生物質炭對雨養旱作區娃娃菜生長及水肥利用效率的影響

曹少娜，李玉蓮，李 穎，張倩男，王 倩

（寧夏農林科學院固原分院，寧夏 固原 756000）

雨養菜地是一種特殊的旱地農業生態系統，其具有高施肥量、高復種指數、高經濟效益、高頻度農事操作等特點。但生產中為追求高產而過量施肥，造成土壤板結、酸化和次生鹽漬化，養分大量流失、微生物活性和豐度下降以及有毒重金屬活化等問題，影響蔬菜的產量和品質。而土壤pH、容重、總孔隙度及養分含量等性質對作物生長和水肥利用效率有重要影響。

近年來生物質炭作為一種土壤改良材料逐漸被人們認可，生物質炭化技術也成為一項全新的農業增產、優質、安全的新技術［1-2］。生物質炭（生物炭或生物黑炭）是由植物生物質（或生物有機材料）在無氧或者部分缺氧情況下經高溫熱裂解后產生的一類高度芳香化難溶性固體產物，具有富碳、高孔隙、高比表面積、強吸附性等特點［3-4］。生物質炭不僅實現了大量廢棄秸稈的資源化利用，還可作為土壤改良劑改善土壤理化性質，提高土壤肥力，增強生物固氮能力，并且在保持土壤養分、提高土壤持水能力、促進植物生長、提高植物抵抗病蟲害能力［5-6］、改善土壤微生物學特性能力［7-9］和減少溫室氣體排放等方面表現出巨大潛力，已有研究發現，施用不同用量的生物質炭后，土壤理化性質將會發生不同變化，尤其在酸化土壤、黏重土壤、鹽漬化土壤以及肥力低、結構差的土壤中效果更為顯著。

目前，生物質炭的研究主要集中在低緯度熱帶、亞熱帶地區的偏酸性或風化嚴重的土壤和花生、水稻、玉米等糧食作物上。而對于溫帶地區中性、偏堿性土壤效應及其農用效應和雨養旱地蔬菜作物上的研究報道相對較少。本文針對寧南山區水資源短缺、化肥過量施用、土壤環境惡化、農作物秸稈利用率低等問題，通過田間試驗研究不同秸稈生物質炭添加量和氮肥配施條件下對雨養旱作區娃娃菜生長、產量和品質及土壤理化性質、土壤酶活性、水肥利用效率的影響，探究秸稈生物質炭對娃娃菜產量和水肥利用效率的影響機理，確定出適合寧南山區雨養旱作娃娃菜的最佳秸稈生物質炭添加量，以期為我區雨養菜地土壤培肥以及蔬菜安全生產提供理論依據，具有一定的現實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試娃娃菜品種為金皇后，由固原豐樂園農業科技有限公司提供，供試生物質炭由寧夏榮華生物質新材料科技有限公司提供，生物質炭生產原料為玉米秸稈，炭化溫度約為450 ℃，供試肥料：氮肥為尿素（N 46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O512%），鉀肥為硫酸鉀（K2O 52%）。供試生物質炭和供試土壤理化性質見表1 和2。

表1 供試生物質炭理化性質

表2 供試土壤理化性質

1.2 試驗設計

試驗于2020 年5 ～7 月在寧夏農林科學院固原分院隆德觀莊試驗基地進行，于4 月10 日開始育苗，5 月12 日定植。試驗采用隨機區組設計，共設8 個處理，分別記為T1（未施氮肥，未添加生物質炭）、T2（未施氮肥，添加生物質炭10 t·hm-2）、T3（未施氮肥，添加生物質炭20 t·hm-2）、T4（ 未 施 氮 肥， 添 加 生 物 質 炭30 t·hm-2）、T5（施氮肥，未添加生物質炭）、T6（施氮肥，添加生物質炭10 t·hm-2）、T7（施氮肥，添加生物質炭20 t·hm-2）、T8（施氮肥，添加生物質炭30 t·hm-2），每處理重復3 次，共24 個小區，小區長6 m，寬4 m。T1 ～T4 處理，每處理化學肥料施用量為1.29 kg，折算磷（P2O5）和鉀（K2O）肥的施用量分別為0.07 和1.22 kg；T5 ～T8 處理，每處理化學肥料施用量為2.37 kg，其中折算氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K5O）肥的施用量分別為1.08、0.07 和1.22 kg。磷肥和鉀肥作為基肥一次性施入土壤，氮肥分為不同生育期施入，其中基肥∶結球期4 ∶6。將生物質炭與化肥混勻后，均勻撒施，再用旋耕機旋地，最后利用機械起壟覆膜。每小區起4 壟，壟寬80 cm，溝寬50 cm，采用一壟三行栽培模式，其中，株距25 cm，行距30 cm，每小區定植204 株。整個生育期病蟲害防治等田間管理措施與當地傳統管理措施保持一致。

1.3 測定指標和方法

試驗地定植前和收獲后土壤理化性質和土壤酶活性的測定。施基肥前和收獲后用S 法采0 ～20 cm 土層的混合土樣，風干，過0.25 mm 篩測定土壤基礎理化性質（主要是堿解氮、有效磷、速效鉀、容重、有機質、總孔隙度、pH 和CEC）和土壤酶（脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶）活性。

娃娃菜生長指標的測定。不同生育期，每處理隨機選擇10 株，測定其株高、株幅投影面積、葉綠素含量；采收時，每處理隨機選擇3 株，采用根系掃描儀EpsonPerfectionV850 Pro 進行掃描，并用根系掃描儀、形態學和結構分析應用系統WinRHIZO，來分析娃娃菜根系；采收時，每小區隨機選取3 株，保證根系完整，洗凈，分為根、外葉、葉球三部分，烘干，測定其干物質，最后計算根冠比；取娃娃菜全株，分為地上部和地下部，分別在105 ℃殺青0.5 h 后75 ℃烘干，再用高氯酸-硫酸消煮，測定氮養分含量。

娃娃菜品質指標的測定。在娃娃菜采收期，每小區選擇長勢一致的娃娃菜5 株進行測定：用鉬藍比色法測定維生素C 含量；用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；用考馬斯亮藍染色法測定可溶性蛋白含量；用酚二磺酸法測定硝酸鹽含量［10］；用手持式數顯糖度計測定可溶性固形物含量。

娃娃菜產量的測定。在采收時每小區隨機選取20 株娃娃菜測其單株重、單株凈重、生物產量和經濟產量，最后計算各小區經濟系數。

經濟系數=經濟產量/生物產量×100%

計算娃娃菜的水肥利用效率。水分利用效率是指作物經濟產量與耗水量之比，其公式為WUE=Yd/ET， 式 中，WUE 為 水 分 利 用 效 率（kg·hm-2·mm-1）、Yd 為作物經濟產量（kg·hm-2）、ET 為作物總耗水量，其計算采用農田水分平衡法計算［E=C×ρ×H×10，式中，E 為貯水量（mm），C為土壤水分質量分數（%），ρ 為土壤容重（g·cm-3），H 為土層深度（cm）；ET=P+ΔW，式中，ET 為階段耗水量（mm），P 為降水量（mm），ΔW 為時段內土壤貯水量的變化（mm）］。

氮素吸收量=氮素含量×干物質質量氮素吸收效率（kg·kg-1）=植株氮素吸收量/施氮量氮素利用效率（kg·kg-1）=經濟產量/植株氮素吸收量氮肥農學效率（kg·kg-1）=（施氮處理經濟產量－不施氮處理經濟產量）/施氮量

2 結果與分析

2.1 不同處理對娃娃菜生長發育指標的影響

2.1.1 不同處理對娃娃菜不同時期株高、株幅投影面積和葉綠素含量的影響

由圖1a 可知，隨著生長的不斷延長，娃娃菜的株高呈明顯增長趨勢。各時期的方差分析表明，6 月13 日時，各處理間無顯著性差異；6 月23 日時，T7 和T4 處理顯著高于T3 處理。7 月3日至7 月13 日，T7 處理顯著高于T1、T2 和T3 處理。 從6 月13 日 至7 月13 日，T1 ～T8 處 理 株高增長量范圍為7.88 ～10.99 cm，其中T7 處理增量最大，其次是T4 處理，增幅最小的是T3 處理。由圖1b 可知，6 月13 日T4 處理株幅投影面積達到最大，顯著高于T1、T2、T5、T8 處理，6 月23日至7 月13 日，各處理間無顯著性差異，增幅為24.73%～52.39%，其中增幅最大是T8 處理，其次是T7 處理，最小的是T4 處理，說明施氮肥并添加生物質炭20 ～30 t·hm-2更有利于娃娃菜的生長。由圖1c 可知，7 月3 日，T7 處理葉片葉綠素含量（SPAD）達46.92，顯著高于T1 ～T3 處理，但與其他處理無顯著性差異；7 月13 日T7 處理葉片葉綠素含量達53.69，顯著高于T1 ～T5 處理及T8 處理，但與T6 處理無顯著性差異，娃娃菜葉片的田間表現也為生長初期各處理間并無差異，但生長中后期施氮肥與否差異尤為顯著，氮素缺失可明顯導致植株葉片泛黃，適當施氮肥并添加生物質炭20 ～30 t·hm-2可有效提高娃娃菜生長后期的葉綠素含量。

2.1.2 不同處理對娃娃菜根系的影響

不同處理下娃娃菜根系特征值如表3 所示。各處理間根總面積無顯著性差異，范圍在233.27 ～268.40 cm2之間；T7 處理根總長達455.49 cm，高于其他處理，但與T2、T6 處理間無顯著性差異，位列第二的是T6 處理（436.38 cm）；T5 處理根平均直徑最大，為2.60 mm，顯著高于T6、T7 處理；T3 處理根總體積最大，為16.81 cm3，顯著高于T7 處理，與其他處理間無顯著性差異。

圖1 不同處理對娃娃菜不同時期株高、株幅投影面積和葉綠素含量的影響

表3 不同處理對娃娃菜根系的影響

2.2 不同處理對娃娃菜葉球品質的影響

由表4 可知，不同處理對娃娃菜品質影響不同。其中，T8 處理的可溶性糖含量和維生素C 含量分別達到了1.49%和27.85 mg·100g-1，且顯著高于其他處理，表明T8 處理可有效提高可溶性糖含量和維生素C 含量；T1 處理的可溶性蛋白含量最大，為0.69 g·100g-1，與T7 處理無顯著性差異，顯著高于其他處理，可溶性蛋白含量最小的則為T3 處理，僅為0.43 g·100g-1，但T3 處理的可溶性固形物含量卻達到了最大，且顯著高于其他處理，其次是T8、T7 處理，最小的是T6 處理；硝酸鹽含量是蔬菜的重要品質指標，T5 處理顯著高于其他處理，而T7 處理的硝酸鹽含量顯著低于其他處理，僅為524.63 mg·kg-1。

表4 不同處理對娃娃菜葉球品質的影響

2.3 不同處理對娃娃菜干、鮮重及根冠比的影響

由表5 可知，T6 處理地上部分鮮重達2321.98 g，與T2 處理無顯著性差異，顯著高于其他處理，地上部鮮重最小的為T1 處理，僅為1202.96 g，表明添加10 t·hm-2生物質炭可顯著提高娃娃菜地上部鮮重；T6 處理地上部干重也為最大，顯著高于T3 和T1 處理，T2 處理位列第二位，表明添加10 t·hm-2生物質炭并配施氮肥可有效提高娃娃菜地上部干物質積累量；T3 處理的地下部鮮重顯著高于T2 處理，但與其他處理無顯著性差異，其次是T4 處理；T3 處理根冠比最大，為0.049，高于其他處理。

表5 不同處理娃娃菜干、鮮重及根冠比的影響

2.4 不同處理對娃娃菜產量及經濟系數的影響

由表6 可知，T3 處理經濟系數顯著高于T6 處理，但與其他處理間差異不顯著，各處理經濟系數依 次 為T3＞T7＞T5＞T4＞T1＞T8＞T2＞T6；T7 處 理 的 單株重、單株凈重、生物產量、經濟產量均達到了最大，分別為1992.74 g、1431.33 g、159.50 t·hm-2和114.56 t·hm-2，T7 處理的單株凈重和經濟產量與T5處理無顯著性差異，顯著高于其他處理，表明在試驗條件下，施同樣氮肥添加20 t·hm-2生物質炭與不添加20 t·hm-2生物質炭娃娃菜產量差異并不顯著。

表6 不同處理對娃娃菜產量及經濟系數的影響

2.5 不同處理對水肥利用效率的影響

由表7 可知，T7 處理經濟產量最大，達114.56 t·hm-2，與T5 處理無顯著性差異，顯著高于其他處理；T4 處理耗水量最大（156.40 mm），其次為T1 處理（151.14 mm），但這兩者間差異不顯著，耗水量最小的為T2 和T7 處理，僅為141.85 和144.39 mm；T7 處理水分利用效率為最大，達794.41 kg·hm-2·mm-1，比其他處理提高了12.03%～56.31%。T8 處理氮素吸收效率僅為0.90 kg·kg-1，顯著低于T5 ～T7 處理，但其氮素利用效率卻顯著高于T5 ～T7 處理，達到了782.87 kg·kg-1；在施同等氮肥條件下，T5 處理的氮肥農學效率達到了244.10 kg·kg-1，其次是T7 處理為197.70 kg·kg-1，但兩者之間無顯著性差異。

2.6 不同處理對土壤理化性質的影響

由 表8 可 知，T1 和T2 處 理pH 顯 著 低 于 其他處理，可能是由于生物質炭本身呈現堿性的緣故；各處理CEC 值無顯著性差異；T8 處理容重最小，為1.12 g·cm-3，分別比其他處理降低了10.13%、12.70%、11.97%、13.33%、5.00%、5.76%、5.00%，可見，生物質炭可明顯降低土壤容重。T8 處理總孔隙度和有機質含量最大，分別為60.77%和46.87 g·kg-1，比T1 處 理 分 別 提 高了3.35%和42.33%，說明生物炭可有效提高土壤總孔隙度和有機碳含量，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為112.33、18.35、190.67 mg·kg-1，其中有效磷含量、速效鉀含量均顯著高于其他處理。

表7 不同處理對娃娃菜水肥利用效率的影響

表8 不同處理對土壤理化性質的影響

2.7 不同處理土壤理化性質、產量及水分利用效率的相關關系

由表9 可知，有效磷與速效鉀、有機質呈極顯著正相關、與pH 呈顯著正相關；速效鉀與有機質呈極顯著正相關，與總孔隙度呈顯著正相關；容重與堿解氮呈極顯著負相關，與CEC 呈顯著負相關；但堿解氮與CEC 呈顯著正相關；水分利用效率與產量呈極顯著正相關。說明水分利用效率越高，產量也越高。

表9 不同處理土壤理化性質、產量及水分利用效率的相關關系

2.8 不同處理對土壤酶活性的影響

由表10 可知，T6 處理脲酶活性最高，為2.02 mg·g-1·24h-1，顯著高于T7 處理，但與其他處理無顯著性差異；T2 處理過氧化氫酶最高，為1.40 mg·g-1·min-1，其次是T7 處理，為1.23 mg·g-1·min-1，T2 處理與T7 處理無顯著性差異，顯著高于其他處理，說明氮肥對過氧化氫酶活性無規律性影響，施10 t·hm-2生物質炭或氮肥與20 t·hm-2生物質炭配施可提高過氧化氫酶的活性；T1 處理酸性磷酸酶活性顯著低于T2 ～T4 處理，說明不施氮肥施加10 ～30 t·hm-2生物質炭可有效提高酸性磷酸酶活性38.41%～59.73%，施氮肥施生物質炭則可有效提高酸性磷酸酶活性58.68%～62.37%；T8 處理蔗糖酶活性為85.77 mg·g-1·24h-1，顯著高于T4 處理，高于其他處理但無顯著性差異，說明施生物質炭30 t·hm-2情況下，施氮肥有助于提高蔗糖酶活性，反之，則會降低活性。

表10 不同處理對土壤酶活性的影響

3 討論與結論

本試驗研究中，施生物質炭與否對娃娃菜根系參數并無規律性變化，而前人［11-13］研究得出生物質炭可增加植物根系體積、根表面積及根系長度等，這兩者并不相符，但通過田間調查，7 月13日T7 處理葉片葉綠素含量（SPAD）達53.69，顯著高于T1 ～T5 處理及T8 處理，娃娃菜生長后期葉片顏色表現更為顯著，說明氮肥與生物質炭配施可有效提高娃娃菜生長后期的葉綠素含量。T8 處理的可溶性糖含量和維生素C 含量顯著高于其他處理，分別達1.49%和27.85 mg·100g-1；T1 處理的可溶性蛋白含量和可溶性固形物含量分別為0.69 g·100g-1和6.97%，達到了最大。硝酸鹽含量是蔬菜的重要品質指標，T5 處理硝酸鹽含量顯著高于其他處理，而T7 處理則顯著低于其他處理，僅為524.63 mg·kg-1，說明氮肥與20 t·hm-2生物質炭配施可顯著降低娃娃菜的硝酸鹽含量，與前人研究結果［14-17］一致，導致這種結果的原因可能是生物質炭施用后土壤氮素有效性降低，吸收量減少的緣故。T6 處理地上部分鮮重和地上部干重均達到最大，分別為2321.98 和125.15 g；T3 處理的地下部鮮重與地下部干重最大，根冠比顯著高于其他處理，達到了0.049，這與趙玉林［18］、劉曉雨等［19］研究得出低肥力土壤小白菜根冠比顯著高于高肥力土壤相一致，這體現了植物對低養分環境的適應機制，在低肥力土壤中，植物會通過增加根系生物量以便從土壤中吸收更多營養。因此，土壤養分供應不足會促進光合產物向地下的分配過程，導致較高的根冠比。

T7 處理的單株重、單株凈重、生物產量、經濟產量均達到了最大，分別為1992.74 g、1431.33 g、159.50 t·hm-2和114.56 t·hm-2，其中T7 處理的單株凈重和經濟產量高于其他處理，但與T5 處理無顯著性差異，表明在試驗條件下，施同樣氮肥添加20 t·hm-2生物質炭與不添加20 t·hm-2生物質炭娃娃菜產量差異并不顯著，這與張登曉等［20-23］已發表研究結果：生物質炭還田能夠提高作物產量，產量增幅為10%～15%不同。出現這種結果的原因：一是可能與上述這些研究中的試驗土壤類型、生物質炭種類和施用量及環境條件有關；二是可能與生物質炭在土壤中留存時間長短有關，有研究已表明施生物質炭當年對第1 季小白菜產量無顯著影響，但顯著增加了第2 ～5 季小白菜產量［16］。

T4 處理耗水量最大，為156.40 mm，其次為T1 處理，為151.14 mm，耗水量最小的為T2 和T7處理，僅為141.85 和144.39 mm；T7 處理水分利用效率最大，達794.41 kg·hm-2·mm-1，比其他處理提高了12.03%～56.31%，說明T7 處理可明顯實現節水增效。T8 處理氮素利用效率顯著高于T5 ～T7 處理，可能是由于生物質炭增加了氮素的吸附作用，進而降低了氮淋失量［24-26］。T8 處理總孔隙度和有機質含量最大，分別為60.77%和46.87 g·kg-1，比T1 處理分別提高了3.35%和42.33%，表明生物質炭施入到土壤中可提高孔隙度、降低容重［19］。通過相關性分析，得出有效磷、速效鉀與有機質、pH 呈正相關，而產量則與水分利用效率呈極顯著正相關，表明水分利用效率越高，產量越大。

綜上所述，單純添加生物質炭對娃娃菜生長影響不大，但可以改變生長后期葉片葉綠素含量，在配施氮肥條件下，添加20 t·hm-2生物質炭可明顯降低寧南山區雨養旱作娃娃菜硝酸鹽含量，提高娃娃菜水肥利用效率，實現節水增效。