生物質(zhì)炭與氮肥配施對雨養(yǎng)娃娃菜水肥土及經(jīng)濟效益的影響

曹少娜，李玉蓮，張倩男，李 穎，王 倩

（寧夏農(nóng)林科學院固原分院 寧夏 固原 756000）

生物質(zhì)炭（生物炭或生物黑炭，biochar）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)300～600 ℃高溫熱裂解后產(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、強吸附性等特征。近年來，生物質(zhì)炭作為環(huán)境友好型土壤改良劑逐漸成為土壤改良和土壤修復方面的研究熱點。已有研究表明，施加適量生物質(zhì)炭能有效改善土壤理化性質(zhì)，提高產(chǎn)量，改善品質(zhì)，提高土壤的礦質(zhì)養(yǎng)分含量和持水量，降低重金屬在土壤中遷移性和有效性，減少NO 氣體減排，提高土壤微生物的種群結(jié)構(gòu)多樣性等。研究表明，稻稈炭對小青菜的增產(chǎn)效果隨施用量的增加呈先增加后降低的趨勢，當施用量為20 t·hm時，小青菜增產(chǎn)效果最好。生物質(zhì)炭用量超過50 t·hm才會對土壤或作物生長有明顯的改良效果，有的更是高達80 t·hm。也有不同觀點認為施用生物質(zhì)炭對產(chǎn)量影響不顯著，甚至呈負相關(guān)。因此，探究生物質(zhì)炭的不同施用量對蔬菜產(chǎn)量和土壤改良效果至關(guān)重要。雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)是指單純依靠天然降水為水源的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但就目前而言，對于生物質(zhì)炭的研究主要集中于糧食作物和偏酸性土壤上，而對于西北冷涼高寒區(qū)的雨養(yǎng)蔬菜和偏堿性土壤研究報道較少，因此，筆者通過田間試驗，設(shè)置了不同的生物質(zhì)炭施用梯度與氮肥配施，探究生物質(zhì)炭施用當季對雨養(yǎng)娃娃菜水肥土的響應(yīng)，以期更好地推進生物質(zhì)炭作為連作土壤改良劑在生產(chǎn)中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020 年5 月12 日至7 月31 日在寧夏農(nóng)林科學院固原分院觀莊基地進行?；匚挥诼〉驴h觀莊鄉(xiāng)前莊村，研究區(qū)海拔約2300 m，年平均氣溫5.3 ℃，年降水量502 mm，屬大陸季風氣候，≥10 ℃的年積溫約1700 ℃，無霜期約為125 d。供試土壤為黑壚土，土壤呈弱堿性，團粒結(jié)構(gòu)較好。試驗前土壤0～20 cm 土層基本理化性質(zhì)為：pH 值7.83、容重1.07 g·cm、CEC 值14.08 cmol·kg、總孔隙度59.14%、有機質(zhì)含量（，后同）33.43 g·kg、堿解氮含量123.00 mg·kg、速效磷含量5.03 mg·kg、速效鉀含量183.33 mg·kg。

1.2 材料

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 ℃，基本理化性質(zhì)如下：pH 值9.50、容重0.47 g·cm、CEC 值13.83 cmol·kg、總碳69.57 g·kg、總氮3.98 g·kg、堿解氮167.67 mg·kg、有效磷284.33 mg·kg、速效鉀661.00 mg·kg。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。所施氮肥為尿素（含N 46%）300 kg·hm，磷肥為過磷酸鈣（含PO12%）75 kg·hm，鉀肥為硫酸鉀（含KO 52%）300 kg·hm。

1.3 試驗設(shè)計

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N 肥，未添加生物質(zhì)炭）；T2（未施N肥，添加生物質(zhì)炭10 t·hm）；T3（未施N 肥，添加生物質(zhì)炭20 t·hm）；T4（未施N 肥，添加生物質(zhì)炭30 t·hm）；T5（施N 肥，未添加生物質(zhì)炭）；T6（施N 肥，添加生物質(zhì)炭10 t·hm）；T7（施N肥，添加生物質(zhì)炭20 t·hm）；T8（施N 肥，添加生物質(zhì)炭30 t·hm）。每處理3 次重復，共24 個小區(qū)，小區(qū)面積24 m（6 m×4 m）。除氮肥外，各施肥處理磷肥、鉀肥和生物質(zhì)炭混勻后作為基肥一次性施入。氮肥分次施入，基肥、結(jié)球期分別占總施氮量的40%和60%。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?shù)貍鹘y(tǒng)管理措施保持一致。

1.4 測定指標和方法

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 混合土樣，風干，過0.25 mm 篩測定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)（主要是堿解氮、速效磷、速效鉀、容重、有機質(zhì)、總孔隙度、pH 和CEC）和土壤酶活性（脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶），參照關(guān)松蔭的方法測定。

氮養(yǎng)分含量測定：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 株娃娃菜測其產(chǎn)量。

娃娃菜的水肥利用效率計算：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；Yd 為作物經(jīng)濟產(chǎn)量；ET 為作物總耗水量，其計算采用農(nóng)田水分平衡法計算，=×××10，式中，為貯水量，為土壤水分質(zhì)量分數(shù)，為土壤容重，為土層深度；ET=+，式中，ET 為階段耗水量，為降水量，為時段內(nèi)土壤貯水量的變化。

氮素吸收量=氮素含量/%×干物質(zhì)質(zhì)量；

氮素吸收效率/（kg·kg）=植株氮素吸收量/施氮量；

氮素利用效率/（kg·kg）=經(jīng)濟產(chǎn)量/植株氮素吸收量；

氮肥農(nóng)學效率（NUE）=（施氮處理經(jīng)濟產(chǎn)量-不施氮處理經(jīng)濟產(chǎn)量）/施氮量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0 進行統(tǒng)計學分析，采用單因素方差分析顯著性差異，多重比較采用最小顯著極差法（LSD）表示；采用WPS 2019 作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理不同生育期貯水量和耗水量的變化

由表1 可知，T2 處理苗期貯水量顯著高于其他處理，達41.69 mm，其次是T7 處理，為36.60 mm，最小的為T8 處理；T7 處理蓮座期貯水量為40.01 mm，顯著高于其他處理，最小的為T8 處理；T5 處理結(jié)球期貯水量最大，為29.85 mm，但與T4、T7 處理無顯著性差異；T8 處理收獲期貯水量顯著低于T1～T4處理?？傮w來看，結(jié)球期貯水量較小，表明娃娃菜結(jié)球期生長耗水量較大。

表1 不同處理不同生育期貯水量和耗水量的變化

T7 處理苗期-蓮座期耗水量最大，達32.51 mm，其次是T4 處理，可能是T7 處理植株本身生長較為茂盛導致水分蒸發(fā)也比較多的緣故。T1、T3 處理和T7 處理蓮座期-結(jié)球期耗水量顯著低于其他處理，T8 處理耗水量最大，為55.15 mm，表明耗水量、貯水量與作物的生育期有明顯的相關(guān)性。T5～T8處理結(jié)球期-收獲期耗水量低于T1～T4 處理，表明氮肥與生物質(zhì)炭配施可以降低該階段土壤耗水量。

2.2 不同處理對娃娃菜產(chǎn)量、總耗水量及水分利用效率的影響

由表2 可知，T7 處理娃娃菜產(chǎn)量最高，達114 564.00 kg·hm，與T5 處理無顯著性差異，但與其他處理差異顯著。在降水量一定的情況下，T4 處理總耗水量最大，為156.40 mm，其次為T1 處理，達151.14 mm，但兩者間差異不顯著，總耗水量最小的為T2 處理，僅為141.85 mm。T7 處理水分利用效率最大，達794.41 kg·hm·mm，比其他處理分別提高56.31% 、12.03% 、37.09% 、22.43% 、3.60% 、17.00%、20.99%。

表2 不同處理對娃娃菜產(chǎn)量、總耗水量及水分利用效率的影響

2.3 不同處理對娃娃菜氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥農(nóng)學效率（NUE）的影響

由表3 可知，T8 處理娃娃菜氮素吸收量和氮素吸收效率分別為0.97 kg 和0.90 kg·kg，顯著低于其他施氮處理；但T8 處理氮素利用效率卻顯著高于其他施氮處理，達到了782.87 kg·kg。在施同等氮肥條件下，T5 處理氮肥農(nóng)學效率最高，達到了244.10 kg·kg，其次是T7 處理為197.70 kg·kg，且兩者之間無顯著性差異。

表3 不同處理對娃娃菜氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥農(nóng)學效率的影響

2.4 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響

由表4 可知，其他處理pH 分別比T1 處理提高了1.87%、5.15%、6.24%、5.64%、6.36%、5.88%、5.15%，可能是由于生物質(zhì)炭本身呈現(xiàn)堿性的緣故。T8 處理容重最小，為1.12 g·cm，分別比T5～T7 處理降低了5.08%、5.88%、5.08%，可見，配施氮肥時，添加30 t·hm生物質(zhì)炭可降低土壤容重。各處理CEC 值無顯著性差異。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，比T1 處理分別提高3.35%和42.33%，比T5～T7 處理分別提高了1.62%以上和15.07%以上，表明添加30 t·hm生物炭與未施生物質(zhì)炭的處理相比，可提高土壤總孔隙度和有機質(zhì)含量。T8 處理的堿解氮、速效磷、速效鉀含量均最高，分別為112.33、18.35、190.67 mg·kg。其中，速效磷含量、速效鉀含量顯著高于其他處理。

表4 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響

2.5 不同處理對土壤酶活性的影響

由表5 可知，T6 處理脲酶活性最高，為2.02 mg·g·24 h，顯著高于T7 處理，但與其他處理無顯著性差異。T2 處理過氧化氫酶活性最高，為1.40mg·g·min，其次是T7處理，為1.23mg·g·min，T2與T7 處理無顯著性差異，但顯著高于其他處理，表明氮肥對過氧化氫酶活性無規(guī)律性影響，配施10 t·hm生物質(zhì)炭或氮肥與20t·hm生物質(zhì)炭配施可提高過氧化氫酶活性。T1 處理酸性磷酸酶活性顯著低于T2～T4 處理，表明不施氮肥施加10～30 t·hm生物質(zhì)炭可有效提高酸性磷酸酶活性38.41%～59.73%，氮肥與生物質(zhì)炭配施處理提高酸性磷酸酶活性58.68%～62.37%。T8 處理蔗糖酶活性 為85.27 mg·g·24 h，顯著高于T4 處理，但與其他處理無顯著性差異，表明施生物質(zhì)炭30 t·hm情況下，施氮肥有助于提高蔗糖酶活性，否則會降低活性。

表5 不同處理對土壤酶活性的影響

2.6 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系

由表6 可知，土壤中酸性磷酸酶活性與pH 呈極顯著正相關(guān)，與速效磷含量呈顯著正相關(guān)，而其他3 種土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)無顯著性關(guān)系。這可能與土壤酶活性都有最適的pH 范圍有關(guān)，在pH 過高或過低的環(huán)境中，酶活性會不可逆地失活有關(guān)。

表6 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系

2.7 不同處理經(jīng)濟效益的變化

經(jīng)濟效益與產(chǎn)量有著較大關(guān)系。如表7 所示，T7 處理娃娃菜產(chǎn)量和產(chǎn)值均達到最大，分別為114 564.00 kg·hm和137 476.86 元·hm，但與T5處理無顯著性差異。T5 處理娃娃菜純利潤最大，為101 991.31 元·hm。這是因為化肥、生物質(zhì)炭用量及人工不同，導致成本不同，所產(chǎn)生的純利潤也不同。

表7 不同處理的經(jīng)濟效益

3 討論與結(jié)論

本試驗研究中，在水肥利用方面，對比分析8個處理娃娃菜的所有生育期可以看出結(jié)球期的土壤貯水量均最小，表明娃娃菜在結(jié)球期葉球逐漸增大耗水量也在逐漸增大，耗水量、貯水量與作物的生育期有明顯的相關(guān)性，這與前人研究結(jié)果一致。而T5～T8 處理結(jié)球期-收獲期耗水量低于T1～T4 處理，表明氮肥與生物質(zhì)炭配施可以適當降低娃娃菜階段耗水量。T7 處理產(chǎn)量最大，達114 564.00 kg·hm，水分利用效率也最大，達794.41 kg·hm·mm，比其他處理提高56.31%、12.03%、37.09%、22.43%、3.60%、17.00%、20.99%，這與劉銘龍等、陳智偉等研究結(jié)果相同，可能是生物質(zhì)炭表面的官能團具有親水性的緣故。

在氮素利用方面，施等量氮肥條件下，T8 處理氮素利用效率顯著高于T5～T7 處理，達到了782.87 kg·kg，表明氮素利用效率隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而逐漸升高，分析原因可能是生物質(zhì)炭能夠吸附土壤中未被作物利用的氮素，減少了氮素在土壤中的淋失、促進了蔬菜對土壤養(yǎng)分的吸收利用。但過高的施用量可能因炭過多而影響氮素有效性，Jaiswal 等研究表明當施炭量超過一定量時，其效應(yīng)甚至低于沒有添加生物質(zhì)炭的處理。

在土壤理化性質(zhì)方面，T8 處理容重比其他處理降低了5.08%～11.81%，總孔隙度和有機質(zhì)含量分別比T1 處理提高了3.35%和42.33%，比T5～T7 處理分別提高了1.62%以上和15.07%以上?？梢?，施30 t·hm生物炭與未施生物質(zhì)炭的處理相比，可提高土壤總孔隙度和有機碳含量。因為生物質(zhì)炭本身呈現(xiàn)堿性，施用大量的生物質(zhì)炭后，容易造成土壤的堿化，本試驗中施加10～30 t·hm生物質(zhì)炭pH提高了0.14～0.50。T8 處理速效磷含量、速效鉀含量顯著高于其他處理，可能是由于生物質(zhì)炭巨大的比表面積和豐富的孔洞結(jié)構(gòu)，能減少養(yǎng)分淋溶，增強養(yǎng)分吸持容量的緣故。氮肥對脲酶、過氧化氫酶活性無規(guī)律性影響，但施加10～30 t·hm生物質(zhì)炭均可有效提高酸性磷酸酶活性38.41%～62.37%；對于蔗糖酶則是T8 處理（施N 肥，添加生物質(zhì)炭30 t·hm）更有利于酶活性的提高。酸性磷酸酶活性與pH、速效磷含量分別呈極顯著相關(guān)和顯著相關(guān)，而其他3 種土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)無顯著性關(guān)系，這可能與土壤酶活性都有最適宜的pH 范圍有關(guān)。

在經(jīng)濟效益方面，T7 處理的產(chǎn)量和產(chǎn)值均達到最大，分別為114 564.00 kg·hm和137 476.86 元·hm，與T5 處理無顯著性差異，但顯著高于其他處理。T5 處理的純利潤最大，為117 439.00 元·hm。由于是第一茬試驗，導致生物質(zhì)炭添加量較多的處理成本相對較高。因此，綜合考慮用2～3 年的試驗數(shù)據(jù)來綜合評價不同處理的經(jīng)濟效益更為客觀準確。同時，還應(yīng)考慮不同處理對娃娃菜品質(zhì)指標的影響，進一步支撐本試驗結(jié)論。

綜上所述，在本試驗不配施氮肥條件下，施生物質(zhì)炭可提高酸性磷酸酶活性38.41%以上，提高產(chǎn)量13.03%以上；在配施氮肥條件下，產(chǎn)量隨生物質(zhì)炭施用量增加呈現(xiàn)先增后減趨勢。綜合考量生產(chǎn)成本、經(jīng)濟效益、水肥利用效率及生物質(zhì)炭的長期效應(yīng)，T7 處理（施N 肥，添加生物質(zhì)炭20 t·hm）不僅可以提高產(chǎn)量和水肥利用效率，還可以培肥土壤，改善土壤質(zhì)量。