羅 洋，張桂玲，王 芳，向仰州，任 軍

（1.貴州師范學(xué)院地理與資源學(xué)院，貴陽 550018；2.貴州師范學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院，貴陽 550018；3.天津農(nóng)學(xué)院園藝園林學(xué)院，天津300384）

黃壤是貴州喀斯特地區(qū)主要的農(nóng)業(yè)土壤類型，占貴州省土壤面積46.40%。由于黃壤具有質(zhì)地黏重、水容量小、養(yǎng)分含量低和酸性強等特點，在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中有諸多限制[1]。目前，改良黃壤使用的較普遍的方法是向土壤中施用石灰，以降低酸性土壤的酸度，還能增加土壤中交換性鈣的含量[2]。但長期或大量施用石灰會造成土壤板結(jié)，破壞土壤結(jié)構(gòu)，引起土壤中鉀鈣鎂等營養(yǎng)元素的失調(diào)，從而使作物減產(chǎn)[3]。生物炭是一種具有高度芳香化及富含碳素的多孔固體顆粒物質(zhì)，具有提高土壤鹽基飽和度、調(diào)節(jié)土壤pH值、增加土壤養(yǎng)分等功能，在土壤改良方面具有廣闊的應(yīng)用前景[4-6]。

辣椒（Capsicum annuum L.）是中國重要的蔬菜作物，年種植面積超過130萬hm2，在帶動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和促進農(nóng)民增收方面發(fā)揮著重要作用[7]。據(jù)統(tǒng)計，2020年貴州省辣椒種植面積達36.3萬hm2，產(chǎn)量724.0萬t，產(chǎn)值242.0億元，是貴州省蔬菜中最大種植面積的單品[8]。若按照辣椒產(chǎn)廢系數(shù)（辣椒秸稈產(chǎn)量/辣椒產(chǎn)量）0.36計算[9]，理論上貴州省僅2020年就大約有260.6萬t辣椒秸稈廢棄物產(chǎn)生。目前大部分地區(qū)處理辣椒秸稈的主要手段是直接丟棄，會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)被破壞、滋生病蟲害、造成環(huán)境污染等一系列惡果[10]。因此，采取適宜方法，對辣椒秸稈進行無害化處理和資源化利用已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展中面臨的重要問題。目前已有學(xué)者將辣椒秸稈制備成生物炭，并應(yīng)用于貴州地區(qū)石灰土有機碳礦化的研究中[11]，但鮮見以黃壤作為改良對象的報道。小白菜具有生育期短，較耐低溫和高溫等特點，適應(yīng)性強[12]，在貴州一年四季均可種植，其生長和品質(zhì)狀況能反映出改良劑在土壤上的應(yīng)用效果。綜上，本研究將辣椒秸稈生物炭以不同比例添加到黃壤中，通過室內(nèi)盆栽試驗，探討辣椒秸稈生物炭對黃壤化學(xué)特性和小白菜生長的影響，以期為黃壤的改良和辣椒秸稈的資源化利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試黃壤于2021年3月采自貴州師范學(xué)院對面的松林坡，挖取表層0～20 cm土樣。自然風(fēng)干，剔除植物根系、枯枝爛葉和石子砂礫后充分混勻，并研磨過2 mm的尼龍篩，裝袋備用。土壤基本理化性質(zhì)：pH=5.77，有機質(zhì)：5.85 g/kg，堿解氮：97.32 mg/kg，有效磷：12.6 mg/kg，有效鉀：137.56 mg/kg。辣椒秸稈生物炭是將取自于貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗田的辣椒秸稈自然晾干后粉碎后，置于馬弗爐內(nèi)無氧條件下400℃炭化2 h過2 mm尼龍篩制得。辣椒秸稈生物炭主要性質(zhì)：pH=9.38，有機質(zhì)：402.64 g/kg，全氮：8.62 g/kg，全磷：0.73 g/kg，全鉀：0.66 g/kg，供試植物為“桂星牌”小白菜（Brassia chinensis L.），生長周期為40～50 d左右，購于貴陽市烏當(dāng)區(qū)農(nóng)貿(mào)市場。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2021年6月—7月在貴州師范學(xué)院溫室大棚開展，共設(shè)4個處理：A：對照，不添加辣椒秸稈生物炭；B：按質(zhì)量比添加0.5%的辣椒秸稈生物炭；C：按質(zhì)量比添加2.5%的辣椒秸稈生物炭；D：按質(zhì)量比添加5%的辣椒秸稈生物炭。每個處理3個重復(fù)。將土壤與辣椒秸稈生物炭按比例混勻，每盆裝土1 kg。用稱重法保持土壤含水量為田間持水量的60%左右，在室溫下平衡兩周。小白菜種子經(jīng)75%的酒精浸泡30 s殺菌處理后，用蒸餾水清洗干凈，選取顆粒飽滿的種子播種于花盆中，每盆20粒，12 d以后進行間苗，每盆留12株苗，試驗期間定時澆水，保持土壤含水量為田間持水量的60%，小白菜種植45 d以后收獲。

1.3 測定項目及方法

收獲時將小白菜地上部用不銹鋼剪刀截取，先用自來水洗凈，再用去離子水沖洗，擦干后測株高和鮮重，并稱取部分鮮樣測量小白菜Vc含量，剩余部分105℃下殺青30 min，85℃下烘干、稱重，研磨粉碎，裝袋備用。土壤自然風(fēng)干后磨碎，分別過2 mm和0.15 mm篩，裝袋備用。

土壤和辣椒秸稈生物炭的pH采用去CO2蒸餾水浸提，水土比為2.5∶1、炭水比為1∶10，精密pH計測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；有效氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用0.03 mol/L NH4F-0.025 mol/L HCl法測定；有效鉀采用原子吸收光譜儀（德國耶拿，novAA350）測定。小白菜地上部氮含量采用半微量開氏法測定，磷含量采用鉬銻抗比色法測定，鉀含量采用原子吸收光譜儀（德國耶拿novAA350）測定；小白菜可溶性糖采用蒽酮比色法測定；小白菜Vc含量采用2,4-二硝基苯肼比色法測定；小白菜硝酸鹽含量采用紫外分光光度法測定[13-14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Microsoft Office Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，用Origin 2018繪制圖表，用IBM SPSS Statistics 22進行差異性分析，LSD法進行多重比較，方差分析顯著性水平設(shè)置為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用辣椒秸稈生物炭對黃壤化學(xué)特性的影響

如表1所示，與處理A相比，處理B、C、D的土壤pH值分別提升了0.17、0.77和0.62個單位，表明辣椒秸稈生物炭的施用提高了土壤的pH值，其中當(dāng)用量為2.5%和5%時與對照的差異達顯著水平（P<0.05），但兩者之間無顯著差異。不同處理土壤有機質(zhì)含量的大小順序為D>C>B>A，與對照相比，隨著辣椒秸稈生物炭用量的增加，土壤有機質(zhì)含量分別增加了8.43%、183.52%和378.35%。方差分析結(jié)果顯示，除施用量為0.5%處理與對照處理的差異不顯著以外，其余處理之間、處理與對照間均有顯著差異（P<0.05）。

由表1還可以看出，試驗后土壤有效氮含量介于83.61～93.49 mg/kg之間，各處理間無明顯差異。隨著辣椒秸稈生物炭用量的增加，土壤有效磷和有效鉀含量都有不同程度的提高。具體而言，與對照相比，添加0.5%、2.5%和5%辣椒秸稈生物炭處理組的土壤有效磷含量分別提高了128.18%、1098.28%和1589.00%，除施用量為0.5%處理組與對照處理組土壤有效磷含量的差異不顯著以外，其余處理之間、處理與對照間差異均達顯著水平（P<0.05）。不同處理土壤有效鉀的變化趨勢和有效磷類似，當(dāng)辣椒秸稈生物炭在用量水平為0.5%條件下并未使土壤有效鉀含量有顯著改變，當(dāng)施用量增加至2.5%和5%時，土壤有效鉀含量較對照顯著增加了68.08%和123.12%（P<0.05）。

表1 施用辣椒秸稈生物炭對黃壤化學(xué)特性的影響Table 1 Effect of chili straw biochar on chemical characteristics of yellow soil

2.2 施用辣椒秸稈生物炭對小白菜生長的影響

種植45 d以后，小白菜植株外形如圖1所示。對照組小白菜的平均株高和根鮮重分別為10.93 cm和0.37 g/盆，添加辣椒秸稈生物炭后分別增加至14.79～15.55 cm和0.95～1.03 g/盆，顯著高于對照，但不同施用量之間小白菜的株高無明顯區(qū)別（表2）。辣椒秸稈生物炭的施用還顯著增加了小白菜根部和地上部鮮重，與處理A相比，處理B、C、D的鮮重增幅分別為127.20%、290.38%和286.82%。其中施用量為2.5%和5%處理組的小白菜鮮重還顯著高于0.5%用量處理組，但兩者之間差異不顯著。

表2 施用辣椒秸稈生物炭對小白菜株高和鮮重的影響Table 2 Effect of chili straw biochar on plant height and fresh weight of Chinese cabbage

圖1 不同處理條件下的小白菜生長狀況Figure 1 Growth status of Chinese cabbage under different treatments

2.3 施用辣椒秸稈生物炭對小白菜地上部氮磷鉀含量的影響

辣椒秸稈生物炭的添加對小白菜地上部氮磷鉀含量的影響因用量的不同而不同（圖2）。其中小白菜地上部氮含量在所有處理中均沒有體現(xiàn)出明顯差異。與處理A相比，處理B、C、D小白菜地上部磷含量分別顯著增加了51.02%、145.92%和216.33%（P<0.05）。小白菜地上部鉀含量的大小順序為：處理D>處理C>處理B>處理A，其中當(dāng)辣椒秸稈生物炭用量為5%時，小白菜地上部鉀含量較對照顯著增加了38.58%，其余各處理間無明顯差異（P<0.05）。

圖2 施用辣椒秸稈生物炭對小白菜地上部氮磷鉀含量的影響Figure 2 Effect of chili straw biochar on on N,P and K content in the shoot of of Chinese cabbage

2.4 施用辣椒秸稈生物炭對小白菜部分品質(zhì)指標(biāo)的影響

表3為不同用量辣椒秸稈生物炭處理下的小白菜部分品質(zhì)指標(biāo)變化情況。相較于對照（處理A），處理B、處理C和處理D小白菜葉片可溶性糖含量分別提高了2.72、4.04和3.69個百分點，其中當(dāng)施用量大于或等于2.5%時差異達顯著水平（P<0.05）。小白菜地上部Vc含量由高到低的順序為處理D>處理C>處理B>處理A，其中施用0.5%、2.5%和5%的辣椒秸稈生物炭使小白菜地上部Vc含量分別較對照顯著增加了58.60%、92.71%和131.72%。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著辣椒秸稈生物炭的添加，小白菜硝酸鹽含量分別較對照顯著降低了7.36%（施用量為0.5%）、17.38%（施用量為2.5%）和18.02%（施用量為5%），其中處理C和處理D小白菜硝酸鹽含量還顯著低于處理B。

表3 施用辣椒秸稈生物炭對小白菜部分品質(zhì)指標(biāo)的影響Table 3 Effect of chili straw biochar on some quality indexes of Chinese cabbage

3 討論與結(jié)論

土壤pH值是其化學(xué)特性的核心指標(biāo)之一，決定著養(yǎng)分元素的有效性[15-17]。本研究發(fā)現(xiàn)，添加辣椒秸稈生物炭后，黃壤的pH值較對照分別增高了0.17、0.77和0.62個單位。這與謝偉芳等[18]的研究結(jié)果相似，原因可能是生物炭內(nèi)部的堿性物質(zhì)含量較多，生物炭-土壤混合體系在土壤水的作用下，會快速釋放堿性物質(zhì)將土壤中的酸性物質(zhì)中和，從而提高了土壤pH值。土壤有機質(zhì)是土壤固相部分的重要組成成分，是植物營養(yǎng)的主要來源之一。生物炭本身碳含量非常高，在土壤中加入生物炭可以提高土壤有機質(zhì)的含量，其提高的幅度取決于生物炭的用量及類型[19]。本研究結(jié)果顯示，與原始土壤相比，試驗后未添加生物炭處理組土壤有機質(zhì)含量有所降低，是因為小白菜根系分泌的有機酸等物質(zhì)促進了土壤有機質(zhì)的礦化，其中的營養(yǎng)物質(zhì)被釋放出來，在生長過程中被根系及地上部所吸收[20]。隨著辣椒秸稈生物炭用量的增加，土壤有機質(zhì)含量分別較對照增加了8.43%、183.52%和378.35%，表明以辣椒秸稈為原料制備而得的生物炭能促進黃壤有機質(zhì)含量的提升。速效養(yǎng)分含量的高低是反映土壤供應(yīng)養(yǎng)分的強度指標(biāo)，短時間內(nèi)能為植物所吸收利用[21]。在本研究中，試驗后對照組的速效氮、磷含量與試驗前原土壤相比呈降低趨勢，這主要與小白菜對營養(yǎng)元素的吸收作用有關(guān)。辣椒秸稈生物炭的施用使土壤有效磷含量分別增加了128.18%、1 098.28%和1 589.00%，有效鉀含量分別增加了68.08%和123.12%。原因主要包括兩方面，一是辣椒秸稈生物炭本身含有非常多的活性官能團，可調(diào)節(jié)土壤磷和鉀的吸附-解吸平衡[22-23]；二是辣椒秸稈生物炭施用改善了土壤環(huán)境，增加了與磷、鉀遷移轉(zhuǎn)化有關(guān)的微生物生物量和活性[24]。在本研究中，添加辣椒秸稈生物炭后土壤有效氮含量并未有顯著改變，可能和土壤類型以及辣椒秸稈生物炭的C/N有關(guān)，具體機制有待進一步研究。

施用辣椒秸稈生物炭后，通過小白菜的生長狀況探討，能間接反映其改良效果。在本研究中，與對照相比，施用辣椒秸稈生物炭后小白菜株高增加了35.32%～42.27%，鮮重增加了127.20%～290.38%。原因可能是增施辣椒秸稈生物炭提高了土壤中植物必需營養(yǎng)元素的總量及有效性，從而促進植物細胞分裂、植株生長健壯和莖干增粗[25]。植株氮磷鉀是植物體內(nèi)許多重要化合物的主要成分，其中氮是植物體內(nèi)多種維生素的成分，磷是植物體內(nèi)高能化合物的組成成分，鉀被認為是植物的“品質(zhì)元素”，它們對植物的生命活動以及產(chǎn)量的高低、品質(zhì)的優(yōu)劣均有重要的作用[26]。在本研究中，小白菜地上部磷鉀含量呈逐漸增加趨勢。原因是施用辣椒秸稈生物炭后土壤中的有效磷鉀含量隨施用量增加而提高，促進了小白菜的吸收。而土壤中各處理間的有效氮含量無顯著差異，導(dǎo)致小白菜體內(nèi)的氮含量也無明顯變化。小白菜可溶性糖和Vc是評價其品質(zhì)的重要指標(biāo)。在本研究中，辣椒秸稈生物炭的施用均提高了小白菜可溶性糖含量和Vc含量，原因可能是添加辣椒秸稈生物炭后，小白菜植株體內(nèi)的某些生化過程受到了影響[27]，其抗氧化酶活性得到提高，從而減少了對植物具有毒性的自由基。葉類蔬菜在生長過程中極易富集硝酸鹽，硝酸鹽進入人體后被功能微生物代謝成亞硝酸鹽而產(chǎn)生毒害作用[28]。在本研究中，辣椒秸稈生物炭處理組小白菜硝酸鹽含量低于對照組，說明辣椒秸稈生物炭的添加可以控制土壤中的NH4+向NO3-的轉(zhuǎn)化速率，小白菜就不會因短期內(nèi)吸收過多氮素而造成硝酸鹽積累。

作為貴州省分布面積最大的土壤類型，黃壤的改良利用一直是相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者們關(guān)注的熱點，其中不乏以生物炭作為改良劑的研究[29-30]，但鮮見以貴州本地種植面積最大的蔬菜單品辣椒產(chǎn)生的秸稈為原料的報道。本研究以不同用量的辣椒秸稈生物炭為試驗因素，通過土壤化學(xué)特性、小白菜生長指標(biāo)、小白菜氮磷鉀吸收狀況、小白菜品質(zhì)指標(biāo)的測定，從土壤-作物體系角度來闡述辣椒秸稈生物炭對黃壤的改良效果。從研究結(jié)果來看，以2.5%施用梯度綜合效應(yīng)最優(yōu)。說明生物炭用量與土壤改良效果并非簡單的線性關(guān)系，而是倒U型曲線關(guān)系，即隨著辣椒秸稈生物炭用量的增加，改良效果先上升后下降，這與前人[31]的研究結(jié)果一致。原因可能是當(dāng)用量超過一定范圍后對土壤的理化性質(zhì)乃至生物學(xué)性狀產(chǎn)生負面影響，如土壤酶活性、微生物活性、微生物多樣性和微生物均勻度下降，不利于土壤環(huán)境的改善。本研究只是在溫室條件下初步揭示了辣椒秸稈生物炭對黃壤的改良作用，其在大田實際中的運用效果如何，具體作用機制有哪些，如何優(yōu)化調(diào)控等，還需進一步開展相關(guān)工作進行探討。