沼渣生物質炭對西南喀斯特山區沼液灌溉土壤氮淋溶和白菜產量的影響

江 濤，王立國，孫芳芳，成劍波，*，何騰兵，秦 松，范成五，陰文芳

(1.貴州大學 農學院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州大學 新農村發展研究院，貴州 貴陽 550025； 3.貴州省山地畜禽養殖污染控制與資源化技術工程實驗室，貴州 貴陽 550025； 4.貴州省農業科學院 土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006)

我國西南喀斯特山區以貴州等地最為典型，當地的山地比例達92.5%，年降水量1 100～1 400 mm，水土流失嚴重，碳酸鹽發育土壤厚度在30～50 cm，土層瘠薄，土壤滲透系數較大(0.3～0.6)[16-17]。蔬菜是該區域的特色發展產業和扶貧產業。2019年，貴州省蔬菜種植面積達111.7萬hm2，產量2 497.8萬t，產值642.2億元[18]。本研究特選擇貴州省的主要種植蔬菜——白菜為供試作物，以貴州主要土壤類型——黃壤和石灰土為研究材料，在溫室大棚開展模擬沼液灌溉的盆栽試驗，探討施用沼渣生物質炭對黃壤和石灰土氮淋溶，及白菜產量的影響，以期為該區域的農業環境保護和白菜生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試白菜品種為貴蔬華早三號。

供試黃壤、石灰土采自黔中山地某2個相鄰的有機肥-化肥混施的玉米地塊表層(0～20 cm)，取樣點的地理坐標分別為(26°26′27.99″N，106°46′30.39″E)、(26°26′19.91″N，106°46′35.22″E)。土壤樣本采回后，風干，過4 mm篩，混勻備用。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2020年10月—2021年1月在貴州省農業科學院土壤肥料研究所溫室大棚進行。共設置5個處理：CK，未添加生物質炭的空白處理；BC1，生物質炭添加比例(質量分數，下同)1%；BC2，生物質炭添加比例2%；BC4，生物質炭添加比例4%；BC6，生物質炭添加比例6%。每個處理重復3次，每個重復對應2盆盆栽，共30盆盆栽。

供試盆為內徑10.5 cm、高19.5 cm的塑料盆，盆底填有經稀酸清洗過的1 cm厚的石英砂層。用醫用紗布隔開石英砂層與土壤。盆底具孔，并懸空，以供淋溶出水。在盆正下方為半徑10 cm的淋溶出水集液盤。生物質炭與風干土(容重1.20 g·cm-3)混勻后，向每盆中添加2.0 kg，然后進行預飽和，按照土壤飽和含水率70%的標準補入自來水，靜置5 d后，每盆移栽1株長勢均勻的苗期白菜。試驗共持續72 d，至白菜成熟期收獲后結束。

磷肥(以P2O5計)、鉀肥(以K2O計)均按105 kg·hm-2的量以基肥形式施入，氮肥(以N計)按240 kg·hm-2的量以沼液灌溉形式施入。根據當地農事習慣，沼液自來水稀釋液按每次18.7 mm的量入灌6次，每次間隔8～10 d。其中：白菜苗期1次，沼液稀釋25倍入灌，施氮量48 kg·hm-2；蓮座期2次，每次沼液稀釋18.7倍入灌，每次施氮量36 kg·hm-2；結球期3次，每次沼液稀釋20.8倍入灌，每次施氮量40 kg·hm-2。各處理在白菜各生育期的施氮量一致，苗期、蓮座期、結球期的比例為1.0∶1.5∶2.5。

1.3 采樣與分析

2021-01-20收獲白菜，稱量鮮重，然后于105 ℃殺青30 min，65 ℃烘至恒重并稱量[19]，計算白菜含水量。烘干樣品粉碎后，經H2SO4-H2O2消煮，用全自動化學間斷分析儀測定植株TN含量。

1.4 數據分析

應用IBM SPSS Statistics 21軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，顯著性水平選定為α=0.05。對于差異顯著的，采用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 沼渣生物質炭對土壤氮淋溶的影響

圖1 黃壤和石灰土上氮淋溶的動態變化Fig.1 Dynamic of nitrogen leaching in yellow soil and calcareous soil

同一土壤類型下，柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters indicated significant difference within treatments at P<0.05 under the same soil type. The same as below.圖2 黃壤和石灰土上的氮素淋溶量Fig.2 Nitrogen leaching rate in yellow soil and calcareous soil

2.2 沼渣生物質炭對土壤氮含量的影響

在黃壤上：苗期、蓮座期，添加沼渣生物質炭會顯著增加土壤TN含量，BC6、BC4處理的土壤TN含量均顯著高于CK；結球期，各處理間無顯著差異；成熟期，添加沼渣生物質炭反而會顯著降低土壤TN含量，CK處理的TN含量顯著高于BC2、BC4處理(圖3)。在石灰土上，添加沼渣生物質炭在各時期可顯著降低土壤TN含量。

圖3 白菜各生育期的土壤氮素含量Fig.3 Soil nitrogen contents in different growth stages of cabbage

2.3 沼渣生物質炭對土壤氮素轉化酶活性的影響

在黃壤和石灰土上，土壤蛋白酶活性均表現為苗期、蓮座期較高，結球期、成熟期較低(圖4)。在黃壤上，各時期BC6處理的土壤蛋白酶活性均顯著低于CK處理，說明在本試驗條件下，添加相對高量的沼渣生物質炭可降低黃壤上土壤蛋白酶的活性。在石灰土上，除結球期BC6處理的土壤蛋白酶活性顯著高于CK外，其他時期兩者并無顯著差異。

圖4 白菜各生育期的土壤酶活性Fig.4 Soil enzymes activities in different growth stages of cabbage

在黃壤上，除苗期各處理的土壤脲酶活性無顯著差異外，其他處理均以CK處理的土壤脲酶活性最低，BC4處理的土壤脲酶活性最高，且兩者差異顯著。在石灰土上，添加沼渣生物質炭將降低土壤脲酶活性，除成熟期外，其他時期均以BC6處理的土壤脲酶活性最低，且顯著低于CK。

在黃壤上：苗期和蓮座期，添加沼渣生物質炭會顯著增加土壤羥胺脫氫酶活性，如苗期BC1和BC2處理的土壤羥胺脫氫酶活性顯著高于CK，蓮座期BC6處理的土壤羥胺脫氫酶活性顯著高于CK；而在結球期和成熟期，添加沼渣生物質炭卻會顯著降低土壤羥胺脫氫酶活性，BC6處理的土壤羥胺脫氫酶活性在這2個時期均顯著低于CK。總的來看，黃壤上各處理的土壤羥胺脫氫酶活性在蓮座期最高。在石灰土上：除蓮座期BC6處理的土壤羥胺脫氫酶活性顯著高于CK外，其他時期添加生物質炭處理的土壤羥胺脫氫酶活性與CK相比并無顯著差異。

在黃壤上：苗期和成熟期，添加沼渣生物質炭會顯著降低土壤硝酸還原酶活性，如苗期CK處理的土壤硝酸還原酶活性顯著高于除BC1外的其他處理，成熟期CK處理的土壤硝酸還原酶活性顯著高于其他處理；而在蓮座期和結球期，添加沼渣生物質炭會顯著增加土壤硝酸還原酶活性，如BC6處理的土壤硝酸還原酶活性在這2個時期就顯著低于CK。總的來看，黃壤上各處理的土壤硝酸還原酶活性在苗期最高。與黃壤相比，石灰土上的土壤硝酸還原酶活性較高，但其整體變化趨勢與黃壤相似：苗期和成熟期，添加沼渣生物質炭會顯著降低土壤硝酸還原酶活性；而在蓮座期和結球期，添加沼渣生物質炭可顯著增加土壤硝酸還原酶活性。

在黃壤和石灰土上，土壤亞硝酸還原酶活性均表現為苗期、蓮座期較高，結球期、成熟期較低。在黃壤上，除成熟期各處理間無顯著性差異外，其他時期均表現為BC6處理的土壤亞硝酸還原酶活性顯著低于CK、BC1、BC2處理。在石灰土上：成熟期，BC6處理的土壤亞硝酸還原酶活性最高，顯著高于CK和BC1處理；而其他時期，BC6處理的土壤亞硝酸還原酶活性均顯著低于CK、BC1、BC2處理，與黃壤上的表現一致。

2.4 沼渣生物質炭對白菜氮素吸收和產量的影響

與CK相比：在黃壤上，添加沼渣生物質炭處理的白菜氮素吸收量無顯著變化；在石灰土上，BC1、BC4和BC6處理的白菜氮素吸收量顯著增高，且以BC6處理最高，達到60.15 kg·hm-2(圖5)。

圖5 各處理的白菜產量及其氮素吸收量Fig.5 Yield and nitrogen uptake of cabbage under different treatments

在黃壤和石灰土上施用沼渣生物質炭，均有使白菜增產的效果，添加沼渣生物質炭各處理的白菜產量均顯著高于CK，增幅分別在29.82%～68.78%和23.58%～79.07%。在黃壤上，BC4處理的白菜產量最高(13.81 t·hm-2)；在石灰土上，BC6處理的白菜產量最高(9.01 t·hm-2)。

方差分析結果顯示，土壤類型對白菜產量和白菜氮素吸收量均有顯著影響：黃壤上的白菜氮素吸收量更高，較石灰土上白菜的氮素吸收量高出32.16～49.10 kg·hm-2，其白菜產量亦顯著更高。

3 討論

3.1 沼渣生物質炭對土壤氮淋溶的影響

3.2 沼渣生物質炭對土壤氮素和酶活性的影響

3.3 沼渣生物質炭對白菜氮素吸收和產量的影響

在石灰土上，沼渣生物質炭處理的白菜氮素吸收量增加9.25～19.13 kg·hm-2，其中，BC6處理的白菜氮素吸收量最高，較CK增加46.6%。這與柳瑞等[40]在晚稻抽穗期減氮40%配施生物質炭，水稻植株吸氮量顯著高于常規施氮和單純減氮處理(增幅34.8%～52.4%)的結果較為一致。白菜氮素吸收量增加，一方面，可能是由于添加生物質炭提高了土壤團聚體的穩定性，促進了作物對土壤速效養分的吸收，且生物質炭發達的孔隙結構和比表面積可以提高土壤對養分的吸持和緩釋[41]；另一方面，可能是由于施用沼渣生物質炭降低了土壤亞硝酸還原酶活性，抑制了土壤的反硝化作用，從而減少了氮素損失，且生物質炭含有的不穩定碳源可實現短期的微生物固氮，增加氮素在土壤中的停滯時間，從而提高白菜氮素吸收量。

氮素吸收與干物質積累和產量密切相關，在氮素吸收增加的情況下，黃壤和石灰土上的白菜產量均顯著增加。這與其他大部分研究的結果一致。張偉明等[42]通過盆栽試驗發現，添加生物質炭后水稻產量增加，且以加20 g·kg-1生物質炭處理的產量增加最多，比對照提高33.2%。在巴西亞馬遜地區土壤中施加11 t·hm-2的生物質炭，高粱和水稻產量增加約75%[43]。但也有研究報道，生物質炭對作物產量無顯著影響。張斌等[44]將20、40 t·hm-2生物質炭連續2 a施用于稻田，未對水稻產量產生顯著影響。本研究中，生物質炭施入土壤后，其多微孔結構和吸附的氮素有助于調節土壤水、氣、養分條件[45]，從而為白菜根系生長及其生理代謝提供良好的生態環境。黃壤上白菜產量和氮素吸收量均遠高于石灰土，可能是由于前者蛋白酶和脲酶活性都更高，土壤供應氮素的能力相對更強，有助于促進白菜根系吸收更多的氮素并運輸至地上部，從而增加白菜產量和氮素吸收量。