生物炭對設施土壤化學性質及黃瓜產量品質的影響

石曉宇　張婷　賈浩　掲曉婧　王沖　李碩　商蒙非　常振凱　褚慶全

摘要：為探究生物炭對設施土壤的改良作用，2014年和2015年通過田間試驗，分別研究施用不同用量的生物炭對設施土壤化學性質及黃瓜生產的影響。研究表明，不同生物炭施用量對土壤速效鉀和硝態氮含量作用效果差異顯著，當季施用生物炭的處理明顯增加土壤速效鉀含量60?152 mg/kg，有效減緩了速效磷的下降趨勢14.57%?18.42%，與對照相比提高了土壤有機碳的含量1.76?2.59倍，土壤pH值提高了0?0.22個單位，生物炭對降低表層土壤的電導率效果顯著。施用生物炭能夠增加黃瓜的產量和品質，果實中維生素C含量提高5.64%?13.26%，可溶性糖含量提高17.21%?40.73%，硝酸鹽含量降低0.94%?8.34%。當季施用生物炭明顯提高了土壤中有效養分的含量和黃瓜產量，改善了黃瓜品質，而施用生物炭1年后促進效果減弱。

關鍵詞：生物炭;土壤化學性質;設施;產量品質

中圖分類號：S318? 文獻標志碼：A? 論文編號：cjas18060017

0引言

設施栽培實現了蔬菜的反季種植，帶來了很大的經濟效益。但在生產中出現了為追求高產而過量施肥的現象，容易引起土壤板結、酸化和次生鹽漬化等土壤障礙，影響蔬菜的產量和品質。生物炭是一種利用秸稈等農林廢棄物，在限氧低溫（350?500℃）條件下熱解炭化產生的高度芳香化難熔性固態物質，具有高比表面積、孔隙度大、呈堿性等優良性質。生物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。研究發現，施用不同用量的生物炭后，土壤理化性質將會發生不同變化。曾愛等m研究生物炭對堿性土壤的改良作用，發現高施用量處理（20 t/hm）比低施用量處理（1 t/hm）更能提高土壤有機碳和速效鉀含量，但在低施用量處理中堿解氮和有效磷含量顯著提升。生物炭效應的持續時間也受到了研究者的關注。張斌等通過2年稻田試驗發現，施用生物炭的處理次年全氮含量相比對照增加了10.7%?13.4%。目前，生物炭研究主要針對小麥和水稻等糧食作物，在設施土壤和蔬菜方面的應用研究較少。設施蔬菜土壤由于施肥不當易造成土壤酸化和鹽漬化等，利用生物炭發達的孔隙結構和比表面積大的優點，預期可以適當緩解土壤障礙，改善土壤理化性質，進而提高蔬菜的產量和品質。本研究通過田間試驗，設置不同的生物炭施用梯度，探討生物炭當季施用和施用1年后對設施連作障礙土壤的改良效應，以及對黃瓜生長的影響，以期為秸稈資源化利用提供理論和實踐基礎。

1材料與方法

1.1試驗地點

研究地點位于北京市昌平陽坊鎮后沙澗村的蔬菜溫室，該溫室連續種植18年蔬菜，土壤質地為輕質砂壤土。供試生物炭購自遼寧金合福農業開發有限公司，為棉花秸稈、鋸末和花生殼3種生物炭的混合物，含水率46%，表1為生物炭和設施土壤種植前的基本性質。在黃瓜生育期內常規施肥，種植前將不同用量的生物炭平鋪在劃定的小區上，人工施加過磷酸鈣、尿素和無機肥等，并用旋耕機將之一并旋入土壤中。由于本試驗分2年探討不同用量生物炭對設施土壤的改良作用，所以分2年設置不同CK用于對照，2014年的對照處理為CK1，2015年的對照處理為CK2。

1.2試驗設計

試驗主要分為2個部分：（1）在2014年施用生物炭，2015年不追施生物炭，研究生物炭在土壤中持續1年后對土壤性質的影響，處理為CK1（0 t/hm）、T1（10 t/hm）和T2（20 t/hm）;（2）在2015年種植前施用生物炭，研究生物炭當季施用對土壤性質的影響，處理為CK2（0 t/hm）、T3（5 t/hm）和T4（15 t/hm）。試驗共設置6個處理，3次重復，共18個小區，隨機區組排列，小區面積為10 m（5 m×2 m）。試驗時間為2015年4一7月，種植一季黃瓜，品種為‘中農16號’。每區黃瓜50?52株，米用寬窄行栽培。

1.3測定指標

在黃瓜生育期內，測定0?20 cm土層土壤的化學性質和黃瓜產量品質性狀指標。土壤pH值采用去離子水浸提（水土比5：1）pH計測定;土壤EC采用去離子水浸提（水土比5：1）電導率儀測定;有機碳采用重鉻酸鉀容量法測定;硝態氮采用0.01 mol/L CaCl浸提后，流動分析儀法測定;土壤速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定;土壤速效鉀采用1 mol/L中性醋酸銨浸提-火焰光度計法測定。結瓜期每隔1?2天采收黃瓜，累加計算每小區的總產;黃瓜硝酸鹽含量采用濃H2SO4-水楊酸法測定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定;維生素C含量采用鉬藍比色法測定。

1.4數據分析

采用Microsoft Excel 2013軟件對數據進行統計分析和作圖，利用SPSS Statistics 21統計分析軟件對數據進行差異顯著性檢驗（Duncan法，α=0.05）。

2結果與分析

2.1土壤速效磷

在黃瓜生育期內，定植期到結瓜期吸收磷元素較大，0?20 cm土層的土壤速效磷含量整體呈下降趨勢。施用生物炭提高了土壤中速效磷含量，且2015年當季施用的效果明顯。在黃瓜生育期內，T3、T4的土壤速效磷含量下降79.86?83.62 mg/kg，明顯小于施炭1年后T1、T2速效磷含量下降幅度94.67?138.85 mg/kg（圖1）。當季施炭T3、T4處理與對照CK2相比，減緩了速效磷的下降幅度14.57%?18.42%。而施炭1年后的T1、T2處理土壤速效磷含量的下降趨勢與對照相比增加了25.53%?46.67%。

2.2土壤速效鉀

在黃瓜生育期內，黃瓜在結瓜期對鉀元素需求量大。種植一季黃瓜后，2015年當季施炭T3、T4的土壤速效鉀含量明顯增加，T4處理的速效鉀含量顯著高于CK2和T3，而施炭1年后T1、T2的土壤速效鉀含量下降（圖2）。生物炭施用明顯增加了土壤中的速效鉀含量，不同施用量的生物炭對設施土壤0?20 cm土層的速效鉀含量影響顯著（P<0.05）。在黃瓜拉秧后，當季施炭T3、T4的土壤速效鉀含量明顯增加59.93?151.98 mg/kg，變化幅度是對照CK2含量變化的5?13倍。而施炭1年后，T1、T2處理含量低于對照CK1。

2.3土壤硝態氮

在黃瓜生育期內，0?20 cm土層的土壤硝態氮含量總體呈下降趨勢，在結瓜初期的含量最低。種植一季黃瓜后，土壤硝態氮含量下降5.20?95.15 mg/kg（圖3）。生物炭不同施用量處理對設施土壤硝態氮含量影響差異顯著（P<0.05），其中，當季施炭的T3、T4處理土壤硝態氮含量平均值分別為76.90、77.15 mg/kg，高于其他施炭T1、T2處理。2015年當季施炭T3、T4土壤硝態氮含量高于CK2，土壤硝態氮含量明顯增加。

2.4土壤有機碳

施用生物炭增加了土壤中的有機碳含量，當季施炭T3、T4處理的土壤有機碳含量增加5.83?8.61 g/kg，增幅是對照CK2的1.76?2.59倍（圖4）。在黃瓜種植前，2014年施炭處理T1、T2土壤有機碳含量為27?30 g/kg，均高于對照CK1。在黃瓜拉秧后，T3、T4處理的土壤有機碳含量在29?31 g/kg之間，也顯著高于CK2（P<0.05）o但不同施用量的生物炭處理對0?20 cm土層的土壤有機碳含量的影響未達到顯著水平（P>0.05）。

2.5土壤pH值

從黃瓜整個生育期來看，土壤pH值變化呈倒“V”型分布，結瓜初期最高，pH值整體分布在7?8，呈中性到弱堿性。種植一季黃瓜后，土壤總體pH值變化不大。由于生物炭本身呈堿性，pH 9.40，施用生物炭T1?T4處理的土壤pH值總體高于對照CK1、CK2，T1處理土壤pH值最高為7.53，與對照相比提高了0?0.22個單位（圖5）。生物炭的具體施用時間對土壤pH值變化影響不大，當季施炭T3、T4土壤pH值升高趨勢并不明顯。

2.6土壤電導率

在黃瓜生育期內，土壤電導率（EC）自定植期后呈緩慢上升趨勢，EC值總體分布在100?300μS/cm之間。施用生物炭處理T1?T4的土壤EC值低于對照CK1、CK2，說明生物炭能有效降低土壤的電導率，減輕土壤鹽害（圖6）。2015年當季施用生物炭T3、T4處理降低了土壤EC值55.94?63.03 US/cm，降低幅度是對照CK2的2倍左右，生物炭當季施用對降低表層土壤電導率的效果顯著（P<0.05）。施炭1年后的T1、T2處理的土壤電導率與對照相比降低了1%?24%。

2.7施用生物炭對黃瓜產量與品質的影響

當季施炭T3、T4處理的黃瓜總產量高于對照，比對照提高了2%?7%，而施炭1年后，T1、T2處理對黃瓜的產量無明顯提高作用。黃瓜單瓜重在不同生物炭處理間的差異不顯著，平均值為179.34g（表2）。當季施炭T3、T4處理的黃瓜維生素C、可溶性糖含量分別高于對照處理5.64%?13.26%、17.21%?40.73%，硝酸鹽含量低于對照0.94%?8.34%，說明施炭當季可以提高黃瓜果實中的維生素C和可溶性糖含量，降低黃瓜硝酸鹽含量，總體上改善了黃瓜品質。而施炭1年后，T1、T2的黃瓜維生素C和可溶性糖含量分別高于和低于對照處理1.06%?2.74%、18.43%?23.56%，硝酸鹽含量高于CK1處理0.08%?19.04%，黃瓜的品質有所下降，生物炭的促進效果不明顯或略有下降。

3結論

生物炭當季施用提高了土壤有效養分含量，施用1年后生物炭的促進作用減弱。其中，2015年當季施用生物炭T3、T4的土壤速效磷、速效鉀和有機碳含量明顯高于對照CK2。T4（15 t/hm）處理的土壤速效鉀和硝態氮含量顯著高于其他處理。與對照相比，生物炭減緩了土壤速效磷含量的下降幅度14.57%?18.42%，分別提高了速效鉀和有機碳含量4.25?12.31、1.76?2.59倍，增加了土壤pH 0?0.22個單位，生物炭對降低表層土壤EC效果顯著。而施炭1年后，土壤速效磷和速效鉀含量隨植物吸收而明顯下降。當季施用生物炭能有效促進黃瓜生長，提高黃瓜果實的產量和品質，而施炭1年后其促進作用表現并不明顯。當季施炭提高了黃瓜品質，其中，果實中維生素C含量提高5.64%?13.26%，可溶性糖含量提高17.21%?40.73%，硝酸鹽含量降低0.94%?8.34%。

4討論

生物炭在農業方面的應用，多數集中在酸性、養分缺失的熱帶和亞熱帶地區，但是生物炭在無明顯養分限制因素的溫帶地區上的應用研究較少。并且對生物炭的研究多采用溫室盆栽的試驗方式，作物生長周期較短，主要關注生物炭對作物生物量和土壤性質的短期作用，其試驗結果無法直接遞推到田間上應用。目前，仍缺乏關于生物炭在大田尺度上的長期定點試驗方面的研究。在后期的相關研究中，需要重點關注生物炭在土壤中的長期效應，綜合分析其對土壤物理結構、化學性質，以及土壤微生物方面的影響。整體考慮生物炭的種類和施用量，對土壤性質以及不同類型的作物產生的具體影響。

4.1當季施用生物炭和施用1年后對土壤養分的作用效果

當季施炭改善了土壤的養分狀況，推測由于生物炭的原料本身秸稈養分較高，施炭當季直接供應有關養分，明顯增加了土壤中的有機碳、速效磷和速效鉀含量，與Kloss等的研究結果一致。在土壤中施用堿性的生物炭后，生物炭的石灰效應能明顯提高酸性土壤的pH值，改善酸性貧瘠土壤的養分狀況。而生物炭在無明顯土壤障礙的溫帶土壤中的應用表明，其促進效果不如在酸性土壤中明顯。在本研究中，黃瓜生育期內的土壤pH值基本呈中性到弱堿性，設施土壤本身長期施用有機肥和無機肥，無明顯的養分障礙，生物炭對提高該土壤pH值和養分因子有效性作用較小。

施用生物炭1年后對土壤化學性質的影響均不如當季效果顯著，推測生物炭在中性土壤中的效果可能是短期的。Quilliam等研究施用25 t/hm和50 t/hm生物炭3年后，生物炭在近中性的無明顯障礙的土壤中，表現出無顯著的正向效應，而連續施用新鮮生物炭與對照相比則差異顯著，表明生物炭對土壤的作用可能是短期的。同時土壤pH值呈中性或堿性，可能影響了生物炭對氮磷有效性的作用。

4.2生物炭施用影響黃瓜生長的原因

生物炭通過改變土壤理化性質，影響作物對土壤養分的吸收，從而對其產量和品質產生一定的影響。而本研究中，生物炭不同施用量和施用時間對黃瓜的生長性狀影響均不顯著，推測可能有以下2個原因：（1）生物炭對土壤pH值的改變較小。生物炭可以通過提高酸性土壤的pH值，降低土壤酸度，促進作物生長。但生物炭對近中性或堿性的土壤pH值改變不明顯，本試驗土壤呈近中性，滿足黃瓜生長所需的中性到微酸性土壤酸度要求，所以無明顯改善作用。（2）生物炭對土壤理化性質的改變并不顯著。土壤中無明顯的養分缺失和障礙問題，生物炭對土壤養分的提高作用可能并不足以顯著促進黃瓜的生長。

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