氮肥與生物炭、有機肥配施對菜心生長及養分積累的影響

摘要： 【目的】研究氮肥配施生物炭、有機肥對菜心生長和養分積累的影響，為優化菜心養分管理策略、推動菜心提質增效生產提供科學依據?！痉椒ā坑?022 年和2023 年，在廣東省蔬菜新技術研究重點實驗基地開展連續兩年的田間試驗，采用裂區試驗設計。主因素為氮肥用量，包括不施氮（?N） 和優化氮肥用量（N 135 kg/hm2，+N）處理；副因素為有機肥（+M） 和生物炭（+C） 處理。在收獲期取樣測定菜心生物量、養分含量，并計算養分積累量，并監測2023 年菜心生長期內葉面積、生物量及養分積累量的動態變化?！窘Y果】有機肥和生物炭施用均能提高菜心生物量，但施用效果受施氮量的影響，在?N 條件下，+C 和+M 處理兩年生物量較?N 處理分別平均提高了18.6% 和84.5%，而在+N 條件下，+C 和+M 處理生物量比+N 處理分別平均增加了10.1% 和48.3%。不論是否施用氮肥，有機肥對菜心生物量的提升效果均優于生物炭，?N+M 處理兩年生物量分別比?N+C 增加了19.2% 和88.9%，+N+M 處理兩年生物量較+N+C 分別高27.0% 和41.1%。氮肥與生物炭、有機肥配施主要提高了收獲期菜心氮含量，?N+C、?N+M 處理在2022 和2023 年菜心收獲期氮積累量分別較?N 處理增加了38.6%、94.4% 和51.3%、226.2%，+N+C、+N+M 處理在2022 年和2023 年菜心氮積累量較+N 處理分別提高了5.0%、42.1% 和31.7%、132.1%。與?N 處理相比，?N+C 處理菜心收獲期磷、鉀、鎂和硼積累量兩年間無顯著性差異，而?N+M 處理菜心磷、鉀、鈣和鎂積累量均顯著提高。無論施氮與否，有機肥對菜心不同生育期生物量和葉面積的促進作用均優于生物炭?！窘Y論】氮肥與生物炭或有機肥配施均能促進菜心生長，提高菜心生物量和養分積累量，不論是否施氮肥，有機肥的施用效果優于生物炭。因此，在高產、高效菜心生產中應結合生物炭和有機肥特點進行合理施用。

關鍵詞： 氮；生物炭；有機肥；菜心；配施

蔬菜富含多種營養成分（如維生素、礦物質、膳食纖維等），在人們日常膳食結構中不可或缺。在我國，蔬菜是僅次于糧食的第二大種植產業，具有生產周期短、產量高、經濟效益優、帶動就業能力強等特點，是我國鄉村振興的支柱產業[1]。然而，由于大多數蔬菜具有根系淺、養分吸收能力弱、喜高肥水并存在養分奢侈吸收等營養特性，在我國集約化蔬菜生產中，因其養分投入高和環境代價大而受到廣泛關注[2?3]。黃紹文等[4]對全國蔬菜種植施肥情況調研結果表明，我國蔬菜單位面積化肥養分投入量是全國農作物化肥養分投入量的3.3 倍。過量施肥（特別是氮肥） 不僅不能進一步提高蔬菜產量，還徒增生產成本、降低養分利用率，致使大量土壤氮盈余、加劇環境氮損失[3，5]。前人研究表明，優化氮肥用量是降低我國蔬菜生產環境風險的有力措施，但過度強調氮肥減施也存在一定的減產風險[2?3]。因此，需要在減肥的基礎上尋求更為有效的提質增效措施，這對蔬菜生產可持續發展具有重要意義。

近年來，作為現代農業可持續發展重要組成部分，農田生態系統中生物炭和有機肥的施用備受關注。生物炭是農林廢棄物等生物質原料在高溫缺氧條件下裂解形成的穩定富碳產物，具有良好的解剖結構和理化性質，施入土壤后可以改善土壤理化特性、提高土壤保水性、pH 值、陽離子交換能力（CEC） 和微生物營養轉化來增加植物養分有效性，從而提高作物產量[6?7]。生物炭通常與無機肥料配施以提高土壤肥力增加作物產量。前人薈萃分析結果表明，施用生物炭后可使作物增產10%[8]；而Ye 等[9]研究結果表明，生物炭與無機化肥配施后可以增產48%。Bai 等[10]最新薈萃分析結果表明，生物炭單獨或與無機化肥配施對作物產量的促進效果存在明顯差異。因此，還需進一步定量化分析生物炭單獨或與無機肥料配施對作物生長的差異影響。與生物炭不同的是，有機肥主要以動物排泄物或動植物殘體等富含有機質的副產品為原料，經發酵腐熟后形成的。適當施用有機肥可以降低土壤容重、增加土壤孔隙度、團聚體，改善土壤物理性質，同時也可提高土壤總有機碳、堿解氮、速效磷和鉀等養分含量，從而提高作物產量[11]。大量研究表明，有機肥部分替代化肥施用可以提高谷物類作物產量、養分吸收和養分利用率[12?13]，但Xia 等[14]薈萃分析結果表明有機肥施用在蔬菜上的作用效果不明顯，這可能與有機肥替代氮肥的比例密切相關[13]?；谏锾亢陀袡C肥理化特性差異，明確兩者在蔬菜生產中的應用效果，對于指導蔬菜高質高效生產具有重要意義。

菜心[Brassica campestris L. ssp. chinensis （L.）var. utilis Tsen et Lee] 是十字花科蕓薹屬白菜亞種的一個變種，經過長期品種改良，目前已在全國范圍內廣泛種植。菜心主食部位為肥嫩的主薹和側薹，清香爽脆、風味獨特且具有豐富的營養物質。然而，菜心生長期短、復種指數高，在菜心短暫生長期內水肥需求量大，其種植過程中的養分管理尤為重要。前人研究表明，氮肥施用對菜心生長至關重要[15]。然而，菜心根系淺養分吸收能力弱，農戶為了追求高產，不惜投入遠超菜心需求的氮肥量，致使在菜心生產過程中由于氮肥過量投入帶來的活性氮損失和溫室氣體排放加劇等環境問題越發突出。因此，本研究在優化氮肥用量的基礎上，探究氮與生物炭和有機肥互作對菜心生長的影響，為優化菜心養分管理策略、提高養分利用效率、推動菜心提質增效生產提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2022 年和2023 年在廣東省蔬菜新技術研究重點實驗基地（113.37°E，23.16°N） 進行。試驗點屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫22.5℃，年降水量約1688.7 mm。試驗點供試土壤為黃壤，0—20 cm耕層土壤pH 為6.30，含堿解氮243.7 mg/kg、速效磷24.2 mg/kg、速效鉀293.4 mg/kg、有效鈣1097.6mg/kg、有效鎂51.3 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗于2022 年和2023 年連續兩年在同一田塊進行，試驗共設6 個處理：1） 不施氮對照（?N）；2） 施氮135 kg/hm2 處理（+N）；3） 不施氮+生物炭（?N+C）；4） 氮和生物炭配施（+N+C）；5） 不施氮+有機肥（?N+M）；6） 氮和有機肥配施（+N+M）。試驗供試肥料分別為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O5 12%）、氯化鉀（含K2O 60%） 和七水硫酸鎂（含MgO 16.4%）。為保證菜心生長不受其他營養的限制，在每季試驗布置時基施K2O 90 kg/hm2、P2O5 60 kg/hm2 和MgO45 kg/hm2，氮肥分3 次施用，其中基肥占比30%，第一次和第二次追肥分別占比40% 和30%。生物炭和有機肥每季均施用9000 kg/hm2。本試驗生物炭為水稻秸稈生物炭，有機肥為花生麩經過深度發酵腐熟后制成的，生物炭和有機肥理化性質見表1。不同處理養分投入量見表2。每個處理重復3 次，試驗小區采用隨機區組排列，小區面積9 m2 （長6 m，寬1.5 m）。

試驗采用育苗移栽的方式種植，分別在2022和2023 年9 月中下旬，采用72 孔穴盤基質育苗，在育苗盤填裝育苗基質后，將種子均勻播撒于育苗基質上后澆水，待出苗10 天左右進行間苗，保持一穴一苗。在育苗25 天左右，選取長勢良好均一的幼苗移栽到試驗小區中。2022 年種植“碧青”甜菜心，移栽行間距為18 cm，密度30.9 萬株/hm2；2023 年種植“增城遲”菜心，移栽行間距為30 cm，密度11.1 萬株/hm2。菜心幼苗移栽到大田后，馬上澆定根水，加強田間管理，根據天氣情況及時澆水，清理田間雜草。所有試驗小區布置完成后在整個試驗外圍設保護區，保護區內亦移栽菜心，在試驗過程中，所有田間管理，包括除草劑施用和病蟲害防治等，均采用當地栽培管理方法。圖1 為2023 年不同處理菜心苗期長勢情況。2022 年菜心于2022?10?28收獲，2023 年菜心于2023?12?25 收獲。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤樣品采集與分析 基礎土壤樣品在前茬作物收獲后菜心基肥施用前采集。以整個試驗田塊為采樣單元，“S”形均勻布點15 個，取0—20 cm 耕作層土壤，實驗室風干磨細依次過0.85 和0.148 mm篩，供理化分析用。按水土比2.5∶1 均勻混合后，用pH 計測定土壤pH 值；采用擴散法測定堿解氮含量；采用1 mol/L NH4OAc 浸提，ICP-OES 測定土壤速效鉀、交換性鈣和鎂含量；采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定速效磷含量；采用熱水回流浸提—姜黃素比色法測定有效硼含量[16]。

1.3.2 植株表型數據獲取 在不同處理小區中選取3 株均一有代表性的植株，取地上部帶回實驗室，葉片與5 cm×5 cm 的白色參比卡片一起放在黑色背景布上，數碼相機拍照后，用Image-Pro Plus 6.0 軟件計算葉片面積。植株在105℃ 殺青30 min，60℃ 恒溫烘干，測定生物量。

1.3.3 植株養分測定 植株樣品烘干磨細后，采用碳氮分析儀（EMA502，VELP，意大利） 測定植株全氮含量。采用硝酸與高氯酸混酸（4∶1） 消煮，利用ICP-OES 測定植株磷、鉀、鈣、鎂和硼含量[16]。植株不同養分積累量為植株地上部干物質量與相應養分含量之積。

1.4 數據處理及統計分析

采用Microsoft Excel 2013 軟件處理試驗數據，利用SPSS 18.0 軟件進行統計分析，采用Origin Pro8.5 軟件作圖。采用置換多元方差（PERMANOVA，permutational multivariate analysis of variance） 分析氮、生物炭和有機肥對菜心養分含量和積累量的單獨和交互影響。

2 結果與分析

2.1 氮肥與生物炭、有機肥配施對收獲期菜心生物量的影響

氮和生物炭、氮和有機肥配施顯著提高了收獲期菜心生物量（圖2）。與?N、?N+C、?N+M 處理相比，施氮后對應的+N、+N+C、+N+M 處理2022和2023 年收獲期菜心生物量分別提高了87.3%、64.5%、75.2% 和177.8%、170.6%、102.1%，在?N 條件下，+C 和+M 處理兩年平均生物量較?N 處理分別提高了18.6% 和84.5%，單施生物炭、單施有機肥在2022 和2023 年菜心收獲期生物量分別較?N 處理增加了13.3%、35.1% 和23.8%、133.8%。和單施氮肥比， 氮肥與生物炭配施（ + N + C ） 對2022 年菜心生物量無顯著影響，而在2023 年生物量顯著提高了20.6%，兩年平均增加了10.1%。相比之下，氮和有機肥配施（+N+M） 后在2022 和2023 年較+N 處理均顯著提高了菜心收獲期生物量，分別增加了26.4% 和70.2%；氮肥與生物炭、有機肥配施較不施氮（?N） 處理極大地提高了2022 和2023 年收獲期菜心生物量，增幅高達86.4%、136.8% 和235.0%、372.7%。無論施用氮肥與否，有機肥施用對菜心生物量的提升效果均優于生物炭。?N+M 處理2022 和2023 年生物量分別比?N+C 處理增加了19.2% 和88.9%，+N+M 處理2022 和2023 年生物量分別較+N+C 處理提高27.0% 和41.1%。

2.2 氮肥配施生物炭和有機肥對收獲期菜心養分含量的影響

氮肥與生物炭或有機肥配施顯著影響收獲期菜心養分含量（表3）。與?N、?N+C、?N+M 處理相比，施氮后對應的+N、+N+C、+N+M 處理2022和2023 年收獲期菜心氮含量分別提高了52.2%、31.9%、19.6% 和102.9%、81.6%、97.9%；在不施氮條件下，2022 和2023 年生物炭、有機肥處理菜心收獲期氮量分別較?N 處理增加了2 1 . 8 %、4 3 . 1 %和22.3%、40.8%；氮肥配施生物炭、有機肥菜心氮含量分別比+N 處理提高了5.6%、12.5% 和9.5%、37.3%。與?N 處理相比，+N+C 處理2022 和2023年氮含量分別增加了60.7% 和122.2%；與配施生物炭相比，氮肥配施有機肥對菜心氮含量的提升效果更加明顯，+N+M 處理2022 和2023 年菜心氮含量較?N 處理分別顯著提高了71.2% 和178.6%。2022年不同處理間菜心磷含量無顯著差異，2023 年+N+M處理磷含量較+N 處理顯著高20.4%。在不同施氮量下配施生物炭對菜心鉀含量無顯著影響，而?N+M處理2022 和2023 年鉀含量較?N 處理分別顯著提高了23.7% 和16.9%，+N+M 處理鉀含量較+N 處理分別顯著提高了20.5% 和22.3%。2022 年，在不施氮和施氮條件下，施用生物炭后菜心鈣含量分別顯著降低了9.0% 和10.9%，而在2023 年則分別增加了22.1% 和12.9%。與生物炭不同的是，在不施氮與施氮條件下施用有機肥后菜心鈣含量在2022 年分別顯著降低了9.8% 和13.8%，2023 年則分別降低了28.2% 和22.7%。在施氮和不施氮條件下，施用生物炭和有機肥對菜心鎂含量無顯著影響，而硼含量整體有降低趨勢。置換多元方差分析結果表明，生物炭和有機肥對菜心養分含量有顯著性影響（圖3a、b）。

2.3 氮肥與生物炭、有機肥配施對收獲期菜心養分累積量的影響

氮肥與生物炭、有機肥配施均提高收獲期菜心養分積累量（圖4）。與?N、?N+C、?N+M 處理相比，施氮后對應的+N、+N+C、+N+M 處理2022 和2023 年收獲期菜心氮積累量分別提高了1.86、1.17、1.09 和4.62、3.89、3.00 倍；在不施氮條件下，施用生物炭、有機肥菜心收獲期氮積累量在2022 和2023 年分別較?N 處理增加了38.6%、94.4% 和51.3%、226.2%，氮肥配施生物炭（+N+C）、有機肥（+N+M） 處理2022 和2023 年菜心氮積累量比+N 處理分別提高了5.0%、42.1% 和31.7%、132.1%。與?N 處理相比，?N+C 處理2022 和2023 年菜心收獲期磷、鉀、鎂和硼積累量無顯著性差異，鈣積累量2022 年無顯著差異，2023 年顯著高于?N 處理；而?N+M 處理2022 和2023 年菜心收獲期磷、鉀、鈣和鎂養分積累量均顯著提高，硼積累量2022 年無顯著差異，2023 年顯著高于?N 處理。與+N 處理相比，+N+C 處理對2022 年菜心磷、鉀、鎂和硼積累量無顯著影響，而在2023 年磷、鉀和鈣積累量分別顯著提高了36.2%、36.1% 和28.7%；相比之下，在2022 和2023 年氮肥配施有機肥（+N+M） 處理均提高了菜心收獲期磷、鉀、鈣、鎂、硼積累量，分別較+N 處理增加了32.2%、52.4%、8.9%、38.4%、34.0% 和105.4%、108.3%、30.8%、66.9%、38.8%；氮肥與生物炭、有機肥配施較不施氮處理極大地提高了2022 和2023 年收獲期菜心氮、磷、鉀、鈣、鎂、硼養分積累量，氮肥配施生物炭處理（+N+C） 增幅分別為2 0 0 . 6 %、7 6 . 2 %、1 2 3 . 6 %、4 8 . 1 %、108.4%、65.0% 和640.6%、287.3%、387.5%、176.8%、320.9%、102.2%，氮肥配施有機肥處理（+N+M） 增幅分別高達307.1%、139.4%、214.8%、81.7%、198.1%、136.5% 和1204.1%、484.2%、637.2%、165.9%、445.9%、192.4%。置換多元方差分析結果表明，氮肥與有機肥配施對菜心養分積累量具有顯著影響，且存在顯著交互效應，而在氮肥與生物炭配施處理菜心養分積累量主要受氮肥供應的影響（圖3c、d）。

2.4 氮肥與生物炭、有機肥配施對菜心生物量和葉面積動態變化的影響

在菜心生育期內生物量和葉面積變化趨勢大致相同，隨移栽后時間延長呈上升趨勢，在移栽后30天菜心生物量和葉面積均進入快速增長期（圖5）。與?N、?N+C、?N+M 處理相比，對應的+N、+N+C、+N+M 處理均明顯提高了菜心生育期內生物量和葉面積。無論施氮與否，施用有機肥對菜心不同生育期生物量和葉面積的促進作用均優于生物炭。

2.5 氮肥與生物炭、有機肥配施對菜心養分積累量動態變化的影響

生育期內菜心不同養分積累量動態變化整體隨移栽后時間延長呈上升趨勢（圖6）。氮積累量在30～60 天快速積累，磷積累量在30～45 和60～75天出現快速增長，鉀和硼在移栽30 天后均處于較快速度積累狀態，鈣和鎂積累快速增長期主要在移栽后30～45 天。無論施氮與否，施用有機肥對菜心不同生長階段氮、磷、鉀、鎂和硼的積累促進作用均優于生物炭，而對于鈣積累的促進作用在施氮條件下弱于生物炭。

3 討論

3.1 生物炭對菜心生長的影響

由于生態、氣候、土壤條件及生物炭本身特性差異，生物炭施入土壤后對作物生長發育和產量的影響存在明顯差異，但整體上正向效應居多。Bo等[17]綜合分析了作物對生物炭的產量反應，結果表明施用生物炭后全球范圍內作物平均增產率在4.9%～48.4%。本研究中連續兩年的田間試驗結果表明，施用生物炭后菜心生物量提高了13.3%～23.8%。生物炭提高作物產量主要與其改善土壤養分循環、增加水分和養分保持能力密切相關[18]。同時生物炭本身含有較豐富的Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子和一定量的N、P 養分（表1），施入土壤以后會有一定程度的釋放，從而提高菜心養分積累量（圖4），這與前人[19?20]研究結果一致。在本研究中也觀察到單施生物炭（?N+C） 對菜心生長的促進作用明顯，這可能與生物炭施入后緩慢釋放部分營養元素密切相關。此外，生物炭具有多孔結構、較大的比表面積和電荷密度，使其對土壤水分和營養元素的吸持能力增強，從而間接提高了土壤有效養分的含量和生產性能[21]；還有研究表明，生物炭對NO3?和NH4+具有很強的吸附能力，降低了土壤氮素損失和養分流失，從而提高了土壤肥力和養分利用率[22?23]。本研究中，與2022年相比，2023 年施入生物炭后對菜心生長促進作用更加明顯（圖2），這可能與生物炭施用對作物生物量和產量影響的累加效應有關[24]。

3.2 有機肥對菜心生長的影響

在耕地面積日益減少的今天，化肥施用在提高單位面積作物產量進而保障糧食安全中發揮著重要作用，但也造成了土壤養分失衡、酸化加劇等問題。與常規化肥相比，有機肥在提高土壤肥力的同時還能改善土壤理化性質、平衡養分、培肥土壤[11，25]。前人研究表明，適當施用有機肥可以降低土壤容重、增加土壤孔隙度、團聚體數量和持水能力，從而改善土壤物理性質促進作物生長[13]。在本研究中，無論施氮與否，有機肥施用均能促進菜心生長、提高菜心干物質積累（圖2）。Qaswar 等[11]研究表明，有機肥施用不僅可以提高土壤有機碳、全氮、全磷等全量養分含量，還能提高土壤速效養分含量（如堿解氮、有效磷、速效鉀等）。此外，有機肥施用還能減少土壤氮、磷和鉀等養分淋洗損失，提高土壤保肥能力，進而提高作物養分積累量[26]。本研究中，與不施有機肥處理相比，有機肥施用后菜心氮、磷、鉀、鈣和鎂等養分積累量顯著提高。除此之外，也有研究表明，有機肥施用可以提高土壤脲酶、過氧化氫酶和酸性磷酸酶等多種酶活性，進而改善土壤微生態環境。許多長期試驗結果表明，施用有機肥通過提高土壤有機質、增加土壤微生物量碳、改善土壤物理結構，對作物生長具有顯著促進作用，且隨著有機肥施用年限的增加這種促進作用更加明顯[27?28]。本研究通過連續兩年的田間試驗也發現，隨著有機肥施用年限的增加，有機肥的作用效果更加明顯（圖2）。

3.3 生物炭和有機肥對菜心生長的作用差異

在本研究中觀察到，無論施氮與否，有機肥施用對菜心生長的促進效果均優于生物炭（圖2），這一方面與有機肥本身養分含量較生物炭高有關（表1），另一方面有機肥施入土壤后其豐富的有機質和速效養分對作物生長的促進作用更加明顯[29]。雖然本研究中生物炭對菜心生長的促進作用不及有機肥，但生物炭可溶性極低，具有高度穩定的結構，使生物炭具備了極強的吸附能力和抗氧化能力，能長期存留在土壤中起到長期改良土壤的作用[30]。此外，生物炭含碳率高、孔隙結構豐富、比表面積大、理化性質穩定性高，在改良土壤、提高作物產量的同時，還能實現碳的封存[31]。盡管生物炭和有機肥在物理、化學性質上存在差異，但兩者均能很好的吸持土壤養分、提高土壤持水能力、減少養分損失[32?33]，進而提高作物對養分的吸收（圖3）。研究表明，生物炭可以減緩有機肥的分解，兩者結合施用對于維持土壤養分供應和植物養分需求的平衡有更大的促進作用[34]。此外，生物炭的特殊結構可以作為有機肥的吸附劑，進一步吸持保留土壤養分，促進作物生長[ 3 5 ]。Chen 等[ 3 6 ]在玉米上的研究結果表明，生物炭和有機肥聯合施用可以為作物持續供應養分，兩者配施后因養分緩釋效應可以刺激玉米根系生長，同時減少養分損失，有助于作物吸收土壤有效養分。Yan等[33]研究結果也表明，生物炭和有機肥結合施用通過調節土壤理化性質、微生物群落結構和酶的碳、氮、磷化學計量比，從而提高玉米產量、降低養分損失。此外，Hu 等[37]最新研究結果表明，生物炭和有機肥聯合施用能顯著提高土壤中與碳、氮、磷和硫循環有關的微生物豐度和生態系統多功能性，從而提高生態系統的功能水平，進而提高作物產量。因此，在未來蔬菜生產中應結合生物炭和有機肥特點合理配施，以最大限度地發揮生物炭和有機肥的作用，實現蔬菜生產提質增效。

4 結論

無論施用氮肥與否，生物炭和有機肥均可通過促進菜心生長而提高其生物量，且有機肥效果優于生物炭。氮和有機肥均顯著影響菜心養分積累量，且存在顯著交互效應，而在氮和生物炭配施中，菜心養分積累量主要受氮肥供應的影響。在菜心生長過程中生物炭和有機肥施用均表現出顯著促進效果，但有機肥對菜心生長過程中葉面積、生物量和養分積累量的促進效果優于生物炭。因此，在實際生產中應結合生物炭和有機肥特點進行合理配施，以最大化發揮生物炭和有機肥作用，以達到蔬菜高產、優質、綠色生產的目的。

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