不同用量專用生物炭基肥對貴州朝天椒提質(zhì)增效的影響

張 萌 魏全全 肖厚軍 趙 歡 芶久蘭,* 趙 洪 朱方宇

(1 貴州省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006；2 遵義市播州區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站， 貴州 遵義 563100)

我國農(nóng)作物秸稈資源豐富[1-2]，每年約20%的農(nóng)作物秸稈資源以堆棄或者直接焚燒的處理方式被浪費[3]，由此造成的環(huán)境污染問題日益嚴重。緩/控釋肥料是提高肥料利用率的主要技術(shù)途徑之一，已成為肥料行業(yè)的主要發(fā)展方向，但緩/控釋肥普遍存在缺少補充土壤有機碳功能，材料受資源制約不可再生等缺陷。生物炭的問世為農(nóng)業(yè)秸稈資源利用、土壤培肥改良、溫室氣體減排和肥料創(chuàng)新等提供了綜合解決方案[4-5]。生物炭因具有較大的孔隙度和比表面積，以及豐富的化學反應型官能團，可作為肥料增效載體或是與化肥混合以提高肥料利用率[6]。研究發(fā)現(xiàn)生物炭與肥料混合造粒制備而成的生物炭基肥，不僅可以彌補生物炭養(yǎng)分不足的缺陷，還具有肥料緩釋功能，在供給作物養(yǎng)分的同時，實現(xiàn)生物炭對土壤的改良功能和固碳作用[5]。

朝天椒(Capsicumannuumvar.frutescensL.)是貴州山地農(nóng)業(yè)中的特色經(jīng)濟作物。近年來，由于長期連作、有機肥投入低，導致土壤C/N嚴重失衡，極大限制了朝天椒產(chǎn)量和品質(zhì)的提升。研究發(fā)現(xiàn)朝天椒根系一般分布在20～30 cm耕層土壤中，根系較淺易造成生理性養(yǎng)分不足，即使在土壤養(yǎng)分背景值較高的情況下，仍無法被植物有效吸收利用[7]。研究表明，生物炭基肥能夠活化耕層土壤有效養(yǎng)分，促進土壤微生物群落，提高礦質(zhì)養(yǎng)分[8]。目前，關(guān)于生物炭基肥在作物提質(zhì)增效方面效果已在水稻[9]、小麥[10]、玉米[11]、小白菜[12]、番茄[13]和馬鈴薯[14]等多種作物上得到證實。但生物炭基肥在貴州朝天椒上的施用效果尚未見報道，且能否利用生物炭基肥解決貴州朝天椒種植生產(chǎn)中的連作障礙及C/N失衡等問題，進而實現(xiàn)朝天椒提質(zhì)增效目的亟待進一步研究。因此，本研究以貴州朝天椒品種艷椒425為試驗對象，研究不同生物炭基肥用量對朝天椒產(chǎn)量、品質(zhì)、養(yǎng)分吸收及肥料利用率等方面的影響，在綜合評價生物炭基肥施用效果的同時確定其最適施用量，以期為貴州朝天椒高產(chǎn)高效栽培技術(shù)及生物炭基肥的推廣應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗于2017年4-10月在貴州省遵義市播州區(qū)石板鎮(zhèn)(106°43′0″E，27°31′29″N，海拔885 m)進行。供試土壤前茬作物為辣椒，冬季休閑。土壤類型為貴州典型地帶性粘性黃壤，其0～20 cm土層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為pH值6.03、有機質(zhì)26.80 g·kg-1、全氮2.17 g·kg-1、有效磷48.60 mg·kg-1、速效鉀175.0 mg·kg-1。

供試肥料：尿素(N 46%)、磷酸一銨(N 11%、P2O544%)、硫酸鉀(K2O 50%)、西洋復合肥(N∶P2O5∶K2O為15∶15∶15)。供試生物炭為玉米秸稈炭，炭化溫度為450℃，基本理化性質(zhì)為pH值 7.95、有機碳473.61 g·kg-1、全氮8.04 g·kg-1、全磷1.88 g·kg-1、全鉀47.53 g·kg-1。供試朝天椒品種為艷椒425，購自重慶科光種苗有限公司。

生物炭基肥：利用SKJ-120型平磨式擠壓造粒機(上海佳樂機電集團有限公司)在貴州省農(nóng)業(yè)科學院肥料示范廠采用摻混法制備而成，規(guī)格為1～2 cm圓柱狀，所用原料為尿素、磷酸一銨、硫酸鉀、玉米秸稈生物炭、膨潤土和固體粘結(jié)劑；生物炭基肥所含肥料養(yǎng)分為N 12%、P2O56%、K2O 10.8%，生物炭含量為30%(質(zhì)量比)，如每生產(chǎn)100 kg該生物炭基肥，需要尿素22.83 kg、磷酸一銨13.64 kg、硫酸鉀21.60 kg、玉米秸稈生物炭30.00 kg、膨潤土6.93 kg和固體粘結(jié)劑5.00 kg。

1.2 試驗設計

試驗共設置7個處理：不施肥(對照，CK)；習慣施肥(記作FP)：施用西洋復合肥1 500.0 kg·hm-2，N、P2O5、K2O分別為501.0、225.0、225.0 kg·hm-2；生物炭基肥用量1 785.0 kg·hm-2(記作BCF1)：N、P2O5、K2O分別為214.2、107.1、192.8 kg·hm-2；生物炭基肥用量2 167.5 kg·hm-2(記作BCF2)：N、P2O5、K2O分別為260.1、130.1、234.1 kg·hm-2；生物炭基肥用量 2 550.0 kg·hm-2(記作BCF3)：N、P2O5、K2O分別為306.0、153.0、275.4 kg·hm-2；生物炭基肥用量2 932.5 kg·hm-2(記作BCF4)：N、P2O5、K2O分別為351.9、176.0、316.7 kg·hm-2；生物炭基肥用量3 315.0 kg·hm-2(記作BCF5)：N、P2O5、K2O分別為397.8、198.9、358.0 kg·hm-2。生物炭基肥均做基肥一次性施用，各處理具體肥料施用量如表1所示。

朝天椒移栽前先將肥料均勻撒施在土壤表層，用鋤頭翻耕混勻，然后再進行起壟種植。朝天椒種植采用單壟雙行高廂起壟地膜覆蓋的栽培方式，壟寬1.0 m，壟間橫溝0.3 m。朝天椒幼苗在起壟覆膜10 d后進行移栽，移栽密度為5.20萬株·hm-2。每個處理設置3次重復，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為20 m2(3.90 m×5.13 m)。其他管理同常規(guī)大田。

表1 不同處理的肥料施用量Table 1 The fertilization amount of different treatments /(kg·hm-2)

注：“-”表示不存在。下同。

Note:‘-’ indicates inexistence. The same as following.

1.3 測定項目與分析方法

在朝天椒收獲前，每個小區(qū)隨機采集6株相對長勢一致的朝天椒植株，用于分析植株養(yǎng)分指標與果實品質(zhì)指標。朝天椒植株分莖稈、葉片和果實三部分，分別于105℃殺青30 min后，60℃恒溫烘干稱量，然后將植物樣品磨碎過篩后，采用H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，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、鉀素積累量[15]。同時，取部分朝天椒果實鮮樣用于測定品質(zhì)指標，酚二磺酸分光光度法測定硝酸鹽含量；2, 4-二硝基苯肼比色法測定Vc含量；銅還原-直接滴定法測定還原糖含量；茚三酮顯色法測定游離氨基酸含量[15]。朝天椒產(chǎn)量經(jīng)過分批采收后于收獲期計算朝天椒的最終產(chǎn)量。

1.4 相關(guān)參數(shù)計算公式

植株養(yǎng)分積累量(kg·hm-2)=植株養(yǎng)分含量(%)×生物量(kg·hm-2)/100[16]

(1)

氮肥農(nóng)學效率(agronomic efficiency of applied N，AEN，kg·kg-1)=(施肥處理作物產(chǎn)量-不施肥處理作物產(chǎn)量)/施氮量

(2)

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

(3)

式中，產(chǎn)量均按照干椒產(chǎn)量計算；磷(agronomic efficiency of applied P2O5，AEP)、鉀肥農(nóng)學效率(agronomic efficiency of applied K2O，AEK)和磷(apparent recovery efficiency of applied P2O5，REP)、鉀肥表觀利用率(apparent recovery efficiency of applied K2O，REK)計算方法同上。

注：A：鮮椒；B：干椒。不同小寫字母表示處理間差異達5%顯著水平。下同。Note: A: Fresh hot pepper. B: Dry hot pepper. Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among treaments. The same as following.圖1 不同施肥處理的朝天椒產(chǎn)量Fig.1 The yield of pod pepper of different treatments

產(chǎn)值(元·hm-2)=朝天椒鮮重(kg·hm-2)×單價(元·kg-1)[17]

(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)

(6)。

經(jīng)濟效益計算中，朝天椒價格按鮮椒2.00元·kg-1計算，西洋復合肥、尿素、磷酸一銨、硫酸鉀、玉米秸稈生物炭、膨潤土和固體粘結(jié)劑的價格分別按2.25、2.00、2.80、4.00、1.90、0.30和2.00元·kg-1計算，折合之后的生物炭基肥原料成本為2.26元·kg-1，外加人工、水電、物損等費用，生物炭基肥的最終單價按照3.5元·kg-1計算。

采用線性加平臺模型擬合最佳施肥量：y=ax+b(x≤C)；y=P(x>C)。

式中，y：朝天椒產(chǎn)量(kg·hm-2)；x：生物炭基肥施用量(kg·hm-2)；a：回歸系數(shù)；b：截距；C：直線與平臺的交點；P：平臺產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理；采用Origin 8.0軟件作圖；DPS 15.10軟件采用單因素最小顯著差數(shù)法(LSD)法進行差異顯著性分析，顯著水平為P=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用生物炭基肥對朝天椒產(chǎn)量的影響

由圖1可知，從鮮椒產(chǎn)量來看，與FP處理相比，生物炭基肥可使鮮椒增產(chǎn)2 032.29～5 564.37 kg·hm-2，增幅達到12.0%～32.8%，且隨著生物炭基肥施用量的增加呈先增加后降低的趨勢，以BCF2處理的鮮椒產(chǎn)量最高，達到22 544.52 kg·hm-2，顯著高于FP、BCF1、BCF4和BCF5處理，但與BCF3處理間無顯著差異。干椒產(chǎn)量變化趨勢與鮮椒產(chǎn)量類似，與FP處理相比，生物炭基肥使干椒增產(chǎn)487.74～1 221.37 kg·hm-2，增幅為12.6%～31.6%，以BCF2處理的干椒產(chǎn)量最高，為 5 092.84 kg·hm-2，且顯著高于其他處理。根據(jù)線性加平臺模型計算生物炭基肥的最佳施肥量(圖2)，結(jié)果表明，生物炭基肥施用量在 2 168～2 218 kg·hm-2之間可獲得最大產(chǎn)量。

注： **表示差異極顯著(P<0.01)。Note: ** indicates extremely significant difference at 0.01 level.圖2 生物炭基肥不同用量對朝天椒產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of different biochar-based fertilizer rates on hot pepper yield

2.2 施用生物炭基肥對朝天椒果實品質(zhì)的影響

由表2可知，從朝天椒果實品質(zhì)指標來看，施用生物炭基肥對朝天椒果實硝酸鹽和Vc含量的影響顯著，但對還原糖和游離氨基酸含量的影響均不顯著。從硝酸鹽含量來看，與FP處理相比，BCF1、BCF2、BCF3、BCF4和BCF5的硝酸鹽含量分別降低了3.9%、14.4%、4.9%、4.4%和4.5%，以BCF2處理降幅最大，且顯著低于其他施肥處理。從Vc含量來看，與FP處理相比，施用生物炭基肥顯著提高了朝天椒果實中的Vc含量，增幅為1.0%～19.3%，依次表現(xiàn)為BCF2>BCF3>BCF1>BCF4>BCF5，以BCF2處理的Vc含量最高，達到109.29 mg·100 g-1，且顯著高于其他處理。

2.3 施用生物炭基肥對朝天椒氮、磷、鉀積累的影響

由圖3可知，從氮素積累看，施用生物炭基肥處理的氮素積累量較FP處理顯著提高了30.9%～57.1%。其中，BCF2和BCF5處理氮素積累量分別達到240.25和237.30 kg·hm-2，均顯著高于BCF1、BCF3和BCF4，BCF1處理的氮素積累量較低，僅為200.08 kg·hm-2。從磷素積累看，施用炭基肥處理的磷素積累量較FP處理顯著提高了26.87%～44.93%，且隨著生物炭基肥施用量的增加呈先增加后降低的趨勢，以BCF2處理的磷素積累量最高，為24.68 kg·hm-2，顯著高于其他處理，BCF5處理的磷素積累量最低，僅為21.61 kg·hm-2。從鉀素積累看，施用生物炭基肥處理的鉀素積累量較FP處理顯著提高了26.7%～59.6%，鉀素積累量也隨著炭基肥用量的增加表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，以BCF2處理鉀素積累量最高，為286.71 kg·hm-2，其他處理依次表現(xiàn)為BCF3>BCF4>BCF5>BCF1，且各處理間差異顯著(P<0.05)。

表2 不同施肥處理的朝天椒果實品質(zhì)Table 2 The quality of pod pepper of different treatments

注：同列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 in the same column indicate significant difference at 0.05 level among treatments. The same as following.

Note: A: N, B: P2O5, C: K2O.圖3 不同施肥處理的NPK積累量Fig.3 The NPK accumulation of different treatments

2.4 施用生物炭基肥對朝天椒肥料利用率的影響

由表3可知，不同施肥處理的氮、磷、鉀肥料農(nóng)學效率和表觀利用率存在明顯差異。從農(nóng)學效率看，與FP處理相比，施用生物炭基肥處理的氮、磷肥農(nóng)學效率分別提高了4.97～13.93、8.49～26.41 kg·kg-1，增幅分別為77.4%～217.0%、59.4%～184.8%，且隨著生物炭基肥施用量的增加，氮、磷肥農(nóng)學效率均呈遞減趨勢，且各處理間均差異顯著(P<0.05)，其中以BCF1處理的農(nóng)學效率最高，AEN、AEP分別為20.35、40.70 kg·kg-1；隨著生物炭基肥施用量的增加，鉀肥農(nóng)學效率也呈下降趨勢，其中，BCF1、BCF2、BCF3的鉀肥農(nóng)學效率顯著高于FP，分別提高了3.12～8.32 kg·kg-1，增幅為21.8%～58.2%，而BCF4、BCF5則低于FP處理。從表觀利用率看，施用生物炭基肥處理的氮、磷、鉀肥表觀利用率分別提高了24.11～43.90個百分點、2.63～7.76個百分點、7.50～44.60個百分點，增幅分別為216.4%～394.1%、103.5%～305.4%、25.5%～151.3%，除BCF1和BCF2的磷肥表觀利用率外，各處理間的氮、磷、鉀肥表觀利用率差異均達到顯著水平(P<0.05)，其中BCF2處理的REN和REK均最高分別為55.0%和74.1%，BCF1和BCF2處理的REP最高，均為10.3%。

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

2.5 施用生物炭基肥對朝天椒經(jīng)濟效益的影響

由表4可知，與FP處理相比，施用生物炭基肥處理的朝天椒產(chǎn)值增加了4 065～11 129元·hm-2，增幅為12.0%～32.8%，在扣除相應的肥料成本后，施用生物炭基肥處理純收入較FP處理相比增加了2 106～8 118元·hm-2，增幅為19.4%～74.8%，其中以BCF2處理的經(jīng)濟效益最高。

3 討論

3.1 生物炭基肥對朝天椒增產(chǎn)提質(zhì)的作用

研究發(fā)現(xiàn)生物炭基肥在作物增產(chǎn)提質(zhì)方面具有明顯的優(yōu)越性[18-19]。這與本研究結(jié)果類似。本研究中，與FP處理相比，貴州朝天椒施用生物炭基肥后的鮮椒產(chǎn)量提高了12.0%～32.8%，干椒產(chǎn)量提高了12.6%～31.6%；同時辣椒果實中的硝酸鹽含量降低了3.9%～14.4%，Vc含量提高了1.0%～19.3%，表明生物炭基肥能夠提高朝天椒產(chǎn)量和品質(zhì)，原因在于：首先，生物炭自身疏松多孔，可以改善貴州粘性黃壤的物理性質(zhì)，提高土壤孔隙度，又因其比表面積大、離子吸附能力強的特性，使其與化肥混合造粒后，可以通過孔隙閉蓄和表面吸附吸持肥料養(yǎng)分，延緩炭基肥肥效[20-21]；其次，生物炭除含有氮、磷、鉀等大量元素外，還富含多種礦質(zhì)養(yǎng)分，如鈣、鎂、鋅等中微量元素，有利于多養(yǎng)分的平衡供應[13, 22]；第三，生物炭對NH4+具有較強的吸附能力，可以控制炭基肥中的氮素由NH4+向NO3-的轉(zhuǎn)化速率，避免作物在短期內(nèi)吸收過多的氮素而造成硝酸鹽積累[12, 23]，而相對較低的炭基肥施用量(氮素用量較低)以及多種中微量元素的施入均有利于果實中Vc含量的提高[1, 24]。

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

3.2 生物炭基肥可以提高肥料利用率

研究表明，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)[25]。本研究中，與FP處理相比，施用生物炭基肥明顯提高了氮、磷、鉀肥的農(nóng)學效率和表觀利用率，其中氮、磷、鉀農(nóng)學效率最高分別為20.35、40.70和22.61 kg·kg-1，而氮、磷、鉀表觀利用率最高分別為55.0%、10.3%、74.1%，說明在本研究條件下施用生物炭基肥可以明顯提高肥料利用率，尤其是對氮肥和鉀肥利用率提高效果顯著。研究發(fā)現(xiàn)炭基肥中的生物炭利用其表面較高的離子交換量和活躍的羧基、羥基等官能團，可將土壤和肥料中的氮素(NH4+或NO3-)緊緊吸附在生物炭表面，減少了氮素向下層土壤的淋溶與固定，且能有效防止氮素的氣態(tài)損失(氨揮發(fā)等)，提高氮素有效性[22, 26]。此外，施用炭基肥在改變土壤理化性質(zhì)的同時，還直接或間接提高了與土壤氮素轉(zhuǎn)化有關(guān)的酶活性、氨氧化細菌豐度與活性等，從而提高了氮素的生物有效性[27-28]。施用生物炭基肥可以提高鉀肥利用率，原因在于：一方面，生物炭自身鉀素含量較高，本試驗中生物炭全鉀含量高達47.53 g·kg-1，且生物炭中的鉀素多數(shù)為可溶性鉀，因此施入土壤后快速提高土壤速效鉀含量并及時被作物快速吸收利用[27, 29]；另一方面，生物炭施入后可引起土壤溫度、pH值、有機碳含量的提高，間接促進了硅酸鹽解鉀菌數(shù)量和活性，進而提高了土壤吸附固定態(tài)鉀有效性以提高鉀素利用率[30-31]。因此，從鉀素高效利用角度而言，在后期生物炭基肥的制備過程中可考慮適當降低化肥鉀比例而以生物炭鉀予以替代，這對緩解我國鉀礦資源缺乏、提高秸稈鉀素資源綜合利用具有重要意義。

3.3 生物炭基肥可實現(xiàn)農(nóng)民增收

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)增產(chǎn)增收不可忽視的標準。本研究結(jié)果表明，施用生物炭基肥處理的純收入較FP處理增加了2 106～8 118元·hm-2，增幅為19.4%～74.8%，以BCF2處理的經(jīng)濟效益最高。研究表明，生物炭大規(guī)模應用的前提是生物炭施用的經(jīng)濟可行性[32]，但目前多數(shù)研究仍主要集中在生物炭的環(huán)境效應[33-34]方面，分析其原因主要是由于生物炭前期施用量大、價格高，導致投入成本過高、收益見效相對較慢等。生物炭基肥能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)民增收的主要原因在于以較低的肥料投入實現(xiàn)了較高的作物產(chǎn)量，同時實現(xiàn)了化肥和秸稈資源的綜合利用。因此，在本試驗條件下，推薦施用量 2 167.5 kg·hm-2作為貴州辣椒栽培種植中生物炭基肥的最佳施用量。在未來生物炭基肥生產(chǎn)中還需盡可能的降低原料成本，進而降低生物炭基肥價格，使生物炭基肥更好的推廣應用，以期實現(xiàn)農(nóng)民經(jīng)濟收益的最大化。

4 結(jié)論

生物炭基肥能有效地提高貴州黃壤朝天椒產(chǎn)量、改善朝天椒品質(zhì)、提高肥料利用率和經(jīng)濟效益，推薦以2 167.5 kg·hm-2作為貴州黃壤朝天椒高產(chǎn)高效栽培的最佳施用量。此外，生物炭基肥施用后必定會對土壤產(chǎn)生影響，尤其是土壤微生物、酶活性等，因此下一步將結(jié)合田間試驗重點研究生物炭基肥對朝天椒種植土壤的影響，以期為生物炭基肥在貴州朝天椒生產(chǎn)中推廣應用提供更為可靠的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。