将土壤健康与生物炭和有机肥施用下大豆（Glycine max L.）生产力联系起来：来自PCA和相关性分析的证据

《Agronomy》：Linking Soil Health to Soybean (Glycine max L.) Productivity Under Biochar and Organic Fertilizer Application: Evidence from PCA and Correlation Analyses

　　

摘要：不断增加的化肥成本、气候相关胁迫以及长期使用化学肥料导致的土壤退化，正威胁着农业生产的可持续性。有机土壤改良剂提供了一种在减少对合成投入品依赖的同时恢复土壤健康的有前景的方法。本研究评估了在酸性土壤条件下，生物炭与有机肥联合施用对土壤健康和大豆（Glycine max L.）生产力的综合效应。在2024年生长季，采用完全随机设计（CRD）进行了温室盆栽试验，共设7个处理，每个处理重复3次，总计21盆。各处理为不同生物炭（B）和有机肥（F）组合，施用量以每10.5 kg土壤的克数计：对照（B0F0）、B35F70、B35F105、B35F140、B70F70、B70F105和B70F140。采用最小显著性差异（LSD）检验在p < 0.05水平下比较处理均值。结果表明，在酸性土壤改良后45天，B35F70处理下土壤pH值最高（5.41）。与对照相比，B35F140处理使电导率显著增加（p < 0.05）至0.23 mS cm^?1。土壤有机质和速效磷在B70F140处理下达到最高值，分别为5.25%和13.87 mg kg^?1，且显著高于对照处理。与对照相比，土壤速效铁（Fe）和锰（Mn）浓度也显著增加（p < 0.05），其中B35F70和B70F70处理分别产生最高的Fe浓度（371.29 mg kg^?1）和Mn浓度（37.77 mg kg^?1）。在红棕色酸性土壤改良后100天，进行了探索性Pearson相关分析，以检验土壤健康指标与大豆表现之间的关系。土壤速效磷和钾与土壤pH呈正相关（r = 0.69和r = 0.65，分别；p < 0.01）。大豆生长性状，包括株高和叶片数，与种子产量呈正相关（r = 0.56和r = 0.77，分别；p < 0.01）。此外，种子产量与SPAD值（r = 0.80，p < 0.01）、土壤pH（r = 0.56，p < 0.01）、速效钾（r = 0.68，p < 0.01）和镁（r = 0.47，p < 0.05）呈正相关。主成分分析（PCA）进一步证明了处理分组清晰，以及土壤性质、植物生长性状和大豆产量变量之间一致的正相关关系。对照处理沿PC1与所有生物炭-有机肥处理明显分离。在所有处理中，B35F140（3.33 g生物炭 kg^?1土壤 + 13.33 g有机肥 kg^?1土壤）与土壤健康和植物生长的正相关关系最强，并产生最高的大豆种子产量（10.77 g plant^?1）。总体而言，生物炭与有机肥的联合施用改善了土壤健康、大豆生长和产量，证明其作为酸性土壤条件下提高大豆生产力的可持续策略的潜力。

论文解读：生物炭与有机肥联合施用对酸性土壤大豆生产力的促进效应

研究背景与目的

近年来，化肥成本持续上升、气候变化带来的逆境胁迫以及长期单一施用化学肥料所引发的土壤退化，已对农业生产的可持续性构成严重威胁。在酸性土壤中，铝（Al）毒害是限制植物生长的主要非生物胁迫因子，其抑制作物根系伸长和功能发挥，进而导致地上部生长不良和产量下降。大豆（Glycine max L.）虽能与根瘤菌共生固氮，但强酸性环境会抑制根瘤形成和固氮效率，因此需要额外补充磷（P）、钾（K）等养分。传统上常采用石灰改良酸性土壤，但过量施用可能对土壤微生物群落产生负面影响。生物炭因富含碳、呈碱性、具有多种表面官能团，被认为是一种有前景的土壤改良剂；有机肥则可提升土壤有机质含量、改善结构并提高养分有效性。然而，二者联合施用对酸性土壤健康和大豆生产力的综合效应尚不明确。为此，研究人员设计了一项温室盆栽试验，系统评价不同配比的生物炭和有机肥对红棕色酸性土壤化学性质、微生物数量及大豆生长和产量的影响，并利用主成分分析（PCA）和Pearson相关分析揭示土壤健康指标与作物生产力之间的关系。该论文发表在《Agronomy》期刊上。

主要技术方法

研究人员采用完全随机设计（CRD），设置7个处理：对照（B0F0）、B35F70、B35F105、B35F140、B70F70、B70F105和B70F140，每个处理重复3次，共21盆。试验土壤为红棕色黏壤土，取自台湾；大豆品种为台南10号（Tainan 10）；生物炭由稻壳在600 °C热解24小时制备；有机肥为猪粪、牛粪和鸡粪按3:1:1堆制而成。在改良后45天和100天（DAA）分别采集土壤样品，测定pH、电导率（EC）、有机质（OM）、速效磷、钾、钙、镁、铁、锰、铜、锌等指标；采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定元素含量，扫描电镜（SEM）观察生物炭表面形态，平板计数法测定可培养微生物数量。大豆株高、叶片数、SPAD值、根瘤数及产量构成因子均在相应时期测定。数据采用单因素方差分析、最小显著性差异（LSD）检验、PCA和Pearson相关分析。

研究结果

3.1 改良45天后酸性土壤pH和EC的变化
试验结果表明，各改良处理在45 DAA时土壤pH虽未与对照形成显著差异，但除B35F105外的所有生物炭-有机肥处理均使pH提高了2.91%–4.84%。与对照相比，除B35F70外，其余处理均显著增加了土壤电导率（EC），其中B35F140处理EC值最高，较对照提高228.57%。这主要与有机肥分解释放碱性阳离子以及生物炭对阳离子的保持能力有关。

3.2 生物炭-有机肥对45 DAA土壤有机质和磷的影响
B35F70、B35F105和B70F140处理的土壤有机质（OM）含量显著高于对照，其中B70F140处理同时获得最高的速效磷（AP）含量（13.87 mg kg^?1），表明有机质积累与磷的有效化存在正向关联。对照处理OM和AP均处于最低水平，说明单独不施改良剂时土壤肥力较低。

3.3 45 DAA时速效铁（Fe）和锰（Mn）的变化
速效锰（AMn）在B70F70处理下显著高于其他处理，而速效铁（AFe）在B35F70处理下最高。Fe和Mn的变化趋势相似，且Pearson相关分析显示二者在100 DAA时呈正相关（r = 0.53，p < 0.05）。由于pH升高会降低铁、锰的溶解度，因此添加生物炭和有机肥后pH的微升可能对这些微量元素的有效性产生调节作用。

3.4 100 DAA土壤性质的PCA
对100 DAA土壤性质的PCA显示，前两个主成分解释了64.0%的总变异（PC1 = 45.8%，PC2 = 18.2%）。对照处理沿PC1与所有生物炭-有机肥处理明显分离，表明改良剂显著改变了土壤健康属性。EC、锌（Zn）、铜（Cu）、铁（Fe）、锰（Mn）、钠（Na）等变量在PC1和PC2正方向聚集，而pH、K、Mg、OM和可培养细菌数量（TSB）也对处理区分有贡献。可培养细菌数量与土壤pH呈显著正相关（r = 0.73，p < 0.01），说明pH的适度升高有利于细菌生长。

3.5 大豆生长性状（6 WAP）与土壤性质（100 DAA）的PCA
该PCA累计解释了58.6%的变异（PC1 = 44.0%，PC2 = 14.6%）。对照处理仍与改良处理完全分离。根瘤数（NRN）、荚数（NP）、叶片数（NL）、株高（PH）、SPAD值以及TSB、EC、K、Cu、Zn、Na等土壤变量在PC1正方向聚集，而OM、pH、Ca、Mg、Mn、P、Fe与PC2负方向相关。B35F140和B70F105处理与较高的EC和植物生长表现关联更紧密。

3.6 大豆生长变量（6 WAP）与产量变量（98 DAA）的PCA
该PCA解释了85.1%的总变异（PC1 = 72.1%，PC2 = 13.0%）。PC1占主导，表明改良剂处理对系统整体表现的影响是最大的变异来源。B35F140处理与叶片数、SPAD值、株高、种子产量（SY）、荚数和荚重等变量紧密相关，并获得了所有处理中最高的种子产量（10.77 g plant^?1），被认定为最佳处理。根瘤数则在PC2方向上有独立响应，与主要生长和产量指标的关联较弱。

3.7 大豆生长变量与产量变量的Pearson相关热图
探索性相关分析显示，种子产量与株高（r = 0.56）、叶片数（r = 0.77）、SPAD值（r = 0.80）、荚数（r = 0.87）、荚重（r = 0.99）、种子数（r = 0.82）均呈显著正相关（p < 0.01），而根瘤数与各变量的相关性较弱（r = 0.05–0.41），说明结瘤对产量的直接贡献在本试验条件下相对有限。

讨论与结论

讨论部分指出，生物炭和有机肥联合施用可提高酸性土壤pH，主要归因于生物炭的“石灰效应”以及有机肥分解过程中碱性阳离子的释放，但根际酸化作用可能部分抵消这种碱化效应。EC的增加则源于可溶性矿物养分和灰分离子的输入。土壤有机质与速效磷呈正向联系，有机质矿化释放磷是重要原因。铁、锰有效性受到pH调节，pH升高会降低其溶解度，因此高pH处理中Fe、Mn浓度相对偏低。各指标间的一致性正相关以及PCA中处理组的明确分离，证实生物炭和有机肥的联合施用能够协同改善土壤健康和大豆生长性状，最终提升产量。

研究结论：对红棕色酸性土壤施用生物炭和有机肥后100天，Pearson相关分析揭示出多个变量之间的探索性正相关关系。这些正相关的一致性，连同PCA中对照处理与生物炭-有机肥处理组的明显分离，表明二者联合施用同时改善了土壤性质并促进了多种植物生长性状，最终共同导致大豆产量提升。在所有处理中，B35F140（3.33 g生物炭 kg^?1土壤 + 13.33 g有机肥 kg^?1土壤）与土壤健康和植物生长的关联最强，并产生了最高的大豆种子产量（10.77 g plant^?1）。因此，这些发现表明土壤健康的改善与大豆生长和产量呈正相关，支持将生物炭和有机肥联合施用作为酸性土壤中提高大豆生产力的可持续农艺策略。