城市園林廢棄物生物質(zhì)炭對小白菜生長、硝酸鹽含量及氮素利用率的影響

張登曉， 周惠民， 潘根興， 李戀卿， 鄭金偉

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所， 江蘇南京 210095)

蔬菜是日常攝取的主要食物。2008年我國蔬菜種植面積達到17.88百萬公頃，已占我國耕地面積的11.4%[1]。2012年，我國溫室大棚蔬菜的種植面積迅速增加，達到20.35百萬公頃，成為世界上最大的溫室蔬菜生產(chǎn)國[1-3]。與傳統(tǒng)露天栽培方式相比，溫室蔬菜產(chǎn)量得到大幅提高，但同時氮肥投入量大幅增加[4]。據(jù)統(tǒng)計，山東省溫室大棚系統(tǒng)中氮肥的使用量高達N 4000 kg/hm2，而過量施肥一方面導(dǎo)致肥料利用率降低[4-5]，部分地區(qū)氮肥利用率甚至不足10%[6-8]；另一方面導(dǎo)致蔬菜硝酸鹽積累[9]和土壤硝態(tài)氮積累[8,10]，進而導(dǎo)致地表水和地下水的富營養(yǎng)化[11]并誘發(fā)土壤鹽漬化[12]。研究顯示，蔬菜中具有高硝酸鹽含量[13]，尤其葉菜類蔬菜具有更高的硝酸鹽積累[14-15]。硝酸鹽在人體內(nèi)可轉(zhuǎn)化為具有致癌作用的亞硝酸鹽，而人體攝入的大部分硝酸鹽來自蔬菜[16]。因此，控制蔬菜硝酸鹽積累，提高氮素利用率是溫室蔬菜種植中需要關(guān)注的問題。生物質(zhì)炭由于具有很強的吸附性能，能夠減少肥料的滲漏損失，提高肥料利用率[17-19]，并且對作物產(chǎn)量具有促進作用[20]。以往研究大多采用秸稈生物質(zhì)炭，并且以農(nóng)田施用為主，在溫室蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用研究較少。城市園林廢棄物生物質(zhì)炭對溫室蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響以及對設(shè)施農(nóng)業(yè)氮素利用率的影響還沒有清楚認識。為此，本研究以溫室小白菜為研究對象，采用盆栽試驗方法，研究土壤添加生物質(zhì)炭對溫室蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)，以及養(yǎng)分的保持效應(yīng)的影響，以求探索一種綠色環(huán)保的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

表1 土壤和生物質(zhì)炭的基本理化性狀

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用單因素(生物質(zhì)炭)試驗設(shè)計，5個用量水平，即不施生物質(zhì)炭(對照)和施用生物質(zhì)炭(烘干重)20、 40、 60及80 g/kg的處理，分別標為C0，C1，C2，C3及 C4。盆栽土壤每盆2 kg(干重計)，施肥為N 150 mg/kg和P2O533 mg/kg，分別施入尿素和過磷酸鈣基肥，不施追肥。因生物質(zhì)炭含有較高的鉀素含量，施肥中不考慮鉀肥。

本試驗在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院溫室大棚中進行，于2012年4月7日播種。每個處理設(shè)三次重復(fù)，隨機排列放置，且每天補水后隨機調(diào)整擺放位置。

1.3 分析項目和方法

小白菜生物量測定：收獲時沿盆內(nèi)土壤表面剪下地上部，用自來水沖洗粘附土粒，繼之用蒸餾水沖洗，吸干水分后稱取鮮重。將盆內(nèi)根系取出，并用水沖洗土粒，繼之用蒸餾水洗凈。

植物樣品置于烘箱，105℃下殺青半小時后，65℃烘干到恒重。分別得到地上部和地下部干重。

土壤性質(zhì)測定：按鮑士旦(2000)推薦方法[22]，其中pH采用土水比(w ∶w)為1 ∶2.5，生物質(zhì)炭 ∶水(w ∶w)為1 ∶10；采用半微量開氏法測定土壤全氮；取盆栽鮮土過2 mm篩，采用2 mol/L KCl浸提，其中銨態(tài)氮采用靛酚藍比色法測定，而硝態(tài)氮采用雙波長比色法測定[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

計算了如下幾個指標：1)收獲指數(shù)(Harvest index)為每盆地上部干重(g)除以地上部和地下部干重總和(g)得到；2)氮素損失率(N loss rate)為作物種植后土壤氮素損失量占種植前土壤全氮量的百分比；(3)土壤氮素生產(chǎn)率(N Productivity)為試驗條件下每克氮素得到的地上部生物量鮮重克數(shù)，由地上部生物量鮮重除以播種前土壤總氮得到，單位g/g。

所有試驗數(shù)據(jù)和圖表采用Microsoft Excel 2007處理。不同處理間差異采取SPSS16.0進行單因素方差分析，LSD法進行顯著性檢驗(P<0.05)。測定結(jié)果數(shù)據(jù)均以平均值±標準差的形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對小白菜產(chǎn)量的影響

不同用量生物質(zhì)炭添加對小白菜產(chǎn)量的影響見表2。與對照相比，生物質(zhì)炭添加下地上部產(chǎn)量均顯著提高，C1、 C2、 C3和C4處理下增產(chǎn)幅度分別達到49.5%、 62.8%、 77.8% 和74.4%。其中，C3和C4處理下增產(chǎn)幅度達到75%，增產(chǎn)效應(yīng)十分顯著。

表2 生物質(zhì)炭施用下小白菜產(chǎn)量、 生物量、 收獲指數(shù)和葉面積

2.2 生物質(zhì)炭對小白菜硝酸鹽含量的影響

圖1 不同生物質(zhì)炭處理小白菜葉片中含量 contents in leaves of Brassica chinensis Linn under biochar additions

2.3 生物質(zhì)炭對植株氮素利用的影響

3 討論與結(jié)論

本研究表明，溫室大棚栽培小白菜的土壤中加入不同量的生物質(zhì)炭能提高小白菜產(chǎn)量，并且產(chǎn)量與生物質(zhì)炭的添加量呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(表4)，表明生物質(zhì)炭對蔬菜生長具有顯著的促進作用。

表3 不同比例生物質(zhì)炭處理對氮素保持效應(yīng)及土壤氮素生產(chǎn)率的影響

圖2 生物質(zhì)炭處理下土壤含量(A)和銨硝比(B)的變化Fig.2 Soil contents (A) and ratio(B) under the biochar amendments

生物質(zhì)炭提高大田糧食作物產(chǎn)量已經(jīng)在很多研究中有所報道[24-27]。也有研究表明了生物質(zhì)炭對菠菜[28]、 辣椒[29]等蔬菜具有不同幅度的增產(chǎn)作用。本研究結(jié)果看，添加生物質(zhì)炭能夠增加植株生物量，同時降低了根冠比而提高了蔬菜收獲指數(shù)。根冠比主要反映地上部和根系之間對光合產(chǎn)物的分配狀況[30]，它與土壤中氮素的含量有關(guān)，Reich[31]發(fā)現(xiàn)施肥減少了生物量向根系的分配。在一定氮素范圍內(nèi)，根冠比在低氮條件下高于高氮條件[30,32]。Spokas[33]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭加入土壤中導(dǎo)致植物體內(nèi)乙烯含量的增加，這可能是促進植物地上部生長的原因之一[33]。但是，生物質(zhì)炭添加是否影響了土壤生物學(xué)性質(zhì)，進而影響了蔬菜的產(chǎn)量性能還不清楚。

本試驗還表明，蔬菜植株硝酸鹽含量與土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量具有相關(guān)性，但與土壤全氮含量相關(guān)性不顯著(表4)。不同用量下植株硝酸鹽含量降低幅度在50%以上，特別是2%生物質(zhì)炭土壤添加降低硝酸鹽含量的幅度達到68%。

在本試驗中，土壤全氮含量與生物質(zhì)炭添加量存在顯著的相關(guān)性，但與土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量不具相關(guān)性(表4)。與降低蔬菜硝酸鹽含量類似，生物質(zhì)炭降低了土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。氮素平衡分析表明，添加生物質(zhì)炭顯著降低氮素損失率42%以上，提高土壤氮素生產(chǎn)率超過35%。這一方面可能是由于添加生物質(zhì)炭降低了氮素N2O排放損失。土壤中氨硝含量的降低可能與生物質(zhì)炭降低農(nóng)田土壤中碳氮的礦化有關(guān)[34-36]。生物質(zhì)炭通過改善土壤通氣狀況從而抑制了氮素在硝化和反硝化過程中N2O的形成和排放[27,37]。同時，研究指出生物質(zhì)炭可減低土壤溶液中的氨濃度，從而降低氮素以氨氣形式的揮發(fā)[37-38]。另外，生物質(zhì)炭顆粒具有較大的陽離子吸附量，有多孔性和高比表面積等特性[39-40]，化肥氮素特別是銨離子易被吸附進而與生物質(zhì)炭復(fù)合而達到緩釋的作用，從而促進植物持續(xù)吸收利用。

表4 各調(diào)查指標間的相關(guān)性

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