施用低溫生物炭對甘藍生長、品質(zhì)和土壤理化性質(zhì)的影響

任曉雪，曹彥輝，曹桂芳，余秀真

(1.商丘市農(nóng)林科學(xué)院，河南商丘 476000；2.河南省商丘市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，河南商丘 476000；3.河南省商丘市農(nóng)場管理站，河南商丘476000；4.河南省商丘市蔬菜生產(chǎn)辦公室，河南商丘 476000)

甘藍又被叫作包菜、卷心菜等，它具有良好的耐肥性，應(yīng)種植在有機質(zhì)豐富、保護水分和肥料能力強的土壤中。甘藍富含優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)、纖維素等，具有預(yù)防冠心病、改善胃潰瘍等藥用價值，吃卷心菜可以補充營養(yǎng)，強健體魄。因此，研究甘藍在生物炭處理下的生理與品質(zhì)指標(biāo)具有重要意義。

生物炭具有有機碳含量高、高碳氮比、疏松多孔的結(jié)構(gòu)等特性，施入土壤后具有增加土壤有機質(zhì)、吸附和保持土壤養(yǎng)分的作用，并能提高產(chǎn)量和肥料的利用率，改善作物品質(zhì)。傳統(tǒng)意義上的秸稈炭化多指的是秸稈在400 ℃以上的炭化，存在生物炭產(chǎn)率低、生產(chǎn)能耗高、成本高等缺點。300 ℃以下的低溫炭化工藝則很好地解決了上述問題，其生物炭產(chǎn)率高、能耗小、綜合成本效益高，其農(nóng)業(yè)應(yīng)用前景廣闊。但是，低溫生物炭與傳統(tǒng)工藝的生物炭相比，其在影響土壤理化性質(zhì)、作物生長、品質(zhì)方面的效果如何，尚需要探索。

因此，本研究對低溫生物炭和傳統(tǒng)高溫生物炭進行比較分析，從甘藍田間應(yīng)用、土壤理化性質(zhì)等角度入手，探討低溫生物炭和傳統(tǒng)高溫生物炭應(yīng)用效果可能存在的差異，以期為低溫生物炭在甘藍上深入應(yīng)用提供一定的技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試甘藍品種為商甘藍一號由商丘市農(nóng)林科學(xué)院提供，玉米秸稈生物炭(以玉米秸稈為原料，在240、400 ℃條件下燒制而成)，由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。供試土壤為兩合土，具體理化性質(zhì)見表1。

表1 供試材料基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2020年在商丘市農(nóng)林科學(xué)院雙八鎮(zhèn)試驗基地(115.707°E，34.532°N)進行，該地年平均氣溫約為14 ℃，年降水量達到700 mm。試驗設(shè)置21個小區(qū)，每個小區(qū)面積為1.5 m，長1.5 m，寬 1.0 m，每個處理設(shè)置3次重復(fù)。將0～15 cm晾干后的表層土壤和不同處理生物炭混勻，基礎(chǔ)施肥為復(fù)合肥750 kg/hm(N∶P∶K=15∶15∶15)，在小區(qū)周圍埋50 cm寬的塑料膜用于隔離土壤，2月上旬將甘藍種子在溫室穴盤內(nèi)播種，待3月中旬幼苗長至5～6張真葉時再移栽到試驗小區(qū)，株距、行距均為50 m，每個小區(qū)定植6株，每個小區(qū)搭建簡易塑料拱棚。試驗設(shè)置的7個處理分別為CK(不加生物炭)、DY1(240 ℃玉米秸稈生物炭1%)、DY2(240 ℃ 玉米秸稈生物炭2%)、DY3(240 ℃玉米秸稈生物炭4%)、GY1(400 ℃玉米秸稈生物炭1%)、GY2(400 ℃玉米秸稈生物炭2%)、GY3(400 ℃玉米秸稈生物炭4%)。

1.3 樣品測定

甘藍植株性狀指標(biāo)：每個重復(fù)小區(qū)隨機選取1顆成熟甘藍，每個處理共摘取3顆，用直尺測量植株高度、葉球高度、葉球球徑、單球質(zhì)量等性狀指標(biāo)。

可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍法；可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法；游離氨基酸含量測定采用茚三酮溶液顯色法；維生素C含量測定采用2，6-二氯酚靛酚比色法。

播種后30 d采集甘藍周圍2 cm以內(nèi)的土壤樣品，樣品風(fēng)干后將10個樣點的土樣混勻，分別過0.80、0.15 mm篩用于測定土壤速效磷、速效鉀、有機質(zhì)、堿解氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 Excel 2010軟件整理相關(guān)數(shù)據(jù)，采用DPS 9.01對試驗數(shù)據(jù)進行分析，<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理生物炭對甘藍植株性狀的影響

由表2可知，各處理的植株高度、葉球高度、葉球球徑和單球質(zhì)量與對照(CK)相比差異均達到顯著水平(<0.05)，DY1處理較對照平均植株高度高3.8 cm，葉球高度高2.5 cm，葉球球徑大1.0 cm，單球質(zhì)量增加0.09 kg；DY2處理較對照平均植株高度高6.8 cm，葉球高度高5.9 cm，葉球球徑大 3.1 cm，單球質(zhì)量增加0.29 kg；DY3處理較對照平均植株高度高6.0 cm，葉球高度高4.6 cm，葉球球徑大 3.1 cm，單球質(zhì)量增加0.26 kg；GY1處理較對照平均植株高度高2.3 cm，葉球高度高0.9 cm，葉球球徑大0.7 cm，單球質(zhì)量增加0.06 kg；GY2處理較對照平均植株高度高5.3 cm，葉球高度高 3.8 cm，葉球球徑大2.2 cm，單球質(zhì)量增加 0.20 kg；GY3處理較對照平均植株高度高4.1 cm，葉球高度高2.7 cm，葉球球徑增加1.5 cm，單球質(zhì)量增加0.17 kg。單球質(zhì)量表現(xiàn)為DY2>DY3>GY2>GY3>DY1>GY1>CK，與CK相比，增幅分別為18.71%、16.77%、12.90%、10.97%、5.81%、3.87%，說明，低溫炭處理甘藍的性狀指標(biāo)相對應(yīng)高于高溫炭處理，低溫炭處理中添加2%生物炭效果最好。

表2 不同生物炭處理甘藍的植株性狀

2.2 不同處理生物炭對甘藍可溶性蛋白含量的影響

由表3可以看出，各處理與對照相比可溶性蛋白含量都有不同幅度的提高，且差異均達到顯著水平(<0.05)，DY1、DY2、DY3、GY1、GY2、GY3處理與對照相比分別增加52.13%、138.30%、122.34%、13.83%、114.89%、94.68%。可溶性蛋白含量表現(xiàn)為DY2>DY3>GY2>GY3>DY1>GY1>CK，結(jié)果表明增施玉米秸稈炭都能使甘藍中的可溶性蛋白質(zhì)含量提高，添加2%低溫生物炭的增幅最大。

表3 不同生物炭處理甘藍的可溶性蛋白含量

2.3 不同處理生物炭對甘藍可溶性糖含量的影響

由表4可知，與對照相比各處理的可溶性糖含量都有不同幅度的提高，且差異均達到顯著水平(<0.05)，DY1、DY2、DY3、GY1、GY2、GY3處理較對照分別增加8.93%、60.71%、20.13%、2.69%、27.77%、18.73%。可溶性糖含量表現(xiàn)為DY2>GY2>DY3>GY3>DY1>GY1>CK，結(jié)果表明添加生物炭能使甘藍中的可溶性糖含量大幅提升，添加2%低溫生物炭的增幅最大。

表4 不同生物炭處理甘藍的可溶性糖含量

2.4 不同處理生物炭對甘藍游離氨基酸含量的影響

由表5可以看出，各處理游離氨基酸含量與對照相比都有提高，且差異均達到顯著水平(<0.05)，DY1、DY2、DY3、GY1、GY2、GY3處理較對照分別增加37.5、94.5、74.1、20.3、78.0、37.3 μg/g，游離氨基酸含量表現(xiàn)為DY2>GY2>DY3>DY1>GY3>GY1>CK，與CK相比，從高到低分別增加26.77%、22.10%、20.99%、10.62%、10.57%、5.75%，添加2%低溫生物炭的增幅最大。

表5 不同生物炭處理甘藍的游離氨基酸含量

2.5 不同處理生物炭對甘藍維生素C含量的影響

由表6可知，與對照相比各處理維生素C含量都有所增長，且差異均達到顯著水平(<0.05)，DY1、DY2、DY3、GY1、GY2、GY3處理較對照分別增加2.18、6.93、7.52、1.91、4.33、5.82 mg/100 g。維生素C含量表現(xiàn)為DY3>DY2>GY3>GY2>DY1>GY1>CK，與CK相比分別增長18.90%、17.42%、14.63%、10.88%、5.48%、4.80%，添加4%低溫生物炭對甘藍維生素C含量提升效果最明顯，添加2%低溫生物炭次之。

表6 不同生物炭處理甘藍的維生素C含量

2.6 不同處理生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響

由表7可知，添加不同玉米秸稈生物炭對土壤pH值的影響較明顯，相對于添加同等用量240 ℃玉米秸稈生物炭，DY3、GY2、GY3處理土壤的pH值都較高，其中添加4%400 ℃玉米秸稈生物炭(GY3)的土壤pH值最高。通過添加不同的玉米秸稈生物炭，均使土壤中有機質(zhì)的含量明顯增加，且與對照組差異均達到顯著水平(<0.05)，表現(xiàn)為DY3>GY3>DY2>GY2>DY1>GY1，增幅從高到低分別為119.66%、108.34%、86.27%、72.46%、39.11%、21.76%。生物炭相同溫度處理的條件下，植物有機質(zhì)含量隨著生物炭劑量的提高而上升，且在不同用量生物炭處理期間的差別很明顯，低溫生物炭更有利于土壤有機質(zhì)含量提升。相較于CK，生物炭對土壤中堿解氮含量均有顯著降低的作用，其中DY1、DY3、GY2和GY3處理的堿解氮含量降低最為顯著，而GY1和DY2處理受影響相對較小，GY1處理表現(xiàn)最佳，DY2處理次之。加入1%玉米秸稈生物炭時，土壤中的速效磷含量有所增加，而隨著生炭用量的提高，土壤中速效磷含量也開始出現(xiàn)減少趨勢。使用同等劑量生物炭的前提下，240 ℃生物炭處理的土壤速效磷含量均超過了400 ℃生物炭處理的土壤速效磷含量。添加生物炭的處理方式均可使土中的速效鉀含量明顯上升，其中GY2和DY2土壤的速效鉀含量較高，分別達到559.63、542.34 mg/kg，比對照分別提高了66.06%、60.93%；添加相同用量生物炭的前提下，用量為1%和4%時低溫生物炭處理相比于對應(yīng)的高溫生物炭處理的速效鉀含量更高；用量為2%時高溫生物炭處理的速效鉀含量較高。

表7 不同生物炭處理土壤的理化性質(zhì)

3 討論與結(jié)論

生物質(zhì)炭有益于植株生長，可以有效提高作物產(chǎn)量。趙殿峰的研究表明，生物炭可以有效促進烤煙生長，改善其品質(zhì)；張晗芝研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以提高小麥、玉米和水稻的植株生長，促進作物對氮、磷、鉀的吸收；包立等提出生物炭可以促進白菜對磷素的吸收從而提高其生長發(fā)育。本研究顯示，各生物炭處理的植株高度、葉球高度、葉球球徑和單球質(zhì)量與照相比較差異均達到顯著水平(<0.05)，與上述結(jié)論一致；DY2處理較對照植株高度高6.8 cm，葉球高度高5.9 cm，葉球球徑高 3.1 cm，單球質(zhì)量增加0.29 kg，表現(xiàn)最佳。這與陳麗美等運用竹炭對紫甘藍的研究結(jié)果一致。關(guān)于低溫生物炭與高溫生物炭的對比試驗尚未找到相關(guān)報道，需要進一步研究考證。

甘藍含有豐富的可溶性蛋白、游離氨基酸、維生素C和可溶性糖等營養(yǎng)物質(zhì)，施用生物炭能提高養(yǎng)分的利用效率，并改善甘藍的品質(zhì)。王湛等研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭降低了硝態(tài)氮含量，增加了菜薹中的維生素C含量；熊薈菁等研究指出，葡萄施用生物炭總糖含量提高了13.51%；劉玉學(xué)等研究表明，當(dāng)添加40 t/hm生物炭量時，能使小青菜總糖和維生素C 含量均顯著提高。本研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭的各處理和對照相比，可溶性蛋白、可溶性糖、游離氨基酸和維生素C含量都有不同幅度的提高，且和對照相比差異均達到顯著水平(<0.05)，這與上述研究結(jié)論一致；另外，本研究發(fā)現(xiàn)低溫炭處理甘藍的品質(zhì)指標(biāo)相對高于高溫炭處理，說明低溫炭處理中添加2%生物炭效果最好。其中DY2處理可溶性蛋白含量與對照相比增加138.30%，DY2處理可溶性糖含量較對照增加60.71%，DY2處理游離氨基酸含量較對照增加26.77%；DY3處理維生素C含量較對照增加18.90%，表現(xiàn)最佳，DY2處理較對照增加17.42%，表現(xiàn)次之。

土壤中的速效養(yǎng)分可以直接被植物吸收利用，是反映土壤營養(yǎng)供給潛力的主要指標(biāo)。張晗芝等的研究表明，生物炭可以減少土壤有效氮含量，影響農(nóng)作物對土壤中氮的吸收；另外，有研究表明，這種問題出現(xiàn)的原因可能是生物炭的碳氮比較高，從而導(dǎo)致了堿解氮的生物固定。本研究發(fā)現(xiàn)，相較于CK，生物炭處理土壤中堿解氮含量均有顯著的降低趨勢，其中GY1和DY2處理對土壤中堿解氮含量影響相對較小，GY1處理表現(xiàn)最佳，DY2處理次之，與上述結(jié)論一致。數(shù)據(jù)證明，較低裂解溫度(240 ℃)所制成的生物炭，對增加土壤有機質(zhì)、速效磷含量的效果較好；本研究發(fā)現(xiàn)添加1%玉米秸稈生物炭時，土壤中的速效磷含量顯著增加，而后隨添加量逐漸增加呈下降的趨勢，低溫生物炭處理高于高溫生物炭處理。另外，本研究結(jié)果表明，生物炭可使土壤速效鉀含量提升，其中GY2和DY2這2個處理的速效鉀含量較高。唐志文等的研究表明，在土壤中施用生物炭可以提高土壤pH值，增加有機質(zhì)含量和速效養(yǎng)分的有效性，從而增加土壤肥力，并提高植株的生長速度與發(fā)育。本研究表明，加入不同溫度處理的玉米秸稈生物炭，土壤的pH值呈上升態(tài)勢，其中加入4%400 ℃生物炭(GY3)時的土壤pH值最大；而植物有機質(zhì)含量則隨著生物炭劑量的提高而上升，且在不同劑量生炭處理期間差別明顯，效果表現(xiàn)為DY3>GY3>DY2>GY2>DY1>GY1，相對于高溫生物炭，240 ℃生物炭處理對土壤有機質(zhì)含量增加的效果更好。因此，2%用量的低溫生物炭在甘藍應(yīng)用上具有更好的前景。