花生壳生物炭对土壤改良、蔬菜增产及其持续效应研究

黄连喜，魏 岚，李衍亮，黄玉芬，Nyo Nyo Mar,2，许桂芝，黄 庆，刘忠珍*

(1.广东省农业科学院农业资源与环境研究所，农业部南方植物营养与肥料重点实验室，广东省养分循环利用与耕地保育重点实验室，广东 广州 510640；2.Agricultural Biotechnology Biotechnological Research Department Ministry of Education，Kyaukse Myanmar 100301)

鉴于此，本研究选取广东地区典型的蔬菜轮作农田，一次性施入来源广泛的花生壳生物炭，连续种植9茬叶菜，探讨花生壳生物炭对该类型土壤质量改良的长期效应，以及对连续多茬蔬菜生长的影响，从而为该地区农田生态系统生物炭改良培肥作用以及生物炭作为土壤改良剂的应用提供直接的科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤、生物炭及作物类型

试验点位于广东省东莞市麻涌镇欧涌村，北纬23°6′31″，东经113°36′22″。试验开始前，采集基础土样，采样深度为20 cm，S形采集土壤后，充分混匀，室内风干，压碎后过2 mm孔径筛，用于pH值、速效钾、碱解氮及有效磷含量测定，将过2 mm孔径筛的土样用四分法取出一部分继续碾磨，过0.25 mm孔径筛后用于有机碳测定。经测定，试验用地土壤为砂壤土(粉砂粒24%，粘粒14.2%，砂粒61.8%)，pH值为4.8，土壤有机碳含量为1.4%，碱解氮123.6 mg·kg-1，有效磷202.4 mg·kg-1，速效钾59.0 mg·kg-1。试验所用生物炭由河南某生物炭公司提供，原料为花生壳，于500℃高温缺氧热解2 h制备。取少量花生壳生物炭碾磨过2 mm孔径筛用于pH值、速效钾、碱解氮及有效磷含量测定，过0.25 mm孔径筛用于有机碳含量测定，经测定，其pH值为10.0，有机碳含量42.7%，碱解氮129.6 mg·kg-1，有效磷229.1 mg·kg-1，速效钾29 750 mg·kg-1。供试作物为叶菜，分别为上海青，油麦菜和生菜，种植方式为大田轮作。

1.2 试验设计

试验用地长18 m，宽7.6 m，左右两边各为1.1 m宽保护行，中间平均分为12个小区，每个小区面积约为6.6 m2。试验共设4个处理，分别为不施生物炭(CK)，一次性施加花生壳生物炭2.5 t·hm-2(T1)，一次性施加花生壳生物炭5 t·hm-2(T2)，一次性施加花生壳生物炭10 t·hm-2(T3)，每个处理3次重复，随机区组设计。2014年10月31日，按处理用量撒施生物炭后，用翻土机进行深翻，然后连续种植9茬蔬菜，采收8茬。每茬蔬菜生长期间常规管理，各处理施用等量复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)，由于蔬菜品种及生长季节不尽相同，且各茬蔬菜生育期差别较大，试验中复合肥用量有所不同。第1茬为上海青，直播，生育期42 d(2014年10月31日～12月12日)，施肥量为550 kg·hm-2；第2茬为油麦菜，移栽，生育期47 d(2014年12月16日～2015年2月3日)，施肥量为570 kg·hm-2；第3茬为生菜，移栽，生育期52 d(2014年2月4日～3月26日)，施肥量为600 kg·hm-2；第4茬为上海青，移栽，生育期25 d(2015年3月26日～4月21日)，施肥量为450 kg·hm-2；第5茬为油麦菜(2015年4月23日～5月28日)，由于雨水多，几乎无产量，没有采收；第6茬为生菜(2015年7月24日～8月25日)，移栽，生育期31 d，施肥量为480 kg·hm-2；第7茬为生菜，移栽，生育期43 d(2015年8月26日～10月9日)，施肥量为550 kg·hm-2；第8茬为上海青，直播，生育期39 d(2015年10月10日～11月19日)，施肥量为530 kg·hm-2；第9茬为油麦菜，移栽，生育期46 d(2015年11月20日～2016年1月6日)，施肥量为570 kg·hm-2。

1.3 样品采集及分析测试方法

每茬蔬菜收获时割取每个小区内生长的蔬菜测产，带回蔬菜鲜样测定可溶性糖、硝酸盐及Vc含量。同时采集各小区土壤进行pH值、碱解氮、有效磷、速效钾及有机碳含量分析。土壤采集及前处理方法同基础土壤。土壤pH 值采用酸度计测定，土水比为1∶2.5，花生壳生物炭及土壤中有机碳含量用重铬酸钾-硫酸氧化法测定，碱解氮、有效磷及速效钾分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠法及乙酸铵提取法测定[19]。蔬菜可溶性糖、硝酸盐及Vc含量分别采用费林试剂标定法、5%水杨酸-浓硫酸法及2，6-二氯靛酚滴定法测定[20]。

1.4 数据统计及分析

试验数据应用Excel 软件进行处理，用SAS 9.0 软件进行单因素Duncan 统计分析，用origin 8.6软件作图。

2 结果与分析

2.1 花生壳生物炭及其用量对土壤的改良效果

2.1.1 土壤pH值

各茬蔬菜收获时土壤pH值见图1，从图中数据可得，CK处理的多茬蔬菜收获后土壤pH值为4.4～5.2，T1处理的土壤pH值为4.9～5.5，比CK处理提升0.1～0.5单位；T2处理的土壤pH值为5.0～5.5，比CK处理提升0.3～0.8单位；T3处理的土壤pH值为4.7～5.5，比CK处理提升0.1～0.4单位。各茬蔬菜种植期间，T1处理均可提高土壤pH值，除第1、6及9茬外，其它5茬土壤pH值的提升均达到显著性差异(P<0.05)，而T2处理均显著提高了8茬蔬菜土壤pH值(P<0.05)，当生物炭用量增加到10 t·hm-2(T3)时，土壤pH值下降，但始终比没有施加生物炭的对照处理高。

图1 花生壳生物炭施用后连续种植多茬蔬菜后土壤pH值

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.1.2 土壤有机碳

土壤有机碳是土壤有机质的一种化学量度，占土壤有机质的60%～80%，其储量反映了土壤截留碳的能力，是土壤养分转化的核心，因此，常把土壤有机碳作为评价土壤肥力水平的一项重要指标。花生壳生物炭有机碳含量为42.7%，因此，试验用地增施花生壳生物炭预期可以提高土壤有机碳含量，提升土壤肥力。如图2所示，蔬菜收获后CK处理的土壤有机碳含量为1.36%～1.56%，T1处理的土壤有机碳含量为1.38%～1.59%，比CK处理提升0.02%～0.07%，增幅达1.4%～4.3%；T2处理的土壤有机碳含量为1.42%～1.66%，比CK处理提升0.06%～0.27%，增幅达4.6%～19.0%；T3处理的土壤有机碳含量为1.55%～2.04%，比CK处理提升0.11%～0.64%，增幅达7.2%～31.4%。蔬菜种植期间，T1处理均可提高试验小区的土壤有机碳含量，但都没有达到显著性差异(P>0.05)，而T2处理除了第3、7及第8茬外，均显著提高了其余5茬蔬菜种植试验小区的土壤有机碳含量(P<0.05)，T3处理均显著提高所有茬次蔬菜种植的试验小区土壤有机碳含量(P<0.05)。

图2 花生壳生物炭施用后连续种植多茬蔬菜后土壤有机碳含量

2.1.3 土壤碱解氮、有效磷及速效钾

施用花生壳生物炭后，不同茬别及不同处理的土壤碱解氮、有效磷及速效钾含量变化见表1。从表中可得，各茬蔬菜种植期间，不同茬别间土壤碱解氮含量变异很大，且同一茬次各处理间规律性不明显。不同茬别间土壤速效钾含量变异也很大，值得注意的是第1、2茬蔬菜的土壤速效钾含量随着生物炭施入量增加而提高，且5和10 t·hm-2生物炭处理的土壤速效钾含量显著高于空白处理(P<0.05)。蔬菜种植第3茬后，不同用量生物炭处理间的土壤速效钾含量差异性减小。前4茬蔬菜收获后土壤有效磷含量相差不大，从第6茬开始，土壤有效磷含量提升，但从第9茬出现含量下降。各茬蔬菜收获后，5 t·hm-2生物炭用量处理的土壤中有效磷含量均稍低于其它处理。对各茬蔬菜收获后土壤碱解氮、有效磷及速效钾含量进行显著性分析，结果显示，不同用量花生壳生物炭处理的土壤碱解氮及有效磷含量没有显著差异(P>0.05)，生物炭施用显著提升前两茬蔬菜的土壤速效钾含量，对后来6茬蔬菜种植后的土壤速效钾含量没有显著影响。

表1 蔬菜收获后土壤碱解氮、有效磷及速效钾含量 (mg·kg-1)

注：同列不同小写字母表示该测定项目结果差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 花生壳生物炭及其用量对蔬菜产量的影响

采收的各茬蔬菜产量见图3，从图中可见，T1处理对各茬蔬菜产量均有提高作用，除了第3茬和第7茬外，其它6茬与对照相比均达到显著性差异(P<0.05)，而T2处理则显著提高了各茬蔬菜的产量(P<0.05)。当生物炭的用量增加到10 t·hm-2(T3)时，产量出现下降。CK处理的蔬菜产量为19.6～102.8 t·hm-2，T1处理蔬菜产量为33.1～125.1 t·hm-2，比CK处理增产5.0～34.6 t·hm-2；T2处理的蔬菜产量为33.3～136.4 t·hm-2，比CK处理增产6.4～43.5 t·hm-2；T3处理的蔬菜产量为31.2～130.2 t·hm-2，比CK处理增产5.0～27.4 t·hm-2。与CK相比，T1、T2及T3处理对各茬蔬菜的增产率分别为6.2%～68.7%、7.9%～96.5%及6.2%～59.3%。图3也同时比较了各处理采收的8茬蔬菜收获的总产量，该结果更清楚显示生物炭增施对蔬菜产量的影响，CK处理采收的8茬蔬菜总产量为467.8 t·hm-2，T1处理的蔬菜总产量为605.9 t·hm-2，增产29.5%；T2处理的蔬菜总产量为637.1 t·hm-2，增产36.2%；T3处理蔬菜总产量为580.4 t·hm-2，增产24.1%，产量低于T1和T2处理，但仍高于CK处理。

图3 花生壳生物炭施用后连续多茬蔬菜的产量

2.3 花生壳生物炭及其用量对蔬菜品质的影响

不同用量生物炭处理的各茬蔬菜品质(表2)显示，3茬上海青Vc含量为264.3～383.2 mg·100 g-1，2茬油麦菜Vc含量为70.1～127.9 mg·kg-1，3茬生菜Vc含量为90.8～243.4 mg·kg-1，同一茬蔬菜不同用量花生壳生物炭对蔬菜的Vc含量没有明显影响。3茬上海青硝酸盐含量为233.1～617.4 mg·kg-1，2茬油麦菜硝酸盐含量为230.4～297.4 mg·kg-1，3茬生菜硝酸盐含量为147.1～355.4 mg·kg-1，同一茬蔬菜不同用量花生壳生物炭对蔬菜的硝酸盐含量没有明显影响。3茬上海青的可溶性糖含量为0.1%～0.9%，2茬油麦菜的可溶性糖含量为0.1%～1.2%，3茬生菜的可溶性糖含量为0.3%～2.6%，同一茬蔬菜不同用量花生壳生物炭对蔬菜的可溶性糖含量没有明显影响。因此，不同用量花生壳生物炭对蔬菜品质影响不大。

表2 不同花生壳生物炭用量处理蔬菜的品质

2.4 花生壳生物炭对农田土壤质量改良及蔬菜增产的持续效应

花生壳生物炭对蔬菜增产、试验用地土壤酸性改良及土壤有机碳提升均有较好的效果，但其作用效果维持的时间有多长?根据上面的数据结果，综合考虑土壤酸性改良、土壤有机碳含量提升、蔬菜增产及施用成本多方面因素，选择5 t·hm-2(T2)用量的花生壳生物炭作为最优先处理来进一步分析生物炭对农田土壤质量改良及蔬菜增产的持续效应。图4以T2处理扣除CK处理计算T2处理对蔬菜产量、土壤pH值及土壤有机碳的提升效果，计算公式为(T2平均值-CK平均值)/CK平均值×100。从图4可知，从2014年10月开始到2016年1月止，历时16个月，进行上海青、油麦菜，生菜等多茬蔬菜的轮作试验，5 t·hm-2生物炭用量处理使蔬菜收获后的土壤pH值提升0.3～0.8单位，土壤有机碳提升4.64%～19.01%，蔬菜增产7.9%～96.5%。值得注意的是，5 t·hm-2生物炭处理对各茬蔬菜都一直有显著的增产效果，且对前4茬及第6茬蔬菜增产效果最明显(第5茬无数据)，增产率分别达到32.0%、96.5%及61.3%、32.6%及69.7%，从第7茬开始，蔬菜的增产率出现下降。最后一茬蔬菜收获后，土壤pH值及土壤有机碳含量仍然提升16.9%及8.5%，因此花生壳生物炭对土壤酸性具有明显的改良效果及持续的缓冲效应，并可以持续增加土壤碳汇。由于生物炭对土壤酸性的改善及土壤有机碳含量的提升，蔬菜产量具有明显的增产效应，种植多茬蔬菜后，蔬菜的增产效果仍然达到18.7%。

图4 5 t·hm-2花生壳生物炭对蔬菜增产及土壤质量提升效果

3 讨论

花生壳生物炭影响土壤pH值机制：试验用地的土壤pH值为4.8，呈酸性，而花生壳生物炭为碱性，其pH值为10.0，因此，增施花生壳生物炭对土壤pH值产生直接影响。2.5及5 t·hm-2花生壳生物炭对土壤的酸性均有缓解作用，且土壤的pH值随着生物炭用量增大而持续升高，这主要归因于生物炭本身所含有的Ca2+、K+、Mg2+等盐基离子，随生物炭进入土壤，在水土交融作用下释放，与土壤中的H+和Al3+交换，从而降低H+和Al3+在土壤中的浓度[21]。由于生物炭具有疏松多孔的结构及巨大的比表面积，表面带有大量负电荷和较高的电荷密度，并且富含一系列含氧、含氮、含硫官能团，具有很大的阳离子交换量[22]，所以当生物炭的用量达到10 t·hm-2时，可吸附大量可交换态阳离子或碱基阳离子，其作用要比生物炭本身所含有的Ca2+、K+、Mg2+等盐基离子的释放强度大，因此有可能使土壤酸性增强，pH值出现稍微下降。

花生壳生物炭提升土壤有机碳原因：本试验中土壤有机碳储量随生物炭施用量的增加而增加，且提高幅度与生物炭施用量呈正相关关系，其最主要原因是生物炭富含稳定且难以被微生物分解的有机碳，可以在土壤中长期稳定存在[13]。生物炭具有碳含量高、芳香化结构复杂和固有的化学惰性等特征，被认为是惰性碳库，在土壤环境中具有较高的化学和微生物稳定性，其作用大小取决于生物炭的用量和稳定程度[23-25]。此外，生物炭的施用可能改变了土壤原有有机质的组成，形成比较稳定的土壤有机质而提高土壤肥力[26-27]。

花生壳生物炭促进蔬菜生长原因：生物炭具有良好的物理化学性质和养分调控作用，因此施入土壤后可以显著提高作物的生产力，生物炭的增产作用与生物炭的用量水平、作物类型、农田土壤类型有关[28]。在本试验中，不同用量花生壳生物炭对土壤pH值及土壤有机碳含量均具有提高作用，其最佳用量为5 t·hm-2，可提高土壤pH值0.3～0.8单位，提升土壤有机碳含量0.06%～0.27%，通过土壤pH值及有机碳含量水平的提高，蔬菜增产6.4 ～43.5 t·hm-2，增产幅度达7.9%～96.5%。因此，在本试验中，花生壳生物炭对蔬菜生长的促进作用与其对土壤pH值及有机碳水平等土壤化学性质的提升有关。

在本试验开展的一年多时间内，连续种植多茬蔬菜后，施用花生壳生物炭对农田土壤酸性改良、有机碳含量提升及蔬菜增产仍然发挥其增长效应，其主要原因：(1)生物炭本身呈碱性，酸性土壤适量加入生物炭后可长期维持较高pH值；(2)作为稳定性有机物质，生物炭施入土壤后增加土壤有机碳含量，对蔬菜的产量具有持续增产的效果。

4 结论

花生壳生物炭输入可有效缓解广州东莞麻涌菜园土壤的酸性，明显提升土壤有机碳含量，但对土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量的提高作用不明显。由于生物炭对土壤酸性的改善及土壤有机碳含量的提升，收获的各茬蔬菜均具有较明显的增产效果，且蔬菜品质没有受到影响。中等用量(5 t·hm-2)的生物炭对土壤性质改良及蔬菜增产作用最明显，与对照相比，可提高蔬菜产量6.4～43.5 t·hm-2，增产幅度达7.9%～96.5%；同时5 t·hm-2用量生物炭可提高土壤pH值0.3～0.8单位，提升土壤有机碳含量0.06%～0.27%(增幅为4.6%～19.0%)。连续种植多茬蔬菜后，土壤pH值仍然提高16.9%，土壤有机碳提升8.5%，蔬菜产量增加18.7%。试验开展16个月，连续种植多茬蔬菜后，花生壳生物炭对农田土壤的酸性改良、土壤有机碳提升及蔬菜增产仍然发挥作用，但其更长期效应仍需继续进行试验验证。

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