酸性土壤改良剂能够提高玉米对养分的吸收、增加籽粒产量和生物量积累：一项全球性元分析

《European Journal of Agronomy》：Acidic soil amendments enhance maize nutrient uptake, grain yield and biomass accumulation: A global meta-analysis

土壤改良剂对酸性土壤中玉米生长及土壤化学性质的影响研究。通过元分析509对观测数据，发现石灰单独使用显著提高土壤pH（13.5%）、根生物量（60.2%）和产量（30.1%），而石灰与生物炭组合使产量提升61.5%，氮磷吸收分别增加147.9%和191.9%。土壤钾含量与产量正相关（r=0.463），铝离子浓度负相关（r=-0.332）。应用频率、剂量和地理位置解释了部分产量差异。建议未来研究关注根系统响应和长期土壤健康动态。

　　

作者：陈思 | 孙晓蕾 | 张思文 | 李宁宇 | 周熙熙 | 周振江

中国浙江省水利水电大学浙江省农村水资源管理技术重点实验室，南浔创新研究院，杭州 310018

摘要

在酸性土壤中，人们广泛使用土壤改良剂来提高玉米（Zea mays L.）的产量，但不同类型改良剂对土壤-植物系统的效果仍不完全清楚。通过对全球研究的509个配对观测数据进行元分析，本研究系统评估了无机改良剂（石灰、工业副产品）、有机改良剂（生物炭、粪肥、秸秆）以及组合改良剂对土壤化学性质、玉米生长、养分吸收和粒产量的影响。所有改良剂均显著改善了关键土壤参数，包括pH值、有效磷、交换性阳离子（K?、Ca2?、Mg2?）、碱饱和度和有机质，同时大幅降低了有毒的Al3?浓度。在单独使用的改良剂中，石灰显著提高了土壤pH值（13.5%）、根系生物量（60.2%）和粒产量（30.1%）。然而，石灰与生物炭的组合应用效果最为显著，使粒产量增加了61.5%，籽粒氮含量增加了147.9%，籽粒磷含量增加了191.9%。相关性分析显示，粒产量变化与土壤中K?浓度（r = 0.463，P < 0.001）和碱饱和度（r = 0.434，P < 0.001）呈正相关，而与Al3?浓度（r = -0.332，P < 0.001）呈负相关。对石灰研究的异质性分析（n = 93）表明，施用频率、施用量和地理位置分别解释了13.0%、7.9%和5.4%的粒产量变异。这些结果强调了综合改良策略的价值，并呼吁未来进一步研究根系反应和长期土壤健康动态。

引言

酸性土壤在热带和温带地区广泛存在，高年降水量和温度促进了碱性阳离子的淋溶以及氢离子（H?）和铝离子（Al3?）等酸性化合物的积累（Alves等人，2024年）。这类土壤的特点是pH值低（<6.5）、阳离子交换容量（CEC）低，以及可溶性Al3?和镁离子（Mg2?）浓度高，这些因素共同抑制了根际的关键化学和生物过程（Borchard等人，2014年）。养分有效性低和离子毒性进一步限制了根系生长和养分吸收（Kochian和Hoekenga，2004年；Ryan等人，1993年）。据统计，全球近40%的耕地受到土壤酸性的威胁（Yadav等人，2020年）。从地理分布上看，酸性土壤主要分布在美洲（40.9%）、亚洲（26.4%）、非洲（16.7%）和欧洲（9.9%）（Tandzi等人，2018年；von Uexküll和Mutert，1995年）。在现代农业系统中，过量施用铵基肥料加剧了土壤酸化，因为这些肥料会释放大量有机酸（Hue，2022年）。因此，迫切需要有效的策略来缓解土壤酸化并维持作物生产力。

玉米（Zea mays L.）是全球粮食安全的关键主粮作物，也是全球交易量第三大的谷物（FAOStat，2021年）。土壤酸化对玉米生产构成了重大威胁。最近的一项元分析显示，在酸性条件下，作物平均产量减少了13.7%，这主要是由于养分有效性降低和微生物生物量减少所致（Du等人，2024年）。在拉丁美洲、亚洲和喀麦隆等地区，由于酸性导致的玉米产量损失范围为36%至51%（Ngoune Tandzi等人，2018年）。在这种土壤中，根系生长受到可利用磷、交换性Mg2?和Ca2?缺乏以及Al3?毒性的影响（Cai等人，2023年）。由于缺乏可利用养分，根尖和侧根的分裂减少，从而导致根系伸长受阻（Wei等人，2020年）。总体而言，酸化可使根长减少25.4%，并使关键养分（氮、磷、钾和钙）的吸收量减少3.1–13.6%（Du等人，2024年）。此外，根尖处Al3?的积累尤其有害，会导致根系发育受阻、稀疏，从而限制了水分和养分的吸收能力（Caires等人，2008年；Mattiello等人，2010年）。这些根系限制最终抑制了地上部分的生长，降低了粒产量和生物量（Alves等人，2024年；de Campos等人，2022年；Devkota等人，2019年；Du等人，2024年）。

为了减轻这些不利影响，人们采用了多种策略，包括施用有机和无机土壤改良剂、微生物接种剂、使用耐酸性品种以及优化农艺措施。最常用的改良剂包括石灰、生物炭、粪肥、秸秆和工业副产品，它们可以单独或组合使用，以提高土壤pH值、增强养分有效性并改善作物表现（Zhang等人，2023年）。施用石灰（通过CaCO?或CaMg(CO?)?）是中和土壤酸性和降低Al3?毒性的最有效方法。长期研究表明，石灰显著提高了土壤pH值，可以使小麦、大麦和玉米等作物的产量翻倍甚至增加三倍（Agegnehu等人，2021年；Bossolani等人，2022年）。此外，石灰与磷石膏的组合使用或耕作方法的改进可以加速石灰反应，减轻Al3?的毒性，从而促进玉米的生长和产量（Blevins等人，1978年；Blumenschein等人，2018年；Costa等人，2018年）。粪肥、生物炭和工业副产品也有助于缓解土壤酸化并改善根际条件（Bossolani等人，2022年）。牛、猪和家禽的粪肥可以提高土壤pH值、有机质和养分有效性，使生物量增加4.7–7.6倍（Cai等人，2023年；Islam等人，2021年；Lee等人，2023年）。石灰、粪肥和秸秆的综合应用为解决酸性土壤的酸性和磷缺乏问题提供了最佳方案（Cai等人，2023年）。生物炭是一种富含碳且孔隙丰富的农业废弃物热解副产品，不仅可以降低土壤酸度，还能提高氮的保持能力（Mosharrof等人，2022年；Sun等人，2019年；Xu等人，2021年）。石灰与生物炭的联合使用已被证明可以促进根系发育、养分吸收和作物生产力（Mehmood等人，2018年）。总体而言，这些改良剂无论是单独使用还是组合使用，都有潜力改善酸性土壤的化学、物理和生物性质，从而为作物创造更好的根际环境。

选择合适的改良剂类型和施用量对于优化作物产量至关重要。尽管关于酸性土壤改良剂对土壤性质、植物生长、养分吸收和产量的影响已有大量研究，但结果仍存在差异。例如，有研究表明石灰可以提高大豆产量9%，但在某些情况下对谷物作物的影响不明显（Vieira Fontoura等人，2019年）。可可壳生物炭与稻壳生物炭相比，对土壤pH值和玉米产量的提升作用更明显（Cornelissen等人，2018年）。这种变异性突显了系统评估现有改良策略的必要性，以便为酸性土壤中的玉米开发新的材料和农艺措施。

最近的元分析广泛评估了土壤改良剂对酸性和非酸性土壤中作物产量的影响。专注于有机改良剂（如堆肥、粪肥、生物炭）、无机材料（如石灰、石膏）和合成调节剂的综述强调了它们对土壤肥力、水分保持、微生物活性和产量的益处，但这些研究通常是在非酸性条件下进行的（Choudhary等人，2025年）。一项全球综合研究表明，石灰、生物炭、粪肥和秸秆等改良剂可以显著提高酸性土壤中的土壤pH值（5–17%）和作物产量（9–57%）（Zhang等人，2023年）。其他元分析报告称，改良剂的使用显著提高了土壤碱饱和度（+86.1%）、CEC（+19.5%）和有机质（+17.7%），同时降低了交换性酸度和铝含量（分别降低了54.2%和64.4%）（Zhen等人，2025年）。这些措施还增加了微生物数量和生物量，并改变了温室气体通量（Zhen等人，2025年）。针对特定地区的分析，如中国和埃塞俄比亚的研究，进一步支持了生物炭（+15.1%）和石灰-磷组合（+67%）的增产潜力（Liu等人，2019年；Sileshi等人，2025年）。全球范围内，生物炭的应用被报道可以分别提高土壤pH值和产量7%和21%（Pang等人，2025年）。

然而，系统比较这些改良剂在主要类别（包括土壤化学性质和玉米的整体生长）上的效果仍然有限。为了解决这一问题，我们进行了一项综合元分析，综合了全球关于酸性土壤改良剂（石灰、生物炭、粪肥、工业副产品、秸秆及其组合）对玉米产量影响的田间研究。我们的研究旨在解决三个关键问题：（1）不同类型的改良剂如何影响土壤化学性质（如pH值、养分有效性、Al3?毒性）和玉米的农艺表现，包括地上部分（粒产量、生物量、植株高度）和地下部分（根系生物量）？（2）改良剂施用后，粒产量、养分吸收和关键土壤参数之间有什么关系？（3）改良剂效果变异性的主要来源是什么，哪些因素（如施用频率、施用量、地理位置）最能解释观察到的差异？相关研究根据PRISMA（系统评价和元分析的优先报告项目）指南进行了系统识别和筛选。土壤化学性质、植物生长、产量和养分吸收的数据通过随机效应模型和元回归进行了提取和分析。这项工作提供了基于证据的综合性总结，以指导酸性环境中可持续玉米生产的土壤改良剂的选择、组合和优化，同时指出了未来研究的关键知识空白。

数据收集

2024年6月，我们使用Web of Science（http://www.webofscience.com）和PubMed（https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/）进行了系统性文献搜索，以确定研究田间种植玉米（Zea mays L.）的酸性土壤改良剂的同行评审文献。用于文献搜索的关键词包括（“maize” OR “corn” OR “Zea mays L.”） AND （“acidification” OR “acid soil”） AND （“soil amendments” OR “lime” OR “biochar” OR “industrial by-products” OR “manure” OR “straw”） AND （“yield” OR

不同类型改良剂对土壤化学性质的影响

在酸性土壤中施用土壤改良剂后，土壤pH值、总氮（N）、有效磷（P）、有效硫（S）、交换性钾（K?）、钙（Ca2?）和镁（Mg2?）、碱饱和度（BS）和有机质（SOM）总体上有所增加，而铝（Al3?）含量则有所降低（图3）。具体来说，石灰、粪肥、生物炭、工业副产品和秸秆分别使土壤pH值提高了13.5%、11.8%、10.9%、6.5%和4.1%。值得注意的是，将石灰与

改良剂对土壤化学性质的影响

改良剂通过释放碱性化合物来中和氢离子（H?），从而缓解土壤酸化。作为最常用的改良剂，石灰主要由碳酸钙（CaCO?）或氢氧化钙（Ca(OH)?）组成，可以快速将土壤pH值提升到适合玉米生长的范围（Costa等人，2018年）。我们的元分析显示，石灰平均使土壤pH值提高了13.5%（图3a）。值得注意的是，将石灰与生物炭或粪肥结合使用后，这一效果进一步增强，pH值提高了42.4%

结论与未来展望

进行了一项系统性元分析，以评估酸性土壤改良剂（石灰、生物炭、粪肥、工业副产品和秸秆）对田间玉米生产的影响。结果表明，石灰是缓解土壤酸化和提高玉米生产力的最显著和最有效的改良剂。所有改良剂共同改善了土壤化学性质（pH值提高了4.1%至42.4%）、养分有效性以及碱饱和度

作者贡献声明

李宁宇：正式分析、数据管理。张思文：正式分析、数据管理、概念构建。周振江：写作 - 审稿与编辑、监督、方法论。周熙熙：正式分析、数据管理。孙晓蕾：写作 - 审稿与编辑、监督、方法论。陈思：写作 - 初稿撰写、可视化、项目管理、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFD2301100）和浙江省基本公共福利技术研究计划（项目编号：LGN22C130009）的支持。我们还要感谢湖州市科学技术局（项目编号：2023GZ36）对陈思工作的支持。