玄武岩粉配施对玉米种植田土壤的作用效果试验

摘 要 在土壤酸化日趋严重的背景下，利用“增强风化”技术原理向农田土壤中添加玄武岩等硅酸盐岩粉，可有效改善土壤酸化并提升土壤肥力。为探究玄武岩粉配施对玉米种植田土壤的作用效果，以不施玄武岩粉为对照，研究配施不同粒径（10～100 μm和100～1 000 μm）和不同施加量（1 kg·m-2和5 kg·m-2）的玄武岩粉对土壤pH值和肥力状况的影响。结果表明，配施玄武岩粉能有效抑制土壤pH值下降，施加玄武岩粉的土壤pH值平均下降0.275，小于不施加玄武岩粉土壤pH值的下降幅度，且玄武岩粉粒径越小抑制土壤pH值下降的效果越明显。施加玄武岩粉能提高土壤阳离子交换量（cation exchange capacity，CEC），促进玉米植株对于速效氮、速效磷、速效钾的吸收，且玄武岩粉施加量越大、粒径越小，作用效果越明显。综上所述，施加玄武岩粉可有效改善土壤酸化并提升土壤肥力，为农田健康和可持续发展提供助力。

关键词 玄武岩粉；“增强风化”技术；土壤pH值；土壤肥力；作用效果

中图分类号：S156 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.22.004

在自然演变或人为干预下，土壤中交换性酸的不断增加会导致土壤pH值持续下降，这一过程被称为土壤酸化。土壤的自然酸化与其自身的形成和发展过程紧密相关，主要是由碳酸和有机酸分解产生的氢离子引起的[1]。在我国南方热带和亚热带地区，土壤酸化问题表现得尤为严重[2]。化肥的过量施用和工业化过程导致的酸沉降显著加速了耕地土壤酸化的进程[3]。土壤酸化会引发多种环境风险，包括导致土壤养分不平衡、作物生长受限、农产品产量减少等问题，对土壤生态系统的功能造成严重威胁。另外，土壤酸化是一个逐渐恶化的过程，若不改变当前的农田管理方式，我国亚热带地区的农田土壤酸化问题将变得更为严重。玉米等重要粮食作物在集约化种植过程中也会不断消耗土壤中的养分，造成土壤养分失衡或贫瘠化。为保持作物产量，农民需要不断施用化肥来补充养分。这导致土壤理化性质被破坏，产生土壤板结、盐碱化等问题，同时过度使用农药和化肥会杀死土壤中的有益微生物，破坏农田生态平衡，导致生态多样性降低等更严重的问题。

作为气候变化背景下具有重点发展潜力的“负碳技术”之一，“增强风化”技术可以为解决土壤酸化问题提供思路[4]。该技术通过向农田土壤中添加硅酸盐岩粉，起到吸收大气中多余的二氧化碳和改良土壤促进作物增产等双重作用。硅酸盐岩粉风化后产生的Ca2+、Mg2+等碱金属离子与二氧化碳和水反应生成的次生硅酸盐呈弱碱性，可以改善土壤酸化情况。同时，硅酸盐岩粉风化给农田系统带来了植物生长所必需的营养元素，可促进土壤肥力提升和作物增产。相关研究结果表明，玄武岩是提高土壤肥力并逆转土壤酸化的理想材料[5]。此次研究以常见的玉米种植田土壤为研究对象，探究在玉米种植期间撒施玄武岩粉对土壤pH值和肥力的改善效果，为农田土壤酸化改善、土壤肥力提升和增强风化相关研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江苏省南京市蔬菜花卉科学研究所横溪科技园的温室大棚，地理坐标为东经118°46′、北纬31°43′，海拔33 m，属亚热带湿润气候区。土壤类型为黄棕壤，多年设施生产，土壤已经熟化，肥力一般。

1.2 试验材料

试验田种植农科玉368甜糯玉米，试验用玄武岩采自江苏省盱眙县清明山矿区，为中新世下草湾组（N1x）碱性玄武岩，使用球磨机磨成10～100 μm和100～1 000 μm 2种不同粒径的矿粉。配施的2种粒径玄武岩粉通过碱熔消解后上机测定其主量元素含量（见表1）。有机肥由江阴市联业生物科技有限公司生产提供，总养分含量不低于8%，有机质含量不低于45%；复合肥[m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=15∶15∶15]由安徽省司尔特肥业股份有限公司生产。

1.3 试验设计

按照施加玄武岩粉的粒径和施加量不同进行分组，分别为处理F1，粒径为10～100 μm，施加量为1 kg·m-2；处理F5，粒径为10～100 μm，施加量为5 kg·m-2；处理C1，粒径为100～1 000 μm，施加量为1 kg·m-2；处理C5，粒径为100～1 000 μm，施加量为5 kg·m-2，并设置有无植物2个空白对照，分别命名为CK1和CK0。

1.4 试验实施

玄武岩粉改良玉米种植田土壤试验的周期为2022年4月6日至2022年6月23日，为期78 d（不含育苗时间）。肥料按有机肥6 000 kg·hm-2+45%复合肥450 kg·hm-2的标准施入。在玉米种植前采集各田块的表层土壤，测定初始土壤条件。在玉米生长过程中，使用土壤pH计和电导率速测仪测定土壤基本理化性质的变化。在玉米收获后，采集每块试验田中部生长层的土壤，分析其阳离子交换量（cation exchange capacity，CEC）和速效氮、速效磷、速效钾等的含量变化。

1.5 项目测定

使用山东仁科测控技术有限公司生产的土壤参数速测仪测定土壤pH值和电导率。采用三氯化六氨合钴浸提-分光光度法测定土壤CEC值，具体测试流程参考《土壤 阳离子交换量的测定 三氯化六氨合钴浸提-分光光度法》（HJ 889—2017）。采用碱液扩散法测定土壤速效氮含量，采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法测定速效磷含量，采用醋酸铵-火焰光度计法测定速效钾含量。

1.6 数据处理

使用Microsoft Excel 2021进行数据整理，利用Origin 2021作图分析。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值和电导率变化

由表2可知，相较于空白对照组CK0，其他处理组都存在玉米种植后期土壤pH值下降的趋势，说明玉米的存在会降低土壤pH值。这可能是玉米根系分泌物中存在的有机酸和H+的作用结果。通过对比施加玄武岩粉的试验组和玉米空白对照组CK1，发现施加玄武岩粉能有效减缓土壤pH值的下降趋势，平均可使土壤pH值下降0.275。其中，施加1 000μm玄武岩粉的试验组，土壤pH值平均下降幅度为0.400，而施加100 μm玄武岩粉的试验组土壤pH值平均下降幅度为0.150，表明玄武岩粉改善土壤pH值的作用效果与粒径有关，粒径越小土壤酸化改善效果越明显。但施加量对土壤pH值的改善效果并不明显。分析认为，这可能与玄武岩粉的风化速度有关。在试验周期内，玄武岩粉的风化量有限，即施加5 kg·m-2的试验组中的玄武岩粉并不能完全风化，因此在相同粒径玄武岩粉施加的试验组中，施加量的增加对土壤pH值的改善作用不显著。电导率在部分试验组中表现出升高的趋势。这反映出玄武岩粉风化形成的碱金属阳离子等可能增强了土壤的导电性，可为评估玄武岩粉风化速率和风化程度提供一定的参考。但电导率与土壤含水率有关[6]。两次测试时的土壤含水率对试验结果影响较大，因此土壤电导率的变化趋势仅作为特定试验条件下的参考值。

2.2 土壤CEC值变化

CEC值是衡量土壤保肥能力的重要指标之一，反映了土壤对养分的吸附和储存能力并决定了土壤的缓冲性能，对土壤改良和有效施肥具有重要作用[7]。由图1可知，试验前后土壤CEC值有较大变化，除C5处理外，其他处理组的CEC值都有较大程度的增加。空白对照组CK0的CEC值增加可能与试验中的施肥有关。通过结果分析得到，玉米的存在可以促进土壤CEC值的增加，这可能与玉米根系分泌物可改变土壤表面电荷有关。在施加细粒玄武岩粉的试验组中观察到施加量越大，土壤CEC值越高。土壤CEC值随着施加玄武岩粉粒径的增大而减小。施加玄武岩粉可增加土壤CEC值，但在此次试验中的增加程度较为有限，分析认为这可能与土壤本身的性质有关。此次试验土壤为黏土[CEC值超过30 cmol（+）·kg-1]，因此添加玄武岩粉对土壤CEC值的提升效果较为有限，但并不能排除玄武岩粉在壤土和砂质土壤[CEC值在2～10 cmol（+）·kg-1]中的作用效果。

2.3 土壤速效氮、速效磷、速效钾含量的变化

土壤中的氮、磷、钾都是作物生长发育所必需的营养元素，而速效氮、速效磷、速效钾更是能被植物短期内吸收的营养元素，对其含量进行测量可以很好地评价土壤肥力水平[8]。由图2可知，相较于试验前土壤和空白对照组CK0，施加1 000 μm玄武岩粉的试验组土壤速效钾含量明显增加，但速效氮和速效磷含量的变化并不明显，甚至有所降低。由于所有试验组均施加了复合肥和有机肥，试验组中土壤速效氮、速效磷、速效钾含量相较于试验前应该有明显的含量上升。因此，相较于试验前土壤，施加玄武岩粉有效促进了玉米植株对速效氮、速效磷、速效钾的吸收，特别在施加细粒玄武岩粉的F1和F5试验组中表现明显。玄武岩粉中含有的K2O和P2O5对试验结果有一定影响，尤其是对于施加细粒玄武岩粉的F1和F5组，由于玄武岩粉更快风化从而释放自身元素，土壤中速效钾和速效磷含量随玄武岩粉施加量增加而增加。同时，粗粒玄武岩粉施加量的增加对玉米吸收速效氮、速效磷、速效钾等营养元素具有正向促进关系，特别在促进速效钾的吸收中表现明显。试验结果显示，施加100 μm玄武岩粉的试验组，其土壤速效氮、速效磷和速效钾的含量均小于施加1 000 μm的试验组，即粒径越小，玄武岩风化速度越快，同时促进玉米对土壤中速效氮、磷、钾等营养元素的吸收越有效。

3 结论与讨论

此次试验探究了施加不同粒径的玄武岩粉对土壤pH值和肥力水平的影响，发现施加玄武岩粉能有效抑制土壤pH值下降，平均使将土壤pH值下降0.275，小于不施加玄武岩粉的土壤pH值下降幅度。玄武岩粉改善pH值的作用效果与其粒径有关，粒径越小，改善作用越明显。但施加量对改善效果的影响不明显。施加玄武岩粉能够提高土壤CEC值，并促进玉米植株对速效氮、速效磷、速效钾的吸收，且玄武岩粉施加量越大、粒径越小，效果越明显。

土壤酸化改善的主要原因是玄武岩风化形成的碱性阳离子与土壤溶液中的H+发生反应，可减小土壤的活性酸度；玄武岩粉促进土壤胶体表面的交换性铝形成有机配合态铝，降低潜在酸度[9]。另外，玄武岩中的多种营养元素（P、K、Ca、Si和Mg等）会在玄武岩风化过程中释放出来，在玄武岩中矿物改善土壤吸附电性，增加土壤CEC值的前提下，进一步增强植物对速效氮、速效磷和速效钾的吸收能力。KELLAND等研究发现，添加玄武岩粉可在一定程度上代替部分磷肥和钾肥的作用促使作物增产，同时提高土壤的CEC值[10]。ANADA等研究发现，添加玄武岩粉使土壤pH值不断提高，CEC值随着玄武岩风化速率的增加而变大，同时抑制有毒元素（Al和Mn）的释放[11]。GILLMAN等的实验研究发现，添加玄武岩粉末增加了土壤CEC值和pH值，同时玄武岩风化为土壤带来了丰富的可交换微量元素钙、镁和钾[12]。

综合相关研究成果和此次试验结果，在农田土壤中施加玄武岩粉可作为土壤改良剂改善土壤酸化，提高土壤肥力和肥料利用率，在未来“增强风化”技术推广的基础上必将给农田管理方式带来巨大变革。

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（责任编辑：张春雨）

基金项目：2021年江苏省自然资源保护利用专项资金（矿地融合试点）项目（苏财建〔2021〕45号）。

作者简介：莫朋军（1998—），在读硕士，主要从事农田增强风化相关研究。E-mail：mf21290014@smail.nju.edu.cn。