物質炭對設施大棚土壤性質與果蔬產量影響的整合分析

薛舒尹

摘 要：（目的）量化和評估生物質炭在設施栽培中的應用效果，對生物質炭在設施大棚的推廣應用具有重要的實踐價值。（方法）通過文獻收集并建立數據庫，共獲得典型設施大棚或溫室環境條件下相對獨立的匹配數據214組，采用數據整合分析（Meta-analysis）方法，定量分析生物質炭特性（原料、制備溫度、C/N、pH）與管理措施（施用量與施用時長）對果蔬產量、土壤理化性質的影響程度。（結果）設施條件下施用生物質炭可顯著提高土壤pH，且土壤有機碳、氮、磷等均有不同程度的增加。（結論）生物質炭類型及施用量是影響設施土壤肥力與果蔬產量的關鍵因素，低溫（400～500℃下）制備的生物質炭增產效果顯著，建議施用量控制在10.0t/hm2以下且間斷性施用，可降低成本，提高經濟效益。

關鍵詞：生物質炭;設施大棚;土壤

隨著人口的不斷增加，土壤資源面臨著巨大的壓力，近年來設施農業集約化生產的發展，以及生產者對經濟利益的過高追求，導致作物連作面積增加，土壤質量下降，土壤中微生物種群結構失衡，作物產量和品質下降。糧食作物、果樹、蔬菜、瓜果、花卉等都不同程度地存在連作障礙問題。設施蔬菜的連作障礙已成為限制設施農業發展的瓶頸。

一、研究方法

1.數據來源

本研究收集的數據來自中國知網和WebofScience文獻數據庫。檢索主要關鍵詞：“生物質炭（biochar）”、“土壤性質（soilproperties）”、“產量（yield）”和“設施大棚（greenhousefacilities）”等，篩選2007—2015年符合以下基本要求的文獻：1）設施大棚試驗，排除田間試驗、露天盆栽試驗等;2）試驗處理組必須為施用生物質炭，對照組為不施用生物質炭，且處理組和對照組除生物質炭外，其他試驗條件嚴格一致;3）試驗處理重復數必須大于或等于3。最終得到214組有效匹配數據。

2.數據庫建立與數據分類

xBxC對收集到的獨立試驗數據，按照施用生物質炭（試驗組）與不施用生物質炭（對照組）處理，提取每篇文獻中各個指標的平均值（試驗和對照組）、標準差（sB和sC）和樣本數（NB和NC），通過圖展示的文獻，利用GetDataGraphDigitizer2.24軟件獲取數據。數據收集指標包括生物質炭施用量，生物質炭特性（制備原料、制備溫度、生物質炭pH值、C/N比等），土壤理化性質（有機碳、全氮含量，有效態氮、磷，pH值等），作物產量等。由于設施栽培規模不一致，生物質炭施用比例表示方法包括采用質量百分比（%）和質量/土壤面積（如t/hm2）兩種形式。在本研究整合分析中將生物質炭施用比例統一為質量/土壤面積（t/hm2）。如果是室內盆栽試驗，以每畝耕層土壤重30萬斤來進行單位換算，以便統一產量單位（t/hm2）。如果沒有相關說明則將土層厚度設定為一般耕作層厚度20cm。對于土壤pH，如果試驗中pH是采用CaCl2溶液法，那么使用公式轉換，即pH（H2O）=1.65+0.86pH（CaCl2）。根據文獻，將生物質炭原材料大致分為畜禽糞便類、秸稈類、木材類以及殼渣類等4種類型進行整合分析。關于生物質炭制備溫度，如果文獻給出的是溫度區間，則取其平均值，并將生物質炭熱解溫度劃分為4個區間：低溫（≤400℃）、中溫（401～500℃）、中高溫（501～600℃）、高溫（≥600℃）。生物質炭碳氮含量比值（C/N值）劃分為5個水平：<20、20～50、50～100、100～300、≥300。生物質炭pH分為≤7、7～8、8～9、9～10和≥105個水平。生物質炭施用量分為4個水平：<10.0、10.0～40.0、40.0～80.0、≥80.0t/hm2。生物質炭施用時間按月分為4個水平：<3、3.0～6.0、6.0～12.0和≥12.0。

3.數據分析

方法對文獻中有關生物質炭對作物產量的影響結果進行標準化處理。試驗中的產量值采用自然對數的反應比（responseratio，RR）作為效應量： 式中：sB和sC分別為試驗組和對照組的標準差;NB和NC分別為試驗組和對照組的樣本數。效應量的變異系數用各組處理的標準偏差和試驗重復數來計算。效應量的權重采用變異系數的倒數表示，最終獲得的相關數據通過MetaWin2.1軟件進行處理。

二、結果與分析

1.生物質炭特性對設施大棚果蔬產量的影響

總體而言，施用生物質炭可平均提高大棚果蔬產量22.1%，但不同的生物質炭制備原料對設施大棚果蔬的增產效應也存在差異。畜禽糞便類因富含養分，其增產效果最好，可高達66.4%;秸稈類次之，為31.2%，碳氮比較高的木材類可增產19.0%，殼渣類生物質炭增產效果不顯著（P>0.05）。生物質炭的制備溫度也是影響生物質炭增產效果的一個重要因素。分析結果表明，相對于高溫制備，低、中溫度制備的生物質炭有利于設施大棚果蔬的增產。當制備溫度低于400℃時，大棚果蔬可增產20.4%;制備溫度在401～500℃時，增產效應提高至36.5%;制備溫度繼續升高，增產效應開始下降，制備溫度為501～600℃時，增產22.8%;超過600℃，施用生物質炭與不施用生物質炭相比，設施大棚果蔬產量無顯著差異（P>0.05）。生物質炭的C/N由于制備原料的差異而有所不同，分析結果表明，隨著生物質炭C/N值的提高，施用生物質炭對大棚果蔬的增產效應逐漸降低。C/N值<20時可增產49.1%，是C/N值≥300時增產效果（3.0%）的16.4倍。此外，C/N值分別在20～50、50～100時，分別增產46.0%、19.3%，C/N值>100時，無顯著增產作用。施用堿性生物質炭能顯著增產（P<0.05），施用酸性生物質炭則會引起設施大棚作物減產。如圖5所示，當生物質炭的pH<7時，大棚果蔬減產17.5%。pH值在9～10時，可增產39.1%，遠高于其他pH值范圍的生物質炭的增產效果。但當pH過高，增產效果會降低，當生物質炭pH≥10時，僅增產14.1%。生物質炭pH值介于7～8或8～9時，可分別增產22.4%和21.6%。

三、結語

研究表明，畜禽糞便生物質炭含大量穩定的芳香族結構及豐富的無機礦物質，并濃縮了非揮發的礦物質如磷、鉀等元素。生物質炭的施用會增加土壤堿度，引發設施土壤生態環境的改變，包括對土壤微生物結構、作物生長、金屬離子活性甚至農藥等污染物間接方面的影響及其作用機理機制，仍有待進一步深入研究。

參考文獻：

[1]房毅.設施農業培育健康蔬菜[J].農業知識，2015，（16）：27–28.