花生殼生物炭對土壤改良、蔬菜增產(chǎn)及其持續(xù)效應(yīng)研究

黃連喜，魏 嵐，李衍亮，黃玉芬，Nyo Nyo Mar,2，許桂芝，黃 慶，劉忠珍*

(1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，農(nóng)業(yè)部南方植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，廣東省養(yǎng)分循環(huán)利用與耕地保育重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.Agricultural Biotechnology Biotechnological Research Department Ministry of Education，Kyaukse Myanmar 100301)

鑒于此，本研究選取廣東地區(qū)典型的蔬菜輪作農(nóng)田，一次性施入來源廣泛的花生殼生物炭，連續(xù)種植9茬葉菜，探討花生殼生物炭對該類型土壤質(zhì)量改良的長期效應(yīng)，以及對連續(xù)多茬蔬菜生長的影響，從而為該地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物炭改良培肥作用以及生物炭作為土壤改良劑的應(yīng)用提供直接的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤、生物炭及作物類型

試驗點位于廣東省東莞市麻涌鎮(zhèn)歐涌村，北緯23°6′31″，東經(jīng)113°36′22″。試驗開始前，采集基礎(chǔ)土樣，采樣深度為20 cm，S形采集土壤后，充分混勻，室內(nèi)風(fēng)干，壓碎后過2 mm孔徑篩，用于pH值、速效鉀、堿解氮及有效磷含量測定，將過2 mm孔徑篩的土樣用四分法取出一部分繼續(xù)碾磨，過0.25 mm孔徑篩后用于有機碳測定。經(jīng)測定，試驗用地土壤為砂壤土(粉砂粒24%，粘粒14.2%，砂粒61.8%)，pH值為4.8，土壤有機碳含量為1.4%，堿解氮123.6 mg·kg-1，有效磷202.4 mg·kg-1，速效鉀59.0 mg·kg-1。試驗所用生物炭由河南某生物炭公司提供，原料為花生殼，于500℃高溫缺氧熱解2 h制備。取少量花生殼生物炭碾磨過2 mm孔徑篩用于pH值、速效鉀、堿解氮及有效磷含量測定，過0.25 mm孔徑篩用于有機碳含量測定，經(jīng)測定，其pH值為10.0，有機碳含量42.7%，堿解氮129.6 mg·kg-1，有效磷229.1 mg·kg-1，速效鉀29 750 mg·kg-1。供試作物為葉菜，分別為上海青，油麥菜和生菜，種植方式為大田輪作。

1.2 試驗設(shè)計

試驗用地長18 m，寬7.6 m，左右兩邊各為1.1 m寬保護行，中間平均分為12個小區(qū)，每個小區(qū)面積約為6.6 m2。試驗共設(shè)4個處理，分別為不施生物炭(CK)，一次性施加花生殼生物炭2.5 t·hm-2(T1)，一次性施加花生殼生物炭5 t·hm-2(T2)，一次性施加花生殼生物炭10 t·hm-2(T3)，每個處理3次重復(fù)，隨機區(qū)組設(shè)計。2014年10月31日，按處理用量撒施生物炭后，用翻土機進行深翻，然后連續(xù)種植9茬蔬菜，采收8茬。每茬蔬菜生長期間常規(guī)管理，各處理施用等量復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)，由于蔬菜品種及生長季節(jié)不盡相同，且各茬蔬菜生育期差別較大，試驗中復(fù)合肥用量有所不同。第1茬為上海青，直播，生育期42 d(2014年10月31日～12月12日)，施肥量為550 kg·hm-2；第2茬為油麥菜，移栽，生育期47 d(2014年12月16日～2015年2月3日)，施肥量為570 kg·hm-2；第3茬為生菜，移栽，生育期52 d(2014年2月4日～3月26日)，施肥量為600 kg·hm-2；第4茬為上海青，移栽，生育期25 d(2015年3月26日～4月21日)，施肥量為450 kg·hm-2；第5茬為油麥菜(2015年4月23日～5月28日)，由于雨水多，幾乎無產(chǎn)量，沒有采收；第6茬為生菜(2015年7月24日～8月25日)，移栽，生育期31 d，施肥量為480 kg·hm-2；第7茬為生菜，移栽，生育期43 d(2015年8月26日～10月9日)，施肥量為550 kg·hm-2；第8茬為上海青，直播，生育期39 d(2015年10月10日～11月19日)，施肥量為530 kg·hm-2；第9茬為油麥菜，移栽，生育期46 d(2015年11月20日～2016年1月6日)，施肥量為570 kg·hm-2。

1.3 樣品采集及分析測試方法

每茬蔬菜收獲時割取每個小區(qū)內(nèi)生長的蔬菜測產(chǎn)，帶回蔬菜鮮樣測定可溶性糖、硝酸鹽及Vc含量。同時采集各小區(qū)土壤進行pH值、堿解氮、有效磷、速效鉀及有機碳含量分析。土壤采集及前處理方法同基礎(chǔ)土壤。土壤pH 值采用酸度計測定，土水比為1∶2.5，花生殼生物炭及土壤中有機碳含量用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定，堿解氮、有效磷及速效鉀分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉法及乙酸銨提取法測定[19]。蔬菜可溶性糖、硝酸鹽及Vc含量分別采用費林試劑標(biāo)定法、5%水楊酸-濃硫酸法及2，6-二氯靛酚滴定法測定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel 軟件進行處理，用SAS 9.0 軟件進行單因素Duncan 統(tǒng)計分析，用origin 8.6軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 花生殼生物炭及其用量對土壤的改良效果

2.1.1 土壤pH值

各茬蔬菜收獲時土壤pH值見圖1，從圖中數(shù)據(jù)可得，CK處理的多茬蔬菜收獲后土壤pH值為4.4～5.2，T1處理的土壤pH值為4.9～5.5，比CK處理提升0.1～0.5單位；T2處理的土壤pH值為5.0～5.5，比CK處理提升0.3～0.8單位；T3處理的土壤pH值為4.7～5.5，比CK處理提升0.1～0.4單位。各茬蔬菜種植期間，T1處理均可提高土壤pH值，除第1、6及9茬外，其它5茬土壤pH值的提升均達到顯著性差異(P<0.05)，而T2處理均顯著提高了8茬蔬菜土壤pH值(P<0.05)，當(dāng)生物炭用量增加到10 t·hm-2(T3)時，土壤pH值下降，但始終比沒有施加生物炭的對照處理高。

圖1 花生殼生物炭施用后連續(xù)種植多茬蔬菜后土壤pH值

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.1.2 土壤有機碳

土壤有機碳是土壤有機質(zhì)的一種化學(xué)量度，占土壤有機質(zhì)的60%～80%，其儲量反映了土壤截留碳的能力，是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的核心，因此，常把土壤有機碳作為評價土壤肥力水平的一項重要指標(biāo)。花生殼生物炭有機碳含量為42.7%，因此，試驗用地增施花生殼生物炭預(yù)期可以提高土壤有機碳含量，提升土壤肥力。如圖2所示，蔬菜收獲后CK處理的土壤有機碳含量為1.36%～1.56%，T1處理的土壤有機碳含量為1.38%～1.59%，比CK處理提升0.02%～0.07%，增幅達1.4%～4.3%；T2處理的土壤有機碳含量為1.42%～1.66%，比CK處理提升0.06%～0.27%，增幅達4.6%～19.0%；T3處理的土壤有機碳含量為1.55%～2.04%，比CK處理提升0.11%～0.64%，增幅達7.2%～31.4%。蔬菜種植期間，T1處理均可提高試驗小區(qū)的土壤有機碳含量，但都沒有達到顯著性差異(P>0.05)，而T2處理除了第3、7及第8茬外，均顯著提高了其余5茬蔬菜種植試驗小區(qū)的土壤有機碳含量(P<0.05)，T3處理均顯著提高所有茬次蔬菜種植的試驗小區(qū)土壤有機碳含量(P<0.05)。

圖2 花生殼生物炭施用后連續(xù)種植多茬蔬菜后土壤有機碳含量

2.1.3 土壤堿解氮、有效磷及速效鉀

施用花生殼生物炭后，不同茬別及不同處理的土壤堿解氮、有效磷及速效鉀含量變化見表1。從表中可得，各茬蔬菜種植期間，不同茬別間土壤堿解氮含量變異很大，且同一茬次各處理間規(guī)律性不明顯。不同茬別間土壤速效鉀含量變異也很大，值得注意的是第1、2茬蔬菜的土壤速效鉀含量隨著生物炭施入量增加而提高，且5和10 t·hm-2生物炭處理的土壤速效鉀含量顯著高于空白處理(P<0.05)。蔬菜種植第3茬后，不同用量生物炭處理間的土壤速效鉀含量差異性減小。前4茬蔬菜收獲后土壤有效磷含量相差不大，從第6茬開始，土壤有效磷含量提升，但從第9茬出現(xiàn)含量下降。各茬蔬菜收獲后，5 t·hm-2生物炭用量處理的土壤中有效磷含量均稍低于其它處理。對各茬蔬菜收獲后土壤堿解氮、有效磷及速效鉀含量進行顯著性分析，結(jié)果顯示，不同用量花生殼生物炭處理的土壤堿解氮及有效磷含量沒有顯著差異(P>0.05)，生物炭施用顯著提升前兩茬蔬菜的土壤速效鉀含量，對后來6茬蔬菜種植后的土壤速效鉀含量沒有顯著影響。

表1 蔬菜收獲后土壤堿解氮、有效磷及速效鉀含量 (mg·kg-1)

注：同列不同小寫字母表示該測定項目結(jié)果差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 花生殼生物炭及其用量對蔬菜產(chǎn)量的影響

采收的各茬蔬菜產(chǎn)量見圖3，從圖中可見，T1處理對各茬蔬菜產(chǎn)量均有提高作用，除了第3茬和第7茬外，其它6茬與對照相比均達到顯著性差異(P<0.05)，而T2處理則顯著提高了各茬蔬菜的產(chǎn)量(P<0.05)。當(dāng)生物炭的用量增加到10 t·hm-2(T3)時，產(chǎn)量出現(xiàn)下降。CK處理的蔬菜產(chǎn)量為19.6～102.8 t·hm-2，T1處理蔬菜產(chǎn)量為33.1～125.1 t·hm-2，比CK處理增產(chǎn)5.0～34.6 t·hm-2；T2處理的蔬菜產(chǎn)量為33.3～136.4 t·hm-2，比CK處理增產(chǎn)6.4～43.5 t·hm-2；T3處理的蔬菜產(chǎn)量為31.2～130.2 t·hm-2，比CK處理增產(chǎn)5.0～27.4 t·hm-2。與CK相比，T1、T2及T3處理對各茬蔬菜的增產(chǎn)率分別為6.2%～68.7%、7.9%～96.5%及6.2%～59.3%。圖3也同時比較了各處理采收的8茬蔬菜收獲的總產(chǎn)量，該結(jié)果更清楚顯示生物炭增施對蔬菜產(chǎn)量的影響，CK處理采收的8茬蔬菜總產(chǎn)量為467.8 t·hm-2，T1處理的蔬菜總產(chǎn)量為605.9 t·hm-2，增產(chǎn)29.5%；T2處理的蔬菜總產(chǎn)量為637.1 t·hm-2，增產(chǎn)36.2%；T3處理蔬菜總產(chǎn)量為580.4 t·hm-2，增產(chǎn)24.1%，產(chǎn)量低于T1和T2處理，但仍高于CK處理。

圖3 花生殼生物炭施用后連續(xù)多茬蔬菜的產(chǎn)量

2.3 花生殼生物炭及其用量對蔬菜品質(zhì)的影響

不同用量生物炭處理的各茬蔬菜品質(zhì)(表2)顯示，3茬上海青Vc含量為264.3～383.2 mg·100 g-1，2茬油麥菜Vc含量為70.1～127.9 mg·kg-1，3茬生菜Vc含量為90.8～243.4 mg·kg-1，同一茬蔬菜不同用量花生殼生物炭對蔬菜的Vc含量沒有明顯影響。3茬上海青硝酸鹽含量為233.1～617.4 mg·kg-1，2茬油麥菜硝酸鹽含量為230.4～297.4 mg·kg-1，3茬生菜硝酸鹽含量為147.1～355.4 mg·kg-1，同一茬蔬菜不同用量花生殼生物炭對蔬菜的硝酸鹽含量沒有明顯影響。3茬上海青的可溶性糖含量為0.1%～0.9%，2茬油麥菜的可溶性糖含量為0.1%～1.2%，3茬生菜的可溶性糖含量為0.3%～2.6%，同一茬蔬菜不同用量花生殼生物炭對蔬菜的可溶性糖含量沒有明顯影響。因此，不同用量花生殼生物炭對蔬菜品質(zhì)影響不大。

表2 不同花生殼生物炭用量處理蔬菜的品質(zhì)

2.4 花生殼生物炭對農(nóng)田土壤質(zhì)量改良及蔬菜增產(chǎn)的持續(xù)效應(yīng)

花生殼生物炭對蔬菜增產(chǎn)、試驗用地土壤酸性改良及土壤有機碳提升均有較好的效果，但其作用效果維持的時間有多長?根據(jù)上面的數(shù)據(jù)結(jié)果，綜合考慮土壤酸性改良、土壤有機碳含量提升、蔬菜增產(chǎn)及施用成本多方面因素，選擇5 t·hm-2(T2)用量的花生殼生物炭作為最優(yōu)先處理來進一步分析生物炭對農(nóng)田土壤質(zhì)量改良及蔬菜增產(chǎn)的持續(xù)效應(yīng)。圖4以T2處理扣除CK處理計算T2處理對蔬菜產(chǎn)量、土壤pH值及土壤有機碳的提升效果，計算公式為(T2平均值-CK平均值)/CK平均值×100。從圖4可知，從2014年10月開始到2016年1月止，歷時16個月，進行上海青、油麥菜，生菜等多茬蔬菜的輪作試驗，5 t·hm-2生物炭用量處理使蔬菜收獲后的土壤pH值提升0.3～0.8單位，土壤有機碳提升4.64%～19.01%，蔬菜增產(chǎn)7.9%～96.5%。值得注意的是，5 t·hm-2生物炭處理對各茬蔬菜都一直有顯著的增產(chǎn)效果，且對前4茬及第6茬蔬菜增產(chǎn)效果最明顯(第5茬無數(shù)據(jù))，增產(chǎn)率分別達到32.0%、96.5%及61.3%、32.6%及69.7%，從第7茬開始，蔬菜的增產(chǎn)率出現(xiàn)下降。最后一茬蔬菜收獲后，土壤pH值及土壤有機碳含量仍然提升16.9%及8.5%，因此花生殼生物炭對土壤酸性具有明顯的改良效果及持續(xù)的緩沖效應(yīng)，并可以持續(xù)增加土壤碳匯。由于生物炭對土壤酸性的改善及土壤有機碳含量的提升，蔬菜產(chǎn)量具有明顯的增產(chǎn)效應(yīng)，種植多茬蔬菜后，蔬菜的增產(chǎn)效果仍然達到18.7%。

圖4 5 t·hm-2花生殼生物炭對蔬菜增產(chǎn)及土壤質(zhì)量提升效果

3 討論

花生殼生物炭影響土壤pH值機制：試驗用地的土壤pH值為4.8，呈酸性，而花生殼生物炭為堿性，其pH值為10.0，因此，增施花生殼生物炭對土壤pH值產(chǎn)生直接影響。2.5及5 t·hm-2花生殼生物炭對土壤的酸性均有緩解作用，且土壤的pH值隨著生物炭用量增大而持續(xù)升高，這主要歸因于生物炭本身所含有的Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子，隨生物炭進入土壤，在水土交融作用下釋放，與土壤中的H+和Al3+交換，從而降低H+和Al3+在土壤中的濃度[21]。由于生物炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)及巨大的比表面積，表面帶有大量負電荷和較高的電荷密度，并且富含一系列含氧、含氮、含硫官能團，具有很大的陽離子交換量[22]，所以當(dāng)生物炭的用量達到10 t·hm-2時，可吸附大量可交換態(tài)陽離子或堿基陽離子，其作用要比生物炭本身所含有的Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子的釋放強度大，因此有可能使土壤酸性增強，pH值出現(xiàn)稍微下降。

花生殼生物炭提升土壤有機碳原因：本試驗中土壤有機碳儲量隨生物炭施用量的增加而增加，且提高幅度與生物炭施用量呈正相關(guān)關(guān)系，其最主要原因是生物炭富含穩(wěn)定且難以被微生物分解的有機碳，可以在土壤中長期穩(wěn)定存在[13]。生物炭具有碳含量高、芳香化結(jié)構(gòu)復(fù)雜和固有的化學(xué)惰性等特征，被認(rèn)為是惰性碳庫，在土壤環(huán)境中具有較高的化學(xué)和微生物穩(wěn)定性，其作用大小取決于生物炭的用量和穩(wěn)定程度[23-25]。此外，生物炭的施用可能改變了土壤原有有機質(zhì)的組成，形成比較穩(wěn)定的土壤有機質(zhì)而提高土壤肥力[26-27]。

花生殼生物炭促進蔬菜生長原因：生物炭具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分調(diào)控作用，因此施入土壤后可以顯著提高作物的生產(chǎn)力，生物炭的增產(chǎn)作用與生物炭的用量水平、作物類型、農(nóng)田土壤類型有關(guān)[28]。在本試驗中，不同用量花生殼生物炭對土壤pH值及土壤有機碳含量均具有提高作用，其最佳用量為5 t·hm-2，可提高土壤pH值0.3～0.8單位，提升土壤有機碳含量0.06%～0.27%，通過土壤pH值及有機碳含量水平的提高，蔬菜增產(chǎn)6.4 ～43.5 t·hm-2，增產(chǎn)幅度達7.9%～96.5%。因此，在本試驗中，花生殼生物炭對蔬菜生長的促進作用與其對土壤pH值及有機碳水平等土壤化學(xué)性質(zhì)的提升有關(guān)。

在本試驗開展的一年多時間內(nèi)，連續(xù)種植多茬蔬菜后，施用花生殼生物炭對農(nóng)田土壤酸性改良、有機碳含量提升及蔬菜增產(chǎn)仍然發(fā)揮其增長效應(yīng)，其主要原因：(1)生物炭本身呈堿性，酸性土壤適量加入生物炭后可長期維持較高pH值；(2)作為穩(wěn)定性有機物質(zhì)，生物炭施入土壤后增加土壤有機碳含量，對蔬菜的產(chǎn)量具有持續(xù)增產(chǎn)的效果。

4 結(jié)論

花生殼生物炭輸入可有效緩解廣州東莞麻涌菜園土壤的酸性，明顯提升土壤有機碳含量，但對土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量的提高作用不明顯。由于生物炭對土壤酸性的改善及土壤有機碳含量的提升，收獲的各茬蔬菜均具有較明顯的增產(chǎn)效果，且蔬菜品質(zhì)沒有受到影響。中等用量(5 t·hm-2)的生物炭對土壤性質(zhì)改良及蔬菜增產(chǎn)作用最明顯，與對照相比，可提高蔬菜產(chǎn)量6.4～43.5 t·hm-2，增產(chǎn)幅度達7.9%～96.5%；同時5 t·hm-2用量生物炭可提高土壤pH值0.3～0.8單位，提升土壤有機碳含量0.06%～0.27%(增幅為4.6%～19.0%)。連續(xù)種植多茬蔬菜后，土壤pH值仍然提高16.9%，土壤有機碳提升8.5%，蔬菜產(chǎn)量增加18.7%。試驗開展16個月，連續(xù)種植多茬蔬菜后，花生殼生物炭對農(nóng)田土壤的酸性改良、土壤有機碳提升及蔬菜增產(chǎn)仍然發(fā)揮作用，但其更長期效應(yīng)仍需繼續(xù)進行試驗驗證。

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