生物質炭對土壤養分及設施蔬菜產量與品質的影響

李 麗，王雪艷，田彥芳，王耀生，李貴桐,3*，林啟美,3，趙小蓉,3

（1 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；2 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；3 中國農業大學華北耕地保育重點實驗室，北京 100193）

生物炭 (biochar) 可由富含碳的生物質在少氧環境條件下緩慢高溫 (大于250℃) 分解得到[1]，其原材料可為農作物秸稈、木質材料、動物糞便和其他有機廢棄物等[2]。將生物質炭施入土壤后，對土壤性質及作物生長能夠產生一定的影響。已有研究表明，生物質炭可以提高土壤持水量和養分含量[3]，提高土壤溫度和改良土壤質地[4]，增強土壤微生物活性，從而提高土壤肥力[5]。但關于生物質炭對作物產量的影響目前還具有不確定性。張登曉等[6]的研究表明，在溫室盆栽中施用生物質炭能顯著提高小白菜的產量，增產幅度最高達75%，同時可降低小白菜中的硝酸鹽含量。Baronti等[7]用沙壤土做盆栽試驗，當生物質炭施用量為30 t/hm2和60 t/hm2時，黑麥草的生物量分別比對照增加20%和52%，但施用量提高到100 t/hm2和200 t/hm2時，反而比對照降低8%和30%。Rondon等[8]研究指出，當生物質炭施用量為30 g/kg和60 g/kg時，可顯著增加大豆產量，但當生物質炭施用量增至90 g/kg時，與對照相比，大豆產量不增反降，這表明一定量的生物質炭可以促進作物的生長，但過量施用反而不利于作物的生長。此外，生物質炭可顯著降低葉菜類蔬菜硝酸鹽含量[6]，改善蔬菜營養品質[9–10]。牛亞茹等[10]在大棚栽培中施用生物質炭，當生物質炭施用量為48 t/hm2時，可顯著增加黃瓜可溶性糖和有機酸含量，降低黃瓜硝酸鹽含量。

近年來，我國蔬菜種植面積持續快速增長。到2012年，我國已成為世界上最大的溫室蔬菜生產國[11]。設施栽培在快速發展的過程中也出現各種問題，生產者為了追求較高的經濟利益，大量施用化肥，導致設施菜地土壤出現不同程度的次生鹽漬化和鹽害，作物生長發育出現生理障礙，減產幅度不斷增加，這些嚴重阻礙和威脅了設施農業的可持續發展[12]。此外，在蔬菜栽培過程中，相較于茄果類和蔥蒜類，葉菜類蔬菜更易富集硝酸鹽[13]，而人體攝入的72%～94%來自蔬菜[14]。因此，改善設施栽培土壤質量，提高蔬菜產量和品質是蔬菜種植中需要關注的問題。

生物質炭由于其良好的持水保肥性能，可以作為改良劑施入土壤中改善土壤環境，以提高作物產量和品質[15–16]。但目前關于生物質炭不同施用量的研究還無法推出通用的生物質炭最佳施用量范圍，需要根據不同土壤類型和作物種類來確定最佳施用量[17]。本試驗以設施蔬菜西芹和茄子為研究對象，探究了大棚土壤中添加不同用量的生物質炭對土壤養分以及蔬菜產量和品質的長期影響，從而探索一種綠色可持續發展的設施農業生產方式。同時，也為大棚蔬菜種植中土壤添加生物質炭的用量提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2014年11月—2015年7月在北京市順義區康鑫源基地 (116.65°E、40.13°N) 溫室大棚中進行，大棚凈生產面積為380 m2。試驗蔬菜西芹品種為文圖拉，茄子品種為京茄6號。土壤質地為砂質黏壤土，分別含砂粒 (2～0.05 mm) 60.0%、粉粒(0.05～0.002 mm) 20.2%、粘粒 ( ＜ 0.002 mm)19.8%。耕層 (0—20 cm) 土壤有機碳含量15.20 g/kg、全氮含量1.40 g/kg、全磷含量1.10 g/kg、全鉀含量9.40 g/kg、有效磷93.50 mg/kg、速效鉀78.30 mg/kg、堿解氮 63.00 mg/kg、pH(水土比2.5∶1)6.72。生物質炭購自沈陽金和福有限公司，由花生殼和鋸木在400～500℃下裂解兩小時而成，經測定[18]，其有機碳含量688.10 g/kg、全氮含量6.83 g/kg、全磷含量1.90 g/kg、全鉀含量15.18 g/kg、有效磷含量242.30 mg/kg、速效鉀含量9.54 g/kg。施用的有機肥原材料為動物糞便和植物殘體等物質，并利用微生物菌劑經高溫發酵而成，其有機質含量310.67 g/kg、全氮含量15.01 g/kg、全磷含量 6.33 g/kg、全鉀含量30.88 g/kg。

1.2 試驗設計

本試驗生物質炭施用量共設5個水平，分別為不施用生物質炭 (B0)、施用20 t/hm2(B20)、40 t/hm2(B40)、80 t/hm2(B80)、160 t/hm2(B160) 生物質炭。采用完全區組設計，每個處理3次重復，共15個小區，每個小區面積為23 m2。2014年10月16日，按照試驗設計將全部生物質炭及17.86 t/hm2有機肥料作為底肥一次性施用，耕翻后與耕層土壤充分混合。2014年11月10日移栽西芹，2015年2月25日采收；2015年3月30日移栽茄子，2015年6月6日采收第一批成熟茄子并計產，2015年7月12日采收第二批茄子并計產。為保證茄子生長期的營養需求，于西芹收獲一周后 (2015年3月4日)，施用35.72 t/hm2有機肥料作為底肥，各小區均勻撒施，與土壤充分混勻 (肥料養分含量見1.1供試材料)?；适褂冒凑粘Ｒ幧a進行。西芹與茄子生長期間田間管理均按當地習慣方式進行。

1.3 分析方法

植株：西芹收獲時，劃面積 (1 m2) 測產，采集所選區域內所有西芹植株，稱取質量；茄子收獲時，采用稱重法得到茄子產量；用水楊酸比色法測定西芹組織中硝酸鹽含量[19]；茄子果實Vc含量采用2,6－二氯靛酚滴定法測定，茄子過氧化氫酶活性采用紫外分光光度法測定[20]；西芹植株與茄子果實樣品經濃硫酸消煮后，分別采用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法和分光光度計法[18]測定全氮、全磷、全鉀含量。

土壤：分別在西芹收獲后 (2015年2月25日)、茄子移栽前 (2015年3月30日)、茄子第二次收獲后(2015年7月12日) 采集土樣。每個小區取3鉆0—20 cm土壤，混合后裝入自封袋備用。土壤堿解氮用堿解擴散法測定；土壤速效鉀用火焰光度法測定；土壤有效磷用鉬銻抗比色法測定[18]。

1.4 數據分析

試驗數據用Excel 2013進行統計分析，采用SPSS21.0進行單因素方差分析和多重比較，用LSD法比較處理間的差異顯著性 (P ＜ 0.05)。

2 結果與分析

2.1 生物質炭對西芹和茄子產量的影響及經濟效益分析

由圖1可以看出，與不添加生物質炭 (B0) 相比，B20和B160處理能顯著提高西芹產量，增產幅度分別達31.6%和30.3%；B40處理西芹增產18.1%，B80處理對西芹產量影響不顯著。不同施炭處理對茄子產量影響不顯著。

圖1 施用生物質炭對西芹和茄子產量的影響Fig. 1 Impacts of biochar treatments on yield of celery and eggplant

由表1可知，種植兩茬作物，B20處理溫室大棚兩茬蔬菜純收入 (總收入減去肥料總投入) 最高，為421622元，與B0相比純收入增加9.4%；而隨著生物質炭添加量的增多，肥料投入成本逐漸加大，溫室大棚收益反而越來越低。

2.2 生物質炭對西芹和茄子品質的影響

從圖2可以看出，西芹硝酸鹽含量在487.41～1001.08 mg/kg，與B0處理相比，B20處理對西芹植株硝酸鹽含量無顯著影響，但B40、B80和B160處理顯著降低了西芹植株硝酸鹽含量，降低幅度分別達37%、37.2%和49.1%，但處理間差異不顯著。由此可知，當生物質炭添加量增加至40 t/hm2及以上時，西芹硝酸鹽含量能夠顯著降低。

過氧化氫酶是植物組織中重要的抗氧化酶之一，其活性的高低可在一定程度上體現果實的耐藏性和成熟衰老程度。從圖3可以看出，處理間過氧化氫酶活性無顯著性差異，說明添加生物質炭對茄子過氧化氫酶活性無顯著影響。與不施炭處理相比，添加生物質炭對茄子的維生素C含量影響不明顯。

2.3 生物質炭對西芹和茄子氮磷鉀含量及積累量的影響

從表2可以看出，與不添加生物質炭相比，生物質炭的施用對西芹氮和磷含量無顯著性影響。當生物質炭施用量為40 t/hm2(B40)，西芹全鉀含量最低。與不施炭處理相比，添加生物質炭能夠不同程度的增加西芹植株氮磷鉀積累量，當生物質炭施用量為20 t/hm2時，氮積累量達到最高，當生物質炭施用量為160 t/hm2時，植株磷鉀積累量達到最大。

由表2可知，不同生物質炭處理對茄子果實中氮、磷、鉀含量均無顯著影響。當生物質炭施用量達40 t/hm2和80 t/hm2時 (B40和B80處理)，可顯著增加茄子果實氮素積累量，但當生物質炭施用量為160 t/hm2時，氮積累量反而有所降低；當生物質炭施用量達40 t/hm2時 (B40)，茄子果實磷積累量最高，而B160處理積累量最低。施用生物質炭對茄子果實鉀積累量無顯著性影響。

表1 不同生物質炭施用量生產成本與產出對比Table 1 Input and output of different biochar treatments

2.4 生物質炭對土壤養分含量的影響

由圖4a可以看出，西芹收獲后與茄子移栽前，各處理土壤堿解氮含量差異不顯著；茄子收獲后，未施炭處理土壤堿解氮含量最高，B160處理最低。整體變化趨勢是，隨生物質炭施用量的增加，土壤堿解氮含量逐漸降低，其中，B40、B80和B160處理降低幅度分別達11.7%、10.0%和20.3%。由圖4b可以看出，西芹收獲后，隨著生物質炭施用量的增加，土壤有效磷含量呈逐漸增加的趨勢，但各處理間差異不顯著。茄子移栽前和茄子收獲后，各處理土壤有效磷含量差異均不顯著。隨著生物質炭施用量的增加，土壤速效鉀含量逐漸增加 (圖4c)。西芹收獲后，B80和B160處理土壤速效鉀含量增加幅度分別達95.8%和196.2%；茄子收獲后，B160處理土壤速效鉀含量增加幅度達165.5%。B160處理土壤速效鉀含量最高，不施生物質炭處理最低。

3 討論

大量的研究表明，生物質炭能夠促進作物生長，增加作物產量，但也有不同結果[7–8]。本試驗中，B20與B160處理能夠顯著增加西芹植株產量，說明適量的生物質炭施入能促進西芹植株生物量的積累(圖1)。與此同時，B20與B160處理在生物量增加的同時，植株體內的養分含量并沒有下降，表明適量的生物質炭施入能夠促進根系對土壤養分的吸收，因此提高了西芹的養分吸收量。這可能與生物質炭能夠促進植物根系生長[21]和改善植株根際生長環境[22]有關。B40處理有助于茄子果實氮磷積累，但B160處理果實氮磷積累量卻降至最低，鉀積累量相較于其他處理也較低，但未出現顯著性差異，說明生物質炭施用量過多會抑制茄子生長，影響養分向果實運輸轉移。類似的研究也表明，施用過量生物質炭能夠抑制黑麥草[7]和大豆[8]生長。研究表明，氮素可促進植株干物質積累[23]，土壤缺氮不僅影響氮素積累，還會影響磷素與鉀素的積累[24]。而本試驗中，B160處理降低了茄子土壤堿解氮含量 (圖4a)，影響了茄子果實干物質積累，故而影響果實氮磷鉀養分積累。在本研究中，適量生物質炭 (B20與B160處理) 增加了西芹產量，但卻對茄子產量無顯著影響?？赡苡幸韵氯N原因：1) 生物質炭的增產效應隨著種植時間增加而減弱[25]，主要原因是風化炭養分含量低于新鮮生物質炭[26]；2) 種植蔬菜種類不同，需肥特性不同；3) 由本研究結果可知，在兩茬作物生長期間，土壤養分狀況不同，生物質炭對土壤養分的影響也不盡相同 (圖4)，這可能是適量生物質炭增加西芹產量卻對茄子產量無影響的主要原因。本文研究了生物質炭作為基肥一次性施入土壤后，種植一年蔬菜后的結果，其結果對于溫室設施栽培中生物質炭施用量更具有現實指導意義，但其對設施蔬菜更為長久的影響還有待進一步研究。

表2 不同生物質炭添加量下西芹植株和茄子果實氮磷鉀含量及積累量Table 2 The content and accumulation of NPK in celery and eggplant fruit under different biochar additions

圖2 施用生物質炭對西芹硝酸鹽含量的影響Fig. 2 Impacts of biochar on nitrate content of celery

圖3 施用生物質炭對茄子品質的影響Fig. 3 Impacts of biochar on qualities of eggplant

蔬菜中硝酸鹽的含量取決于施用肥料的種類、施用量以及使用時間等因素[27]。在眾多蔬菜種類中，由于葉菜類蔬菜耐肥性較強且需肥量大，因此更易富集較高的硝酸鹽[13]。本研究中，施用適量生物質炭(B40、B80和B160處理) 能夠降低西芹植株硝酸鹽含量，這與張登曉等[6]的研究結論一致。一方面，施用生物質炭后，土壤中氮素釋放緩慢[28]，作物對硝態氮的吸收來源減少，因而不會因短期內吸收過多氮素而造成硝酸鹽積累；另一方面，有可能是植株體內鉀含量的增加促進了作物體內硝酸鹽的還原同化[29]，從而降低了西芹中硝酸鹽的含量。生物質炭對茄子維生素C含量和過氧化氫酶活性無顯著影響。

生物質炭對土壤養分的影響與生物質炭類型、施用量、土壤類型和氣候條件等有密切關系[30]。本研究結果顯示，生物質炭顯著提高了土壤速效鉀含量，且隨生物質炭施用量的增加，土壤速效鉀含量增高 (圖4c)，這與謝國雄等[31]的研究結果一致。這可能是由于，一方面，生物質炭含有一定量的速效鉀，施入土壤后可顯著增加土壤速效鉀含量；另一方面，施用生物質炭可增加土壤CEC[32]，增加土壤中可交換性鉀含量。生物質炭對土壤有效磷含量無顯著影響 (圖4b)，這與Borchard等[33]及Jones等[34]的結論相同?？赡苁且驗樯镔|炭本身含有的有效磷較少，施入土壤后土壤有效磷含量并無顯著增加。施用生物質炭對西芹收獲后土壤堿解氮含量無顯著影響，但卻顯著降低了茄子收獲后土壤堿解氮含量，且隨著施炭量的增加，土壤堿解氮含量逐漸降低 (圖4a)。可能是因為，生物質炭增加了土壤有機碳含量，故而增加了土壤碳氮比，從而降低了土壤有效氮含量[35]。生物質炭對土壤性質的影響，因生物質炭施入土壤時間長短、土壤養分狀況、作物種類等因素而存在不確定性，其影響機理有待進一步系統深入的研究。

圖4 不同生物質炭添加量下蔬菜收獲前、后的土壤有效態氮磷鉀含量Fig. 4 Soil available N, P and K contents added with different biochar amount before and after crop harvest

4 結論

將不同量的生物質炭施入土壤，先后種植西芹和茄子。總體來看，生物質炭對西芹生長影響更為顯著，施用適量生物質炭能夠促進西芹植株氮磷鉀養分積累，增加產量，降低植株硝酸鹽含量。但是，生物質炭對茄子產量和品質均無顯著影響，當施用量過高時，反而抑制了茄子果實養分積累。施用生物質炭有效增加了土壤速效鉀含量，對土壤有效磷含量無顯著影響，對土壤堿解氮含量的影響較為復雜，即對西芹收獲后土壤堿解氮含量無顯著影響，卻降低了茄子收獲后土壤堿解氮含量。生物質炭對土壤養分的長期影響如何，以及生物質炭針對不同作物的合適用量，還有待進一步的研究。