生物炭輸入對礫石土水肥保蓄及釀酒葡萄產量、品質的影響

紀立東，司海麗，李 磊，楊 洋

（寧夏農林科學院農業資源與環境研究所，寧夏 銀川 750002）

寧夏賀蘭山東麓位于世界釀酒葡萄種植北緯38°的最佳地段，西倚賀蘭山天然屏障抵御寒流，東臨黃河上游調節氣候，得天獨厚的地理位置為釀酒葡萄栽培創造了良好的條件［1］。然而，賀蘭山東麓地區土壤多為礫石土或沙土，土壤結構差、保肥保水能力弱，養分有效性低，已成為制約寧夏釀酒葡萄產業發展的“瓶頸”，嚴重影響到釀酒葡萄產業的經濟效益和社會效益［2］。眾所周知，高質量的葡萄酒70%的決定因素來源于原料，而只有合理的水肥供應才可為優質釀酒葡萄栽培提供保障，同時也可以提高釀酒葡萄品質，改善生態環境［3-5］。目前，有機無機配施已是各種作物成熟高效的施肥技術模式，但應用于賀蘭山東麓釀酒葡萄礫石土土壤條件下，存在水分供應不足易導致有機肥分解條件不滿足、發揮作用緩慢、養分流失等問題，水分養分保蓄和土體快速構建成為賀蘭山東麓釀酒葡萄礫石土產區急需解決的問題。

生物炭在農業上的應用研究一直備受人們關注，陳溫福等［6］明確指出，生物炭具有含碳率高、孔隙結構豐富、比表面積大、理化性質穩定等固有特點；同時生物炭施用可提高土壤氮、磷有效成分，促進植株生長，還可減少二氧化碳和甲烷等溫室氣體的排放，減緩全球變暖［7-11］。張忠河等［12］研究發現適當的生物炭施用量可以提高作物產量，過高反而會降低作物產量［13］；袁晶晶等［14］研究發現生物炭與氮肥配合施用對華北平原棗區的土壤養分吸收、土壤質量和紅棗產量及品質起到了積極作用；王玫等［15］研究發現施用生物炭復合有機肥相比于單施生物炭或者有機肥，能更好地提高連作條件下平邑甜茶幼苗的生長發育，增強土壤酶活性；由此可見，合理使用生物炭，有助于促進農業經濟快速、安全、綠色發展。盡管圍繞生物炭的應用開展了大量的研究工作，但研究方向多集中于無機肥和生物炭配施，生物炭和秸稈還田、有機肥配施等措施效應，而有機無機配施條件下，生物炭如何發揮作用，有機無機及生物炭的協同效應缺乏相關研究。本研究基于寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄礫石土產區土壤漏水漏肥、有機肥顯效水分條件不足等問題，在有機無機配施條件下，開展不同生物炭輸入效應研究，探討提出礫石土高效保水施肥技術，以期為賀蘭山東麓釀酒葡萄優質高產提供理論與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在寧夏志輝酒莊葡萄基地進行，該地區位于“賀蘭山東麓葡萄酒原產地域”的核心區域，屬溫帶大陸性半干旱氣候，全年累積日照時數高達2800 h以上，晝夜溫差大，有效積溫1534.9℃左右；年均氣溫8.8℃左右，最熱月平均氣溫基本保持在22～23℃之間；年均降水量在180～200 mm之間。

1.2 供試材料

供試葡萄為當地主栽歐亞品種（VitisviniferaL.）赤霞珠（CabernetSauvignon），試驗2015年布設時是3年生植株，連續布設試驗2年，2016年數據采集當年為4年生植株。

供試生物炭購自河南商丘三利生物能源有限公司，來源為小麥秸稈；其pH 9.4、有機碳含量467 g/kg、全氮含量5.6 g/kg、灰分含量20.8%、陽離子交換 量24.1 cmol/kg、比 表 面 積8.9 m2/g。供試有機肥為商品羊糞有機肥，有機質≥45%，N+P2O5+K2O≥5%。

1.3 供試土壤

試驗區成土母質以沖積物為主，地貌為沖積傾斜平原，地形平坦，土壤侵蝕較重。土壤類型為干旱土土綱，淡灰鈣土，礫石含量高，田間持水量較低，容重較高，超過1.6 g/cm3。土壤呈堿性，有機質含量低，堿解氮為6級水平，屬極缺狀態，有效磷稍缺，屬4級水平，速效鉀為稍缺，屬4級水平，整體肥力水平低。土壤物理化學性質詳見表1、表2。

表1 2015年試驗布設前土壤基本物理性質

表2 2015年試驗布設前土壤基本化學性質

1.4 試驗設計

試驗于2015、2016年連續布設2年，2016年采集檢測數據。采用單因素多水平設計，以生物炭（Biochar，簡稱BC）為主因子，設計5個處理，分別為CK：不施生物炭；有機肥施用量為6000 kg/hm2，一次性基施；在葡萄關鍵生育期滴施化肥4次（展葉期1次、果實膨大期2次、果實著色期1次），化肥為N∶P2O5∶K2O=19.5∶7.5∶9。處理1：T1，生物炭施用量1500 kg/hm2，一次性基施；有機肥、化肥施用量及方法同CK。處理2：T2，生物炭施用量3000 kg/hm2，一次性基施；有機肥、化肥施用量及方法同CK。處理3：T3，生物炭施用量6000 kg/hm2，一次性基施；有機肥、化肥施用量及方法同CK。處理4：T4，生物炭施用量12000 kg/hm2，一次性基施；有機肥、化肥施用量及方法同CK。

每個處理整行設計，隨機區組布置，每行（長×寬）110 m×4 m=440 m2，合計2640 m2，每行11個桿空，具體監測中以臨近路邊桿空作為保護行，其后以3個桿空（30株樹）作為一個重復小區展開試驗監測。施肥方法為沿行向、距離主桿25 cm開外，機械開溝20 cm，深度50 cm，均勻撒入有機肥及生物炭，機械回土攪勻，使土和肥均勻混合后填土，一次性施入。統一水肥一體化管理，配套文丘里施肥器，灌水量通過水表精確控制；田間其他管理同大田。

1.5 測定項目及方法

1.5.1 土壤理化性質的測定

施肥前選取代表性地段，朝陽方向挖取1 m剖面，采取分析樣，標簽紙標記，采用TTF-100型土壤團粒分析儀測定土壤水穩定性團聚體［16］；土壤理化指標采用常規方法測定［17］。

1.5.2 土壤水分含量及土壤貯水量的測定

每個處理預埋3根1 m長探管，采用時域反射技術（TDR）按時監測不同處理下不同層次土壤含水量。

土壤貯水量計算方法：W=h×γ×θ×10；其中：W為土壤貯水量（mm）；h為土層深度（cm）；γ為土壤容重（g/cm3）；θ為土壤水分含量（%）。

1.5.3 葉片光合特性的測定

在釀酒葡萄關鍵生育期（花期、初果期、膨大期），選取30棵植株在同一位置固定部位標記葉片，采用美國CI-340手持光合測量系統進行測定；測定時間為9：00～11：00，主要測定指標包括：凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（E）、氣孔導度（C）和胞間CO2濃度（Int CO2），通過Pn/E值，估算葉片水分有效利用率。

1.5.4 葉片釀酒葡萄形態指標及產量的測定

釀酒葡萄成熟期隨機選取30粒，用電子天平稱量，重復3次測定，求得平均單粒重，用游標卡尺量取橫、縱徑，求得平均數；用直尺測定果穗長；產量通過實際測定，求得小區產量，最后折算理論產量。

1.5.5 釀酒葡萄品質的測定

每個處理行隨機選取生長勢一致的10棵植株，每棵植株選取同一方向的果穗并采摘中部果粒30粒用攪拌機打成勻漿測定品質。手持糖量計測定果實可溶性固形物含量；NaOH滴定法測定果實與葡萄酒可滴定酸含量（以酒石酸計）；3，5-二硝基水楊酸法測定果實還原糖含量［18］；部分指標如單寧、花色苷、總酚則需要用液氮保存24 h后測定。福林-丹尼斯法測定單寧含量，福林-肖卡法測定總酚含量，pH示差法測定花色苷含量［19-21］。

1.6 數據分析方法

試驗數據以Excel 2003軟件整理數據和作圖，采用SPSS 25.0軟件進行統計分析，并對相關性指標進行顯著性檢驗，顯著性水平為P<0.05，n=5。

2 結果與分析

2.1 不同生物炭施用量對礫石土水穩性團聚體含量的影響

由圖1所示，0～30 cm層次，隨著生物炭施用量的增加，<0.25 mm粒徑水穩性團聚體含量表現出逐漸降低的趨勢，不同處理之間，CK和T1之間差異不顯著，T2和T3之間差異不顯著，T4同比其他處理達到顯著差異水平；>0.25 mm粒徑水穩性團聚體含量表現出逐漸增加的趨勢，其中0.25～2 mm粒徑水穩性團聚體含量同比CK達到顯著差異水平，但不同處理間差異不明顯；>2 mm粒徑水穩性團聚體含量表現出顯著增加的趨勢，處理T4同比CK提高36.08%；相比CK，施用生物炭顯著增加了1～2 mm粒徑水穩性團聚體含量。30～60 cm層次，隨著生物炭施用量的增加，<0.25 mm粒徑水穩性團聚體含量表現出顯著降低的趨勢，處理T1和T2之間差異不顯著，但同比CK各處理都達到顯著差異水平；>0.25 mm粒徑水穩性團聚體含量總體表現出逐漸增加的趨勢，其中>2 mm粒徑水穩性團聚體含量表現出先增加后降低的趨勢，不同處理以T2和T3表現最佳，T4顯著降低；而0.25～2 mm粒徑水穩性團聚體含量表現出持續增加的趨勢。表明有機無機配施條件下，生物炭輸入具有明顯提高土壤水穩性大團聚體含量、降低土壤水穩性小團聚體含量、維護土壤穩定性的作用。

圖1 不同生物炭用量對0～60 cm土壤水穩性團聚體含量的影響

2.2 不同生物炭施用量對不同生育期土壤含水量的影響

圖2 可知，生物炭輸入對釀酒葡萄不同生育期不同層次土壤含水量保蓄具有明顯促進作用。花期不同處理土壤含水量在30～50 cm層次變化梯度較為明顯，而在土壤層次50 cm下出現交叉現象，和生物炭施用集中在20～50 cm層次直接相關，有限的灌水量淋洗條件下，50 cm以下層次生物炭滲入量少，水分保蓄作用沒有體現出來。初果期以后，土壤含水量在不同層次之間表現出逐漸增加的趨勢；不同處理之間，同比CK，隨著生物炭施用量的增加，土壤含水量明顯增加。表明有機無機配施條件下，輸入生物炭具有保蓄礫石土土壤水分、提高土壤含水量的作用，且隨著生物炭輸入量的增加，土壤含水量越高，保蓄水分能力越強。

圖2 不同生物炭用量對不同生育期土壤含水量的影響

隨著生物炭施用量的增加，土壤0～80 cm土層貯水量在不同生育期表現出逐漸增大的趨勢。與CK相比，不同用量生物炭顯著增加了土壤貯水量，不同生育期以著色期表現最優，不同生物炭施用量土壤0～80 cm土層貯水量同比CK分別增加了17.43%、27.46%、30.39%、36.67%，可能是著色期雨季降水的大量補充和生物炭保蓄水分能力充分發揮的結果；不同處理之間以處理T4土壤貯水量最大。表明礫石土輸入生物炭具有保蓄土壤水分、提高土壤貯水量、調節葡萄水分供給的作用，且生物炭施用量和土壤貯水量成正比（圖3）。

2.3 不同生物炭施用量對釀酒葡萄葉片光合特性的影響

圖3 不同生物炭用量對土壤0～80 cm土層貯水量的影響

表3 可知，綜合生育期來說：初果期凈光合速率明顯高于膨大期、花期，花期凈光合速率最低，隨著生物炭施用量的增加凈光合速率在各生育期均表現為先增加后降低的趨勢。花期釀酒葡萄葉片凈光合速率在施用量為6000 kg/hm2時達到最高，同時提高蒸騰速率，通過Pn/E顯示出該處理下水分有效利用率最高；此外，氣孔導度也達到最大，加速光合作用有序進行；初果期凈光合速率在生物炭施用量為6000 kg/hm2時達到最高，與生物炭施用量為3000 kg/hm2相差不大，該處理下氣孔導度相比花期增加3倍以上；膨大期生物炭施用量為12000 kg/hm2時凈光合速率相比施用量為6000 kg/hm2降低了22.04%，蒸騰速率相差不大，同時水分有效利用率降低。說明有機無機配施條件下，生物炭施入具有提高葡萄葉片凈光合速率的作用，不同處理以T3表現最佳，高量施用生物炭通過保水導致水分奢侈供應，反而抑制了葡萄葉片水分利用效率。

表3 不同生物炭用量對葡萄葉片光合特性的影響

2.4 不同生物炭施用量對釀酒葡萄形態指標及產量的影響

由表4可得，有機無機配施基礎上輸入生物炭對釀酒葡萄形態指標影響較大，尤其生物炭施用量為6000 kg/hm2時顯著增加果穗長，而生物炭對單粒重無顯著性影響，從而增加果穗重，相比生物炭施用量為0、1500、3000、12000 kg/hm2的處理分別增加了39.47%、32.21%、7.02%、5.42%；粒徑在不同生物炭施用量下表現差異較大，生物炭施用量為6000 kg/hm2時顯著增加果實粒徑，相比不施生物炭增加15.10%。

表4 不同生物炭用量對葡萄形態指標的影響

生物炭施用量為6000 kg/hm2時，釀酒葡萄產量最高，達到5925 kg/hm2，相比生物炭施用量為0、1500、3000、12000 kg/hm2的處理分別增加了38.40%、25.63%、28.58%、12.72%。由 此 可 見，適宜的生物炭投入有助于協調投入碳氮的比例，通過增加養分和改善土壤理化性質，可以促進作物地上部干物質的積累，使養分向籽粒充分轉運。

通過對生物炭不同施用量與釀酒葡萄產量模擬，二者關系可由以下方程表達：

即：y = -0.0004x2+0.3872x+275.83R2= 0.7826

方程式表明：生物炭施用量與產量關系符合肥料效應的報酬遞減規律，當dy/dx=0時，得出釀酒葡萄最高產量時生物炭施用量為7260 kg/hm2，理論計算結果與田間試驗測定值比較接近。

2.5 不同生物炭施用量對釀酒葡萄鮮果品質的影響

由表5可得，有機無機配施基礎上，輸入生物炭可提高釀酒葡萄果實可溶性固形物含量，尤其生物炭施用量為6000 kg/hm2處理下顯著增加可溶性固形物含量，相比CK增加4.80%；同時該處理下顯著增加還原糖含量，與生物炭施用量為12000 kg/hm2處理無顯著性差異；可滴定酸含量在不同生物炭處理下表現出較為明顯的差異，施用生物炭的處理顯著降低可滴定酸含量，尤其在施用量為12000 kg/hm2處理下可滴定酸相比不施生物炭處理降低33.71%；生物炭施用量為6000 kg/hm2處理提高總酚含量，顯著高于不施生物炭及生物炭施用量為1500 kg/hm2的處理，分別增加了65.40%、30.23%；花色苷在生物炭施用量為3000、6000 kg/hm2的處理下含量較為相近；單寧在各處理下變異較大，生物炭施用量為6000 kg/hm2處理下降低單寧含量，有效地改善釀酒葡萄的品質和口感。表明有機無機配施條件下施入生物炭，對釀酒葡萄品質提升具有明顯的促進作用。

表5 不同生物炭用量對葡萄品質的影響

2.6 不同生物炭施用量對土壤化學性質的影響

與CK相比，有機無機肥配施條件下，輸入生物炭顯著提高了土壤pH值和全鹽含量，但不同處理之間差異不顯著，由于生物炭本身pH值和鹽分含量高，生物炭的投入即是鹽堿的攝入；輸入生物炭顯著提高了土壤有機質含量，但處理T2、T3、T4之間差異不顯著，同比CK增幅分別為12.17%、24.17%、27.82%；輸入生物炭顯著提高了土壤堿解氮含量，不同處理間T3和T4差異不顯著，但同比其他處理達到顯著差異水平；輸入生物炭顯著提高了土壤速效鉀含量，可能和生物炭本身含有大量的速效性鉀直接相關，但不同處理之間T1和T2差異不顯著，T3和T4差異不顯著，處理間以T3速效鉀含量最高，同比CK增幅為54.01%。生物炭輸入對土壤有效磷含量的影響規律不明顯。表明有機無機配施條件下，輸入生物炭顯著增加了土壤鹽堿含量，但同時顯著提升了土壤有機質、堿解氮和速效鉀含量，表現出保蓄氮素、補益鉀素的積極作用，有效提升了土壤肥力水平。

表6 不同生物炭用量對土壤化學性質的影響

3 討論

3.1 不同生物炭配施方式對土壤團聚體及保水性的影響

生物炭本身富含大量納米孔隙，通過與化肥、有機物料間的相互作用，對土壤團聚體形成具有明顯的促進作用。林洪羽等［22］研究提出生物炭和氮磷鉀配施能降低大團聚體（>2 mm）和微團聚體（<0.053 mm）的含量，且顯著提高團聚體平均重量直徑、幾何平均直徑及穩定率，有利于提高團聚體結構穩定性；李鑫等［23］研究發現秸稈生物炭與豬糞配施時，土壤水穩性團聚體隨著生物炭比例的增加而提高，說明生物炭和豬糞協同作用有利于水穩定性團聚體形成；王彤等［24］研究發現生物炭與常規有機肥及廚余發酵物存在顯著的相互作用，配合施用時，更有利于形成大團聚體；侯曉娜等［25］研究發現單施生物炭對土壤水穩性大團聚體含量和團聚體穩定性的影響不顯著，而生物炭與秸稈配施能提高土壤大團聚體含量，增加土壤團聚體的穩定性。而本研究發現有機無機配合生物炭輸入有利于增加>0.25 mm粒徑水穩性團聚體含量，且隨著生物炭輸入量的增加，大團聚體含量顯著增加，以上結論和前人研究結果基本一致，主要原因是生物炭與有機肥在土壤中相互作用，提高了土壤有機碳含量，有機碳是一種重要的膠結物質，能夠促進土壤團聚體形成。但其中>2 mm粒徑水穩性團聚體含量不同處理間表現出先升高后降低的趨勢，高量生物炭投入條件下，促進了1～2 mm粒徑水穩性團聚體含量顯著增加，此處化肥、有機肥和生物炭的相互作用機理有待于深入分析研究。同時金梁等［26］研究提出生物炭與化肥配施條件下，黑龍江黑土團聚體隨著施炭量增加（超過31.5 t/hm2），凝聚性降低，大團聚體數量減少，造成土壤結構穩定性相對降低。而本研究在有機無機配施基礎上，隨著生物炭施用量的增加，>0.25 mm粒徑水穩性大團聚體含量表現出顯著增加的趨勢，這主要是本試驗基于產投考慮前提下，生物炭的輸入梯度范圍設計偏小，高施炭量仍沒表現出降低大團聚體數量的情況。

生物炭的施入也可增加土壤滲濾能力，大量試驗研究結果表明：施入生物炭可有效地提高土壤含水量，減少水分蒸發，尤其在砂質土壤上應用效果最為明顯［27-29］。本試驗研究結果與前人基本一致，礫石土輸入生物炭具有保蓄土壤水分、提高土壤貯水量、調節葡萄水分供給的作用，且生物炭施用量和土壤貯水量成正比。

3.2 生物炭配施對土壤理化性質及作物產量品質的影響

礫石土漏水漏肥導致養分利用效率低下一直是限制寧夏釀酒葡萄產業發展的“瓶頸”問題之一。周桂玉等［30］研究發現添加生物質炭可以明顯提高吉林草甸中性黑土土壤中有效磷的含量，但對氮和鉀的作用差異不顯著，而本研究堿性土壤條件下，施用生物炭對土壤堿解氮和速效鉀的促進作用明顯，而對有效磷的作用不明顯，和研究區高pH易導致磷素固定直接相關。高德才等［31］在旱地土壤上施用生物炭量2%以上能顯著減少氮素淋洗、提高氮素利用率；尚杰等［32］發現生物質炭施用顯著提高了土壤全氮和堿解氮含量，與生物炭提供固氮菌發揮效果所需要的豐富氮源直接相關［33］；生物炭中鉀的有效性較高，施入土壤能提高土壤速效鉀含量［34］，和本研究結構相一致。曾愛等［35］研究發現不同生物炭施用量對土壤pH值的影響不顯著，和土壤具有一定的酸堿緩沖能力以及試驗處理施入的生物炭量不高直接相關；土壤有機碳含量隨著生物炭施用量的增加而顯著增加。本研究發現，隨著生物炭施用量的增加，土壤pH值有增加的趨勢，但不同生物炭添加量處理之間差異不顯著，和上面結果較為一致，同時土壤有機質含量隨著生物炭施用量的增加有增加的趨勢，但不同施炭量之間差異不顯著，和礫石土水分條件不足限制有機物分解轉化有直接關系。

生物炭施用對作物葉片凈光合速率以及水分有效利用率提升起到積極促進作用，這與張偉明等［36］在水稻上、宋久洋等［37］在煙草上研究結果一致。此外，大量研究表明：施用生物炭可顯著提高作物產量［38］，錢嘉文等［39］研究認為生物炭對青菜具有明顯增產效應；勾芒芒等［40］也發現生物炭對番茄根系形態特征的優化與產量的提高具有一定的促進作用；本試驗結果也證明了生物炭配施增產這一結論。

品質是釀酒葡萄的靈魂，Schmidt等［41］通過兩年田間試驗發現施用生物炭在第二年對糖、酸無顯著影響，Genesio等［42］研究認為生物炭對可溶性固形物、還原糖含量影響不顯著，而本試驗研究發現在施用有機肥的基礎上配施生物炭顯著提高可溶性固形物、還原糖含量，降低可滴定酸含量，促進酚類化合物以及色素形成，這與前人研究結果不一致，可能是在養分平衡供應的基礎上，有機肥和生物炭組合作用，通過生物炭保蓄水分，提高土壤溫度創造了有機肥加速分解的條件，產生了多種生物活性物質，促進了作物生長和品質形成。

4 結論

有機無機配施基礎上，生物炭輸入具有明顯提高土壤水穩性大團聚體含量，降低土壤水穩性小團聚體含量，改善土壤結構的作用，且隨著生物炭施用量的增加，>0.25 mm粒徑水穩性團聚體含量越高，土壤結構穩定性越好。

有機無機與生物炭配施后，土壤水分、養分保蓄效應最佳，其中生物炭施用6000 kg/hm2以上可顯著提高土壤0～80 cm土體貯水量超過30%；顯著提高土壤有機質、堿解氮和速效鉀含量，且土壤肥力、水分含量也顯著提升。

有機無機與生物炭配施后，通過調節土壤水肥供應，顯著促進了釀酒葡萄葉片光合作用，優化了果穗長，進而提高了葡萄產量，改善了葡萄品質，基于理論產量模擬最佳生物炭輸入量為7260 kg/hm2。