沼渣生物質(zhì)炭對西南喀斯特山區(qū)沼液灌溉土壤氮淋溶和白菜產(chǎn)量的影響

江 濤，王立國，孫芳芳，成劍波，*，何騰兵，秦 松，范成五，陰文芳

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州大學(xué) 新農(nóng)村發(fā)展研究院，貴州 貴陽 550025； 3.貴州省山地畜禽養(yǎng)殖污染控制與資源化技術(shù)工程實驗室，貴州 貴陽 550025； 4.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006)

我國西南喀斯特山區(qū)以貴州等地最為典型，當(dāng)?shù)氐纳降乇壤_(dá)92.5%，年降水量1 100～1 400 mm，水土流失嚴(yán)重，碳酸鹽發(fā)育土壤厚度在30～50 cm，土層瘠薄，土壤滲透系數(shù)較大(0.3～0.6)[16-17]。蔬菜是該區(qū)域的特色發(fā)展產(chǎn)業(yè)和扶貧產(chǎn)業(yè)。2019年，貴州省蔬菜種植面積達(dá)111.7萬hm2，產(chǎn)量2 497.8萬t，產(chǎn)值642.2億元[18]。本研究特選擇貴州省的主要種植蔬菜——白菜為供試作物，以貴州主要土壤類型——黃壤和石灰土為研究材料，在溫室大棚開展模擬沼液灌溉的盆栽試驗，探討施用沼渣生物質(zhì)炭對黃壤和石灰土氮淋溶，及白菜產(chǎn)量的影響，以期為該區(qū)域的農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)和白菜生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試白菜品種為貴蔬華早三號。

供試黃壤、石灰土采自黔中山地某2個相鄰的有機(jī)肥-化肥混施的玉米地塊表層(0～20 cm)，取樣點的地理坐標(biāo)分別為(26°26′27.99″N，106°46′30.39″E)、(26°26′19.91″N，106°46′35.22″E)。土壤樣本采回后，風(fēng)干，過4 mm篩，混勻備用。

1.2 試驗設(shè)計

盆栽試驗于2020年10月—2021年1月在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所溫室大棚進(jìn)行。共設(shè)置5個處理：CK，未添加生物質(zhì)炭的空白處理；BC1，生物質(zhì)炭添加比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)1%；BC2，生物質(zhì)炭添加比例2%；BC4，生物質(zhì)炭添加比例4%；BC6，生物質(zhì)炭添加比例6%。每個處理重復(fù)3次，每個重復(fù)對應(yīng)2盆盆栽，共30盆盆栽。

供試盆為內(nèi)徑10.5 cm、高19.5 cm的塑料盆，盆底填有經(jīng)稀酸清洗過的1 cm厚的石英砂層。用醫(yī)用紗布隔開石英砂層與土壤。盆底具孔，并懸空，以供淋溶出水。在盆正下方為半徑10 cm的淋溶出水集液盤。生物質(zhì)炭與風(fēng)干土(容重1.20 g·cm-3)混勻后，向每盆中添加2.0 kg，然后進(jìn)行預(yù)飽和，按照土壤飽和含水率70%的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)入自來水，靜置5 d后，每盆移栽1株長勢均勻的苗期白菜。試驗共持續(xù)72 d，至白菜成熟期收獲后結(jié)束。

磷肥(以P2O5計)、鉀肥(以K2O計)均按105 kg·hm-2的量以基肥形式施入，氮肥(以N計)按240 kg·hm-2的量以沼液灌溉形式施入。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)事習(xí)慣，沼液自來水稀釋液按每次18.7 mm的量入灌6次，每次間隔8～10 d。其中：白菜苗期1次，沼液稀釋25倍入灌，施氮量48 kg·hm-2；蓮座期2次，每次沼液稀釋18.7倍入灌，每次施氮量36 kg·hm-2；結(jié)球期3次，每次沼液稀釋20.8倍入灌，每次施氮量40 kg·hm-2。各處理在白菜各生育期的施氮量一致，苗期、蓮座期、結(jié)球期的比例為1.0∶1.5∶2.5。

1.3 采樣與分析

2021-01-20收獲白菜，稱量鮮重，然后于105 ℃殺青30 min，65 ℃烘至恒重并稱量[19]，計算白菜含水量。烘干樣品粉碎后，經(jīng)H2SO4-H2O2消煮，用全自動化學(xué)間斷分析儀測定植株TN含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用IBM SPSS Statistics 21軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，顯著性水平選定為α=0.05。對于差異顯著的，采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼渣生物質(zhì)炭對土壤氮淋溶的影響

圖1 黃壤和石灰土上氮淋溶的動態(tài)變化Fig.1 Dynamic of nitrogen leaching in yellow soil and calcareous soil

同一土壤類型下，柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters indicated significant difference within treatments at P<0.05 under the same soil type. The same as below.圖2 黃壤和石灰土上的氮素淋溶量Fig.2 Nitrogen leaching rate in yellow soil and calcareous soil

2.2 沼渣生物質(zhì)炭對土壤氮含量的影響

在黃壤上：苗期、蓮座期，添加沼渣生物質(zhì)炭會顯著增加土壤TN含量，BC6、BC4處理的土壤TN含量均顯著高于CK；結(jié)球期，各處理間無顯著差異；成熟期，添加沼渣生物質(zhì)炭反而會顯著降低土壤TN含量，CK處理的TN含量顯著高于BC2、BC4處理(圖3)。在石灰土上，添加沼渣生物質(zhì)炭在各時期可顯著降低土壤TN含量。

圖3 白菜各生育期的土壤氮素含量Fig.3 Soil nitrogen contents in different growth stages of cabbage

2.3 沼渣生物質(zhì)炭對土壤氮素轉(zhuǎn)化酶活性的影響

在黃壤和石灰土上，土壤蛋白酶活性均表現(xiàn)為苗期、蓮座期較高，結(jié)球期、成熟期較低(圖4)。在黃壤上，各時期BC6處理的土壤蛋白酶活性均顯著低于CK處理，說明在本試驗條件下，添加相對高量的沼渣生物質(zhì)炭可降低黃壤上土壤蛋白酶的活性。在石灰土上，除結(jié)球期BC6處理的土壤蛋白酶活性顯著高于CK外，其他時期兩者并無顯著差異。

圖4 白菜各生育期的土壤酶活性Fig.4 Soil enzymes activities in different growth stages of cabbage

在黃壤上，除苗期各處理的土壤脲酶活性無顯著差異外，其他處理均以CK處理的土壤脲酶活性最低，BC4處理的土壤脲酶活性最高，且兩者差異顯著。在石灰土上，添加沼渣生物質(zhì)炭將降低土壤脲酶活性，除成熟期外，其他時期均以BC6處理的土壤脲酶活性最低，且顯著低于CK。

在黃壤上：苗期和蓮座期，添加沼渣生物質(zhì)炭會顯著增加土壤羥胺脫氫酶活性，如苗期BC1和BC2處理的土壤羥胺脫氫酶活性顯著高于CK，蓮座期BC6處理的土壤羥胺脫氫酶活性顯著高于CK；而在結(jié)球期和成熟期，添加沼渣生物質(zhì)炭卻會顯著降低土壤羥胺脫氫酶活性，BC6處理的土壤羥胺脫氫酶活性在這2個時期均顯著低于CK?？偟膩砜矗S壤上各處理的土壤羥胺脫氫酶活性在蓮座期最高。在石灰土上：除蓮座期BC6處理的土壤羥胺脫氫酶活性顯著高于CK外，其他時期添加生物質(zhì)炭處理的土壤羥胺脫氫酶活性與CK相比并無顯著差異。

在黃壤上：苗期和成熟期，添加沼渣生物質(zhì)炭會顯著降低土壤硝酸還原酶活性，如苗期CK處理的土壤硝酸還原酶活性顯著高于除BC1外的其他處理，成熟期CK處理的土壤硝酸還原酶活性顯著高于其他處理；而在蓮座期和結(jié)球期，添加沼渣生物質(zhì)炭會顯著增加土壤硝酸還原酶活性，如BC6處理的土壤硝酸還原酶活性在這2個時期就顯著低于CK?？偟膩砜?，黃壤上各處理的土壤硝酸還原酶活性在苗期最高。與黃壤相比，石灰土上的土壤硝酸還原酶活性較高，但其整體變化趨勢與黃壤相似：苗期和成熟期，添加沼渣生物質(zhì)炭會顯著降低土壤硝酸還原酶活性；而在蓮座期和結(jié)球期，添加沼渣生物質(zhì)炭可顯著增加土壤硝酸還原酶活性。

在黃壤和石灰土上，土壤亞硝酸還原酶活性均表現(xiàn)為苗期、蓮座期較高，結(jié)球期、成熟期較低。在黃壤上，除成熟期各處理間無顯著性差異外，其他時期均表現(xiàn)為BC6處理的土壤亞硝酸還原酶活性顯著低于CK、BC1、BC2處理。在石灰土上：成熟期，BC6處理的土壤亞硝酸還原酶活性最高，顯著高于CK和BC1處理；而其他時期，BC6處理的土壤亞硝酸還原酶活性均顯著低于CK、BC1、BC2處理，與黃壤上的表現(xiàn)一致。

2.4 沼渣生物質(zhì)炭對白菜氮素吸收和產(chǎn)量的影響

與CK相比：在黃壤上，添加沼渣生物質(zhì)炭處理的白菜氮素吸收量無顯著變化；在石灰土上，BC1、BC4和BC6處理的白菜氮素吸收量顯著增高，且以BC6處理最高，達(dá)到60.15 kg·hm-2(圖5)。

圖5 各處理的白菜產(chǎn)量及其氮素吸收量Fig.5 Yield and nitrogen uptake of cabbage under different treatments

在黃壤和石灰土上施用沼渣生物質(zhì)炭，均有使白菜增產(chǎn)的效果，添加沼渣生物質(zhì)炭各處理的白菜產(chǎn)量均顯著高于CK，增幅分別在29.82%～68.78%和23.58%～79.07%。在黃壤上，BC4處理的白菜產(chǎn)量最高(13.81 t·hm-2)；在石灰土上，BC6處理的白菜產(chǎn)量最高(9.01 t·hm-2)。

方差分析結(jié)果顯示，土壤類型對白菜產(chǎn)量和白菜氮素吸收量均有顯著影響：黃壤上的白菜氮素吸收量更高，較石灰土上白菜的氮素吸收量高出32.16～49.10 kg·hm-2，其白菜產(chǎn)量亦顯著更高。

3 討論

3.1 沼渣生物質(zhì)炭對土壤氮淋溶的影響

3.2 沼渣生物質(zhì)炭對土壤氮素和酶活性的影響

3.3 沼渣生物質(zhì)炭對白菜氮素吸收和產(chǎn)量的影響

在石灰土上，沼渣生物質(zhì)炭處理的白菜氮素吸收量增加9.25～19.13 kg·hm-2，其中，BC6處理的白菜氮素吸收量最高，較CK增加46.6%。這與柳瑞等[40]在晚稻抽穗期減氮40%配施生物質(zhì)炭，水稻植株吸氮量顯著高于常規(guī)施氮和單純減氮處理(增幅34.8%～52.4%)的結(jié)果較為一致。白菜氮素吸收量增加，一方面，可能是由于添加生物質(zhì)炭提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，促進(jìn)了作物對土壤速效養(yǎng)分的吸收，且生物質(zhì)炭發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積可以提高土壤對養(yǎng)分的吸持和緩釋[41]；另一方面，可能是由于施用沼渣生物質(zhì)炭降低了土壤亞硝酸還原酶活性，抑制了土壤的反硝化作用，從而減少了氮素?fù)p失，且生物質(zhì)炭含有的不穩(wěn)定碳源可實現(xiàn)短期的微生物固氮，增加氮素在土壤中的停滯時間，從而提高白菜氮素吸收量。

氮素吸收與干物質(zhì)積累和產(chǎn)量密切相關(guān)，在氮素吸收增加的情況下，黃壤和石灰土上的白菜產(chǎn)量均顯著增加。這與其他大部分研究的結(jié)果一致。張偉明等[42]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，添加生物質(zhì)炭后水稻產(chǎn)量增加，且以加20 g·kg-1生物質(zhì)炭處理的產(chǎn)量增加最多，比對照提高33.2%。在巴西亞馬遜地區(qū)土壤中施加11 t·hm-2的生物質(zhì)炭，高粱和水稻產(chǎn)量增加約75%[43]。但也有研究報道，生物質(zhì)炭對作物產(chǎn)量無顯著影響。張斌等[44]將20、40 t·hm-2生物質(zhì)炭連續(xù)2 a施用于稻田，未對水稻產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響。本研究中，生物質(zhì)炭施入土壤后，其多微孔結(jié)構(gòu)和吸附的氮素有助于調(diào)節(jié)土壤水、氣、養(yǎng)分條件[45]，從而為白菜根系生長及其生理代謝提供良好的生態(tài)環(huán)境。黃壤上白菜產(chǎn)量和氮素吸收量均遠(yuǎn)高于石灰土，可能是由于前者蛋白酶和脲酶活性都更高，土壤供應(yīng)氮素的能力相對更強(qiáng)，有助于促進(jìn)白菜根系吸收更多的氮素并運(yùn)輸至地上部，從而增加白菜產(chǎn)量和氮素吸收量。