竹炭对土壤养分及皇菊产量和品质的影响

周 婧, 姚 宏*, 吴华芬, 金关根

(1.丽水市农林科学研究院, 浙江 丽水 323000; 2.丽水轩德皇菊有限开发公司, 浙江 丽水 323000)

0 引言

【研究意义】皇菊为菊科(Asteraceae)植物菊大黄属(ChrysanthemummorifoliumRamat)的干燥头状花序,有观赏、食用、保健等价值,具有抗氧化、抗菌、降血压、降血脂等作用,是我国传统的常用中药材和保健茶之一[1-2]。皇菊是丽水地区近年来发展起来的茶饮菊新品种,是丽水地区特色优势农产品之一,因花形优美、花色鲜亮、口感独特,深受广大消费者喜爱。由于连作种植,加之化肥农药大量施用,造成土壤有机质含下降,土壤结构退化,营养失调,导致土壤肥力下降,影响皇菊的产量和品质。生物炭具有较大的比表面积、高孔隙含量、高稳定性和含碳量较高等特点[3-5],施入土壤后能改变土壤性状,提高作物产量,近年来被广泛应用于农业生产领域。因此,探究竹炭对土壤肥力及皇菊产量和品质的影响,筛选出利于生产的竹炭用量,对指导皇菊科学施肥、促进产业发展具有重要意义。【前人研究紧张】生物炭的施用会提高表层土壤肥力以及作物的产量和品质。沈盟等[6]研究表明,在温室大棚施用生物炭能提高土壤有机碳、碱解氮、速效磷和速效钾含量,且生物炭施用量为200 kg/667m2时番茄的增产效果最好。张登晓等[7]研究指出,在温室盆栽中施用生物炭能显著提高小白菜的产量,增产幅度最高达75%,同时可降低小白菜中的硝酸盐含量。陈丽美等[8]研究表明,施用生物炭能够影响土壤酶活及土壤微生物多样性,土壤性质与酶活性之间存在显著或极显著正相关关系。冯慧琳等[9]研究指出,施用生物炭能够显著提高4种土壤酶活及土壤养分,以生物炭1.2 t/hm2添加量较为适宜,且可在一定程度上增加细菌多样性及改变菌群结构。许云翔等[10]研究发现,稻田施用6年生物炭的土壤脲酶活性增加量最大能达36.5%,酸性磷酸酶活性随着生物炭施加量的增加而增加,但过氧化氢酶和多酚氧化酶的活则相反。【研究切入点】目前,生物炭应用在蔬菜和作物方面均有研究,但针丽水地区连作种植土壤改良和皇菊生长的研究尚未见报道。【拟解决的关键问题】研究竹炭对皇菊连作土壤肥力及皇菊产量和品质的影响,为竹炭在皇菊生产中的合理施用及改良土壤提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年5—12月在浙江省丽水市青田阜山皇菊种植基地进行,地处东经120.79°,北纬28.06°,海拔482 m,为典型亚热带季风气候,年平均降雨量 1 747 mm,年平均气温18.3 ℃,无霜期279 d。试验区为皇菊-水稻轮作地,土壤类型为红黄壤,0～20 cm表层土壤pH为4.89、有机质29.6 g/kg、碱解氮161 mg/kg、有效磷42.7 mg/kg、速效钾105.8 mg/kg。

1.2 试验材料

供试菊花品种为皇菊,是丽水市主要种植菊花品种,生长期为160～180 d,由丽水轩德皇菊开发有限公司提供。供试生物炭为竹炭,在500 ℃高温厌氧条件下炭化所得,pH为10.1、有机碳122 g/kg、全氮4.7 g/kg、全磷0.83 g/kg、全钾2.1 g/kg。供试有机肥原料为茶籽饼和菜籽饼,利用高温发酵而成,pH为5.91,N、P、K质量分数分别为3.25%、2.35%和2.73%。

1.3 试验方法

竹炭施用量设置4个处理,分别为0 t/hm2(T0)、1.25 t/hm2(T1)、2.5 t/hm2(T2)和3.38 t/hm2(T3),随机区组设计,每个处理设3次重复,共12小区,每个小区面积为20 m2。2021年5月上旬,按照试验设计将竹炭和有机肥(1 500 kg/hm2)充分搅拌均匀,作为底肥一次性施入小区并翻耕(深约 25 cm),种植区域做畦(宽40 cm、深15 cm),每个小区间距35 cm,试验地四周设保护行。皇菊苗于2021年5月10日移栽,株距50 cm,行距60 cm,于8月上旬(花芽分化前)追肥1次(尿素 150 kg/hm2、硫酸钾225 kg/hm2和硫酸锌15 kg/hm2),试验期间定期滴灌浇水。

2021年11月18日对小区皇菊全部采摘,按照皇菊标准方式进行烘干称重。每个小区挑选并采集10朵具有代表性、均一的花朵,测定其品质和产量。2021年11月28日每个小区分别取0～20 cm土壤进行S点取样,混合均匀后装入自封袋用于测定理化性状。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 皇菊产量和品质 皇菊采收烘干后测定产量。在皇菊盛花期,每个小区采集10株开花一致的菊花进行总黄酮、绿原酸、游离态氨基酸和可溶性糖测定,分光光度法测定黄酮含量[11],RIGOLL3000高效液相色谱仪测定绿原酸含量,氨基酸分析仪检测游离态氨基酸含量,蒽酮法测定可溶性总糖含量[12]。

1.4.2 土壤理化性状 土壤理化性质测定参照土壤检测农业行业相关标准和鲍士旦[13]的方法进行。有机质用采用重铬酸钾氧化-外加热法测定;碱解氮用碱解扩散法测定;速效磷用氟化铵-盐酸溶液浸提法和钼锑抗比色法测定;速效钾用乙酸铵浸提-火焰光度计测定;pH值用玻璃电极法测定;土壤酶活性参照关松荫[14]的方法测定,土壤阳离子交换量用EDTA与乙酸铵交换法测定;脲酶用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定;酸性磷酸酶用磷酸苯二钠比色法测定;过氧化氢酶用高锰酸钾滴定法测定;蔗糖酶采用 3,5-二硝基水杨酸比色法测定。

1.5 数据分析

运用 Excel 2019和 SPSS 19.0对试验数据进行统计分析与制图,采用单因素方差分析方法(Duncan法检验)进行差异显著性分析,采用 Pearson相关系数分析皇菊土壤理化性质与酶活性的相关性。

2 结果与分析

2.1 竹炭不同施用量土壤的理化性质

从表1可知,除土壤pH外,添加竹炭可不同程度地影响土壤的理化性状。与T0相比,添加竹炭表层土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾分别提高3.33%～8.64%、5.31%～15.53%、3.79%～29.83%和44.30%～130.35%,阳离子交换含量除T3降0.13%外,T1和T2分别提高1.35%和0.16%。各处理中,T2的有机质、碱解氮和有效磷最高,较T0分别高8.64%、15.53%和29.83%,差异显著;阳离子交换量和速效钾以T1处理最高,较T0分别高24.65%和122.29%,差异显著。添加竹炭各处理中,T1～T3处理间有机质、碱解氮含量和pH差异不显著,有效磷和速效钾含量T1与T2间差异均不显著,均显著高于T3;阳离子交换量T1显著高于T2和T3,T2与T3间差异不显著。

表1 竹炭不同施用量土壤的理化性质

2.2 竹炭不同施用量土壤的酶活性

从表2看出,与T0相比,竹炭不同添加量处理均可增加土壤的酶活性,其中,土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性分别提高10%～38.57%、5.03%～16.98%、10.20%～40.82%和15.31%～22.45%,T1处理能显著增加蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性,增加土壤过氧化氢酶活性,但差异不显著;T2处理显著增加过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶的活性;T3处理可显著增加酸性磷酸酶的活性,增加土壤过氧化氢酶、蔗糖酶和脲酶活性,但差异不显著。各处理中,T1的蔗糖酶和脲酶活性最高,较T0分别高16.98%和40.82%;T2的过氧化氢酶和酸性磷酸酶含量最高,较T0分别高38.57%和22.45%。

2.3 土壤性质与酶活性的相关性

从表3可知,土壤性质与酶活性之间有一定的相关性。土壤有机质与pH和速效钾均呈显著正相关,与碱解氮、有效磷、过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶均呈极显著正相关,土壤pH与酸性磷酸酶呈显著负相关;土壤阳离子交换量与速效钾和蔗糖酶呈显著正相关,与脲酶呈极显著正相关;土壤碱解氮与蔗糖酶、脲酶呈显著正相关,与有效磷、速效钾、过氧化氢酶、酸性磷酸酶呈极显著正相关;土壤有效磷与速效钾、过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶呈极显著正相关;土壤速效钾与过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶呈极显著正相关;土壤过氧化氢酶与蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶呈极显著正相关;土壤蔗糖酶与脲酶和酸性磷酸酶呈极显著正相关;土壤脲酶与酸性磷酸酶呈极显著正相关。

表2 竹炭不同施用量土壤的酶活性

表3 土壤理化性质与酶活性间的相关系数

2.4 竹炭不同施用量皇菊的产量

从图 1可知,与T0相比,添加竹炭后皇菊产量均提高,T1、T2和T3处理分别增产38.94%、15.39%和13.47%,皇菊产量随竹炭添加的增加而降低。T1产量显著高于T0、T2和T3,T0、T2与T3间差异不显著。表明,施加低量竹炭的T1(1.13 t/hm2)可提高土壤肥力,促进皇菊的生长,从而增加皇菊产量。

注:不同小写字母表示差异达显著(P<0.05)水平,下同。

2.5 竹炭不同施用量皇菊的品质

从图2看出,添加竹炭后(T1～T3)皇菊绿原酸、游离态氨基酸和可溶性糖的含量分别在3.64～3.87 mg/g、 7.19～9.15 mg/g和130.848～122.646 mg/g,较T0平均提高3.7%、15.0%和2.9%。皇菊绿原酸、游离态氨基酸和可溶性糖的含量均以T2最高,较T0分别增加6.37%、27.24%和6.69%,但各添加处理间差异不显著;总黄酮含量在103.369～107.311 mg/g,以T3最高,添加竹炭后各处理对总黄酮的含量影响不大。

图2 竹炭不同施用量皇菊的绿原酸、游离态氨基酸、可溶性糖和总黄酮含量

3 讨论

3.1 竹炭对皇菊土壤理化性质和酶活性的影响

生物炭具有含碳率高、多孔结构、比表面积大、理化性质稳定及高pH等特性,其添加到土壤后能够直接或间接改变土壤的物理、化学和微生物学特性,从而影响土壤肥力状况,对作物的生长、生物量及产量形成产生影响[15-17]。本研究表明,添加竹炭后,土壤有机质、阳离子交换量、碱解氮、有效磷、速效钾含量均显著增加,说明添加竹炭可提升土壤肥力,有利于植物根系对土壤肥力的吸收。其原因可能是生物炭能吸附土壤有机分子,促进土壤有机质的合成[18],可以在土壤中形成有机-无机复合物和大粒径团聚体,进而改善土壤结构而减少有机质淋失[19];竹炭施入土壤后其表面可能会氧化,从而增强土壤阳离子的吸附能力[20];竹炭施入后可改善土壤透气性,抑制土壤中氮磷的淋失[20],从而提高土壤氮磷养分含量;竹炭本身含有大量的钾元素,施用能够增加土壤速效钾的含量,同时能增强土壤对容易淋失的K+的吸附能力。

土壤酶是土壤的组成成分之一,主要来自植物根系分泌物、土壤中的有机残体和土壤中微生物生命活动。脲酶反映土壤的供氮能力,过氧化氢酶活性的高低反映土壤微生物氧化过程的强弱[20],蔗糖酶表征土壤分解利用能量的效率,酸性磷酸酶活性直接影响土壤中有机磷的分解转化及生物有效[21]。研究表明,与不施用竹炭相比,不同用量的竹炭均能促进皇菊土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶活性。随着竹炭添加量的增加,土壤酶活性呈先增加后减趋势,在竹炭用量为 1.25 t/hm2(T1)或2.5 t/hm2(T2)时,各土壤酶活性达到最高值,与冯慧林等[9]的研究相一致。土壤中有机质的含量会影响蔗糖酶的活性[22],且脲酶活性依赖于有机质,其深度参加有机质的转化分解过程,添加竹炭后有机质含量提升,脲酶和蔗糖酶活性会随之提升。占亚楠等[23]研究发现,在棕壤中添加秸秆黑炭对中性磷酸酶(NPH)起到抑制作用,添加生物炭,酸性磷酸酶活性则平均降低17.8%。本研究发现,添加竹炭后皇菊土壤酸性磷酸酶活性较高,可能是添加竹炭后植株长势较好,其生物量较高,需要从土壤中摄取更多的磷元素,因此刺激微生物的分泌,提高酸性磷酸酶的活性。土壤酶活性与土壤理化性质存在显著相关关系,表明土壤酶活性高低受自身性质、生物炭添加量、土壤理化性质等多因素影响[24]。

土壤酶能促进土壤营养物质的循环,其高低反映土壤养分转化能力的强弱[25],土壤酶活性的提高有利于土壤培肥增产。土壤酶与土壤养分之间存在显著相关关系,竹炭的比表面积在300 m2/g以上[26],土壤酶主要集中在微团聚体中,竹炭的添加改善了土壤酶环境的通气性,促进有机质的分解,因而土壤养分之间存在一定的相关性。土壤微生物群落结构的变化会影响土壤酶活性变化,土壤酶活性发生变化则微生物环境也会发生改变,而竹炭施用改变了土壤酶活性,从而影响土壤微生物群落结构。

生物炭虽含有一定的营养元素,但不能代替肥料的施用。有研究表明,生物炭与有机肥混合施用能减少肥料的施用量[17,27];但大田土壤系统比较复杂,需在此基础上进一步探究不同植物的最佳施肥方式。

3.2 竹炭对皇菊产量和品质的影响

生物炭能促进作物的生长,提高产量和品质[28-30]。添加竹炭1.25 t/hm2(T1处理)条件下皇菊产量最高,一方面可能是因为适量生物炭的施用直接提高了土壤肥力,另一方面可能是生物炭的多孔性和吸附性提高了土壤的盐离子交换量,稳定土壤微环境,提高养分利用效率[18]。韩晓亮等[31]研究表明,适量生物炭的施用可提高作物根系代谢活动,确保稳定增产,在一定程度上促进作物产量的积累,进而提高作物长势。增加生物炭施用(T2和T3)反而减产,说明有添加高量竹炭的施用对皇菊生长有一定的抑制作用。当生物炭施用量为 30 t/hm2和60 t/hm2时,黑麦草的生物量比对照增加 20%和52%,当施用量增加到100 t/hm2和200 t/hm2时,黑麦草的生物量反而比对照降低8%和30%[32],与本研究结果一致,表明生物炭添加可能受多种因素的影响,包括土壤类型、生物炭种类、气候条件、施用量和作物种类等,导致生物炭与施用的增产效应不同[16,33-34]。

皇菊营养价值和药用价值高,含有绿原酸、黄酮、游离态氨基酸和可溶性糖[1],添加2.25 t/hm2(T2)竹炭对皇菊中绿原酸、游离态氨基酸、可溶性糖含量的提升效果最佳。土壤性质与酶活性间存在显著或极显著的相关关系,竹炭施用改善了土壤的理化性质,提高了土壤养分的有效性,改变了土壤微生物丰度和群落结构[15],以及影响了土壤的水分特征[34],增强皇菊根系对营养物质的吸收,进而提高皇菊的品质。但高量竹炭添加反而降低了皇菊品质,因此,后期还需进一步研究竹炭、有机肥、化肥的适宜配施比例,达到既能改良土壤和连作障碍,又能提高皇菊产量和品质的目的。

4 结论

适量添加竹炭均能显著提高皇菊种植表层土壤的养分含量和土壤酶的活性,降低土壤 pH值,且土壤性质与酶活性间存在显著或极显著正相关关系,提高皇菊产量及其绿原酸、总黄酮、游离态氨基酸和可溶性蛋白含量。与不施用相比,施用竹炭1.25～3.38 t/hm2皇菊种植表层土壤的有机质、碱解氮、有效磷、速效钾和阳离子交换含量平均提高5.64%、9.09%、18.64%、98.59%和0.46%;土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性平均提高20.00%、12.58%、27.89%和19.73%,皇菊产量平均增加22.6%。竹炭用量1.25～2.25 t/hm2时,土壤表层养分含量、土壤酶活性、皇菊产量和品质表现均最佳。