生物炭对有机菜心产量、品质及水分利用的影响

王 湛 李银坤 王利春 郭文忠 徐志刚

(1.北京农业智能装备技术研究中心， 北京 100097； 2.南京农业大学农学院， 南京 210095)

0 引言

宁夏是“冬菜北上，夏菜南下”和内陆出口蔬菜的重点生产区域，也是供港有机蔬菜的重要生产基地[1]。当地水资源量少，蒸发强度大，地下水位深，蔬菜生产用水以引黄灌溉为主，由于地势起伏大，引水工程造价高，使得山区用水成本高，水资源显得尤为珍贵[2]。但蔬菜生产中大引大排现象依旧存在，不仅造成大量水资源浪费，还产生次生盐渍化等一系列问题[3]。近年来，随着当地工业园区、化工基地、城市生态水利等的建设，全区生活、生产、生态用水之间的矛盾将更加尖锐，土壤缺水干旱已成为限制当地农业发展的重要因素[3]。因此通过合理的措施提高土壤贮水性能及作物水分利用效率是当地有机农业可持续发展的重要保证。

当地有机蔬菜以菜心(BrassicacampestrisL. ssp.chinensisvar.utilisTsen et Lee)、芥蓝等叶菜为主，生产过程中常以腐熟的牛、羊粪等作为肥源，施肥种类单一，长期施用单一的有机肥同样易造成次生盐渍化、养分不平衡等一系列生态环境问题[1]。生物炭为农林废弃物在缺氧条件下高温裂解生成的富碳产物[4]。相关研究表明，将生物炭施入土壤中能够降低长期施用单一肥料产生的危害，且具有增加水分库容作用[5-6]。AMYMARIE等[7]研究发现，生物炭对水分的吸持能力比有机质高1～2个数量级，土壤含水率相比不施生物炭约增加18%。齐瑞鹏等[8]研究表明，生物炭可增加风沙土水分入渗量，提高土壤含水率，增加作物产量，进而提高水分利用效率[9]；勾芒芒等[10]用室内盆栽方法定量分析砂壤土中添加生物炭后对水分利用效率的影响，结果表明生物炭添加可显著增加土壤含水率。目前有关生物炭在农业中的应用研究多集中在室内模拟、短期大田和盆栽试验上，而关于有机蔬菜地施用生物炭的研究报道较少，尤其在西北旱区水资源短缺条件下，生物炭施用对有机菜地作物水分利用影响的研究更为少见。本研究基于田间小区定位试验，研究有机肥配施生物炭对有机蔬菜地土壤水分动态变化及作物水分利用效率的影响，以明确有机蔬菜地合理培肥模式及其在提高西北旱区土壤贮水性能方面的作用与效果。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及生物炭

试验设在宁夏回族自治区吴忠市孙家滩吴忠国家农业科技园区(37°32′23″N，106°14′30″E)，该园区为供港有机蔬菜(主要为叶菜)的重要生产基地，菜心有较大栽培面积。当地属温带半干旱半湿润地区，降雨量166.9～647.3 mm，主要集中在6—9月，蒸发量1 312.0～2 204.0 mm，无霜期105～163 d，日照时数2 250～3 100 h，平均气温5.3～9.9℃。试验当年5—6月气温变化幅度大，为8.0～47.1℃，7—8月为20.4～33.6℃，9—11月变化幅度最小，为10.9～25.6℃。

供试土壤为砂壤土，播前0～20 cm土壤有机质质量比1.57 g/kg，全氮质量比0.20 g/kg，速效钾质量比(K2O)130.2 mg/kg，有效磷质量比(P2O5)12.9 mg/kg。有机肥为腐熟牛粪，全氮质量比12.9 g/kg，有机质质量比194.9 g/kg，速效钾质量比10.1 g/kg，有效磷质量比1.18 g/kg。生物炭为玉米芯在550℃条件下热解制备，全碳质量比为289.0 g/kg，全氮质量比为40.0 g/kg，有效磷质量比0.97 g/kg，速效钾质量比4.27 g/kg。

1.2 试验设计

试验于2016年进行，当年布置3茬试验，1、2、3茬分别于5月13日、7月15日、9月10日由播种机播种，种植作物为菜心，品种为油绿702(当地主栽品种)，播种行距15 cm，两叶一心时间苗，间苗后平均株距为10 cm，分别于当年6月23日、8月18日、10月22日统一收获。试验设单施有机肥(MC0)、有机肥配施低量生物炭(MC1)、有机肥配施高量生物炭(MC2)和不施肥(CK)4个处理，3次重复，完全随机排列。其中有机肥施用量为当地菜农习惯用量(110 t/hm2)；生物炭用量依据文献中平均用量的较低和较高量施加[11]，处理MC1和MC2用量分别为8.5、17 t/hm2；生物炭和有机肥在每年种植第1茬作物前一次性均匀翻入0～20 cm土层，试验小区面积4.2 m×1.4 m，小区与小区间隔0.3 m作为缓冲带。每个小区内均匀铺设4条滴灌带，滴头间距10 cm，流量2.8 L/h，同时小区中间安装一根深度1 m的探管，用TDR型时域反射计(PICO-BT，Andres Industries AG)每2～3 d测定0～20 cm土层含水率，当灌水或降雨后增加测量频率。为保证各小区灌水量一致，当某小区实测含水率低于田间持水率(文中未标明土壤含水率均为体积含水率)的80%时灌溉，灌溉到该小区田间持水率的100%，灌水量计算公式为

I=100(θf-θi)γHp

(1)

式中I——灌水量，mm

θf——田间最大质量持水率，处理CK、MC0、MC1和MC2分别为19.5%、22.5%、18.8%和26.3%

θi——各处理实测含水率，%

γ——土壤容重，处理CK、MC0、MC1、MC2分别为1.48、1.35、1.36、1.21 g/cm3

H——土层深度，取0.2 m

p——滴灌水分利用效率，取0.95[12]

1.3 观测项目及方法

1.3.1生长指标及生物量

收获时随机选取3株菜心，株高和叶围面积(以单株菜心冠层最长处为长，与其垂直冠层长度为宽，二者相乘)由直尺测量(0.1 mm)，叶片数为单株全部绿叶数，洗去植株表面灰尘后在105℃杀青30 min，然后80℃干燥至恒定质量，测定生物量。

1.3.2产量和品质

图1 0～20 cm土层含水率动态变化Fig.1 Dynamics change of water content of 0～20 cm topsoil

菜心成熟后每小区取1 m2(1 m×1 m)用电子天平(精确到0.01 g)进行计产，采收时基部留3片叶，切口要平。将收获后的菜薹进行品质分析，其中硝酸盐含量采用硫酸-水杨酸法测定，维生素C采用2,6-二氯酚靛酚滴定法。

1.3.3菜心耗水量及水分利用效率

在菜心种植前及收获后，用TDR测量0～70 cm土层含水率，每10 cm为一层。土壤贮水量计算公式为

E=10CH

(2)

式中E——贮水量，mm

C——土壤水分体积分数，%

本试验所选旱地地面平整，土层深厚，土质均一，生育期无降雨发生，地下水位深，因此不考虑地下水补给的影响；且试验期间根据田间持水率灌溉，每次灌溉量较少，故地表径流与地下水位渗漏均不考虑。基于以上分析，由简化的水分平衡方程计算菜心耗水量[13]，即

ET=I+ΔH

(3)

式中ET——田间耗水量，mm

ΔH——菜心生育期前后70 cm土壤贮水量变化，mm

产量水分利用效率计算公式为[14]

Ywue=Y/ET

(4)

式中Ywue——产量水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——菜心产量(鲜质量)，kg/hm2

生物量水分利用效率计算公式为

Bwue=B/ET

(5)

式中Bwue——生物量水分利用效率，kg/(hm2·mm)

B——菜心生物量，kg/hm2

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2013数据整理，Origin 93(2016)绘图，用SPSS 18.0进行统计分析，对于测定结果进行F检验，差异显著性采用LSD法进行比较。

2 结果与分析

2.1 0～20 cm土层水分动态变化特征

由图1(图中*表示当天进行灌水)可知，各处理0～20 cm土层含水率在不同茬口内的变化趋势相同，土壤水分随着菜心生长时间的延长均有较大波动，其峰值出现次数与试验期间灌水次数一致，说明灌水是不同茬口0～20 cm土壤水分变化的重要因素。

土壤含水率的变化幅度随茬口的推进呈降低趋势，与温度波动呈显著正相关(P<0.05，数据未显示)，其中第1茬土壤含水率波动幅度为10.5%～31.2%，而第3茬仅在20.9%～30.5%之间波动。说明随茬口的推进含水率变化幅度降低可能是气温变化引起的。添加生物炭的处理(MC1和MC2)土壤水分具有较低波动幅度，其中处理MC0变化幅度分别为12.4%～29.0%、18.1%～28.9%和19.6%～28.8%，处理CK变化幅度分别为10.5%～27.2%、15.7%～27.5%和20.9%～26.8%，而处理MC1第1、2、3茬变化幅度为15.4%～30.4%、21.0%～30.3%和21.4%～30.4%。从周年平均含水率分析，处理MC2条件下含水率最高，为26.2%，其次为处理MC1的25.2%，均显著高于处理MC0的24.1%和CK的22.7%。由此可见，有机肥配施生物炭不仅可以降低0～20 cm土层水分变化幅度，而且可增加土壤含水率，分析原因主要是生物炭具有高表面积，当加入土壤时，土壤表面积增加，对土壤整体的吸附能力有益，随后提高土壤保水性。

2.2 菜心耗水量

由表1可知，处理MC1种植前的0～70 cm土层贮水量相比其他处理无显著性差异，但在收获时的土壤贮水量则显著增加。与处理MC0、MC2和CK相比，处理MC1收获后的土壤贮水量分别增加5.4%～12.9%、15.7%～31.9%和3.9%～16.9%(P<0.05)。而处理MC2与MC0相比，第1茬、第2茬和第3茬收获时土壤贮水量无显著差异。这说明有机肥配施低量生物炭可提高0～70 cm土层贮水量，而配施高量生物炭0～70 cm土层贮水量反而降低，由于高量生物炭处理的0～20 cm土层含水率较处理MC0显著升高(P<0.05，图1)，因此加入高量生物炭可抑制水分下渗，降低20～70 cm土层贮水量。

表1 有机肥配施生物炭对菜心耗水量的影响Tab.1 Influence of organic fertilizer combined with biochar on water consumption mm

注：同茬中，同一列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。下同。

从耗水量看，不同处理在各茬中的耗水量由大到小均表现为CK、MC0、MC2、MC1，配施生物炭处理耗水量均小于单施有机肥及对照处理。其中处理MC1周年耗水量较处理MC2、MC0和CK分别降低3.6%、6.8%、13.7%(P<0.05)，处理MC2与MC0相比周年耗水量降低3.4%(P<0.05)。

2.3 菜心生长指标

将有机肥和生物炭在第1茬菜心种植前一次性加入土壤中来探索有机菜心的周年变化，发现各处理随茬口的推进生长指标和产量呈下降趋势，如图2所示，可能是随着茬口的推移，土壤养分持续降低造成的。在不同处理下，各生长指标具有相似的变化规律，处理MC1最高，显著大于其他各处理(除第3茬株高外)。其中第1茬，处理MC1与常规施肥MC0相比，株高、叶片数和叶围面积分别提高32.2%、21.1%和17.9%(P<0.05)；而处理MC2与MC0相比，菜心叶围面积和叶片数虽呈降低变化，但株高却显著增加(P<0.05)。这表明有机菜田中配施生物炭对菜心生长有明显促进作用，但生物炭用量与菜心生长间并不呈正相关，以配施低量生物炭的效果更优。

图2 有机肥配施生物炭对菜心生长的影响Fig.2 Influence of organic fertilizer combined with biochar on growth of flowering Chinese cabbage

2.4 菜心产量及水分利用效率

不同处理下菜心产量和生物量变化规律相似(数据未显示)，其中处理MC1最高，显著高于MC0和CK处理。与MC0和CK相比，处理MC1的菜心周年产量分别增加59.1%和2 182.7%，生物量分别增加36.7%和608.7%。处理MC2与MC0相比，菜心的周年产量显著增加，但与MC1相比反而降低。由此分析，配施生物炭可显著提高菜心产量，且低量生物炭处理的效果更优、更稳定。

从水分利用效率角度分析，各处理产量水分利用效率由大到小表现为MC1、MC2、MC0、CK。处理MC1与CK相比，周年水分利用效率提高2 264.8%，与MC0和MC2相比也分别提高75.7%和49.8%。处理MC1还具有提高菜心生物量水分利用效率的作用，与处理MC2、MC0和CK相比，分别提高45.4%、46.6%和720.1%。处理MC2下产量水分利用效率较MC0高，但低于MC1处理。总体

而言，有机肥配施生物炭不仅增加菜心产量，而且提高水分利用效率，以低量生物炭处理的作用更大。

2.5 菜心营养品质

硝酸盐含量为评价蔬菜安全的指标，本试验中各处理菜薹硝酸盐质量比为0.24～1.53 mg/g(表2)，远低于国家对无公害蔬菜安全要求的标准。生物炭配施的培肥模式菜薹硝酸盐含量低于单施有机肥培肥模式，与MC0相比，处理MC1的第1、2、3茬菜薹硝酸盐含量降低44.3%、20.0%和27.0%，处理MC2分别降低27.5%、16.1%和9.3%。维生素C(Vc)为评价菜薹营养品质的重要指标。处理MC2和MC1与MC0相比，菜薹维生素C无显著性差异。总体而言，配施生物炭培肥模式降低硝态氮含量，保持菜薹中的维生素C含量，具有较佳的菜薹品质。

表2 配施不同量生物炭对菜心品质的影响Tab.2 Influence of different amount of biochar on quality of flowering Chinese cabbage

注：ADI表示我国蔬菜的硝酸盐允许量。

3 讨论

3.1 配施生物炭下土壤水分的变化

水是维持植物生命活动的重要物质，是植物制造有机物质不可或缺的基础[12,15]。文献[12]表明，持续稳定的适宜水分供给具有显著的增产提效作用，但有机蔬菜生产中，表层土壤水分变化剧烈，严重制约着有机蔬菜产业的发展[14]。HAIDER等[16]发现，生物炭可协调作物需水和土壤供水间的矛盾，增加土壤保水性能，提高作物水分利用效率。从本试验结果看，各茬土壤含水率峰值出现次数与灌水次数相同，且均在灌水当天出现，说明灌水为影响土壤水分的重要因素。试验期间各小区灌水相同，处理MC1和MC2的0～20 cm土层周年含水率分别在15.4%～30.4%和15.6%～31.2%区间变化，低于传统单施有机肥处理(MC0)的变化幅度(12.4%～29.0%)，而平均含水率分别高出MC0处理4.7%和8.6%(P<0.05)。表明生物炭可提高有机菜地表层含水率、降低水分变化幅度。

有研究认为，生物炭保水作用是持水性与斥水性相互作用的结果[17-19]，持水性为吸附和固定水分的能力[5-6]，增加土壤含水率[20]，斥水性指生物炭添加的土壤无法被水湿润的现象[17]。灌水在斥水的土壤表面时，水珠停留在地表数小时不能入渗，以蒸发的形式损失，降低了土壤含水率[21]。大多数生物炭中，95%的孔隙直径小于0.02 μm，而有机菜地以施用有机肥为主，耕层土壤容重低，孔径大，当生物炭用量高时，将阻塞土壤的原有孔隙，阻止灌水下渗，表现为强斥水性[22-24]。本试验中，处理MC2与MC1相比，0～20 cm土层周年含水率增加3.8%(图1)，而收获后(0～70 cm)土壤贮水量平均降低8.6%(P<0.05)。试验用地平整，地下水位高，无地下水补给，说明高量生物炭具有强的持水性，可提高0～20 cm土层含水率，而斥水作用和细粒子结构阻塞了灌溉水下渗[25]，增强土壤表面蒸发[22,26]，因此降低了下层含水率，从而降低收获期贮水量(表1)。

3.2 配施生物炭下有机菜心产量及品质的变化

适宜的较高水分供应是促进植株生长，提高产量的关键所在。本试验条件下，处理MC1和MC2株高和周年产量较处理MC0显著增加(P<0.05)。可见，与常规施肥相比，配施生物炭可显著促进菜心生长，增加其产量。研究表明，生物炭实际可供作物利用的养分含量并不多，可促进作物生长原因可能为其表面积高，当加入土壤时，土壤表面积增加，对土壤整体的吸附力有益，随后提高土壤保水性[27]。李绍等[28]发现，较高的土壤水分供应可提高植株叶片中RuBP羧化酶活性，继而提高植株光合潜力和生产潜能。处理MC1和MC2菜薹硝酸盐含量较MC0相比均显著降低(表2)。由此可见，相对于传统单施有机肥培肥模式，生物炭培肥为提高有机菜心产量提供了新的技术途径。

生物炭用量与菜心生长及产量间并不呈正相关。处理MC1生长指标、生物量和产量均达最大值，显著高于CK、MC0和MC2；而处理MC2与MC1相比各生长指标、生物量和产量均显著降低(P<0.05，图2)。关于适量生物炭可更有效地促进作物生长，提高作物产量也有一些报道[19]，如UZOMA等[11]将生物炭应用于砂质土壤中发现，当生物炭用量为15 t/hm2和20 t/hm2时，玉米产量分别提高150%和98%(P<0.05)。KISHIOMOTO等[29]在土壤中添加生物炭0.5 t/hm2时，大豆产量可以提高50%，然而随着生物炭用量增加，产量反而呈减小趋势。究其原因是高量生物炭处理具有强的吸附性，可降低水分的生物有效性，大量的细粒子结构增加0.000 3～0.03 μm的孔隙数量，而大多数植物不能从小于0.2 μm的孔隙中提取土壤水[23-24]。同时其斥水性降低深层土壤含水率，导致深层土壤可补给的水分量降低，因此抑制作物生长，降低作物产量。

另外，生物炭具有较高的碳氮比(本试验生物炭碳氮比为72.3)，施用高量生物炭(处理MC2的碳氮比为35.5)使得微生物对氮产生强烈的生物固定[30]，导致氮的生物利用率降低[31]，进而对作物生长产生负效应。

3.3 配施生物炭下菜心耗水及水分利用效率的变化

试验中，菜心耗水量随生物炭用量的增加呈先增加后降低的变化趋势(表1)，其中以处理MC1最高，显著高于MC0，而处理MC2与MC0相比无显著性差异。这与HAIDER等[16]研究结果一致。MC1处理的0～20 cm土层含水率较高，菜心生长旺盛(图1)，地表裸露率降低，因此土壤表层蒸发减少，贮水量增加(表1)。另外，生物炭可改善耕层土壤结构，改变灌水入渗过程，增加水分入渗量[24]，最终增加土壤贮水量。种植前，各处理土壤贮水量无显著差异，收获后MC1的平均贮水量分别比处理MC0、MC2和CK增加12.3%、8.6%和20.2%(P<0.05)，因此能够降低菜心周年耗水，并可显著提高菜心水分利用效率，其中处理MC1与MC0相比，生物量水分利用效率可提高46.6%(P<0.05)，产量水分利用效率可提高75.7%(P<0.05)。可见，相对于单施有机肥培肥模式，配施低量生物炭不仅降低有机菜心耗水量，并显著提高水分利用效率。

4 结论

(1)配施8.5 t/hm2和17 t/hm2生物炭与单施有机肥相比，0～20 cm土层水分波动小，而平均含水率分别提高4.7%和8.6%(P<0.05)，0～70 cm土壤贮水量分别提高12.3%与3.4%，说明有机菜田中配施生物炭的培肥模式可提高0～20 cm土层含水率，降低水分变化幅度，最终增加0～70 cm土壤贮水量。

(2)生物炭配施量为8.5 t/hm2时，菜心株高、叶片数、叶围面积均为各处理最高，生物量比常规施肥分别提高36.7%，且为各处理最高，而配施17 t/hm2生物炭的生物量显著低于配施8.5 t/hm2生物炭，说明有机菜田配施低量生物炭为促进作物生长的最优模式。

(3)配施8.5 t/hm2生物炭产量及产量水分利用率比常规施肥分别提高59.1%和75.7%的同时，硝酸盐含量显著降低。而配施17 t/hm2生物炭周年产量虽增加，但显著低于配施8.5 t/hm2生物炭。因此配施低量生物炭的配施模式不仅能确保有机菜心高产，而且可显著提高水分利用效率，保证菜心品质。