玄武岩岩粉对黑麦草生长及营养的影响：酸性砂质与壤土对比研究

作者与发表信息

本研究由Charles Desmalles（AS Développement, France）、Lionel Jordan-Meille（Bordeaux Sciences Agro, INRAE, France）、Javier Hernandez、Cathy L. Thomas、Sarah Dunham、Feifei Deng（National Oceanography Centre）、Steve P. McGrath和Stephan M. Haefele（Rothamsted Research, UK）共同完成。论文于2025年7月25日发表在《Agronomy》期刊第15卷第8期，文章编号1791。

学术背景

本研究属于农业土壤改良与气候变化减缓交叉领域，主要探讨通过增强岩石风化(Enhanced Rock Weathering, ERW)技术改良酸性土壤的农业应用效果。随着全球气候变化加剧，ERW作为一种负排放技术(Negative Emission Technology, NET)受到广泛关注。该技术通过将硅酸盐岩石粉末施用于农田，既能固定大气CO₂，又能改善土壤肥力。然而，已有研究表明不同土壤类型对岩石粉末的响应差异显著，特别是对作物营养元素吸收的影响机制尚不明确。

研究团队选取两种典型酸性土壤（法国波尔多的砂质土壤和英国哈彭登的粉砂质黏壤土）和意大利黑麦草(Lolium multiflorum Lam.)作为模式系统，重点评估玄武岩粉末对土壤pH值、阳离子释放及作物营养吸收的影响。研究目标包括：1) 量化玄武岩改良对两种酸性土壤化学性质的影响；2) 评估作物对不同营养元素的利用效率；3) 揭示土壤特性与岩石风化效果的互作机制。

研究方法与流程

1. 土壤与玄武岩材料特性分析

研究选取法国波尔多长期钾肥试验地的砂质土壤（95.5%砂粒，pH 5.8）和英国哈彭登长期石灰试验地的粉砂质黏壤土（52%粉粒，20%黏粒，pH 5.5）作为研究对象。通过X射线衍射分析确定玄武岩粉末主要矿物组成为拉长石（44.4%）、辉石（13.5%）、绿泥石（11.2%）和蒙脱石（9.2%）。采用aqua regia消解法和1M NH₄NO₃提取法分别测定总量和可提取态营养元素含量。

2. 盆栽实验设计

实验采用三因素设计：土壤类型（砂质vs壤土）×玄武岩剂量（0、80、160 t ha⁻¹）×植物处理（种植黑麦草vs不种植），共12个处理组合，每个处理4次重复。根据田间25cm耕作层土壤质量（3250 t ha⁻¹）计算盆载等效量，玄武岩按2.5%和5%（w/w）比例与土壤混合。实验在人工气候室进行，控制水分在80%田间持水量，试验持续135-160天（积温1900℃·d）。

3. 监测与分析方法

土壤样品在实验开始、混合后20天和结束时分别采集，测定pH值、有机碳、总氮和营养元素含量。植物分4-6次刈割，测定干物质产量和元素积累量。采用创新性的”理论初始混合值”计算方法评估短期化学反应，并建立元素释放的质量平衡模型：

[元素]理论混合值 = ([元素]土壤×m土壤 + [元素]玄武岩×m玄武岩)/(m土壤+m玄武岩) 

营养元素利用效率(XUE)计算公式为：

XUE(%) = [(X吸收处理 - X吸收对照)/(X添加量)]×100 

4. 统计分析方法

使用ANOVA分析处理间差异，对不满足正态分布的数据采用Kruskal-Wallis非参数检验。通过Shapiro-Wilk检验残差正态性，Levene检验方差齐性，采用Tukey HSD或Wilcoxon秩和检验进行事后多重比较。建立pH与营养元素有效性的回归模型，使用R 4.2.1完成所有统计分析。

主要研究结果

1. 土壤化学性质的改变

玄武岩添加使两种土壤pH值显著提高0.5-1个单位（图1），其中砂质土壤从5.8升至6.4，壤土从5.5升至6.3。酸中和能力(ANC)仅为传统石灰改良剂的5%。交换性钙在两种土壤中分别增加28%和10%，交换性钾增加6-16%，而有效磷在砂质土壤下降15%。微量元素的生物有效性显著降低，其中锌和锰在砂质土壤分别减少57%和47%，镍在壤土中降低85%（表3）。

2. 植物生长与元素吸收

在初始缺钾的砂质土壤中，玄武岩处理使黑麦草产量提高28-33%（图2），钾吸收量增加66%，钾利用效率达33%（表5）。相反，在初始钾含量较高的壤土中，产量无显著变化。植物磷浓度随玄武岩剂量增加而降低，但总吸收量保持稳定，表现为稀释效应。微量元素呈现复杂变化：砂质土壤中镍吸收量增加90%，而壤土中降低42%（表4）。

3. 元素释放动力学分析

质量平衡计算（表6）显示，砂质土壤中钾的释放量占总量的10%，显著高于壤土的2%。磷的释放量不足总量的1%，表明玄武岩作为磷肥源效果有限。锌的有效性与pH呈显著负指数关系（R²=0.52-0.56），证实pH升高是降低微量元素有效性的主因。

研究结论与价值

本研究系统揭示了玄武岩粉末在两种酸性土壤中的差异化效应，建立了土壤特性-岩石风化-植物营养的响应关系。主要科学价值体现在：

1. 理论层面：证实了增强岩石风化的农业效益高度依赖土壤初始特性，挑战了”岩石粉末普遍提高养分有效性”的传统认知。特别是发现pH升高对磷和微量元素的抑制作用可能抵消阳离子养分带来的益处。

2. 方法学创新：开发了量化岩石风化贡献的质量平衡模型，为评估ERW技术的农艺价值提供了新工具。提出的”理论初始混合值”计算方法能有效区分短期化学反应与长期风化过程。

3. 应用指导：指出玄武岩改良需根据土壤特性个性化设计：在缺钾的砂质土壤中效益显著，而在养分平衡的壤土中效果有限。建议将土壤pH缓冲能力、初始养分状况和作物需求纳入ERW技术推广标准。

研究亮点

1. 多尺度验证：首次在相同实验体系中对比了砂质与壤土对玄武岩风化的响应差异，为ERW技术的精准应用提供依据。

2. 过程机理解析：通过元素质量平衡和pH效应解耦，阐明了钾释放与微量元素固定的相反趋势机制。

3. 农艺-气候协同：量化了玄武岩作为钾肥源的效率（最高33%），同时评估了其CO₂封存潜力，为气候智慧型农业提供数据支持。

其他有价值发现

1. 玄武岩中矿物的释放比例不符合简单化学计量关系，如钙镁比在土壤中的变化与原始玄武岩组成不一致。

2. 黑麦草对镍的吸收表现出土壤依赖性调控，在砂质土中增加而在壤土中降低，可能与有机质-金属复合物形成有关。

3. 短期（5个月）内玄武岩的风化率被低估，长期田间试验可能展现更大的养分释放潜力。

这些发现对完善ERW技术的生命周期评估具有重要参考价值，特别是在平衡碳封存效益与农业可持续性方面提供了关键参数。研究结果已被纳入英国”增强岩石风化温室气体去除示范计划”的决策支持系统。