生物炭基土壤调理剂对酸性菜田土壤的改良效果

杨慧豪，郭秋萍，黄帮裕，陈海斌，潘晓莹，范如芹，杜建军*

（1.仲恺农业工程学院资源与环境学院，广州 510225；2.广东省普通高校农业产地污染综合防治工程技术研究中心，广州 510225）

近年来，我国蔬菜产业发展迅猛，2020 年我国蔬菜播种面积达到2 148.5万hm2，占我国农作物种植面积的12.83%[1]。蔬菜具有生长快、生长周期短等特点，因此需施用大量肥料以维持其生长，而过量施肥会引发一系列的土壤环境问题。研究表明，过量施肥及养分施用比例不协调是菜田酸化、板结、盐渍化、土壤微生物生境破坏等问题日益严峻的主要因素[2-4]，这些菜田土壤的障碍因子是限制蔬菜产量和品质的重要因素。因此，如何有效改善土壤质量来提高土壤生产力成为当前蔬菜种植亟需解决的问题。

施用调理剂是土壤改良的主要措施之一。研究发现，土壤调理剂在改善土壤结构、调节土壤pH、降低土壤盐碱危害、提高土壤的保水持水特性、提高微生物和酶的活性等方面具有重要作用[5-7]，常见的土壤调理剂以生石灰、矿物、工农业废弃物等为主要原料，而生物炭基土壤调理剂作为新兴的土壤调理剂，是由生物炭和其他调理剂材料配伍制备而成。研究发现，生物炭基土壤调理剂能够发挥协同作用，更有效提升对酸性土壤的改良效果[8-9]，同时对土壤氮磷的持留性能和作物养分的吸收具有重要作用[9-10]。已有研究表明，利用生物炭与其他材料配制复合生物炭基土壤调理剂，能够提高对酸性土壤的改良效果并且促进作物生长[11]。吴宇佳等[12]使用生物炭、熟石灰、有机肥等不同材料配制的土壤调理剂验证了其对绿橙园土壤的改良效果及绿橙苗生长的影响。苏辉兰等[13]发现使用生物炭、树脂、石灰、有机肥制备的生物炭基土壤调理剂，不仅能有效降低土壤酸度，还能提高土壤有效磷、速效钾的含量，并促进马铃薯的生长。但大多数研究集中在生物炭与其他调理剂对土壤改良的效果方面，而关于生物炭与其他调理剂优化配施方面研究较少，特别是针对赤红壤菜田土壤改良效果方面更鲜见报道。

本研究以生物炭、粉煤灰、钢渣和生石灰为原料，通过盆栽试验，研究施用不同配比水平的生物炭基土壤调理剂对广州地区旱地赤红壤菜田土壤理化性质、矿质养分、酶活性以及蔬菜养分吸收和产量的影响，初步评估生物炭基土壤调理剂对土壤酸度、土壤养分供应水平和作物养分吸收的改良效果，筛选对该酸性土壤改良效果最好的配比水平，旨在为该生物炭基土壤调理剂在菜田中的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

原材料：以花生壳为原料，在厌氧条件下400 ℃热解2 h 制备生物炭。粉煤灰、钢渣和生石灰购自河南金丰环保工程有限公司。原材料基本性质见表1，原材料中所含的镉、铬、砷、铅含量远低于《肥料中有毒有害物质的限量要求》（GB 38400—2019）所规定的限值，可安全应用。

表1 原材料的基本性质Table 1 Basic properties of the raw materials

供试土壤：采自广州市番禺禺锋蔬菜合作社菜地0～20 cm 耕层土壤，风干，过2 mm 筛，混匀、备用。该土壤的理化性质如下：pH（水∶土=2.5∶1）5.39，有机质23.94 g·kg-1，全氮1.28 g·kg-1，碱解氮84.13 mg·kg-1，有效磷37.72 mg·kg-1，速效钾170.92 mg·kg-1，有效铁、硅、硫分别为307.54、84.66、60.06 mg·kg-1，交换性钙1.81 g·kg-1，交换性镁0.21 g·kg-1。

供试肥料：尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）、氯化钾（K2O 60%）。

供试作物：油麦菜，品种美满香10-3 号，生育期60～65 d。

1.2 试验设计

本试验中生石灰、粉煤灰和钢渣用量水平为每千克风干土0、25.0 g和50.0 g，生物炭用量水平为每千克风干土0、25.0 g 和50.0 g，采用4 因素3 水平正交试验设计，共9 个处理（表2），每个处理设4 次重复。氮肥以尿素（N 46%）为氮源，磷肥以过磷酸钙（P2O512%）为磷源，钾肥以氯化钾（K2O 60%）为钾源。N、P2O5、K2O施用水平分别为每千克风干土100、90 mg和100 mg。

表2 土壤调理剂正交试验方案Table 2 Orthogonal test scheme of soil conditioner

试验于2020 年10 月25 日至12 月28 日进行。每盆装4 kg风干土，将调理剂、1/3的氮肥、1/3的钾肥及全部磷肥与土壤混合均匀装入盆中，加水至土壤田间持水量的70%，次日移栽3 株同等大小的油麦菜苗至盆中。另外的2/3 氮肥、钾肥分别于油麦菜旺盛生长前期（11 月15 日）和旺盛生长中期（12 月5 日）各追施1/3。根据土壤水分情况每1～2 d 浇1 次水，并进行常规栽培管理。

试验结束后收获植物地上部分，洗净并测定鲜质量。取新鲜样品85 ℃杀青后于65 ℃条件下烘干，测定植物干质量及全氮、全磷、全钾等含量。油麦菜收获后，盆内土壤破碎、混匀，风干后过筛，装袋密封，备用。

1.3 测定项目及方法

油麦菜收获当日采用称重法测定油麦菜的产量；油麦菜样品采用H2SO4-H2O2消煮，分别用奈氏比色法、钼锑抗比色法、火焰光度计法测定全氮、全磷、全钾含量[14]。

土壤pH 采用电位法（水∶土=2.5∶1）测定，有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定，全氮含量采用混合催化剂-半自动凯氏定氮仪法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，有效磷含量采用0.5 mg·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用NH4OAc 浸提-火焰光度法测定，土壤阳离子交换量（CEC）采用乙酸铵法测定，交换性钙、镁含量采用乙酸铵交换原子吸收分光光度法测定[14]。

脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，以1 h 后1 g 土壤中NH3-N 的毫克数表示，mg·g-1·h-1；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，以24 h后1 g土壤中葡萄糖的毫克数表示，mg·g-1·d-1；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，以1 g 土壤消耗0.1 mol·L-1KMnO4溶液的毫升数表示，mL·g-1；磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，以1 h后1 g土壤中酚的毫克数表示，mg·g-1·h-1[15]。

土壤微生物总DNA 采用MO BIO/QIAGEN 公司的DNeasy PowerSoil Kit 进行抽提，并对抽提的DNA进行检测。采用荧光分光光度计（Quantifluor-ST fluorometer，Promega，E6090；Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit，Invitrogen，P7589），在260 nm 和280 nm 处分别测定DNA 的吸光值，检测DNA 的浓度，并用1%的琼脂糖凝胶电泳检测DNA的质量。调整DNA溶液浓度，DNA 工作液保存于4 ℃，储存液保存于-20 ℃。对土壤DNA 进行测序，测序片段为保守区V4～V5 的16S rRNA 基因，采用的引物为515F（5′-GTGCCAGCMGCGTAA-3′）和907R（5′-CCGTCAATTCMTTMTTRAGTT-3′）。整个测序过程由派森诺生物科技股份有限公司完成，包括PCR 扩增，PCR 产物的检测、纯化及测序，文库构建和上机测序。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Office 2010 进行数据整理，IBM SPSS 20 软件进行方差分析，LSD 法进行多重比较（P＜0.05），Origin 2018软件进行绘图。

微生物多样性分析：通过QIIME计算细菌丰富度指数（Chao 1）、观察物种数（Observed species）和细菌多样性指数（Shannon、Simpson）。其中，Chao 1 用来估计样品中所含OTU数目。

物种分类学分析：对于细菌的16S rRNA 基因，选用Greengenes数据库，使用QIIME软件，调用UCLUST序列比对工具，对获得的高质量序列按97%的相似水平进行归并和OTU划分，并选取每个OTU中丰度最高的序列作为该OTU 代表序列，然后进行分类学分析，在Phylum（门）水平上统计各个样品的群落组成。

层次聚类分析：使用R 语言STAT 包的UCLUST函数，默认对weighted_unifrac 距离矩阵采用UPGMA算法（即聚类方法为Average）进行聚类分析，并在Genus（属）水平上进行统计。

2 结果与分析

2.1 生物炭基土壤调理剂对土壤pH的影响

从图1 可以看出，与T1（对照）相比，不同配比的生物炭基调理剂均能显著提高土壤pH（P＜0.05），增幅为0.82～1.75 个单位，其中T8、T5、T9 处理提高效果最为显著（P＜0.05）。极差分析结果（附表1）表明，pH改良效果表现为石灰＞粉煤灰＞生物炭＞钢渣，选取pH最大时的A3B2C3D3组合为最优配比。

图1 不同调理剂处理对土壤pH的影响Figure 1 Effect of different conditioner treatments on soil pH

2.2 生物炭基土壤调理剂对土壤有机质和养分含量的影响

由表3 可知，相比于对照，除T9 处理外，其他施加土壤调理剂处理均显著提高了土壤有机质的含量，增幅为35.18%～74.02%，其中T3、T4、T8 处理效果最为显著（P＜0.05）。

与对照相比，除T5、T6、T7和T9处理外，其他处理土壤全氮量均显著提高，增幅为13.71%～17.91%；而各添加调理剂处理均使土壤碱解氮含量下降，降幅为7.57%～12.30%，其中T7处理碱解氮含量降幅最大。

与对照相比，除T2之外，施加不同土壤调理剂组合处理均可显著提高土壤有效磷含量，增幅为38.18%～80.28%，仅有T2、T6、T7、T8 处理显著提高土壤速效钾含量，增幅为9.22%～10.82%。

由极差分析结果（附表2）可知，4 种调理剂中对土壤有机质、全氮和速效钾含量提升作用最大的材料是生物炭，而对土壤有效磷含量的影响顺序为生石灰＞生物炭＞钢渣＞粉煤灰。对于土壤有机质和氮磷钾这几个指标，各因素的最优配比：提高土壤有机质为A2B2C3D3，提高全氮为A1B2C1D3，提高有效磷为A3B2C2D3，提高速效钾为A3B2C2D2，降低碱解氮为A3B3C3D2。

2.3 生物炭基土壤调理剂对土壤交换性钙、镁含量及阳离子交换量（CEC）的影响

从图2 可看出，与对照相比，不同配比生物炭基调理剂处理的土壤交换性钙均显著提高，提高幅度为38.52%～122.63%，其中T8、T9 效果最佳；各处理均可不同程度提高土壤交换性镁含量，其中T2、T3、T4 和T5 处理的土壤交换性镁含量提高显著（P＜0.05），提高幅度为12.45%～26.92%，T2、T3 处理效果最优。极差分析结果（附表3）表明，4 种调理剂中对土壤交换性钙、镁提升作用最大的材料均为石灰，且对提高土壤交换性钙、镁效果最优的水平分别为A3B3C3D3和A1B2C3D3。

图2 不同土壤调理剂对油麦菜收获后土壤交换性钙、镁含量的影响Figure 2 Effects of different soil conditioners on exchangeable Ca and Mg contents in soil after harvest

表3 不同调理剂处理对土壤有机质和养分含量的影响Table 3 Effects of different conditioner treatments on soil organic matter and nutrient contents

由图3 可看出，与对照相比，添加不同调理剂处理的土壤CEC 均显著提高（P＜0.05），提高幅度为41.10%～78.65%，其中T8处理最为显著。由极差分析结果（附表4）可知，4 种调理剂材料对土壤CEC 的影响顺序为石灰＞粉煤灰＞生物炭＞钢渣。结果表明，对提高土壤CEC效果最优的水平为A3B2C3D3。

图3 不同土壤调理剂对土壤阳离子交换量（CEC）的影响Figure 3 Effects of different soil conditioners on soil cation exchange capacity（CEC）

2.4 生物炭基土壤调理剂对土壤酶活性的影响

从图4 可知，与对照相比，添加调理剂处理均未对土壤脲酶、过氧化氢酶活性产生显著影响（P＞0.05）。根据极差分析结果（附表5）可知，对于提高土壤脲酶和过氧化氢酶活性而言，最优水平均为A2B2C2D3。在4种调理剂中，生物炭对其影响最大，但改良效果均不明显。除了T2、T5、T6 和T9 处理之外，其余处理土壤磷酸酶和蔗糖酶活性显著提高（P＜0.05），提高幅度分别为34.71%～44.07%和34.68%～44.09%。根据极差分析结果（附表5）可知，4 种调理剂材料对土壤酶活性的影响顺序为生物炭＞钢渣＞石灰＞粉煤灰，对提高土壤磷酸酶和蔗糖酶活性效果最优的水平均为A2B2C3D3。

图4 不同土壤调理剂对土壤酶活性的影响Figure 4 Effects of different soil conditioners on soil enzyme activities

2.5 生物炭基土壤调理剂对土壤微生物菌落结构的影响

从表4 可知，与对照对比，T2、T3、T4 和T6 处理的Chao 1 指数增大，全部处理Shannon 指数均降低，而T5、T7、T8 和T9 处理的Chao 1 指数和Simpson 指数均减小，可见适量配比的生物炭基土壤调理剂可提高土壤微生物的丰富度，但对土壤微生物多样性影响不大。

表4 生物炭基土壤调理剂处理的土壤微生物丰富度和多样性指数Table 4 Soil microbial richness and diversity index treated with biochar-based soil conditioners

对各处理进行土壤微生物PCA 分析，结果（图5A）表明，与对照相比，添加土壤调理剂处理均与之有明显区分，说明生物炭基土壤调理剂的添加均影响土壤微生物群落组成。其中T4 和T6 处理微生物群落组成相似，T7、T8、T9 处理均位于主成分2 轴正方向且距离较近，说明这3 个处理微生物群落结构相似。微生物相对丰度分析（图5B）表明，占主导地位的8 种细菌类别分别为变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、浮霉菌门（Planctomycetes）、蓝藻门（Cyanobacteria）。这些门的丰度占菜地土壤全部细菌的93.72%～95.58%。施加生物炭土壤调理剂处理均使土壤不同门细菌发生了变化。从土壤调理剂处理后土壤细菌属水平物种组成层次聚类树（图5C）可看出，T4 和T6 处理微生物群落结构相似，T7和T8处理相似。相对于对照处理，土壤调理剂处理的土壤Subgroup-6、溶杆菌属（Lysobacter）、马赛菌属（Massilia）和沙壤土杆菌属（Ramlibacter）丰度都有不同程度提高。

图5 不同生物炭基土壤调理剂处理土壤微生物多样性分析Figure 5 Diversity analysis of soil microorganisms treated with different biochar-based soil conditioners

2.6 生物炭基土壤调理剂对蔬菜产量的影响

由表5 可知，在施用等量化肥条件下，添加生物炭基土壤调理剂能提高油麦菜鲜质量和干质量。与对照相比，T3、T4、T5 和T8 处理的油麦菜产量显著增加（P＜0.05），增幅分别为12.26%、16.68%、13.23%和13.67%。极差分析结果（附表6）表明，4 种调理剂中对油麦菜产量提升作用最大的材料为生物炭，选取油麦菜产量最高时的组合为最优水平，则最优水平组合为A2B2C2D3。

表5 不同调理剂处理对油麦菜产量的影响Table 5 Effects of different conditioners on the yield of lettuce

2.7 生物炭基调理剂对蔬菜养分吸收累积的影响

从表6 可知，施加土壤调理剂可促进油麦菜对N、P、K的吸收。与对照相比，添加不同调理剂处理的油麦菜N吸收量增加了7.94%～27.01%，P吸收量增加了19.40%～64.79%，K 吸收量增加了11.54%～38.25%。各处理中，对油麦菜N、P、K 吸收促进效果最佳的处理为T4。极差分析结果（附表7）表明，4 种调理剂材料对蔬菜N、P、K 吸收量的影响顺序为生物炭＞石灰＞钢渣＞粉煤灰，说明生物炭对提高蔬菜营养元素吸收发挥最重要的作用。对于N、P、K这3个指标，选取作物对N、P、K 吸收量最大时为最优水平，各因素的最优水平组合为A2B2C2D3。

表6 不同调理剂对油麦菜养分吸收量的影响Table 6 Effects of different conditioners on nutrient absorption of lettuce

3 讨论

施用土壤调理剂是改善土壤质量的有效措施之一，本研究所用的土壤调理剂原材料——生物炭、生石灰、粉煤灰、钢渣均呈碱性，其中生石灰富含钙，碱性最强，中和土壤酸度效率高，但用量过大对土壤结构具有一定破坏作用；粉煤灰结构松散、质轻、粒径小、比表面积大，土壤施用粉煤灰可以降低土壤容重、增加孔隙度、增加土壤吸附性能，改善土壤结构、通透性和耕性，且能有效提高硅、钙和微量元素含量；钢渣可以补充土壤硅、钙、镁、磷；生物炭富碳、质轻、比表面积大，可以增加土壤有机碳含量，改善土壤结构，增加对土壤养分的吸持作用。因此，由4 种原料混配的不同配比的生物炭基土壤调理剂可以取长补短，充分发挥4种原料的协同作用，起到更好的改良效果。

3.1 生物炭基调理剂对土壤理化性质的影响

本研究结果表明，4 种调理剂原材料均呈碱性，因此施用后均能提高土壤pH，但效果与原料pH 值并不一致，生石灰效果最好，粉煤灰次之，钢渣效果最差。4 种调理剂只有生物炭富含碳元素，因而对土壤有机碳贡献最大。生物炭具有较强的吸附能力，能有效提升土壤对有机质的吸持能力，同时吸附土壤中有机分子并聚合形成有机质，从而提高土壤有机质含量[16]，与向书江等[10]的研究结果一致。有研究表明，施用大量石灰后，土壤中HCO-3含量增加，加快土壤中有机质分解[17]，这可能是T9 处理增加幅度不大的原因。此外，本研究发现施用生物炭基土壤调理剂后大部分处理土壤全氮、有效磷和速效钾均有不同程度提高。这主要是因为生物炭、粉煤灰均有较大比表面积，可以吸持土壤养分，减少养分淋失。生物炭还可以促进硝化作用进而有效提高土壤全氮量[18-19]，且生物炭富含磷、钾[20-22]，钢渣富含磷，从而增加土壤磷、钾含量。而添加生物炭基调理剂后各处理中土壤碱解氮均下降，这可能是因为施用土壤调理剂使土壤理化性质发生改变，使有效态氮转变为矿质氮。土壤有效养分的提升影响着作物对其的吸收，本研究发现在施用等量化肥条件下，配施适量土壤调理剂能有效增加蔬菜对N、P、K 元素的吸收，并且能提高蔬菜产量，这与李建勇等[23]、丛铭等[24]的研究结果一致。

不同调理剂处理的土壤CEC 均显著提高，这与鲁艳红等[25]和张瑶等[26]的研究结果相似。其主要原因是：4 种原材料均能有效中和土壤酸度，降低土壤交换性酸含量，从而促进盐基阳离子交换；施用生物炭、粉煤灰可增加土壤胶体比表面积，提高土壤吸附能力，更多阳离子吸附在土壤胶体表面；施用生石灰、粉煤灰、钢渣可有效提高土壤交换性Ca2+、Mg2+等盐基离子含量，增加阳离子交换量[27]。另外，生物炭表面带有负电荷，可有效提高土壤胶体对盐基离子的吸附，也可能是土壤CEC提高的原因之一[28]。

3.2 生物炭基调理剂对土壤微生物特性的影响

本研究发现，4 种调理剂中，生物炭基调理剂对土壤磷酸酶和蔗糖酶活性影响较大，对脲酶和过氧化氢酶活性影响不显著，这与孟繁昊等[29]的研究结果有差异，可能原因是生物炭吸附酶分子，保护酶反应的结合点，从而抑制酶反应[30]。添加生物炭基土壤调理剂显著提高土壤磷酸酶和蔗糖酶活性，主要归因于添加调理剂影响了土壤微生物活性，从而影响酶活性[31]；另一方面，生物炭通过吸附酶促反应的底物促进其反应，进而提高酶活性。生物炭基土壤调理剂中生物炭结构复杂，因而其对酶活性影响不同[32]，其具体作用机理有待进一步探究。此外，施用生物炭基调理剂可改变土壤微生物群落结构，且不同微生物群落对土壤调理剂的添加反应不同。相比于对照，生物炭基调理剂处理的土壤Subgroup-6、溶杆菌属（Lysobacter）、马赛菌属（Massilia）和沙壤土杆菌属（Ramlibacter）丰度均有不同程度提高。溶杆菌属为革兰氏阴性菌，表明添加生物炭基调理剂可增加革兰氏阴性细菌生物量，这与Yang 等[31]的研究结果一致。马赛菌属（Massilia）具有溶淋作用，这可能是相应处理中土壤有效磷含量提高的原因之一。

3.3 生物炭基调理剂对蔬菜养分吸收和产量的影响

广州郊区蔬菜种植区具有典型的都市农业特征，生产水平和复种指数高，菜田由于多年连作耕种和不合理地施用化肥、农药等，土壤普遍存在养分不平衡、酸化、板结、次生盐渍化、土传病害肆虐等问题，限制了蔬菜产量和品质。生物炭、生石灰、粉煤灰、钢渣合理复配，可充分发挥它们之间的协同作用，同时能够中和土壤酸度、提高土壤有机质含量、减少养分损失、补充中微量元素、改善土壤微生态环境，最终表现为促进作物产量提升和养分吸收。本研究结果表明，在施用等量化肥条件下，配施不同配比生物炭基土壤调理剂的蔬菜对N、P、K 元素的吸收量增加7.94～64.79%，油麦菜产量增加8.03%～16.68%。

4 结论

以生石灰、粉煤灰、钢渣和生物炭为原料复配的不同组成生物炭基土壤调理剂，当四者施用量分别为5.0、2.5、5.0 g·kg-1和50.0 g·kg-1时，改良土壤的效果最佳，该研究结果可为生物炭基土壤调理剂田间应用提供理论参考。

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