生物炭與脲酶抑制劑及保水劑配施對貴州辣椒的影響

張 萌 趙 歡,* 肖厚軍 魏全全 芶久蘭 王麗希

(1 貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實驗站，貴州 貴陽 550006； 2 遼寧中科生物工程股份有限公司，遼寧 本溪 117000)

辣椒(CapsicumannuumL.)是貴州傳統(tǒng)種植作物，也是目前貴州山地農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要經(jīng)濟作物之一[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，截至2016年，貴州省辣椒栽培面積達到30多萬hm2，占我國辣椒總種植面積的20%，種植面積、加工規(guī)模及市場占有率均居全國第一[3-4]。貴州農(nóng)業(yè)屬于山地農(nóng)業(yè)，全省約50%的耕地為山坡地，且多數(shù)土壤為酸性黃壤，土壤本身養(yǎng)分貧瘠、保水性差，土壤生產(chǎn)力低下，極不利于辣椒產(chǎn)量的提高[5-6]。同時，由于貴州省辣椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展的快速推進，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)民盲目追求高產(chǎn)而引發(fā)的“重化肥輕有機肥”、常年連作栽培等問題也日益加劇，使得本身貧瘠的黃壤質(zhì)量進一步惡化，保水保肥能力持續(xù)降低，導(dǎo)致辣椒產(chǎn)量水平、風(fēng)味品質(zhì)及肥料利用率明顯降低，嚴重制約著貴州省辣椒產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展[7-8]。

近年來，隨著肥料行業(yè)及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，土壤添加劑如生物炭、脲酶、硝化抑制劑、保水劑等產(chǎn)品相繼問世，具有改善土壤理化性質(zhì)、減少土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與損失及增強土壤保水保肥能力等特性，因此，土壤添加劑的施用已成為肥料提質(zhì)增效、作物品質(zhì)提升及貧瘠土壤改良等領(lǐng)域的重要措施之一[9-10]。目前，關(guān)于不同土壤添加劑的研究已有大量報道，主要集中在糧食作物(玉米、小麥、馬鈴薯等)和部分蔬菜作物(番茄、黃瓜等)上。研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)2年施用生物炭可以提高水稻土有機質(zhì)和全氮含量，減少CH4的排放[11]，降低氮磷流失風(fēng)險[12]，并顯著改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[13]；施用脲酶抑制劑能夠延緩肥料中的氮素釋放[14]，顯著減少尿素在土壤中的氮素損失[15]，還可降低蔬菜體內(nèi)硝酸鹽的累積[16]；保水劑是強吸水性樹脂類物質(zhì)，施用保水劑不僅可以提高土壤蓄水保墑能力，緩解干旱對作物生長造成的壓力[17]，與氮肥配施還可以起到作物增產(chǎn)、提高肥料利用率的效果[18]。然而，前人對土壤添加劑的研究多集中在單一添加劑，而關(guān)于幾種不同添加劑混合配施效果的研究尚鮮見報道。此外，生物炭憑借其豐富的比表面積和強吸附性，在某些有機大分子(如聚谷氨酸類物質(zhì)、高分子樹脂等)配施時是否也具有協(xié)調(diào)效應(yīng)還有待進一步研究。本試驗選取生物炭、脲酶抑制劑和保水劑3種土壤添加劑，從辣椒產(chǎn)量、品質(zhì)、養(yǎng)分吸收利用及經(jīng)濟效益方面來研究生物炭單獨施用、與脲酶抑制劑或保水劑兩兩配施及三者混合配施的作用效果，同時對生物炭能否增強脲酶抑制劑和保水劑的作用與效果加以驗證，以期為貴州辣椒高產(chǎn)高效栽培提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗于2016年4-10月在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地(106°39′E，26°30′N，海拔1 138 m)進行。供試土壤為貴州典型地帶性黃壤，基礎(chǔ)理化性質(zhì)為pH 值6.08、有機質(zhì) 38.37 g·kg-1、全氮1.57 g·kg-1、有效磷12.30 mg·kg-1、速效鉀119.00 mg·kg-1。供試肥料包括尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、硫酸鉀(K2O 50%)。

供試生物炭：醬香型白酒酒糟炭，由專業(yè)生物質(zhì)炭化爐經(jīng)450℃高溫炭化制成，基本理化性質(zhì)為pH 值8.78、有機質(zhì) 28.13 g·kg-1、全氮43.40 g·kg-1、全磷10.84 g·kg-1、全鉀18.38 g·kg-1；供試脲酶抑制劑：聚谷氨酸類物質(zhì)，由中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所提供；供試保水劑：高分子吸水性樹脂，由貴州天寶豐原生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司提供；供試辣椒：黔椒11號，由貴州省受精科學(xué)院園藝研究所提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)6個處理，分別為不施肥(no fertilizer，記作NF)、化肥(fertilizer，記作F)、化肥+生物炭(fertilizer+biochar，記作FB)、化肥+生物炭+脲酶抑制劑(fertilizer+biochar+urease inhibitor，記作FBU)、化肥+生物炭+保水劑(fertilizer+biochar+water retention agent，記作FBW)；化肥+生物炭+脲酶抑制劑+保水劑(fertilizer+biochar+urease inhibitor+water retention agent，記作FBUW)。除不施肥處理外，其他各施肥處理肥料用量均相等，氮、磷、鉀肥用量分別為360.00、180.00、324.00 kg·hm-2，生物炭施用量為3 000 kg·hm-2，脲酶抑制劑按照尿素用量的0.2%施用，保水劑施用量為30.00 kg·hm-2，肥料、生物炭和土壤添加劑具體用量如表1所示。辣椒移栽前先將生物炭均勻撒施在土壤表層，用鋤頭翻耕混勻，然后將所有肥料、脲酶抑制劑和保水劑混勻后一次性均勻施用。辣椒種植采用單壟雙行的栽培模式，單壟1.2 m，辣椒幼苗在起壟覆膜后10 d后進行移栽，移栽密度為5.70萬株·hm-2。各處理設(shè)3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，試驗小區(qū)面積為18 m2。其他處理同常規(guī)田間管理。

表1 不同處理的肥料和土壤添加劑施用量Table 1 Application of fertilizer and soil additives in different treatments /(kg·hm-2)

1.3 測定項目與方法

在辣椒收獲前，每小區(qū)采集6株相對長勢一致的辣椒植株，用于測定植株養(yǎng)分與品質(zhì)指標。辣椒植株分莖稈、葉片和果實三部分，分別于105℃殺青30 min后，60℃恒溫烘干稱量。將植物樣品磨碎過篩后，用H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，采用凱氏定氮法測定全氮含量；鉬銻抗比色法測定全磷含量；火焰光度法測定全鉀含量；并計算植株氮磷鉀累積總量[19]。同時，取部分辣椒果實鮮樣用于測定品質(zhì)指標(還原糖、Vc、硝酸鹽和游離氨基酸含量)[19]。辣椒產(chǎn)量經(jīng)過分批采收后，于收獲期計算辣椒最終產(chǎn)量。

1.4 相關(guān)參數(shù)計算公式

植株養(yǎng)分積累總量(kg·hm-2)=植株養(yǎng)分含量(%)×生物量(kg·hm-2)/100

(1)

氮肥表觀利用率(recovery efficiency of applied N，REN)=(施氮處理吸氮總量-不施肥處理吸氮總量)/施氮量×100%

(2)

氮肥農(nóng)學(xué)效率(agronomic efficiency of applied N，AEN，kg·kg-1)=(施氮處理辣椒產(chǎn)量-不施肥處理辣椒產(chǎn)量)/施氮量

(3)

式中，辣椒產(chǎn)量按照鮮重計算，磷、鉀肥表觀利用率和農(nóng)學(xué)效率計算方法同上。

產(chǎn)值(元·hm-2)=辣椒鮮重(kg·hm-2)×辣椒價格(元·kg-1)[20]

(4)

施肥增加產(chǎn)值(元·hm-2)=施肥處理產(chǎn)值(元·hm-2)-不施肥處理產(chǎn)值(元·hm-2)

(5)

純收入(元·hm-2)=施肥增加產(chǎn)值(元·hm-2)-增加肥料投入(元·hm-2)-增加生物炭等投入(元·hm-2)

(6)。

經(jīng)濟效益的計算中，辣椒價格按鮮椒2.00元·kg-1計算，尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀的價格分別按2.00、0.68和4.00元·kg-1計算，生物炭、脲酶抑制劑額和保水劑的價格分別按1.90、5.00和4.00元·kg-1計算。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003處理數(shù)據(jù)；Origin 8.0作圖；DPS 15.10軟件的單因素方差分析LSD法進行差異顯著分析，顯著水平為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 辣椒產(chǎn)量

由圖1可知，與NF處理相比，施肥處理辣椒產(chǎn)量均顯著提高，增幅為167.13%～243.91%，其中以FBUW處理的辣椒產(chǎn)量最高，達到20 938 kg·hm-2，且顯著高于其他處理。與F處理相比，增施生物炭(FB)、生物炭與脲酶抑制劑(FBU)或保水劑(FBW)配施均可顯著增加辣椒產(chǎn)量，增幅為17.91%～28.74%，但FB、FBU和FBW處理間差異不顯著。結(jié)果表明，與F處理相比，土壤增施生物炭后，可以顯著提高辣椒產(chǎn)量，但生物炭與脲酶抑制劑或保水劑配施對辣椒的增產(chǎn)效果并不顯著。當(dāng)生物炭與脲酶抑制劑和保水劑同時施用時，辣椒產(chǎn)量顯著提高，表明三者合理配施產(chǎn)生了明顯的協(xié)同效應(yīng)。

注：不同小寫字母表示處理間差異達5%顯著水平。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level. The same as following.圖1 不同處理的辣椒產(chǎn)量Fig.1 The yield of pepper of different treatments

2.2 辣椒品質(zhì)

由表2可知，生物炭與脲酶抑制劑或保水劑配施可顯著影響辣椒的硝酸鹽含量，而對還原糖、Vc含量的影響并不顯著。與F處理相比，F(xiàn)B、FBU、FBW和FBUW處理的硝酸鹽含量分別降低了6.24%、14.21%、13.55%和34.00%，以FBUW處理降幅最大，且顯著低于其他處理。除FBUW處理的游離氨基酸含量顯著提高外，其他處理的游離氨基酸含量較F處理均無顯著差異。

2.3 氮磷鉀積累量

由圖2可知，F(xiàn)B、FBU、FBW和FBUW處理的氮素積累量較F分別顯著提高7.65%、13.74%、11.22%和20.00%，其中以FBUW處理增幅最大，且顯著高于其他處理。與F處理相比，F(xiàn)BUW處理的磷素積累量顯著提高了27.33%，F(xiàn)B和FBW處理僅分別提高了6.07%和4.24%，而FBU處理則有所降低，降幅為3.09%。與F處理相比，F(xiàn)B、FBU、FBW和FBUW處理的鉀素積累量分別提高了8.03%、7.17%、14.83%和31.09%，其中以FBUW處理增幅最為顯著，F(xiàn)B和FBW處理均顯著高于F處理，但FBU與F處理無顯著差異。

2.4 不同器官中的氮磷鉀積累量分配比例

由圖3可知，從氮素分配來看，與F處理相比，F(xiàn)B、FBU、FBW和FBUW處理的莖桿氮素比例分別顯著降低了4.11、7.34、6.82和8.57個百分點，F(xiàn)BU、FBW和FBUW處理的果實氮素比例分別為65.86%、67.15%和67.43%，較F處理分別顯著提高4.04、5.33和5.61個百分點。從磷素分配看，與F處理相比，F(xiàn)B和FBUW處理的莖桿磷素比例分別顯著提高了3.38和3.99個百分點，F(xiàn)BW和FBUW處理的葉片及FBU處理的果實磷素比例分別提高了6.00、5.13和4.90個百分點。說明生物炭與脲酶抑制劑或保水劑配施增加了磷素由莖桿向葉片和果實中的轉(zhuǎn)移。從鉀素分配看，與F處理相比，僅FBUW處理的莖桿鉀素顯著提高了3.7個百分點。

表2 不同處理的辣椒品質(zhì)Table 2 The quality of pepper of different treatments

圖2 不同處理的氮磷鉀積累量Fig.2 The NPK accumulation of different treatments

注：同行不同小寫字母表示處理間差異達5%顯著水平。Note: Different lowercase letters in the same line indicate significant difference among treatments.圖3 不同器官中的氮磷鉀積累量分配比例Fig.3 Proportion of NPK accumulation in different organs

2.5 肥料利用率

由表3可知，不同施肥處理的肥料表觀利用率(recovery efficiency, RE)和農(nóng)學(xué)效率(agronomy efficiency, AE)存在差異。從表觀利用率來看，與F處理相比，增施生物炭、脲酶抑制劑或保水劑顯著提高了氮鉀肥的表觀利用率，以FBUW處理的氮、磷、鉀素表觀利用率最高，分別為44.40%、22.41%和67.02%，且顯著高于FB、FBU和FBW處理。FBU處理的氮素表觀利用率為41.02%，顯著高于FB處理，說明生物炭與脲酶抑制劑配施有利于提高作物對氮肥的吸收利用，而與FB處理相比，其磷素表觀利用率卻顯著降低，僅為12.71%。與F處理相比，F(xiàn)B、FBU、FBW和FBUW處理的氮磷鉀農(nóng)學(xué)效率分別增加了8.09～12.98、16.18～25.97和8.99～14.42 kg·kg-1，增幅分別為28.62%～45.91%、28.62%～45.94%和28.62%～45.91%，但增施土壤添加劑的各處理間差異不顯著。說明生物炭單獨施用或者與脲酶抑制劑、保水劑配合施用在提高肥料農(nóng)學(xué)效率方面效果顯著。

表3 不同處理的肥料利用率Table 3 The fertilizer utilization of different treatments

注：“-”表示不存在。下同。

Note: ‘-’ means no existence. The same as following.

2.6 經(jīng)濟效益

由表5可知，與NF處理相比，各施肥處理的辣椒產(chǎn)值增加了20 351～29 700元·hm-2，增幅為167.14%～243.93%。與F處理相比，F(xiàn)B、FBU、FBW和FBUW處理的辣椒產(chǎn)值分別提高了17.91%、18.49%、19.21%和28.74%，在扣除生物炭、脲酶抑制劑和保水劑成本后，F(xiàn)B、FBU、FBW和FBUW處理的純收入較F處理分別增加了126、306、428和3 521元·hm-2，增幅分別為0.83%、2.02%、2.82%和23.21%。

表4 不同處理的經(jīng)濟效益Table 4 The economic benefits of different treatments /(元·hm-2)

3 討論

貴州辣椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已成為貴州山地農(nóng)業(yè)中的重要經(jīng)濟作物之一。然而，由于辣椒多年連續(xù)種植，栽培土壤肥力狀況已出現(xiàn)明顯下滑趨勢，同時土壤酸化、土壤板結(jié)現(xiàn)象也有所加劇[21]；此外，貴州山區(qū)屬于典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，降雨量主要集中在5-6月份，7-8月份降雨明顯不足，雨水分布嚴重不均極易引發(fā)干旱[22]，嚴重制約了貴州省辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)的提升，以及土壤肥力和肥料利用率的提高。生物炭、脲酶抑制劑和保水劑是常用的土壤添加劑，能夠有效改變土壤理化結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)土壤水肥氣熱狀況[17-18]，實現(xiàn)培肥增產(chǎn)[23-24]的效果。

本研究中，與NF處理相比，增施土壤添加劑(生物炭、脲酶抑制劑或保水劑)可以顯著提高辣椒鮮產(chǎn)167.13%～243.91%，表明土壤添加劑的施用對辣椒增效效果明顯。這與前人在玉米[15]、馬鈴薯[17-18]、番茄[25-26]等作物上的研究結(jié)果類似。其中FBUW處理表現(xiàn)最佳，說明生物炭、脲酶抑制劑和保水劑三者同時施用的協(xié)同效應(yīng)優(yōu)于單獨施用或兩兩配施。FB、FBU和FBW處理間辣椒產(chǎn)量無明顯差異，其原因可能是一方面生物炭自身疏松多孔且的比表面積大，具有強吸附能力，可將肥料養(yǎng)分吸附在生物炭表面，減少了養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與損失，而本研究中脲酶抑制劑的添加量僅為尿素用量的0.2%，較孫志梅等[16]、潘復(fù)燕等[27]研究中的添加量低2～8倍，因此對土壤脲酶活性的影響較小，甚至可能明顯低于生物炭對土壤產(chǎn)生的作用效果，因此FBU處理較FB無明顯差異；另一方面，生物炭具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)，可以顯著改善土壤滲透性、水分的停留時間和滲透路徑，可吸附大量水分，以提高土壤持水能力，因而生物炭若大量施用則其保水效果與保水劑效果類似[28]，盡管二者配施對作物有一定的增產(chǎn)效果，但與FB處理相比效果并不明顯。此外，研究發(fā)現(xiàn)生物炭、硝化抑制劑和保水劑兩兩配施產(chǎn)生了明顯的協(xié)同效應(yīng)，但三者同時施用時水稻產(chǎn)量又明顯下降，表明三者之間發(fā)生了拮抗效應(yīng)[27]。這與本研究結(jié)果不同。這可能是由于添加劑的種類不同，或是與添加劑的施用引起作物根際調(diào)控變化不同有關(guān)[27]，具體原因還有待進一步研究。

果實中的硝酸鹽含量是衡量其衛(wèi)生質(zhì)量狀況的重要指標，過量的硝酸鹽積累會對人體健康造成潛在危害[29]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤添加劑可以顯著降低辣椒果實中硝酸鹽含量(硝酸鹽國家安全標準為低于440 mg·kg-1[30-31])，并提高其游離氨基酸含量，這可能是由于施用生物炭提高了土壤C/N，導(dǎo)致土壤有效性氮素含量降低，進而引起硝酸鹽含量降低[29, 32]，而脲酶抑制劑則可能參與作物硝酸鹽積累轉(zhuǎn)化作用的內(nèi)在機制，從而降低硝酸鹽的積累[33]。

肥料利用率與土壤通氣狀況、土壤含水量、微生物活性等影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的因素密切相關(guān)[14]。本研究中，增施土壤添加劑顯著提高了肥料的表觀利用率，特別是對氮素和鉀素表觀利用率，最高分別達到44.40%和67.02%。生物炭表面帶有大量的電荷，具有較高的離子交換量，且其活躍的羧基、羥基等官能團，可將NH4+或NO3-吸附在生物炭表面，起到載體或緩慢釋放的作用[28, 34]；脲酶抑制劑可抑制土壤脲酶活性，導(dǎo)致尿素的水解，減少土壤氮素的氣態(tài)揮發(fā)或銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化，此外，脲酶抑制劑還可以抑制亞硝化細菌的活性，有效提高土壤氮素的利用效率[35]。保水劑一方面可以在土壤中對植物起到小水庫的作用，提高自身的光合能力；另一方面，保水劑本身對土壤陽離子(如K+)和陰離子(如NO3-)均有較強的吸附作用，能有效地延緩或控制養(yǎng)分釋放，降低養(yǎng)分流失[36]。此外，生物炭本身較高的氮素和鉀素含量也可能是導(dǎo)致作物對氮和鉀吸收利用明顯提高的主要原因之一[37]。

經(jīng)濟效益是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要屬性之一，也是農(nóng)民實現(xiàn)增收不可忽視的標準。徐敏等[38]研究指出，生物炭施用的經(jīng)濟可行性是生物炭大規(guī)模應(yīng)用的前提，但前人較多關(guān)注的是生物炭施用后的環(huán)境效應(yīng)[27, 39]，而對生物炭所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益研究尚鮮見報道，僅在烤煙這種本身經(jīng)濟產(chǎn)值較高的作物上有所報道[40-41]。本研究結(jié)果表明，在扣除生物炭、脲酶抑制劑和保水劑等額外增加的土壤改良劑成本后，增施土壤改良劑處理的純收入較單施化肥處理(F)相比提高了0.83%～23.21%，盡管FB、FBU和FBW處理較F處理相比經(jīng)濟效益并不明顯，但FBUW處理卻明顯增收3 521元·hm-2。綜上，在生物炭實際應(yīng)用推廣中，一方面應(yīng)注重生物炭與其他添加劑的合理配施(脲酶抑制劑、保水劑等)，另一方面還需盡可能地降低生物炭從生產(chǎn)到施用整個體系生產(chǎn)成本，以發(fā)揮其最大的經(jīng)濟作用。

4 結(jié)論

本研究表明，與常規(guī)施肥相比，將生物炭與脲酶抑制劑、保水劑三者混合施用不僅可以顯著提高黃壤辣椒產(chǎn)量，明顯改善辣椒果實中的硝酸鹽和游離氨基酸含量，還可顯著增加辣椒對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收和累積，提高氮、磷、鉀肥的表觀利用率和農(nóng)學(xué)效率；從農(nóng)業(yè)推廣角度來看，還可以明顯增加農(nóng)民純收入23.21%。本研究條件下，推薦FBUW處理作為貴州辣椒栽培種植最佳的土壤添加劑施用技術(shù)。在國家大力推行化肥“零增長”的戰(zhàn)略背景下，針對土壤添加劑更為精確和可靠的施用量與施用方式研究也亟需開展，力爭在實現(xiàn)作物增產(chǎn)增收的同時，提高肥料利用效率，以達到促進土壤培肥的目的。