物质炭对设施大棚土壤性质与果蔬产量影响的整合分析

薛舒尹

摘 要：（目的）量化和评估生物质炭在设施栽培中的应用效果，对生物质炭在设施大棚的推广应用具有重要的实践价值。（方法）通过文献收集并建立数据库，共获得典型设施大棚或温室环境条件下相对独立的匹配数据214组，采用数据整合分析（Meta-analysis）方法，定量分析生物质炭特性（原料、制备温度、C/N、pH）与管理措施（施用量与施用时长）对果蔬产量、土壤理化性质的影响程度。（结果）设施条件下施用生物质炭可显著提高土壤pH，且土壤有机碳、氮、磷等均有不同程度的增加。（结论）生物质炭类型及施用量是影响设施土壤肥力与果蔬产量的关键因素，低温（400～500℃下）制备的生物质炭增产效果显著，建议施用量控制在10.0t/hm2以下且间断性施用，可降低成本，提高经济效益。

关键词：生物质炭;设施大棚;土壤

随着人口的不断增加，土壤资源面临着巨大的压力，近年来设施农业集约化生产的发展，以及生产者对经济利益的过高追求，导致作物连作面积增加，土壤质量下降，土壤中微生物种群结构失衡，作物产量和品质下降。粮食作物、果树、蔬菜、瓜果、花卉等都不同程度地存在连作障碍问题。设施蔬菜的连作障碍已成为限制设施农业发展的瓶颈。

一、研究方法

1.数据来源

本研究收集的数据来自中国知网和WebofScience文献数据库。检索主要关键词：“生物质炭（biochar）”、“土壤性质（soilproperties）”、“产量（yield）”和“设施大棚（greenhousefacilities）”等，筛选2007—2015年符合以下基本要求的文献：1）设施大棚试验，排除田间试验、露天盆栽试验等;2）试验处理组必须为施用生物质炭，对照组为不施用生物质炭，且处理组和对照组除生物质炭外，其他试验条件严格一致;3）试验处理重复数必须大于或等于3。最终得到214组有效匹配数据。

2.数据库建立与数据分类

xBxC对收集到的独立试验数据，按照施用生物质炭（试验组）与不施用生物质炭（对照组）处理，提取每篇文献中各个指标的平均值（试验和对照组）、标准差（sB和sC）和样本数（NB和NC），通过图展示的文献，利用GetDataGraphDigitizer2.24软件获取数据。数据收集指标包括生物质炭施用量，生物质炭特性（制备原料、制备温度、生物质炭pH值、C/N比等），土壤理化性质（有机碳、全氮含量，有效态氮、磷，pH值等），作物产量等。由于设施栽培规模不一致，生物质炭施用比例表示方法包括采用质量百分比（%）和质量/土壤面积（如t/hm2）两种形式。在本研究整合分析中将生物质炭施用比例统一为质量/土壤面积（t/hm2）。如果是室内盆栽试验，以每亩耕层土壤重30万斤来进行单位换算，以便统一产量单位（t/hm2）。如果没有相关说明则将土层厚度设定为一般耕作层厚度20cm。对于土壤pH，如果试验中pH是采用CaCl2溶液法，那么使用公式转换，即pH（H2O）=1.65+0.86pH（CaCl2）。根据文献，将生物质炭原材料大致分为畜禽粪便类、秸秆类、木材类以及壳渣类等4种类型进行整合分析。关于生物质炭制备温度，如果文献给出的是温度区间，则取其平均值，并将生物质炭热解温度划分为4个区间：低温（≤400℃）、中温（401～500℃）、中高温（501～600℃）、高温（≥600℃）。生物质炭碳氮含量比值（C/N值）划分为5个水平：<20、20～50、50～100、100～300、≥300。生物质炭pH分为≤7、7～8、8～9、9～10和≥105个水平。生物质炭施用量分为4个水平：<10.0、10.0～40.0、40.0～80.0、≥80.0t/hm2。生物质炭施用时间按月分为4个水平：<3、3.0～6.0、6.0～12.0和≥12.0。

3.数据分析

方法对文献中有关生物质炭对作物产量的影响结果进行标准化处理。试验中的产量值采用自然对数的反应比（responseratio，RR）作为效应量： 式中：sB和sC分别为试验组和对照组的标准差;NB和NC分别为试验组和对照组的样本数。效应量的变异系数用各组处理的标准偏差和试验重复数来计算。效应量的权重采用变异系数的倒数表示，最终获得的相关数据通过MetaWin2.1软件进行处理。

二、结果与分析

1.生物质炭特性对设施大棚果蔬产量的影响

总体而言，施用生物质炭可平均提高大棚果蔬产量22.1%，但不同的生物质炭制备原料对设施大棚果蔬的增产效应也存在差异。畜禽粪便类因富含养分，其增产效果最好，可高达66.4%;秸秆类次之，为31.2%，碳氮比较高的木材类可增产19.0%，壳渣类生物质炭增产效果不显著（P>0.05）。生物质炭的制备温度也是影响生物质炭增产效果的一个重要因素。分析结果表明，相对于高温制备，低、中温度制备的生物质炭有利于设施大棚果蔬的增产。当制备温度低于400℃时，大棚果蔬可增产20.4%;制备温度在401～500℃时，增产效应提高至36.5%;制备温度继续升高，增产效应开始下降，制备温度为501～600℃时，增产22.8%;超过600℃，施用生物质炭与不施用生物质炭相比，设施大棚果蔬产量无显著差异（P>0.05）。生物质炭的C/N由于制备原料的差异而有所不同，分析结果表明，随着生物质炭C/N值的提高，施用生物质炭对大棚果蔬的增产效应逐渐降低。C/N值<20时可增产49.1%，是C/N值≥300時增产效果（3.0%）的16.4倍。此外，C/N值分别在20～50、50～100时，分别增产46.0%、19.3%，C/N值>100时，无显著增产作用。施用碱性生物质炭能显著增产（P<0.05），施用酸性生物质炭则会引起设施大棚作物减产。如图5所示，当生物质炭的pH<7时，大棚果蔬减产17.5%。pH值在9～10时，可增产39.1%，远高于其他pH值范围的生物质炭的增产效果。但当pH过高，增产效果会降低，当生物质炭pH≥10时，仅增产14.1%。生物质炭pH值介于7～8或8～9时，可分别增产22.4%和21.6%。

三、结语

研究表明，畜禽粪便生物质炭含大量稳定的芳香族结构及丰富的无机矿物质，并浓缩了非挥发的矿物质如磷、钾等元素。生物质炭的施用会增加土壤碱度，引发设施土壤生态环境的改变，包括对土壤微生物结构、作物生长、金属离子活性甚至农药等污染物间接方面的影响及其作用机理机制，仍有待进一步深入研究。

参考文献：

[1]房毅.设施农业培育健康蔬菜[J].农业知识，2015，（16）：27–28.