炭基肥對土壤性質(zhì)以及蔬菜生長的影響

潘潤 杲悅悅 任國宇

摘要 [目的]促進(jìn)炭基肥的研究和農(nóng)用。[方法]采用盆栽試驗(yàn)，研究炭基肥和復(fù)合肥不同施用對土壤部分化學(xué)性質(zhì)、養(yǎng)分狀況及3種不同品種蔬菜（奶油小白菜、四季小白菜、小青菜）植株養(yǎng)分、SPAD值及產(chǎn)量的影響。[結(jié)果]與普通復(fù)合肥相比，炭基肥可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和陽離子交換量，蔬菜葉片SPAD值、產(chǎn)量、植株全磷和全鉀含量。[結(jié)論]生物炭基肥可部分替代傳統(tǒng)化肥，降低化學(xué)肥料的施用量，但不會影響產(chǎn)量;還能促進(jìn)蔬菜對全磷、全鉀養(yǎng)分的吸收利用并保持生物炭改良土壤的功能。

關(guān)鍵詞 炭基肥;復(fù)合肥;蔬菜;養(yǎng)分;產(chǎn)量

中圖分類號 S158;S634.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2020）21-0159-03

Abstract [Objective]To facilitate the research and application of carbonbased fertilizer in agriculture. [Method]The pot experiment was conducted to study the effects of carbonbased fertilizer and compound fertilizer on soil chemical properties， soil nutrients， and the nutrients， SPAD value and yield of three different vegetables（cream cabbage， four seasons cabbage， green stuff）. [Result]Compound with compound fertilizer， carbonbased fertilizer could significantly increase soil organic matter， cation exchange capacity（CEC）， SPAD value， yield， the total phosphorus and potassium contents in vegetables. [Conclusion]Carbonbased fertilizer can partially replace traditional chemical fertilizer and reduce the amount without affecting the yield of vegetables;it can also promote the absorption and utilization of total phosphorus and potassium nutrients in vegetables and maintain the biochars function in improving soil.

Key words Carbonbased fertilizer;Compound fertilizer;Vegetable;Nutrient;Yield

基金項(xiàng)目 南京市重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科《環(huán)境科學(xué)與工程》項(xiàng)目（2018ZHDXK1）;2020年度江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（202011460082H）。

作者簡介 潘潤（1998—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，從事植物營養(yǎng)與肥料研究。*通信作者，教授，博士，從事土壤污染修復(fù)研究。

收稿日期 2020-04-14

隨著我國人口數(shù)量增加和城鎮(zhèn)化進(jìn)程推進(jìn)，對蔬菜的需求量不斷增加。為了提高產(chǎn)量，人們在蔬菜種植生產(chǎn)過程中大量施用傳統(tǒng)化學(xué)肥料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014—2016年我國蔬菜生產(chǎn)年均化肥施用總量1 086.0萬t，占化肥施用總量的18.0%[1]，長期大量施用化肥不但加大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，還會造成土壤性質(zhì)惡化并污染生態(tài)環(huán)境。盡管施用有機(jī)肥可以提高土壤肥力和改善蔬菜品質(zhì)[2]，但受經(jīng)濟(jì)效益和管理方式的影響，目前我國蔬菜生產(chǎn)中仍主要施用無機(jī)化學(xué)肥料。因此，在保證蔬菜產(chǎn)量和效益的基礎(chǔ)上，通過改善施肥種類來解決肥料浪費(fèi)、養(yǎng)分利用率低、蔬菜品質(zhì)和土壤質(zhì)量下降的現(xiàn)狀是蔬菜生產(chǎn)中亟需解決的關(guān)鍵問題[3]。

炭基肥是將生物質(zhì)炭按一定比例與氮磷鉀復(fù)合肥混合制成3～4 mm的炭基肥顆粒，可以彌補(bǔ)單純施用生物質(zhì)炭或氮磷鉀復(fù)合肥的不足。研究表明，炭基肥能夠提高農(nóng)田菜地土壤肥料利用率[4]以及土壤保肥能力[5]。但關(guān)于炭基肥施用對菜地土壤性質(zhì)、蔬菜養(yǎng)分吸收及養(yǎng)分狀況和產(chǎn)量的影響研究較少。為進(jìn)一步研究炭基肥在蔬菜種植中的應(yīng)用，筆者以奶油小白菜、四季小白菜和小青菜為試驗(yàn)材料，通過盆栽試驗(yàn)，研究炭基肥對土壤性質(zhì)以及蔬菜養(yǎng)分吸收與產(chǎn)量的影響，以期為生物質(zhì)炭基肥的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

土壤樣品采自南京曉莊學(xué)院江寧方山校區(qū)土壤，土壤類型為黃棕壤，土壤基本理化性質(zhì)為pH 6.77、有機(jī)質(zhì)含量14.7 g/kg、陽離子交換量20.60 cmol/kg、全氮含量1.00 g/kg、速效鉀含量29.72 mg/kg、有效磷含量22.40 mg/kg。

供試肥料：供試復(fù)合肥購自合肥麗科農(nóng)業(yè)有限公司，總養(yǎng)分含量為 51%，N-P2O5-K2O=17-17-17。供試炭基肥購自勤豐眾成生物質(zhì)新材料（南京）有限公司，生物質(zhì)原料為小麥和稻殼炭，將生物質(zhì)炭按一定比例與氮磷鉀肥混合制成3～4 mm的炭基肥顆粒，含水率在20%左右，其中生物質(zhì)≥40%，總養(yǎng)分含量為40%，N-P2O5-K2O=15-10-15。

供試植物：小青菜購于南京嘉華農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，品種為“不結(jié)球白菜”，奶油小白菜購自鄭州市方震種子有限公司，品種為“黃金奶油小白菜”，四季小白菜購自齊魯綠源有限公司，品種為“四季小白菜”。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

室外盆栽培養(yǎng)試驗(yàn)，共設(shè)6 個處理：①施用復(fù)合肥的奶油小白菜（T1），施用炭基肥的奶油小白菜（T2）;②施用復(fù)合肥的四季小白菜（T3），施用炭基肥的四季小白菜（T4）;③施用復(fù)合肥的小青菜（T5），施用炭基肥的小青菜（T6）。每個處理重復(fù)3次。按照每盆1 000 g土裝入圓形塑料花盆中（盆高10.7 cm，外口直徑18 cm，內(nèi)口直徑15.5 cm，底口直徑10.1 cm），2019年9月23日將炭基肥和復(fù)合肥一次性按照0.3 gN/kg施入，即T2、T4、T6處理施入炭基肥2 g，T1、T3、T5處理施入復(fù)合肥1.764 7 g，次日分別將種子播入土壤中，不再追肥，待其生長至幼苗期后將每盆定植為3株，隨機(jī)擺放于室外。試驗(yàn)期間定期用去離子水給作物澆水，每隔3～5 d將花盆重新擺放一次，使蔬菜生長條件盡量保持一致，于2019年11月8日收獲，共生長46 d。

1.3 樣品采集及分析

1.3.1 土壤樣品采集與測定。

裝盆前采集基礎(chǔ)土樣，收獲后采集收獲期土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，在陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，研磨，過篩后裝袋備用。pH 采用無 CO2蒸餾水1∶2.5土水比浸提，pH玻璃電極測定[6];有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[6];陽離子交換量（CEC）采用乙酸銨交換法測定[7];有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬藍(lán)比色法測定[6];速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度法[6]測定。

1.3.2 SPAD值的測定。

收獲時，蔬菜葉片中葉綠素用日本產(chǎn)SPAD 502Plus葉綠素測定儀測定3株植物葉片中心處的SPAD值，計(jì)算每盆中3株植物SPAD的平均值。

1.3.3 植物養(yǎng)分測定。

植物成熟后整株收獲，分根部和地上兩部分收集鮮樣，稱取地上部分鮮重記錄數(shù)據(jù)。經(jīng)105 ℃殺青30 min，然后70 ℃下烘干至恒重，粉碎后測定養(yǎng)分含量。用H2SO4-H2O2消煮擴(kuò)散法定氮，用鉬銻抗比色法測定植株全磷含量;用火焰分光光度計(jì)法測定植株全鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010和Origin 2016軟件進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 炭基肥對土壤pH和CEC的影響

2.1.1 pH。

從表1可以看出，施用復(fù)合肥和炭基肥后，土壤pH較未施肥前原土pH均呈下降趨勢，復(fù)合肥施用的T1、T3、T5處理下降了8.71%～10.19%，炭基肥施用的T2、T4、T6處理下降了6.50%～8.27%。炭基肥施用的下降幅度比復(fù)合肥施用的下降幅度小，除小青菜之間存在顯著差異（P<0.05）外，其他處理之間無顯著差異。復(fù)合肥施用使土壤酸化，炭基肥可以緩解這種變化。盧廣遠(yuǎn)等[8]研究表明，施用炭基肥料能調(diào)節(jié)土壤pH向中性靠近。

2.1.2 CEC。

從表1可以看出，與普通復(fù)合肥相比，炭基肥對土壤CEC均有不同程度提高，且均高于原土CEC值20.60 cmol/kg。炭基肥處理種植小青菜（T6）土壤CEC比復(fù)合肥處理土壤（T5）有顯著提高（P<0.05），其余2種蔬菜也有一定比例的提高，但無顯著差異。生物炭對土壤CEC的改善作用與生物炭在生物和非生物的作用下氧化產(chǎn)生如羧基等類的官能團(tuán)有關(guān)，從而導(dǎo)致土壤CEC的增加[9]，該研究試驗(yàn)時間并不長，且施肥量不大，肥料與土壤作用時間較短，可能需要進(jìn)一步長期試驗(yàn)可以看到更顯著的變化。

2.2 炭基肥對土壤養(yǎng)分的影響

2.2.1 有機(jī)質(zhì)。

從表2可以看出，與普通復(fù)合肥相比，炭基肥對土壤有機(jī)質(zhì)均有不同程度提高，且均高于原始土壤有機(jī)質(zhì)含量14.7 g/kg，其中四季小白菜提升比例最大，為19.02%，但差異不顯著。種植奶油小白菜、四季小白菜、小青菜下施用炭基肥較復(fù)合肥均有一定程度提高。楊勁峰等[10]研究表明，施用炭基肥可提高土壤有機(jī)質(zhì)，且效果顯著。

2.2.2 速效養(yǎng)分。

由表2可知，相對于原土有效磷含量（22.40 mg/kg）、速效鉀含量（29.72 mg/kg），6種處理土壤有效磷和速效鉀含量均顯著提升。復(fù)合肥施用下3種蔬菜有效磷的提升比例在43.32%～55.52%，速效鉀的提升比例在14.53%～52.25%，炭基肥施用下3種蔬菜有效磷的提升比例在36.45%～47.36%，速效鉀的提升比例在5.34%～46.18%。說明施用復(fù)合肥和炭基肥對提升土壤速效養(yǎng)分均有一定的促進(jìn)作用，復(fù)合肥施用下土壤速效養(yǎng)分效果優(yōu)于炭基肥，原因可能是供試的復(fù)合肥磷和鉀含量略高于炭基肥;另一方面，可能是炭基肥的保肥性能較好，生物炭對鉀、磷的吸附作用較強(qiáng)，緩慢釋放。

2.3 炭基肥對3種蔬菜植株養(yǎng)分含量的影響

由表3可知，復(fù)合肥施用下3種蔬菜中全氮含量均高于炭基肥，提升比例在6.27%～11.34%，但無顯著差異。炭基肥施用下四季小白菜和小青菜全磷和全鉀含量較復(fù)合肥施用下均有一定提高，提升比例在1.74%～6.67%，其中四季小白菜提升比例最大，且差異顯著（P<0.05）。綜上所述，炭基肥施用可以提升蔬菜中全磷和全鉀含量，而復(fù)合肥施用下3種蔬菜全氮含量高于炭基肥。以一定配比混合施用復(fù)合肥和炭基肥可以提高氮肥利用率，提高植物全磷、全鉀含量，促進(jìn)植物生長。謝發(fā)萍等[11]研究表明化肥配施高量炭基肥可促進(jìn)生菜對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收利用。

2.4 炭基肥對3種蔬菜葉片葉綠素含量的影響

以葉綠素儀測得的SPAD值來表征葉片葉綠素含量，植株葉片葉綠素含量與葉片氮素營養(yǎng)有很好的相關(guān)性[12]。不同施肥處理對3種蔬菜葉綠素含量及產(chǎn)量的影響見表4。由表4可知，施用炭基肥下奶油小白菜、四季小白菜、小青菜的葉綠素含量較復(fù)合肥施用下均有提高，提升比例在5.93%～11.56%，其中四季小白菜提升比例最大，為11.56%，且差異顯著（P<0.05）。這說明施用炭基肥，蔬菜生長良好，較復(fù)合肥有利于蔬菜光合作用。

2.5 炭基肥對3種蔬菜產(chǎn)量的影響

由表4可知，與普通復(fù)合肥相比，炭基肥施用下3種蔬菜產(chǎn)量均有所提高，T2較T1處理產(chǎn)量提高5.88%，但無顯著差異。T4較T3處理產(chǎn)量顯著提高23.14%，T6較T5處理產(chǎn)量顯著提高32.02%。由此可知，施用合適的炭基肥有利于提高蔬菜的產(chǎn)量，且效果優(yōu)于普通復(fù)合肥。

3 結(jié)論與討論

該試驗(yàn)中復(fù)合肥使土壤酸化，炭基肥因?yàn)閺?fù)合了呈堿性的生物質(zhì)炭，減輕了化學(xué)肥料對土壤的酸化效果。該試驗(yàn)施用炭基肥較復(fù)合肥能夠更好地提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，但由于生物炭結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，在土壤中難以被氧化，短暫的盆栽作物試驗(yàn)，尚不能確定有多少外引生物炭轉(zhuǎn)化為土壤結(jié)構(gòu)中的碳。但施用炭基肥可將部分大氣CO2以穩(wěn)定的生物炭形式封存于土壤中，有助于降低大氣中的CO2水平，這對減緩溫室效應(yīng)具有重要意義。研究表明，我國每年可供生物炭生產(chǎn)的農(nóng)林生物質(zhì)資源總量為6.04×108 t;溫室效應(yīng)凈潛力（以CO2e計(jì)，CO2e為CO2當(dāng)量）為5.32×108 t，相當(dāng)于1 t原料可封存0.88 t[13]。該研究中炭基肥施用下四季小白菜和小青菜全磷和全鉀含量較復(fù)合肥施用下均有一定提高。說明炭基肥能夠促進(jìn)蔬菜植株全磷、全鉀含量，促進(jìn)植物生長，復(fù)合肥施用下3種蔬菜全氮含量均高于炭基肥施用下3種蔬菜全氮含量，因此可以以一定配比混合施用復(fù)合肥和炭基肥提高氮肥利用率，促進(jìn)蔬菜對養(yǎng)分的吸收。與普通復(fù)合肥相比，炭基肥能夠一定程度提高蔬菜SPAD值及產(chǎn)量，且差異顯著（P<0.05），施用炭基肥蔬菜生長良好，有利于蔬菜光合作用。

因此，炭基肥將是未來生物炭農(nóng)用的新方向，生物炭基肥農(nóng)用不僅解決了長期施用化肥對土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)量的破壞，減少對生態(tài)環(huán)境的污染和破壞，且對于緩解我國嚴(yán)峻的溫室氣體排放壓力具有巨大潛力。 但目前關(guān)于生物炭基肥的研究仍處于初級階段，制備生物炭基肥的生物炭與肥料的混合比、實(shí)際施用量的不同對土壤與作物產(chǎn)生作用的差異，還未有深入研究[14]。生物炭基肥施用后產(chǎn)生的效果未在不同地域、不同環(huán)境條件下進(jìn)行長期、定位對比試驗(yàn)[14]，是今后需要加強(qiáng)研究的。

參考文獻(xiàn)

[1]徐洋，楊帆，張衛(wèi)峰，等.2014-2016年我國種植業(yè)化肥施用狀況及問題[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2019，25（1）：11-21.

[2]應(yīng)金耀，阮弋飛，鄔奇峰，等.有機(jī)肥配施生物質(zhì)炭對土壤肥力與蔬菜生長的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2019，35（16）：82-87.

[3]李大偉，周加順，潘根興，等.生物質(zhì)炭基肥施用對蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)以及氮素農(nóng)學(xué)利用率的影響[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，39（3）：433-440.

[4]于南卓.生物炭及炭基肥料對小白菜、油菜及玉米的生長和土壤養(yǎng)分的影響[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

[5]冉宗信.生物炭基肥料的制備方法及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2019，25（9）：116-118.

[6]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].3版.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000：12，30-34，49-56，81-83，106-108，169-172.

[7]張力平，張臺凡，魏斌，等.凱氏定氮儀測定土壤陽離子交換量方法優(yōu)化[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2018（7）：22，27.

[8]盧廣遠(yuǎn)，張艷，王祥福，等.炭基肥料種類對土壤物理性質(zhì)及玉米產(chǎn)量的影響[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，15（5）：50-53.

[9]夏璐，趙蕊，金海燕，等.生物炭對土壤理化性質(zhì)及玉米生長影響的研究進(jìn)展[J].天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，25（2）：64-69.

[10]楊勁峰，江彤，韓曉日，等.連續(xù)施用炭基肥對花生土壤性質(zhì)和產(chǎn)量的影響[J].中國土壤與肥料，2015（3）：68-73.

[11]謝發(fā)萍，高亮，李苗苗，等.炭基肥與化肥配施對生菜養(yǎng)分吸收與產(chǎn)量的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（21）：163-165.

[12]楊虹霞，龍春瑞，劉紅明，等.不同檸檬品種葉片SPAD值、氮素含量與葉綠素含量相關(guān)性分析[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，39（8）：22-28.

[13]姜志翔，鄭浩，李鋒民，等.生物炭技術(shù)緩解我國溫室效應(yīng)潛力初步評估[J].環(huán)境科學(xué)，2013，34（6）：2486-2492.

[14]余慧敏，郭熙.生物炭與生物炭基肥利用研究進(jìn)展[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，24（12）：82-86.