物質(zhì)炭對設(shè)施大棚土壤性質(zhì)與果蔬產(chǎn)量影響的整合分析

薛舒尹

摘 要：（目的）量化和評估生物質(zhì)炭在設(shè)施栽培中的應(yīng)用效果，對生物質(zhì)炭在設(shè)施大棚的推廣應(yīng)用具有重要的實踐價值。（方法）通過文獻(xiàn)收集并建立數(shù)據(jù)庫，共獲得典型設(shè)施大棚或溫室環(huán)境條件下相對獨立的匹配數(shù)據(jù)214組，采用數(shù)據(jù)整合分析（Meta-analysis）方法，定量分析生物質(zhì)炭特性（原料、制備溫度、C/N、pH）與管理措施（施用量與施用時長）對果蔬產(chǎn)量、土壤理化性質(zhì)的影響程度。（結(jié)果）設(shè)施條件下施用生物質(zhì)炭可顯著提高土壤pH，且土壤有機(jī)碳、氮、磷等均有不同程度的增加。（結(jié)論）生物質(zhì)炭類型及施用量是影響設(shè)施土壤肥力與果蔬產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，低溫（400～500℃下）制備的生物質(zhì)炭增產(chǎn)效果顯著，建議施用量控制在10.0t/hm2以下且間斷性施用，可降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭;設(shè)施大棚;土壤

隨著人口的不斷增加，土壤資源面臨著巨大的壓力，近年來設(shè)施農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)的發(fā)展，以及生產(chǎn)者對經(jīng)濟(jì)利益的過高追求，導(dǎo)致作物連作面積增加，土壤質(zhì)量下降，土壤中微生物種群結(jié)構(gòu)失衡，作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降。糧食作物、果樹、蔬菜、瓜果、花卉等都不同程度地存在連作障礙問題。設(shè)施蔬菜的連作障礙已成為限制設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

一、研究方法

1.數(shù)據(jù)來源

本研究收集的數(shù)據(jù)來自中國知網(wǎng)和WebofScience文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫。檢索主要關(guān)鍵詞：“生物質(zhì)炭（biochar）”、“土壤性質(zhì)（soilproperties）”、“產(chǎn)量（yield）”和“設(shè)施大棚（greenhousefacilities）”等，篩選2007—2015年符合以下基本要求的文獻(xiàn)：1）設(shè)施大棚試驗，排除田間試驗、露天盆栽試驗等;2）試驗處理組必須為施用生物質(zhì)炭，對照組為不施用生物質(zhì)炭，且處理組和對照組除生物質(zhì)炭外，其他試驗條件嚴(yán)格一致;3）試驗處理重復(fù)數(shù)必須大于或等于3。最終得到214組有效匹配數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)庫建立與數(shù)據(jù)分類

xBxC對收集到的獨立試驗數(shù)據(jù)，按照施用生物質(zhì)炭（試驗組）與不施用生物質(zhì)炭（對照組）處理，提取每篇文獻(xiàn)中各個指標(biāo)的平均值（試驗和對照組）、標(biāo)準(zhǔn)差（sB和sC）和樣本數(shù)（NB和NC），通過圖展示的文獻(xiàn)，利用GetDataGraphDigitizer2.24軟件獲取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)收集指標(biāo)包括生物質(zhì)炭施用量，生物質(zhì)炭特性（制備原料、制備溫度、生物質(zhì)炭pH值、C/N比等），土壤理化性質(zhì)（有機(jī)碳、全氮含量，有效態(tài)氮、磷，pH值等），作物產(chǎn)量等。由于設(shè)施栽培規(guī)模不一致，生物質(zhì)炭施用比例表示方法包括采用質(zhì)量百分比（%）和質(zhì)量/土壤面積（如t/hm2）兩種形式。在本研究整合分析中將生物質(zhì)炭施用比例統(tǒng)一為質(zhì)量/土壤面積（t/hm2）。如果是室內(nèi)盆栽試驗，以每畝耕層土壤重30萬斤來進(jìn)行單位換算，以便統(tǒng)一產(chǎn)量單位（t/hm2）。如果沒有相關(guān)說明則將土層厚度設(shè)定為一般耕作層厚度20cm。對于土壤pH，如果試驗中pH是采用CaCl2溶液法，那么使用公式轉(zhuǎn)換，即pH（H2O）=1.65+0.86pH（CaCl2）。根據(jù)文獻(xiàn)，將生物質(zhì)炭原材料大致分為畜禽糞便類、秸稈類、木材類以及殼渣類等4種類型進(jìn)行整合分析。關(guān)于生物質(zhì)炭制備溫度，如果文獻(xiàn)給出的是溫度區(qū)間，則取其平均值，并將生物質(zhì)炭熱解溫度劃分為4個區(qū)間：低溫（≤400℃）、中溫（401～500℃）、中高溫（501～600℃）、高溫（≥600℃）。生物質(zhì)炭碳氮含量比值（C/N值）劃分為5個水平：<20、20～50、50～100、100～300、≥300。生物質(zhì)炭pH分為≤7、7～8、8～9、9～10和≥105個水平。生物質(zhì)炭施用量分為4個水平：<10.0、10.0～40.0、40.0～80.0、≥80.0t/hm2。生物質(zhì)炭施用時間按月分為4個水平：<3、3.0～6.0、6.0～12.0和≥12.0。

3.數(shù)據(jù)分析

方法對文獻(xiàn)中有關(guān)生物質(zhì)炭對作物產(chǎn)量的影響結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。試驗中的產(chǎn)量值采用自然對數(shù)的反應(yīng)比（responseratio，RR）作為效應(yīng)量： 式中：sB和sC分別為試驗組和對照組的標(biāo)準(zhǔn)差;NB和NC分別為試驗組和對照組的樣本數(shù)。效應(yīng)量的變異系數(shù)用各組處理的標(biāo)準(zhǔn)偏差和試驗重復(fù)數(shù)來計算。效應(yīng)量的權(quán)重采用變異系數(shù)的倒數(shù)表示，最終獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)通過MetaWin2.1軟件進(jìn)行處理。

二、結(jié)果與分析

1.生物質(zhì)炭特性對設(shè)施大棚果蔬產(chǎn)量的影響

總體而言，施用生物質(zhì)炭可平均提高大棚果蔬產(chǎn)量22.1%，但不同的生物質(zhì)炭制備原料對設(shè)施大棚果蔬的增產(chǎn)效應(yīng)也存在差異。畜禽糞便類因富含養(yǎng)分，其增產(chǎn)效果最好，可高達(dá)66.4%;秸稈類次之，為31.2%，碳氮比較高的木材類可增產(chǎn)19.0%，殼渣類生物質(zhì)炭增產(chǎn)效果不顯著（P>0.05）。生物質(zhì)炭的制備溫度也是影響生物質(zhì)炭增產(chǎn)效果的一個重要因素。分析結(jié)果表明，相對于高溫制備，低、中溫度制備的生物質(zhì)炭有利于設(shè)施大棚果蔬的增產(chǎn)。當(dāng)制備溫度低于400℃時，大棚果蔬可增產(chǎn)20.4%;制備溫度在401～500℃時，增產(chǎn)效應(yīng)提高至36.5%;制備溫度繼續(xù)升高，增產(chǎn)效應(yīng)開始下降，制備溫度為501～600℃時，增產(chǎn)22.8%;超過600℃，施用生物質(zhì)炭與不施用生物質(zhì)炭相比，設(shè)施大棚果蔬產(chǎn)量無顯著差異（P>0.05）。生物質(zhì)炭的C/N由于制備原料的差異而有所不同，分析結(jié)果表明，隨著生物質(zhì)炭C/N值的提高，施用生物質(zhì)炭對大棚果蔬的增產(chǎn)效應(yīng)逐漸降低。C/N值<20時可增產(chǎn)49.1%，是C/N值≥300時增產(chǎn)效果（3.0%）的16.4倍。此外，C/N值分別在20～50、50～100時，分別增產(chǎn)46.0%、19.3%，C/N值>100時，無顯著增產(chǎn)作用。施用堿性生物質(zhì)炭能顯著增產(chǎn)（P<0.05），施用酸性生物質(zhì)炭則會引起設(shè)施大棚作物減產(chǎn)。如圖5所示，當(dāng)生物質(zhì)炭的pH<7時，大棚果蔬減產(chǎn)17.5%。pH值在9～10時，可增產(chǎn)39.1%，遠(yuǎn)高于其他pH值范圍的生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效果。但當(dāng)pH過高，增產(chǎn)效果會降低，當(dāng)生物質(zhì)炭pH≥10時，僅增產(chǎn)14.1%。生物質(zhì)炭pH值介于7～8或8～9時，可分別增產(chǎn)22.4%和21.6%。

三、結(jié)語

研究表明，畜禽糞便生物質(zhì)炭含大量穩(wěn)定的芳香族結(jié)構(gòu)及豐富的無機(jī)礦物質(zhì)，并濃縮了非揮發(fā)的礦物質(zhì)如磷、鉀等元素。生物質(zhì)炭的施用會增加土壤堿度，引發(fā)設(shè)施土壤生態(tài)環(huán)境的改變，包括對土壤微生物結(jié)構(gòu)、作物生長、金屬離子活性甚至農(nóng)藥等污染物間接方面的影響及其作用機(jī)理機(jī)制，仍有待進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]房毅.設(shè)施農(nóng)業(yè)培育健康蔬菜[J].農(nóng)業(yè)知識，2015，（16）：27–28.