施用生物炭對西北旱區(qū)有機芥藍生長的影響及節(jié)水效應

王利春， 李銀坤， 郭文忠， 曲繼松， 馬　麗， 楊子強

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術中心/農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)(北方)重點實驗室，北京 100097； 2.北京市農(nóng)林科學院北京市工程技術研究中心，北京 100097；3.寧夏農(nóng)林科學院，寧夏銀川 750002； 4.寧夏吳忠國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)管理委員會，寧夏吳忠 751100)

寧夏回族自治區(qū)地處我國西北地區(qū)，光能豐富、熱量適中、晝夜溫差大，作物病蟲害少，黃河貫穿全境，灌溉條件便利，為發(fā)展有機農(nóng)業(yè)提供了得天獨厚的水、光、熱條件[1]。近年來，寧夏回族自治區(qū)生產(chǎn)的有機蔬菜遠銷沿海及香港地區(qū)，“供港蔬菜”已成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)[2]。然而，寧夏回族自治區(qū)屬半干旱地區(qū)，水資源缺少，蒸發(fā)強烈，且普遍存在土壤肥力貧瘠、有機質(zhì)及速效養(yǎng)分含量低等問題[1，3]，而在有機生產(chǎn)模式下，不能通過施用化學肥料來迅速提升土壤肥力。因此，如何統(tǒng)籌協(xié)調(diào)有機蔬菜生產(chǎn)的水、肥是獲得蔬菜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關鍵。

生物炭是在缺氧條件下由植物體不完全燃燒生成的物質(zhì)，屬黑炭范疇[4-5]。生物炭化學穩(wěn)定性較強，可在土壤中穩(wěn)定存在較長的時間，作為土壤改良劑具有改良土壤結構、增加土壤持水性和碳氮比、減少土壤養(yǎng)分淋溶等作用，還可以增加土壤碳匯，減少溫室氣體排放[6-9]，應用前景十分廣泛。目前，針對西北旱區(qū)有機栽培條件下添加生物炭對土壤改良及作物生長狀況改善效果的研究鮮有報道。本試驗以西北供港蔬菜生產(chǎn)基地白花芥藍(BrassicaalboglabraL.H. Bailey)為材料，研究施用生物炭對土壤改良、土壤持水性及芥藍生長的影響，為西北旱區(qū)有機蔬菜的可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗地概況

試驗于2015年8月12日至10月11日在寧夏回族自治區(qū)吳忠市孫家灘吳忠農(nóng)業(yè)科技園區(qū)覆蓋防蟲網(wǎng)的拱棚內(nèi)進行，試驗地0～30 cm深度土壤的容重為1.35 g/cm3，pH值為8.3，有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量分別為2.39、0.20、0.44、17.20 g/kg，全鹽、速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為3.15、14.0、4.0、78.0 mg/kg。

1.2　試驗材料

供試品種為帝王白花芥藍，8月10日播種，8月25日間苗定植，株行距為10 cm×20 cm；選用的生物炭由玉米芯燒制而成，即將玉米芯通過缺氧不完全燃燒得到，碳含量約為 65.7%；有機肥為腐熟的商品牛糞，購自吳忠市綠色能源開發(fā)有限公司，全氮、速效鉀、有效磷含量分別為12.92、10.05、1.18 g/kg。

1.3　試驗設計

試驗共設4個處理，分別為不施任何肥料(CK)、生物炭10 t/hm2(C)、有機肥4 t/hm2(M)、生物炭10 t/hm2+有機肥4 t/hm2(CM)。翻地前，將有機肥與生物炭一次性施入土壤。各處理水分管理方式相同，灌溉間隔時間為3～5 d，灌溉量為30 mm。試驗小區(qū)面積為9 m2，隨機分布，每處理重復4次。

1.4　測定項目與方法

分別于9月5日、9月16日、10月3日分層采集土樣，采用烘干法測定土壤含水量；分別于9月4日、9月12日、9月20日、10月1日隨機固定芥藍4株，測定植物株高、莖粗、葉片數(shù)等生長指標；分別于8月28日、9月13日、10月1日隨機選取芥藍4株，將其從根基部剪下，測定鮮質(zhì)量。

1.5　數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0、Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析與作圖；采用最小顯著差數(shù)法(LSD法)檢驗差異顯著性(α=0.05)。

2　結果與分析

2.1　施用生物炭對土壤含水量的影響

由圖1可見，在相同的施肥水平下，添加生物炭處理的土壤含水量多明顯高于不添加生物炭處理；只添加生物炭(C)的0～10、10～20、20～30 cm土壤平均含水量分別0.132、0.111、0.123 g/g，分別比對照(CK)處理的0.115、0.102、0.088 g/g 高14.8%、8.8%、39.8%；施用有機肥+生物炭(CM)的0～10、10～20、20～30 cm的土壤平均含水量分別0.133、0.097、0.113 g/g，分別比僅施用有機肥(M)的0.111、0.090、0.081 g/g高19.8%、7.8%、39.5%。

2.2　施用生物炭對芥藍生長指標的影響

2.2.1株高由圖2可見，9月4日、9月12日、9月20日、10月1日處理M和處理CM的芥藍株高分別為10.27、16.24、21.66、36.03 cm和12.60、17.00、23.20、36.51 cm，除9月4日外，均顯著高于同時期未施用有機肥的處理C和CK(P<0.05)；同一時期，施入有機肥的處理(處理M、CM)其芥藍株高相互間差異不顯著(P>0.05)。

2.2.2葉片數(shù)植物的葉片數(shù)與其生長發(fā)育進程密切相關。由圖3可見，9月4日、9月12日、9月20日各處理芥藍的葉片數(shù)相互間差異不顯著(P>0.05)，10月1日，對照處理的芥藍葉片數(shù)顯著低于其他3個處理(P<0.05)，可能是在試驗后期，由于對照處理沒有施用有機肥而導致芥藍出現(xiàn)養(yǎng)分脅迫、下部葉片發(fā)黃脫落。

2.2.3莖粗由圖4可見，與對照相比，無論是向土壤中添加有機肥還是生物炭，對芥藍莖粗的增加均有一定的促進作用，有機肥+生物炭配施處理對芥藍莖粗增加的促進作用相對最為明顯；9月4日、9月12日、9月20日、10月1日，單施生物炭處理的芥藍莖粗分別比對照處理(CK)增加27.2%、13.2%、12.2%、23.7%，單施有機肥處理的芥藍莖粗分別比對照增加29.6%、36.9%、27.0%、23.9%；9月4日、9月12日、9月20日、10月1日，有機肥+生物炭配施處理的芥藍莖粗分別比對照增加28.2%、60.3%、70.7%、48.6%，比單施有機肥分別增加-1.0%、17.1%、34.4%、20.0%。

2.3　施用生物炭對芥藍地上部鮮質(zhì)量的影響

地上部鮮質(zhì)量是葉用蔬菜的有效收獲部位，是評價有機栽培芥藍種植收益的重要指標。由圖5可見，在有機生產(chǎn)條件下，單施生物炭對芥藍地上部鮮質(zhì)量的增加促進作用并不明顯，10月1日僅生物炭處理的芥藍鮮質(zhì)量為121.12 g，而對照處理為119.41 g，相互間差異不顯著(P>0.05)；與對照相比，只施用有機肥雖然對增加芥藍鮮質(zhì)量有一定的促進作用，但試驗后期促進效果十分有限；8月28日、9月13日、10月1日，只施用有機肥的芥藍鮮質(zhì)量分別比對照增加 55.6%、46.3%、17.3%，而有機肥+生物炭配施處理的芥藍鮮質(zhì)量相對最高，分別為19.27、63.99、161.23 g，分別比對照增加91.7%、153.3%、35.0%，分別比單施有機肥增加 23.2%、73.2%、15.1%。在有機栽培條件下，有機肥與生物炭配施更能促進芥藍的生長，從而提高了有機肥的利用率。

3　結論與討論

在西北旱區(qū)有機栽培條件下，施用生物炭的芥藍根區(qū)含水量明顯高于不施用生物炭，土壤持水性明顯增加，降低了水分脅迫對作物生長的抑制，與劉方等的研究結論[10]吻合。靳澤文等研究表明，施用生物炭能夠降低土壤容重，提高土壤的孔隙度，土壤飽和含水量、田間持水量和有效水含量會相應增加，凋萎系數(shù)隨之減小[11]。高海英等通過土柱試驗研究表明，生物炭可降低質(zhì)地較輕土壤的通透性，抑制土壤水分入滲；在一定水吸力條件下，容積含水量隨生物炭用量的增大而增加[12]。王丹丹等研究表明，生物炭的施用提高了田間持水量和土壤持水能力，降低了土壤的入滲性能，生物炭的摻入量越大，其效果越明顯[13]。肖茜等研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭對沙質(zhì)土壤的表面蒸發(fā)具有顯著的抑制作用，施用生物炭的表層土壤含水量高于未施用生物炭處理[14]。

通過施用生物炭可以提高土壤持水性，改善作物根系層的土壤水分狀況，但是在西北有機供港蔬菜產(chǎn)區(qū)，其土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量普遍較低，而生物炭經(jīng)過煅燒處理后其氮、磷含量相對較低，且生物炭還具有較大的比表面積，施入土壤后可以吸附土壤中的有效養(yǎng)分離子，因此，僅施加生物炭對芥藍生長的促進效果并不明顯，甚至有研究表明，當土壤中施入過量的生物炭會對作物的生長產(chǎn)生抑制作用[9，15-16]。此外，由于生物炭具有很高的碳氮比，而部分生物炭分解會導致氮固定[17]，從而降低了土壤的有效氮，限制了植株對有效氮的吸收，這也會影響芥藍的生長。Lehmann等指出，在土壤肥力較低的情況下施用黑炭，會降低氮的有效性[18]。在西北旱區(qū)，與不施肥和僅施生物炭相比，施入有機肥的芥藍生長狀況得到明顯改善，這說明西北旱區(qū)有機蔬菜生產(chǎn)除受水分因素制約外，還受到土壤肥力的制約，但由于有機肥的肥效釋放較為緩慢，故對芥藍生長的促進作用也較為緩慢。有機肥與生物炭配施時，芥藍鮮質(zhì)量、莖粗明顯優(yōu)于單施生物炭和單施有機肥處理，這可能是有機肥與生物炭配施可以促進有機肥中氮肥的礦化，土壤供氮能力明顯提高[19-22]，從而也會使作物的產(chǎn)量有所提高。

總之，西北旱區(qū)種植有機蔬菜過程中在土壤中添加生物炭，一方面可抑制土壤表面的水分蒸發(fā)，減少土壤水分的入滲，增加土壤的持水能力，另一方面還能加速有機肥中氮的礦化，增加土壤肥力，具有廣泛的應用前景。

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