生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分及設(shè)施蔬菜產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

李 麗，王雪艷，田彥芳，王耀生，李貴桐,3*，林啟美,3，趙小蓉,3

（1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；3 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)華北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

生物炭 (biochar) 可由富含碳的生物質(zhì)在少氧環(huán)境條件下緩慢高溫 (大于250℃) 分解得到[1]，其原材料可為農(nóng)作物秸稈、木質(zhì)材料、動(dòng)物糞便和其他有機(jī)廢棄物等[2]。將生物質(zhì)炭施入土壤后，對(duì)土壤性質(zhì)及作物生長(zhǎng)能夠產(chǎn)生一定的影響。已有研究表明，生物質(zhì)炭可以提高土壤持水量和養(yǎng)分含量[3]，提高土壤溫度和改良土壤質(zhì)地[4]，增強(qiáng)土壤微生物活性，從而提高土壤肥力[5]。但關(guān)于生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量的影響目前還具有不確定性。張登曉等[6]的研究表明，在溫室盆栽中施用生物質(zhì)炭能顯著提高小白菜的產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度最高達(dá)75%，同時(shí)可降低小白菜中的硝酸鹽含量。Baronti等[7]用沙壤土做盆栽試驗(yàn)，當(dāng)生物質(zhì)炭施用量為30 t/hm2和60 t/hm2時(shí)，黑麥草的生物量分別比對(duì)照增加20%和52%，但施用量提高到100 t/hm2和200 t/hm2時(shí)，反而比對(duì)照降低8%和30%。Rondon等[8]研究指出，當(dāng)生物質(zhì)炭施用量為30 g/kg和60 g/kg時(shí)，可顯著增加大豆產(chǎn)量，但當(dāng)生物質(zhì)炭施用量增至90 g/kg時(shí)，與對(duì)照相比，大豆產(chǎn)量不增反降，這表明一定量的生物質(zhì)炭可以促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，但過(guò)量施用反而不利于作物的生長(zhǎng)。此外，生物質(zhì)炭可顯著降低葉菜類蔬菜硝酸鹽含量[6]，改善蔬菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[9–10]。牛亞茹等[10]在大棚栽培中施用生物質(zhì)炭，當(dāng)生物質(zhì)炭施用量為48 t/hm2時(shí)，可顯著增加黃瓜可溶性糖和有機(jī)酸含量，降低黃瓜硝酸鹽含量。

近年來(lái)，我國(guó)蔬菜種植面積持續(xù)快速增長(zhǎng)。到2012年，我國(guó)已成為世界上最大的溫室蔬菜生產(chǎn)國(guó)[11]。設(shè)施栽培在快速發(fā)展的過(guò)程中也出現(xiàn)各種問(wèn)題，生產(chǎn)者為了追求較高的經(jīng)濟(jì)利益，大量施用化肥，導(dǎo)致設(shè)施菜地土壤出現(xiàn)不同程度的次生鹽漬化和鹽害，作物生長(zhǎng)發(fā)育出現(xiàn)生理障礙，減產(chǎn)幅度不斷增加，這些嚴(yán)重阻礙和威脅了設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[12]。此外，在蔬菜栽培過(guò)程中，相較于茄果類和蔥蒜類，葉菜類蔬菜更易富集硝酸鹽[13]，而人體攝入的72%～94%來(lái)自蔬菜[14]。因此，改善設(shè)施栽培土壤質(zhì)量，提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)是蔬菜種植中需要關(guān)注的問(wèn)題。

生物質(zhì)炭由于其良好的持水保肥性能，可以作為改良劑施入土壤中改善土壤環(huán)境，以提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[15–16]。但目前關(guān)于生物質(zhì)炭不同施用量的研究還無(wú)法推出通用的生物質(zhì)炭最佳施用量范圍，需要根據(jù)不同土壤類型和作物種類來(lái)確定最佳施用量[17]。本試驗(yàn)以設(shè)施蔬菜西芹和茄子為研究對(duì)象，探究了大棚土壤中添加不同用量的生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分以及蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的長(zhǎng)期影響，從而探索一種綠色可持續(xù)發(fā)展的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。同時(shí)，也為大棚蔬菜種植中土壤添加生物質(zhì)炭的用量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2014年11月—2015年7月在北京市順義區(qū)康鑫源基地 (116.65°E、40.13°N) 溫室大棚中進(jìn)行，大棚凈生產(chǎn)面積為380 m2。試驗(yàn)蔬菜西芹品種為文圖拉，茄子品種為京茄6號(hào)。土壤質(zhì)地為砂質(zhì)黏壤土，分別含砂粒 (2～0.05 mm) 60.0%、粉粒(0.05～0.002 mm) 20.2%、粘粒 ( ＜ 0.002 mm)19.8%。耕層 (0—20 cm) 土壤有機(jī)碳含量15.20 g/kg、全氮含量1.40 g/kg、全磷含量1.10 g/kg、全鉀含量9.40 g/kg、有效磷93.50 mg/kg、速效鉀78.30 mg/kg、堿解氮 63.00 mg/kg、pH(水土比2.5∶1)6.72。生物質(zhì)炭購(gòu)自沈陽(yáng)金和福有限公司，由花生殼和鋸木在400～500℃下裂解兩小時(shí)而成，經(jīng)測(cè)定[18]，其有機(jī)碳含量688.10 g/kg、全氮含量6.83 g/kg、全磷含量1.90 g/kg、全鉀含量15.18 g/kg、有效磷含量242.30 mg/kg、速效鉀含量9.54 g/kg。施用的有機(jī)肥原材料為動(dòng)物糞便和植物殘?bào)w等物質(zhì)，并利用微生物菌劑經(jīng)高溫發(fā)酵而成，其有機(jī)質(zhì)含量310.67 g/kg、全氮含量15.01 g/kg、全磷含量 6.33 g/kg、全鉀含量30.88 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)生物質(zhì)炭施用量共設(shè)5個(gè)水平，分別為不施用生物質(zhì)炭 (B0)、施用20 t/hm2(B20)、40 t/hm2(B40)、80 t/hm2(B80)、160 t/hm2(B160) 生物質(zhì)炭。采用完全區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為23 m2。2014年10月16日，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)將全部生物質(zhì)炭及17.86 t/hm2有機(jī)肥料作為底肥一次性施用，耕翻后與耕層土壤充分混合。2014年11月10日移栽西芹，2015年2月25日采收；2015年3月30日移栽茄子，2015年6月6日采收第一批成熟茄子并計(jì)產(chǎn)，2015年7月12日采收第二批茄子并計(jì)產(chǎn)。為保證茄子生長(zhǎng)期的營(yíng)養(yǎng)需求，于西芹收獲一周后 (2015年3月4日)，施用35.72 t/hm2有機(jī)肥料作為底肥，各小區(qū)均勻撒施，與土壤充分混勻 (肥料養(yǎng)分含量見(jiàn)1.1供試材料)?；适褂冒凑粘Ｒ?guī)生產(chǎn)進(jìn)行。西芹與茄子生長(zhǎng)期間田間管理均按當(dāng)?shù)亓?xí)慣方式進(jìn)行。

1.3 分析方法

植株：西芹收獲時(shí)，劃面積 (1 m2) 測(cè)產(chǎn)，采集所選區(qū)域內(nèi)所有西芹植株，稱取質(zhì)量；茄子收獲時(shí)，采用稱重法得到茄子產(chǎn)量；用水楊酸比色法測(cè)定西芹組織中硝酸鹽含量[19]；茄子果實(shí)Vc含量采用2,6－二氯靛酚滴定法測(cè)定，茄子過(guò)氧化氫酶活性采用紫外分光光度法測(cè)定[20]；西芹植株與茄子果實(shí)樣品經(jīng)濃硫酸消煮后，分別采用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法和分光光度計(jì)法[18]測(cè)定全氮、全磷、全鉀含量。

土壤：分別在西芹收獲后 (2015年2月25日)、茄子移栽前 (2015年3月30日)、茄子第二次收獲后(2015年7月12日) 采集土樣。每個(gè)小區(qū)取3鉆0—20 cm土壤，混合后裝入自封袋備用。土壤堿解氮用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤速效鉀用火焰光度法測(cè)定；土壤有效磷用鉬銻抗比色法測(cè)定[18]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2013進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用SPSS21.0進(jìn)行單因素方差分析和多重比較，用LSD法比較處理間的差異顯著性 (P ＜ 0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對(duì)西芹和茄子產(chǎn)量的影響及經(jīng)濟(jì)效益分析

由圖1可以看出，與不添加生物質(zhì)炭 (B0) 相比，B20和B160處理能顯著提高西芹產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度分別達(dá)31.6%和30.3%；B40處理西芹增產(chǎn)18.1%，B80處理對(duì)西芹產(chǎn)量影響不顯著。不同施炭處理對(duì)茄子產(chǎn)量影響不顯著。

圖1 施用生物質(zhì)炭對(duì)西芹和茄子產(chǎn)量的影響Fig. 1 Impacts of biochar treatments on yield of celery and eggplant

由表1可知，種植兩茬作物，B20處理溫室大棚兩茬蔬菜純收入 (總收入減去肥料總投入) 最高，為421622元，與B0相比純收入增加9.4%；而隨著生物質(zhì)炭添加量的增多，肥料投入成本逐漸加大，溫室大棚收益反而越來(lái)越低。

2.2 生物質(zhì)炭對(duì)西芹和茄子品質(zhì)的影響

從圖2可以看出，西芹硝酸鹽含量在487.41～1001.08 mg/kg，與B0處理相比，B20處理對(duì)西芹植株硝酸鹽含量無(wú)顯著影響，但B40、B80和B160處理顯著降低了西芹植株硝酸鹽含量，降低幅度分別達(dá)37%、37.2%和49.1%，但處理間差異不顯著。由此可知，當(dāng)生物質(zhì)炭添加量增加至40 t/hm2及以上時(shí)，西芹硝酸鹽含量能夠顯著降低。

過(guò)氧化氫酶是植物組織中重要的抗氧化酶之一，其活性的高低可在一定程度上體現(xiàn)果實(shí)的耐藏性和成熟衰老程度。從圖3可以看出，處理間過(guò)氧化氫酶活性無(wú)顯著性差異，說(shuō)明添加生物質(zhì)炭對(duì)茄子過(guò)氧化氫酶活性無(wú)顯著影響。與不施炭處理相比，添加生物質(zhì)炭對(duì)茄子的維生素C含量影響不明顯。

2.3 生物質(zhì)炭對(duì)西芹和茄子氮磷鉀含量及積累量的影響

從表2可以看出，與不添加生物質(zhì)炭相比，生物質(zhì)炭的施用對(duì)西芹氮和磷含量無(wú)顯著性影響。當(dāng)生物質(zhì)炭施用量為40 t/hm2(B40)，西芹全鉀含量最低。與不施炭處理相比，添加生物質(zhì)炭能夠不同程度的增加西芹植株氮磷鉀積累量，當(dāng)生物質(zhì)炭施用量為20 t/hm2時(shí)，氮積累量達(dá)到最高，當(dāng)生物質(zhì)炭施用量為160 t/hm2時(shí)，植株磷鉀積累量達(dá)到最大。

由表2可知，不同生物質(zhì)炭處理對(duì)茄子果實(shí)中氮、磷、鉀含量均無(wú)顯著影響。當(dāng)生物質(zhì)炭施用量達(dá)40 t/hm2和80 t/hm2時(shí) (B40和B80處理)，可顯著增加茄子果實(shí)氮素積累量，但當(dāng)生物質(zhì)炭施用量為160 t/hm2時(shí)，氮積累量反而有所降低；當(dāng)生物質(zhì)炭施用量達(dá)40 t/hm2時(shí) (B40)，茄子果實(shí)磷積累量最高，而B(niǎo)160處理積累量最低。施用生物質(zhì)炭對(duì)茄子果實(shí)鉀積累量無(wú)顯著性影響。

表1 不同生物質(zhì)炭施用量生產(chǎn)成本與產(chǎn)出對(duì)比Table 1 Input and output of different biochar treatments

2.4 生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

由圖4a可以看出，西芹收獲后與茄子移栽前，各處理土壤堿解氮含量差異不顯著；茄子收獲后，未施炭處理土壤堿解氮含量最高，B160處理最低。整體變化趨勢(shì)是，隨生物質(zhì)炭施用量的增加，土壤堿解氮含量逐漸降低，其中，B40、B80和B160處理降低幅度分別達(dá)11.7%、10.0%和20.3%。由圖4b可以看出，西芹收獲后，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，土壤有效磷含量呈逐漸增加的趨勢(shì)，但各處理間差異不顯著。茄子移栽前和茄子收獲后，各處理土壤有效磷含量差異均不顯著。隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，土壤速效鉀含量逐漸增加 (圖4c)。西芹收獲后，B80和B160處理土壤速效鉀含量增加幅度分別達(dá)95.8%和196.2%；茄子收獲后，B160處理土壤速效鉀含量增加幅度達(dá)165.5%。B160處理土壤速效鉀含量最高，不施生物質(zhì)炭處理最低。

3 討論

大量的研究表明，生物質(zhì)炭能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增加作物產(chǎn)量，但也有不同結(jié)果[7–8]。本試驗(yàn)中，B20與B160處理能夠顯著增加西芹植株產(chǎn)量，說(shuō)明適量的生物質(zhì)炭施入能促進(jìn)西芹植株生物量的積累(圖1)。與此同時(shí)，B20與B160處理在生物量增加的同時(shí)，植株體內(nèi)的養(yǎng)分含量并沒(méi)有下降，表明適量的生物質(zhì)炭施入能夠促進(jìn)根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，因此提高了西芹的養(yǎng)分吸收量。這可能與生物質(zhì)炭能夠促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)[21]和改善植株根際生長(zhǎng)環(huán)境[22]有關(guān)。B40處理有助于茄子果實(shí)氮磷積累，但B160處理果實(shí)氮磷積累量卻降至最低，鉀積累量相較于其他處理也較低，但未出現(xiàn)顯著性差異，說(shuō)明生物質(zhì)炭施用量過(guò)多會(huì)抑制茄子生長(zhǎng)，影響?zhàn)B分向果實(shí)運(yùn)輸轉(zhuǎn)移。類似的研究也表明，施用過(guò)量生物質(zhì)炭能夠抑制黑麥草[7]和大豆[8]生長(zhǎng)。研究表明，氮素可促進(jìn)植株干物質(zhì)積累[23]，土壤缺氮不僅影響氮素積累，還會(huì)影響磷素與鉀素的積累[24]。而本試驗(yàn)中，B160處理降低了茄子土壤堿解氮含量 (圖4a)，影響了茄子果實(shí)干物質(zhì)積累，故而影響果實(shí)氮磷鉀養(yǎng)分積累。在本研究中，適量生物質(zhì)炭 (B20與B160處理) 增加了西芹產(chǎn)量，但卻對(duì)茄子產(chǎn)量無(wú)顯著影響?？赡苡幸韵氯N原因：1) 生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效應(yīng)隨著種植時(shí)間增加而減弱[25]，主要原因是風(fēng)化炭養(yǎng)分含量低于新鮮生物質(zhì)炭[26]；2) 種植蔬菜種類不同，需肥特性不同；3) 由本研究結(jié)果可知，在兩茬作物生長(zhǎng)期間，土壤養(yǎng)分狀況不同，生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響也不盡相同 (圖4)，這可能是適量生物質(zhì)炭增加西芹產(chǎn)量卻對(duì)茄子產(chǎn)量無(wú)影響的主要原因。本文研究了生物質(zhì)炭作為基肥一次性施入土壤后，種植一年蔬菜后的結(jié)果，其結(jié)果對(duì)于溫室設(shè)施栽培中生物質(zhì)炭施用量更具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，但其對(duì)設(shè)施蔬菜更為長(zhǎng)久的影響還有待進(jìn)一步研究。

表2 不同生物質(zhì)炭添加量下西芹植株和茄子果實(shí)氮磷鉀含量及積累量Table 2 The content and accumulation of NPK in celery and eggplant fruit under different biochar additions

圖2 施用生物質(zhì)炭對(duì)西芹硝酸鹽含量的影響Fig. 2 Impacts of biochar on nitrate content of celery

圖3 施用生物質(zhì)炭對(duì)茄子品質(zhì)的影響Fig. 3 Impacts of biochar on qualities of eggplant

蔬菜中硝酸鹽的含量取決于施用肥料的種類、施用量以及使用時(shí)間等因素[27]。在眾多蔬菜種類中，由于葉菜類蔬菜耐肥性較強(qiáng)且需肥量大，因此更易富集較高的硝酸鹽[13]。本研究中，施用適量生物質(zhì)炭(B40、B80和B160處理) 能夠降低西芹植株硝酸鹽含量，這與張登曉等[6]的研究結(jié)論一致。一方面，施用生物質(zhì)炭后，土壤中氮素釋放緩慢[28]，作物對(duì)硝態(tài)氮的吸收來(lái)源減少，因而不會(huì)因短期內(nèi)吸收過(guò)多氮素而造成硝酸鹽積累；另一方面，有可能是植株體內(nèi)鉀含量的增加促進(jìn)了作物體內(nèi)硝酸鹽的還原同化[29]，從而降低了西芹中硝酸鹽的含量。生物質(zhì)炭對(duì)茄子維生素C含量和過(guò)氧化氫酶活性無(wú)顯著影響。

生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響與生物質(zhì)炭類型、施用量、土壤類型和氣候條件等有密切關(guān)系[30]。本研究結(jié)果顯示，生物質(zhì)炭顯著提高了土壤速效鉀含量，且隨生物質(zhì)炭施用量的增加，土壤速效鉀含量增高 (圖4c)，這與謝國(guó)雄等[31]的研究結(jié)果一致。這可能是由于，一方面，生物質(zhì)炭含有一定量的速效鉀，施入土壤后可顯著增加土壤速效鉀含量；另一方面，施用生物質(zhì)炭可增加土壤CEC[32]，增加土壤中可交換性鉀含量。生物質(zhì)炭對(duì)土壤有效磷含量無(wú)顯著影響 (圖4b)，這與Borchard等[33]及Jones等[34]的結(jié)論相同?？赡苁且?yàn)樯镔|(zhì)炭本身含有的有效磷較少，施入土壤后土壤有效磷含量并無(wú)顯著增加。施用生物質(zhì)炭對(duì)西芹收獲后土壤堿解氮含量無(wú)顯著影響，但卻顯著降低了茄子收獲后土壤堿解氮含量，且隨著施炭量的增加，土壤堿解氮含量逐漸降低 (圖4a)。可能是因?yàn)?，生物質(zhì)炭增加了土壤有機(jī)碳含量，故而增加了土壤碳氮比，從而降低了土壤有效氮含量[35]。生物質(zhì)炭對(duì)土壤性質(zhì)的影響，因生物質(zhì)炭施入土壤時(shí)間長(zhǎng)短、土壤養(yǎng)分狀況、作物種類等因素而存在不確定性，其影響機(jī)理有待進(jìn)一步系統(tǒng)深入的研究。

圖4 不同生物質(zhì)炭添加量下蔬菜收獲前、后的土壤有效態(tài)氮磷鉀含量Fig. 4 Soil available N, P and K contents added with different biochar amount before and after crop harvest

4 結(jié)論

將不同量的生物質(zhì)炭施入土壤，先后種植西芹和茄子?？傮w來(lái)看，生物質(zhì)炭對(duì)西芹生長(zhǎng)影響更為顯著，施用適量生物質(zhì)炭能夠促進(jìn)西芹植株氮磷鉀養(yǎng)分積累，增加產(chǎn)量，降低植株硝酸鹽含量。但是，生物質(zhì)炭對(duì)茄子產(chǎn)量和品質(zhì)均無(wú)顯著影響，當(dāng)施用量過(guò)高時(shí)，反而抑制了茄子果實(shí)養(yǎng)分積累。施用生物質(zhì)炭有效增加了土壤速效鉀含量，對(duì)土壤有效磷含量無(wú)顯著影響，對(duì)土壤堿解氮含量的影響較為復(fù)雜，即對(duì)西芹收獲后土壤堿解氮含量無(wú)顯著影響，卻降低了茄子收獲后土壤堿解氮含量。生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分的長(zhǎng)期影響如何，以及生物質(zhì)炭針對(duì)不同作物的合適用量，還有待進(jìn)一步的研究。