炭基肥對(duì)設(shè)施土壤肥力、番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

王育紅，肖 輝，程文娟，王立艷，潘 潔，高賢彪

(1.天津市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)技術(shù)研究院，天津300384;2.天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，天津300192)

設(shè)施栽培是一種高投入、高產(chǎn)出的集約化生產(chǎn)方式，肥料使用量大，極易產(chǎn)生土壤鹽漬化、板結(jié)、重金屬累積、地下水污染、蔬菜品質(zhì)下降等不良影響。提高肥料利用率、降低化肥使用量、科學(xué)配比有機(jī)無(wú)機(jī)成分是設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。生物黑炭是秸稈等生物質(zhì)在厭氧高溫條件下進(jìn)行熱解炭化，生成富含碳素的固體物質(zhì)［1］。它具有空隙度高、比表面積大［2］、有機(jī)官能團(tuán)豐富［3］等特性，在土壤中應(yīng)用可降低土壤容重［4］，增加土壤孔隙率和持水量［5］，提高土壤 CEC［6］，與肥料配合使用可延緩肥料在土壤中的釋放。Lehmann等［7］研究表明，生物質(zhì)炭對(duì)具有相當(dāng)強(qiáng)的吸附特性，可有效降低土壤氮素淋失，提高氮肥利用率。陳琳等［8］研究表明，炭基肥在減氮19.94%的情況下仍能提高水稻產(chǎn)量6.70%以上。付嘉英等［9］也研究表明，小麥秸稈炭基肥在養(yǎng)分含量降低18%的情況下，小白菜產(chǎn)量提高了45.03%。前人研究均已表明，生物黑炭可作為化肥緩釋劑，提高肥料利用率，但對(duì)于不同栽培方式、不同作物品種，結(jié)果可能存在差異。以設(shè)施番茄為例，通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)，筆者研究了炭基尿素對(duì)設(shè)施土壤肥力、番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，以期為炭基肥在設(shè)施番茄栽培中合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況 試驗(yàn)地點(diǎn)在天津市西青第六埠。該區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年平均氣溫12℃，無(wú)霜期7個(gè)月。年降雨量570～690 mm，分布不均，70%集中在6～8月份，年均蒸發(fā)量1 100 mm。地下水位0.9～1.5 m。選取典型日光溫室。供試土壤類(lèi)型為潮土，質(zhì)地為中壤土。試驗(yàn)前(2012年2月)0～20 cm土層土壤基本性狀為:土壤有機(jī)質(zhì)42.30 g/kg，水解氮 132.4 mg/kg，速效磷 263.4 mg/kg，速效鉀 285.7 mg/kg，pH 8.31。

1.2 供試炭基肥養(yǎng)分含量 以利用棉花秸稈制成的生物黑炭為包裹材料，包裹尿素，形成炭基肥。炭基肥有機(jī)質(zhì)含量252.1 g/kg，全氮(N)31.62%，全磷(P2O5)0.34%，全鉀(K2O)1.82%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為CK，農(nóng)民習(xí)慣(普通尿素);T1，與CK等氮量炭基肥;T2，減氮20%炭基肥;T3，減氮50%炭基肥。每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積8.4 m2。番茄于2012年2月18日定植，2012年6月26日拉秧，留4穗果摘心。各小區(qū)施N 300 kg/hm2、P2O5225 kg/hm2、K2O 375 kg/hm2、農(nóng)家肥15 t/hm2。所用化肥為尿素(含N 46%)、過(guò)磷酸鈣(含 P2O512%)、氯化鉀(含 K2O 60%);農(nóng)家肥為雞糞+稻殼(干基N1.72%、P2O52.13%、K2O 1.55%)。農(nóng)家肥、磷肥全部基施，氮肥、鉀肥40%做基肥，60%做追肥。追肥共分3次，其中氮肥的追施比例分別為30%、20%、10%，鉀肥的追施比例分別為10%、20%、30%。

在盛果期(6月4日)采集番茄樣品，測(cè)定VC、硝酸鹽。在番茄植株拉秧前，取各小區(qū)位置相對(duì)一致的植株測(cè)定株高，并且統(tǒng)計(jì)全小區(qū)最終產(chǎn)量(累計(jì))。

1.4 測(cè)定方法及數(shù)據(jù)處理 土壤水解氮的測(cè)定采用擴(kuò)散吸收法;土壤速效磷的測(cè)定采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-比色法(紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)GENESY5);土壤速效鉀的測(cè)定采用醋酸銨浸提-火焰光度法(火焰光度計(jì)FP6410);土壤全氮的測(cè)定采用凱氏定氮法;土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化法;pH的測(cè)定采用土水比1.0∶2.5玻璃電極法;VC的測(cè)定采用2，6-二氯靛酚滴定法;蔬菜硝酸鹽的測(cè)定采用蒸餾水浸提-紫外分光光度法。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 炭基肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、氮素含量的影響 由表1可知，炭基肥能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，且使用量越大，效果越明顯，處理T1、T2、T3分別比CK高出4.45%、3.05%及1.28%，但均與CK之間差異不顯著，各炭基肥處理之間差異也不顯著。炭基肥含有較高的生物炭成分，生物炭穩(wěn)定性強(qiáng)，不易降解，因此施入土壤后能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。

設(shè)施土壤施用炭基肥能提高土壤水解氮和全氮的含量。處理T1、T2、T3土壤水解氮含量與CK相比分別提高7.30%、1.78%及-3.06%，處理T1與CK之間差異在0.05水平顯著，處理T2、T3與CK之間差異不明顯，處理T1與T2、T3之間差異也達(dá)0.05顯著水平。炭基肥對(duì)土壤全氮的影響和水解氮基本一致。處理T1、T2、T3土壤全氮含量與CK相比分別提高7.62%、3.33%及-4.29%，處理T1與CK、處理T2、T3之間差異均達(dá)0.05顯著水平;處理T2與CK之間差異不明顯，但與處理T3之間差異在0.05水平顯著;處理T3與CK之間差異不明顯。這表明等氮量炭基肥可顯著提高土壤表層氮素含量，且在減氮20%的情況下仍能保持較高的土壤肥力，在減氮50%的情況下土壤氮素有下降趨勢(shì)，但與習(xí)慣施肥之間差異不明顯。

表1 炭基肥對(duì)土壤氮素、有機(jī)質(zhì)含量的影響

2.2 炭基肥對(duì)番茄株高的影響 由圖1可知，各處理株高高低順序?yàn)樘幚鞹1＞處理T2＞CK＞處理T3，處理T1、T2與CK相比番茄株高分別提高7.76%和4.31%，處理T1與CK之間的差異達(dá)0.05顯著水平，處理T2與CK之間差異不顯著。這表明施用炭基肥可促進(jìn)番茄植株生長(zhǎng)，增加番茄株高，且在降低施氮量20%的情況下，施用炭基肥也能完全滿(mǎn)足番茄生長(zhǎng)需求。處理T3株高略低于CK，但與CK之間的差異不明顯。這表明在減氮50%的條件下，炭基肥處理雖然與對(duì)照差異不明顯，但施氮量偏低可能會(huì)影響番茄的正常生長(zhǎng)。

2.3 炭基肥對(duì)番茄品質(zhì)的影響 由表2可知，炭基肥能明顯提高番茄VC含量，且總氮量越小，VC含量越高。各處理高低順序?yàn)樘幚鞹3＞處理T2＞處理T1＞CK，處理T3、T2、T1分別比CK高出9.54%、7.25%及3.26%，處理T3、T2與CK之間差異達(dá)0.05顯著水平，且與處理T1之間的差異也達(dá)0.05顯著水平，處理T3、T2間差異不顯著，處理T1、CK之間差異不顯著。這表明在等氮量的情況下，炭基肥處理T1與對(duì)照之間雖然差異不顯著，但能提高番茄VC含量;在減氮情況下，氮素使用量越少，番茄VC含量越高。

表2 炭基肥對(duì)番茄品質(zhì)的影響 mg/kg

施用炭基肥能降低番茄硝酸鹽含量，且使用量越低，效果越明顯。處理T1、T2、T3番茄硝酸鹽含量分別比CK低4.24%、9.52%及15.31%。處理T1與CK之間差異不顯著，但處理T2、T3與CK之間差異達(dá)0.05顯著水平，且處理T1、T2與T3之間差異也達(dá)0.05顯著水平。這表明炭基肥與普通肥料相比能降低番茄硝酸鹽含量，且減量處理效果更加明顯。

2.4 炭基肥對(duì)番茄產(chǎn)量的影響 由圖2可知，施用適量炭基肥可明顯提高番茄產(chǎn)量。各處理中，減氮20%處理T2產(chǎn)量最高，比CK增產(chǎn)6.43%，差異達(dá)0.05顯著水平;等氮量處理T1與對(duì)照相比也提高產(chǎn)量4.29%，但與對(duì)照之間差異不顯著;50%減氮量處理T3雖與對(duì)照差異不顯著，但造成減產(chǎn)2.14%。這表明設(shè)施土壤施用炭基肥可提高番茄產(chǎn)量，且在適量降低施氮量的情況下，增產(chǎn)效果依然明顯，但氮素減少量也不宜過(guò)多，避免造成減產(chǎn)。

3 結(jié)論與討論

生物黑炭含有豐富的有機(jī)碳，且不易降解［10］，施入土壤能提高土壤有機(jī)碳含量［11］?？等辗宓龋?2］研究表明，隨炭基肥中生物炭添加量的增大，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，并呈線性相關(guān)。試驗(yàn)所用炭基肥含有近25%的生物炭，因此隨施用量的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯上升，但因總投入量不大，致使與對(duì)照之間差異不顯著。生物黑炭孔隙度高，比表面積大，且具有豐富的官能團(tuán)，因此吸附能力強(qiáng)，能吸附氮素，延緩肥料氮素的釋放，降低肥料流失率，進(jìn)而提高肥料利用率［13-15］。因此，與CK相比，在番茄生長(zhǎng)后期炭基肥處理仍能提供充足的氮素營(yíng)養(yǎng)，甚至在減氮20%的情況下炭基肥處理水解氮和全氮含量仍高于習(xí)慣處理，表明炭基肥具有較強(qiáng)的保肥能力，在減少氮肥使用量的情況下仍能保持土壤較高肥力。

炭基肥可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加作物產(chǎn)量［12，16-17］。試驗(yàn)炭基肥處理與CK相比可提高番茄株高，增加番茄產(chǎn)量，其中減氮20%處理增產(chǎn)效果最為明顯。原因可能為炭基肥養(yǎng)分釋放慢，持續(xù)供養(yǎng)能力強(qiáng)，且能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)。但是，在炭基肥使用量偏低的情況(減少氮素50%)下，番茄產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)。因此，炭基肥使用量不宜過(guò)少，避免造成減產(chǎn)。

喬志剛等［18］研究表明，炭基肥可提高青椒VC和可溶性糖含量;付嘉英等［9］指出，炭基肥可降低小白菜硝酸鹽含量。該試驗(yàn)結(jié)果與前人基本一致，即炭基肥能增加番茄VC含量3.26% ～9.54%，降低硝酸鹽含量4.24% ～15.31%，且隨著氮素使用量的減少，效果越明顯。原因可能為一方面氮素總量降低，且炭基肥養(yǎng)分釋放相對(duì)緩慢，降低了番茄對(duì)氮素的奢侈吸收;另一方面，隨生物黑炭的施入，帶入了其他礦質(zhì)養(yǎng)分(如鈣、鎂、硅、硫等)，養(yǎng)分供應(yīng)更加平衡，因此提高了番茄品質(zhì)。

該研究表明，炭基肥可以增加設(shè)施土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤全氮、水解氮含量，增加番茄產(chǎn)量，改善番茄品質(zhì)。其中，減氮量20%炭基肥處理綜合效果最好。在保持土壤肥力的前提下，該處理可增加番茄產(chǎn)量6.43%，提高VC含量7.25%，降低硝酸鹽含量9.52%。

［1］SOHI S P，KRULL E，LOPEZ-CAPEL E，et al.A review of biochar and its use and function in soil［J］.Advances in Agronomy，2010，105:47-82.

［2］KEILUWEIT M，NICO P，JOHNSON M.Dynamic molecular structure of plant biomass-derived black carbon(Biochar)［J］.Environmental Science＆ Technology，2010，44:1247-1253.

［3］FUERTES A B，CAMPS ARBESTAIN M，SEVILLA M，et al.Chemical and structural properties of carbonaceous products obtained by pyrolysis and hydrothermal carbonization of corn stover［J］.Australian Journal of Soil Research，2010，48:618-626.

［4］陳紅霞，杜章留，郭偉，等.施用生物炭對(duì)華北平原農(nóng)田土壤容重、陽(yáng)離子交換量和顆粒有機(jī)質(zhì)含量的影響［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，22(11):2930-2934.

［5］DAVID A L，PIERCE F，DEDRICK D D，et al.Impact of biochar amendments on the quality of a typical Midwestern agricultural soil［J］.Geoderma，2010，158:443-449.

［6］YUAN J H，XU R K，QIAN W，et al.Comparison of the ameliorating effects on an acidic ultisol between four crop straws and their biochar［J］.Journal of Soils and Sediments，2011，11(5):741-750.

［7］LEHMANN J，DA SILVA J P，RONDON M，et al.Slash-and-char:A feasible alternative for soil fertility management in the central Amazon［C］//Proceedings of the 17th world congress of soil science.Bangkok，Thailand，2002.

［8］陳琳，喬志剛，李戀卿，等.施用生物質(zhì)炭基肥對(duì)水稻產(chǎn)量及氮素利用的影響［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，29(5):671-675.

［9］付嘉英，喬志剛，鄭金偉，等.不同炭基肥料對(duì)小白菜硝酸鹽含量、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29(34):162-165.

［10］SHINDO H.Elementary composition，humus composition，and decomposition in soil of charred grassla［J］.Soil Science and Plant Nutrition，1991，37(4):651-657.

［11］SCHMIDT M W，NOACK A G.Black carbon in soils and sediments:Analysis，distribution and current challenges［J］.Global Biogeochemical Cycles，2000，14(3):777-793.

［12］康日峰，張乃明，史靜，等.生物炭基肥料對(duì)小麥生長(zhǎng)、養(yǎng)分吸收及土壤肥力的影響［J］.中國(guó)土壤與肥料，2014(6):33-38.

［13］喬志剛，陳琳，李戀卿，等.生物質(zhì)炭基肥對(duì)水稻生長(zhǎng)及氮素利用率的影響［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2014，30(5):175-180.

［14］曲晶晶，鄭金偉，鄭聚鋒，等.小麥秸稈生物質(zhì)炭對(duì)水稻產(chǎn)量及晚稻氮素利用率的影響［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，28(3):288-293.

［15］KARHU K，MATTILAB T，BERGSTROMA I，et al.Biochar addition to agricultural soil increased CH4uptake and water holding capacity-Results from a short-term pilot field study［J］.Agriculture，Ecosyatem and Environment，2011，140:309-313.

［16］高海英.一種生物炭基氮肥的特征及其對(duì)土壤作物的效應(yīng)研究［D］.楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

［17］ASAI H，SAMSON B K，STEPHAN H M，et al.Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos:1.Soil physical properties，leaf SPAD and grain yield［J］.Field Crops Research，2009，111(1):81-84.

［18］喬志剛，付嘉英，鄭金偉，等.不同炭基肥對(duì)青椒生長(zhǎng)、品質(zhì)和氮素農(nóng)學(xué)利用率的影響［J］.土壤通報(bào)，2014，45(1):174-179.