生物炭对设施土壤化学性质及黄瓜产量品质的影响

石晓宇　张婷　贾浩　掲晓婧　王冲　李硕　商蒙非　常振凯　褚庆全

摘要：为探究生物炭对设施土壤的改良作用，2014年和2015年通过田间试验，分别研究施用不同用量的生物炭对设施土壤化学性质及黄瓜生产的影响。研究表明，不同生物炭施用量对土壤速效钾和硝态氮含量作用效果差异显著，当季施用生物炭的处理明显增加土壤速效钾含量60〜152 mg/kg，有效減缓了速效磷的下降趋势14.57%〜18.42%，与对照相比提高了土壤有机碳的含量1.76〜2.59倍，土壤pH值提高了0〜0.22个单位，生物炭对降低表层土壤的电导率效果显著。施用生物炭能够增加黄瓜的产量和品质，果实中维生素C含量提高5.64%〜13.26%，可溶性糖含量提高17.21%〜40.73%，硝酸盐含量降低0.94%〜8.34%。当季施用生物炭明显提高了土壤中有效养分的含量和黄瓜产量，改善了黄瓜品质，而施用生物炭1年后促进效果减弱。

关键词：生物炭;土壤化学性质;设施;产量品质

中图分类号：S318  文献标志码：A  论文编号：cjas18060017

0引言

设施栽培实现了蔬菜的反季种植，带来了很大的经济效益。但在生产中出现了为追求高产而过量施肥的现象，容易引起土壤板结、酸化和次生盐渍化等土壤障碍，影响蔬菜的产量和品质。生物炭是一种利用秸秆等农林废弃物，在限氧低温（350〜500℃）条件下热解炭化产生的高度芳香化难熔性固态物质，具有高比表面积、孔隙度大、呈碱性等优良性质。生物炭不仅实现了大量废弃秸秆的资源化利用，还可作为土壤改良剂改善土壤理化性质。研究发现，施用不同用量的生物炭后，土壤理化性质将会发生不同变化。曾爱等m研究生物炭对碱性土壤的改良作用，发现高施用量处理（20 t/hm）比低施用量处理（1 t/hm）更能提高土壤有机碳和速效钾含量，但在低施用量处理中碱解氮和有效磷含量显著提升。生物炭效应的持续时间也受到了研究者的关注。张斌等通过2年稻田试验发现，施用生物炭的处理次年全氮含量相比对照增加了10.7%〜13.4%。目前，生物炭研究主要针对小麦和水稻等粮食作物，在设施土壤和蔬菜方面的应用研究较少。设施蔬菜土壤由于施肥不当易造成土壤酸化和盐渍化等，利用生物炭发达的孔隙结构和比表面积大的优点，预期可以适当缓解土壤障碍，改善土壤理化性质，进而提高蔬菜的产量和品质。本研究通过田间试验，设置不同的生物炭施用梯度，探讨生物炭当季施用和施用1年后对设施连作障碍土壤的改良效应，以及对黄瓜生长的影响，以期为秸秆资源化利用提供理论和实践基础。

1材料与方法

1.1试验地点

研究地点位于北京市昌平阳坊镇后沙涧村的蔬菜温室，该温室连续种植18年蔬菜，土壤质地为轻质砂壤土。供试生物炭购自辽宁金合福农业开发有限公司，为棉花秸秆、锯末和花生壳3种生物炭的混合物，含水率46%，表1为生物炭和设施土壤种植前的基本性质。在黄瓜生育期内常规施肥，种植前将不同用量的生物炭平铺在划定的小区上，人工施加过磷酸钙、尿素和无机肥等，并用旋耕机将之一并旋入土壤中。由于本试验分2年探讨不同用量生物炭对设施土壤的改良作用，所以分2年设置不同CK用于对照，2014年的对照处理为CK1，2015年的对照处理为CK2。

1.2试验设计

试验主要分为2个部分：（1）在2014年施用生物炭，2015年不追施生物炭，研究生物炭在土壤中持续1年后对土壤性质的影响，处理为CK1（0 t/hm）、T1（10 t/hm）和T2（20 t/hm）;（2）在2015年种植前施用生物炭，研究生物炭当季施用对土壤性质的影响，处理为CK2（0 t/hm）、T3（5 t/hm）和T4（15 t/hm）。试验共设置6个处理，3次重复，共18个小区，随机区组排列，小区面积为10 m（5 m×2 m）。试验时间为2015年4一7月，种植一季黄瓜，品种为‘中农16号’。每区黄瓜50〜52株，米用宽窄行栽培。

1.3测定指标

在黄瓜生育期内，测定0〜20 cm土层土壤的化学性质和黄瓜产量品质性状指标。土壤pH值采用去离子水浸提（水土比5：1）pH计测定;土壤EC采用去离子水浸提（水土比5：1）电导率仪测定;有机碳采用重铬酸钾容量法测定;硝态氮采用0.01 mol/L CaCl浸提后，流动分析仪法测定;土壤速效磷采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定;土壤速效钾采用1 mol/L中性醋酸铵浸提-火焰光度计法测定。结瓜期每隔1〜2天采收黄瓜，累加计算每小区的总产;黄瓜硝酸盐含量采用浓H2SO4-水杨酸法测定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定;维生素C含量采用钼蓝比色法测定。

1.4数据分析

采用Microsoft Excel 2013软件对数据进行统计分析和作图，利用SPSS Statistics 21统计分析软件对数据进行差异显著性检验（Duncan法，α=0.05）。

2结果与分析

2.1土壤速效磷

在黄瓜生育期内，定植期到结瓜期吸收磷元素较大，0〜20 cm土层的土壤速效磷含量整体呈下降趋势。施用生物炭提高了土壤中速效磷含量，且2015年当季施用的效果明显。在黄瓜生育期内，T3、T4的土壤速效磷含量下降79.86〜83.62 mg/kg，明显小于施炭1年后T1、T2速效磷含量下降幅度94.67〜138.85 mg/kg（图1）。当季施炭T3、T4处理与对照CK2相比，减缓了速效磷的下降幅度14.57%〜18.42%。而施炭1年后的T1、T2处理土壤速效磷含量的下降趋势与对照相比增加了25.53%〜46.67%。

2.2土壤速效钾

在黄瓜生育期内，黄瓜在结瓜期对钾元素需求量大。种植一季黄瓜后，2015年当季施炭T3、T4的土壤速效钾含量明显增加，T4处理的速效钾含量显著高于CK2和T3，而施炭1年后T1、T2的土壤速效钾含量下降（图2）。生物炭施用明显增加了土壤中的速效钾含量，不同施用量的生物炭对设施土壤0〜20 cm土层的速效钾含量影响显著（P<0.05）。在黄瓜拉秧后，当季施炭T3、T4的土壤速效钾含量明显增加59.93〜151.98 mg/kg，变化幅度是对照CK2含量变化的5〜13倍。而施炭1年后，T1、T2处理含量低于对照CK1。

2.3土壤硝态氮

在黄瓜生育期内，0〜20 cm土层的土壤硝态氮含量总体呈下降趋势，在结瓜初期的含量最低。种植一季黄瓜后，土壤硝态氮含量下降5.20〜95.15 mg/kg（图3）。生物炭不同施用量处理对设施土壤硝态氮含量影响差异显著（P<0.05），其中，当季施炭的T3、T4处理土壤硝态氮含量平均值分别为76.90、77.15 mg/kg，高于其他施炭T1、T2处理。2015年当季施炭T3、T4土壤硝态氮含量高于CK2，土壤硝态氮含量明显增加。

2.4土壤有机碳

施用生物炭增加了土壤中的有机碳含量，当季施炭T3、T4处理的土壤有机碳含量增加5.83〜8.61 g/kg，增幅是对照CK2的1.76〜2.59倍（图4）。在黄瓜种植前，2014年施炭处理T1、T2土壤有机碳含量为27〜30 g/kg，均高于对照CK1。在黄瓜拉秧后，T3、T4处理的土壤有机碳含量在29〜31 g/kg之间，也显著高于CK2（P<0.05）o但不同施用量的生物炭处理对0〜20 cm土层的土壤有机碳含量的影响未达到显著水平（P>0.05）。

2.5土壤pH值

从黄瓜整个生育期来看，土壤pH值变化呈倒“V”型分布，结瓜初期最高，pH值整体分布在7〜8，呈中性到弱碱性。种植一季黄瓜后，土壤总体pH值变化不大。由于生物炭本身呈碱性，pH 9.40，施用生物炭T1〜T4处理的土壤pH值总体高于对照CK1、CK2，T1处理土壤pH值最高为7.53，与对照相比提高了0〜0.22个单位（图5）。生物炭的具体施用时间对土壤pH值变化影响不大，当季施炭T3、T4土壤pH值升高趋势并不明显。

2.6土壤电导率

在黄瓜生育期内，土壤电导率（EC）自定植期后呈缓慢上升趋势，EC值总体分布在100〜300µS/cm之间。施用生物炭处理T1〜T4的土壤EC值低于對照CK1、CK2，说明生物炭能有效降低土壤的电导率，减轻土壤盐害（图6）。2015年当季施用生物炭T3、T4处理降低了土壤EC值55.94〜63.03 US/cm，降低幅度是对照CK2的2倍左右，生物炭当季施用对降低表层土壤电导率的效果显著（P<0.05）。施炭1年后的T1、T2处理的土壤电导率与对照相比降低了1%〜24%。

2.7施用生物炭对黄瓜产量与品质的影响

当季施炭T3、T4处理的黄瓜总产量高于对照，比对照提高了2%〜7%，而施炭1年后，T1、T2处理对黄瓜的产量无明显提高作用。黄瓜单瓜重在不同生物炭处理间的差异不显著，平均值为179.34g（表2）。当季施炭T3、T4处理的黄瓜维生素C、可溶性糖含量分别高于对照处理5.64%〜13.26%、17.21%〜40.73%，硝酸盐含量低于对照0.94%〜8.34%，说明施炭当季可以提高黄瓜果实中的维生素C和可溶性糖含量，降低黄瓜硝酸盐含量，总体上改善了黄瓜品质。而施炭1年后，T1、T2的黄瓜维生素C和可溶性糖含量分别高于和低于对照处理1.06%〜2.74%、18.43%〜23.56%，硝酸盐含量高于CK1处理0.08%〜19.04%，黄瓜的品质有所下降，生物炭的促进效果不明显或略有下降。

3结论

生物炭当季施用提高了土壤有效养分含量，施用1年后生物炭的促进作用减弱。其中，2015年当季施用生物炭T3、T4的土壤速效磷、速效钾和有机碳含量明显高于对照CK2。T4（15 t/hm）处理的土壤速效钾和硝态氮含量显著高于其他处理。与对照相比，生物炭减缓了土壤速效磷含量的下降幅度14.57%〜18.42%，分别提高了速效钾和有机碳含量4.25〜12.31、1.76〜2.59倍，增加了土壤pH 0〜0.22个单位，生物炭对降低表层土壤EC效果显著。而施炭1年后，土壤速效磷和速效钾含量随植物吸收而明显下降。当季施用生物炭能有效促进黄瓜生长，提高黄瓜果实的产量和品质，而施炭1年后其促进作用表现并不明显。当季施炭提高了黄瓜品质，其中，果实中维生素C含量提高5.64%〜13.26%，可溶性糖含量提高17.21%〜40.73%，硝酸盐含量降低0.94%〜8.34%。

4讨论

生物炭在农业方面的应用，多数集中在酸性、养分缺失的热带和亚热带地区，但是生物炭在无明显养分限制因素的温带地区上的应用研究较少。并且对生物炭的研究多采用温室盆栽的试验方式，作物生长周期较短，主要关注生物炭对作物生物量和土壤性质的短期作用，其试验结果无法直接递推到田间上应用。目前，仍缺乏关于生物炭在大田尺度上的长期定点试验方面的研究。在后期的相关研究中，需要重点关注生物炭在土壤中的长期效应，综合分析其对土壤物理结构、化学性质，以及土壤微生物方面的影响。整体考虑生物炭的种类和施用量，对土壤性质以及不同类型的作物产生的具体影响。

4.1当季施用生物炭和施用1年后对土壤养分的作用效果

当季施炭改善了土壤的养分状况，推测由于生物炭的原料本身秸秆养分较高，施炭当季直接供应有关养分，明显增加了土壤中的有机碳、速效磷和速效钾含量，与Kloss等的研究结果一致。在土壤中施用碱性的生物炭后，生物炭的石灰效应能明显提高酸性土壤的pH值，改善酸性贫瘠土壤的养分状况。而生物炭在无明显土壤障碍的温带土壤中的应用表明，其促进效果不如在酸性土壤中明显。在本研究中，黄瓜生育期内的土壤pH值基本呈中性到弱碱性，设施土壤本身长期施用有机肥和无机肥，无明显的养分障碍，生物炭对提高该土壤pH值和养分因子有效性作用较小。

施用生物炭1年后对土壤化学性质的影响均不如当季效果显著，推测生物炭在中性土壤中的效果可能是短期的。Quilliam等研究施用25 t/hm和50 t/hm生物炭3年后，生物炭在近中性的无明显障碍的土壤中，表现出无显著的正向效应，而连续施用新鲜生物炭与对照相比则差异显著，表明生物炭对土壤的作用可能是短期的。同时土壤pH值呈中性或碱性，可能影响了生物炭对氮磷有效性的作用。

4.2生物炭施用影响黄瓜生长的原因

生物炭通过改变土壤理化性质，影响作物对土壤养分的吸收，从而对其产量和品质产生一定的影响。而本研究中，生物炭不同施用量和施用时间对黄瓜的生长性状影响均不显著，推测可能有以下2个原因：（1）生物炭对土壤pH值的改变较小。生物炭可以通过提高酸性土壤的pH值，降低土壤酸度，促进作物生长。但生物炭对近中性或碱性的土壤pH值改变不明显，本试验土壤呈近中性，满足黄瓜生长所需的中性到微酸性土壤酸度要求，所以无明显改善作用。（2）生物炭对土壤理化性质的改变并不显著。土壤中无明显的养分缺失和障碍问题，生物炭对土壤养分的提高作用可能并不足以显著促进黄瓜的生长。

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