生物炭与有机肥配施对白菜生长品质、土壤养分及酶活性的影响

文慧宝　杜双江　程贵庆　王梓名　胡艺琛　周浩楠　吴瑕

摘要：为了探究生物炭与不同肥料配施对白菜生长及品质的影响，于2018年在冷棚内采用盆栽的方法，设3%生物炭与复合肥、3%生物炭与2.5%有机肥、3%生物炭与5.0%有机肥、不施用生物炭和不施肥双对照，共5个处理，在生长30 d后调查白菜生长、品质及镉（Cd）含量的变化。结果显示，不同施肥处理对白菜生长和品质均有改善作用，单独施用生物炭显著提高白菜纤维素含量，显著降低白菜硝酸盐含量。生物炭与复合肥配施显著促进白菜地上、地下干物质积累，显著升高白菜可溶性糖、叶绿素和硝酸盐含量，同时相比不施肥处理（F0）显著降低白菜纤维素含量。生物炭与5.0%有机肥配施处理提高白菜可溶性蛋白含量和叶绿素含量，降低根的生长和白菜纤维素含量，同时显著促进了硝酸盐和重金属的积累。生物炭与2.5%有机肥配施处理增加白菜的株高、地上干质量、维生素C及可溶性蛋白含量，同时相比5.0%有机肥处理显著降低硝酸盐含量，有效降低白菜叶片和根系中Cd含量。生物炭与有机肥配施能够降低土壤脲酶和脱氢酶活性，升高土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、土壤EC值和pH值。综上，生物炭与有机肥配施能提高土壤养分有效性，促进白菜生长，低浓度有机肥减少了白菜中硝酸盐和重金属Cd的积累，改善白菜品质，因此以3%生物炭与2.5%有机肥配施改善品质最为显著，可在生产上试用推广。

关键词：生物炭；有机肥；白菜；品质；Cd含量；土壤养分；酶活性

中图分类号：S634.306文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）20-0224-06

蔬菜栽培中普遍存在过量施用化肥的问题，特别是氮肥［1-2］。据统计，长期过量使用化肥，容易引起土壤酸化、板结、营养失衡，土壤微生物数量降低，有机质减少，从而导致土壤肥力下降［3］。研究表明，有机肥因含有较丰富的矿质养分和有机碳，能够提高土壤肥力，改善土壤理化性状和土壤结构外，还可改变土壤微生物菌群结构和微生物数量及土壤酶活性［4-5］，增施有机肥料能够提高香青菜的开展度、产量、品质，增加其可溶性蛋白和维生素C含量，降低硝酸盐含量［6］。鸡粪中营养物质含量丰富，氮磷钾含量相对较高，能有效改善土壤肥力从而提高植株产量。但由于鸡饲料含有重金属的添加剂，使得鸡粪中重金属超标时有发生。随着鸡粪施入年限增加，土壤出现酸化、重金属富集等现象，从而引起蔬菜品质下降［7］。因此，如何施肥能够提高蔬菜品质、降低环境恶化已成为设施蔬菜可持续发展的核心问题。

生物炭是利用秸秆、木屑、动物粪便和其他农林废弃物等，在完全或部分缺氧和相对高温（<700 ℃）的条件下，经过热解炭化而成［8］。生物炭空隙大、容重小、比表面积大、电荷丰富，含有多碳芳香族结构，很难被微生物降解，能使被结合的重金属离子再次进入土壤，延长了治理时间，缓解了土壤镉、铅污染［9］。生物炭提高土壤的碳储备，使土壤中速效养分释放缓慢，延长植物利用［10］。生物炭有效阻止了微生物对碳的分解，具有提高土壤肥力和吸附土壤中重金属的作用，对于农业增产及农产品安全生产具有重要意义［11］。生物炭等改良剂的施用改善了土壤理化性状，提高白菜生物量和叶片色素含量，显著降低白菜对镉的积累［12］。生物炭显著增加了土壤有机质含量，促进于黑麦草的生长，提高黑麦草对镉的吸收［13］。研究表明，生物炭与不同类型肥料配施可改善植株土壤理化性质和养分状况，提高烤烟烟叶产量和品质［14］。可见，生物炭与复合肥及有机肥配施对改善土壤理化性质及蔬菜品质的已成为研究的热点问题。

在不同肥料配施下增施一定用量的生物炭对于白菜生长发育和品质影响的研究鲜见报道。因此，开展有关有机无机肥配施下增施生物炭对白菜生长发育和叶片质量影响的研究就显得尤为必要。本研究通过生物炭与复合肥及有机肥配合施用对白菜品质及重金属积累的影响，来探究有机无机肥配施下增施生物炭对白菜品质的影响，旨在为提高东北地区设施白菜可持续发展探索出更为有益的施肥方式，为合理利用生物炭修复长期使用鸡粪等有机肥引起的重金属富集、蔬菜安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

盆栽试验在黑龙江八一农垦大学园艺园林学院校内基地棚室内进行。土壤采用设施内土壤，基本理化性质为：碱解氮含量156 mg/kg、速效磷含量14.99 mg/kg、速效钾含量100 mg/kg、有机质含量3.78%、pH值8.3、重金屬Cd含量0.478 mg/kg。供试白菜品种为四季小白菜，生物炭采购于安徽祥正生物炭有限公司。

1.2 试验设计

试验于2018年9—10月在黑龙江八一农垦大学基地的大棚中进行，试验采用盆栽的方法，设置3%生物炭与氮磷钾复合肥（N ∶P2O5 ∶K2O为 12 ∶18 ∶15）2.36 g/kg、3%生物炭与2.5%有机肥、3%生物炭与5%有机肥配施处理，同时设不施用生物炭和不施肥双对照，共5个处理，试验设计见表1，每个处理3次重复。该有机肥为含重金属 1.52 mg/kg 的鸡粪。将上述处理每盆按照2.5 kg的土壤装入塑料盆中，在土壤稳定1周后进行播种。每盆播种15粒种子，出苗后，苗高2 cm进行第1次间苗，选择健壮、长势均匀的苗，每盆留10株生长一致的幼苗，苗高5 cm进行第2次间苗，每盆留5株生长一致的幼苗。白菜播种30 d后取样测定相关指标［15］。

1.3 测定项目及方法

在白菜播种30 d后取样，测量株高、根长、鲜质量，于105 ℃烘箱内杀青30 min，75 ℃烘至恒质量称干质量。叶绿素含量用浸提法（丙酮 ∶乙醇=1 ∶1）[JP+1]浸提24 h后在663 nm[JP+2]和645 nm下比色测定［16］。维生素C含量采用2.6-二氯靛酚溶液滴定法测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，硝酸盐含量采用硝基水杨酸比色法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定，纤维素含量采用蒽酮比色法测定［17］。将烘干后的植物样品粉碎，称取植物样品0.5 g，采用HNO3-HClO4（体积比=4 ∶1）混酸体系进行消解，采用原子吸收光谱仪测定重金属Cd含量［18］。

1.4 数据处理及分析

原始数据的整理采用 Microsoft Excel （Office 2003） 软件，数据处理及相关性分析采用 SPPS 进行，方差分析使用 ANOVA 过程 （Duncans 新复极差法，α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 生物炭与不同肥料配施对白菜生长的影响

本研究结果（表2）显示，不同肥料与生物炭配施对白菜的影响不同，施用生物炭后白菜地上干质量和株高显著增加。生物炭和复合肥配合施用促进了白菜株高、根长、地上和地下干鲜质量的显著增加。生物炭与2.5%有机肥配施，白菜的株高、地上和地下鲜质量及地上干质量的显著增加。生物炭与5.0%有机肥配施，白菜株高和地上干鲜质量显著增加，却显著抑制了根系的生长。综上，生物炭和复合肥配施有助于白菜地上及地下生物量的积累，显著促进白菜的生长。生物炭和有机肥配施有相似效果，有机肥以2.5%浓度较适宜，有机肥浓度过高抑制根系的生长。

2.2 生物炭与不同肥料配施对白菜品质的影响

本研究结果（表3）显示，添加生物炭与复合肥配施能够增加白菜叶片中维生素C含量，但差异未达到显著水平。土壤中施加2.5%有机肥较不使用肥料（F0）和5.0%施入量均显著增加了白菜维生素C含量。施加复合肥和有机肥均能显著增加白菜叶片的可溶性糖含量，施用复合肥白菜可溶性糖含量显著高于施用2.5%有机肥和未使用生物炭和肥料的对照（CK）。2.5%有机肥与生物炭配合施用能显著增加白菜的可溶性蛋白的含量。只施用生物炭和生物炭配合施用复合肥均显著升高白菜纤维素含量，生物炭配合施用有机肥均降低了白菜叶片中纤维素含量。生物炭配施复合肥和5.0%有机肥均显著升高了植株内硝酸盐含量，施加复合肥白菜的硝酸盐含量较高，较不使用肥料的对照累积增加近44%。施用5.0%有机肥比施用2.5%有机肥白菜硝酸盐含量增加了21%，可见施用肥料促进白菜生物量积累的同时显著增加硝酸盐的积累。施加复合肥和有机肥均能显著增加白菜的叶绿素含量，其中以复合肥的增加效果较为明显。

综上所述，施用生物炭（F0）能显著增加白菜叶片中纤维素含量，显著降低硝酸盐含量。生物炭配施复合肥（F1）能够显著升高白菜叶片中可溶性糖含量、纤维素含量和叶绿素含量，同时也显著升高白菜中硝酸盐含量。生物炭配合施用2.5%有机肥（F2）能够升高白菜维生素C含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和叶绿素含量，同时硝酸盐含量升高不明显，改善品质显著。生物炭配合施用5.0%的有机肥（F3）显著升高白菜叶片可溶性糖含量和叶绿素含量，同时也显著升高了硝酸盐含量。因此，生物炭配合施用2.5%有机肥（F2）为优质白菜生产较为适宜的施肥方式。

2.3 生物炭与不同肥料配施对白菜重金属Cd含量的影响

如表4所示，施加了重金属超标的有机肥导致土壤重金属Cd浓度增加，其含量达到了土壤轻度污染程度，土壤重金属Cd含量随着有机肥的浓度而逐渐升高，施加5.0%有机肥处理土壤重金属含量最高，施加复合肥处理土壤中重金属Cd含量总体没有明显变化。施用2.5%有机肥后根系和根际土壤中重金属Cd含量含量显著升高，但白菜叶片中重金属Cd含量升高不显著。综上，生物炭与有机肥配施升高白菜根系和叶片中重金属Cd含量，且根系富集重金属能力明显高于叶片。生物炭与2.5%有机肥配施叶片中重金属含量升高不显著，可以满足白菜优质生产的需要。

2.4 生物炭与不同肥料配施对白菜根际土壤酶活性的影响

试验结果（表5）表明，生物炭配施复合肥和有机肥均能显著降低土壤的脲酶活性，其中有机肥对土壤脲酶活性的抑制效果较复合肥显著，且随着有机肥施用量的增加，脲酶活性显著降低。施加复合肥和有机肥对土壤的中性磷酸酶活性影响不显著。只施用生物炭土壤中性磷酸酶活性显著高于对照和其他施肥处理。生物炭与有机肥配施能提高土壤蔗糖酶的活性，其中5.0%有机肥对土壤蔗糖酶活性提高效果较为显著，提高了近2倍。单独施用生物炭土壤脱氢酶活性变化不大，生物炭配施复合肥和有机肥后均显著降低了土壤脱氢酶的活性，其中5.0%有机肥的降低效果较为显著，土壤脱氢酶活性较对照减少约50%。施用有机肥降低了土壤多酚氧化酶的活性，其中5.0%有机肥对土壤多酚氧化酶的抑制效果较为明显。施加复合肥和有机肥能提高土壤纤维素酶的活性，其中2.5%有机肥显著提高了土壤纖维素酶的活性。综上，添加生物炭显著改变土壤中性磷酸酶活性，生物炭和复合肥配施后显著降低脲酶和脱氢酶活性；生物炭和2.5%有机肥配施后，显著降低脲酶和脱氢酶活性，显著升高了纤维素酶活性；生物炭和5.0%有机肥配施后，显著降低脲酶、脱氢酶及多酚氧化酶活性。

2.5 生物炭与不同肥料配施对白菜根际土壤速效养分含量的影响

试验结果（表6）表明，单独施用生物炭、生物炭与复合肥和有机肥配施均能显著提高土壤有机质的含量，其中以生物炭配施5.0%有机肥对土壤有机质的提升最为显著，提升达到43.31%。施用有机肥和复合肥均能显著增加土壤碱解氮含量，5.0%有机肥增加效果较为显著。施加复合肥和有机肥均能显著提高土壤速效磷和速效钾的含量，复合肥和5.0%有机肥对土壤速效磷的促进效果最为明显，其中施加5.0%有机肥的施加效果较为显著。施用生物炭能够显著升高土壤的pH值。生物炭和复合肥及有机肥配施后能显著增加土壤EC值，土壤中养分含量显著增加，满足白菜生长的需要。

2.6 白菜生长指标与营养品质相关性分析

相关性分析结果（表7）显示，白菜叶片的重金属Cd含量与白菜可溶性蛋白含量呈极显著的正相关，与纤维素含量呈显著负相关；白菜的株高与鲜质量、干质量及硝酸盐含量呈极显著的正相关；白菜的根长与可溶性糖含量呈显著的负相关；鲜质量与干质量、叶绿素含量、可溶性糖含量呈显著或极显著正相关；干质量与维生素C含量、可溶性糖含量和硝酸盐含量呈显著或极显著正相关；叶绿素含量与可溶性糖和硝酸盐含量呈显著正相关，与和纤维素含量呈显著负相关；可溶性糖含量与硝酸盐含量呈极显著正相关；可溶性蛋白含量与纤维素含量呈极显著的负相关（表7）。

3 讨论与结论

生物炭配合减氮措施能够促进作物根际区域土壤碳氮平衡，改善植烟土壤根际微生态环境并提高土壤功能微生物相对丰度，提高养分利用效率［19］。本研究结果显示，生物炭配施有机肥能够显著增加土壤有机质、碱解氮、速效钾和土壤pH值，同时促进白菜地上干物质积累，这说明生物炭增加土壤速效养分含量［20］，减少了土壤酸化［21］，为白菜生长奠定了养分基础。生物炭配施用复合肥显著促进白菜地上和地下生物量积累，显著提高土壤碱解氮、速效磷含量和EC值，土壤中可利用速效氮磷养分显著增加，不但促进地上植株的生长，也促进根的显著伸长，这说明适宜复合肥施入能够促进根趋向生长。生物炭配施有机肥促进地上生物量的积累，却抑制了根的生长，有机肥施入达到5.0%时抑制显著，有机肥的加入提高土壤碱解氮、速效磷含量和EC值，土壤中有效养分含量显著增加，但土壤脲酶活性下降，这与杨德廉等的研究结果［22］相近，施用有机肥改变了土壤酶活性，对土壤保育有良好意义。

植株的硝酸盐成分是威胁人体健康的成分，过多的含量增加导致消化系统癌变的风险［23］。研究表明，植株的硝酸盐含量与施氮量呈显著的正相关［24］。本研究表明，生物炭显著降低了白菜叶片中硝酸盐的含量，说明了生物炭对于硝酸盐的积累有一定的抑制作用，生物炭可以有效提高土壤养分含量，有利于土壤硝态氮和铵态氮的固持，降低植株氮的吸收量从而减少了硝酸盐的积累［25］。本试验中生物炭配施有机肥白菜的维生素C和可溶性蛋白含量均高于不施用有机肥对照，与复合肥比较施用有机肥能够显著减低白菜中可溶性糖、硝酸盐和纤维素含量。可见，施用有机肥减缓白菜碳氮代谢，减缓了白菜的生长，但提高了白菜的营养品质。生产中施用有机肥可减控土壤部分硝态氮，减少蔬菜对土壤硝酸盐的吸收，进而降低蔬菜硝酸盐积累［26］。本研究中3%生物炭与2.5%有机肥配施能够提高白菜叶片中可溶性糖、维生素C和可溶性蛋白含量，相比5.0%有机肥处理降低硝酸盐和重金属镉积累，说明这一施肥方式在改善白菜的营养品质方面具有优势。

在欧盟委员会法规的Cd含量限定中规定蔬菜的Cd限量是0.05～0.20 mg/kg（鲜质量），澳大利亚规定的叶菜类和块根类蔬菜Cd限量是 0.1 mg/kg，而中国国家标准中的蔬菜中Cd含量的最高允许限量标准为0.05 mg/kg。从以上的规定可以看出各国对重金属Cd在蔬菜中含量限制非常严格［27］。Cd是人体和植物的非必需元素，是对人体和植物均有毒害作用的重金属元素，严重影响植物生长、发育和繁殖等［28］。研究表明，Cd2+会导致植株的矮化、根系缩短、生长发育受阻等现象［29］。研究证实，将有机肥和复合肥肥施入土壤后会发生一定程度的重金属元素的积累，造成土壤的潜在污染，而且这种污染随着种植年限增加而增加［30-31］。本研究表明，施入有机肥增加了重金属在土壤中富集，随着有机肥施入量的增加，富集量呈现上升的趋势。施入有机肥达到5.0%时，白菜叶片和根系中Cd含量超过国内外规定蔬菜Cd限量，因此，白菜生产过程中施入适量的有机肥是保证白菜品质技术环节。生物炭表面附着的有机官能团可能吸附土壤中的重金属离子，降低重金属的活性，从而减少植物体内重金属含量，同时还能固定土壤中的Cd，通过改良土壤质地来提高作物的产量［32］。過量Cd（Cd）可能引发植株严重的形态改变及生理和代谢中断，如抑制光合作用和蒸腾作用，碳水化合物代谢紊乱，蛋白质降解和脂质过氧化反应［33-34］。相关性分析显示，白菜重金属的积累与可溶性蛋白含量极显著正相关，说明在白菜体内可溶性蛋白合成影响着重金属Cd的积累，对于内在调控机理有待进一步研究。

本试验结果表明，单独施用生物炭增加了白菜中纤维素含量，显著降低了白菜硝酸盐的积累。生物炭与复合肥配施显著促进白菜生物量积累显著，同时显著提高了白菜的可溶性糖、叶绿素、硝酸盐、纤维素含量。生物炭与有机肥配施能够降低土壤脲酶和脱氢酶活性，升高土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾的含量，同时土壤EC值和pH值显著升高。生物炭与5%有机肥配施处理提高白菜可溶性蛋白含量和叶绿素含量，显著降低根的生长和白菜纤维素含量，但增加了白菜中硝酸盐和重金属的积累的风险。生物炭与2.5%有机肥配施处理增加白菜的株高、地上干质量及维生素C、可溶性蛋白含量，同时相比5.0%有机肥处理显著降低硝酸盐含量，有效降低白菜叶片和根系中Cd含量。综上，生物炭与有机肥配施能提高土壤养分有效性，促进白菜生长，显著抑制白菜中硝酸盐和重金属Cd的积累，改善白菜品质，以3%生物炭与2.5%有机肥配施改善品质较为显著，可在生产上试用推广。

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收稿日期：2023-01-03

基金項目：黑龙江省大学生创新创业训练计划（编号：202110223016）；黑龙江八一农垦大学校内博士科研启动资助计划（编号：XDB201819） 。

作者简介： 文慧宝 （ 2001—） ，男，山西省泽州人，研究方向为设施园艺生理生态。E-mail：wh1835524651@163.com。

通信作者： 吴 瑕，博士后，副教授，研究方向为设施园艺生理生态与蔬菜安全生产。E-mail：wuxiaxia_2005@ 163. com。