施用生物質(zhì)炭對集約化菜地土壤肥力質(zhì)量的影響*

李 博 盧 瑛 熊正琴

（1 華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣州 510642）

（2 南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，江蘇省低碳農(nóng)業(yè)與溫室氣體減排重點實驗室，南京 210095）

作為世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國和消費國，我國蔬菜種植面積近2億hm2，占全球蔬菜種植面積的45%［1］。蔬菜生產(chǎn)中氮肥施用量遠遠高于其他經(jīng)濟作物，這導致集約化菜地土壤與大田及自然土壤相比，表現(xiàn)出明顯的土壤酸化與鹽漬化現(xiàn)象。由于氮肥大量施用導致的農(nóng)田土壤氮素轉(zhuǎn)化，在中國每年會造成20～221 kmol·hm-2的H+釋放［2］。同時，氮肥的大量施用還會導致土壤中重金屬、鹽分增加以及土壤板結(jié)等負面影響。此外，集約化蔬菜生產(chǎn)投入的氮肥用量遠高于作物需求量，造成嚴重的土壤無機氮素累積和盈余［3］，還會導致蔬菜硝態(tài)氮過量累積［4］。因此，探索切實可行的方式以保障菜地土壤肥力質(zhì)量，實現(xiàn)我國集約化蔬菜的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為當務之急。

生物質(zhì)炭是由生物質(zhì)通過高溫熱解或者氣化過程而制備的一種穩(wěn)定、難降解有機碳（C）的化合物，在農(nóng)田土壤中施用生物質(zhì)炭可達到固碳減排以及改良土壤理化性質(zhì)的作用［5］。生物質(zhì)炭具有在很多方面應用的潛力。在農(nóng)業(yè)應用方面，生物質(zhì)炭可顯著改善菜地土壤理化性質(zhì)及板結(jié)程度［6］；對土壤重金屬等無機污染物、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、農(nóng)藥等有機污染物吸附力強，是一種高效吸附劑；還能夠提高土壤中微量元素的有效性和氮素利用率，增加土壤中酶活性，提高土壤pH，使作物增產(chǎn)［4］。近年來，生物質(zhì)炭固碳減排的效應正被越來越多的學者認可［7］。與此同時，生物質(zhì)炭還被認為是一種在土壤中相對穩(wěn)定的物質(zhì)，主要原因是由于其礦化速率要低于其他的原生物質(zhì)［8］。這使得生物質(zhì)炭除了具有改良土壤理化性質(zhì)的作用之外，還能夠起到固碳的作用，并且能夠減少向土壤中排放污染物［9］。

已有的試驗中，大多數(shù)報道是針對生物質(zhì)炭對于糧食作物種植土壤的理化性質(zhì)影響，如稻田生態(tài)系統(tǒng)［10］和麥田生態(tài)系統(tǒng)［11］等，且僅有少數(shù)研究報道了生物質(zhì)炭對短期菜地輪作土壤基礎元素含量的影響［12］，因此，有必要全面研究和評價施用不同水平生物質(zhì)炭與氮肥對長期集約化輪作菜地土壤肥力質(zhì)量的影響。選取土壤全氮（TN）、有機碳（SOC）、酸堿度（pH）等土壤化學指標以及土壤容重（BD）等土壤物理指標，在田塊尺度上采用主成分分析法，建立氮肥配施不同量生物質(zhì)炭的土壤肥力質(zhì)量綜合評價體系，探究生物質(zhì)炭施用對土壤肥力質(zhì)量及生產(chǎn)力的影響，為集約化蔬菜的可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地點位于江蘇省南京市高橋門鎮(zhèn)上坊村（32°01′N, 118°52′E）。該區(qū)地處長江中下游，屬亞熱帶濕潤性季風氣候，年平均降水量1 107 mm，年平均溫度15.4 ℃。此地區(qū)集約化種植蔬菜的歷史長達數(shù)十年。通過在寒冷季節(jié)使用塑料大棚進行增溫，一年可種植3～5茬蔬菜，蔬菜種類繁多，復種指數(shù)高，是中國東南部蔬菜種植方式的典型代表。

1.2 試驗材料

試驗地耕作層（0～20 cm）土壤理化性質(zhì)：質(zhì)地為黏土，黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.02～0.002 mm）和砂粒（2～0.02 mm）的含量分別為301 g·kg-1、647 g·kg-1和52 g·kg-1，容重1.2 g·cm-3；pH 5.5，陽離子交換量（CEC）31.2 cmol·kg-1，土壤有機碳（SOC）15.6 g·kg-1，全氮（TN）1.9 g·kg-1，銨態(tài)氮32.3 mg·kg-1，硝態(tài)氮27.5 mg·kg-1。

本試驗施用的小麥秸稈生物質(zhì)炭購自河南省三利新能源有限公司。該生物質(zhì)炭是小麥秸稈在500℃熱分解90 min而成，總碳46.7 g·kg-1，總氮5.6 g·kg-1，pH 9.4，表面積8.9 m2·g-1，灰分208 g·kg-1，陽離子交換量（CEC）24.1 cmol·kg-1；重金屬含量銅（Cu）13.75 μg·g-1，鎘（Cd）0.21 μg·g-1，鎳（Ni）3.34 μg·g-1，鋅（Zn）30.43 μg·g-1，鉛（Pb）8.67 μg·g-1。施用前需將生物質(zhì)炭磨碎并過2 mm篩，撒施至菜地土壤表層，然后與土壤充分混合至表層下20 cm深度。

1.3 研究方法

試驗共設置6個處理：其中，3個生物質(zhì)炭水平分別為B0（0）、B1（20 t·hm-2）和B2（40 t·hm-2），生物質(zhì)炭于田間試驗開始前一次性施入各試驗小區(qū)內(nèi)，人工翻耕至0～20 cm耕層深度并與土壤混合均勻；2個氮肥處理分別為不施肥（N0）和施用氮肥（Nc），施氮處理均施用復合肥，其N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15（質(zhì)量比），施肥方式為表施；而不施氮N0處理則僅補充相應數(shù)量的磷肥（鈣鎂磷肥，含P2O514%）和鉀肥（氯化鉀，含K2O 63.2%）。每個試驗小區(qū)面積為3 m ×2.5 m，每個處理設置3次重復。所有試驗小區(qū)均位于一個蔬菜大棚內(nèi)，且各小區(qū)之間留出1 m的距離以避免試驗小區(qū)互相干擾。

試驗期為2012年4月至2014年10月，期間連續(xù)種植9茬蔬菜，種植蔬菜種類為莧菜（Amaranthus mangostanus L）、空心菜（Ipomoea aquatica Forssk）、菜秧（Brassica chinensis L）、香菜（Coriandrum sativum L）和菠菜（Spinacia oleracea L）。每兩茬蔬菜種植輪作期間有短暫的休耕期，休耕期時間一般為20 d至50 d不等。為保證蔬菜生長需要的溫度或抵御不良天氣條件的影響，莧菜（第1季）、空心菜（第2季和第5季）和香菜（第4季）種植過程中均有塑料大棚覆蓋。每季蔬菜的種子在基肥施入之后直接撒播至試驗小區(qū)中。其中，田間管理按照當?shù)剞r(nóng)民常規(guī)耕作方法進行管理，包括施肥、耕作、灌溉、蔬菜輪作等信息見表1。

1.4 土壤樣品采集及測定方法

田間試驗后采集對應小區(qū)內(nèi)的土壤，采樣時間為2014年10月30日，采集方式為用土鉆取各試驗小區(qū)耕層（0～20 cm）土壤，3次重復取樣，每一樣品均由五點混合而成。新鮮土樣挑出草根和石塊等雜物，帶回實驗室過2 mm篩后放入自封袋中備用；每個處理的土樣分成兩份，一份風干測定土壤pH、TN、SOC含量以及土壤CEC，另一份立即測定土壤的NH4+-N和NO3--N含量。此外，菜地土壤剖面樣品共分五個層次采集，分別為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm。采樣方式為土鉆取樣，在每個小區(qū)按遞進式隨機選取三個采樣點，同時取出同處理的同層三點土樣混合均勻后過2 mm篩。

土壤樣品采集帶回室內(nèi)立即測定土壤NH4+-N和NO3--N含量，測定方法如下：采集的新鮮土樣過2 mm篩，用2 mol·L-1的KCl浸提，濾液中的銨態(tài)氮（NH4+-N）采用靛酚藍比色法測定，硝態(tài)氮（NO3--N）采用紫外分光光度計（U-2900，Hitachi，日本）測定。此外，采用環(huán)刀法測定田間試驗后各處理的菜地土壤容重。土壤TN采用半微量開氏法測定；土壤SOC采用重鉻酸鉀（K2Cr2O7）容量法測定；土壤pH使用精密pH計（PHS-3C型，上海）測定；土壤電導率（EC）采用水土比5∶1（v/v），用電導率儀（FE30-K，Mettler-toledo，上海）進行測定；土壤陽離子交換量（CEC）采用氯化鋇（0.1 mol·L-1，20 mL每兩克土壤）—硫酸快速法測定。所有土壤理化性質(zhì)的測定方法均參考文獻［13］。

蔬菜產(chǎn)量的測定：在每一季蔬菜收獲之后，整個植株的地上部均被收獲，稱取各小區(qū)內(nèi)小框里蔬菜的鮮重計產(chǎn)，對可被收獲多次的空心菜，以農(nóng)戶自己實際稱重計產(chǎn)。氮肥偏生產(chǎn)力（Partial factor productivity from applied N, PFPN）指單位投入的肥料氮所能生產(chǎn)的作物產(chǎn)量，計算公式為：

PFPN=Y / F，Y為施氮后所獲得的產(chǎn)量，F(xiàn)代表氮肥的投入量。

基于主成分分析的土壤肥力質(zhì)量評價研究［14］：對菜地各處理的8個土壤理化性狀指標（土壤TN、SOC、CEC、EC、BD、pH、銨態(tài)氮與硝態(tài)氮）組成矩陣進行主成分分析，選取累計百分率大于等于85%的主成分因子，再選取主成分的特征向量構建主成分方程，計算出不同處理各因子主成分分值，再用各公因子的特征值貢獻率作為權數(shù)進行加權求和，即得各處理菜地土壤肥力質(zhì)量綜合得分。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用JMP 10統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行雙因子方差分析（Two-way ANOVA），最小顯著差異（LSD）法進行多重比較（P=0.05），SigmaPlot 12.0以及Microsoft Excel 2013進行圖表繪制，結(jié)果以“平均值±標準差”的形式表示。采用SPSS 18.0對影響菜地土壤肥力質(zhì)量的各因素進行主成分分析以及逐步回歸分析，并計算不同處理土壤肥力質(zhì)量的綜合得分。

2 結(jié) 果

2.1 生物質(zhì)炭和氮肥處理后集約化菜地表層土壤理化性質(zhì)

如圖1所示，與不施用氮肥的處理相比，氮肥的施用顯著增加菜地土壤TN含量、EC、BD和CEC，分別增加了9.4%～18.1%、172.4%～241.1%、5.6%～7.6%和10.4%～15.0%（P＜0.01）。與此相反，氮肥的施用顯著降低菜地土壤pH（P＜0.01）；雖然雙因子方差分析顯示氮肥的施用顯著增加了菜地土壤SOC含量，但是施用氮肥不施用生物質(zhì)炭處理（NcB0）下菜地土壤SOC含量降低了17.3%（P＜0.05）。而在施用生物質(zhì)炭的處理中，氮肥的施用使菜地土壤SOC增加了9.8%～23.4%（P＜0.05）。

從雙因子方差分析中得出，生物質(zhì)炭的施用顯著增加了試驗期內(nèi)土壤的TN、SOC含量和土壤CEC，分別增加了1.7%～10.0%、3.6%～48.3%和8.1%～37.1%（圖1，P＜0.01）。然而，生物質(zhì)炭的施用在不同的氮肥水平下，顯著降低了試驗期內(nèi)菜地土壤EC和BD（圖1，P＜0.01）。值得注意的是，雖然雙因子方差分析結(jié)果表明，生物質(zhì)炭的施用顯著降低了土壤pH，但在不施用氮肥的處理中，生物質(zhì)炭的施用增加了0.11～0.23個單位的土壤pH（圖1（d），P＜0.01），而在施用氮肥的處理中，生物質(zhì)炭的施用降低了0.19～0.23個單位的土壤pH（圖1（d），P＜0.01），這一結(jié)果表明生物質(zhì)炭與氮肥在試驗期內(nèi)對菜地土壤pH的影響存在交互作用（P＜0.01）。此外，生物質(zhì)炭與氮肥對菜地土壤TN、SOC和EC的影響均存在交互作用（圖1，P＜0.01）。

2.2 生物質(zhì)炭和氮肥處理后集約化菜地土壤剖面無機氮變化

圖2顯示了集約化蔬菜田間試驗連續(xù)種植9季后，各處理土壤剖面的無機氮含量分布以及變化情況：土壤NH4+-N和NO3--N的變化范圍分別為6.6～59.3 mg·kg-1（以N計，下同）和23.8～51.3 mg·kg-1；各處理不同土層無機氮含量的變化基本呈現(xiàn)相同的趨勢，即隨著土層深度的增加，無機氮含量先減少再增加（圖2）。此外，隨著施肥量的增加，各處理土壤剖面相同土層的無機氮含量也隨之增加，并且在各個土層均達到了顯著水平（P＜0.01）。各處理土壤剖面（0～100 cm）NO3--N和NH4+-N的累積量范圍分別為125.3～419.9 kg·hm-2和356.9～548.4 kg·hm-2，且氮肥的施用顯著增加了菜地土壤剖面（0～100 cm）的無機氮累積量（圖3）。

生物質(zhì)炭的施用對菜地土壤剖面不同土層深度的無機氮含量均存在顯著影響（圖2，P＜0.05）。雙因子方差分析結(jié)果可知，生物質(zhì)炭的施用在20～40 cm、60～80 cm和80～100 cm三個土層上顯著降低了土壤NH4+-N含量，降低的范圍為4.9%～47.9%（圖2，P＜0.01）；而生物質(zhì)炭的施用在菜地土壤剖面各土層均顯著影響了土壤NO3--N含量的變化，即在0～20 cm土層NO3--N含量增加了2.4%～29.8%（P＜0.05），而在其他土層顯著降低了NO3--N的含量（圖2，P＜0.05），這與生物質(zhì)炭對土壤剖面不同土層NH4+-N含量的影響規(guī)律一致。此外，生物質(zhì)炭的施用則顯著降低了菜地土壤剖面（0～100 cm）的NH4+-N的累積量（P＜0.05），而對菜地土壤剖面NO3--N累積量無顯著影響（圖3）。

圖1 集約化菜地各處理土壤理化性質(zhì)Fig. 1 Soil properties of the intensive vegetable field relative to treatment

2.3 集約化菜地蔬菜總產(chǎn)量與氮肥偏生產(chǎn)力

作物產(chǎn)量以及其氮肥利用率是表征土壤肥力的重要指標，在評價不同農(nóng)業(yè)措施對土壤肥力質(zhì)量影響中存在重要意義。圖4顯示出九季蔬菜種植后各處理蔬菜總產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力以及其關鍵指標的相關關系。在整個試驗期間，各處理蔬菜產(chǎn)量的變化范圍為317.1～475.5 t·hm-2，而生物質(zhì)炭的施用顯著提高蔬菜產(chǎn)量，提高幅度7.7%～43.8%（圖4（a），P＜0.01）。蔬菜產(chǎn)量與不同土壤理化性質(zhì)（圖1）的歸因分析式為：產(chǎn)量Y=250×TN+14.7×SOC-264.3（P＜0.01，R2=0.726），可知土壤TN與SOC含量是菜地土壤肥力質(zhì)量的重要因素，而蔬菜產(chǎn)量與土壤全氮（圖4（c））與有機碳含量（圖4（d））均成極顯著正相關關系（P＜0.01）。此外，與NcB0處理相比，NcB1和NcB2處理蔬菜產(chǎn)量分別增加了21.8%和43.8%，說明生物質(zhì)炭的施用能夠顯著增加集約化蔬菜生產(chǎn)的氮肥偏生產(chǎn)力。

2.4 集約化菜地土壤肥力質(zhì)量評價

本文分別選擇TN、SOC、pH、EC、BD、CEC、NO3-和NH4+等8個指標衡量菜地土壤肥力質(zhì)量狀況。將累積貢獻百分率大于等于85%作為提取原則，得到2個主成分，累積貢獻率為90.6%，因子1和因子2的特征值分別為5.17和2.08，貢獻率分別為64.6%和26.1%（表2）。主成分因子1（F1）與TN、EC、NO3-及BD等指標上的載荷系數(shù)較大，主成分因子2（F2）在SOC和BD的載荷系數(shù)最大；通過F1和F2得分與各因子的特征值百分率作為權數(shù)進行加權求和計算得出土壤肥力質(zhì)量得分（表3）。氮肥配施生物質(zhì)炭能夠增加菜地土壤肥力質(zhì)量，且隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，菜地土壤肥力質(zhì)量也呈現(xiàn)出增加趨勢，NcB2處理的綜合得分最高。

圖2 集約化菜地各處理土壤剖面無機氮的動態(tài)變化Fig. 2 Dynamics of concentration of mineral N along soil profile in the intensive vegetable field relative to treatment

圖3 集約化菜地各處理土壤剖面無機氮累積量Fig. 3 Accumulation mineral N along soil profile in the intensive vegetable field relative to treatment

圖4 蔬菜產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力以及與蔬菜產(chǎn)量與關鍵土壤理化性質(zhì)的相關性Fig. 4 Vegetable yield, N partial factor productivity and their relationships with the soil chemico-physical properties key to vegetable yield

表2 菜地土壤肥力質(zhì)量性狀的主成分提取及旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 2 Principal component extraction and rotated component matrix of soil fertility quality

表3 菜地各處理土壤因子得分及土壤肥力質(zhì)量得分Table 3 Scores of principal components and general scores of soil fertility quality relative to treatment in the vegetable field

3 討 論

3.1 施用氮肥對集約化菜地土壤肥力質(zhì)量的影響

氮素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關重要的化學元素，氮肥的施用與作物產(chǎn)量存在密切關系，同時也影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中農(nóng)田土壤理化性質(zhì)［15］。本試驗中，氮肥的施用顯著增加了土壤的TN和SOC含量（圖1（a）和圖1（b），P＜0.01）。這是由于氮肥的施入促進了菜地土壤中氮素的轉(zhuǎn)化過程，提高了微生物對碳氮元素的同化能力［16］。但值得注意的是，雖然雙因子方差分析結(jié)果表明，氮肥的施用顯著提高了菜地土壤SOC含量，但是在不施用生物質(zhì)炭的處理（NcB0）中，氮肥的施用顯著降低了菜地土壤SOC含量（圖1（b），P＜0.01）；而在施用生物質(zhì)炭的處理中，與不施用氮肥的處理相比，氮肥的施用顯著增加了土壤SOC含量。其主要原因是長期施用無機氮肥降低了土壤C/N，加速了土壤中原有SOC分解，導致土壤中積累的SOC總量下降［17］。此外，與不施用氮肥的處理相比，氮肥的施用顯著降低了土壤pH（圖1（d），P＜0.01），這與之前研究的結(jié)果［18］一致。其主要原因是由于氮肥的大量施用增加了硝化作用的底物NH4+離子，促進了硝化作用，加速了土壤中H+的累積［19］；此外，由于集約化蔬菜生產(chǎn)頻繁地灌溉導致大量的NO-3淋洗，同樣加劇了菜地土壤酸化過程。同時，氮肥的大量施用還導致了土壤電導率的明顯上升（圖1（e），P＜0.01），這是由于氮肥的施用引起的pH下降會顯著促進土壤中金屬離子含量的上升，尤其是可溶性Al3+離子濃度的上升［20］，從而顯著增加土壤電導率。此外，氮肥的大量施用顯著增加了菜地土壤BD（圖1（f），P＜0.01），降低了孔隙度。這是因為高化肥投入導致耕地土壤SOC出現(xiàn)嚴重的退化［21-22］, 導致了菜地土壤的板結(jié)等負面結(jié)果。

集約化蔬菜生產(chǎn)施肥量較大，其施入量遠高于蔬菜作物的需求量。本研究中，各處理土壤剖面（0～100 cm）NO3--N累積量范圍為125.3～419.9 kg·hm-2（圖3），其主要原因是菜地施肥量大以及頻繁和過量灌水，不僅使硝態(tài)氮在蔬菜植株內(nèi)大量累積，還在菜地土壤中大量殘留，使菜田土壤的硝態(tài)氮殘留量明顯高于一般農(nóng)田。王朝輝等［23］的研究表明，常年露天菜地200 cm土層的硝態(tài)氮殘留總量可達1 359 kg·hm-2，兩年大棚菜田為1 412 kg·hm-2，而一般農(nóng)田僅為245 kg·hm-2。蔬菜作物的根系分布較淺，殘留在菜地土壤深層的硝態(tài)氮難以被重新吸收利用，加之硝態(tài)氮又不易被土壤膠體吸附，在雨水和灌溉水的淋洗作用下會不斷向土壤深層遷移，污染菜區(qū)的地下水環(huán)境。此外，集約化蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)農(nóng)事操作頻繁，灌溉量大，這又加大了土壤NO3--N淋溶的風險。本試驗中，氮肥的施用同時顯著增加了菜地土壤各個層次的無機氮含量（圖2，P＜0.05），進而增加了菜地剖面無機氮累積量（圖3，P＜0.05）。因此，合理施用和管理氮肥，減少集約化菜地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素的盈余量，是實現(xiàn)集約化蔬菜可持續(xù)生產(chǎn)的重要措施。

3.2 施用生物質(zhì)炭對集約化菜地土壤肥力質(zhì)量的影響

生物質(zhì)炭由于其穩(wěn)定的芳香環(huán)結(jié)構和疏松多孔的結(jié)構，近年來被廣泛應用于各類試驗中，以探究生物質(zhì)炭對農(nóng)田土壤的改良作用［24］。本試驗中，生物質(zhì)炭的施用也顯著增加了土壤TN含量（圖1（a），P＜0.05），其主要原因是由于生物質(zhì)炭中含有一部分氮素化合物，施入土壤中會帶來額外的氮素［25］。本試驗采用的生物質(zhì)炭TN含量為5.9 g·kg-1，是土壤TN增加的主要來源之一；此外，生物質(zhì)炭的施入能夠增加蔬菜產(chǎn)量（圖4），因此會增加蔬菜的根系分泌物。據(jù)研究顯示，根系分泌物的量占作物產(chǎn)量的7%［26］，因此，施用生物質(zhì)炭的菜地土壤中，土壤TN含量會呈現(xiàn)顯著增加的趨勢。除此之外，生物質(zhì)炭的施用顯著增加了土壤SOC含量，并且土壤SOC增加量隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而提高（圖1（b），P＜0.05）。Biederman和Harpole［27］的薈萃分析研究中指出，與不施用生物質(zhì)炭的處理相比，生物質(zhì)炭的施用可使土壤SOC含量增加61%，這與本試驗的研究結(jié)果基本一致。其主要的原因在于生物質(zhì)炭含有大量的惰性碳成分，這些惰性碳成分可以有效地對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)起到固碳的效果，而且可以維持幾十年甚至幾百年［28］，而這也是土壤SOC增加量隨著生物質(zhì)炭量增加而增加的原因。Laird等［29］對美國六個不同地點溫帶土壤施用生物質(zhì)炭的研究表明，生物質(zhì)炭的施用能夠在長期時間尺度上提高48%的土壤SOC含量，從而減少作物生長的限制因素。此外，在不施用生物質(zhì)炭的處理中，氮肥施用降低了土壤的SOC含量，而在施用生物質(zhì)炭的處理中，氮肥的施用則增加了土壤SOC含量，這顯示出生物質(zhì)炭與氮肥對土壤SOC的交互作用（P＜0.01）。因此，生物質(zhì)炭的施用能夠緩解氮肥過量施用所產(chǎn)生的土壤SOC下降，是一種合理的保持土壤SOC穩(wěn)定的措施。此外，生物質(zhì)炭的施用還顯著增加了菜地土壤的CEC含量（圖1（c），P＜0.01），其主要原因是生物質(zhì)炭比表面積大，且氧化作用顯著增加了生物質(zhì)炭表面的含氧官能團，從而增強對陽離子的吸附能力［5］。因此，生物質(zhì)炭的施用能夠降低養(yǎng)分淋洗，其含有高濃度礦質(zhì)元素、豐富的表面官能團以及較高CEC，能夠不同程度上提高農(nóng)田土壤養(yǎng)分的生物有效性，增加農(nóng)田土壤養(yǎng)分循環(huán)的效率。

多數(shù)試驗中，生物質(zhì)炭的施用會顯著提高土壤pH，這是由于生物質(zhì)炭中的灰分成分呈現(xiàn)堿性，對土壤的酸堿度存在緩沖作用［27］。而本試驗中，在不施用氮肥的處理中，生物質(zhì)炭的施用顯著提高了菜地土壤pH，而在施用氮肥的土壤中顯著降低了菜地土壤pH，顯示出生物質(zhì)炭與氮肥對土壤pH影響的交互作用（圖1（d），P＜0.01）。主要原因有以下幾點：第一，相比不施用氮肥的處理，生物質(zhì)炭與氮肥的聯(lián)合施用會更有效增加作物產(chǎn)量（圖4），從而吸收更多的NH4+離子，這會向土壤中排放H+來保持菜地土壤的電中性，因此，在生物質(zhì)炭與氮肥共同施用處理中，生物質(zhì)炭的施用顯著降低了菜地土壤pH。第二，由于長期的大量施肥導致菜地土壤酸化，異養(yǎng)硝化速率提高［30］；雖然生物質(zhì)炭被認為是非常穩(wěn)定的物質(zhì)，但是在施入菜地土壤的前期由于其激發(fā)作用和一部分碳源的分解會促進菜地異養(yǎng)硝化作用，導致施肥的菜地土壤pH顯著下降［31］。此外，生物炭施入農(nóng)田后在不同程度上有利于增加土壤總孔隙度、毛管孔隙度和通氣孔隙度，從而提高土壤田間持水量和有效水含量［32］，這對于增加作物根系對土壤水分和水溶性礦質(zhì)養(yǎng)分的利用效率具有重要意義。本試驗中，生物質(zhì)炭的施用顯著降低了土壤BD，并且在各施氮水平上，土壤BD均隨生物質(zhì)炭施用量的增加而呈現(xiàn)出降低趨勢（圖1（f），P＜0.01），其原因除了生物質(zhì)炭密度較低，具有一定的稀釋作用外，還與施用其導致土壤微生物活性增加、團聚性增強［33］從而使土壤結(jié)構得到改善有關。

本試驗中，對各處理菜地土壤剖面無機氮含量的分析中可以看出，生物質(zhì)炭的施用能夠顯著影響各處理菜地土壤剖面無機氮的含量和分布。從圖2可以看出，生物質(zhì)炭的施用對菜地0～20 cm土層的NH4+-N含量無顯著影響，而在20～40、60～80和80～100 cm土層顯著降低了土壤NH4+-N含量（P＜0.01）。生物質(zhì)炭對菜地各處理土壤剖面NO3--N的影響趨勢與NH4+-N呈現(xiàn)相似的規(guī)律。生物質(zhì)炭在0～20 cm土層顯著提高了NO3--N含量（P＜0.01），但在其他四個土層顯著降低了NO-3-N的含量（圖2，P＜0.01）。其主要的原因是生物質(zhì)炭能夠促進菜地土壤氮素的硝化作用，因此增加了表層土壤的NO3--N含量；由于生物質(zhì)炭對土壤無機氮素的吸附攔截作用［34］，一部分無機氮會殘留在表層土壤中，導致生物質(zhì)炭對菜地土壤下層無機氮的影響規(guī)律與表層出現(xiàn)相反的趨勢。

3.3 施用生物質(zhì)炭和氮肥處理下集約化菜地土壤肥力質(zhì)量綜合評價

土壤質(zhì)量綜合評價是對目標土壤生產(chǎn)力進行綜合鑒定，而作物產(chǎn)量則是土壤肥力質(zhì)量的重要體現(xiàn)。目前，研究者除用作物產(chǎn)量評價土壤肥力外，多采用主成分分析法來定量評價土壤肥力質(zhì)量［14］，通過計算不同土壤理化性質(zhì)指標與其所占權重計算其綜合得分，比較不同處理或地區(qū)的土壤肥力質(zhì)量高低。在本研究中，生物質(zhì)炭的施用顯著提高了蔬菜總產(chǎn)量以及氮肥偏生產(chǎn)力（圖4，P＜0.01），說明生物質(zhì)炭的施用能夠有效提高菜地土壤生產(chǎn)力；此外，土壤TN（圖4（c））與SOC（圖4（d））含量與作物產(chǎn)量均呈現(xiàn)極顯著正相關關系（P＜0.01），而生物質(zhì)炭的施用能夠顯著的提高土壤TN與SOC含量（P＜0.01），表明其施用能夠有效提高土壤肥力。此外，主成分分析結(jié)果表明，生物質(zhì)炭的施用能夠提高菜地土壤肥力質(zhì)量綜合得分，且B2水平生物質(zhì)炭與B1水平相比配合氮肥的施用能夠更有效地提高土壤肥力質(zhì)量綜合得分（表3）。因此，本研究推薦常規(guī)施肥配施40 t·hm-2生物質(zhì)炭處理為提高菜地土壤肥力質(zhì)量的最佳處理。

4 結(jié) 論

氮肥的施用顯著提高土壤TN、SOC、EC、CEC、BD和菜地土壤剖面各土層的無機氮素含量，并且顯著降低了土壤pH；生物質(zhì)炭的施用能夠顯著增加菜地土壤TN、SOC和CEC，并且顯著降低菜地土壤EC和BD。生物質(zhì)炭在不施用氮肥的土壤中顯著提高了菜地土壤pH，但是在施用氮肥的土壤中顯著降低了土壤pH。生物質(zhì)炭的施用增加了菜地土壤表層土壤（0～20 cm）的NO3--N含量，但是顯著降低了其他四個土層的NO3--N含量。生物質(zhì)炭的施用顯著降低了菜地土壤剖面（0～100 cm）的NH4+-N的累積量（P＜0.05），而對菜地土壤剖面NO3--N累積量無顯著影響。此外，生物質(zhì)炭的施用能夠顯著提高蔬菜產(chǎn)量與氮肥偏生產(chǎn)力（P＜0.01），并且提高菜地肥力質(zhì)量的綜合得分。因此，生物質(zhì)炭配合常規(guī)施肥施用是一種合理的提高菜地土壤肥力質(zhì)量的措施。