施用堆肥改善甘蔗种植下热带土壤理化性质：基于农场的压实缓解、团聚体稳定与酸度调控研究

《Compost Science & Utilization》：Compost Improves Physicochemical Properties of Tropical Soils Under Sugarcane Cultivation

　　

摘要：为最大化利用源自食物、园林及农业废弃物的堆肥对生产系统的效益，明确其对土壤性质的影响至关重要。研究人员验证了堆肥施用能够增强土壤理化特性（可作为土壤恢复力与抗逆性的代理指标）这一假设。在长期甘蔗田块中开展了农场尺度研究，对比了未施用堆肥（对照组）与一次性施用堆肥（35 t/ha）的土壤。农场自制堆肥在宿根蔗（plant crop）建植期间施用，冲积土（alluvial soil）上施用时间为一年前，而淋溶土（dermosol）上为两年前。堆肥在培土（hilling-up）阶段混入种植垄中，确保对照组与处理组间物理扰动程度相当。与对照组相比，施用堆肥的土壤普遍表现出较低的穿透阻力（penetration resistance）、改善的团聚作用（aggregation）与团聚体稳定性（aggregate stability），以及降低的酸度。上述发现支持了堆肥能够改变与压实、侵蚀及酸化等过程相关的土壤理化性质这一假设。堆肥效应在两个试验点间存在差异，提示田间条件（包括土壤特性及堆肥施用时间）的差异可能影响了观测到的响应。堆肥对土壤斥水性（soil water repellency）的影响亦不相同：冲积土表现出更低的斥水指数（repellency index），而淋溶土则高于对照组。为构建稳健的知识体系，后续研究应量化不同堆肥类型、施用量及施用频率在不同土壤类型和耕作系统中的效应。研究结果表明，源自农业及城市废弃物流的堆肥可能有助于改善甘蔗种植系统的土壤状况。

堆肥对热带土壤理化性质的改良效应及其在甘蔗种植系统中的意义——基于农场尺度的实证研究解读

一、研究背景与问题提出

澳大利亚东北部的亚热带及热带沿海流域是重要的广域作物种植区，其中甘蔗为主要栽培作物，种植面积约40万公顷。然而，长期甘蔗种植已导致土壤渐进性退化及产量停滞，这一问题由高强度农业实践——包括重型机械使用、频繁耕作及高量化农投入——所驱动，进而引发土壤压实、侵蚀、酸化及土壤有机质（SOM）下降。气候压力（如降雨变率、洪涝及风蚀事件）进一步加剧了上述问题。有机土壤改良剂被视为缓解人为及气候驱动土壤退化的潜在工具，其中堆肥因其可提升产量、养分利用效率及土壤有机碳储量而受到关注。然而，堆肥对土壤功能和生产力的影响因堆肥与土壤固有特性间的复杂交互而呈现不一致性，加之堆肥常与其他投入（如矿质肥料）和管理措施（如不同耕作强度）联合施用，识别因果关系受到多重交互作用及有限知识基础的制约。这些不确定性限制了精准堆肥施用策略的制定，澳大利亚蔗农将堆肥描述为“最大的未知数”。在甘蔗系统中，虽有研究表明堆肥可增强土壤多功能性和养分循环，但这些效益并非持续一致地显现，且关于其缓解土壤退化的转化机制认知有限。与免耕保护性耕作等预防性实践不同，堆肥混入代表一种修复性策略，其结果更具变异性和情境依赖性。因此，在商业化相关条件下开展农场主导的研究，可为堆肥性能提供有价值的见解。

二、研究内容与主要发现

研究人员在澳大利亚昆士兰州阿隆巴（Aloomba）的V. Rossi & Sons甘蔗农场开展研究，该农场具有90年商业甘蔗种植历史，属湿润热带气候，年降水量2200–4200 mm。农场存在从托雷萨山至邻近河流的空间地貌与土壤学梯度：靠近山体的土壤为源自富矿物沉积物的冲积土，而近河土壤为棕色淋溶土（Brown Dermosol），易受季节性洪水影响。研究在冲积土和淋溶土两个约5公顷的田块（blocks）中进行，每块田的一部分以35 t/ha施用堆肥，相邻部分不施堆肥作为对照。冲积土块于2021年施用堆肥，淋溶土块于2020年施用，反映出一年的施用时间差异，研究时甘蔗分别处于第一和第二宿根（ratoon）期。堆肥在植蔗期培土阶段施用，确保与种蔗切段紧密接触。收获后，两田块均施用CB64388混合肥料（19% N、无P、23% K、6% S，500 kg/ha），提供95 kg N/ha，低于标准推荐量140 kg N/ha。两田块管理方式因土壤类型需求而异（如淋溶土行间进行深松而冲积土未进行），但田块内对照与堆肥区段采用相同管理，堆肥添加为唯一差异。甘蔗产量冲积土平均107 t/ha，淋溶土124 t/ha，对照与堆肥区段产量相近。研究于2023年4月进行，此前2023年1–4月总降雨量达1400 mm。每区段设5个采样点以表征区段内变异性，但需注意这并非独立的田间尺度处理重复，结果主要作为关联性和响应模式的证据。

研究发现，堆肥施用对两个田块的土壤性质均产生了影响。在物理性质方面，冲积土在8–16 cm深度表现出显著更高的含水量，两土壤在多个深度均呈现较低的穿透阻力，淋溶土中“不可穿透深度”的出现频率降低，表明硬矿物层减少。冲积土中宏团聚体（macro-aggregate）数量显著增加，而淋溶土中未呈现显著变化。宏团聚体大小受土壤类型影响但不受堆肥影响，与观测到的土壤结构一致：冲积土为团粒状结构，淋溶土为块状结构。在团聚体稳定性方面，两土壤对照与处理组均为稳定性等级4（在水中崩解但不分散），但施用堆肥的土壤在完全浸水后尺寸增加显著更小，表明湿稳定性增强。所有土壤样本均为非斥水性（斥水指数<3），但堆肥对两田块的斥水性影响方向相反：冲积土斥水指数降低，淋溶土升高。在化学性质方面，两土壤均呈微酸性且电导率（EC）低。冲积土施用堆肥后pH显著升高1.2个单位，而淋溶土pH无显著差异。EC在施用堆肥的土壤中略高但变化不显著。活性碳（labile carbon）有升高趋势但未达统计显著。堆肥样本呈深色和泥土气味，质量与成熟度良好，但存在未完全分解的绿废残留物，分析显示其含有较高量的细颗粒和疏水性有机化合物。

三、关键技术方法

研究人员采用多项关键技术方法开展研究。田间试验方面，使用土壤压实测试仪（Wile penetrometer）在蔗株间行内以3英寸（7.62 cm）深度间隔测定土壤穿透阻力，依据制造商色标分级（绿色<200 psi、黄色200–300 psi、红色>300 psi）表征压实程度；使用微型盘入渗仪（Mini disk infiltrometer）通过比较水和乙醇基溶液（甲基化酒精，≥95%乙醇）的吸渗率计算斥水指数（R = 1.95 × S_e(h₀)/S_w(h₀)，h₀ = ?2 cm）。实验室分析方面，采用环刀法测定0–8 cm和8–16 cm深度的土壤容重和重力含水量；通过Emerson分散试验评估团聚体稳定性，确定稳定性等级并测量完全浸水后的尺寸增加；采用1:5水土比提取测定pH和电导率；采用高锰酸钾氧化碳（POXC）方法测定活性碳。堆肥分析方面，使用比重计法（hydrometer）测定细颗粒（<0.002 mm）含量，采用260 nm波长紫外吸光度估算疏水性有机化合物浓度（基于松针凋落物的经验相关式：hoDOC = 19.70 × abs_260nm + 0.61）。统计分析采用Welch's t检验（p < 0.05）确定堆肥效应的统计显著性，部分不适宜均值表示的指标（宏团聚体大小和团聚体稳定性等级）采用众数（mode）报告。研究在商业农场条件下利用现有种植者管理的堆肥和对照区段进行，而非重复的实验田间试验，两田块在土壤类型、作物品种和堆肥施用时间上存在差异，反映运营管理而非受控研究设计。

四、研究结果

压实缓解：堆肥在两个田块均缓解了压实。施用堆肥的土壤穿透阻力降低，表明有效缓解了现有压实。由于堆肥在培土阶段混入，物理扰动在对照和处理条件下均发生，避免了此前研究中物理扰动作为混淆因素的问题。冲积土中较高的含水量代表更大的总孔隙度和改善的结构，可能暗示增强了对进一步压实的抵抗力。然而，容重未受堆肥影响，可能归因于湿土条件下降雨导致的容重高估和/或35 t/ha的较低施用量。田间观测和酸反应测试鉴定出冲积土中大量白云石（dolomite）和淋溶土45 cm以下深度集中的方解石（calcite）富集特征，这些碳酸盐矿物可通过风化及再沉淀过程充当土壤胶结剂。田间观测提示堆肥改良的淋溶土中方解石硬磐特征丰度较低，冲积土中稳定白云石形态更为普遍，伴随较低的穿透阻力。有机改良剂可通过黄腐酸和腐殖酸干扰矿物沉淀过程、改变气-水动态、降低土壤酸度及增加可交换盐和有机质竞争碳酸盐反应等机制减少土壤胶结。但碳酸盐丰度、矿物风化速率和沉淀过程未直接量化，矿物鉴定基于田间观测和酸反应测试而非详细矿物学或地球化学分析，上述机制应视为合理解释而非已证实过程。

团聚与结构改善：堆肥改善了土壤团聚作用，响应可能反映位点特异性因素。冲积土中宏团聚体数量显著增加，可能源于新宏团聚体的形成和/或现有团聚体保存的增强，有机质-离子桥接是团聚体形成的主要机制。淋溶土中效应不显著，可能反映时间效应（堆肥提前一年施用）或土壤特异性限制（黏质土壤中效应较弱）。尽管淋溶土团聚响应有限，堆肥在两田块均显著改善了湿稳定性，表现为崩解（尺寸增加）减少，表明团聚体内聚力的增强，可能源于有机质-钙离子桥接、真菌菌丝绑定和有机化合物稳定化等生化机制。湿稳定性是抗侵蚀能力的关键指标，与入渗和通气等土壤功能密切相关。团聚体稳定性与团聚作用的变化可能解耦：淋溶土表现出湿稳定性增强但团聚作用未相应改善，反映堆肥效应对团聚体形成与内聚力维持的持续性差异。

酸度缓解：一次性堆肥施用显著降低了冲积土的酸度，伴随稳定的EC和两田块活性碳升高的趋势。堆肥可增加土壤有机碳（包括活性碳）以提升土壤pH缓冲能力。堆肥缓解土壤酸度后，土壤养分有效性提高、污染物有效性降低、淋溶和地下水污染减少，有助于对抗土壤化学退化，尤其在养分淋溶为主要问题的热带土壤中。然而，EC和活性碳响应有限且pH效应在田块间不一致，可能归因于堆肥施用后经过的时间和降雨等环境因素（可能降低了采样时土壤EC），凸显了理解土壤类型、气候因子和堆肥施用量如何交互影响堆肥效应幅度和持久性的重要性。

对土壤斥水性的影响：即使以较低速率一次性施用，堆肥也能有效改变土壤斥水性。两田块均呈低斥水性（R<3，非疏水土壤），但堆肥显著改变了斥水性且响应方向不同。冲积土中斥水性降低可能归因于与更大孔隙度和改善结构相关的增强入渗，抵消了疏水性堆肥的效应。淋溶土中斥水性升高可能源于高疏水性堆肥的施用及施用后时间的影响：易降解的亲水组分分解较快，留下芳香族化合物、木质素和蜡质等难降解疏水组分累积；微生物活动也可能通过产生疏水代谢物（如胞外多糖或次级代谢物）加剧效应。堆肥样本含有的细颗粒约为其他植物基堆肥的三倍，疏水性有机化合物浓度相对较高。但细颗粒可能包括来自糖厂滤泥的黏土（通常带负电荷，吸引并保持水分，与疏水性相反），因此高细颗粒含量不一定指示固有疏水性。建议分析堆肥原料中的细颗粒并监测堆肥过程，因成熟度不足或不利分解条件可增加疏水性有机化合物；对于特定原料（如滤泥），可探索生物炭和水滑石等添加剂来改良疏水性。

五、讨论总结与结论翻译

讨论部分强调，堆肥对土壤性质的效应具有复杂性和情境依赖性。压实缓解方面，堆肥通过降低穿透阻力有效缓解压实，且可能通过有机物质干扰碳酸盐胶结过程减缓矿物诱导的胶结发展，但相关机制需谨慎解读，因矿物丰度和风化速率未直接量化。团聚与结构方面，堆肥改善团聚作用的效果受土壤质地、初始结构和施用时间影响，湿稳定性的增强表明抗侵蚀能力提升，但团聚作用与稳定性可能解耦，需考虑土壤质地和管理目标选择堆肥策略。酸度缓解方面，堆肥可提升pH缓冲能力并改善土壤化学环境，但效应幅度受多种混杂因素影响。土壤斥水性方面，堆肥可改变斥水性但方向因土壤而异，监测土壤斥水性并评估堆肥疏水性对于早期识别和干预至关重要。研究建议后续量化不同堆肥类型、施用量和施用频率在多种土壤类型和耕作系统中的效应，并探索针对特定土壤、作物和环境的堆肥配方和添加剂以增强安全性和有效性。

结论部分指出，本研究评估了植蔗期一次性堆肥施用对甘蔗种植下两种热带土壤选定理化性质的影响。堆肥施用导致土壤物理和化学性质的可测量变化，两个独立情境（田块在土壤类型、堆肥施用时间等方面不同）呈现不同响应。在两个田块内，堆肥处理与降低的土壤穿透阻力相关。在冲积土块中，堆肥还增加了8–16 cm深度的重力含水量、提升了土壤pH、增加了宏团聚体丰度并减少了湿润条件下的团聚体崩解。在淋溶土块中，改善主要体现在团聚体湿稳定性，团聚作用和pH变化甚微。上述响应表明堆肥性能受位点特异性条件（包括土壤特性和管理历史）影响。总体而言，研究结果表明堆肥施用能够改变甘蔗生产系统下与土壤结构和水分动态相关的关键土壤理化性质。虽然研究未直接评估土壤恢复力或抗逆性，但观测到的变化为堆肥可能影响土壤理化性质的潜在途径提供了见解。需进一步开展长期研究以确定这些变化是否转化为田间条件下土壤功能的持续改善。堆肥改变了两田块的土壤斥水性，冲积土中斥水性略有降低而淋溶土中升高，这些响应可能反映位点特异性堆肥-土壤交互作用及所施堆肥对土壤水力特性的综合影响。研究结果强调了在设计堆肥策略以优化成效时，考虑堆肥特性、土壤固有和动态性质及其交互作用的重要性。需在多样化的土壤气候条件和更长时间尺度上开展进一步研究，以评估这些效应的一致性、持久性和农学相关性。开发针对特定土壤、作物和环境定制的堆肥配方和添加剂，可增强农业使用的安全性和有效性。