stratiotes 5 t ha^?1。结论是4QM显示物种和施用量差异，S. auriculata与较高SOC且ASEA高于参考值相关，P. stratiotes和M. aquaticum在特定施用量下呈有利组合；但这些阈值和象限分类仅适用于本实验条件，不应作为土壤健康综合评估。原文指出ARYL参与有机硫化合物矿化并对有机底物有效性和土壤生物活性敏感，S. auriculata较高活性可能反映残留物组成和分解动态影响硫矿化底物，但未测C:S比、木质素和残留物易分解性，机制只能作为假设；GLU参与β-连接碳水化合物水解并指示土壤碳循环相关酶过程，M. aquaticum 20 t ha^?1下最高。SOC增加与直接添加有机物料一致，但短期变化不等于长期固碳。原文比较指出，Chaer et al. (2023)在黏质Cerrado Oxisols种植系统建立约15.5 g kg^?1 SOC和4.26 g PNP kg^?1 SOC h^?1 ASEA阈值，Carneiro et al. (2024)在热带蔬菜生产系统报告22.9 g kg^?1和7.0 g PNP kg^?1 SOC h^?1，Figueiredo et al. (2026)强调阈值解释应考虑土壤质地、生物群区、气候和管理差异；因此本研究阈值由本实验RBY关系经验导出，不是复制已发表限值。限制是生物量表征主要限于元素组成，未测新鲜生物量干物质含量、水溶性或可淋溶盐、有机质或挥发性固体等，残留物组成、养分释放和分解动态机制不能由本数据直接证明。

讨论部分总结：4QM提供SOC与ASEA的整合可视化，阈值由本实验数据导出；Q1处理显示两指标均高于参考值的组合响应，Q2无处理，Q3包括对照和低施用量E. densa及M. aquaticum 5 t ha^?1，Q4包括E. densa 20 t ha^?1、M. aquaticum 10 t ha^?1和P. stratiotes 5 t ha^?1；Q3不应解释为土壤内在退化或不健康，仅表示SOC和ASEA低于本数据集参考值；由于SOC和酶活性同一采样时间测定，数据不能建立二者变化的时间顺序。S. auriculata与较高SOC且ASEA高于参考值相关，P. stratiotes和M. aquaticum在特定施用量下也有利组合；短期实验期内水生大型植物生物量可改变碳和酶相关土壤属性，但象限分类和阈值特定于本条件，需长期和田间尺度研究确定重复施用和变化环境下响应是否持续。原文还指出已发表4QM参考值依赖土壤和生产系统，本阈值不是复制已有限值，象限位置应解释为本实验内SOC和酶响应的相对整合而非绝对土壤质量分类；限制包括生物量表征主要限于元素组成。研究结论翻译如下：干燥水生大型植物生物量混入在短期受控条件下改变了土壤化学和生物指标，并促进后续Urochloa decumbens生长，但响应幅度依赖大型植物物种和施用量。Pistia stratiotes对土壤盐基状况和植物生长产生特别有利的变化，而Salvinia auriculata始终与较高土壤有机碳（SOC）和酶活性相关，但植物生长响应较不一致。四象限模型（4QM）整合了SOC和平均比酶活性（ASEA）响应，并识别出明显的物种和施用量依赖模式；然而，所得阈值和象限分类特定于实验条件，不应解释为土壤健康的综合评估。尽管表征了生物量中的痕量元素浓度和土壤DTPA提取态组分，本短期实验未确立环境安全性。在推荐大规模农业应用之前，仍需开展田间尺度研究，评估重复施用、痕量元素累积、淋溶、植物吸收以及土壤和植物响应的持久性。