竹炭對土壤養分及皇菊產量和品質的影響

周 婧, 姚 宏*, 吳華芬, 金關根

(1.麗水市農林科學研究院, 浙江 麗水 323000; 2.麗水軒德皇菊有限開發公司, 浙江 麗水 323000)

0 引言

【研究意義】皇菊為菊科(Asteraceae)植物菊大黃屬(ChrysanthemummorifoliumRamat)的干燥頭狀花序,有觀賞、食用、保健等價值,具有抗氧化、抗菌、降血壓、降血脂等作用,是我國傳統的常用中藥材和保健茶之一[1-2]。皇菊是麗水地區近年來發展起來的茶飲菊新品種,是麗水地區特色優勢農產品之一,因花形優美、花色鮮亮、口感獨特,深受廣大消費者喜愛。由于連作種植,加之化肥農藥大量施用,造成土壤有機質含下降,土壤結構退化,營養失調,導致土壤肥力下降,影響皇菊的產量和品質。生物炭具有較大的比表面積、高孔隙含量、高穩定性和含碳量較高等特點[3-5],施入土壤后能改變土壤性狀,提高作物產量,近年來被廣泛應用于農業生產領域。因此,探究竹炭對土壤肥力及皇菊產量和品質的影響,篩選出利于生產的竹炭用量,對指導皇菊科學施肥、促進產業發展具有重要意義。【前人研究緊張】生物炭的施用會提高表層土壤肥力以及作物的產量和品質。沈盟等[6]研究表明,在溫室大棚施用生物炭能提高土壤有機碳、堿解氮、速效磷和速效鉀含量,且生物炭施用量為200 kg/667m2時番茄的增產效果最好。張登曉等[7]研究指出,在溫室盆栽中施用生物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。陳麗美等[8]研究表明,施用生物炭能夠影響土壤酶活及土壤微生物多樣性,土壤性質與酶活性之間存在顯著或極顯著正相關關系。馮慧琳等[9]研究指出,施用生物炭能夠顯著提高4種土壤酶活及土壤養分,以生物炭1.2 t/hm2添加量較為適宜,且可在一定程度上增加細菌多樣性及改變菌群結構。許云翔等[10]研究發現,稻田施用6年生物炭的土壤脲酶活性增加量最大能達36.5%,酸性磷酸酶活性隨著生物炭施加量的增加而增加,但過氧化氫酶和多酚氧化酶的活則相反。【研究切入點】目前,生物炭應用在蔬菜和作物方面均有研究,但針麗水地區連作種植土壤改良和皇菊生長的研究尚未見報道。【擬解決的關鍵問題】研究竹炭對皇菊連作土壤肥力及皇菊產量和品質的影響,為竹炭在皇菊生產中的合理施用及改良土壤提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年5—12月在浙江省麗水市青田阜山皇菊種植基地進行,地處東經120.79°,北緯28.06°,海拔482 m,為典型亞熱帶季風氣候,年平均降雨量 1 747 mm,年平均氣溫18.3 ℃,無霜期279 d。試驗區為皇菊-水稻輪作地,土壤類型為紅黃壤,0～20 cm表層土壤pH為4.89、有機質29.6 g/kg、堿解氮161 mg/kg、有效磷42.7 mg/kg、速效鉀105.8 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試菊花品種為皇菊,是麗水市主要種植菊花品種,生長期為160～180 d,由麗水軒德皇菊開發有限公司提供。供試生物炭為竹炭,在500 ℃高溫厭氧條件下炭化所得,pH為10.1、有機碳122 g/kg、全氮4.7 g/kg、全磷0.83 g/kg、全鉀2.1 g/kg。供試有機肥原料為茶籽餅和菜籽餅,利用高溫發酵而成,pH為5.91,N、P、K質量分數分別為3.25%、2.35%和2.73%。

1.3 試驗方法

竹炭施用量設置4個處理,分別為0 t/hm2(T0)、1.25 t/hm2(T1)、2.5 t/hm2(T2)和3.38 t/hm2(T3),隨機區組設計,每個處理設3次重復,共12小區,每個小區面積為20 m2。2021年5月上旬,按照試驗設計將竹炭和有機肥(1 500 kg/hm2)充分攪拌均勻,作為底肥一次性施入小區并翻耕(深約 25 cm),種植區域做畦(寬40 cm、深15 cm),每個小區間距35 cm,試驗地四周設保護行。皇菊苗于2021年5月10日移栽,株距50 cm,行距60 cm,于8月上旬(花芽分化前)追肥1次(尿素 150 kg/hm2、硫酸鉀225 kg/hm2和硫酸鋅15 kg/hm2),試驗期間定期滴灌澆水。

2021年11月18日對小區皇菊全部采摘,按照皇菊標準方式進行烘干稱重。每個小區挑選并采集10朵具有代表性、均一的花朵,測定其品質和產量。2021年11月28日每個小區分別取0～20 cm土壤進行S點取樣,混合均勻后裝入自封袋用于測定理化性狀。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 皇菊產量和品質 皇菊采收烘干后測定產量。在皇菊盛花期,每個小區采集10株開花一致的菊花進行總黃酮、綠原酸、游離態氨基酸和可溶性糖測定,分光光度法測定黃酮含量[11],RIGOLL3000高效液相色譜儀測定綠原酸含量,氨基酸分析儀檢測游離態氨基酸含量,蒽酮法測定可溶性總糖含量[12]。

1.4.2 土壤理化性狀 土壤理化性質測定參照土壤檢測農業行業相關標準和鮑士旦[13]的方法進行。有機質用采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定;堿解氮用堿解擴散法測定;速效磷用氟化銨-鹽酸溶液浸提法和鉬銻抗比色法測定;速效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度計測定;pH值用玻璃電極法測定;土壤酶活性參照關松蔭[14]的方法測定,土壤陽離子交換量用EDTA與乙酸銨交換法測定;脲酶用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定;酸性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法測定;過氧化氫酶用高錳酸鉀滴定法測定;蔗糖酶采用 3,5-二硝基水楊酸比色法測定。

1.5 數據分析

運用 Excel 2019和 SPSS 19.0對試驗數據進行統計分析與制圖,采用單因素方差分析方法(Duncan法檢驗)進行差異顯著性分析,采用 Pearson相關系數分析皇菊土壤理化性質與酶活性的相關性。

2 結果與分析

2.1 竹炭不同施用量土壤的理化性質

從表1可知,除土壤pH外,添加竹炭可不同程度地影響土壤的理化性狀。與T0相比,添加竹炭表層土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀分別提高3.33%～8.64%、5.31%～15.53%、3.79%～29.83%和44.30%～130.35%,陽離子交換含量除T3降0.13%外,T1和T2分別提高1.35%和0.16%。各處理中,T2的有機質、堿解氮和有效磷最高,較T0分別高8.64%、15.53%和29.83%,差異顯著;陽離子交換量和速效鉀以T1處理最高,較T0分別高24.65%和122.29%,差異顯著。添加竹炭各處理中,T1～T3處理間有機質、堿解氮含量和pH差異不顯著,有效磷和速效鉀含量T1與T2間差異均不顯著,均顯著高于T3;陽離子交換量T1顯著高于T2和T3,T2與T3間差異不顯著。

表1 竹炭不同施用量土壤的理化性質

2.2 竹炭不同施用量土壤的酶活性

從表2看出,與T0相比,竹炭不同添加量處理均可增加土壤的酶活性,其中,土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性分別提高10%～38.57%、5.03%～16.98%、10.20%～40.82%和15.31%～22.45%,T1處理能顯著增加蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性,增加土壤過氧化氫酶活性,但差異不顯著;T2處理顯著增加過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶的活性;T3處理可顯著增加酸性磷酸酶的活性,增加土壤過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性,但差異不顯著。各處理中,T1的蔗糖酶和脲酶活性最高,較T0分別高16.98%和40.82%;T2的過氧化氫酶和酸性磷酸酶含量最高,較T0分別高38.57%和22.45%。

2.3 土壤性質與酶活性的相關性

從表3可知,土壤性質與酶活性之間有一定的相關性。土壤有機質與pH和速效鉀均呈顯著正相關,與堿解氮、有效磷、過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶均呈極顯著正相關,土壤pH與酸性磷酸酶呈顯著負相關;土壤陽離子交換量與速效鉀和蔗糖酶呈顯著正相關,與脲酶呈極顯著正相關;土壤堿解氮與蔗糖酶、脲酶呈顯著正相關,與有效磷、速效鉀、過氧化氫酶、酸性磷酸酶呈極顯著正相關;土壤有效磷與速效鉀、過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶呈極顯著正相關;土壤速效鉀與過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶呈極顯著正相關;土壤過氧化氫酶與蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶呈極顯著正相關;土壤蔗糖酶與脲酶和酸性磷酸酶呈極顯著正相關;土壤脲酶與酸性磷酸酶呈極顯著正相關。

表2 竹炭不同施用量土壤的酶活性

表3 土壤理化性質與酶活性間的相關系數

2.4 竹炭不同施用量皇菊的產量

從圖 1可知,與T0相比,添加竹炭后皇菊產量均提高,T1、T2和T3處理分別增產38.94%、15.39%和13.47%,皇菊產量隨竹炭添加的增加而降低。T1產量顯著高于T0、T2和T3,T0、T2與T3間差異不顯著。表明,施加低量竹炭的T1(1.13 t/hm2)可提高土壤肥力,促進皇菊的生長,從而增加皇菊產量。

注:不同小寫字母表示差異達顯著(P<0.05)水平,下同。

2.5 竹炭不同施用量皇菊的品質

從圖2看出,添加竹炭后(T1～T3)皇菊綠原酸、游離態氨基酸和可溶性糖的含量分別在3.64～3.87 mg/g、 7.19～9.15 mg/g和130.848～122.646 mg/g,較T0平均提高3.7%、15.0%和2.9%。皇菊綠原酸、游離態氨基酸和可溶性糖的含量均以T2最高,較T0分別增加6.37%、27.24%和6.69%,但各添加處理間差異不顯著;總黃酮含量在103.369～107.311 mg/g,以T3最高,添加竹炭后各處理對總黃酮的含量影響不大。

圖2 竹炭不同施用量皇菊的綠原酸、游離態氨基酸、可溶性糖和總黃酮含量

3 討論

3.1 竹炭對皇菊土壤理化性質和酶活性的影響

生物炭具有含碳率高、多孔結構、比表面積大、理化性質穩定及高pH等特性,其添加到土壤后能夠直接或間接改變土壤的物理、化學和微生物學特性,從而影響土壤肥力狀況,對作物的生長、生物量及產量形成產生影響[15-17]。本研究表明,添加竹炭后,土壤有機質、陽離子交換量、堿解氮、有效磷、速效鉀含量均顯著增加,說明添加竹炭可提升土壤肥力,有利于植物根系對土壤肥力的吸收。其原因可能是生物炭能吸附土壤有機分子,促進土壤有機質的合成[18],可以在土壤中形成有機-無機復合物和大粒徑團聚體,進而改善土壤結構而減少有機質淋失[19];竹炭施入土壤后其表面可能會氧化,從而增強土壤陽離子的吸附能力[20];竹炭施入后可改善土壤透氣性,抑制土壤中氮磷的淋失[20],從而提高土壤氮磷養分含量;竹炭本身含有大量的鉀元素,施用能夠增加土壤速效鉀的含量,同時能增強土壤對容易淋失的K+的吸附能力。

土壤酶是土壤的組成成分之一,主要來自植物根系分泌物、土壤中的有機殘體和土壤中微生物生命活動。脲酶反映土壤的供氮能力,過氧化氫酶活性的高低反映土壤微生物氧化過程的強弱[20],蔗糖酶表征土壤分解利用能量的效率,酸性磷酸酶活性直接影響土壤中有機磷的分解轉化及生物有效[21]。研究表明,與不施用竹炭相比,不同用量的竹炭均能促進皇菊土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶活性。隨著竹炭添加量的增加,土壤酶活性呈先增加后減趨勢,在竹炭用量為 1.25 t/hm2(T1)或2.5 t/hm2(T2)時,各土壤酶活性達到最高值,與馮慧林等[9]的研究相一致。土壤中有機質的含量會影響蔗糖酶的活性[22],且脲酶活性依賴于有機質,其深度參加有機質的轉化分解過程,添加竹炭后有機質含量提升,脲酶和蔗糖酶活性會隨之提升。占亞楠等[23]研究發現,在棕壤中添加秸稈黑炭對中性磷酸酶(NPH)起到抑制作用,添加生物炭,酸性磷酸酶活性則平均降低17.8%。本研究發現,添加竹炭后皇菊土壤酸性磷酸酶活性較高,可能是添加竹炭后植株長勢較好,其生物量較高,需要從土壤中攝取更多的磷元素,因此刺激微生物的分泌,提高酸性磷酸酶的活性。土壤酶活性與土壤理化性質存在顯著相關關系,表明土壤酶活性高低受自身性質、生物炭添加量、土壤理化性質等多因素影響[24]。

土壤酶能促進土壤營養物質的循環,其高低反映土壤養分轉化能力的強弱[25],土壤酶活性的提高有利于土壤培肥增產。土壤酶與土壤養分之間存在顯著相關關系,竹炭的比表面積在300 m2/g以上[26],土壤酶主要集中在微團聚體中,竹炭的添加改善了土壤酶環境的通氣性,促進有機質的分解,因而土壤養分之間存在一定的相關性。土壤微生物群落結構的變化會影響土壤酶活性變化,土壤酶活性發生變化則微生物環境也會發生改變,而竹炭施用改變了土壤酶活性,從而影響土壤微生物群落結構。

生物炭雖含有一定的營養元素,但不能代替肥料的施用。有研究表明,生物炭與有機肥混合施用能減少肥料的施用量[17,27];但大田土壤系統比較復雜,需在此基礎上進一步探究不同植物的最佳施肥方式。

3.2 竹炭對皇菊產量和品質的影響

生物炭能促進作物的生長,提高產量和品質[28-30]。添加竹炭1.25 t/hm2(T1處理)條件下皇菊產量最高,一方面可能是因為適量生物炭的施用直接提高了土壤肥力,另一方面可能是生物炭的多孔性和吸附性提高了土壤的鹽離子交換量,穩定土壤微環境,提高養分利用效率[18]。韓曉亮等[31]研究表明,適量生物炭的施用可提高作物根系代謝活動,確保穩定增產,在一定程度上促進作物產量的積累,進而提高作物長勢。增加生物炭施用(T2和T3)反而減產,說明有添加高量竹炭的施用對皇菊生長有一定的抑制作用。當生物炭施用量為 30 t/hm2和60 t/hm2時,黑麥草的生物量比對照增加 20%和52%,當施用量增加到100 t/hm2和200 t/hm2時,黑麥草的生物量反而比對照降低8%和30%[32],與本研究結果一致,表明生物炭添加可能受多種因素的影響,包括土壤類型、生物炭種類、氣候條件、施用量和作物種類等,導致生物炭與施用的增產效應不同[16,33-34]。

皇菊營養價值和藥用價值高,含有綠原酸、黃酮、游離態氨基酸和可溶性糖[1],添加2.25 t/hm2(T2)竹炭對皇菊中綠原酸、游離態氨基酸、可溶性糖含量的提升效果最佳。土壤性質與酶活性間存在顯著或極顯著的相關關系,竹炭施用改善了土壤的理化性質,提高了土壤養分的有效性,改變了土壤微生物豐度和群落結構[15],以及影響了土壤的水分特征[34],增強皇菊根系對營養物質的吸收,進而提高皇菊的品質。但高量竹炭添加反而降低了皇菊品質,因此,后期還需進一步研究竹炭、有機肥、化肥的適宜配施比例,達到既能改良土壤和連作障礙,又能提高皇菊產量和品質的目的。

4 結論

適量添加竹炭均能顯著提高皇菊種植表層土壤的養分含量和土壤酶的活性,降低土壤 pH值,且土壤性質與酶活性間存在顯著或極顯著正相關關系,提高皇菊產量及其綠原酸、總黃酮、游離態氨基酸和可溶性蛋白含量。與不施用相比,施用竹炭1.25～3.38 t/hm2皇菊種植表層土壤的有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀和陽離子交換含量平均提高5.64%、9.09%、18.64%、98.59%和0.46%;土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性平均提高20.00%、12.58%、27.89%和19.73%,皇菊產量平均增加22.6%。竹炭用量1.25～2.25 t/hm2時,土壤表層養分含量、土壤酶活性、皇菊產量和品質表現均最佳。