管理作物系统中的土壤酸度与碳排放

《Soil Science Society of America Journal》：Managing soil acidity and carbon emission in crop systems

　　

石灰施用对于热带酸性土壤实现高作物产量至关重要，但石灰溶解会释放CO₂，而硅酸盐渣则不会，石膏则能改善深层土壤肥力。尽管这些土壤改良剂对土壤肥力的益处已广为人知，但它们在作物系统中对CO₂排放和土壤碳（C）积累的联合效应仍不清楚。研究人员在免耕（NT）和常规耕作（CT）两种耕作制度下，于大豆（Glycine max L.）与玉米（Zea mays L.）间作臂形草（Urochloa ruziziensis）的双季作系统中，评估了石灰和硅酸盐单独施用或与石膏联合施用的效果。该研究在两个并排的田间试验中进行，试验地点位于巴西西南部的典型高岭土（Typic Haplorthox）上，持续两年。处理包括（i）石灰，（ii）硅酸盐渣，（iii）石灰+石膏，（iv）硅酸盐渣+石膏，以及（v）对照。在第二季大豆生长季中，测量了根和地上部干物质、植物碳（C）输入量、CO₂排放量以及土壤碳储量。土壤改良剂的施用增加了NT和CT下地上部和根部的干物质及C输入量，但未改变整个土壤剖面的总碳储量。在NT下，土壤改良剂对累积CO₂排放量无影响；然而，在CT下，石灰+石膏处理增加了排放量。通过施用石灰、硅酸盐及其与石膏的组合来缓解热带种植系统中的土壤酸度，可以提高作物产量，同时降低产量标化（归一化）的CO₂排放量。

**论文解读：热带双季作系统中土壤酸度改良对碳排放与碳积累的影响**

**研究背景**
土壤酸度是限制全球粮食生产的主要障碍之一。在热带地区，石灰（lime）施用被广泛用于中和酸度并提高养分有效性。然而，石灰在土壤中溶解时会释放CO₂，并刺激微生物活性，可能增加温室气体（GHG）排放。相比之下，硅酸盐渣（silicate slag）在改良酸度时不释放CO₂，而石膏（gypsum）则通过提高钙（Ca）和硫酸根（SO₄^2?）的深层有效性来改善深层土壤肥力。尽管这些改良剂对土壤肥力的益处已有充分记载，但它们在热带作物系统中对CO₂排放和土壤碳（C）积累的联合效应尚不明确，尤其是在免耕（NT）条件下的研究较少。此外，耕作制度（NT vs. 常规耕作CT）通过影响团聚体稳定性和有机质分解，进一步调节碳排放。因此，研究人员开展本研究，旨在评估石灰和硅酸盐单独施用或与石膏联合施用，对大豆-玉米间作臂形草双季作系统中根和地上部干物质、作物产量及CO₂排放的影响，并检验以下假设：（i）在NT和CT下，硅酸盐和石灰与石膏的联合施用能增加碳储量；（ii）硅酸盐单独施用比石灰产生更低的累积CO₂排放；（iii）石膏与硅酸盐和石灰的联合使用能进一步降低累积和归一化CO₂排放。该论文发表在《Soil Science Society of America Journal》。

**主要关键技术与方法**
两并排田间试验在巴西圣保罗州博图卡图（22°51′S, 48°26′W, 海拔770 m）的典型高岭土（Typic Haplorthox）上进行，分别设置NT和CT处理。试验前地块已休耕10年，数据采集前已连续实施3年处理。采用随机完全区组设计，4次重复。处理包括：（i）石灰（3.7 Mg ha^?1），（ii）硅酸盐渣（6.7 Mg ha^?1），（iii）石灰+石膏（2.0 Mg ha^?1），（iv）硅酸盐渣+石膏，以及（v）无改良对照。石灰和硅酸盐用量按将0–0.2 m土层盐基饱和度提升至70%计算，石膏用量按土壤黏粒含量×6确定。在NT下，改良剂撒施于地表；在CT下，通过圆盘耙混入0.2 m土层。CO₂通量采用便携式红外气体分析仪（LI-8100A）结合聚氯乙烯（PVC）土壤呼吸室测量，在两年内的大豆和玉米-臂形草生长季中定期采集。土壤碳储量通过测定各土层有机碳（SOC）含量和容重计算。根和地上部干物质及碳含量通过元素分析仪（CHNS-2000）测定。

**研究结果**
**3.1 根干物质及根中碳含量**
在NT下，土壤酸度改良使第一年与第二年大豆根干物质分别比对照增加22%和51%；在CT下，分别增加30%和34%。玉米-臂形草间作中，NT下石灰处理比硅酸盐和对照的根干物质高11%；CT下各改良剂处理间无差异，但平均比对照高16%。根碳含量趋势类似：NT下大豆根碳在改良后第一年和第二年分别比对照高31%和52%；CT下分别高32%和41%。玉米-臂形草根碳在NT下无差异，CT下平均比对照高29%。

**3.2 地上部干物质及碳含量**
第一年小米-臂形草间作地上部干物质不受改良剂影响。第一年大豆在NT和CT下，改良剂处理分别比对照高29%和40%。玉米在NT下，石灰+石膏和硅酸盐处理分别比对照高29%和18%；CT下平均比对照高29%。第二年大豆在NT下，硅酸盐和石灰+石膏处理平均比对照高41%；CT下石灰、石灰或硅酸盐+石膏处理平均比对照高37%。地上部碳含量变化趋势与干物质一致。

**3.3 土壤碳储量**
施用改良剂3年后，0–0.6 m土层总碳储量未受酸度改良影响。NT下，0–0.1 m土层碳储量在改良剂处理下高于对照；CT下，0–0.2 m土层碳储量在石灰、硅酸盐和石灰+石膏处理下增加。NT下0–0.6 m总碳储量平均约90 Mg ha^?1，CT下约60 Mg ha^?1。

**3.4 累积CO₂排放量**
NT下，第一年大豆生长季中，石灰+石膏和硅酸盐+石膏处理的CO₂排放量平均比对照高15%，但石灰单独处理与对照无差异；玉米-臂形草间作和第二年大豆生长季中处理间无差异。总体而言，NT下整个轮作周期累积CO₂排放量处理间无差异。CT下，第二年大豆生长季中，石灰+石膏处理比对照高32%，导致整个轮作累积排放量比对照高13%。

**3.5 籽粒产量**
第一年大豆产量在两种耕作制度下均不受改良剂影响。NT下，玉米产量在改良剂处理下平均比对照高67%。第二年大豆在NT下，硅酸盐、石灰+石膏和硅酸盐+石膏处理产量比对照高39%，石灰单独处理高24%。CT下，玉米产量在石灰、硅酸盐和石灰+石膏处理下平均比对照高30%；第二年大豆在石灰、石灰+石膏和石灰+硅酸盐处理下平均比对照高35%，硅酸盐处理高18%。

**3.6 归一化CO₂排放量**
NT下，各改良剂处理间归一化CO₂排放量相似，但平均比对照低28%。CT下，石灰、硅酸盐和石灰+石膏处理比对照低20%，但硅酸盐+石膏处理与对照无差异。

**讨论与结论**
讨论部分指出，土壤酸度改良通过提高pH、降低Al³⁺毒性，促进了根系生长和地上部生物量，从而增加了植物碳输入，但总碳储量未显著增加，这可能是由于试验时间较短（3年）以及碳输入与分解输出的平衡所致。在NT下，累积CO₂排放量未因改良剂而显著改变，因为地表覆盖限制了有机碳氧化；而在CT下，石灰+石膏增加了排放，可能与土壤扰动和残余物分解加速有关。籽粒产量在大多数作物中因改良剂而提高，尤其在玉米中表现显著，这得益于养分有效性提升和硅（Si）的抗逆作用。归一化CO₂排放量的降低表明，酸度改良在提高产量的同时减少了单位产量的碳排放。

研究结论为：施用石灰和硅酸盐（无论是否与石膏联合）增加了热带双季作系统中NT和CT下的根和地上部干物质及碳输入，但未增加0–0.6 m土层的总碳储量。在NT下，累积CO₂排放量未因改良剂而改变；但在CT下，石灰与石膏联合施用增加了累积CO₂排放量。缓解热带种植系统中的土壤酸度通过提高作物产量并显著降低归一化CO₂排放量，实现了农业生产与环境效率的双赢。该研究将土壤酸度校正与碳稳定化及损失的地球化学过程联系起来，推进了对热带作物系统土壤碳动态的机理理解。