文慧寶　杜雙江　程貴慶　王梓名　胡藝琛　周浩楠　吳瑕

摘要：為了探究生物炭與不同肥料配施對白菜生長及品質的影響，于2018年在冷棚內采用盆栽的方法，設3%生物炭與復合肥、3%生物炭與2.5%有機肥、3%生物炭與5.0%有機肥、不施用生物炭和不施肥雙對照，共5個處理，在生長30 d后調查白菜生長、品質及鎘（Cd）含量的變化。結果顯示，不同施肥處理對白菜生長和品質均有改善作用，單獨施用生物炭顯著提高白菜纖維素含量，顯著降低白菜硝酸鹽含量。生物炭與復合肥配施顯著促進白菜地上、地下干物質積累，顯著升高白菜可溶性糖、葉綠素和硝酸鹽含量，同時相比不施肥處理（F0）顯著降低白菜纖維素含量。生物炭與5.0%有機肥配施處理提高白菜可溶性蛋白含量和葉綠素含量，降低根的生長和白菜纖維素含量，同時顯著促進了硝酸鹽和重金屬的積累。生物炭與2.5%有機肥配施處理增加白菜的株高、地上干質量、維生素C及可溶性蛋白含量，同時相比5.0%有機肥處理顯著降低硝酸鹽含量，有效降低白菜葉片和根系中Cd含量。生物炭與有機肥配施能夠降低土壤脲酶和脫氫酶活性，升高土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、土壤EC值和pH值。綜上，生物炭與有機肥配施能提高土壤養(yǎng)分有效性，促進白菜生長，低濃度有機肥減少了白菜中硝酸鹽和重金屬Cd的積累，改善白菜品質，因此以3%生物炭與2.5%有機肥配施改善品質最為顯著，可在生產上試用推廣。

關鍵詞：生物炭；有機肥；白菜；品質；Cd含量；土壤養(yǎng)分；酶活性

中圖分類號：S634.306文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）20-0224-06

蔬菜栽培中普遍存在過量施用化肥的問題，特別是氮肥［1-2］。據統(tǒng)計，長期過量使用化肥，容易引起土壤酸化、板結、營養(yǎng)失衡，土壤微生物數量降低，有機質減少，從而導致土壤肥力下降［3］。研究表明，有機肥因含有較豐富的礦質養(yǎng)分和有機碳，能夠提高土壤肥力，改善土壤理化性狀和土壤結構外，還可改變土壤微生物菌群結構和微生物數量及土壤酶活性［4-5］，增施有機肥料能夠提高香青菜的開展度、產量、品質，增加其可溶性蛋白和維生素C含量，降低硝酸鹽含量［6］。雞糞中營養(yǎng)物質含量豐富，氮磷鉀含量相對較高，能有效改善土壤肥力從而提高植株產量。但由于雞飼料含有重金屬的添加劑，使得雞糞中重金屬超標時有發(fā)生。隨著雞糞施入年限增加，土壤出現酸化、重金屬富集等現象，從而引起蔬菜品質下降［7］。因此，如何施肥能夠提高蔬菜品質、降低環(huán)境惡化已成為設施蔬菜可持續(xù)發(fā)展的核心問題。

生物炭是利用秸稈、木屑、動物糞便和其他農林廢棄物等，在完全或部分缺氧和相對高溫（<700 ℃）的條件下，經過熱解炭化而成［8］。生物炭空隙大、容重小、比表面積大、電荷豐富，含有多碳芳香族結構，很難被微生物降解，能使被結合的重金屬離子再次進入土壤，延長了治理時間，緩解了土壤鎘、鉛污染［9］。生物炭提高土壤的碳儲備，使土壤中速效養(yǎng)分釋放緩慢，延長植物利用［10］。生物炭有效阻止了微生物對碳的分解，具有提高土壤肥力和吸附土壤中重金屬的作用，對于農業(yè)增產及農產品安全生產具有重要意義［11］。生物炭等改良劑的施用改善了土壤理化性狀，提高白菜生物量和葉片色素含量，顯著降低白菜對鎘的積累［12］。生物炭顯著增加了土壤有機質含量，促進于黑麥草的生長，提高黑麥草對鎘的吸收［13］。研究表明，生物炭與不同類型肥料配施可改善植株土壤理化性質和養(yǎng)分狀況，提高烤煙煙葉產量和品質［14］。可見，生物炭與復合肥及有機肥配施對改善土壤理化性質及蔬菜品質的已成為研究的熱點問題。

在不同肥料配施下增施一定用量的生物炭對于白菜生長發(fā)育和品質影響的研究鮮見報道。因此，開展有關有機無機肥配施下增施生物炭對白菜生長發(fā)育和葉片質量影響的研究就顯得尤為必要。本研究通過生物炭與復合肥及有機肥配合施用對白菜品質及重金屬積累的影響，來探究有機無機肥配施下增施生物炭對白菜品質的影響，旨在為提高東北地區(qū)設施白菜可持續(xù)發(fā)展探索出更為有益的施肥方式，為合理利用生物炭修復長期使用雞糞等有機肥引起的重金屬富集、蔬菜安全生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

盆栽試驗在黑龍江八一農墾大學園藝園林學院校內基地棚室內進行。土壤采用設施內土壤，基本理化性質為：堿解氮含量156 mg/kg、速效磷含量14.99 mg/kg、速效鉀含量100 mg/kg、有機質含量3.78%、pH值8.3、重金屬Cd含量0.478 mg/kg。供試白菜品種為四季小白菜，生物炭采購于安徽祥正生物炭有限公司。

1.2 試驗設計

試驗于2018年9—10月在黑龍江八一農墾大學基地的大棚中進行，試驗采用盆栽的方法，設置3%生物炭與氮磷鉀復合肥（N ∶P2O5 ∶K2O為 12 ∶18 ∶15）2.36 g/kg、3%生物炭與2.5%有機肥、3%生物炭與5%有機肥配施處理，同時設不施用生物炭和不施肥雙對照，共5個處理，試驗設計見表1，每個處理3次重復。該有機肥為含重金屬 1.52 mg/kg 的雞糞。將上述處理每盆按照2.5 kg的土壤裝入塑料盆中，在土壤穩(wěn)定1周后進行播種。每盆播種15粒種子，出苗后，苗高2 cm進行第1次間苗，選擇健壯、長勢均勻的苗，每盆留10株生長一致的幼苗，苗高5 cm進行第2次間苗，每盆留5株生長一致的幼苗。白菜播種30 d后取樣測定相關指標［15］。

1.3 測定項目及方法

在白菜播種30 d后取樣，測量株高、根長、鮮質量，于105 ℃烘箱內殺青30 min，75 ℃烘至恒質量稱干質量。葉綠素含量用浸提法（丙酮 ∶乙醇=1 ∶1）[JP+1]浸提24 h后在663 nm[JP+2]和645 nm下比色測定［16］。維生素C含量采用2.6-二氯靛酚溶液滴定法測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定，硝酸鹽含量采用硝基水楊酸比色法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定，纖維素含量采用蒽酮比色法測定［17］。將烘干后的植物樣品粉碎，稱取植物樣品0.5 g，采用HNO3-HClO4（體積比=4 ∶1）混酸體系進行消解，采用原子吸收光譜儀測定重金屬Cd含量［18］。

1.4 數據處理及分析

原始數據的整理采用 Microsoft Excel （Office 2003） 軟件，數據處理及相關性分析采用 SPPS 進行，方差分析使用 ANOVA 過程 （Duncans 新復極差法，α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 生物炭與不同肥料配施對白菜生長的影響

本研究結果（表2）顯示，不同肥料與生物炭配施對白菜的影響不同，施用生物炭后白菜地上干質量和株高顯著增加。生物炭和復合肥配合施用促進了白菜株高、根長、地上和地下干鮮質量的顯著增加。生物炭與2.5%有機肥配施，白菜的株高、地上和地下鮮質量及地上干質量的顯著增加。生物炭與5.0%有機肥配施，白菜株高和地上干鮮質量顯著增加，卻顯著抑制了根系的生長。綜上，生物炭和復合肥配施有助于白菜地上及地下生物量的積累，顯著促進白菜的生長。生物炭和有機肥配施有相似效果，有機肥以2.5%濃度較適宜，有機肥濃度過高抑制根系的生長。

2.2 生物炭與不同肥料配施對白菜品質的影響

本研究結果（表3）顯示，添加生物炭與復合肥配施能夠增加白菜葉片中維生素C含量，但差異未達到顯著水平。土壤中施加2.5%有機肥較不使用肥料（F0）和5.0%施入量均顯著增加了白菜維生素C含量。施加復合肥和有機肥均能顯著增加白菜葉片的可溶性糖含量，施用復合肥白菜可溶性糖含量顯著高于施用2.5%有機肥和未使用生物炭和肥料的對照（CK）。2.5%有機肥與生物炭配合施用能顯著增加白菜的可溶性蛋白的含量。只施用生物炭和生物炭配合施用復合肥均顯著升高白菜纖維素含量，生物炭配合施用有機肥均降低了白菜葉片中纖維素含量。生物炭配施復合肥和5.0%有機肥均顯著升高了植株內硝酸鹽含量，施加復合肥白菜的硝酸鹽含量較高，較不使用肥料的對照累積增加近44%。施用5.0%有機肥比施用2.5%有機肥白菜硝酸鹽含量增加了21%，可見施用肥料促進白菜生物量積累的同時顯著增加硝酸鹽的積累。施加復合肥和有機肥均能顯著增加白菜的葉綠素含量，其中以復合肥的增加效果較為明顯。

綜上所述，施用生物炭（F0）能顯著增加白菜葉片中纖維素含量，顯著降低硝酸鹽含量。生物炭配施復合肥（F1）能夠顯著升高白菜葉片中可溶性糖含量、纖維素含量和葉綠素含量，同時也顯著升高白菜中硝酸鹽含量。生物炭配合施用2.5%有機肥（F2）能夠升高白菜維生素C含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和葉綠素含量，同時硝酸鹽含量升高不明顯，改善品質顯著。生物炭配合施用5.0%的有機肥（F3）顯著升高白菜葉片可溶性糖含量和葉綠素含量，同時也顯著升高了硝酸鹽含量。因此，生物炭配合施用2.5%有機肥（F2）為優(yōu)質白菜生產較為適宜的施肥方式。

2.3 生物炭與不同肥料配施對白菜重金屬Cd含量的影響

如表4所示，施加了重金屬超標的有機肥導致土壤重金屬Cd濃度增加，其含量達到了土壤輕度污染程度，土壤重金屬Cd含量隨著有機肥的濃度而逐漸升高，施加5.0%有機肥處理土壤重金屬含量最高，施加復合肥處理土壤中重金屬Cd含量總體沒有明顯變化。施用2.5%有機肥后根系和根際土壤中重金屬Cd含量含量顯著升高，但白菜葉片中重金屬Cd含量升高不顯著。綜上，生物炭與有機肥配施升高白菜根系和葉片中重金屬Cd含量，且根系富集重金屬能力明顯高于葉片。生物炭與2.5%有機肥配施葉片中重金屬含量升高不顯著，可以滿足白菜優(yōu)質生產的需要。

2.4 生物炭與不同肥料配施對白菜根際土壤酶活性的影響

試驗結果（表5）表明，生物炭配施復合肥和有機肥均能顯著降低土壤的脲酶活性，其中有機肥對土壤脲酶活性的抑制效果較復合肥顯著，且隨著有機肥施用量的增加，脲酶活性顯著降低。施加復合肥和有機肥對土壤的中性磷酸酶活性影響不顯著。只施用生物炭土壤中性磷酸酶活性顯著高于對照和其他施肥處理。生物炭與有機肥配施能提高土壤蔗糖酶的活性，其中5.0%有機肥對土壤蔗糖酶活性提高效果較為顯著，提高了近2倍。單獨施用生物炭土壤脫氫酶活性變化不大，生物炭配施復合肥和有機肥后均顯著降低了土壤脫氫酶的活性，其中5.0%有機肥的降低效果較為顯著，土壤脫氫酶活性較對照減少約50%。施用有機肥降低了土壤多酚氧化酶的活性，其中5.0%有機肥對土壤多酚氧化酶的抑制效果較為明顯。施加復合肥和有機肥能提高土壤纖維素酶的活性，其中2.5%有機肥顯著提高了土壤纖維素酶的活性。綜上，添加生物炭顯著改變土壤中性磷酸酶活性，生物炭和復合肥配施后顯著降低脲酶和脫氫酶活性；生物炭和2.5%有機肥配施后，顯著降低脲酶和脫氫酶活性，顯著升高了纖維素酶活性；生物炭和5.0%有機肥配施后，顯著降低脲酶、脫氫酶及多酚氧化酶活性。

2.5 生物炭與不同肥料配施對白菜根際土壤速效養(yǎng)分含量的影響

試驗結果（表6）表明，單獨施用生物炭、生物炭與復合肥和有機肥配施均能顯著提高土壤有機質的含量，其中以生物炭配施5.0%有機肥對土壤有機質的提升最為顯著，提升達到43.31%。施用有機肥和復合肥均能顯著增加土壤堿解氮含量，5.0%有機肥增加效果較為顯著。施加復合肥和有機肥均能顯著提高土壤速效磷和速效鉀的含量，復合肥和5.0%有機肥對土壤速效磷的促進效果最為明顯，其中施加5.0%有機肥的施加效果較為顯著。施用生物炭能夠顯著升高土壤的pH值。生物炭和復合肥及有機肥配施后能顯著增加土壤EC值，土壤中養(yǎng)分含量顯著增加，滿足白菜生長的需要。

2.6 白菜生長指標與營養(yǎng)品質相關性分析

相關性分析結果（表7）顯示，白菜葉片的重金屬Cd含量與白菜可溶性蛋白含量呈極顯著的正相關，與纖維素含量呈顯著負相關；白菜的株高與鮮質量、干質量及硝酸鹽含量呈極顯著的正相關；白菜的根長與可溶性糖含量呈顯著的負相關；鮮質量與干質量、葉綠素含量、可溶性糖含量呈顯著或極顯著正相關；干質量與維生素C含量、可溶性糖含量和硝酸鹽含量呈顯著或極顯著正相關；葉綠素含量與可溶性糖和硝酸鹽含量呈顯著正相關，與和纖維素含量呈顯著負相關；可溶性糖含量與硝酸鹽含量呈極顯著正相關；可溶性蛋白含量與纖維素含量呈極顯著的負相關（表7）。

3 討論與結論

生物炭配合減氮措施能夠促進作物根際區(qū)域土壤碳氮平衡，改善植煙土壤根際微生態(tài)環(huán)境并提高土壤功能微生物相對豐度，提高養(yǎng)分利用效率［19］。本研究結果顯示，生物炭配施有機肥能夠顯著增加土壤有機質、堿解氮、速效鉀和土壤pH值，同時促進白菜地上干物質積累，這說明生物炭增加土壤速效養(yǎng)分含量［20］，減少了土壤酸化［21］，為白菜生長奠定了養(yǎng)分基礎。生物炭配施用復合肥顯著促進白菜地上和地下生物量積累，顯著提高土壤堿解氮、速效磷含量和EC值，土壤中可利用速效氮磷養(yǎng)分顯著增加，不但促進地上植株的生長，也促進根的顯著伸長，這說明適宜復合肥施入能夠促進根趨向生長。生物炭配施有機肥促進地上生物量的積累，卻抑制了根的生長，有機肥施入達到5.0%時抑制顯著，有機肥的加入提高土壤堿解氮、速效磷含量和EC值，土壤中有效養(yǎng)分含量顯著增加，但土壤脲酶活性下降，這與楊德廉等的研究結果［22］相近，施用有機肥改變了土壤酶活性，對土壤保育有良好意義。

植株的硝酸鹽成分是威脅人體健康的成分，過多的含量增加導致消化系統(tǒng)癌變的風險［23］。研究表明，植株的硝酸鹽含量與施氮量呈顯著的正相關［24］。本研究表明，生物炭顯著降低了白菜葉片中硝酸鹽的含量，說明了生物炭對于硝酸鹽的積累有一定的抑制作用，生物炭可以有效提高土壤養(yǎng)分含量，有利于土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的固持，降低植株氮的吸收量從而減少了硝酸鹽的積累［25］。本試驗中生物炭配施有機肥白菜的維生素C和可溶性蛋白含量均高于不施用有機肥對照，與復合肥比較施用有機肥能夠顯著減低白菜中可溶性糖、硝酸鹽和纖維素含量。可見，施用有機肥減緩白菜碳氮代謝，減緩了白菜的生長，但提高了白菜的營養(yǎng)品質。生產中施用有機肥可減控土壤部分硝態(tài)氮，減少蔬菜對土壤硝酸鹽的吸收，進而降低蔬菜硝酸鹽積累［26］。本研究中3%生物炭與2.5%有機肥配施能夠提高白菜葉片中可溶性糖、維生素C和可溶性蛋白含量，相比5.0%有機肥處理降低硝酸鹽和重金屬鎘積累，說明這一施肥方式在改善白菜的營養(yǎng)品質方面具有優(yōu)勢。

在歐盟委員會法規(guī)的Cd含量限定中規(guī)定蔬菜的Cd限量是0.05～0.20 mg/kg（鮮質量），澳大利亞規(guī)定的葉菜類和塊根類蔬菜Cd限量是 0.1 mg/kg，而中國國家標準中的蔬菜中Cd含量的最高允許限量標準為0.05 mg/kg。從以上的規(guī)定可以看出各國對重金屬Cd在蔬菜中含量限制非常嚴格［27］。Cd是人體和植物的非必需元素，是對人體和植物均有毒害作用的重金屬元素，嚴重影響植物生長、發(fā)育和繁殖等［28］。研究表明，Cd2+會導致植株的矮化、根系縮短、生長發(fā)育受阻等現象［29］。研究證實，將有機肥和復合肥肥施入土壤后會發(fā)生一定程度的重金屬元素的積累，造成土壤的潛在污染，而且這種污染隨著種植年限增加而增加［30-31］。本研究表明，施入有機肥增加了重金屬在土壤中富集，隨著有機肥施入量的增加，富集量呈現上升的趨勢。施入有機肥達到5.0%時，白菜葉片和根系中Cd含量超過國內外規(guī)定蔬菜Cd限量，因此，白菜生產過程中施入適量的有機肥是保證白菜品質技術環(huán)節(jié)。生物炭表面附著的有機官能團可能吸附土壤中的重金屬離子，降低重金屬的活性，從而減少植物體內重金屬含量，同時還能固定土壤中的Cd，通過改良土壤質地來提高作物的產量［32］。過量Cd（Cd）可能引發(fā)植株嚴重的形態(tài)改變及生理和代謝中斷，如抑制光合作用和蒸騰作用，碳水化合物代謝紊亂，蛋白質降解和脂質過氧化反應［33-34］。相關性分析顯示，白菜重金屬的積累與可溶性蛋白含量極顯著正相關，說明在白菜體內可溶性蛋白合成影響著重金屬Cd的積累，對于內在調控機理有待進一步研究。

本試驗結果表明，單獨施用生物炭增加了白菜中纖維素含量，顯著降低了白菜硝酸鹽的積累。生物炭與復合肥配施顯著促進白菜生物量積累顯著，同時顯著提高了白菜的可溶性糖、葉綠素、硝酸鹽、纖維素含量。生物炭與有機肥配施能夠降低土壤脲酶和脫氫酶活性，升高土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀的含量，同時土壤EC值和pH值顯著升高。生物炭與5%有機肥配施處理提高白菜可溶性蛋白含量和葉綠素含量，顯著降低根的生長和白菜纖維素含量，但增加了白菜中硝酸鹽和重金屬的積累的風險。生物炭與2.5%有機肥配施處理增加白菜的株高、地上干質量及維生素C、可溶性蛋白含量，同時相比5.0%有機肥處理顯著降低硝酸鹽含量，有效降低白菜葉片和根系中Cd含量。綜上，生物炭與有機肥配施能提高土壤養(yǎng)分有效性，促進白菜生長，顯著抑制白菜中硝酸鹽和重金屬Cd的積累，改善白菜品質，以3%生物炭與2.5%有機肥配施改善品質較為顯著，可在生產上試用推廣。

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收稿日期：2023-01-03

基金項目：黑龍江省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（編號：202110223016）；黑龍江八一農墾大學校內博士科研啟動資助計劃（編號：XDB201819） 。

作者簡介： 文慧寶 （ 2001—） ，男，山西省澤州人，研究方向為設施園藝生理生態(tài)。E-mail：wh1835524651@163.com。

通信作者： 吳 瑕，博士后，副教授，研究方向為設施園藝生理生態(tài)與蔬菜安全生產。E-mail：wuxiaxia_2005@ 163. com。