植物生物质灰分与氮肥提高土壤pH、SPAD指数及Urochloa brizantha的生长

《Nitrogen》：Plant Biomass Ash and Nitrogen Fertilization Raise the Soil pH, SPAD Index and Growth of Urochloa brizantha

　　

热带牧场是巴西畜牧业的基础；然而，其生产潜力受限于土壤酸度（soil acidity）和低养分有效性。本研究旨在评估生物质灰分（biomass ash）与氮肥（nitrogen）施用量对种植于氧化土（Oxisol）中的马兰杜草（Urochloa brizantha cv. Marandu）的土壤pH、SPAD指数（SPAD index，反映叶绿素相对含量）、叶面积（leaf area）、地上部干物质（shoot dry mass）和根系干物质（root dry mass）的交互作用。研究人员采用随机区组设计，设置5×5因子方案，包括五种灰分施用量（0、10、20、30和40 g dm^?3，使用桉树衍生的植物生物质灰分）和五种氮素施用量（0、100、200、300和400 mg dm^?3），4次重复。施用灰分的处理显著提高了土壤pH，而施氮处理促进了叶片扩展并增加了SPAD指数。SPAD指数、叶面积和地上部生物量观察到显著交互作用。结果表明，植物生物质灰分有效充当了土壤酸度改良剂，将土壤pH从4.3提升至最高6.8。根系干物质独立地随灰分施用（至28 g dm^?3）和氮素供应（至估计剂量222 mg dm^?3）而增加。数据使用R软件4.1.2版本进行统计分析。植物生物质灰分可纠正土壤酸度并积极影响氮肥施用，从而促进牧草的形态生理发育和根系生长，表明它是一种可持续的牧场管理肥料。

**论文解读：植物生物质灰分与氮肥对Urochloa brizantha生长及土壤性质的协同效应**

**研究背景与问题**
巴西热带牧场以Urochloa brizantha cv. Marandu（马兰杜草）为主要牧草品种，因其适应塞拉多（Cerrado）生态气候条件、干物质产量高及耐沫蝉等特性而被广泛种植。然而，巴西大面积牧场建立在高度风化的氧化土（Oxisol）上，这类土壤酸度高（典型pH低于5.5）、交换性铝含量高、自然肥力低，严重限制根系生长、分蘖和牧草生产力。传统的土壤酸度改良依赖石灰施用和养分补充，其中氮素（N）是热带牧草需求量最大的营养元素，但以尿素为来源的氮肥在高温高湿下易通过氨挥发损失，且硝化过程释放H⁺离子导致土壤酸化。在此背景下，植物生物质灰分（plant biomass ash）作为一种碱性残渣，富含钙、镁、钾的氧化物、氢氧化物和碳酸盐，可类似石灰的作用改良土壤酸度，同时提供磷、钾、钙、镁等养分，且具有低氮含量及持久残留效应。然而，关于灰分与氮肥联合施用对Urochloa brizantha生长影响的交互作用研究仍有限。本研究旨在评估不同植物生物质灰分与氮素施用量对氧化土pH、SPAD指数、叶面积、地上部干物质及根系干物质的交互效应，以探索可持续的牧场管理策略。论文发表在《Nitrogen》。

**关键技术与方法**
研究人员采集巴西Rondonópolis地区Cerrado植被下0–20 cm的氧化土，风干过筛后填入1.5 dm³盆钵。植物生物质灰分取自桉树燃烧后的残渣，经化学表征测定其养分含量（N、P₂O₅、K₂O、Ca、Mg等）及碱性参数（pH 10.67、中和值NV 30%、相对总中和值RTNV 24.8%）。采用随机区组设计，5×5因子方案，含五种灰分剂量（0、10、20、30、40 g dm^?3）和五种氮素剂量（0、100、200、300、400 mg dm^?3，以尿素为氮源），4次重复。灰分与土壤预先混合并孵育20天后播种，出苗15天后定苗，氮肥分次施用（30和60天时再次全量施用）。分析变量包括土壤pH（CaCl₂法）、SPAD指数（SPAD-502 Plus叶绿素计）、叶面积（LI-3100面积仪）、地上部干物质（65°C烘干72小时）及根系干物质（最终收获时冲洗后烘干）。统计采用R 4.1.2软件，经正态性检验后执行方差分析和回归分析，交互作用显著时拟合响应曲面。

**研究结果**

**3.1. 土壤pH**
土壤pH受灰分与氮素交互显著影响（30和90天），而60天时仅灰分单独效应显著。灰分施用使pH从初始4.3线性升高至最高6.84（90天）；氮素在90天时单独引起pH下降（最低4.33），但灰分可部分抵消该酸化效应。这表明灰分通过释放OH^?和HCO₃^?有效中和土壤酸度，且具有残留效果。

**3.2. SPAD指数**
SPAD指数在30天时受灰分与氮素交互影响，60天时两者独立显著（二次响应），90天时仅灰分显著。最大SPAD值（36.82）出现在23.82 g dm^?3灰分与400 mg dm^?3氮素组合下。灰分通过提供镁（Mg）促进叶绿素合成，氮素则直接参与光合酶系（如RuBisCO）构成，两者协同改善牧草营养状态。

**3.3. 叶面积**
叶面积在所有时期均受灰分与氮素交互显著影响。30天最大叶面积1502.19 cm² pot^?1（20.17 g dm^?3灰分+400 mg dm^?3氮），60天最大2332.96 cm² pot^?1（24.27 g dm^?3灰分+359.5 mg dm^?3氮），90天最大1990.93 cm² pot^?1（32.36 g dm^?3灰分+256.18 mg dm^?3氮）。灰分通过提供钙、钾等促进细胞伸长，氮素驱动细胞分裂，两者平衡施用显著提升光合面积。

**3.4. 干物质（地上部与根系）**
地上部干物质（SDM）在全部时期均受交互显著影响：30天最大9.11 g pot^?1（25.17 g dm^?3灰分+最高氮），60天最大18.43 g pot^?1（24.27 g dm^?3灰分+337.08 mg dm^?3氮），90天最大21.54 g pot^?1（31.46 g dm^?3灰分+269.66 mg dm^?3氮）。根系干物质（RDM）独立受灰分和氮素二次影响，最大25.67 g pot^?1（灰分27.58 g dm^?3）和24.25 g pot^?1（氮222.3 mg dm^?3），灰分通过改善土壤化学条件（磷、钙供应）促进根系发育，氮素通过增强光合产物转运驱动根生长。

**总结与结论**
**讨论部分总结**：研究证实灰分中的碱性化合物（CaO、MgO等）释放OH^?和HCO₃^?可有效中和土壤H⁺，其残留效应可持续至90天，减少频繁再施需求。氮肥的酸化效应（通过硝化释放H⁺）可被灰分部分抵消。灰分提供的镁直接参与叶绿素分子结构，提高SPAD指数；钾和钙则促进叶片扩展和细胞壁稳定性。磷供应促进根系生长，增强养分吸收能力。灰分与氮素的交互作用表明，灰分改良的土壤化学环境提高了氮素利用效率，可能降低矿物氮肥需求。总体上，灰分作为一种碱性养分源，在酸性氧化土中表现类似石灰但附带营养补充，结合氮肥可实现牧草形态生理和根系生长的协同优化。

**研究结论翻译**：施用生物质灰分可纠正土壤酸度，使土壤pH按施用剂量成比例升高。将这种残渣与氮肥联合使用，可产生正向交互作用，增强马兰杜草的营养状况、叶片扩展和地上部干物质积累。在灰分24.27–31.46 g dm^?3与氮269.66–337.08 mg dm^?3的组合下，随时间推移，营养生长和生物量积累达到最优。根系干物质独立地随灰分施用（至28 g dm^?3）和氮素供应（至估计剂量222 mg dm^?3）而增加。植物生物质灰分是酸性氧化土中养分循环和土壤酸度纠正的一种可行技术替代方案，可在循环经济框架内显著提高Urochloa brizantha cv. Marandu的早期生产潜力。