在酸性高地土壤中，无论是否施用秸秆，用于降低全球变暖潜力的最佳石灰材料

《Environmental Science: Processes & Impacts》：Optimal lime materials for mitigating global warming potential with and without straw application in acidic upland soil

　　石灰材料与秸秆交互作用对酸性土壤温室气体排放的影响研究。通过30天恒温培养实验，发现单独施用CaO和Ca(OH)?可降低CO?排放37.3%-43.2%，但均增加N?O排放20.3%-78.2%；秸秆单独施用显著提升N?O和CO?排放量（+80.69%和+302.7%）。当与秸秆协同施用时，CaO和Ca(OH)?处理使全球变暖潜能（GWP）分别降低32.8%和27.7%，优于CaCO?处理（+37.4%）。土壤pH、有机碳、氮及微生物生物量显著影响N?O排放，而CO?排放主要受石灰化学反应调控。研究证实，CaO和Ca(OH)?为减少土壤酸化及温室气体排放的优选石灰材料。

　　土壤酸化是农业生态系统中一个普遍存在的问题，主要由过量施用化肥，特别是氮肥，导致土壤pH值下降。为应对这一问题，农业实践中常采用石灰改良和秸秆还田等措施，以提升土壤肥力并缓解酸化现象。然而，这些措施对温室气体（GHG）排放的影响，尤其是不同类型的石灰材料与秸秆的相互作用，尚缺乏深入研究。本研究通过在酸性红壤中进行培养实验，探讨了不同石灰材料及其与秸秆结合使用对氮氧化物（N?O）和二氧化碳（CO?）排放的影响，为可持续农业实践提供了科学依据。

在没有秸秆的情况下，石灰的施用显著增加了N?O的排放，增幅在20.3%至78.2%之间，其中氢氧化钙（Ca(OH)?）的影响最为显著。相比之下，碳酸钙（CaCO?）的施用导致CO?排放量增加了182.7%，而氧化钙（CaO）和氢氧化钙分别减少了37.3%和43.2%。当秸秆单独施用时，N?O和CO?的排放分别增加了80.69%和302.7%。在结合石灰与秸秆的情况下，N?O的排放进一步增加，增幅在85.0%至140.1%之间，其中氢氧化钙的增加最为显著。而碳酸钙与秸秆结合时，CO?的排放仅增加了37.3%，而氧化钙和氢氧化钙则分别降低了31.6%和32.2%。这些结果表明，不同的石灰材料对温室气体排放具有不同的影响，选择合适的石灰材料对于减少土壤酸化和温室气体排放至关重要。

全球变暖潜力（GWP）的分析显示，在没有秸秆的情况下，碳酸钙的施用显著提高了GWP，而氧化钙和氢氧化钙则降低了GWP。然而，当秸秆被加入后，氧化钙和氢氧化钙的GWP相较于仅施用秸秆的土壤有所下降，而碳酸钙则显著提高。这说明，在酸性土壤中，碳酸钙的施用可能带来更大的环境负担，而氧化钙和氢氧化钙则更有利于减少温室气体排放。因此，从环境保护的角度出发，氧化钙和氢氧化钙被认为是更优的石灰材料选择。

研究进一步揭示了土壤碳、氮含量及微生物生物量对N?O排放的重要影响。在石灰和秸秆共同作用下，这些土壤属性显著影响了N?O的排放水平，而CO?的排放则未受到明显影响。这表明，N?O的排放主要受到土壤中可利用的碳和氮以及微生物活动的调控，而CO?的排放则更多地依赖于石灰材料的化学反应过程。例如，碳酸钙在酸性土壤中溶解时会释放CO?，而氧化钙和氢氧化钙则通过与CO?反应形成碳酸钙，从而减少CO?的排放。

土壤理化性质的变化，如pH值、溶解性有机碳（DOC）、微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）等，显著影响了N?O的排放。随着土壤pH值的升高，土壤中的碳和氮更容易被微生物利用，从而促进有机氮的矿化和硝化过程，增加N?O的排放。同时，氮的硝酸盐（NO??–N）含量的减少可能是由于硝化作用过程中氮的消耗。这些变化说明，土壤的酸碱度和养分状况在N?O排放中扮演着关键角色。

秸秆的加入显著提升了土壤中的微生物活动和有机碳的矿化速率，进而增加了CO?的排放。然而，当与石灰结合使用时，氧化钙和氢氧化钙能够通过与CO?反应，降低CO?的排放量。这可能是因为这些石灰材料在酸性土壤中能更有效地固定CO?，减少其向大气中释放。此外，研究还发现，不同类型的石灰材料对土壤pH值的提升效果不同，其中氢氧化钙的效果最为显著，这可能与其快速中和土壤酸性并提高土壤中碳和氮的可利用性有关。

本研究的结果表明，氧化钙和氢氧化钙在减少土壤酸化和温室气体排放方面表现更为优越。它们不仅能够有效提高土壤pH值，还能通过化学反应减少CO?的排放，同时在一定程度上抑制N?O的增加。相比之下，碳酸钙虽然能改善土壤结构，但在短期内反而会增加CO?的排放，导致更高的全球变暖潜力。因此，在酸性土壤的改良中，应优先考虑使用氧化钙和氢氧化钙，以实现环境效益与土壤改良的双重目标。

尽管研究结果具有重要的实践意义，但实验采用的是短期培养方法，可能无法全面反映长期田间条件下的实际效果。此外，实验中未加入肥料，而实际农业生产中，肥料的使用对土壤酸碱度和温室气体排放具有重要影响。因此，未来的研究需要在更接近实际田间条件的环境中进行，以验证石灰材料与秸秆还田在长期应用中的综合效果。同时，应关注石灰长期施用可能带来的负面影响，如土壤板结、养分失衡和重新酸化等问题，以确保农业可持续发展。

综上所述，本研究通过系统分析不同石灰材料和秸秆还田对酸性土壤中温室气体排放的影响，揭示了土壤酸碱度、碳氮循环以及微生物活动在这一过程中的关键作用。研究结果强调了选择合适石灰材料的重要性，并指出氧化钙和氢氧化钙在减少温室气体排放方面的优势。这为农业管理者提供了科学依据，以优化土壤改良措施，实现环境保护与农业生产的协调发展。