城市園林廢棄物生物質炭對小白菜生長、硝酸鹽含量及氮素利用率的影響

張登曉， 周惠民， 潘根興， 李戀卿， 鄭金偉

(南京農業大學農業資源與生態環境研究所， 江蘇南京 210095)

蔬菜是日常攝取的主要食物。2008年我國蔬菜種植面積達到17.88百萬公頃，已占我國耕地面積的11.4%[1]。2012年，我國溫室大棚蔬菜的種植面積迅速增加，達到20.35百萬公頃，成為世界上最大的溫室蔬菜生產國[1-3]。與傳統露天栽培方式相比，溫室蔬菜產量得到大幅提高，但同時氮肥投入量大幅增加[4]。據統計，山東省溫室大棚系統中氮肥的使用量高達N 4000 kg/hm2，而過量施肥一方面導致肥料利用率降低[4-5]，部分地區氮肥利用率甚至不足10%[6-8]；另一方面導致蔬菜硝酸鹽積累[9]和土壤硝態氮積累[8,10]，進而導致地表水和地下水的富營養化[11]并誘發土壤鹽漬化[12]。研究顯示，蔬菜中具有高硝酸鹽含量[13]，尤其葉菜類蔬菜具有更高的硝酸鹽積累[14-15]。硝酸鹽在人體內可轉化為具有致癌作用的亞硝酸鹽，而人體攝入的大部分硝酸鹽來自蔬菜[16]。因此，控制蔬菜硝酸鹽積累，提高氮素利用率是溫室蔬菜種植中需要關注的問題。生物質炭由于具有很強的吸附性能，能夠減少肥料的滲漏損失，提高肥料利用率[17-19]，并且對作物產量具有促進作用[20]。以往研究大多采用秸稈生物質炭，并且以農田施用為主，在溫室蔬菜生產中的應用研究較少。城市園林廢棄物生物質炭對溫室蔬菜產量和品質的影響以及對設施農業氮素利用率的影響還沒有清楚認識。為此，本研究以溫室小白菜為研究對象，采用盆栽試驗方法，研究土壤添加生物質炭對溫室蔬菜產量和品質，以及養分的保持效應的影響，以求探索一種綠色環保的現代農業模式。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

表1 土壤和生物質炭的基本理化性狀

1.2 試驗設計

本試驗采用單因素(生物質炭)試驗設計，5個用量水平，即不施生物質炭(對照)和施用生物質炭(烘干重)20、 40、 60及80 g/kg的處理，分別標為C0，C1，C2，C3及 C4。盆栽土壤每盆2 kg(干重計)，施肥為N 150 mg/kg和P2O533 mg/kg，分別施入尿素和過磷酸鈣基肥，不施追肥。因生物質炭含有較高的鉀素含量，施肥中不考慮鉀肥。

本試驗在南京農業大學資環學院溫室大棚中進行，于2012年4月7日播種。每個處理設三次重復，隨機排列放置，且每天補水后隨機調整擺放位置。

1.3 分析項目和方法

小白菜生物量測定：收獲時沿盆內土壤表面剪下地上部，用自來水沖洗粘附土粒，繼之用蒸餾水沖洗，吸干水分后稱取鮮重。將盆內根系取出，并用水沖洗土粒，繼之用蒸餾水洗凈。

植物樣品置于烘箱，105℃下殺青半小時后，65℃烘干到恒重。分別得到地上部和地下部干重。

土壤性質測定：按鮑士旦(2000)推薦方法[22]，其中pH采用土水比(w ∶w)為1 ∶2.5，生物質炭 ∶水(w ∶w)為1 ∶10；采用半微量開氏法測定土壤全氮；取盆栽鮮土過2 mm篩，采用2 mol/L KCl浸提，其中銨態氮采用靛酚藍比色法測定，而硝態氮采用雙波長比色法測定[23]。

1.4 數據處理

計算了如下幾個指標：1)收獲指數(Harvest index)為每盆地上部干重(g)除以地上部和地下部干重總和(g)得到；2)氮素損失率(N loss rate)為作物種植后土壤氮素損失量占種植前土壤全氮量的百分比；(3)土壤氮素生產率(N Productivity)為試驗條件下每克氮素得到的地上部生物量鮮重克數，由地上部生物量鮮重除以播種前土壤總氮得到，單位g/g。

所有試驗數據和圖表采用Microsoft Excel 2007處理。不同處理間差異采取SPSS16.0進行單因素方差分析，LSD法進行顯著性檢驗(P<0.05)。測定結果數據均以平均值±標準差的形式表示。

2 結果與分析

2.1 生物質炭對小白菜產量的影響

不同用量生物質炭添加對小白菜產量的影響見表2。與對照相比，生物質炭添加下地上部產量均顯著提高，C1、 C2、 C3和C4處理下增產幅度分別達到49.5%、 62.8%、 77.8% 和74.4%。其中，C3和C4處理下增產幅度達到75%，增產效應十分顯著。

表2 生物質炭施用下小白菜產量、 生物量、 收獲指數和葉面積

2.2 生物質炭對小白菜硝酸鹽含量的影響

圖1 不同生物質炭處理小白菜葉片中含量 contents in leaves of Brassica chinensis Linn under biochar additions

2.3 生物質炭對植株氮素利用的影響

3 討論與結論

本研究表明，溫室大棚栽培小白菜的土壤中加入不同量的生物質炭能提高小白菜產量，并且產量與生物質炭的添加量呈正相關關系(P<0.05)(表4)，表明生物質炭對蔬菜生長具有顯著的促進作用。

表3 不同比例生物質炭處理對氮素保持效應及土壤氮素生產率的影響

圖2 生物質炭處理下土壤含量(A)和銨硝比(B)的變化Fig.2 Soil contents (A) and ratio(B) under the biochar amendments

生物質炭提高大田糧食作物產量已經在很多研究中有所報道[24-27]。也有研究表明了生物質炭對菠菜[28]、 辣椒[29]等蔬菜具有不同幅度的增產作用。本研究結果看，添加生物質炭能夠增加植株生物量，同時降低了根冠比而提高了蔬菜收獲指數。根冠比主要反映地上部和根系之間對光合產物的分配狀況[30]，它與土壤中氮素的含量有關，Reich[31]發現施肥減少了生物量向根系的分配。在一定氮素范圍內，根冠比在低氮條件下高于高氮條件[30,32]。Spokas[33]發現生物質炭加入土壤中導致植物體內乙烯含量的增加，這可能是促進植物地上部生長的原因之一[33]。但是，生物質炭添加是否影響了土壤生物學性質，進而影響了蔬菜的產量性能還不清楚。

本試驗還表明，蔬菜植株硝酸鹽含量與土壤中銨態氮和硝態氮含量具有相關性，但與土壤全氮含量相關性不顯著(表4)。不同用量下植株硝酸鹽含量降低幅度在50%以上，特別是2%生物質炭土壤添加降低硝酸鹽含量的幅度達到68%。

在本試驗中，土壤全氮含量與生物質炭添加量存在顯著的相關性，但與土壤中銨態氮和硝態氮含量不具相關性(表4)。與降低蔬菜硝酸鹽含量類似，生物質炭降低了土壤硝態氮和銨態氮含量。氮素平衡分析表明，添加生物質炭顯著降低氮素損失率42%以上，提高土壤氮素生產率超過35%。這一方面可能是由于添加生物質炭降低了氮素N2O排放損失。土壤中氨硝含量的降低可能與生物質炭降低農田土壤中碳氮的礦化有關[34-36]。生物質炭通過改善土壤通氣狀況從而抑制了氮素在硝化和反硝化過程中N2O的形成和排放[27,37]。同時，研究指出生物質炭可減低土壤溶液中的氨濃度，從而降低氮素以氨氣形式的揮發[37-38]。另外，生物質炭顆粒具有較大的陽離子吸附量，有多孔性和高比表面積等特性[39-40]，化肥氮素特別是銨離子易被吸附進而與生物質炭復合而達到緩釋的作用，從而促進植物持續吸收利用。

表4 各調查指標間的相關性

參考文獻:

[1] 中國統計局. 中國統計年鑒(2009-2013)[M]. 北京：中國統計局.

Chinese Statistical Bureau. China statistical year book (2009-2013)[M]. Beijing：Chinese Statistical Bureau.

[2] Chang J, Wu X, Liu Aetal. Assessment of net ecosystem services of plastic greenhouse vegetable cultivation in China[J]. Ecological Economics, 2011, 70(4)：740-748.

[3] Chen Y, Huang B, Hu Wetal. Environmental assessment of closed greenhouse vegetable production system in Nanjing, China[J]. Journal of Soils and Sediments, 2013, 13：1418-1429.

[4] Guo J H, Liu X J, Zhang Yetal. Significant acidification in major Chinese croplands[J]. Science, 2010, 327(5968)：1008-1010.

[5] 張福鎖, 王激清, 張衛峰, 等. 中國主要糧食作物肥料利用率現狀與提高途徑[J]. 土壤學報， 2008, 45(5)：915-924.

Zhang F S, Wang J Q, Zhang W Fetal. Nutrient use efficiencies of major cereal crop in China and measures for improvement[J]. Acta Pedologica Sinica, 2008, 45(5)：915-924.

[6] Zhu J H, Li X L, Christie P, Li J L. Environmental implications of low nitrogen use efficiency in excessively fertilized hot pepper (CapsicumfrutescensL.) cropping systems[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2005, 111：70-80.

[7] Ju X T, Kou C L, Christie Petal. Changes in the soil environment from excessive application of fertilizers and manures to two contrasting intensive cropping systems on the North China Plain[J]. Environmental Pollution, 2007, 145(2)：497-506.

[8] Min J, Zhao X, Shi W Metal. Nitrogen balance and loss in a greenhouse vegetable system in Southeastern China[J]. Pedosphere, 2011, 21(4)：464-472.

[9] Zhou Z Y, Wang M J, Wang J S. Nitrate and nitrite contamination in vegetables in China[J]. Food Reviews International, 2000, 16(1)：61-76.

[10] Min J, Shi W, Xing Getal. Effects of a catch crop and reduced nitrogen fertilization on nitrogen leaching in greenhouse vegetable production systems[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2011, 91：31-39.

[11] Constantin J, Mary B, Laurent Fetal. Effects of catch crops, no till and reduced nitrogen fertilization on nitrogen leaching and balance in three long-term experiments[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2010, 135(4)：268-278.

[12] Shi W M, Yao J, Yan F. Vegetable cultivation under greenhouse conditions leads to rapid accumulation of nutrients, acidification and salinity of soils and groundwater contamination in South-Eastern China[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2009, 83：73-84.

[13] Santamaria P. Nitrate in vegetables：toxicity, content, intake and EC regulation[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2006, 86(1)：10-17.

[14] 都韶婷, 金崇偉, 章永松. 蔬菜硝酸鹽積累現狀及其調控措施研究進展[J]. 中國農業科學, 2010, 43(17)：3580-3589.

Du S T, Jin C W, Zhang Y S. Current situations and research progress of nitrate pollution in vegetables and their regulating strategies[J]. Scientia Agriculturae Sinica, 2010, 43(17)：3580-3589.

[15] Authority E F S. Nitrate in vegetables：scientific opinion of the panel on contaminants in the food chain[J]. The EFSA Journal, 2008, 689：1-79.

[16] 劉永剛， 陳利軍， 武志杰. 蔬菜中硝酸鹽的積累機制及其調控措施[J]. 土壤通報, 2006, 37(3)：612-616.

Liu Y G, Chen L J, Wu Z Jetal. Accumulation mechanisms of nitrate in vegetables and their regulation[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2006, 37(3)：612-616.

[17] Glaser B, Lehmann J, Zech W. Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal-a review[J]. Biology and Fertility of Soils, 2002, 35(4)：219-230.

[18] Isobe T. Suppression of nitrogen outflow from bedding plants soil by zeolite or charcoal[J]. Horticultural Research(Japan), 2002, 1：45-48.

[19] 曲晶晶， 鄭金偉， 鄭聚鋒， 等. 小麥秸稈生物質炭對水稻產量及晚稻氮素利用率的影響[J]. 生態與農村環境學報, 2012, 28(3)：288-293.

Qu J J, Zheng J W, Zheng J Fetal. Effects of Wheat-Straw-Based Biochar on Yield of Rice and Nitrogen Use Efficiency of Late Rice[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2012, 28(3)：288-293

[20] Atkinson C J, Fitzgerald J D, Hipps N A. Potential mechanisms for achieving agricultural benefits from biochar application to temperate soils：a review[J]. Plant and Soil, 2010, 337：1-18.

[21] 王學奎. 植物生理生化實驗原理和技術(第二版)[M]. 北京：高等教育出版社, 2006. 122-123.

Wang X K. Experimental principle and technipue for plant physiology and biochemistry[M]. Beijing：Higher Education Press, 2006. 122-123.

[22] 鮑士旦. 土壤農化分析(第三版)[M]. 北京：中國農業出版社， 2000.

Bao S D. Soil and Agro-chemistry Analysis(3rd Ed.)[M]. Beijing：China Agricultural Press, 2000.

[23] 國家環境保護總局. 水和廢水監測分析方法(第四版)[M]. 北京：中國環境科學出版社, 2002. 266-268.

State Environmental Protection Administration. Analysis methods for water and wastewater (4th edition)[M]. Beijing：China Environmental Science Press, 2002. 266-268.

[24] Asai H, Samson B K, Stephan H Metal. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos：1. Soil physical properties, leaf SPAD and grain yield[J]. Field Crops Research, 2009, 111：81-84.

[25] Major J, Rondon M, Molina Detal. Maize yield and nutrition during 4 years after biochar application to a Colombian savanna oxisol[J]. Plant and Soil, 2010, 333：117-128.

[26] Haefele S M, Konboon Y, Wongboon Wetal. Effects and fate of biochar from rice residues in rice-based systems[J]. Field Crops Research, 2011, 121(3)：430-440.

[27] Zhang A, Liu Y, Pan Getal. Effect of biochar amendment on maize yield and greenhouse gas emissions from a soil organic carbon poor calcareous loamy soil from Central China Plain[J]. Plant and Soil, 2012, 351(1-2)：263-275.

[28] 張萬杰， 李志芳， 張慶忠， 等. 生物質炭和氮肥配施對菠菜產量和硝酸鹽含量的影響[J]. 農業環境科學學報， 2011, 30(10)：1946-1952.

Zhang W J, Li Z F, Zhang Q Zetal. Impacts of biochar and nitrogen fertilizer on spinach yield and tissue nitrate content from a pot experiment[J]. Journal of Agro-Environment Science. 2011, 30(10)：1946-1952.

[29] Pudasaini K, Ashwath N, Walsh K, Bhattarai T. Biochar Improves Plant Growth and Reduces Nutrient Leaching in Red Clay Loam and Sandy Loam[J]. Hydro Nepal：Journal of Water, Energy and Environment, 2012, 11(1)：86-90.

[30] 姜琳琳, 韓立思, 韓曉日, 等. 氮素對玉米幼苗生長, 根系形態及氮素吸收利用效率的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2011, 17(1)：247-253.

Jiang L l, Han L S, Han X Retal. Effects of nitrogen on growth, root morphological traits, nitrogen uptake and utilization efficiency of maize seedlings[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(1)：247-253.

[31] Reich P. Root-shoot relations：optimality in acclimation and adaptation or the “Emperor’s new clothes”[A]. Waisel Y, Eshel A, Kafkafi U. Plant roots, the hidden half[C]. New York:Marcel Dekker, 2002. 205-220.

[32] Vamerali T, Saccomani M, Bona Setal. A comparison of root characteristics in relation to nutrient and water stress in two maize hybrids[J]. Plant Soil, 2003, 255：157-167.

[33] Spokas K A, Baker J M, Reicosky D C. Ethylene：Potential key for biochar amendment impacts[J]. Plant and Soil, 2010, 333：443-452.

[34] Kuzyakov Y, Subbotina I, Chen Hetal. Black carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass estimated by14C labeling[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2009, 41(2)：210-219

[35] Jones D L, Murphy D V, Khalid Metal. Short-term biochar-induced increase in soil CO2release is both biotically and abiotically mediated[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(8)：1723-1731.

[36] Dempster D N, Gleeson D B, Solaiman Z Metal. Decreased soil microbial biomass and nitrogen mineralisation with Eucalyptus biochar addition to a coarse textured soil[J]. Plant and Soil, 2012, 354：311-324.

[37] Lehmann J, Gaunt J, Rondon M. Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems-a review[J]. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 2006, 11(2)：395-419.

[38] Taghizadeh-Toosi A, Clough T J, Sherlock R R, Condron L M. A wood based low-temperature biochar captures NH3-N generated from ruminant urine-N, retaining its bioavailability[J]. Plant and Soil, 2012, 353：73-84.

[39] Lehmann J, Joseph S. Biochar for environmental management：science and technology[M]. London, UK：Earthscan, 2009. 1-29,107-157.

[40] 劉瑩瑩， 秦海芝， 李戀卿， 潘根興， 等. 不同作物原料熱裂解生物質炭對溶液中Cd2+和Pb2+的吸附特征[J]. 生態環境學報, 2012, 21(1)：146-152.

Liu Y Y, Qin H Z, Li L Q, Pan G Xetal. Adsorption of Cd2+and Pb2+in aqueous solution by biochars produced from the pyrolysis of different crop feedstock[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2012, 21(1)：146-152.