施用生物炭对西北旱区有机芥蓝生长的影响及节水效应

王利春， 李银坤， 郭文忠， 曲继松， 马　丽， 杨子强

(1.北京农业信息技术中心/农业部都市农业(北方)重点实验室，北京 100097； 2.北京市农林科学院北京市工程技术研究中心，北京 100097；3.宁夏农林科学院，宁夏银川 750002； 4.宁夏吴忠国家农业科技园区管理委员会，宁夏吴忠 751100)

宁夏回族自治区地处我国西北地区，光能丰富、热量适中、昼夜温差大，作物病虫害少，黄河贯穿全境，灌溉条件便利，为发展有机农业提供了得天独厚的水、光、热条件[1]。近年来，宁夏回族自治区生产的有机蔬菜远销沿海及香港地区，“供港蔬菜”已成为该地区农业特色产业[2]。然而，宁夏回族自治区属半干旱地区，水资源缺少，蒸发强烈，且普遍存在土壤肥力贫瘠、有机质及速效养分含量低等问题[1，3]，而在有机生产模式下，不能通过施用化学肥料来迅速提升土壤肥力。因此，如何统筹协调有机蔬菜生产的水、肥是获得蔬菜优质高产的关键。

生物炭是在缺氧条件下由植物体不完全燃烧生成的物质，属黑炭范畴[4-5]。生物炭化学稳定性较强，可在土壤中稳定存在较长的时间，作为土壤改良剂具有改良土壤结构、增加土壤持水性和碳氮比、减少土壤养分淋溶等作用，还可以增加土壤碳汇，减少温室气体排放[6-9]，应用前景十分广泛。目前，针对西北旱区有机栽培条件下添加生物炭对土壤改良及作物生长状况改善效果的研究鲜有报道。本试验以西北供港蔬菜生产基地白花芥蓝(BrassicaalboglabraL.H. Bailey)为材料，研究施用生物炭对土壤改良、土壤持水性及芥蓝生长的影响，为西北旱区有机蔬菜的可持续生产提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　试验地概况

试验于2015年8月12日至10月11日在宁夏回族自治区吴忠市孙家滩吴忠农业科技园区覆盖防虫网的拱棚内进行，试验地0～30 cm深度土壤的容重为1.35 g/cm3，pH值为8.3，有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为2.39、0.20、0.44、17.20 g/kg，全盐、速效氮、速效磷、速效钾含量分别为3.15、14.0、4.0、78.0 mg/kg。

1.2　试验材料

供试品种为帝王白花芥蓝，8月10日播种，8月25日间苗定植，株行距为10 cm×20 cm；选用的生物炭由玉米芯烧制而成，即将玉米芯通过缺氧不完全燃烧得到，碳含量约为 65.7%；有机肥为腐熟的商品牛粪，购自吴忠市绿色能源开发有限公司，全氮、速效钾、有效磷含量分别为12.92、10.05、1.18 g/kg。

1.3　试验设计

试验共设4个处理，分别为不施任何肥料(CK)、生物炭10 t/hm2(C)、有机肥4 t/hm2(M)、生物炭10 t/hm2+有机肥4 t/hm2(CM)。翻地前，将有机肥与生物炭一次性施入土壤。各处理水分管理方式相同，灌溉间隔时间为3～5 d，灌溉量为30 mm。试验小区面积为9 m2，随机分布，每处理重复4次。

1.4　测定项目与方法

分别于9月5日、9月16日、10月3日分层采集土样，采用烘干法测定土壤含水量；分别于9月4日、9月12日、9月20日、10月1日随机固定芥蓝4株，测定植物株高、茎粗、叶片数等生长指标；分别于8月28日、9月13日、10月1日随机选取芥蓝4株，将其从根基部剪下，测定鲜质量。

1.5　数据处理

采用SPSS 19.0、Excel 2007软件对数据进行统计分析与作图；采用最小显著差数法(LSD法)检验差异显著性(α=0.05)。

2　结果与分析

2.1　施用生物炭对土壤含水量的影响

由图1可见，在相同的施肥水平下，添加生物炭处理的土壤含水量多明显高于不添加生物炭处理；只添加生物炭(C)的0～10、10～20、20～30 cm土壤平均含水量分别0.132、0.111、0.123 g/g，分别比对照(CK)处理的0.115、0.102、0.088 g/g 高14.8%、8.8%、39.8%；施用有机肥+生物炭(CM)的0～10、10～20、20～30 cm的土壤平均含水量分别0.133、0.097、0.113 g/g，分别比仅施用有机肥(M)的0.111、0.090、0.081 g/g高19.8%、7.8%、39.5%。

2.2　施用生物炭对芥蓝生长指标的影响

2.2.1株高由图2可见，9月4日、9月12日、9月20日、10月1日处理M和处理CM的芥蓝株高分别为10.27、16.24、21.66、36.03 cm和12.60、17.00、23.20、36.51 cm，除9月4日外，均显著高于同时期未施用有机肥的处理C和CK(P<0.05)；同一时期，施入有机肥的处理(处理M、CM)其芥蓝株高相互间差异不显著(P>0.05)。

2.2.2叶片数植物的叶片数与其生长发育进程密切相关。由图3可见，9月4日、9月12日、9月20日各处理芥蓝的叶片数相互间差异不显著(P>0.05)，10月1日，对照处理的芥蓝叶片数显著低于其他3个处理(P<0.05)，可能是在试验后期，由于对照处理没有施用有机肥而导致芥蓝出现养分胁迫、下部叶片发黄脱落。

2.2.3茎粗由图4可见，与对照相比，无论是向土壤中添加有机肥还是生物炭，对芥蓝茎粗的增加均有一定的促进作用，有机肥+生物炭配施处理对芥蓝茎粗增加的促进作用相对最为明显；9月4日、9月12日、9月20日、10月1日，单施生物炭处理的芥蓝茎粗分别比对照处理(CK)增加27.2%、13.2%、12.2%、23.7%，单施有机肥处理的芥蓝茎粗分别比对照增加29.6%、36.9%、27.0%、23.9%；9月4日、9月12日、9月20日、10月1日，有机肥+生物炭配施处理的芥蓝茎粗分别比对照增加28.2%、60.3%、70.7%、48.6%，比单施有机肥分别增加-1.0%、17.1%、34.4%、20.0%。

2.3　施用生物炭对芥蓝地上部鲜质量的影响

地上部鲜质量是叶用蔬菜的有效收获部位，是评价有机栽培芥蓝种植收益的重要指标。由图5可见，在有机生产条件下，单施生物炭对芥蓝地上部鲜质量的增加促进作用并不明显，10月1日仅生物炭处理的芥蓝鲜质量为121.12 g，而对照处理为119.41 g，相互间差异不显著(P>0.05)；与对照相比，只施用有机肥虽然对增加芥蓝鲜质量有一定的促进作用，但试验后期促进效果十分有限；8月28日、9月13日、10月1日，只施用有机肥的芥蓝鲜质量分别比对照增加 55.6%、46.3%、17.3%，而有机肥+生物炭配施处理的芥蓝鲜质量相对最高，分别为19.27、63.99、161.23 g，分别比对照增加91.7%、153.3%、35.0%，分别比单施有机肥增加 23.2%、73.2%、15.1%。在有机栽培条件下，有机肥与生物炭配施更能促进芥蓝的生长，从而提高了有机肥的利用率。

3　结论与讨论

在西北旱区有机栽培条件下，施用生物炭的芥蓝根区含水量明显高于不施用生物炭，土壤持水性明显增加，降低了水分胁迫对作物生长的抑制，与刘方等的研究结论[10]吻合。靳泽文等研究表明，施用生物炭能够降低土壤容重，提高土壤的孔隙度，土壤饱和含水量、田间持水量和有效水含量会相应增加，凋萎系数随之减小[11]。高海英等通过土柱试验研究表明，生物炭可降低质地较轻土壤的通透性，抑制土壤水分入渗；在一定水吸力条件下，容积含水量随生物炭用量的增大而增加[12]。王丹丹等研究表明，生物炭的施用提高了田间持水量和土壤持水能力，降低了土壤的入渗性能，生物炭的掺入量越大，其效果越明显[13]。肖茜等研究发现，施用生物炭对沙质土壤的表面蒸发具有显著的抑制作用，施用生物炭的表层土壤含水量高于未施用生物炭处理[14]。

通过施用生物炭可以提高土壤持水性，改善作物根系层的土壤水分状况，但是在西北有机供港蔬菜产区，其土壤有机质和养分含量普遍较低，而生物炭经过煅烧处理后其氮、磷含量相对较低，且生物炭还具有较大的比表面积，施入土壤后可以吸附土壤中的有效养分离子，因此，仅施加生物炭对芥蓝生长的促进效果并不明显，甚至有研究表明，当土壤中施入过量的生物炭会对作物的生长产生抑制作用[9，15-16]。此外，由于生物炭具有很高的碳氮比，而部分生物炭分解会导致氮固定[17]，从而降低了土壤的有效氮，限制了植株对有效氮的吸收，这也会影响芥蓝的生长。Lehmann等指出，在土壤肥力较低的情况下施用黑炭，会降低氮的有效性[18]。在西北旱区，与不施肥和仅施生物炭相比，施入有机肥的芥蓝生长状况得到明显改善，这说明西北旱区有机蔬菜生产除受水分因素制约外，还受到土壤肥力的制约，但由于有机肥的肥效释放较为缓慢，故对芥蓝生长的促进作用也较为缓慢。有机肥与生物炭配施时，芥蓝鲜质量、茎粗明显优于单施生物炭和单施有机肥处理，这可能是有机肥与生物炭配施可以促进有机肥中氮肥的矿化，土壤供氮能力明显提高[19-22]，从而也会使作物的产量有所提高。

总之，西北旱区种植有机蔬菜过程中在土壤中添加生物炭，一方面可抑制土壤表面的水分蒸发，减少土壤水分的入渗，增加土壤的持水能力，另一方面还能加速有机肥中氮的矿化，增加土壤肥力，具有广泛的应用前景。

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