生物质炭与氮肥配施对雨养娃娃菜水肥土及经济效益的影响

曹少娜，李玉莲，张倩男，李 颖，王 倩

（宁夏农林科学院固原分院 宁夏 固原 756000）

生物质炭（生物炭或生物黑炭，biochar）是由植物生物质（或生物有机材料）在无氧或者部分缺氧情况下经300～600 ℃高温热裂解后产生的一类高度芳香化难溶性固体产物，具有富碳、高孔隙、高比表面积、强吸附性等特征。近年来，生物质炭作为环境友好型土壤改良剂逐渐成为土壤改良和土壤修复方面的研究热点。已有研究表明，施加适量生物质炭能有效改善土壤理化性质，提高产量，改善品质，提高土壤的矿质养分含量和持水量，降低重金属在土壤中迁移性和有效性，减少NO 气体减排，提高土壤微生物的种群结构多样性等。研究表明，稻秆炭对小青菜的增产效果随施用量的增加呈先增加后降低的趋势，当施用量为20 t·hm时，小青菜增产效果最好。生物质炭用量超过50 t·hm才会对土壤或作物生长有明显的改良效果，有的更是高达80 t·hm。也有不同观点认为施用生物质炭对产量影响不显著，甚至呈负相关。因此，探究生物质炭的不同施用量对蔬菜产量和土壤改良效果至关重要。雨养农业是指单纯依靠天然降水为水源的农业生产，但就目前而言，对于生物质炭的研究主要集中于粮食作物和偏酸性土壤上，而对于西北冷凉高寒区的雨养蔬菜和偏碱性土壤研究报道较少，因此，笔者通过田间试验，设置了不同的生物质炭施用梯度与氮肥配施，探究生物质炭施用当季对雨养娃娃菜水肥土的响应，以期更好地推进生物质炭作为连作土壤改良剂在生产中的应用。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020 年5 月12 日至7 月31 日在宁夏农林科学院固原分院观庄基地进行。基地位于隆德县观庄乡前庄村，研究区海拔约2300 m，年平均气温5.3 ℃，年降水量502 mm，属大陆季风气候，≥10 ℃的年积温约1700 ℃，无霜期约为125 d。供试土壤为黑垆土，土壤呈弱碱性，团粒结构较好。试验前土壤0～20 cm 土层基本理化性质为：pH 值7.83、容重1.07 g·cm、CEC 值14.08 cmol·kg、总孔隙度59.14%、有机质含量（，后同）33.43 g·kg、碱解氮含量123.00 mg·kg、速效磷含量5.03 mg·kg、速效钾含量183.33 mg·kg。

1.2 材料

供试生物质炭由宁夏荣华生物质新材料科技有限公司提供，生物质炭生产原料为玉米秸秆，炭化温度约为450 ℃，基本理化性质如下：pH 值9.50、容重0.47 g·cm、CEC 值13.83 cmol·kg、总碳69.57 g·kg、总氮3.98 g·kg、碱解氮167.67 mg·kg、有效磷284.33 mg·kg、速效钾661.00 mg·kg。供试娃娃菜品种为金皇后，由固原丰乐园农业科技有限公司提供。所施氮肥为尿素（含N 46%）300 kg·hm，磷肥为过磷酸钙（含PO12%）75 kg·hm，钾肥为硫酸钾（含KO 52%）300 kg·hm。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，共设8 个处理，分别记为T1（未施N 肥，未添加生物质炭）；T2（未施N肥，添加生物质炭10 t·hm）；T3（未施N 肥，添加生物质炭20 t·hm）；T4（未施N 肥，添加生物质炭30 t·hm）；T5（施N 肥，未添加生物质炭）；T6（施N 肥，添加生物质炭10 t·hm）；T7（施N肥，添加生物质炭20 t·hm）；T8（施N 肥，添加生物质炭30 t·hm）。每处理3 次重复，共24 个小区，小区面积24 m（6 m×4 m）。除氮肥外，各施肥处理磷肥、钾肥和生物质炭混匀后作为基肥一次性施入。氮肥分次施入，基肥、结球期分别占总施氮量的40%和60%。再用旋耕机旋地，最后利用机械起垄覆膜。每小区起4 垄，垄宽80 cm，沟宽50 cm，采用一垄三行栽培模式。其中，株距25 cm，行距30 cm，每小区定植204 株。整个生育期病虫害防治等田间管理措施与当地传统管理措施保持一致。

1.4 测定指标和方法

土壤理化性质和土壤酶活性的测定：施基肥前和收获后用S 法采0～20 cm 混合土样，风干，过0.25 mm 筛测定土壤基础理化性质（主要是碱解氮、速效磷、速效钾、容重、有机质、总孔隙度、pH 和CEC）和土壤酶活性（脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶），参照关松荫的方法测定。

氮养分含量测定：取娃娃菜全株，分为地上部和地下部，分别在105 ℃杀青0.5 h 后75 ℃烘干再用高氯酸-硫酸消煮，测定氮养分含量。

娃娃菜产量的测定：在采收时每小区随机选取20 株娃娃菜测其产量。

娃娃菜的水肥利用效率计算：水分利用效率是指作物经济产量与耗水量之比，其公式为WUE=Yd/ET，式中，WUE 为水分利用效率；Yd 为作物经济产量；ET 为作物总耗水量，其计算采用农田水分平衡法计算，=×××10，式中，为贮水量，为土壤水分质量分数，为土壤容重，为土层深度；ET=+，式中，ET 为阶段耗水量，为降水量，为时段内土壤贮水量的变化。

氮素吸收量=氮素含量/%×干物质质量；

氮素吸收效率/（kg·kg）=植株氮素吸收量/施氮量；

氮素利用效率/（kg·kg）=经济产量/植株氮素吸收量；

氮肥农学效率（NUE）=（施氮处理经济产量-不施氮处理经济产量）/施氮量。

1.5 数据处理

试验数据采用SPSS 17.0 进行统计学分析，采用单因素方差分析显著性差异，多重比较采用最小显著极差法（LSD）表示；采用WPS 2019 作图分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理不同生育期贮水量和耗水量的变化

由表1 可知，T2 处理苗期贮水量显著高于其他处理，达41.69 mm，其次是T7 处理，为36.60 mm，最小的为T8 处理；T7 处理莲座期贮水量为40.01 mm，显著高于其他处理，最小的为T8 处理；T5 处理结球期贮水量最大，为29.85 mm，但与T4、T7 处理无显著性差异；T8 处理收获期贮水量显著低于T1～T4处理。总体来看，结球期贮水量较小，表明娃娃菜结球期生长耗水量较大。

表1 不同处理不同生育期贮水量和耗水量的变化

T7 处理苗期-莲座期耗水量最大，达32.51 mm，其次是T4 处理，可能是T7 处理植株本身生长较为茂盛导致水分蒸发也比较多的缘故。T1、T3 处理和T7 处理莲座期-结球期耗水量显著低于其他处理，T8 处理耗水量最大，为55.15 mm，表明耗水量、贮水量与作物的生育期有明显的相关性。T5～T8处理结球期-收获期耗水量低于T1～T4 处理，表明氮肥与生物质炭配施可以降低该阶段土壤耗水量。

2.2 不同处理对娃娃菜产量、总耗水量及水分利用效率的影响

由表2 可知，T7 处理娃娃菜产量最高，达114 564.00 kg·hm，与T5 处理无显著性差异，但与其他处理差异显著。在降水量一定的情况下，T4 处理总耗水量最大，为156.40 mm，其次为T1 处理，达151.14 mm，但两者间差异不显著，总耗水量最小的为T2 处理，仅为141.85 mm。T7 处理水分利用效率最大，达794.41 kg·hm·mm，比其他处理分别提高56.31% 、12.03% 、37.09% 、22.43% 、3.60% 、17.00%、20.99%。

表2 不同处理对娃娃菜产量、总耗水量及水分利用效率的影响

2.3 不同处理对娃娃菜氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥农学效率（NUE）的影响

由表3 可知，T8 处理娃娃菜氮素吸收量和氮素吸收效率分别为0.97 kg 和0.90 kg·kg，显著低于其他施氮处理；但T8 处理氮素利用效率却显著高于其他施氮处理，达到了782.87 kg·kg。在施同等氮肥条件下，T5 处理氮肥农学效率最高，达到了244.10 kg·kg，其次是T7 处理为197.70 kg·kg，且两者之间无显著性差异。

表3 不同处理对娃娃菜氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥农学效率的影响

2.4 不同处理对土壤理化性质的影响

由表4 可知，其他处理pH 分别比T1 处理提高了1.87%、5.15%、6.24%、5.64%、6.36%、5.88%、5.15%，可能是由于生物质炭本身呈现碱性的缘故。T8 处理容重最小，为1.12 g·cm，分别比T5～T7 处理降低了5.08%、5.88%、5.08%，可见，配施氮肥时，添加30 t·hm生物质炭可降低土壤容重。各处理CEC 值无显著性差异。T8 处理总孔隙度和有机质含量最大，分别为60.77%和46.87 g·kg，比T1 处理分别提高3.35%和42.33%，比T5～T7 处理分别提高了1.62%以上和15.07%以上，表明添加30 t·hm生物炭与未施生物质炭的处理相比，可提高土壤总孔隙度和有机质含量。T8 处理的碱解氮、速效磷、速效钾含量均最高，分别为112.33、18.35、190.67 mg·kg。其中，速效磷含量、速效钾含量显著高于其他处理。

表4 不同处理对土壤理化性质的影响

2.5 不同处理对土壤酶活性的影响

由表5 可知，T6 处理脲酶活性最高，为2.02 mg·g·24 h，显著高于T7 处理，但与其他处理无显著性差异。T2 处理过氧化氢酶活性最高，为1.40mg·g·min，其次是T7处理，为1.23mg·g·min，T2与T7 处理无显著性差异，但显著高于其他处理，表明氮肥对过氧化氢酶活性无规律性影响，配施10 t·hm生物质炭或氮肥与20t·hm生物质炭配施可提高过氧化氢酶活性。T1 处理酸性磷酸酶活性显著低于T2～T4 处理，表明不施氮肥施加10～30 t·hm生物质炭可有效提高酸性磷酸酶活性38.41%～59.73%，氮肥与生物质炭配施处理提高酸性磷酸酶活性58.68%～62.37%。T8 处理蔗糖酶活性 为85.27 mg·g·24 h，显著高于T4 处理，但与其他处理无显著性差异，表明施生物质炭30 t·hm情况下，施氮肥有助于提高蔗糖酶活性，否则会降低活性。

表5 不同处理对土壤酶活性的影响

2.6 土壤酶活性与土壤理化性质之间的相关关系

由表6 可知，土壤中酸性磷酸酶活性与pH 呈极显著正相关，与速效磷含量呈显著正相关，而其他3 种土壤酶活性与土壤理化性质无显著性关系。这可能与土壤酶活性都有最适的pH 范围有关，在pH 过高或过低的环境中，酶活性会不可逆地失活有关。

表6 土壤酶活性与土壤理化性质之间的相关关系

2.7 不同处理经济效益的变化

经济效益与产量有着较大关系。如表7 所示，T7 处理娃娃菜产量和产值均达到最大，分别为114 564.00 kg·hm和137 476.86 元·hm，但与T5处理无显著性差异。T5 处理娃娃菜纯利润最大，为101 991.31 元·hm。这是因为化肥、生物质炭用量及人工不同，导致成本不同，所产生的纯利润也不同。

表7 不同处理的经济效益

3 讨论与结论

本试验研究中，在水肥利用方面，对比分析8个处理娃娃菜的所有生育期可以看出结球期的土壤贮水量均最小，表明娃娃菜在结球期叶球逐渐增大耗水量也在逐渐增大，耗水量、贮水量与作物的生育期有明显的相关性，这与前人研究结果一致。而T5～T8 处理结球期-收获期耗水量低于T1～T4 处理，表明氮肥与生物质炭配施可以适当降低娃娃菜阶段耗水量。T7 处理产量最大，达114 564.00 kg·hm，水分利用效率也最大，达794.41 kg·hm·mm，比其他处理提高56.31%、12.03%、37.09%、22.43%、3.60%、17.00%、20.99%，这与刘铭龙等、陈智伟等研究结果相同，可能是生物质炭表面的官能团具有亲水性的缘故。

在氮素利用方面，施等量氮肥条件下，T8 处理氮素利用效率显著高于T5～T7 处理，达到了782.87 kg·kg，表明氮素利用效率随着生物质炭施用量的增加而逐渐升高，分析原因可能是生物质炭能够吸附土壤中未被作物利用的氮素，减少了氮素在土壤中的淋失、促进了蔬菜对土壤养分的吸收利用。但过高的施用量可能因炭过多而影响氮素有效性，Jaiswal 等研究表明当施炭量超过一定量时，其效应甚至低于没有添加生物质炭的处理。

在土壤理化性质方面，T8 处理容重比其他处理降低了5.08%～11.81%，总孔隙度和有机质含量分别比T1 处理提高了3.35%和42.33%，比T5～T7 处理分别提高了1.62%以上和15.07%以上。可见，施30 t·hm生物炭与未施生物质炭的处理相比，可提高土壤总孔隙度和有机碳含量。因为生物质炭本身呈现碱性，施用大量的生物质炭后，容易造成土壤的碱化，本试验中施加10～30 t·hm生物质炭pH提高了0.14～0.50。T8 处理速效磷含量、速效钾含量显著高于其他处理，可能是由于生物质炭巨大的比表面积和丰富的孔洞结构，能减少养分淋溶，增强养分吸持容量的缘故。氮肥对脲酶、过氧化氢酶活性无规律性影响，但施加10～30 t·hm生物质炭均可有效提高酸性磷酸酶活性38.41%～62.37%；对于蔗糖酶则是T8 处理（施N 肥，添加生物质炭30 t·hm）更有利于酶活性的提高。酸性磷酸酶活性与pH、速效磷含量分别呈极显著相关和显著相关，而其他3 种土壤酶活性与土壤理化性质无显著性关系，这可能与土壤酶活性都有最适宜的pH 范围有关。

在经济效益方面，T7 处理的产量和产值均达到最大，分别为114 564.00 kg·hm和137 476.86 元·hm，与T5 处理无显著性差异，但显著高于其他处理。T5 处理的纯利润最大，为117 439.00 元·hm。由于是第一茬试验，导致生物质炭添加量较多的处理成本相对较高。因此，综合考虑用2～3 年的试验数据来综合评价不同处理的经济效益更为客观准确。同时，还应考虑不同处理对娃娃菜品质指标的影响，进一步支撑本试验结论。

综上所述，在本试验不配施氮肥条件下，施生物质炭可提高酸性磷酸酶活性38.41%以上，提高产量13.03%以上；在配施氮肥条件下，产量随生物质炭施用量增加呈现先增后减趋势。综合考量生产成本、经济效益、水肥利用效率及生物质炭的长期效应，T7 处理（施N 肥，添加生物质炭20 t·hm）不仅可以提高产量和水肥利用效率，还可以培肥土壤，改善土壤质量。