生物質(zhì)炭對雨養(yǎng)旱作區(qū)娃娃菜生長及水肥利用效率的影響

曹少娜，李玉蓮，李 穎，張倩男，王 倩

（寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院，寧夏 固原 756000）

雨養(yǎng)菜地是一種特殊的旱地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，其具有高施肥量、高復(fù)種指數(shù)、高經(jīng)濟效益、高頻度農(nóng)事操作等特點。但生產(chǎn)中為追求高產(chǎn)而過量施肥，造成土壤板結(jié)、酸化和次生鹽漬化，養(yǎng)分大量流失、微生物活性和豐度下降以及有毒重金屬活化等問題，影響蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。而土壤pH、容重、總孔隙度及養(yǎng)分含量等性質(zhì)對作物生長和水肥利用效率有重要影響。

近年來生物質(zhì)炭作為一種土壤改良材料逐漸被人們認(rèn)可，生物質(zhì)炭化技術(shù)也成為一項全新的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、安全的新技術(shù)［1-2］。生物質(zhì)炭（生物炭或生物黑炭）是由植物生物質(zhì)（或生物有機材料）在無氧或者部分缺氧情況下經(jīng)高溫?zé)崃呀夂螽a(chǎn)生的一類高度芳香化難溶性固體產(chǎn)物，具有富碳、高孔隙、高比表面積、強吸附性等特點［3-4］。生物質(zhì)炭不僅實現(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)，提高土壤肥力，增強生物固氮能力，并且在保持土壤養(yǎng)分、提高土壤持水能力、促進(jìn)植物生長、提高植物抵抗病蟲害能力［5-6］、改善土壤微生物學(xué)特性能力［7-9］和減少溫室氣體排放等方面表現(xiàn)出巨大潛力，已有研究發(fā)現(xiàn)，施用不同用量的生物質(zhì)炭后，土壤理化性質(zhì)將會發(fā)生不同變化，尤其在酸化土壤、黏重土壤、鹽漬化土壤以及肥力低、結(jié)構(gòu)差的土壤中效果更為顯著。

目前，生物質(zhì)炭的研究主要集中在低緯度熱帶、亞熱帶地區(qū)的偏酸性或風(fēng)化嚴(yán)重的土壤和花生、水稻、玉米等糧食作物上。而對于溫帶地區(qū)中性、偏堿性土壤效應(yīng)及其農(nóng)用效應(yīng)和雨養(yǎng)旱地蔬菜作物上的研究報道相對較少。本文針對寧南山區(qū)水資源短缺、化肥過量施用、土壤環(huán)境惡化、農(nóng)作物秸稈利用率低等問題，通過田間試驗研究不同秸稈生物質(zhì)炭添加量和氮肥配施條件下對雨養(yǎng)旱作區(qū)娃娃菜生長、產(chǎn)量和品質(zhì)及土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性、水肥利用效率的影響，探究秸稈生物質(zhì)炭對娃娃菜產(chǎn)量和水肥利用效率的影響機理，確定出適合寧南山區(qū)雨養(yǎng)旱作娃娃菜的最佳秸稈生物質(zhì)炭添加量，以期為我區(qū)雨養(yǎng)菜地土壤培肥以及蔬菜安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試娃娃菜品種為金皇后，由固原豐樂園農(nóng)業(yè)科技有限公司提供，供試生物質(zhì)炭由寧夏榮華生物質(zhì)新材料科技有限公司提供，生物質(zhì)炭生產(chǎn)原料為玉米秸稈，炭化溫度約為450 ℃，供試肥料：氮肥為尿素（N 46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O512%），鉀肥為硫酸鉀（K2O 52%）。供試生物質(zhì)炭和供試土壤理化性質(zhì)見表1 和2。

表1 供試生物質(zhì)炭理化性質(zhì)

表2 供試土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2020 年5 ～7 月在寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院隆德觀莊試驗基地進(jìn)行，于4 月10 日開始育苗，5 月12 日定植。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)8 個處理，分別記為T1（未施氮肥，未添加生物質(zhì)炭）、T2（未施氮肥，添加生物質(zhì)炭10 t·hm-2）、T3（未施氮肥，添加生物質(zhì)炭20 t·hm-2）、T4（ 未 施 氮 肥， 添 加 生 物 質(zhì) 炭30 t·hm-2）、T5（施氮肥，未添加生物質(zhì)炭）、T6（施氮肥，添加生物質(zhì)炭10 t·hm-2）、T7（施氮肥，添加生物質(zhì)炭20 t·hm-2）、T8（施氮肥，添加生物質(zhì)炭30 t·hm-2），每處理重復(fù)3 次，共24 個小區(qū)，小區(qū)長6 m，寬4 m。T1 ～T4 處理，每處理化學(xué)肥料施用量為1.29 kg，折算磷（P2O5）和鉀（K2O）肥的施用量分別為0.07 和1.22 kg；T5 ～T8 處理，每處理化學(xué)肥料施用量為2.37 kg，其中折算氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K5O）肥的施用量分別為1.08、0.07 和1.22 kg。磷肥和鉀肥作為基肥一次性施入土壤，氮肥分為不同生育期施入，其中基肥∶結(jié)球期4 ∶6。將生物質(zhì)炭與化肥混勻后，均勻撒施，再用旋耕機旋地，最后利用機械起壟覆膜。每小區(qū)起4 壟，壟寬80 cm，溝寬50 cm，采用一壟三行栽培模式，其中，株距25 cm，行距30 cm，每小區(qū)定植204 株。整個生育期病蟲害防治等田間管理措施與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)管理措施保持一致。

1.3 測定指標(biāo)和方法

試驗地定植前和收獲后土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性的測定。施基肥前和收獲后用S 法采0 ～20 cm 土層的混合土樣，風(fēng)干，過0.25 mm 篩測定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)（主要是堿解氮、有效磷、速效鉀、容重、有機質(zhì)、總孔隙度、pH 和CEC）和土壤酶（脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶）活性。

娃娃菜生長指標(biāo)的測定。不同生育期，每處理隨機選擇10 株，測定其株高、株幅投影面積、葉綠素含量；采收時，每處理隨機選擇3 株，采用根系掃描儀EpsonPerfectionV850 Pro 進(jìn)行掃描，并用根系掃描儀、形態(tài)學(xué)和結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用系統(tǒng)WinRHIZO，來分析娃娃菜根系；采收時，每小區(qū)隨機選取3 株，保證根系完整，洗凈，分為根、外葉、葉球三部分，烘干，測定其干物質(zhì)，最后計算根冠比；取娃娃菜全株，分為地上部和地下部，分別在105 ℃殺青0.5 h 后75 ℃烘干，再用高氯酸-硫酸消煮，測定氮養(yǎng)分含量。

娃娃菜品質(zhì)指標(biāo)的測定。在娃娃菜采收期，每小區(qū)選擇長勢一致的娃娃菜5 株進(jìn)行測定：用鉬藍(lán)比色法測定維生素C 含量；用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；用考馬斯亮藍(lán)染色法測定可溶性蛋白含量；用酚二磺酸法測定硝酸鹽含量［10］；用手持式數(shù)顯糖度計測定可溶性固形物含量。

娃娃菜產(chǎn)量的測定。在采收時每小區(qū)隨機選取20 株娃娃菜測其單株重、單株凈重、生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量，最后計算各小區(qū)經(jīng)濟系數(shù)。

經(jīng)濟系數(shù)=經(jīng)濟產(chǎn)量/生物產(chǎn)量×100%

計算娃娃菜的水肥利用效率。水分利用效率是指作物經(jīng)濟產(chǎn)量與耗水量之比，其公式為WUE=Yd/ET， 式 中，WUE 為 水 分 利 用 效 率（kg·hm-2·mm-1）、Yd 為作物經(jīng)濟產(chǎn)量（kg·hm-2）、ET 為作物總耗水量，其計算采用農(nóng)田水分平衡法計算［E=C×ρ×H×10，式中，E 為貯水量（mm），C為土壤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%），ρ 為土壤容重（g·cm-3），H 為土層深度（cm）；ET=P+ΔW，式中，ET 為階段耗水量（mm），P 為降水量（mm），ΔW 為時段內(nèi)土壤貯水量的變化（mm）］。

氮素吸收量=氮素含量×干物質(zhì)質(zhì)量氮素吸收效率（kg·kg-1）=植株氮素吸收量/施氮量氮素利用效率（kg·kg-1）=經(jīng)濟產(chǎn)量/植株氮素吸收量氮肥農(nóng)學(xué)效率（kg·kg-1）=（施氮處理經(jīng)濟產(chǎn)量－不施氮處理經(jīng)濟產(chǎn)量）/施氮量

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對娃娃菜生長發(fā)育指標(biāo)的影響

2.1.1 不同處理對娃娃菜不同時期株高、株幅投影面積和葉綠素含量的影響

由圖1a 可知，隨著生長的不斷延長，娃娃菜的株高呈明顯增長趨勢。各時期的方差分析表明，6 月13 日時，各處理間無顯著性差異；6 月23 日時，T7 和T4 處理顯著高于T3 處理。7 月3日至7 月13 日，T7 處理顯著高于T1、T2 和T3 處理。 從6 月13 日 至7 月13 日，T1 ～T8 處 理 株高增長量范圍為7.88 ～10.99 cm，其中T7 處理增量最大，其次是T4 處理，增幅最小的是T3 處理。由圖1b 可知，6 月13 日T4 處理株幅投影面積達(dá)到最大，顯著高于T1、T2、T5、T8 處理，6 月23日至7 月13 日，各處理間無顯著性差異，增幅為24.73%～52.39%，其中增幅最大是T8 處理，其次是T7 處理，最小的是T4 處理，說明施氮肥并添加生物質(zhì)炭20 ～30 t·hm-2更有利于娃娃菜的生長。由圖1c 可知，7 月3 日，T7 處理葉片葉綠素含量（SPAD）達(dá)46.92，顯著高于T1 ～T3 處理，但與其他處理無顯著性差異；7 月13 日T7 處理葉片葉綠素含量達(dá)53.69，顯著高于T1 ～T5 處理及T8 處理，但與T6 處理無顯著性差異，娃娃菜葉片的田間表現(xiàn)也為生長初期各處理間并無差異，但生長中后期施氮肥與否差異尤為顯著，氮素缺失可明顯導(dǎo)致植株葉片泛黃，適當(dāng)施氮肥并添加生物質(zhì)炭20 ～30 t·hm-2可有效提高娃娃菜生長后期的葉綠素含量。

2.1.2 不同處理對娃娃菜根系的影響

不同處理下娃娃菜根系特征值如表3 所示。各處理間根總面積無顯著性差異，范圍在233.27 ～268.40 cm2之間；T7 處理根總長達(dá)455.49 cm，高于其他處理，但與T2、T6 處理間無顯著性差異，位列第二的是T6 處理（436.38 cm）；T5 處理根平均直徑最大，為2.60 mm，顯著高于T6、T7 處理；T3 處理根總體積最大，為16.81 cm3，顯著高于T7 處理，與其他處理間無顯著性差異。

圖1 不同處理對娃娃菜不同時期株高、株幅投影面積和葉綠素含量的影響

表3 不同處理對娃娃菜根系的影響

2.2 不同處理對娃娃菜葉球品質(zhì)的影響

由表4 可知，不同處理對娃娃菜品質(zhì)影響不同。其中，T8 處理的可溶性糖含量和維生素C 含量分別達(dá)到了1.49%和27.85 mg·100g-1，且顯著高于其他處理，表明T8 處理可有效提高可溶性糖含量和維生素C 含量；T1 處理的可溶性蛋白含量最大，為0.69 g·100g-1，與T7 處理無顯著性差異，顯著高于其他處理，可溶性蛋白含量最小的則為T3 處理，僅為0.43 g·100g-1，但T3 處理的可溶性固形物含量卻達(dá)到了最大，且顯著高于其他處理，其次是T8、T7 處理，最小的是T6 處理；硝酸鹽含量是蔬菜的重要品質(zhì)指標(biāo)，T5 處理顯著高于其他處理，而T7 處理的硝酸鹽含量顯著低于其他處理，僅為524.63 mg·kg-1。

表4 不同處理對娃娃菜葉球品質(zhì)的影響

2.3 不同處理對娃娃菜干、鮮重及根冠比的影響

由表5 可知，T6 處理地上部分鮮重達(dá)2321.98 g，與T2 處理無顯著性差異，顯著高于其他處理，地上部鮮重最小的為T1 處理，僅為1202.96 g，表明添加10 t·hm-2生物質(zhì)炭可顯著提高娃娃菜地上部鮮重；T6 處理地上部干重也為最大，顯著高于T3 和T1 處理，T2 處理位列第二位，表明添加10 t·hm-2生物質(zhì)炭并配施氮肥可有效提高娃娃菜地上部干物質(zhì)積累量；T3 處理的地下部鮮重顯著高于T2 處理，但與其他處理無顯著性差異，其次是T4 處理；T3 處理根冠比最大，為0.049，高于其他處理。

表5 不同處理娃娃菜干、鮮重及根冠比的影響

2.4 不同處理對娃娃菜產(chǎn)量及經(jīng)濟系數(shù)的影響

由表6 可知，T3 處理經(jīng)濟系數(shù)顯著高于T6 處理，但與其他處理間差異不顯著，各處理經(jīng)濟系數(shù)依 次 為T3＞T7＞T5＞T4＞T1＞T8＞T2＞T6；T7 處 理 的 單株重、單株凈重、生物產(chǎn)量、經(jīng)濟產(chǎn)量均達(dá)到了最大，分別為1992.74 g、1431.33 g、159.50 t·hm-2和114.56 t·hm-2，T7 處理的單株凈重和經(jīng)濟產(chǎn)量與T5處理無顯著性差異，顯著高于其他處理，表明在試驗條件下，施同樣氮肥添加20 t·hm-2生物質(zhì)炭與不添加20 t·hm-2生物質(zhì)炭娃娃菜產(chǎn)量差異并不顯著。

表6 不同處理對娃娃菜產(chǎn)量及經(jīng)濟系數(shù)的影響

2.5 不同處理對水肥利用效率的影響

由表7 可知，T7 處理經(jīng)濟產(chǎn)量最大，達(dá)114.56 t·hm-2，與T5 處理無顯著性差異，顯著高于其他處理；T4 處理耗水量最大（156.40 mm），其次為T1 處理（151.14 mm），但這兩者間差異不顯著，耗水量最小的為T2 和T7 處理，僅為141.85 和144.39 mm；T7 處理水分利用效率為最大，達(dá)794.41 kg·hm-2·mm-1，比其他處理提高了12.03%～56.31%。T8 處理氮素吸收效率僅為0.90 kg·kg-1，顯著低于T5 ～T7 處理，但其氮素利用效率卻顯著高于T5 ～T7 處理，達(dá)到了782.87 kg·kg-1；在施同等氮肥條件下，T5 處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率達(dá)到了244.10 kg·kg-1，其次是T7 處理為197.70 kg·kg-1，但兩者之間無顯著性差異。

2.6 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響

由 表8 可 知，T1 和T2 處 理pH 顯 著 低 于 其他處理，可能是由于生物質(zhì)炭本身呈現(xiàn)堿性的緣故；各處理CEC 值無顯著性差異；T8 處理容重最小，為1.12 g·cm-3，分別比其他處理降低了10.13%、12.70%、11.97%、13.33%、5.00%、5.76%、5.00%，可見，生物質(zhì)炭可明顯降低土壤容重。T8 處理總孔隙度和有機質(zhì)含量最大，分別為60.77%和46.87 g·kg-1，比T1 處 理 分 別 提 高了3.35%和42.33%，說明生物炭可有效提高土壤總孔隙度和有機碳含量，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為112.33、18.35、190.67 mg·kg-1，其中有效磷含量、速效鉀含量均顯著高于其他處理。

表7 不同處理對娃娃菜水肥利用效率的影響

表8 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響

2.7 不同處理土壤理化性質(zhì)、產(chǎn)量及水分利用效率的相關(guān)關(guān)系

由表9 可知，有效磷與速效鉀、有機質(zhì)呈極顯著正相關(guān)、與pH 呈顯著正相關(guān)；速效鉀與有機質(zhì)呈極顯著正相關(guān)，與總孔隙度呈顯著正相關(guān)；容重與堿解氮呈極顯著負(fù)相關(guān)，與CEC 呈顯著負(fù)相關(guān)；但堿解氮與CEC 呈顯著正相關(guān)；水分利用效率與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。說明水分利用效率越高，產(chǎn)量也越高。

表9 不同處理土壤理化性質(zhì)、產(chǎn)量及水分利用效率的相關(guān)關(guān)系

2.8 不同處理對土壤酶活性的影響

由表10 可知，T6 處理脲酶活性最高，為2.02 mg·g-1·24h-1，顯著高于T7 處理，但與其他處理無顯著性差異；T2 處理過氧化氫酶最高，為1.40 mg·g-1·min-1，其次是T7 處理，為1.23 mg·g-1·min-1，T2 處理與T7 處理無顯著性差異，顯著高于其他處理，說明氮肥對過氧化氫酶活性無規(guī)律性影響，施10 t·hm-2生物質(zhì)炭或氮肥與20 t·hm-2生物質(zhì)炭配施可提高過氧化氫酶的活性；T1 處理酸性磷酸酶活性顯著低于T2 ～T4 處理，說明不施氮肥施加10 ～30 t·hm-2生物質(zhì)炭可有效提高酸性磷酸酶活性38.41%～59.73%，施氮肥施生物質(zhì)炭則可有效提高酸性磷酸酶活性58.68%～62.37%；T8 處理蔗糖酶活性為85.77 mg·g-1·24h-1，顯著高于T4 處理，高于其他處理但無顯著性差異，說明施生物質(zhì)炭30 t·hm-2情況下，施氮肥有助于提高蔗糖酶活性，反之，則會降低活性。

表10 不同處理對土壤酶活性的影響

3 討論與結(jié)論

本試驗研究中，施生物質(zhì)炭與否對娃娃菜根系參數(shù)并無規(guī)律性變化，而前人［11-13］研究得出生物質(zhì)炭可增加植物根系體積、根表面積及根系長度等，這兩者并不相符，但通過田間調(diào)查，7 月13日T7 處理葉片葉綠素含量（SPAD）達(dá)53.69，顯著高于T1 ～T5 處理及T8 處理，娃娃菜生長后期葉片顏色表現(xiàn)更為顯著，說明氮肥與生物質(zhì)炭配施可有效提高娃娃菜生長后期的葉綠素含量。T8 處理的可溶性糖含量和維生素C 含量顯著高于其他處理，分別達(dá)1.49%和27.85 mg·100g-1；T1 處理的可溶性蛋白含量和可溶性固形物含量分別為0.69 g·100g-1和6.97%，達(dá)到了最大。硝酸鹽含量是蔬菜的重要品質(zhì)指標(biāo)，T5 處理硝酸鹽含量顯著高于其他處理，而T7 處理則顯著低于其他處理，僅為524.63 mg·kg-1，說明氮肥與20 t·hm-2生物質(zhì)炭配施可顯著降低娃娃菜的硝酸鹽含量，與前人研究結(jié)果［14-17］一致，導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是生物質(zhì)炭施用后土壤氮素有效性降低，吸收量減少的緣故。T6 處理地上部分鮮重和地上部干重均達(dá)到最大，分別為2321.98 和125.15 g；T3 處理的地下部鮮重與地下部干重最大，根冠比顯著高于其他處理，達(dá)到了0.049，這與趙玉林［18］、劉曉雨等［19］研究得出低肥力土壤小白菜根冠比顯著高于高肥力土壤相一致，這體現(xiàn)了植物對低養(yǎng)分環(huán)境的適應(yīng)機制，在低肥力土壤中，植物會通過增加根系生物量以便從土壤中吸收更多營養(yǎng)。因此，土壤養(yǎng)分供應(yīng)不足會促進(jìn)光合產(chǎn)物向地下的分配過程，導(dǎo)致較高的根冠比。

T7 處理的單株重、單株凈重、生物產(chǎn)量、經(jīng)濟產(chǎn)量均達(dá)到了最大，分別為1992.74 g、1431.33 g、159.50 t·hm-2和114.56 t·hm-2，其中T7 處理的單株凈重和經(jīng)濟產(chǎn)量高于其他處理，但與T5 處理無顯著性差異，表明在試驗條件下，施同樣氮肥添加20 t·hm-2生物質(zhì)炭與不添加20 t·hm-2生物質(zhì)炭娃娃菜產(chǎn)量差異并不顯著，這與張登曉等［20-23］已發(fā)表研究結(jié)果：生物質(zhì)炭還田能夠提高作物產(chǎn)量，產(chǎn)量增幅為10%～15%不同。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因：一是可能與上述這些研究中的試驗土壤類型、生物質(zhì)炭種類和施用量及環(huán)境條件有關(guān)；二是可能與生物質(zhì)炭在土壤中留存時間長短有關(guān)，有研究已表明施生物質(zhì)炭當(dāng)年對第1 季小白菜產(chǎn)量無顯著影響，但顯著增加了第2 ～5 季小白菜產(chǎn)量［16］。

T4 處理耗水量最大，為156.40 mm，其次為T1 處理，為151.14 mm，耗水量最小的為T2 和T7處理，僅為141.85 和144.39 mm；T7 處理水分利用效率最大，達(dá)794.41 kg·hm-2·mm-1，比其他處理提高了12.03%～56.31%，說明T7 處理可明顯實現(xiàn)節(jié)水增效。T8 處理氮素利用效率顯著高于T5 ～T7 處理，可能是由于生物質(zhì)炭增加了氮素的吸附作用，進(jìn)而降低了氮淋失量［24-26］。T8 處理總孔隙度和有機質(zhì)含量最大，分別為60.77%和46.87 g·kg-1，比T1 處理分別提高了3.35%和42.33%，表明生物質(zhì)炭施入到土壤中可提高孔隙度、降低容重［19］。通過相關(guān)性分析，得出有效磷、速效鉀與有機質(zhì)、pH 呈正相關(guān)，而產(chǎn)量則與水分利用效率呈極顯著正相關(guān)，表明水分利用效率越高，產(chǎn)量越大。

綜上所述，單純添加生物質(zhì)炭對娃娃菜生長影響不大，但可以改變生長后期葉片葉綠素含量，在配施氮肥條件下，添加20 t·hm-2生物質(zhì)炭可明顯降低寧南山區(qū)雨養(yǎng)旱作娃娃菜硝酸鹽含量，提高娃娃菜水肥利用效率，實現(xiàn)節(jié)水增效。