玉米芯生物炭對辣椒連作土壤性質(zhì)和辣椒生長的影響

王薇薇， 梅 燚，吳永成，萬紅建，陳長軍，鄭青松，鄭佳秋，*

(1.江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 鹽城 224002； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所，浙江 杭州 310021； 3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院，江蘇 南京 210095)

辣椒(CapsicumannuumL.)為茄科一年或多年生草本植物，具有豐富的營養(yǎng)和特殊的口感，是受到人們喜愛的蔬菜和調(diào)味品。我國是辣椒消費(fèi)大國，辣椒消費(fèi)量居全球之首。由于市場需求量大，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值和效益高，辣椒在我國的種植規(guī)模不斷擴(kuò)大[1]。與此同時(shí)，辣椒常年連作導(dǎo)致一些產(chǎn)區(qū)的土壤環(huán)境逐漸惡化，土傳病害日趨嚴(yán)重，植株生長受限，進(jìn)而引發(fā)產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣等一系列問題。據(jù)報(bào)道，辣椒連作所致的減產(chǎn)幅度可達(dá)20%～50%，高的甚至可達(dá)70%[2]。

研究顯示，隨著辣椒連作年限的增加，土壤酸化和鹽漬化程度加大，土壤理化性狀惡化[3]，土壤微生物區(qū)系組成和數(shù)量發(fā)生變化，土壤中的細(xì)菌和有益放線菌數(shù)量減少，真菌數(shù)量升高，土壤肥力由“細(xì)菌型”向“真菌型”轉(zhuǎn)變，土壤真菌病害加重[4]。

生物炭是在缺氧條件下高溫裂解有機(jī)物而形成的穩(wěn)定富碳產(chǎn)物，主要由芳香烴和單質(zhì)碳或具有類石墨結(jié)構(gòu)的碳組成，碳含量一般在60%以上[5]。目前，生物炭的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到農(nóng)業(yè)、環(huán)境、氣候、能源等方面[6-8]。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的諸多研究表明，生物炭具有改良土壤的功能，施入土壤后有助于增加土壤養(yǎng)分，改善土壤理化性質(zhì)，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與豐度[9-11]。添加生物炭可明顯緩解土壤連作障礙。據(jù)報(bào)道，添加小麥秸稈炭可以增加設(shè)施黃瓜連作土壤的養(yǎng)分含量，提高土壤肥力，改善土壤酶活性，顯著提高黃瓜產(chǎn)量與品質(zhì)[12]。此外，生物炭對蘆筍[13]、桃[14]、蘋果[15]等植物的連作土壤亦具有明顯改良效果。目前，辣椒種植中的連作障礙問題突出。為此，本文特以連作3年的設(shè)施辣椒土壤為對象，通過分析不同生物炭添加量對土壤性質(zhì)的影響來研究生物炭對辣椒連作土壤的改良效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試?yán)苯菲贩N為鹽椒4號，由江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所蔬菜室培育。

自江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)農(nóng)場連續(xù)栽培3年辣椒的0～30 cm土層采集供試土壤，其基本理化性質(zhì)如下：pH值7.37，有機(jī)質(zhì)含量16.42 g·kg-1，全氮(TN)含量0.84 g·kg-1，全磷(TP)含量0.87 g·kg-1，有效磷(AP)含量29.53 mg·kg-1，全鉀(TK)含量2.21 g·kg-1，速效鉀(AK)含量248.51 mg·kg-1。

供試生物炭為玉米芯生物炭，購自河南弘之源凈水材料有限公司，基本理化性質(zhì)如下：pH值6.99，有機(jī)碳含量443.01 g·kg-1，全氮含量12.26 g·kg-1，全磷含量1.54 g·kg-1，全鉀含量0.86 g·kg-1。

供試商品有機(jī)肥為富墑?dòng)袡C(jī)肥料，購自河北金地源生物肥有限公司，有效養(yǎng)分(N、P2O5、K2O)含量超過4.0%，有機(jī)質(zhì)含量30%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年4月在江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)農(nóng)場(33°41′N，120°20′E)進(jìn)行。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積12 m2，共設(shè)5個(gè)處理：CK，未添加生物炭的連作土壤；T1，生物炭添加量5 t·hm-2；T2，生物炭添加量10 t·hm-2；T3，生物炭添加量20 t·hm-2；T4，生物炭添加量30 t·hm-2。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。生物炭在辣椒定植前一次性施入，并經(jīng)人工翻耕與表層(0～30 cm)土充分混合均勻。各小區(qū)在辣椒種植前均一次性施入商品有機(jī)肥3 000 kg·hm-2，試驗(yàn)期間不追肥。按辣椒生產(chǎn)常規(guī)進(jìn)行田間管理。

1.3 樣品采集與指標(biāo)測定

在每個(gè)小區(qū)采用“S”形路線采樣，隨機(jī)選5個(gè)點(diǎn)采集辣椒根區(qū)土壤，混合均勻后去除雜質(zhì)，一部分放置在4 ℃冰箱中用于測定土壤微生物碳、氮含量；另一部分置于室內(nèi)通風(fēng)陰干，用于土壤理化指標(biāo)測定。采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)碳(SOC)含量；采用半微量開氏法測定土壤TN含量；采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定土壤TP含量；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定土壤AP含量；采用硝酸-高氯酸消煮，原子吸收分光光度法(AA400型原子吸收分光光度計(jì)，美國Perkin Elmer)測定土壤TK含量；采用醋酸銨浸提-原子吸收分光光度法測定土壤AK含量；采用氯仿熏蒸-重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定土壤微生物量碳(MBC)含量；采用氯仿熏蒸-開氏蒸餾法測定土壤微生物量氮(MBN)含量。

分別用米尺、游標(biāo)卡尺測定辣椒的株高、株幅和莖粗。辣椒成熟后，采摘全部辣椒果實(shí)(果長>5 cm)，記錄辣椒的單株產(chǎn)量和植株鮮重(以單株計(jì)，不含果重)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016軟件整理數(shù)據(jù)，采用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對辣椒連作土壤理化性質(zhì)的影響

施入生物炭對土壤pH值無顯著影響(表1)。隨著生物炭施用量的增加，土壤SOC含量相應(yīng)增大，且與CK呈顯著(P<0.05)差異，T4處理的SOC含量最高，達(dá)26.31 g·kg-1。除T1外，施用生物炭的處理顯著(P<0.05)增加了土壤TN含量，較CK的增幅在21.11%～71.11%。施用生物炭的各處理顯著(P<0.05)增加了土壤SOC/TN，增幅在35.67%～84.48%。T3、T4處理的土壤TP、AP含量均較CK顯著(P<0.05)增加，增幅分別在28.46%、53.67%和114.45%、125.76%。T3處理下，土壤TK含量較CK顯著(P<0.05)降低6.64%，其他處理與CK并無顯著差異。隨著生物炭添加量的增加，土壤AK含量呈先上升后下降的趨勢，在T2處理下達(dá)到最高值，為310.83 mg·kg-1，且T1～T3處理的土壤AK含量與CK和T4處理差異顯著(P<0.05)。

表1 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響

2.2 不同處理對辣椒連作土壤微生物量碳、氮的影響

生物炭的施入可顯著(P<0.05)增加連作土壤的MBC、MBN含量(表2)，且二者均隨生物炭添加量的遞增而呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，均在T3處理下達(dá)到最大值(分別為271.58、50.66 mg·kg-1)，分別較CK處理顯著(P<0.05)增加67.38%和88.82%。土壤MBC/MBN隨生物炭施用量的增加呈先降低后增加的趨勢，始終與CK處理差異顯著(P<0.05)。各處理中，CK處理的MBC/MBN最大(6.05)，顯著(P<0.05)高于其他處理，T3處理的MBC/MBN最小(5.36)。

表2 不同處理對土壤微生物量碳、氮的影響

2.3 不同處理對辣椒連作土壤MBC/SOC、MBN/TN的影響

隨生物炭添加量增加，土壤MBN/TN呈先增加后降低的變化趨勢(圖1)，其中，T2、T3處理下與CK差異顯著(P<0.05)，增幅分別為11.33%和16.67%。添加生物炭的各處理，土壤MBC/SOC均較CK處理顯著(P<0.05)降低，且隨生物炭施用量的增加呈下降趨勢。

同一指標(biāo)下不同處理柱上無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。

2.4 土壤理化性質(zhì)與微生物量碳、氮的相關(guān)性

土壤微生物量碳、氮與土壤養(yǎng)分指標(biāo)間存在著顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)的相關(guān)性(表3)。具體地：MBC與TN、SOC、TP、AP呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)，與TK呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)；MBN與TN、SOC、TP、AP呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)，與TK呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)；MBC/MBN與AP呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)，與AK呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)；MBC/SOC與TK呈顯著(P<0.05)正相關(guān)，與TN、SOC、TP、AP呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)。

表3 土壤理化性質(zhì)與土壤微生物量碳、氮的相關(guān)性

2.5 不同處理對辣椒生長的影響

隨著生物炭施用量的增加，辣椒株幅呈先增加后降低的趨勢(表4)，與CK處理相比，T1、T2、T3處理的辣椒株幅顯著(P<0.05)提高了9.21%～15.12%。T2、T3處理的辣椒莖粗較CK顯著(P<0.05)增加，T3處理的辣椒株高亦較CK顯著(P<0.05)增加，其他處理在上述2項(xiàng)指標(biāo)上與CK處理無顯著差異。辣椒單株產(chǎn)量隨生物炭施用量的增加呈先增后減的趨勢，其中，T1、T2、T3處理的單株產(chǎn)量和植株鮮重均顯著(P<0.05)高于CK，并以T3處理的單株產(chǎn)量和植株鮮重最高，而T4處理的單株產(chǎn)量和植株鮮重降至與CK無顯著差異的水平。

表4 不同處理對辣椒農(nóng)藝性狀的影響

3 討論

生物炭多呈堿性，施入土壤后可以提高酸性土壤的pH值[16-18]，但對堿性土壤影響較小[19-20]。本試驗(yàn)也獲得類似的結(jié)果，隨著生物炭施用量的增加，各處理的土壤pH值與對照無顯著差異。供試土壤的pH值為7.37，供試生物炭的pH值為6.99，二者之間本就差異較小，這可能也是導(dǎo)致各處理下土壤pH值變化不顯著的重要原因之一[21]。生物炭具有提高土壤肥力的潛力。周麗靖等[22]報(bào)道，竹炭、稻殼炭提高了百合連作土壤的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和有效鉀含量；韓召強(qiáng)等[23]報(bào)道，在黃瓜連作土壤中添加小麥秸稈生物炭，連續(xù)兩季土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有效磷含量均較對照提高。本研究表明，在辣椒連作土壤上施用適量生物炭后，土壤有機(jī)碳、總氮、速效鉀、全磷和有效磷含量顯著增加。這可能是因?yàn)樯锾孔陨砗刑己鸵欢ǖ牡V質(zhì)養(yǎng)分，施用后可對土壤養(yǎng)分含量直接起到補(bǔ)充作用[24]。此外，生物炭特有的微孔結(jié)構(gòu)和大的比表面積，均有助于吸附固定土壤中的養(yǎng)分元素[25]。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭施用量的增加，土壤中的全鉀含量顯著降低，這與李紅宇等[26]的研究結(jié)果相似。原因可能包括：(1)生物炭中檢測到的全鉀含量遠(yuǎn)低于土壤，施入土壤后所能釋放到土壤中的鉀素有限，混合后反而稀釋了土壤的全鉀含量，導(dǎo)致土壤全鉀含量下降；(2)生物炭施用增加了土壤的速效鉀含量，促進(jìn)了植物對鉀素的吸收利用[27]，從而使得土壤全鉀含量降低。

本研究結(jié)果表明，隨著生物炭添加量的增加，辣椒連作土壤中微生物量碳、氮呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。這與尚杰等[28]的研究結(jié)果相似。其原因可能是：一方面，生物炭的多孔性及其對土壤理化特性的改善，可為土壤微生物提供良好的生長環(huán)境；另一方面，生物炭增加了土壤養(yǎng)分含量，而微生物量碳、氮含量與土壤養(yǎng)分含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。MBC/MBN可以反映土壤氮的供應(yīng)能力。本研究發(fā)現(xiàn)，MBC/MBN隨著生物炭施用量的增加呈先降低后增加的趨勢，表明適量添加生物炭能夠提高土壤氮素的利用率，而過量的生物炭使得微生物可直接利用的活性氮比值降低，導(dǎo)致MBC/MBN上升[29]。MBC/SOC能反映土壤中有機(jī)碳向微生物量碳的轉(zhuǎn)化速率，可以較好地揭示土壤肥力的差異。本研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭的各處理，其MBC/SOC均顯著低于對照，且隨著施用量增加呈下降趨勢。這與羅梅等[30]的研究結(jié)果一致。其主要原因是，生物炭能夠顯著提高土壤的有機(jī)碳含量，而能夠被微生物吸收利用的活性有機(jī)碳只占土壤有機(jī)碳總量的極少部分。本試驗(yàn)中，MBN/TN的值在2.76%～3.50%，與前人的研究結(jié)果(2%～6%)較為一致[31]。

生物炭施入土壤后，在大多數(shù)研究中都對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量表現(xiàn)出正效應(yīng)[32-34]，但也有一些負(fù)效應(yīng)的報(bào)道[35-36]。本研究結(jié)果表明，添加適宜用量的生物炭(T1、T2、T3處理)能夠促進(jìn)辣椒的生長發(fā)育，但較高的生物炭添加量(T4處理)并不會(huì)顯著促進(jìn)辣椒的生長。也就是說，為充分發(fā)揮生物炭的積極作用，應(yīng)針對具體的土壤和作物開展適宜用量的深入研究。