生物炭對(duì)設(shè)施土壤化學(xué)性質(zhì)及黃瓜產(chǎn)量品質(zhì)的影響

石曉宇　張婷　賈浩　掲曉婧　王沖　李碩　商蒙非　常振凱　褚慶全

摘要：為探究生物炭對(duì)設(shè)施土壤的改良作用，2014年和2015年通過(guò)田間試驗(yàn)，分別研究施用不同用量的生物炭對(duì)設(shè)施土壤化學(xué)性質(zhì)及黃瓜生產(chǎn)的影響。研究表明，不同生物炭施用量對(duì)土壤速效鉀和硝態(tài)氮含量作用效果差異顯著，當(dāng)季施用生物炭的處理明顯增加土壤速效鉀含量60?152 mg/kg，有效減緩了速效磷的下降趨勢(shì)14.57%?18.42%，與對(duì)照相比提高了土壤有機(jī)碳的含量1.76?2.59倍，土壤pH值提高了0?0.22個(gè)單位，生物炭對(duì)降低表層土壤的電導(dǎo)率效果顯著。施用生物炭能夠增加黃瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)，果實(shí)中維生素C含量提高5.64%?13.26%，可溶性糖含量提高17.21%?40.73%，硝酸鹽含量降低0.94%?8.34%。當(dāng)季施用生物炭明顯提高了土壤中有效養(yǎng)分的含量和黃瓜產(chǎn)量，改善了黃瓜品質(zhì)，而施用生物炭1年后促進(jìn)效果減弱。

關(guān)鍵詞：生物炭;土壤化學(xué)性質(zhì);設(shè)施;產(chǎn)量品質(zhì)

中圖分類(lèi)號(hào)：S318? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 論文編號(hào)：cjas18060017

0引言

設(shè)施栽培實(shí)現(xiàn)了蔬菜的反季種植，帶來(lái)了很大的經(jīng)濟(jì)效益。但在生產(chǎn)中出現(xiàn)了為追求高產(chǎn)而過(guò)量施肥的現(xiàn)象，容易引起土壤板結(jié)、酸化和次生鹽漬化等土壤障礙，影響蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。生物炭是一種利用秸稈等農(nóng)林廢棄物，在限氧低溫（350?500℃）條件下熱解炭化產(chǎn)生的高度芳香化難熔性固態(tài)物質(zhì)，具有高比表面積、孔隙度大、呈堿性等優(yōu)良性質(zhì)。生物炭不僅實(shí)現(xiàn)了大量廢棄秸稈的資源化利用，還可作為土壤改良劑改善土壤理化性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，施用不同用量的生物炭后，土壤理化性質(zhì)將會(huì)發(fā)生不同變化。曾愛(ài)等m研究生物炭對(duì)堿性土壤的改良作用，發(fā)現(xiàn)高施用量處理（20 t/hm）比低施用量處理（1 t/hm）更能提高土壤有機(jī)碳和速效鉀含量，但在低施用量處理中堿解氮和有效磷含量顯著提升。生物炭效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間也受到了研究者的關(guān)注。張斌等通過(guò)2年稻田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用生物炭的處理次年全氮含量相比對(duì)照增加了10.7%?13.4%。目前，生物炭研究主要針對(duì)小麥和水稻等糧食作物，在設(shè)施土壤和蔬菜方面的應(yīng)用研究較少。設(shè)施蔬菜土壤由于施肥不當(dāng)易造成土壤酸化和鹽漬化等，利用生物炭發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積大的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)期可以適當(dāng)緩解土壤障礙，改善土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而提高蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。本研究通過(guò)田間試驗(yàn)，設(shè)置不同的生物炭施用梯度，探討生物炭當(dāng)季施用和施用1年后對(duì)設(shè)施連作障礙土壤的改良效應(yīng)，以及對(duì)黃瓜生長(zhǎng)的影響，以期為秸稈資源化利用提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)

研究地點(diǎn)位于北京市昌平陽(yáng)坊鎮(zhèn)后沙澗村的蔬菜溫室，該溫室連續(xù)種植18年蔬菜，土壤質(zhì)地為輕質(zhì)砂壤土。供試生物炭購(gòu)自遼寧金合福農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，為棉花秸稈、鋸末和花生殼3種生物炭的混合物，含水率46%，表1為生物炭和設(shè)施土壤種植前的基本性質(zhì)。在黃瓜生育期內(nèi)常規(guī)施肥，種植前將不同用量的生物炭平鋪在劃定的小區(qū)上，人工施加過(guò)磷酸鈣、尿素和無(wú)機(jī)肥等，并用旋耕機(jī)將之一并旋入土壤中。由于本試驗(yàn)分2年探討不同用量生物炭對(duì)設(shè)施土壤的改良作用，所以分2年設(shè)置不同CK用于對(duì)照，2014年的對(duì)照處理為CK1，2015年的對(duì)照處理為CK2。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)主要分為2個(gè)部分：（1）在2014年施用生物炭，2015年不追施生物炭，研究生物炭在土壤中持續(xù)1年后對(duì)土壤性質(zhì)的影響，處理為CK1（0 t/hm）、T1（10 t/hm）和T2（20 t/hm）;（2）在2015年種植前施用生物炭，研究生物炭當(dāng)季施用對(duì)土壤性質(zhì)的影響，處理為CK2（0 t/hm）、T3（5 t/hm）和T4（15 t/hm）。試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)處理，3次重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為10 m（5 m×2 m）。試驗(yàn)時(shí)間為2015年4一7月，種植一季黃瓜，品種為‘中農(nóng)16號(hào)’。每區(qū)黃瓜50?52株，米用寬窄行栽培。

1.3測(cè)定指標(biāo)

在黃瓜生育期內(nèi)，測(cè)定0?20 cm土層土壤的化學(xué)性質(zhì)和黃瓜產(chǎn)量品質(zhì)性狀指標(biāo)。土壤pH值采用去離子水浸提（水土比5：1）pH計(jì)測(cè)定;土壤EC采用去離子水浸提（水土比5：1）電導(dǎo)率儀測(cè)定;有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定;硝態(tài)氮采用0.01 mol/L CaCl浸提后，流動(dòng)分析儀法測(cè)定;土壤速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定;土壤速效鉀采用1 mol/L中性醋酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定。結(jié)瓜期每隔1?2天采收黃瓜，累加計(jì)算每小區(qū)的總產(chǎn);黃瓜硝酸鹽含量采用濃H2SO4-水楊酸法測(cè)定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定;維生素C含量采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖，利用SPSS Statistics 21統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（Duncan法，α=0.05）。

2結(jié)果與分析

2.1土壤速效磷

在黃瓜生育期內(nèi)，定植期到結(jié)瓜期吸收磷元素較大，0?20 cm土層的土壤速效磷含量整體呈下降趨勢(shì)。施用生物炭提高了土壤中速效磷含量，且2015年當(dāng)季施用的效果明顯。在黃瓜生育期內(nèi)，T3、T4的土壤速效磷含量下降79.86?83.62 mg/kg，明顯小于施炭1年后T1、T2速效磷含量下降幅度94.67?138.85 mg/kg（圖1）。當(dāng)季施炭T3、T4處理與對(duì)照CK2相比，減緩了速效磷的下降幅度14.57%?18.42%。而施炭1年后的T1、T2處理土壤速效磷含量的下降趨勢(shì)與對(duì)照相比增加了25.53%?46.67%。

2.2土壤速效鉀

在黃瓜生育期內(nèi)，黃瓜在結(jié)瓜期對(duì)鉀元素需求量大。種植一季黃瓜后，2015年當(dāng)季施炭T3、T4的土壤速效鉀含量明顯增加，T4處理的速效鉀含量顯著高于CK2和T3，而施炭1年后T1、T2的土壤速效鉀含量下降（圖2）。生物炭施用明顯增加了土壤中的速效鉀含量，不同施用量的生物炭對(duì)設(shè)施土壤0?20 cm土層的速效鉀含量影響顯著（P<0.05）。在黃瓜拉秧后，當(dāng)季施炭T3、T4的土壤速效鉀含量明顯增加59.93?151.98 mg/kg，變化幅度是對(duì)照CK2含量變化的5?13倍。而施炭1年后，T1、T2處理含量低于對(duì)照CK1。

2.3土壤硝態(tài)氮

在黃瓜生育期內(nèi)，0?20 cm土層的土壤硝態(tài)氮含量總體呈下降趨勢(shì)，在結(jié)瓜初期的含量最低。種植一季黃瓜后，土壤硝態(tài)氮含量下降5.20?95.15 mg/kg（圖3）。生物炭不同施用量處理對(duì)設(shè)施土壤硝態(tài)氮含量影響差異顯著（P<0.05），其中，當(dāng)季施炭的T3、T4處理土壤硝態(tài)氮含量平均值分別為76.90、77.15 mg/kg，高于其他施炭T1、T2處理。2015年當(dāng)季施炭T3、T4土壤硝態(tài)氮含量高于CK2，土壤硝態(tài)氮含量明顯增加。

2.4土壤有機(jī)碳

施用生物炭增加了土壤中的有機(jī)碳含量，當(dāng)季施炭T3、T4處理的土壤有機(jī)碳含量增加5.83?8.61 g/kg，增幅是對(duì)照CK2的1.76?2.59倍（圖4）。在黃瓜種植前，2014年施炭處理T1、T2土壤有機(jī)碳含量為27?30 g/kg，均高于對(duì)照CK1。在黃瓜拉秧后，T3、T4處理的土壤有機(jī)碳含量在29?31 g/kg之間，也顯著高于CK2（P<0.05）o但不同施用量的生物炭處理對(duì)0?20 cm土層的土壤有機(jī)碳含量的影響未達(dá)到顯著水平（P>0.05）。

2.5土壤pH值

從黃瓜整個(gè)生育期來(lái)看，土壤pH值變化呈倒“V”型分布，結(jié)瓜初期最高，pH值整體分布在7?8，呈中性到弱堿性。種植一季黃瓜后，土壤總體pH值變化不大。由于生物炭本身呈堿性，pH 9.40，施用生物炭T1?T4處理的土壤pH值總體高于對(duì)照CK1、CK2，T1處理土壤pH值最高為7.53，與對(duì)照相比提高了0?0.22個(gè)單位（圖5）。生物炭的具體施用時(shí)間對(duì)土壤pH值變化影響不大，當(dāng)季施炭T3、T4土壤pH值升高趨勢(shì)并不明顯。

2.6土壤電導(dǎo)率

在黃瓜生育期內(nèi)，土壤電導(dǎo)率（EC）自定植期后呈緩慢上升趨勢(shì)，EC值總體分布在100?300μS/cm之間。施用生物炭處理T1?T4的土壤EC值低于對(duì)照CK1、CK2，說(shuō)明生物炭能有效降低土壤的電導(dǎo)率，減輕土壤鹽害（圖6）。2015年當(dāng)季施用生物炭T3、T4處理降低了土壤EC值55.94?63.03 US/cm，降低幅度是對(duì)照CK2的2倍左右，生物炭當(dāng)季施用對(duì)降低表層土壤電導(dǎo)率的效果顯著（P<0.05）。施炭1年后的T1、T2處理的土壤電導(dǎo)率與對(duì)照相比降低了1%?24%。

2.7施用生物炭對(duì)黃瓜產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

當(dāng)季施炭T3、T4處理的黃瓜總產(chǎn)量高于對(duì)照，比對(duì)照提高了2%?7%，而施炭1年后，T1、T2處理對(duì)黃瓜的產(chǎn)量無(wú)明顯提高作用。黃瓜單瓜重在不同生物炭處理間的差異不顯著，平均值為179.34g（表2）。當(dāng)季施炭T3、T4處理的黃瓜維生素C、可溶性糖含量分別高于對(duì)照處理5.64%?13.26%、17.21%?40.73%，硝酸鹽含量低于對(duì)照0.94%?8.34%，說(shuō)明施炭當(dāng)季可以提高黃瓜果實(shí)中的維生素C和可溶性糖含量，降低黃瓜硝酸鹽含量，總體上改善了黃瓜品質(zhì)。而施炭1年后，T1、T2的黃瓜維生素C和可溶性糖含量分別高于和低于對(duì)照處理1.06%?2.74%、18.43%?23.56%，硝酸鹽含量高于CK1處理0.08%?19.04%，黃瓜的品質(zhì)有所下降，生物炭的促進(jìn)效果不明顯或略有下降。

3結(jié)論

生物炭當(dāng)季施用提高了土壤有效養(yǎng)分含量，施用1年后生物炭的促進(jìn)作用減弱。其中，2015年當(dāng)季施用生物炭T3、T4的土壤速效磷、速效鉀和有機(jī)碳含量明顯高于對(duì)照CK2。T4（15 t/hm）處理的土壤速效鉀和硝態(tài)氮含量顯著高于其他處理。與對(duì)照相比，生物炭減緩了土壤速效磷含量的下降幅度14.57%?18.42%，分別提高了速效鉀和有機(jī)碳含量4.25?12.31、1.76?2.59倍，增加了土壤pH 0?0.22個(gè)單位，生物炭對(duì)降低表層土壤EC效果顯著。而施炭1年后，土壤速效磷和速效鉀含量隨植物吸收而明顯下降。當(dāng)季施用生物炭能有效促進(jìn)黃瓜生長(zhǎng)，提高黃瓜果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)，而施炭1年后其促進(jìn)作用表現(xiàn)并不明顯。當(dāng)季施炭提高了黃瓜品質(zhì)，其中，果實(shí)中維生素C含量提高5.64%?13.26%，可溶性糖含量提高17.21%?40.73%，硝酸鹽含量降低0.94%?8.34%。

4討論

生物炭在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，多數(shù)集中在酸性、養(yǎng)分缺失的熱帶和亞熱帶地區(qū)，但是生物炭在無(wú)明顯養(yǎng)分限制因素的溫帶地區(qū)上的應(yīng)用研究較少。并且對(duì)生物炭的研究多采用溫室盆栽的試驗(yàn)方式，作物生長(zhǎng)周期較短，主要關(guān)注生物炭對(duì)作物生物量和土壤性質(zhì)的短期作用，其試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法直接遞推到田間上應(yīng)用。目前，仍缺乏關(guān)于生物炭在大田尺度上的長(zhǎng)期定點(diǎn)試驗(yàn)方面的研究。在后期的相關(guān)研究中，需要重點(diǎn)關(guān)注生物炭在土壤中的長(zhǎng)期效應(yīng)，綜合分析其對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)，以及土壤微生物方面的影響。整體考慮生物炭的種類(lèi)和施用量，對(duì)土壤性質(zhì)以及不同類(lèi)型的作物產(chǎn)生的具體影響。

4.1當(dāng)季施用生物炭和施用1年后對(duì)土壤養(yǎng)分的作用效果

當(dāng)季施炭改善了土壤的養(yǎng)分狀況，推測(cè)由于生物炭的原料本身秸稈養(yǎng)分較高，施炭當(dāng)季直接供應(yīng)有關(guān)養(yǎng)分，明顯增加了土壤中的有機(jī)碳、速效磷和速效鉀含量，與Kloss等的研究結(jié)果一致。在土壤中施用堿性的生物炭后，生物炭的石灰效應(yīng)能明顯提高酸性土壤的pH值，改善酸性貧瘠土壤的養(yǎng)分狀況。而生物炭在無(wú)明顯土壤障礙的溫帶土壤中的應(yīng)用表明，其促進(jìn)效果不如在酸性土壤中明顯。在本研究中，黃瓜生育期內(nèi)的土壤pH值基本呈中性到弱堿性，設(shè)施土壤本身長(zhǎng)期施用有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥，無(wú)明顯的養(yǎng)分障礙，生物炭對(duì)提高該土壤pH值和養(yǎng)分因子有效性作用較小。

施用生物炭1年后對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響均不如當(dāng)季效果顯著，推測(cè)生物炭在中性土壤中的效果可能是短期的。Quilliam等研究施用25 t/hm和50 t/hm生物炭3年后，生物炭在近中性的無(wú)明顯障礙的土壤中，表現(xiàn)出無(wú)顯著的正向效應(yīng)，而連續(xù)施用新鮮生物炭與對(duì)照相比則差異顯著，表明生物炭對(duì)土壤的作用可能是短期的。同時(shí)土壤pH值呈中性或堿性，可能影響了生物炭對(duì)氮磷有效性的作用。

4.2生物炭施用影響黃瓜生長(zhǎng)的原因

生物炭通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)，影響作物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，從而對(duì)其產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。而本研究中，生物炭不同施用量和施用時(shí)間對(duì)黃瓜的生長(zhǎng)性狀影響均不顯著，推測(cè)可能有以下2個(gè)原因：（1）生物炭對(duì)土壤pH值的改變較小。生物炭可以通過(guò)提高酸性土壤的pH值，降低土壤酸度，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。但生物炭對(duì)近中性或堿性的土壤pH值改變不明顯，本試驗(yàn)土壤呈近中性，滿(mǎn)足黃瓜生長(zhǎng)所需的中性到微酸性土壤酸度要求，所以無(wú)明顯改善作用。（2）生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的改變并不顯著。土壤中無(wú)明顯的養(yǎng)分缺失和障礙問(wèn)題，生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的提高作用可能并不足以顯著促進(jìn)黃瓜的生長(zhǎng)。

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