木炭和西米树皮灰的联合使用提高了酸性土壤上种植的高粱的干物质产量、磷吸收和回收效率

《Geology, Ecology, and Landscapes》：Combined use of charcoal and sago bark ash improves dry matter production, phosphorus uptake, and recovery efficiency of sorghum cultivated on an acid soil

　　

酸性土壤通常受到铝（Al）、铁（Fe）和锰（Mn）毒性浓度的限制，同时磷（P）有效性低，从而限制了作物生产力。磷在植物光合作用和能量转移中发挥关键作用。然而，关于木炭和西米（Metroxylon sagu）树皮灰联合施用用于热带酸性土壤上高粱（Sorghum bicolor L.）栽培的信息仍然有限。因此，研究人员进行了一项盆栽试验，以评估这些改良剂与肥料共同施用对土壤化学性质、磷有效性、高粱生长表现、干物质产量、磷吸收和磷回收效率的影响。处理包括分别以推荐用量的25%、50%、75%和100%施用木炭和西米树皮灰，同时施用推荐用量的氮（N）、磷（P）和钾（K）肥料。联合改良剂显著提高了土壤pH、阳离子交换量（CEC）、总碳和总磷，同时降低了交换性酸度和Al³⁺。改善的土壤条件增强了高粱的表现，与常规做法相比，干物质产量和磷吸收增加了3.9倍，磷回收效率提高了4.1倍。建议进行进一步的田间试验和经济评估以验证这些发现。

**研究背景、问题与意义**
酸性土壤在全球热带和亚热带地区广泛分布，其核心限制因素包括铝（Al）、铁（Fe）和锰（Mn）的毒性浓度，以及磷（P）有效性低下，这严重制约作物生产力。磷在光合作用、能量转移和植物代谢中起关键作用，但超过80%的土壤磷因与Al、Fe羟基氧化物结合而固定，导致磷肥利用率极低。此外，磷矿资源不可再生且分布不均，全球85%的储量集中在少数国家，磷肥的可持续利用成为迫切挑战。尽管已有研究探讨了有机改良剂（如堆肥、动物粪便）对酸性土壤的改良效果，但关于木炭（charcoal）和西米树皮灰（sago bark ash）联合施用对热带酸性土壤上高粱（Sorghum bicolor L.）生长、磷吸收和回收效率的影响仍缺乏系统认识。本研究旨在填补这一空白，通过明确土壤化学变化与植物养分吸收、生产力之间的关联，评估联合施用这些农业废弃物改良剂对酸性土壤的改良潜力，并探索其作为可持续农业实践的可能性。该论文发表在《Geology, Ecology, and Landscapes》。

**研究内容与结论**
研究人员从马来西亚博特拉大学沙捞越分校（Universiti Putra Malaysia Sarawak, UPMS）的次生林采集Bekenu系列（Typic Paleudults）酸性土壤，在网室进行盆栽试验，以高粱为测试作物。试验设置9个处理，包括未施肥对照（S1）、常规施肥（E1）、单独施用木炭（C1A0）、单独施用西米树皮灰（C0A1），以及不同比例（25%~100%推荐用量）的木炭与西米树皮灰联合施用，所有处理均施用推荐用量的氮（N）、磷（P）、钾（K）肥料。在播种后55天（抽穗期）收获，分析土壤化学性质、高粱干物质产量、磷吸收和磷回收效率。结果表明，联合施用木炭和西米树皮灰显著提高了土壤pH、阳离子交换量（CEC）、总碳和总磷，同时降低了交换性酸度和Al³⁺浓度，其中西米树皮灰的施用消除了土壤中的交换性Al³⁺。与常规施肥相比，联合处理的干物质产量和磷吸收均提高了约3.9倍，磷回收效率提高了约4.1倍。研究结论强调，木炭和西米树皮灰作为酸中和剂和养分来源，能有效改善酸性土壤质量，提升作物生产力，并为农业废弃物资源化利用提供科学依据。

**主要关键技术方法**
研究采用的关键技术方法包括：（1）土壤采样与制备：从马来西亚博特拉大学沙捞越分校（UPMS）次生林采集Bekenu系列（Typic Paleudults）酸性土壤，风干、粉碎后过5mm筛；（2）改良剂表征：使用扫描电子显微镜（SEM）观察木炭和西米树皮灰的表面形态；（3）盆栽试验：在网室进行，采用完全随机设计（CRD），设置3个重复，肥料（尿素、埃及磷矿粉、氯化钾）按推荐用量施用，改良剂按25%~100%推荐用量与土壤混匀，播种后维持60%田间持水量；（4）土壤化学分析：测定pH（水/KCl）、电导率（EC）、总碳（TC）、总磷（TP）、有效磷（Mehlich No.1法）、阳离子交换量（CEC）、交换性酸度、Al³⁺和H⁺；（5）植物分析：分离叶片、茎、根，测定干物质产量，采用干灰化法提取磷，使用UV-VIS分光光度计（波长882nm）测定磷浓度，并计算磷吸收和回收效率；（6）统计分析：使用SAS 9.4软件进行单因素方差分析（ANOVA）和Tukey HSD检验（p≤0.05）。

**研究结果**
- **Selected soil chemical properties after planting sorghum**：西米树皮灰的施用显著提高了土壤pH（水和KCl），而单独施用木炭效果不显著。联合施用木炭和西米树皮灰显著降低了土壤交换性酸度、交换性Al³⁺和H⁺，其中西米树皮灰处理消除了交换性Al³⁺。土壤电导率（EC）在施肥处理（E1和C1A1）中最高，西米树皮灰单独施用也提高了EC。土壤总碳（TC）在含木炭的处理中显著更高，单独施用木炭（C1A0和C1A1）的TC最高。土壤阳离子交换量（CEC）在西米树皮灰处理中显著提高，联合施用效果优于单独施用，其中C7A5（75%木炭+50%西米树皮灰）的CEC最高。

- **Soil total phosphorus and available phosphorus after planting sorghum**：未施肥对照（S1）的土壤总磷（TP）和有效磷（AP）最低。联合施用木炭和西米树皮灰显著提高了TP和AP，其中C1A1（100%木炭+100%西米树皮灰）的AP最高，但与C0A1和C7A5无显著差异。西米树皮灰处理通过提高pH降低了磷固定，木炭则通过负电荷基团竞争吸附位点来增加磷有效性。

- **Sorghum dry matter production and growth performance at 55 days after sowing**：未施肥对照（S1）的干物质产量最低，常规施肥（E1）和单独木炭（C1A0）产量较低。施用西米树皮灰的所有处理（C0A1、C1A1、C7A7、C5A7、C2A7、C7A5）的叶片、茎和根干重均显著高于S1、E1和C1A0，其中C1A1的茎干重最高。根系生长在施用西米树皮灰的处理中更发达，表明西米树皮灰通过提供养分和减轻铝毒促进根系发育。

- **Phosphorus concentration, uptake, and recovery efficiency of sorghum**：磷浓度在叶片和茎中因处理各异，S1叶片磷浓度最低，C7A7（75%木炭+75%西米树皮灰）的茎和根磷浓度最高。磷吸收量在C7A7处理中最高，其次为C5A7、C0A1、C1A1、C7A5和C2A7，S1和E1的磷吸收最低。磷回收效率以C7A7最高（3.05%），其次为C5A7（2.71%）、C0A1（2.66%）、C1A1（2.60%）、C7A5（2.40%）和C2A7（2.32%），常规施肥（E1）最低（0.56%）。这表明西米树皮灰通过提高pH和释放可溶性磷显著提升了磷回收效率，而木炭通过吸附和功能基团协同作用进一步增强效果。

**讨论总结**
讨论部分指出，西米树皮灰的主要作用归因于其高碱性和丰富的养分（K、Ca、Mg），能迅速中和土壤酸度并消除Al³⁺毒性，从而改善根系生长和养分吸收。木炭则通过稳定增加土壤pH、提供交换位点、释放有机酸（竞争磷吸附位点）以及多孔结构（减少磷淋失）来长期改善土壤性质。联合施用产生的协同效应（如提高CEC、降低磷固定）优于单独施用，但过量施用（如100%用量）并未带来最高的磷回收效率，表明存在最优施用量。研究建议未来需进行长期田间试验和经济评估，以验证这些发现。

**结论**
研究人员得出结论：木炭和西米树皮灰可联合施用管理酸性矿质土壤中的铝毒性，因为这些改良剂能够提高土壤pH，同时减少养分淋失和交换性酸度。此外，木炭可以吸附交换性Al³⁺，从而减少铝-磷相互作用并最小化土壤中磷的固定。除了这些改良剂作为有价值的石灰材料和养分来源外，它们还能增强土壤CEC、总碳和总磷。此外，高粱生长表现和根系生长在施用西米树皮灰的土壤中更为显著。研究结果表明，木炭和西米树皮灰的联合施用可以减少养分淋失，从而使更多养分可供高粱吸收。与常规做法相比，施用木炭和西米树皮灰作为土壤改良剂在高粱干物质产量、磷吸收和磷回收效率方面表现出良好的前景。联合处理使干物质产量和磷吸收增加了约3.9倍，磷回收效率提高了约4.1倍。然而，这些发现需要在长期田间试验中重复验证，以评估这些改良剂联合施用对高粱产量、后效和经济可行性的影响。建议进一步使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、能量色散X射线光谱（EDX）和X射线衍射（XRD）进行全面的材料表征，包括木炭和西米树皮灰的官能团、分子键、元素组成和晶相。这项盆栽试验将科学严谨性与环境创新相结合，展示了如何将本地废弃物转化为有价值的资源，为改善土壤健康、提高作物产量和支持热带农业循环经济实践提供了一条可持续的、基于科学的途径。