生物炭與氮肥配施對土壤肥力及紅棗產量、品質的影響

袁晶晶，同延安*，盧紹輝，袁國軍

（1 西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌 712100；2 農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100；3 河南省林業科學研究院，河南鄭州 450003）

生物炭與氮肥配施對土壤肥力及紅棗產量、品質的影響

袁晶晶1,2，同延安1,2*，盧紹輝3，袁國軍3

（1 西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌 712100；2 農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100；3 河南省林業科學研究院，河南鄭州 450003）

【目的】通過連續三年 (2013～2015 年) 田間試驗，研究了生物炭與氮肥配施對華北平原棗區潮土土壤肥力及作物產量品質的影響，為華北平原棗區高效施肥和提高紅棗產量品質及可持續發展提供理論依據?！痉椒ā恳院幽鲜″ш柺辛挚圃禾镩g試驗為研究平臺，15 年生扁核酸棗為供試材料，設置生物炭用量 4 個水平(C0、C1、C2、C3，即 C 0、2.5、5、10 t/hm2)、氮肥用量 3 個水平 (N1、N2、N3，即 N 300、450、600 kg/hm2)，采用“4 × 3”完全方案設計，加上完全空白處理 CK (不施生物炭和氮肥)，共計 13 個處理。在 9 月底紅棗采收后，采集新鮮紅棗測定其產量及品質，同時取 0—20 cm 土壤樣品測定不同處理的土壤肥力。 【結果】1) 生物炭與氮肥配合施用，顯著提高了土壤有機質、全氮、全磷和全鉀的含量。同時也提高了土壤中速效氮、磷、鉀的養分含量。土壤養分含量隨著生物炭施用量的增加而增加。其中全氮和速效磷養分含量以 C3N3處理最高，與對照相比，分別增加了 80.28% 和 32.82%，全鉀和全磷養分含量以 C3N1處理增加幅度最大，增幅分別為 55.3% 和 27.9%；C3N2處理的速效氮和速效鉀含量最高，分別增加了 68.0% 和 41.0%。此外，培肥措施顯著降低了土壤容重，C3N3處理的土壤容重最低，為 1.22 g/cm3，降低了 15.86%。2) 生物炭與氮肥配施總體上提高了紅棗的總糖、維生素 C、可溶性固形物、蛋白質及氨基酸的含量，但僅氨基酸含量達到顯著差異 (P ＜ 0.05)，其中C3N1處理較對照增加100%。3) 不同施肥處理提高了扁核酸紅棗的產量，較對照提高 4.5%～26.9%，其中 C3N1處理增產效果最明顯。 【結論】生物炭與氮肥配合施用，對華北平原棗區的土壤養分吸收、土壤質量和紅棗產量及品質起到了積極作用，可作為改善該棗區紅棗生產力和土壤肥力的一種有效措施。生物炭施入土壤后，提高土壤肥力的同時也可以減少化肥的投入。生物炭10 t/hm2配施，氮肥300 kg/hm2為該試驗區最佳施肥量。

生物炭；氮肥；扁核酸棗；產量；品質

棗 (Ziziphus jujuba Mill.) 為鼠李科 (Rhamnaceae)，是我國特有的經濟樹種之一。河南地處華北平原，是我國棗的重要發源地之一，栽培面積和產量居全國第六位。由于紅棗產業投入少，收效快，給當地的農業發展帶來了很好的經濟效益。然而隨著紅棗種植面積的擴大以及化肥和農藥的大量使用等因素的影響[1]，導致土壤營養缺乏、肥力下降，影響了作物產量、品質和經濟效益，嚴重限制了紅棗產業的可持續發展。因此，如何改善土壤結構，提高土壤肥力，發揮有效的培肥條件來提高棗樹果實產量及品質，為紅棗的生長創造良好的土壤生態環境，成為棗樹生產效益和持續發展亟待解決的問題。

生物炭是生物質在低氧或無氧條件下高溫熱解的產物，以高度富含碳為主要標志[2]。由于含有豐富的芳環結構、羥羧基等基團，且具有容重小、比表面積大、多孔等特性，施入土壤后會對土壤結構產生一定的影響。大量研究表明，施用生物炭可增加土壤有機碳含量、陽離子交換量[3]，提高土壤微生物量及活性，促進土壤穩定性團聚體形成[4]，促進作物生長、增產甚至減產[5]。近些年國內外關于生物質炭開展的研究逐漸增多，但主要是針對生物炭的自身特性[6]、環境行為和效應[7]等。雖然關于田間作物增產方面已有報道[8]，但針對生物炭與氮肥配施對華北平原棗區土壤肥力及產量、品質的研究鮮有報道。且多數生物炭研究多為小麥、玉米、水稻等糧食作物室內培養試驗或短期田間試驗。鑒于此，本文以華北平原的潮土為研究對象，以河南棗樹產區濮陽為試驗研究平臺，通過三年田間試驗，研究了施肥前后不同生物炭與氮肥配施處理間土壤養分含量、紅棗產量及品質差異特征，以期為該地區制定合理施肥策略，提升土壤地力，提供科學依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于 2013 年 4 月在河南省濮陽市王助鄉潘莊進行。潘莊 (E114°52′、N35°20′)，屬暖溫帶大陸性氣候，四季分明，光熱資源適中。年平均降水量為 502.3～601.3 mm，年平均日照時數為 2454.5 h，年平均氣溫 13.4℃。無霜期一般為 205 d。

1.2 試驗材料

供試土壤潮土 (0—20 cm) 基本性狀為 pH 8.47、容重 1.42 g/cm3、有機質 10.61 g/kg、全氮 0.68 g/kg、速效磷 11.67 mg/kg、速效鉀 95.61 mg/kg。

供試紅棗品種為 15 年生扁核酸，選擇長勢基本一致無病蟲害的試驗樹，栽植密度為 2 m × 3 m，每畝約 110 棵，設置保護行。

生物質炭原料為花生殼秸稈，購自河南商丘三利新能源有限公司，生產設備采用連續豎式生物質炭化爐，炭化溫度為 350～500℃。生產的生物黑炭過 2 mm篩，測定其理化性質，其中 pH 為 10.35、有機碳含量為 467.20 g/kg、全氮含量為 5.90 g/kg、全鉀含量為 11.5 g/kg、CEC 21.7 cmol/kg、容重 0.45 g/cm3。

1.3 試驗設計

采用 4 × 3 完全方案設計，試驗設生物炭用量 4個水平、氮肥用量 3 個水平，隨機排列，加上一個完全空白處理 CK (不施生物炭和氮肥)，共計 13 個處理 (表 1)，每個處理重復 5 次。

表1 田間試驗各處理生物炭和氮肥用量Table 1 Biochar and nitrogen fertilizer input in the field treatments

試驗于 2013 年 4 月開始 (2013～2015 年試驗處理相同)，在樹冠下兩側 0.5 m 左右挖深 20～30 cm的條狀，使生物炭與土混勻后覆土填平，此后的兩年生物炭不再施入。過磷酸鈣 (P2O516%) 300 kg/hm2，硫酸鉀 (K2O 45%) 300 kg/hm2作為基肥在春季一次性施入，尿素 70% 作為基肥施入，剩下的 30% 在 7 月中旬作為追肥施入。

1.4 測定項目與方法

2015 年 9 月底扁核酸采收后于樹冠下避開施肥點采集 0—20 cm 土樣，每個處理取 5 個采樣點混為一個土樣。剔除雜物后混合制樣，風干后過 2 mm 篩。

土壤基本性狀測定方法[9]:土壤有機質采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法，全氮采用凱氏定氮法；全磷、全鉀分別采用 NaOH 熔融—鉬銻抗比色法、火焰光度計法測定；土壤速效氮采用 1 mol/L KCl 浸提—流動分析儀法；速效磷采用 0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀采用 1 mol/L NH4OAC 浸提—火焰光度計法測定。pH 采用水土比 2.5∶1 的電位法測定。

果 實 在9 月 底 成 熟 時 采 收 ， 每 株 從 東 、 南 、西、北 4 個方向采 28 個果，將各處理果實混合稱量，計算產量，并對樣品進行品質測定?？偺菧y定用 2,5-二硝基水楊酸比色法[10]；可溶性固形物用泉州光學儀器廠生產的 WYT-4 型糖量計測定；Vc 用 2,6-二氯靛酚滴定法[11]；有機酸的測定用酸堿滴定法[12]；蛋白質用凱氏定氮法測定；氨基酸用日立 L-8900 全自動氨基酸分析儀測定。

試驗數據采用 Excel 2016、SPSS22.0 (IBM SPSS Statistic) 統計軟件進行方差分析和多重比較 (LSD法)，顯著性水平設定為 P ＜ 0.05。

2 結果與分析

2.1 不同生物炭與氮肥配施對土壤基本理化性質的影響

表 2 顯示，與不施肥處理 (CK) 相比，生物炭與氮肥配施能顯著提高土壤有機質、全氮、全磷和全鉀的含量，同時提高速效氮、速效磷和速效鉀的含量，土壤養分隨施用量的增加而增加。其中有機質含量以 C2N1處理最高，提高了 32.4%；全氮和速效磷養分含量以 C3N3處理最高，分別增加了 80.3% 和32.8%；全鉀和全磷養分含量以 C3N1增加幅度最大，分別為 55.3% 和 27.9%；C3N2處理的速效氮和速效鉀含量最高，分別增加了 68.0% 和 41.0%；而未施生物炭的 C0N1、C0N2和 C0N3處理與 CK 相比，除全磷外，土壤中其它養分含量均高于 CK，但處理間差異不顯著。

施用生物炭后，土壤容重隨生物炭施用量的增加呈降低趨勢，且處理間差異顯著。所有培肥處理中，C3N3處理的容重最小，較對照降低了 15.7%。土壤 pH 值隨生物炭的施入而有降低趨勢，僅 C3N2處理差異顯著，而未施生物炭的三個氮肥處理 pH 值雖有增加，但處理間差異均不顯著。

2.2 不同生物炭與氮肥配施對扁核酸紅棗品質的影響

從圖 1 可以看出，與對照相比，生物炭與氮肥施入后，扁核酸紅棗的總糖、維生素 C、可溶性固形物、蛋白質以及氨基酸含量總體上有增加趨勢，但除氨基酸含量外，其他品質處理間均無顯著差異。氨基酸含量隨生物炭與氮肥施用量的增加呈增加趨勢，其中 C3N1處理的氨基酸含量最高，比 CK提高了一倍。

圖1 生物炭與氮肥配施對紅棗果實品質的影響Fig. 1 Fruit quality of jujube under different biochar and nitrogen fertilizer treatments[注（Note）:柱上不同字母表示處理間差異達 5% 顯著水平Different letters above the bars mean significant among the treatments at the 5% level.]

2.3 不同生物炭與氮肥配施對紅棗產量的影響

圖2 生物炭與氮肥配施對扁核酸紅棗產量的影響Fig. 2 Effect of the application of biochar and nitrogen fertilizers on yields of jujube[注（Note）:柱上不同字母表示處理間差異達 5% 顯著水平Different letters above the bars mean significant among the treatments at the 5% level.]

圖 2 可以看出，不施生物炭的三個氮肥處理的棗樹產量均有所提高，但差異不顯著；施用生物炭 3 年后，各處理的扁核酸紅棗的產量較對照均有了不同程度的提高且差異顯著，增產約 4.5%～26.9%，其中 C3N1處理的產量最高，其次為 C2N2處理，分別提高了 26.9% 和 24.0%；當生物炭施用量達到 2.5 t/hm2和 5 t/hm2時，大體表現出在相同的氮肥用量水平下，生物炭用量越高，棗的增產效果越明顯的趨勢。施入 10 t/hm2的生物炭后，C3N2和 C3N3處理的紅棗產量呈降低趨勢，但仍顯著高于對照。試驗結果表明，10 t/hm2的生物炭施用量，300 kg/hm2的氮肥施用量對該地區扁核酸紅棗增產效果最好。

3 討論

3.1 生物炭與氮肥配施對土壤基本理化性質的影響

土壤肥力變化和養分吸收是一個復雜的過程，不僅關系到土壤養分含量和不同養分之間相互作用，還關系到作物生理特征。目前評價土壤肥力的主要養分指標有土壤有機質、有效氮、有效磷、有效鉀等[13]。本研究表明，生物炭與氮肥配施處理明顯改善了土壤養分狀況，與不施肥對照 (CK) 相比，施肥處理不僅提高了土壤有機質、全氮、全磷和全鉀的含量，還提高了速效氮、速效磷和速效鉀含量 (表 2)。這是由于生物炭作為一種富含有機碳的物質，能夠提高土壤有機質含量[14-15]。龐大的孔隙結構和巨大的比表面積，能夠吸附和固定多種無機離子及極性或非極性有機化合物，可以在土壤中形成有機-無機復合物和大粒徑團聚體[16]，進而改善土壤結構而減少有機質淋失。生物炭施入后，可改善土壤透氣性，抑 制 反 硝 化 作 用 ， 減 少NO3-的 損 失[17-18]。 同 時 ，生物炭對 NO3-、NH4+也有較強的吸附能力，可以有效降低土壤氨氣揮發，提高氮素利用率和土壤的生產 效 率[19-20]。 生 物 炭 能 有 效 減 少 鐵 氧 化 物 對 磷 的 吸附[21]和降低有效磷的淋失，從而提高土壤速效磷的含量。此外，生物炭也可能是通過增加土壤有機質含量來間接提高速效磷的含量。施加生物炭能夠增加土壤速效鉀的含量，一方面可能是由于其本身含有大量的鉀元素，另一方面可能是增強了土壤對容易淋失的 K+的吸附能力。已有研究發現，生物炭可以增加有效磷、鉀、鎂和鈣含量[22]。本試驗施用生物炭顯著增加土壤速效養分含量，且增幅隨生物炭用量的增加而增加，這與陳心想等[23]的試驗結果一致。

土壤容重是衡量土壤肥力狀況的重要指標之一。本研究中，生物炭與氮肥配施顯著降低了 0—20 cm的土壤容重 (表 2)，可能是因為生物炭本身空隙結構發 達 ， 密 度 低 ， 施 入 土 壤 后 有 一 定 的 稀 釋 作 用[24]，而且施用生物炭后會導致土壤微生物活性增加[25]，團聚性增強[26]，進而改善土壤結構。生物炭與氮肥配施處理條件下土壤 pH 值低于 CK，但僅 C3N2處理差異顯著，這與 Zwieten 等[17]的研究結果不一致。主要原因可能是由于試驗研究土壤本身緩沖能力強，生物質灰分中的鉀、鈣、鎂、鈉氧化物、氫氧化物等施入土壤后不能顯著提高土壤鹽基飽和離子，所以對土壤 pH 值影響幅度較小。

3.2 不同生物炭與氮肥配施對紅棗產量的影響

目前國內外關于生物炭對農作物生長與產量研究很多，但是對其研究結論說法不一。Steiner 等[27]在巴西亞馬遜氧化土上的研究表明，施用生物質炭11 t/hm2后 2 年作物累計產量增幅達 75%。Zwieten 等[17]研究表明，在生物炭施用量 10 t/hm2時能提高小麥干重約 66.7%、高粱 16.7%、蘿卜 50%。也有研究表明，如果炭和其他有機或無機肥料配合施用，作物增產效果更佳[22,28]。本研究結果顯示，施入生物炭和氮肥 3 年后，各處理的扁核酸紅棗產量較對照均有了不同程度的提高且差異顯著，提高了約 4.5%～26.9%，這也與 Asai 等[29]的研究結果一致。但張晗芝[30]的試驗結果表明，添加生物炭對玉米苗期植株有明顯的抑制作用，但隨著玉米的生長發育，生物炭的抑制效果逐漸減弱?？梢姡捎谏锾啃再|、土壤類型、施肥狀況、作物種類等因素的不同，導致生物炭的增產效應存在較大不確定性。因此，對生物炭的改良作用還需開展更長期深入的研究。

本研究中，生物炭與氮肥配施不僅提高了土壤有機質、全氮、全磷和全鉀的含量，還提高了土壤速效氮、磷、鉀的含量 (表 2)。說明生物炭的施入提高了土壤養分，改善了土壤理化性狀 (如降低土壤容重、增加通氣性)，從而增加土壤的保肥能力。生物炭巨大的表面積和陽離子交換量，可以吸附肥料并且起到緩釋作用，對紅棗增產有積極作用。從提高試驗研究區扁核酸紅棗產量角度考慮，10 t/hm2的生物炭施用量，300 kg/hm2的氮肥施用量是最適宜的。

3.3 不同生物炭與氮肥配施對紅棗品質的影響

果品的可溶性固形物、含糖量、維生素 C 及酸度等指標都是衡量果實品質的重要方面。國內外研究表明，有機肥能促進果樹部分生理指標變化，從而提高果實產量、品質[31-33]。本研究結果顯示，施用生物炭均可不同程度提高紅棗可溶性固形物、維生素 C、總糖含量，降低可滴定酸含量 (圖 1)，這與張玲等[34]和趙玲玲等[35]的研究結果一致。可能是由于生物炭通過改良土壤結構，增加土壤水分有效性，對土壤和作物水分狀況產生積極的影響[36,37]，同時又可提高土壤養分，增強葉片吸收營養元素的能力，增強光合作用，進而影響果實品質。具體作用機理還有待進一步研究。

4 結論

1) 通過華北平原棗區施用生物炭和氮肥的定位試驗發現，生物炭與氮肥配施降低了 0—20 cm 的土壤容重，顯著提高了土壤有機質、全氮、全磷和全鉀的含量，同時也提高了速效氮、速效磷和速效鉀的含量，且養分含量隨生物炭施用量的增加而增加。

2) 生物炭與氮肥配施總體上提高了紅棗中總糖、維生素 C、可溶性固形物、蛋白質和氨基酸的含量，降低了有機酸的含量。

3) 各施肥處理的扁核酸紅棗的產量較對照均有了不同程度的提高，10 t/hm2的生物炭配施，300 kg/hm2的氮肥為該試驗區最佳施肥量。

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Effects of biochar and nitrogen fertilizer application on soil fertility and jujube yield and quality

YUAN Jing-jing1,2, TONG Yan-an1,2*, LU Shao-hui3, YUAN Guo-jun3
( 1 College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; 2 Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling, Shaanxi 712100, China; 3 Academy of Forestry Sciences of Henan Province, Zhengzhou 450003, China )

【Objectives】A three years’ consecutive field experiment was carried out to study effect of application of different biochar and nitrogen fertilizer on soil fertility, jujube yield and quality in jujube orchards of the North China Plain in order to provide a scientific basis for high-efficient fertilization and sustainable development in jujube orchards. 【Methods】Field experiments were conducted from 2013-2015 in the Academy of Forestry Science of Puyang, Henan Province. A widely planted jujube cultivar in Henan Province was chosen and trees of fifteen-year-old were used as tested materials in this study. There were totalof thirteen treatments, including CK (no fertilizer), four-level of biochar (C 0, 2.5, 5 and 10 t/hm2, namely, C0, C1, C2and C3) and three-level of nitrogen fertilizer (N 300, 450 and 600 kg/hm2, namely, N1, N2and N3). At the end of September 2015, fresh jujube, and 0-20 cm surface soil samples were collected, and soil fertility, jujube yield and quality were investigated. 【Results】1) Compared with the control, the highest total nitrogen and available phosphorus contents was in the C3N3treatment with increment of 80.3% and 32.8%, respectively; the highest total potassium and phosphorus contents were observed in the C3N1treatment with increment of 55.3% and 27.9%, respectively; and the highest available nitrogen and potassium contents were observed in the C3N2treatment with increment of 68.0% and 41.0%, respectively; the lowest soil bulk density (1.22 g/cm3) was observed in the C3N3treatment with decrease of 15.9%. 2) The contents of total sugar, vitamin C, soluble solid, protein and amino acid of the jubilee fruits in the fertilization treatments were generally higher than in the control, but only amino acid content was increased significantly (P ＜ 0.05), with the greatest increment of 100% in C3N1treatment. 3) The yields of jujube in different fertilization treatments were increased by 4.5%-26.9% compared to the control, with the greatest value in the C3N1treatment. 【Conclusions】The combined application of biochar and nitrogen fertilizer plays an active role in increasing jujube yield and improving soil nutrient uptake, soil fertility. Biochar contributes both in reducing the input of the chemical fertilizer and improving soil fertility. The optimal amounts for biochar and nitrogen fertilizers according to the yield should be 10 t/hm2and 300 kg/hm2, respectively.

biochar; N fertilization; jujube; yield; quality

2016-07-19 接受日期：2016-11-13

國際植物營養研究所（IPNI）；林業公益性行業科研專項（201104017）資助。

袁晶晶（1984—），女，河南洛陽人，博士研究生，主要從事植物營養與土壤方面研究。E-mail:15538851301@163.com

* 通信作者 E-mail:tongyanan@nwsuaf.edu.cn