不同來源生物炭與化肥減量配施對土壤養分、花生產量及品質的影響

摘要： 為探究生物炭在花生種植中對產量、品質及土壤環境的影響，分析生物炭作為肥料緩釋載體實現花生減肥增效的栽培潛力，選用常見生物質花生殼、稻殼、山核桃殼和竹粉為原料制備生物炭，并與化肥進行總養分一致配比組合，施入山花15花生栽培土壤中，通過凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度計法分別測定花生各器官氮、磷、鉀養分積累量和氣相色譜法測定花生脂肪酸成分確定不同來源生物炭對花生產量、農藝性狀及花生籽粒品質的影響；通過堿解擴散法、碳酸氫銨比色法、乙酸銨-火焰光度計法測定土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和16S高通量測序定量土壤細菌相對豐度，確定不同來源生物炭對花生土壤養分的影響。結果表明，相比常規施肥對照，施用4種生物炭減肥組合均可以顯著提高花生的養分吸收能力和產量。其中花生殼生物炭組合效果最佳，其莢果產量與地上部生物量較對照分別提高33.8%、46.9%。施用山核桃殼生物炭可以明顯提升花生籽粒中油酸的相對含量（相比對照提升29.9%）。此外，山核桃殼生物炭、稻殼生物炭和花生殼生物炭組合可以明顯提升土壤堿解氮含量、有效磷含量和速效鉀含量，具備一定的土壤改良潛力。綜上，添加生物炭作為減肥增效栽培的重要手段，尤其是花生殼生物炭，在花生生產實踐中具有一定的推廣應用價值。

關鍵詞： 生物炭；花生；土壤養分；油脂；生物量

中圖分類號：S565.206 "文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）01-0105-07

生物炭是一種由農林生物質材料經厭氧熱裂解加工而成的一種多孔富碳物質。近年來，生物炭在農業領域受到廣泛關注。多數研究結果表明，生物炭施入土壤后， 直接有利于增加土壤養分吸持容量，進而提升土壤質量［1］，生物炭降解后殘留的養分也會轉變為土壤養分，提高作物產量［2］。此外，基于生物炭在土壤中的穩定性，具備提升土壤微生物多樣性的功能［3］。生物炭的生物質來源直接影響其芳構化以及養分含量［4］，秸稈類生物炭含有更高的營養元素，而殼類的生物炭有更大的比表面積［5-6］。因此，不同來源生物質的生物炭性能存在一定差異，在作物栽培方面的應用潛力還有待進一步研究。花生是我國重要的油料作物，2020年全國產量達1 799.3萬t，是我國主要的食用油來源之一［7］。王建國等認為，土壤肥力是決定花生產量和品質的主要因素之一，適宜的施氮量對花生各器官氮素的累積和花生增產顯著，花生結莢數、出米率與一定量的磷素肥料施用正相關，鉀肥對花生干物質積累量有促進作用［8-9］。Cahyanti等認為，養分淋失速率過快是普通化肥利用率低的重要原因［10］，也是制約花生增產的關鍵因素，而使用制備簡單、養分負載量高、具備良好緩釋性能的生物炭作為肥料成分之一，理論上可以有效解決上述問題。目前已有研究使用生物炭進行花生栽培［11］。

本研究選用常見的農林廢棄物花生殼、山核桃殼、稻殼和竹粉為原料制備生物炭，并與化肥進行總養分一致配比組合，施到花生栽培土壤中，研究對花生農藝性狀、產量和品質，以及土壤養分的影響，進而確定不同來源生物炭對花生增效的作用，以期為生物炭在花生綠色高效生產領域的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

所用花生品種為山東省主栽大花生品種山花15，材料來自于山東省煙臺市文登縣。

供試化肥包括尿素（N含量47.6%）、過磷酸鈣（P 2O 5含量12.7%）和氯化鉀（K 2O含量44.3%），由浙江禾綠豐肥料科技有限公司生產。

供試生物質原料為花生殼、山核桃殼、稻殼和竹屑，由浙江省生物炭工程技術研究中心提供。具體制備方法如下：將原材料風干后破碎，過 0.425 mm 篩后混勻，烘干備用。稱取一定質量的備用生物質原料置于可編程管式炭化爐中，在限氧條件下以15 ℃/min升溫速率進行炭化，設置最終炭化溫度為500 ℃，炭化時間2 h。待制得的生物炭固體樣品冷卻后研磨過0.15 mm篩，密封保存備用。制得生物炭的基本理化性質見表1。

1.2 生物炭配比

盆栽試驗于2022年3—10月在浙江省農業科學院桑園溫室試驗基地（30°31′N，120°20′E）中進行。供試土壤取自位于浙江省海寧市的浙江省農業科學院楊渡試驗基地， 基本理化性質為：全氮含量4.2 g/kg， 全磷含量2.1 g/kg，全鉀含量16.2 g/kg，堿解氮含量121.2 mg/kg，有效磷含量16.7 mg/kg，速效鉀含量198 mg/kg，有機質含量16.5 g/kg，pH值6.87。花盆直徑為24.4 cm，高度為32 cm，裝入風干土 7 kg/盆。試驗固定施入養分為：總氮3 g/盆、總磷 1 g/盆、總鉀2 g/盆，設置6個處理（表2），每個處理3次重復。播種日期為2022年4月2日，收獲日期為2022年10月5日。

1.3 花生產量測算

花生成熟后進行收獲、晾曬、計產；測定株高、側枝長、分枝數、百莢果質量、百粒干質量等性狀指標，結果以“平均值±標準差”表示。

1.4 花生籽粒脂肪酸成分測定

花生籽粒收獲后，提取其油脂成分［12］，采用安捷倫7890B型氣相色譜［配備DB23色譜柱（60 m×250 μm×0.25 μm）］，柱升溫程序：初始溫度50 ℃，以20 ℃/min 升至160 ℃保持1.5 min，以20 ℃/min "升至260 ℃保持5 min；載氣為高純He（純度≥99.999%）；恒流模式，流速3.0 mL/min；進樣口溫度260 ℃；進樣量1.0 μL；FID檢測器溫度260 ℃）進行花生脂肪酸成分測定。

1.5 花生植株氮磷鉀含量及土壤速效養分測定

花生在收獲時，將其根、莖、葉和莢果等部位分開采樣，在105 ℃條件下殺青30 min，80 ℃恒溫烘干，測定生物量，粉碎后過100目篩，經過消解后，分別采用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法和火焰光度計法測定樣品的氮、磷、鉀含量［13］。花生收獲后，使用取土器采集盆中20 cm深度土壤，風干后磨碎過100目篩密封保存備用。采用堿解擴散法測定堿解氮含量；采用碳酸氫銨比色法測定速效磷含量；采用乙酸銨-火焰光度計法測定速效鉀含量［13］。

1.6 土壤微生物群落結構測定

根據 E.Z.N.A. soil DNA kit（Omega Bio-tek，Norcross，GA，U.S.）說明書進行微生物群落總基因組 DNA 抽提，使用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測基因組DNA的質量，使用NanoDrop 2000（美國Thermo Scientific公司）測定DNA 濃度和純度。以上述提取的DNA為模板，使用攜帶Barcode序列的上游引物338F（5′- A C T C C T A C G G G A G G C A G C A G -3′）和下游引物806R （5′- G G A C T A C H V G G G T W T C T A A T -3′）［14］對 16S rRNA基因V3～V4可變區進行PCR擴增，PCR反應條件：95 ℃ 預變性3 min；95 ℃ 30 s，55 ℃ 30 s，72 ℃ 45 s，27個循環；然后72 ℃穩定延伸10 min，最后10 ℃保存。用2%的瓊脂糖凝膠電泳進行檢測，并使用AXYGEN公司的AxyPrep DNA純化回收試劑盒回收。PCR回收產物后，用QuantusTM Fluorometer（Promega，USA）對回收 產物進行檢測定量。使用NEXTFLEXR Rapid DNA- SeqKit進行建庫，利用Illumina公司MiSeq PE300平臺（上海美吉生物醫藥科技有限公司）進行測序。

1.7 數據統計與分析

采用Excel 2010進行數據處理；采用Origin 9.0軟件作圖；采用SPSS 25.0軟件進行方差分析，并采用LSD法進行多重比較（α=0.05）。土壤微生物高通量測序數據基于上海美吉生物醫藥科技有限公司云平臺（https：//report.majorbio.com）進行分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭-化肥組合對花生生物量的影響

由圖1可知，不同來源生物炭-化肥組合均能提高花生的生物量，其中以花生殼生物炭組合的增產效果最好，相比單獨施用化肥對照，平均莢果質量為39.9 g，較對照提升142.8%，平均地上部生物量為72.9 g，較對照提高46.9%。施肥處理花生莢果質量均顯著高于不施肥處理（Plt;0.05），產量增幅由高到低分別為142.8%（PS）、115.0%（HS）、99.3%（RS）、89.2%（BS）、81.5%（CF）。與常規施肥處理相比，HS和PS處理莢果產量分別提高33.8%、18.5%（Plt;0.05）；RS和BS處理莢果產量無顯著差異。施肥處理花生地上部生物量均顯著高于不施肥處理（Plt;0.05），生物量增幅由高到低分別為46.9%（PS）、43.5%（HS）、39.5%（RS）、39.4%（CF）、37.7%（BS）。但與常規施肥處理相比，PS、HS、RS和BS處理花生地上部生物量變化均不顯著（圖2、圖3）。

2.2 生物炭-化肥組合對花生農藝性狀的影響

相比不施肥對照，施肥處理下花生的各項農藝性狀（主莖長度、側枝長度、分枝數、莢果數、百莢果質量、百粒干質量、出米數）均有提高（表3）。施肥處理的花生主莖高較CK組分別增加63.9%（PS）、57.6%（RS）、57.3%（HS）、52.7%（BS）、37.1%（CF）（Plt;0.05）。相比單獨施用化肥，施用不同生物炭化肥組合花生主莖高分別顯著增加19.6%（PS）、15.0%（RS）、14.8%（HS）、11.4%（BS）（Plt;0.05）。施肥組花生第一側枝長度均高于CK組（Plt;0.05），分別增加96.4%（PS）、86.3%（RS）、86.1%（HS）、78.4%（BS）、60.6%（CF）；施用生物炭化肥組合較CF分別提高22.3%（PS）、15.9%（RS）、16.0%（HS）、11.1%（BS）。施肥處理花生分枝數均顯著高于CK，分別增加69.2%（PS）、65.4%（HS）、65.4%（RS）、53.8%（BS）、50.0%（CF）（Plt;0.05）；與CF相比，PS、HS、RS分枝數分別提高12.8%、10.3%、10.3%（Plt;0.05），BS變化不明顯。莢果數、百莢果質量、百粒干質量是衡量花生產量的重要指標，施肥處理花生莢果數、百莢果質量、百粒干質量、出米數均顯著高于CK組（Plt;0.05）。相比于對照，莢果數增加由高到低分別為36.8%（PS）、23.7%（HS）、23.7%（CF）、18.4%（RS）、18.4%（BS）；百莢果質量分別增加114.0%（PS）、105.1%（HS）、98.2%（RS）、78.9%（BS）、78.5%（CF）；百粒干質量分別增加72.3%（PS）、65.9%（HS）、55.6%（RS）、40.5%（BS）、35.1%（CF）；出米數分別增加40.9%（PS）、34.8%（BS）、33.3%（CF）、28.8%（HS）、27.3%（RS）。相比于單施化肥，施用不同來源的生物炭也可以進一步提高花生的百果質量和百粒干質量，但對莢果數和出米數影響不明顯。與CF相比，PS、HS RS百莢果質量分別提高19.9%、11.1% 14.9%（Plt;0.05），而百粒干質量僅PS提高了27.6%（Plt;0.05）。綜上，花生殼生物炭化肥組合（PS）對花生各項農藝性狀的提升程度最高。

2.3 生物炭-化肥組合對花生籽粒脂肪酸組分的影響

由表4可知，PS和BS處理花生籽粒中的油酸含量較CK分別增加23.0%和14.1%（Plt;0.05），而RS處理花生油酸含量較CK降低15.5%（Plt;0.05）；與CF相比，PS和BS處理花生籽粒油酸含量顯著增加22.2%和13.4%（Plt;0.05），而RS處理花生籽粒油酸含量卻降低16.0%（Plt;0.05）。PS和BS處理花生籽粒亞油酸含量較CK分別降低33.4%和18.1%（Plt;0.05），而RS處理花生油酸含量較CK增加15.3%；與CF相比，PS處理花生亞油酸含量降低6.8%，RS處理花生亞油酸含量增加61.6%，差異顯著；BS處理花生亞油酸含量增加14.7%。與花生亞油酸含量變化趨勢相同，與CF處理相比，PS和BS處理花生棕櫚酸含量分別降低24.7%和23.0%，差異顯著；RS處理花生棕櫚酸含量降低2.3%，差異不顯著。PS和HS處理花生油亞比較CK分別增加139.5%和83.7%，差異均顯著，BS處理油亞比較CK增加38.4%，差異不顯著，而RS處理花生油亞比較CK降低27.9%；與CF相比，PS處理花生油亞比增加73.1%，差異顯著，HS處理花生油亞比增加32.8%，RS處理花生油亞比降低47.9%，差異顯著。綜上，與常規施肥相比，山核桃殼生物炭化肥組合處理花生油酸含量顯著增加29.9%，亞油酸和棕櫚酸含量分別顯著降低26.2%和22.1%，效果最好。

2.4 生物炭-化肥組合對花生養分吸收的影響

由表5可知，山核桃殼炭配施減量化肥處理促進花生不同部位對養分的吸收效果最好，養分總積累量達3 491.0 mg/株。施肥處理花生地上部氮積累量均顯著高于CK，分別較CK增加71.9%（PS）、65.2%（BS）、56.2%（HS）、51.4%（CF）、48.9%（RS）；與CF相比，PS處理花生地上部氮積累量提高13.5%，差異顯著，BS、RS和HS處理花生地上部氮積累量變化不明顯。施肥處理花生莢果氮積累量均顯著高于CK，分別較CK增加160.7%（PS）、151.0%（HS）、123.2%（RS）、105.2%（BS）、90.2%（CF）；與CF相比，PS、HS、RS處理花生莢果氮積累量分別提高37.1%、31.9%、17.4%，差異均顯著，BS花生莢果氮積累量變化不明顯。施肥處理花生地上部磷積累量均顯著高于CK，分別較CK增加79.8%（PS）、62.1%（BS）、56.9%（CF）、55.0%（RS）、25.3%（HS）；PS處理花生地上部磷積累量較CF提高14.6%，差異顯著，BS、RS和HS處理花生地上部磷積累量變化不明顯。施肥處理花生莢果磷積累量均顯著高于CK，分別較CK增加177.9%（PS）、133.4%（HS）、111.7%（RS）、98.8%（BS）、95.3%（CF）；PS和HS處理花生莢果氮積累量較CF組分別提高42.2%、19.5%，差異顯著，RS和BS處理花生莢果磷積累量變化不明顯。施肥處理花生地上部鉀積累量均顯著高于CK，分別較CK增加131.7%（PS）、101.4%（HS）、66.2%（BS）、59.6%（CF）、51.7%（RS）；與CF相比，PS處理花生地上部鉀積累量提高45.1%，差異顯著，BS、RS和HS花生地上部鉀積累量變化不明顯。施肥處理花生莢果鉀積累量均顯著高于CK，分別較CK增加183.5%（PS）、149.9%（HS）、133.8%（RS）、123.1%（BS）、97.1%（CF）；與CF相比，PS處理花生莢果鉀積累量提高43.9%，差異顯著，HS、RS和BS處理花生莢果鉀積累量變化不明顯。

2.5 生物炭-化肥組合對花生土壤速效養分的影響

由表6可知，不同種類生物炭配施減量化肥處理花生土壤堿解氮含量均顯著高于CK，分別較CK增加25.3%（HS）、19.2%（PS）、18.7%（BS）、11.9%（RS），但CF施肥處理花生土壤堿解氮含量無明顯變化；HS、PS、BS處理花生土壤堿解氮含量較CF分別顯著提高17.9%、12.1%、11.6%，而RS處理花生土壤堿解氮含量較CF變化不明顯。不同來源生物炭-化肥組合花生土壤有效磷含量均高于CK，但變化不明顯；與CF相比，不同來源生物炭-化肥組合土壤有效磷含量變化不明顯。不同種類生物炭減量配施化肥處理花生土壤速效鉀含量均顯著高于CK，分別較CK增加23.4%（PS）、19.9%（HS）、12.8%（RS）、12.4%（BS），CF處理花生土壤速效鉀含量較不施肥（CK）變化不明顯；PS、HS處理花生土壤速效鉀含量較CF分別提高12.8%、9.6%，差異均顯著，RS和BS處理花生土壤速效鉀含量較CF變化不明顯。

2.6 生物炭-化肥組合對花生土壤細菌門水平群落結構的影響

將各處理土壤樣品中得到的分類操作單元（OTU）在不同水平上進行物種注釋，選取相對豐富度大于1.0%的細菌門分析樣品中細菌群落的組成。各處理條件下土壤細菌門水平的群落結構基本一致，包括放線菌門、變形菌門、綠彎菌門、厚壁菌門、藍藻菌門、酸桿菌門、擬桿菌門、黏菌門、芽單胞菌門、變形菌門、蛭弧菌門、奇球菌門等12個細菌門；其中放線菌門、變形菌門、厚壁菌門和酸桿菌門是優勢菌門。BS處理中放線菌門的相對豐度最高，占總豐度的31.66%，分別比CK、CF、PS、HS、RS提高22.2%、2.57%、4.83%、9.98%、3.83%；PS處理中變形菌門的相對豐度最高，占總豐度的23.72%，分別比CK、CF、HS、RS、BS提高9.83%、2.93%、23.78%、19.15%、17.71%。BS處理中厚壁菌門的相對豐度最高，占總豐度的15.63%，分別比CK、CF、PS、HS、RS提高12.24%、4.44%、4.44%、6.53%、5.71%。HS處理中酸桿菌門的相對豐度最高，占總豐度的6.9%，分別比CK、CF、PS、RS、BS提高1.97%、2.21%、4.22%、4.73%、2.73%（圖4）。

3 討論

養分是植物賴以生長發育的物質基礎，植物對養分的吸收量取決于土壤的養分供應能力。生物炭添加促進作物對土壤養分吸收機制，一方面是生物炭自身攜帶大量的氮、磷、鉀等，施入土壤中可以改善土壤肥力狀況，增加土壤養分總量。以往關于添加生物炭對作物的研究，其設計側重于施肥量相同，忽視了生物炭較大養分含量這一因素對土壤養分的影響。本研究在固定總氮、總磷、總鉀養分量相同的條件下添加不同來源生物炭，降低化肥使用量，尤其是花生殼生物炭減少9%尿素、16%過磷酸鈣、14%氯化鉀的使用。另一方面是生物炭比表面積較大，具有豐富的孔隙結構，可以有效減少土壤水分的流動，降低土壤養分的淋失速率，從而強化土壤對養分的吸附能力。孫向春等認為，單獨施用生物炭可以提高土壤中堿解氮、有效磷和速效鉀含量，且施入量越高影響越顯著［15］。本研究施用生物炭可以明顯提高土壤速效養分（表6），但不同來源生物炭對土壤不同速效養分的提高水平不同。生物炭與尿素的聯合施用可以通過調節氮礦化這一機制來減少氮損失［16］，因此在花生收獲后，在添加花生殼炭土壤中的堿解氮含量仍維持較高。本研究制備的4種生物炭含豐富的磷元素，其中稻殼炭的全磷含量最高，達4.43 g/kg，含磷生物炭可以將土壤有效磷保持在較高水平，且隨生物炭含磷量增加而增加［17］。本研究施用花生殼炭對土壤中速效鉀含量增幅最大，可能是因為花生殼生物炭通過改變黏土礦物的組成和促進鉀溶細菌的生長，可以加速土壤鉀形態向速效鉀的轉化［18］。

此外，生物炭的添加可以促進土壤微生物的活動，增進土壤養分循環，從而促進植物對土壤養分的吸收［19］。本研究各生物炭配施化肥土壤的細菌群落數量基本一致，但各種微生物群落豐度在各生物炭處理之間存在明顯差異。李秀英等認為，長期單施化肥提高短期土壤速效養分導致土壤細菌數量降低，但土壤放線菌與硝化細菌會增加［20］，本研究各施肥處理放線菌門的相對豐度均有提升，但生物炭與化肥減量組合降低了這種趨勢，可能是由于添加生物炭緩釋養分引起的。變形菌門是一種富營養微生物，在土壤中大量存在且多類變形菌有固氮功能［21］，花生殼炭處理的變形菌門相對豐度最高，說明其有利于土壤固氮以及土壤肥力的增加。厚壁菌門有較強的適應能力，主要功能是降解土壤中難溶化合物，這對土壤肥力與土壤質量的提升有重要作用［22］，本研究除花生殼炭組合外，其余處理厚壁菌門相對豐度均略低于單施化肥，但各施肥處理組厚壁菌門相對豐度均高于不施肥組。酸桿菌門在土壤生態系統中發揮著重要作用，能提高土壤中植物對土壤碳源的利用率，本研究施加生物炭均能提高酸桿菌門的相對豐度。

因此，添加生物炭后可以提高土壤養分、化肥利用率及微生物多樣性，增強土壤養分的供應能力，進而增加花生對營養元素的積累量和花生產量。本研究花生產量的增加與土壤養分以及微生物種群相對豐度增加趨勢一致。產量的提高在農藝性狀方面有所表現，施用生物炭化肥減量組合，對花生的主莖高、第一側枝長和分枝數均有提高，而上述農藝性狀直接與花生莢果數、出米率直接相關［23-24］。同時，籽粒的脂肪酸組成作為花生關鍵品質性狀也受到生物炭添加的影響。本研究花生殼炭、山核桃殼炭和竹炭組合較常規施肥均能提高花生油酸的含量，而稻殼炭組合呈相反趨勢。Lv等認為，添加生物炭可能抑制小麥脂肪酸延伸酶1的表達，而作為合成前體的油酸被積累下來，從而提高油酸含量［25］，這種機制也可能在花生中發生。此外，宋兆齊等認為，生物炭材料具有不同的酸基團結合能力，而催化碳鏈的延伸引起花生油酸含量的降低［26］，但不同生物炭種類對于花生脂肪酸的合成與組成影響尚待進一步研究。

4 結論

生物炭具備較高養分的元素組成和豐富的孔隙結構、比表面積大的結構優勢，配施化肥作為花生的新型栽培方式，在減少化肥使用和增加花生產量方面有可持續發展意義。生物炭配施化肥不僅能促進花生對營養元素的吸收與積累，提升花生油品質，更能夠在提高土壤肥力水平和土壤微生物種群豐度等方面使土壤環境保持相對穩定。尤其是花生殼生物炭，在花生生產實踐中具有一定的推廣應用價值。

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收 稿日期：2023-04-03

基金項目：浙江省自然科學基金（編號：LY21D030002）。

作者簡介：胡宇迪（1997—），男，浙江溫州人，碩士，主要從事農藝與種業研究。E-mail：940922678@qq.com。

通信作者：楊生茂，博士，研究員，主要從事農林廢棄物炭化資源化利用研究，E-mail：yangshengmao@263.net；甘 毅，博士，副教授，主要從事生態農業以及植物油脂代謝機理研究，E-mail：zjuganyi@163.com。