生物炭與堆肥配施對青菜生長及土壤改良的影響

楊梢娜 郭帥 章銀柯 黃芳晨 賀敏 吳志榮

摘要：通過大棚盆栽試驗，以青菜為試驗材料，研究生物炭和自制堆肥不同配比模式混施對青菜性狀和生物量積累的影響，以及對土壤的改良效果。結果表明，生物炭和堆肥配施對青菜物理性狀改善、青菜產量增加、土壤養分含量積累均有促進作用。在生物炭和堆肥施入總質量一致的情況下，生物炭和堆肥以質量比3 ∶ 1混合施入對青菜生物量積累和產量增加的促進作用最大，產量（鮮質量）增加55.2%;生物炭和堆肥以質量比1 ∶ 1混合施入對土壤速效養分含量的增加效果最好;生物炭和堆肥以質量比3 ∶ 1施入對土壤有機質含量的增加最顯著，可提高土壤有機質含量124.7%;生物炭和堆肥以質量比1 ∶ 3混合施入對提高土壤無機態氮含量有顯著的促進作用，土壤銨態氮和硝態氮的含量分別比對照處理增加50.6%和77.5%。

關鍵詞：生物炭;青菜與堆肥配施;土壤改良;氮素

中圖分類號：X53;S634.06?文獻標志碼：A?文章編號：1002-1302（2020）21-0150-04

生物炭（Biochar）是指農林廢棄物等生物質材料在缺氧條件下熱裂解形成的富含芳香烴和單質碳或具有類石墨結構的碳產物，該物質具有理化性質穩定、抗分解能力強等特點[1]。不同生物炭和有機肥配施方式對作物產量和品質的影響受到眾多學者的關注，并且對于農業生產具有重要意義[2]。生物炭施入土壤后能有效降低土壤容重，促進土壤團聚體形成。改善植物根系生長環境，提高肥料利用率，減少水土污染和養分損失[3]。生物炭在土壤中分解緩慢，長期施用生物炭對土壤碳積累具有促進作用，能保持土壤碳氮比和農田生態系統平衡，促進耕地可持續利用，滿足當前農業綠色發展的要求[4]。

隨著城市化發展和園林綠化面積的不斷增加，園林綠化廢棄物如樹木修剪物、草坪修剪物、枯枝落葉等產生量逐步增加。園林綠化廢棄物有機構成單一、污染小、不含重金屬等有害物質，可資源化利用程度高。園林綠化廢棄物的資源化利用形式較多，其中堆肥是當前園林綠化廢棄物資源化處置的主要方式。堆肥主要通過微生物對有機物的分解實現有機物的腐殖化，同時實現微生物自身的增殖。在堆肥過程中，微生物利用大量的碳作為能源，氮主要被用于原生質合成。

為探究生物炭及園林綠化廢棄物堆肥不同質量比配施對青菜生長和土壤改良效果的影響，本試驗以杭州植物園喬灌木生長期和休眠期的修剪物以及四季產生的園林修剪枝葉好氧發酵制成的堆肥為肥料進行比較試驗，探尋生物炭和園林綠化植物廢棄物制成的堆肥混合物改良土壤的最佳配比，以期為園林綠化植物廢棄物資源化利用和生物炭改良土壤提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

青菜品種：小青菜，由紹興市大江蔬菜種子有限公司生產。

試驗條件：供試土壤為紅壤，pH值為4.88，堿解氮含量86.8 mg/kg，有效磷含量12.0 mg/kg，速效鉀含量125.0 mg/kg，有機碳含量10.6 g/kg。本試驗于2019年在浙江農林大學研究基地進行，該地區平均海拔39 m，屬于中亞熱帶氣候，年平均氣溫17 ℃，年平均日照時數1 847 h，年平均降水量 1 628.6 mm，全年無霜期237 d。

供試商業生物炭：臨安柴氏竹炭科技有限公司生產的新型環保竹炭。

供試自制堆肥：利用園林綠化植物廢棄物（總氮含量1.164%，有機碳含量36.739%，碳氮比為31.563，pH值為6.58）經粉碎機粉碎至粒徑2 cm以下，通過添加尿素調節碳氮比至25 ∶ 1，添加微生物菌劑0.5 kg（北京中農富源生物工程技術有限公司生產的國菌速腐劑微生物菌劑），保持含水量60%左右，好氧發酵堆肥60 d制成。

1.2 試驗設計

試驗采用大棚內盆栽試驗，選取平山基地較為貧瘠的土壤，混勻后，以每盆5 kg鮮土分裝至盆中。試驗共設6個處理：（1）空白區;（2）生物炭 ∶ 堆肥=1 ∶ 1（質量比，下同）;（3）生物炭 ∶ 堆肥=1 ∶ 2;（4）生物炭 ∶ 堆肥=2 ∶ 1;（5）生物炭 ∶ 堆肥=1 ∶ 3;（6）生物炭 ∶ 堆肥=3 ∶ 1。商業生物炭和堆肥粉碎后過20目篩，按照不同生物炭和堆肥的配施量加入盆中，并與盆土混合均勻。所有盆栽隨機區組排列，每個處理設置3次重復，共18盆。小青菜于4月29日播種，5月5日移栽，各盆栽栽植密度、青菜苗的大小和每盆株數保持一致（每盆6株），5月20日收獲。每個處理以生物炭和堆肥混合物為肥料，種植前按照有機肥田間常規用量的1%一次性施入，保持施入質量一致，試驗其他管理措施各處理均相同，盆栽日常管理保持常規田間持水量。

1.3 測定項目與數據處理

青菜收獲時，每盆處理采取單采單收單烘，每盆分別按常規方法進行整株取樣，測量每株青菜株高并稱取每盆青菜的整株鮮質量，烘干后稱取每株青菜的干質量、地上部干質量和地下部干質量。同時測量每盆土壤樣品的pH值、堿解氮含量、有效磷含量、速效鉀含量、有機質含量、硝態氮含量和銨態氮含量，具體測定方法參照魯如坤主編的《土壤農業化學分析方法》[5]。數據處理采用Excel 2010和SPSS軟件。

2 結果與分析

2.1 生物炭與堆肥不同模式對青菜生長的影響

由表1可知，不同處理間青菜植株性狀差異較大，不同處理間青菜株高依次為處理4>處理3>處理6>處理2>處理1>處理5。處理4的青菜植株株高最高，處理5的青菜株高最矮且低于處理1空白區，處理4與處理5間青菜株高差異顯著，其他處理間均無顯著性差異。與處理1（對照）相比，只有處理5的株高略低，但兩者差異不顯著，其他各處理青菜株高與處理1相比均有所增加，增加幅度為3.1%～12.5%，其中以處理4的青菜株高增幅最大。從整體可以看出，生物炭和堆肥配施可以改善青菜植株物理性狀。由于各處理的生物炭和堆肥施入總質量一致，從處理2、處理4和處理6可以看出，增加生物炭質量比有助于增加青菜株高，但存在生物炭和堆肥一定的適宜配比，因此當生物炭和堆肥配比為3 ∶ 1時，青菜株高反而低于生物炭和堆肥配比為2 ∶ 1的處理4。同時，從處理2、處理3和處理5也可以看出，與處理2生物炭和堆肥質量比為1相比，適當減少生物炭施入對青菜株高有促進作用，但是當生物炭與堆肥比減少至 1 ∶ 3 時，青菜株高反而降低。綜上所述，就生物炭和堆肥配施對青菜株高的增加效果，以生物炭和堆肥質量配比為 2 ∶ 1 最佳，其次是生物炭和堆肥質量配比為1 ∶ 2。

由表1可以看出，青菜鮮質量、干質量、地上部干質量和地下部干質量的總體表現一致，大體上為處理6>處理3>處理4>處理2>處理1>處理5。其中處理6的青菜鮮質量、干質量、地上部干質量和地下部干質量與處理1（對照）相比分別增加了55.2%、86.6%、41.7%和11.7%。對比處理2、處理4和處理6這3個處理的青菜生物量積累因素，可以說明，在生物炭和堆肥施入總質量一致的條件下，生物炭施入質量比的增加有助于青菜生物量的各項因素增加，從而直接導致青菜產量的增加。從處理2、處理3和處理5也可以看出，生物炭施入質量比適當的減少對青菜促產沒影響，但是當生物炭和堆肥配施比降為1 ∶ 3時反而會減少青菜的產量。由此表明，生物炭和堆肥配施能對青菜的生物量積累起到明顯作用。從整體可以看出，處理6的青菜鮮質量、干質量、地上部干質量和地下部干質量高于其他處理，表明生物炭和堆肥配施質量比為3 ∶ 1時可以更有效地提高青菜生物量積累各項因素從而提高青菜產量。

2.2 生物炭與堆肥不同模式對土壤理化性狀的影響

由表2可知，不同處理對土壤pH值的影響較小，處理2～處理6的土壤pH值較處理1均有所上升，但是仍偏酸性。隨著生物炭和堆肥的增施，土壤pH值趨于中性，各處理間無顯著性差異，說明增施生物炭和堆肥有助于維持土壤酸堿平衡。

青菜種植對土壤養分含量影響較大，不施生物炭和堆肥的處理1土壤有機質含量普遍低于其他處理。處理2為生物炭和堆肥質量比 1 ∶ 1，土壤堿解氮、速效鉀和有效磷含量高于其他處理，顯著高于生物炭和堆肥質量配比為1 ∶ 2的處理3。處理3土壤堿解氮、速效鉀和有效磷含量較其他處理偏低，而其土壤有機質含量顯著高于對照處理1，由此說明處理3對于土壤保育和速效養分均衡也有一定效果。綜合而言，生物炭和堆肥不同模式配施有助于土壤速效養分含量的積累，對土壤有一定的改良效果。

在生物炭和堆肥施入總質量一致的條件下，不同生物炭和堆肥配施模式對土壤速效養分含量的變化均不相同，整體以處理2生物炭和堆肥質量配比1 ∶ 1的土壤各速效養分含量最高。各處理的土壤堿解氮含量依次為處理2>處理6>處理1>處理4>處理5>處理3，土壤速效鉀含量依次為處理2>處理5>處理4>處理6>處理1>處理3，土壤有效磷含量依次為處理2>處理5>處理4>處理 6>處理1>處理3，表明處理2生物炭和堆肥質量配比1 ∶ 1混合施入種植青菜對土壤速效養分含量的增加效果最佳。

土壤有機質能改善土壤團聚體和穩定性，有利于水土保持，促進土壤養分吸收和交換，增加土壤微生物活性，是表征土壤質量的一項重要指標。從表2土壤有機質含量來看，與對照處理1相比，其他5個生物炭和堆肥不同處理模式均有利于土壤有機質含量的提高，總體表現為處理6>處理4>處理 2>處理3>處理5>處理1，增幅在59.7%～124.7%。從處理2、處理4和處理6的土壤有機質含量可以看出，在生物炭和堆肥施入總質量一致的情況下，生物炭施入質量比的增加有助于土壤有機質含量的提高。從處理2、處理3和處理5也可以看出，在生物炭和堆肥施入總質量一致的情況下，堆肥施入質量比的增加反而造成土壤有機質含量的降低。

2.3 生物炭與堆肥不同模式對土壤無機態形態氮素含量的影響

無機態氮和有機態氮是土壤中氮素存在的兩大形態，土壤中存在的氣態氮不計入土壤氮素內[6]。土壤中未與碳結合的含氮化合物包括銨態氮、亞硝態氮、硝態氮、氨態氯、氨氣及氣態氮氧化物，一般多指銨態氮和硝態氮。易被植物吸收的無機態氮是土壤微生物活動的產物，無機態氮易揮發和流失，在土壤中的含量變化較大[7]。

如表3所示，同一處理下土壤中的銨態氮含量高于硝態氮含量，不同處理模式間土壤銨態氮和硝態氮含量不同。不同處理間土壤銨態氮含量以處理6最低，硝態氮含量最低的為對照處理。根據表3土壤銨態氮的變化可知，生物炭和堆肥配施種植青菜對土壤銨態氮含量的積累在一定程度上具有促進作用，以處理5土壤銨態氮含量最高，比對照處理增加50.6%。

由表3可知，生物炭和堆肥的混合施入有助于土壤硝態氮含量的增加。生物炭和堆肥不同處理模式的土壤硝態氮比處理1高4.0%～77.5%，其中處理5生物炭和堆肥質量配比1 ∶ 3混合施入的土壤硝態氮含量最高，且與對照處理有顯著性差異。綜上所述，生物炭和堆肥的混施還田用作土壤改良劑可以減少土壤中硝態氮和銨態氮的淋失，能增強土壤保肥能力，促進土壤對肥料養分的吸附能力，提高肥料利用率。

3 結論與討論

本試驗結果表明，生物炭和堆肥配施對改善青菜物理性狀和青菜的產量增加具有促進作用。生物炭和堆肥質量配比為2 ∶ 1配施對促進青菜株高增加最佳，生物炭和堆肥質量配比3 ∶ 1混合施入可更有效地提高青菜生物量積累從而提高青菜產量，鮮質量增加55.2%。

從收獲后土壤理化分析結果可以看出，生物炭和堆肥配施有助于維持土壤酸堿平衡，促進土壤速效養分含量的積累和增加土壤有機質含量，促進土壤改良效果。生物炭和堆肥質量比1 ∶ 1混合施入對土壤速效養分含量的增加效果最好。在生物炭和堆肥施入總質量一致的情況下，生物炭施入質量比的增加有助于土壤有機質含量的提高，堆肥施入質量比的增加反而造成土壤有機質含量的降低。生物炭和堆肥質量配比3 ∶ 1施入對土壤有機質含量的增加最顯著，可提高土壤有機質含量124.7%。

生物炭和堆肥配施種植青菜對土壤銨態氮和硝態氮含量的積累具有一定的促進作用，與對照相比，生物炭和堆肥質量比1 ∶ 3混合施入對提高土壤銨態氮和硝態氮的含量呈顯著性促進作用，分別比對照處理增加50.6%和77.5%。生物炭和堆肥的配施能有效減少土壤中硝態氮和銨態氮的淋失，增強土壤保水保肥能力，提高肥料利用率，降低對農田環境污染的風險。

參考文獻：

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