生物質(zhì)炭施用對馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的影響①

王賀東，呂澤先，劉 成，劉曉雨，潘根興

(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，南京 210095)

生物質(zhì)炭施用對馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的影響①

王賀東，呂澤先，劉 成，劉曉雨*，潘根興

(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，南京 210095)

通過田間試驗，觀測分析不同生物質(zhì)炭用量(0、20 和40 t/hm2) 下馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤肥力的變化及其年際效應(yīng)，為生物質(zhì)炭在馬鈴薯生產(chǎn)過程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，低劑量生物質(zhì)炭施用(20 t/hm2)顯著提高了馬鈴薯總產(chǎn)量和商品率，生物質(zhì)炭施用后第一年馬鈴薯總產(chǎn)量比對照提高了41.08%。當(dāng)生物質(zhì)炭用量為40 t/hm2時，馬鈴薯產(chǎn)量與對照沒有顯著差異但降低了一些品質(zhì)指標(biāo)，其中2016年干物質(zhì)和淀粉含量比對照降低了18.47% 和24.03%。生物質(zhì)炭施用顯著提高了土壤有機(jī)碳、有效磷和速效鉀含量，并增加了土壤C/N和電導(dǎo)率；而對土壤pH和全氮含量的影響與生物質(zhì)炭施用年限有關(guān)。生物質(zhì)炭施用量和施用年限顯著影響馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)。低劑量生物質(zhì)炭施用能顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量，但第二年無增產(chǎn)效果；隨著生物質(zhì)炭用量增加馬鈴薯增產(chǎn)效果消失，還可能會降低馬鈴薯品質(zhì)。生物質(zhì)炭施用后馬鈴薯產(chǎn)量變化與土壤緊實度改善無必然聯(lián)系。

生物質(zhì)炭；田間試驗；雨養(yǎng)旱地；馬鈴薯；產(chǎn)量；品質(zhì)

2015年初，隨著農(nóng)業(yè)部啟動馬鈴薯主糧化重大項目，馬鈴薯被確認(rèn)為中國第四大糧食作物[1]。我國是馬鈴薯生產(chǎn)和消費的第一大國[2]。據(jù)統(tǒng)計，2014年我國馬鈴薯種植面積達(dá)557萬hm2，鮮薯產(chǎn)量為1 910多萬t[3]。然而，聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示我國馬鈴薯單產(chǎn)還不及世界平均水平[4]。在我國糧食安全存在著潛在危機(jī)的情況下，提高馬鈴薯產(chǎn)量在一定程度上可以緩解我國糧食供應(yīng)壓力[5]。但隨著我國集約化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，在馬鈴薯生產(chǎn)過程中存在化肥過量使用、有機(jī)肥使用比例過低等現(xiàn)象。這不僅導(dǎo)致作物肥料利用率降低，還造成土壤養(yǎng)分失衡、土壤酸化及板結(jié)[6]，不利于馬鈴薯生產(chǎn)。

生物質(zhì)炭是作物秸稈、林業(yè)廢棄物、畜禽糞便等生物質(zhì)在限氧的條件下不完全燃燒的產(chǎn)物[7-8]。生物質(zhì)炭還田被認(rèn)為是一種快速提高土壤有機(jī)碳儲量、減緩氣候變化的有效措施[9-10]；同時，生物質(zhì)炭還能夠改良酸化土壤[11]、提高土壤肥力和作物產(chǎn)量[12]。生物質(zhì)炭是一種疏松多孔粉末狀物質(zhì)，其本身富含大量穩(wěn)定性的有機(jī)碳和一部分養(yǎng)分元素。因此，生物質(zhì)炭施用于土壤，不僅可以改善土壤結(jié)構(gòu)，還能夠為作物生長提供一定的養(yǎng)分。近年來，有關(guān)生物質(zhì)炭在小麥、玉米、水稻等主要糧食作物上的應(yīng)用效果已有較多研究。Liu等[12]通過整合全球已發(fā)表的文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田土壤中平均增產(chǎn)8%，其中小麥、玉米和水稻的增產(chǎn)幅度分別為11.3%、8.4% 和6.6%。而生物質(zhì)炭施用對馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究鮮有報道。與其他糧食作物不同，生物質(zhì)炭在土壤中與馬鈴薯等塊莖類作物的果實部分直接接觸。因此，施用生物質(zhì)炭后土壤緊實度降低可能更有利于增加作物產(chǎn)量。Chan等[13]報道，土壤施入園林廢棄物生物質(zhì)炭后蘿卜產(chǎn)量大幅提高，增產(chǎn)幅度高達(dá)91% ～113%。在我國江西紅壤地區(qū)，Liu等[14]也發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施用于油菜-甘薯輪作系統(tǒng)中，甘薯增產(chǎn)率顯著高于油菜。此外，生物質(zhì)炭中含有一定量微量元素，施用到土壤中還可以改善馬鈴薯的品質(zhì)。李華等[15]研究表明，鉀、鋅、錳肥配施可顯著增加塊莖中的淀粉、粗蛋白含量，降低果實中硝酸鹽含量。

本試驗以馬鈴薯為研究對象，通過兩年的田間試驗研究生物質(zhì)炭施用對馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。本研究假設(shè)生物質(zhì)炭施用通過改善土壤緊實度、增加養(yǎng)分輸入提高馬鈴薯產(chǎn)量并改善品質(zhì)，且隨著生物質(zhì)炭用量增加，馬鈴薯增產(chǎn)和品質(zhì)改善的效果越明顯。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年5月至2016年10月在河北省淶源縣 (39.47°N，114.78°E) 進(jìn)行，該地區(qū)處于太行山麓，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，山地氣候特點顯著。夏季平均氣溫21.7 ℃，年平均降雨量550 mm，全年無灌溉。試驗地土壤為褐土，質(zhì)地為砂壤。一年一熟制。表層土壤基本性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗用馬鈴薯品種為冀張薯8號(大白花)，生物質(zhì)炭由南京勤豐秸稈科技公司生產(chǎn)。生物質(zhì)炭生產(chǎn)原料為水稻秸稈，裂解溫度為550 ～ 650 ℃。生物質(zhì)炭基本性質(zhì)見表1。

表1 土壤和生物質(zhì)炭基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of tested soil and biochar

試驗共設(shè)置3個處理：分別為不施生物質(zhì)炭對照(C0)、施用生物質(zhì)炭20 t/hm2(C20) 和40 t/hm2(C40)。每個處理重復(fù)4次，小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m)。相鄰小區(qū)間以20 cm寬的田埂隔開，各小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組排列。生物質(zhì)炭于2015年4月27日一次性施入相應(yīng)小區(qū)內(nèi)。首先將生物質(zhì)炭均勻鋪撒在土壤表面，然后人工將生物質(zhì)炭翻耕到表層土壤中，使其與土壤充分混合 (深度約為0 ～ 10 cm)。肥料施用量與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民管理方式相同，即播種時施用底肥，開花時追肥。底肥為磷酸二銨(N-P2O5-K2O：18-46-0)，施用量為450 kg/hm2；追肥為史丹利 (N-P2O5-K2O：24-5-0)，施用量為450 kg/hm2，整個作物生長季氮肥和磷肥用量分別為N 189 kg/hm2和P2O5230 kg/hm2。整個作物生長季無灌溉。

1.3 樣品采集與分析

馬鈴薯于每年5月播種，10月收獲。收獲時，每個小區(qū)單獨稱重測產(chǎn)，同時計算直徑大于5 cm的馬鈴薯產(chǎn)量(經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量)。每小區(qū)隨機(jī)選取2個馬鈴薯樣品，用于品質(zhì)分析。馬鈴薯干物質(zhì)、淀粉、粗蛋白質(zhì)測定方法參照韓黎明等[16]；還原糖和維生素C含量測定方法參照王學(xué)奎等[17]。干物質(zhì)含量采用烘干前后稱重法測定，淀粉含量采用碘比色法測定，蛋白質(zhì)含量采用總氮量法測定，還原糖含量采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，維生素C含量采用2, 6-二氯酚靛酚滴定法測定。

收獲后，采集各小區(qū)土壤表層 (0 ～ 20 cm) 樣品，用于土壤理化特性分析。每個小區(qū)隨機(jī)采集3個土壤樣品，然后混合成為一個樣品。土壤樣品分析方法參考鮑士旦等[18]。土壤pH采用2.5∶1水土比，pH計測定；有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法測定；全氮采用半微量開氏法測定；有效磷采用NaHCO3浸提-比色法測定；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定。生物質(zhì)炭測定方法參照IBI生物質(zhì)炭測定標(biāo)準(zhǔn)[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)和圖表采用 Excel 2010 處理和繪制。采用SPSS19.0進(jìn)行方差分析和多重比較(Duncan，P＜0.05)。數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭施用對土壤性質(zhì)的影響

生物質(zhì)炭施用顯著提高了土壤有機(jī)碳、有效磷和速效鉀含量，并增加了土壤C/N和電導(dǎo)率；而對土壤pH和全氮含量的影響與生物質(zhì)炭施用年限有關(guān) (表2)。兩年分析結(jié)果表明，C20和C40處理下土壤有機(jī)碳和速效鉀含量分別比對照增加了71.9%、159.2% 和209.6%、512.7%；C/N提高了68% 和125%。生物質(zhì)炭施用量為40 t/hm2時，土壤有效磷含量較對照增加了47% (2015年) 和45% (2016年)；電導(dǎo)率較對照增加了16% (2015年) 和43% (2016年)。與對照相比，生物質(zhì)炭施用后第一年土壤pH顯著增加而第二年無顯著變化；而全氮含量在生物質(zhì)炭施用后第一年后無顯著變化，第二年顯著增加。生物質(zhì)炭施用后第一年土壤pH增加了0.16 ～ 0.31個單位。生物質(zhì)炭施用后第二年，C40處理下土壤全氮含量比對照增加了19%。

2.2 生物質(zhì)炭施用對馬鈴薯產(chǎn)量的影響

生物質(zhì)炭施用對馬鈴薯產(chǎn)量影響與生物質(zhì)炭施用年限和施用量密切相關(guān) (圖1)。生物質(zhì)炭施用后第一年 (2015年)，C20處理下馬鈴薯總產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量 (直徑＞5 cm馬鈴薯產(chǎn)量) 分別較對照增加41.08%和51.24%，C20處理提高了中大薯比例。當(dāng)生物質(zhì)炭用量增加至40 t/hm2時，對馬鈴薯無增產(chǎn)效果，且馬鈴薯產(chǎn)量顯著低于C20處理。生物質(zhì)炭施用后第二年 (2016年) 對馬鈴薯產(chǎn)量無顯著影響，不同施用量間也無顯著差異。

表2 生物質(zhì)炭施用對馬鈴薯收獲后土壤性質(zhì)的影響Table 2 Soil properties under biochar amendment after potato harvest

圖1 生物質(zhì)炭施用對馬鈴薯產(chǎn)量的影響Fig. 1 Effects of biochar on potato yields

2.3 生物質(zhì)炭施用對馬鈴薯品質(zhì)的影響

生物質(zhì)炭施用對馬鈴薯品質(zhì)的影響與年限有關(guān)。施炭第一年，C20處理下馬鈴薯還原糖含量較對照降低了31.65%；但C40處理下馬鈴薯還原糖含量與C0沒有顯著差異。施炭后第二年，馬鈴薯干物質(zhì)和淀粉含量顯著降低；當(dāng)生物質(zhì)炭施用量為40 t/hm2時，干物質(zhì)和淀粉含量比對照分別降低了18.47% 和24.03%。

3 討論

本研究假設(shè)生物質(zhì)炭能通過增加養(yǎng)分輸入，提高土壤肥力，從而提高馬鈴薯產(chǎn)量并改善塊莖品質(zhì)，且隨著用量增加，生物質(zhì)炭增產(chǎn)和品質(zhì)改善越明顯。本試驗結(jié)果只證實了部分假說，即生物質(zhì)炭施用增加了馬鈴薯產(chǎn)量，但隨著生物質(zhì)炭用量增加，馬鈴薯產(chǎn)量并未增加；在施用后的第二年，生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效果消失。生物質(zhì)炭施用并沒有顯著改善馬鈴薯品質(zhì)，反而在一些年份降低了馬鈴薯品質(zhì)；在施用后第一年生物質(zhì)炭 (20 t/hm2用量) 降低了還原糖含量，第二年生物質(zhì)炭 (40 t/hm2用量) 降低了干物質(zhì)和淀粉含量。

表3 生物質(zhì)炭施用對馬鈴薯品質(zhì)的影響Table 3 Effects of biochar on potato qualities

3.1 馬鈴薯產(chǎn)量變化與土壤緊實度的關(guān)系

與水稻、玉米和小麥等作物不同，馬鈴薯等塊莖類作物與土壤直接接觸，土壤緊實度的改善有助于塊莖的生長和增產(chǎn)。之前研究也表明，生物質(zhì)炭施用顯著增加了甘薯[14,20]、蘿卜[13,21]等作物產(chǎn)量；且在油菜-甘薯輪作系統(tǒng)中，Liu等[14]發(fā)現(xiàn)甘薯產(chǎn)量增產(chǎn)幅度顯著高于油菜，并且土壤結(jié)構(gòu)得到改善。付春娜等[22]研究發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭后，馬鈴薯增產(chǎn)的同時伴隨著土壤體積質(zhì)量降低、土壤孔隙增大，表明土壤緊實度改善對塊莖、塊根類作物增產(chǎn)有很大的促進(jìn)作用。有研究表明，施用生物質(zhì)炭土壤體積質(zhì)量降低9%，總孔隙率由45.7% 提高到50.6%[23]。土壤孔隙度改善還能夠協(xié)調(diào)土壤水、氣、熱狀況和養(yǎng)分。本研究發(fā)現(xiàn)低用量生物質(zhì)炭 (20 t/hm2) 提高了第一年馬鈴薯產(chǎn)量，但隨著生物質(zhì)炭用量增加馬鈴薯產(chǎn)量并沒有相應(yīng)增加。說明，在本研究系統(tǒng)中生物質(zhì)炭施用后土壤緊實度改善不是影響馬鈴薯產(chǎn)量的原因。

3.2 馬鈴薯產(chǎn)量變化與土壤肥力變化的關(guān)系

已有研究表明生物質(zhì)炭施入能顯著提高作物產(chǎn)量[12]，尤其是塊根、塊莖類作物[13-14,20-22]，土壤肥力的改善可能是作物增產(chǎn)的主要原因[24-25]。本研究得到相似的結(jié)果，即低劑量生物質(zhì)炭提高了馬鈴薯塊莖產(chǎn)量。Chan 等[13,21]發(fā)現(xiàn)，施用生物質(zhì)炭提高蘿卜產(chǎn)量并提高氮有效性；Dou 等[20]通過田間試驗發(fā)現(xiàn)，甘薯產(chǎn)量提高的同時，伴隨著pH、速效鉀以及硝態(tài)氮含量的提高。施用生物質(zhì)炭對土壤養(yǎng)分含量有顯著的促進(jìn)作用，這會有助于馬鈴薯生長以及對養(yǎng)分的吸收[26]，特別是速效鉀含量的提高，對馬鈴薯產(chǎn)量和大中薯率的提高有很好的效果[27-28]。在本研究中，當(dāng)施用量為40 t/hm2時，馬鈴薯增產(chǎn)不明顯 (2015年)。其原因一方面可能是由于過量的施入生物質(zhì)炭，造成土壤pH升高 (表2)，從而降低一些元素的生物有效性[13]。Rondon等[29]、張文玲等[30]、Kishimoto 和 Sugiura[31]認(rèn)為生物質(zhì)炭施入提高土壤pH，從而引起微量元素缺乏癥[32-34]，影響作物正常生長。另一方面，過量碳施入顯著提高土壤C/N從而導(dǎo)致微生物與植物爭氮，植物氮素供應(yīng)相對不足。Akhtar等[35]研究表明，當(dāng)生物質(zhì)炭施用量為100 t/hm2時會使番茄葉片氮素吸收顯著降低。

3.3 馬鈴薯品質(zhì)變化與土壤肥力的關(guān)系

生物質(zhì)炭施入第一年，馬鈴薯還原糖含量降低可能是由于生物質(zhì)炭提高了淀粉合成酶的活性，從而促進(jìn)了馬鈴薯塊莖可溶性糖向淀粉的轉(zhuǎn)化[36]。本研究并未觀測到生物質(zhì)炭施用改善馬鈴薯品質(zhì)，相反，在一些年份還觀測到某些品質(zhì)降低。這與生物質(zhì)炭施用對土壤肥力的改善是互相矛盾的，因此本研究表明生物質(zhì)炭施用后土壤磷和鉀素供應(yīng)能力提高并不能改善馬鈴薯的品質(zhì)。生物質(zhì)炭對馬鈴薯品質(zhì)的影響可能是施用生物質(zhì)炭降低了土壤中微量元素有效性所致，但其機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

生物質(zhì)炭施用量和施用年限影響馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)。低劑量生物質(zhì)炭施用能顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量，但生物質(zhì)炭施用后第二年無增產(chǎn)效果；隨著生物質(zhì)炭用量增加，馬鈴薯增產(chǎn)效果消失，還可能會降低馬鈴薯品質(zhì)。生物質(zhì)炭施用后馬鈴薯產(chǎn)量變化與土壤緊實度改善及土壤氮、磷和鉀等養(yǎng)分供應(yīng)無必然聯(lián)系。

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Effects of Biochar Amendment on Yield and Quality of Potato

WANG Hedong, LV Zexian, LIU Cheng, LIU Xiaoyu*, PAN Genxing
(Institute of Resource, Ecosystem and Environment of Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

A field experiment was conducted for two years to investigate the effect of biochar amendment on the yield and quality of potato and to provide a scientific basis for biochar application in potato productivity, there were three treatments in terms of biochar amendment rates of 0, 20 and 40 t/hm2, termed as C0, C20 and C40, respectively, and each treatment was replicated four times. The yield and quality of potato and soil properties were analyzed. The results showed potato yield under C20 increased by 41.08% compared with the CK (C0), and the increase in proportion of large-size potato contribution to the total yield increased by 51.24%. However, potato yield was not affected by biochar amendment under C40, whereas potato quality decreased. The dry matter and starch content of potato decreased by 18.47% and 24.03% respectively under C40 in 2016. Biochar amendment increased soil pH, the contents of organic carbon, available phosphorus and potassium significantly, C/N ration and soil conductivity. The above results proved that the effects of biochar on soil pH and total N content depended on experimental duration, the responses of potato yield and quality to biochar amendment were influenced by biochar application rate and experimental duration, biochar amendment could significantly increase potato yield at low application rate, whereas had no effect on potato yield but decreased potato quality under high application rate. No direct evidence was found between potato yield change with soil compaction improvement by biochar application.

Biochar; Field experiment; Rainfed cropland; Potato; Crop yield; Fruit quality

S158.3

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.005

國家科技支撐計劃項目(2015BAC02B00)和聯(lián)合國生物質(zhì)炭與土壤可持續(xù)管理項目(B4SS)資助。

* 通訊作者(xiaoyuliu@njau.edu.cn)

王賀東(1992—)，男，河北唐山人，碩士研究生，主要研究農(nóng)業(yè)與環(huán)境生物質(zhì)炭。E-mail： 951630556@qq.com