黃連喜，魏 嵐，李衍亮，黃玉芬，Nyo Nyo Mar，2，許桂芝，黃 慶，劉忠珍

（1.廣東省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部南方植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室/廣東省養(yǎng)分循環(huán)利用與耕地保育重點實驗室，廣東 廣州 510640；2. 緬甸教育部農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心，皎施 100301）

小麥秸桿生物炭在廣東省蔬菜連作土壤中的應(yīng)用效果研究

黃連喜1，魏 嵐1，李衍亮1，黃玉芬1，Nyo Nyo Mar1，2，許桂芝1，黃 慶1，劉忠珍1

（1.廣東省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部南方植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室/廣東省養(yǎng)分循環(huán)利用與耕地保育重點實驗室，廣東 廣州 510640；2. 緬甸教育部農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心，皎施 100301）

通過連續(xù)16個月多茬蔬菜輪作的田間定位試驗，考察一次性施加0、2.5、5、10 t/hm2小麥秸稈生物炭對廣東典型菜田土壤理化性質(zhì)改良、蔬菜增產(chǎn)效果及其作用的持續(xù)效應(yīng)。結(jié)果表明，小麥秸桿生物炭輸入可有效緩解土壤的酸性，明顯提升土壤有機碳含量，但對該土壤有效氮、有效磷及速效鉀含量影響不大。生物炭改良土壤后對蔬菜生長具有顯著的促進(jìn)作用。不同用量生物炭可提高土壤pH 0.1～0.8，提升土壤有機碳含量1.0%～27.9%，使蔬菜增產(chǎn)1.2%～124.3%。其中5 t/hm2生物炭施用效果較其他處理好，與對照相比，5 t/hm2施用量可提高土壤pH值0.2～0.8，提升土壤有機碳含量0.10%～0.30%（增幅6.4%～19.3%），蔬菜增產(chǎn)幅度達(dá)到15.6%～124.3%。連續(xù)種植多茬蔬菜后，5 t/hm2生物炭處理的土壤pH值、有機碳含量及蔬菜產(chǎn)量增幅分別為8.1%、8.2%及33.2%，因此，在試驗開展期內(nèi)，小麥秸桿生物炭對農(nóng)田土壤酸性改良、有機碳含量提升及蔬菜增產(chǎn)具有持續(xù)的增長效應(yīng)。

小麥秸桿；生物炭；土壤酸度；土壤有機碳；蔬菜產(chǎn)量；持續(xù)效應(yīng)

Abstract：Soil quality improvement，vegetable growth，vegetable quality and their sustainable effect influenced by disposable wheat straw biochar input containing four treatments （wheat straw biochar dosages were 0，2.5，5，10 t/hm2respectively） were researched through 16 months’ vegetable rotation field experiment. Results showed that the application of different dosages of wheat straw biochar could increase soil pH value，soil organic carbon content and vegetable yield of every crop，but had little influence on soil available nitrogen，available phosphorus and availablepotassium content. The enhanced unit of soil pH value，increased rate of soil organic carbon and vegetable yield affected by different dosages of wheat straw biochar were 0.1-0.8，1.0%-27.9% and 1.2%-124.3%，respectively.The optimal dosage was 5 t/hm2，which could significantly increase soil pH value，soil organic carbon content and yield of every stubble vegetable. Compared with the control treatment，5 t/hm2of wheat straw biochar could increase soil pH value by 0.2-0.8 units，soil organic carbon content by 0.10%-0.30% and vegetable yield by 9.6-56.1 t/hm2.The increase rates of soil organic carbon content and vegetable yield were up to 6.4%-19.3% and 15.6%-124.3%，respectively. After successive stubbles of vegetables，the soil pH value，soil organic carbon content and vegetable yield treated by 5 t/hm2wheat straw biochar were still 8.1%，8.2% and 33.2% higher than those of control treatment.The application of wheat straw biochar could effectively alleviate the acidity of soil，significantly enhance soil organic carbon content and vegetable yield at the more than one year rotation field experiment of continuous stubbles of vegetable. There is a persistent effect on the improvement of soil acidity，organic carbon content and vegetable production of wheat straw biochar during the experiment time.

Key words：wheat straw；biochar；soil acidity；soil organic carbon；vegetable yield；persistent effect

土壤是人類賴以生存發(fā)展的主要自然資源之一，也是人類生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。隨著我國工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，人類活動對土壤的干擾日益加劇，導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量下降，土壤退化、土壤養(yǎng)分失調(diào)、酸化加劇、肥力下降，養(yǎng)分利用率低、面源污染等多種問題出現(xiàn)［1］。生物炭是由生物質(zhì)原料在缺氧條件下燃燒或熱解產(chǎn)生的含碳物質(zhì)，其來源豐富，具有疏松多孔結(jié)構(gòu)、獨特的表面特性及理化性狀，有望在我國土壤多種問題的綜合解決方案中扮演重要角色［2］。

近年來，生物炭已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)固碳、土壤培肥及土壤改良等領(lǐng)域［3-6］。生物炭的基本特征因生物質(zhì)材料、熱解溫度和熱解時間不同而差異較大，生物炭的理化性質(zhì)決定其在土壤中的作用［7-8］。生物炭具有較高的碳含量，如菜籽粕生物炭的碳含量為66.6%，而榛子殼生物炭則高達(dá)95.6%［9］。生物炭中的碳主要由穩(wěn)定碳、不穩(wěn)定碳及灰分組成，其性質(zhì)穩(wěn)定，分解速率低，但在土壤微生物的作用下，生物炭本身也會發(fā)生某種程度分解，可直接或間接提升土壤有機質(zhì)［10］。此外，生物炭呈堿性，pH 為 7～10，且裂解溫度越高，堿性越強［11］，生物炭施入土壤后勢必會對土壤pH 產(chǎn)生直接影響。生物炭對酸性土壤肥力的提升作用也已得到證實［12-14］。不同生物炭添加比例的西南地區(qū)玉米（Zeamays L.）-油菜（Brassica campestris L.）輪作的田間定位試驗表明，生物炭施用有利于降低土壤容重，提高土壤pH、有機碳含量、NO3-N 含量、有效磷含量及含水量，生物炭處理對玉米和油菜兩種作物都有增產(chǎn)效果［15］。連續(xù)2年的田間定位試驗表明，生物炭施用可以顯著提高土壤碳、氮及其相關(guān)組分含量，促進(jìn)土壤碳、氮積累，從而提高土壤碳、氮儲量［16］。然而，生物炭與作物生產(chǎn)力之間關(guān)系的研究表明，在不同土壤條件下，不同類型生物炭對土壤的改良效果及作物產(chǎn)量影響差異較大［17］。也有研究［18］表明，生物炭對玉米的生長及養(yǎng)分吸收并沒有明顯的促進(jìn)作用。因此，生物炭對土壤的改良效果及對作物生長、養(yǎng)分吸收的影響仍存在爭議。

鑒于此，本研究選取廣東東莞地區(qū)典型的蔬菜輪作農(nóng)田，一次性施入不同量的小麥秸桿生物炭，連續(xù)種植多茬蔬菜，研究小麥秸桿生物炭施用對土壤質(zhì)量改良及作物產(chǎn)量影響效應(yīng)，為該地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物炭改良培肥作用以及生物炭作為土壤改良劑的應(yīng)用提供直接的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點位于廣東省東莞市麻涌鎮(zhèn)歐涌村（23°6′31″N，113°36′22″E）。 供試土壤為菜園土，質(zhì)地為砂壤土。試驗開始前，采集基礎(chǔ)土樣，采樣深度為20 cm，S形采集土壤后，充分混勻，室內(nèi)風(fēng)干，壓碎后過2 mm孔徑篩進(jìn)行pH、土壤速效鉀、有效氮及有效磷含量測定，將過2 mm孔徑篩的土樣用四分法取出一部分繼續(xù)碾磨，過0.25 mm孔徑篩后測定土壤有機碳含量。試驗所用生物炭為小麥秸桿的生物炭，由河南某生物炭公司提供，燒制溫度為500℃。供試作物為蔬菜，分別為上海青（Brassica chinensis L.），油麥菜（Lactuca sativa var. longifoliaf Lam）和生菜（var. ramosa Hort.），種植方式為大田輪作。土壤及生物炭的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤及生物炭的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗方法

試驗設(shè)施小麥秸桿生物炭2.5、5、10 t/ hm2（分別記為T1、T2、T3）和不施生物炭（CK）4個處理，每個處理3次重復(fù)，隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)長6 m、寬1.1 m。生物炭于2014年10月31日一次性施入，連續(xù)種植9茬蔬菜，采收8茬。每茬蔬菜生長期間常規(guī)管理，各處理施用等量復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15），由于蔬菜品種及生長季節(jié)不盡相同，且各茬蔬菜生育期差別較大，試驗中復(fù)合肥用量有所不同。第一茬為上海青，直播，生育期42 d（2014-10-31～2014-12-12），施肥量為550 kg/hm2；第二茬為油麥菜，移栽，生育期 47 d（2014-12-16～2015-02-03），施肥量為570 kg/hm2；第三茬為生菜，移栽，生育期 52 d（2015-02-04～2015-03-26），施肥量為600 kg/hm2；第四茬為上海青，移栽，生育期25 d（2015-03-26～2015-04-21），施肥量為 450 kg/hm2；第五茬為油麥菜（2015-04-23～），由于雨水多，幾乎無產(chǎn)量，沒有采收；第六茬為生菜，移栽，生育期31 d（2015-07-24～2015-08-25），施肥量為480 kg/hm2；第七茬為生菜，移栽，生育期43 d（2015-08-26～2015-10-09），施肥量為550 kg/hm2；第八茬為上海青，直播，生育期39 d（2015-10-10～2015-11-19），施肥量為530 kg/hm2；第九茬為油麥菜，移栽，生育期46 d（2015-11-20～2016-01-06），施肥量為570 kg/hm2。

1.3 樣品采集及分析測試

每茬蔬菜收獲時對每個小區(qū)內(nèi)生長的蔬菜稱產(chǎn)量，同時采集各小區(qū)土壤帶回實驗室進(jìn)行pH值、有效氮、有效磷、速效鉀及有機碳含量分析。土壤pH 值采用酸度計測定，土水比為1∶2.5，生物炭及土壤中有機碳含量用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定，有效氮、有效磷及速效鉀分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉法及乙酸銨提取法測定［19］。

試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel進(jìn)行處理，采用SAS 9.0 軟件進(jìn)行單因素Duncan 統(tǒng)計分析，運用origin8.6軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥秸桿生物炭及其用量對土壤理化性狀的改良效果

圖1 小麥秸桿生物炭施用連續(xù)種植多茬蔬菜后土壤pH值比較

2.1.1 土壤pH 添加不同用量小麥秸桿生物炭種植蔬菜后的土壤pH值見圖1，從圖1可以看出，CK各茬蔬菜收獲后土壤pH為4.4～5.2，T1處理土壤 pH為 4.5～5.3，比 CK提升0.1～0.3pH單位；T2處理土壤pH為5.0～5.6，比CK提升0.2～0.8pH單位；T3處理土壤pH為4.9～5.6，比CK處理提升0.1～0.5pH單位。各茬蔬菜種植期間，T1處理比CK均可提高土壤pH值，但沒有達(dá)到顯著差異，而T2處理比CK則顯著提高了土壤pH值。當(dāng)小麥秸桿生物炭用量增加到10 t /hm2（T3處理）時，土壤pH出現(xiàn)稍微下降，但始終比CK高。

2.1.2 土壤有機碳 土壤有機碳含量是衡量土壤肥力水平的一個重要指標(biāo)。如表1所示，小麥秸桿生物炭總有機碳含量為35.1%，因此，試驗用地增施小麥秸桿生物炭預(yù)期可以提高土壤有機碳，提升土壤肥力。如圖2所示，CK各茬蔬菜收獲后土壤有機碳含量為1.37%～1.56%，T1處理土壤有機碳含量為1.47%～1.62%，比CK提升0.01%～0.14%，增幅達(dá)1.0%～9.3%；T2處理土壤有機碳含量為1.50%～1.86%，比CK提升0.10%～0.30%，增幅達(dá)6.4%～19.3%；T3處理土壤有機碳含量為1.63%～2.0%，比CK提升0.17%～0.43%，增幅達(dá)11.2%～27.9%。種植多茬蔬菜期間，在小麥秸桿生物炭用量0 ～10 t/hm2范圍內(nèi)，土壤有機碳含量隨著生物炭用量的增加而提升。與CK相比，T1處理對前4茬蔬菜收獲后土壤有機碳含量的影響沒有顯著差異，但對后4茬蔬菜收獲后土壤有機碳含量提升則表現(xiàn)出顯著影響，而T2及T3處理對所有茬次蔬菜收獲后土壤有機碳含量均達(dá)到顯著提升效果。

圖2 小麥秸桿生物炭施用連續(xù)種植多茬蔬菜后土壤有機碳含量

2.1.3 土壤有效氮、有效磷及速效鉀 施用小麥秸桿生物炭后，不同茬次及不同小麥秸桿生物炭用量處理的土壤有效氮、有效磷及速效鉀含量變化見表2。從表2可以看出，各茬蔬菜種植期間，不同茬次間土壤有效氮含量變異較大，且同一茬蔬菜不同生物炭用量處理對土壤有效氮含量的影響不顯著。不同茬次間土壤速效鉀含量變異也較大，值得注意的是第一、第二茬蔬菜收獲后土壤速效鉀含量隨著生物炭施入量增加而提高，且T2及T3用處理土壤速效鉀含量顯著高于空白對照，從蔬菜種植第三茬以后，不同用量生物炭處理間土壤速效鉀含量差異減小。土壤有效磷含量在前4茬變化不大，從第六茬開始，土壤有效磷含量出現(xiàn)大幅度上升，但從第九茬出現(xiàn)下降。各茬蔬菜收獲后，T2處理土壤有效磷含量均稍低于其他處理。對不同用量生物炭處理各茬蔬菜收獲后土壤有效氮、有效磷及速效鉀進(jìn)行顯著性分析，除少數(shù)茬次的某些處理外，不同用量小麥秸桿生物炭處理對土壤有效氮、有效磷及速效鉀含量的影響沒有顯著差異。

表2 蔬菜收獲后土壤有效氮、有效磷及速效鉀含量 （mg/kg）

2.2 小麥秸桿生物炭及其用量對蔬菜產(chǎn)量的影響

CK各茬蔬菜產(chǎn)量為19.6～97.9 t/hm2，T1處理各茬蔬菜產(chǎn)量為25.6 ～103.6 t/hm2，比CK增產(chǎn)0.8～22.5 t/hm2，增幅達(dá)1.2%～50.0%；T2處理各茬蔬菜產(chǎn)量為30.3～130.5 t/hm2，比CK增產(chǎn)9.6 ～56.1 t/hm2，增幅達(dá)15.6%～124.3%；T3處理各茬蔬菜產(chǎn)量為25.3～122.2 t/hm2，比CK增產(chǎn)4.5～46.7 t/hm2，增幅達(dá)9.1%～103.6%。從圖3可以看出，T1處理對各茬蔬菜的產(chǎn)量均有提高作用，但除了第一茬和第二茬外，其他6茬蔬菜產(chǎn)量與CK對比均沒有顯著差異，而T2處理則均顯著提高所有茬次蔬菜的產(chǎn)量。當(dāng)生物炭用量增加到10 t/hm2（T3處理）時，蔬菜的生長反而受到抑制，但產(chǎn)量仍然比CK高。圖3也同時比較了各處理采收的8茬蔬菜收獲的總產(chǎn)量，該結(jié)果更加清淅地顯示出增施生物炭對蔬菜產(chǎn)量的影響，不施生物炭處理采收的8茬蔬菜總產(chǎn)量為463.0 t/hm2，T1處理蔬菜總產(chǎn)量為522.1 t/hm2，平均增產(chǎn)率為12.8%；T2處理蔬菜總產(chǎn)量為656.9 t/hm2，平均增產(chǎn)率為41.9%；T3處理蔬菜總產(chǎn)量為599.0 t/hm2，平均增產(chǎn)率為27.9%。綜合以上數(shù)據(jù)，小麥秸桿生物炭對蔬菜生長有促進(jìn)作用，小麥秸桿生物炭不同用量處理中，以5 t/hm2處理對蔬菜生長促進(jìn)效果最好。

圖3 小麥秸桿生物炭施用后連續(xù)多茬蔬菜產(chǎn)量

2.3 小麥秸桿生物炭對農(nóng)田土壤質(zhì)量改良及蔬菜增產(chǎn)的持續(xù)效應(yīng)

小麥秸桿生物炭對試驗用地土壤pH值提高，土壤有機碳含量提升及蔬菜增產(chǎn)均有較好的效果，但其作用效果維持的時間有多長？目前關(guān)于這方面的報道還較少。根據(jù)上述試驗結(jié)果，綜合考慮土壤酸性改良、土壤有機碳含量提升、蔬菜增產(chǎn)及施用成本多方面因素，我們認(rèn)為T2處理用量（5 t/hm2）是最合理的，因此本試驗繼續(xù)利用T2處理進(jìn)一步分析生物炭對農(nóng)田土壤質(zhì)量改良及蔬菜增產(chǎn)的持續(xù)效應(yīng)，計算公式為：（T2平均值-CK平均值）/CK平均值×100%。從圖4可知，從2014年10月始，在施用5 t/hm2生物炭的農(nóng)田中進(jìn)行上海青、油麥菜、生菜等多茬蔬菜的輪作試驗，與不施生物炭的空白對照相比，蔬菜收獲后土壤pH值保持3.8%～15.6%的增幅，土壤有機碳含量保持6.4%～19.3%的增幅，蔬菜產(chǎn)量達(dá)到15.6%～124.3%的增幅。值得注意的是，5 t/hm2生物炭處理對收獲的8茬蔬菜都一直有顯著的增產(chǎn)效果，且對第二茬和第三茬蔬菜增產(chǎn)效果最明顯，分別達(dá)到124.3%和71.8%。最后一茬油麥菜收獲后，土壤pH值及土壤有機碳含量分別提升8.1%和8.2%。本試驗結(jié)果表明小麥秸桿生物炭對土壤酸性具有明顯的改良效果及持續(xù)的緩沖效應(yīng)。生物炭富含有機碳，可以持續(xù)增加土壤碳匯，因此，種植多茬蔬菜后，施加生物炭處理的土壤有機碳含量仍然比空白對照高。由于生物炭對土壤酸性的改良及土壤有機碳含量的提升，蔬菜產(chǎn)量具有明顯的增產(chǎn)效應(yīng)，種植多茬蔬菜后，5 t/hm2生物炭處理蔬菜的增產(chǎn)效果仍然達(dá)到33.2%。

圖4 5t/hm2小麥秸桿生物炭處理對蔬菜增產(chǎn)及土壤質(zhì)量提升效果

3 結(jié)論與討論

小麥秸桿生物炭為堿性，其pH值為10.3，而試驗用地的土壤呈酸性，pH值為4.8，因此，增施小麥秸桿生物炭對土壤pH值產(chǎn)生直接影響。T1、T2處理對土壤酸性有緩解作用，且土壤pH值隨著生物炭用量增大而升高，這可能歸因于生物炭本身所含有的Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子，隨生物炭進(jìn)入土壤以后，在水土交融作用下釋放，與土壤中的H+和Al3+離子交換，從而降低H+和Al3+離子在土壤中的濃度［20］。由于生物炭具有疏松多孔結(jié)構(gòu)及巨大的比表面積，表面帶有大量負(fù)電荷和較高的電荷密度，并且富含一系列含氧、含氮、含硫官能團，具有很大的陽離子交換量［21］，所以當(dāng)生物炭用量達(dá)到10 t/hm2時，有可能吸附大量可交換態(tài)陽離子或堿基陽離子，其作用要比生物炭本身所含有的Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子的釋放強度大，使土壤酸性增強，pH值出現(xiàn)稍微下降。土壤有機碳是影響土壤肥力和作物產(chǎn)量高低的決定性因子，也是土壤中較為活躍的土壤組分，維持著土壤與大氣之間的碳素平衡，并可保持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長期可持續(xù)性發(fā)展［22］。本試驗中土壤有機碳儲量隨生物炭施用量的增加而增加，最主要原因是生物炭富含穩(wěn)定且難以被微生物分解的有機碳，可以在土壤中長期穩(wěn)定存在［10］。已有的研究表明，生物炭的添加可增加土壤有機碳含量，提高土壤肥力，促進(jìn)植物生長［23-24］。在本試驗中，增施小麥秸桿生物炭可提升土壤有機碳含量，且提升幅度與生物炭施用量呈正相關(guān)關(guān)系。從本試驗結(jié)果來看，小麥秸桿生物炭可通過對土壤酸性改善及有機碳水平提升，使蔬菜達(dá)到增產(chǎn)效果。

本試驗結(jié)果表明，中等用量生物炭5 t/hm2對蔬菜增產(chǎn)作用最明顯，與空白對照相比，可提高蔬菜產(chǎn)量9.6～56.1 t/hm2，增產(chǎn)幅度達(dá)到15.6%～124.3%；同時可提高土壤pH值0.2～0.8；提升土壤有機碳含量0.10%～0.30%，增幅達(dá)到6.4%～19.3%。連續(xù)種植多茬蔬菜后，施用小麥秸桿生物炭對農(nóng)田土壤酸性改良、有機碳含量提升及蔬菜增產(chǎn)仍然發(fā)揮其增長效應(yīng)，其中土壤pH值提高8.1%、有機碳含量提升8.2%、蔬菜產(chǎn)量增加33.2%，但生物炭對土壤改良及蔬菜增產(chǎn)更長時間的效應(yīng)還要繼續(xù)進(jìn)行試驗驗證。

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（責(zé)任編輯 楊賢智）

Application effect of wheat straw biochar in vegetable continuous cropping soil in Guangdong Province

HUANG Lian-xi1，WEI Lan1，LI Yan-liang1，HUANG Yu-fen1，NYO NYO Mar1，2，XU Gui-zhi1，HUANG Qing1，LIU Zhong-zhen1
（1. Institute of Agricultural Resources and Environment，Guangdong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region，Ministry of Agriculture/Guangdong Key Laboratory of Nutrient Cycling and Farmland Conservation，Guangzhou 510640，China；2. Agricultural Biotechnological Research Department，Ministry of Education，Kyaukse 100301，Myanmar）

S156

A

1004-874X（2017）06-0071-07

黃連喜，魏嵐，李衍亮，等.小麥秸桿生物炭在廣東省蔬菜連作土壤中的應(yīng)用效果研究［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，44（6）：71-77.

2017-03-10

廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長基金（201716）；廣東省科技計劃項目（2016A020210034，2016B070701009，2016A020207002，2014A020216018，2014A020223007，2014B030301055）；中央農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與服務(wù)補助資金項目（粵財農(nóng)[2014]69號）

黃連喜（1982-），女，碩士，助理研究員，E-mail: hlx4@163.com

劉忠珍（1977-），女，博士，副研究員，E-mail：lzzgz2001@163.com