竹炭与有机肥混施对火龙果产量和品质影响及其改土作用

生物炭指在限氧或缺氧条件下经高温热解炭化而产生的一类具有高度芳香化结构的难溶性有机物（Novak et al.，2019），因其具有较大的比表面积、高孔隙含量（王彤彤等，2017）、高稳定性、含碳量较高（70%—80%）、丰富的含氧官能团（赵力剑等，2018）等特点，被广泛应用于农业生产领域。生物炭通过其固有的结构和理化性质直接或间接地影响土壤生态环境，延缓土壤中养分的释放，可作为土壤改良剂（黄永东等，2018）而促进作物生长发育。已有大量研究表明，生物炭的添加会影响土壤肥力以及作物的产量和品质（Cosmas et al.，2019，董心亮等，2018，李丽等，2018），且影响效果差异较大。生物炭的施用能显著增加土壤有机碳（陈窈君等，2017）、全氮和全钾（郑子乔等，2019），可提高土壤pH 值，从而改变养分的可利用性，利于作物更好的生长（Purakayastha et al.，2019）。李丽等（2018）采用田间试验，在温室大棚施加生物炭，研究表明，当生物炭用量为20 t·hm-2时，蔬菜增产效果最好。Chan et al.（2007）研究指出，生物炭的添加能提高肥料氮的利用率和土壤质量，促进作物养分吸收。生物炭添加的初始阶段，养分会被迅速释放，而与有机肥混施，外源养分会被吸附在生物炭上，而生物炭作为缓释肥料（N、P、K）的载体（Wen et al.，2017），对养分具有保留而缓慢释放的特性，其效果更佳，可提高肥料的利用率，促进作物生长。

元谋是云南省重要的蔬菜、经济果木产地，目前，元谋坝区出现土壤板结、退化、肥力降低等现象，而使用有机肥是生产有机、绿色、无公害食品的必然之路，有机肥肥力低、易流失但肥效长、肥力持久，生物炭可持留养分，鲜见有关生物炭与有机肥混施影响红心火龙果（Hylocereus polyrhizus）果园土壤性质及其产量和品质的研究报道。因此，本研究将通过生物炭与有机肥混施来改良土壤同时获得红心火龙果优质高产的施肥方式，为生物炭在元谋地区的推广应用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

研究区位于云南省农科院元谋热区农业生态所本部，东经101°52.6′，北纬25°41.5′，海拔1 169 m。该地区年平均降雨量613.8 mm，年平均气温21.9 ℃，降水分配不均，蒸发量高达年均降水量的6 倍左右，全年旱季长达7—8 个月。研究区土壤为燥红壤，果园面积为540（即20×27）m2。供试生物炭为竹炭，其基本理化性质如下：pH 值为11.31，C、N、H和S质量分数分别为79.98%、0.70%、2.21%、0.40%，全磷为2.04 g·kg-1。供试有机肥N、P2O5、K2O 含量分别为46、14.50、9.80 g·kg-1。供试红心火龙果品种为“台农二号”。供试土壤基本性质见表1。

表1 供试土壤基本性质 Table 1 Basic properties of sampled soil

1.2 样地设置与取样方法

试验设置施肥量分别为低（22.5 t·hm-2，L）、中（45 t·hm-2，M）、高（90 t·hm-2，H）3 个水平，有机肥中竹炭添加量分别为0%（Y0）、3%（Y3）、6%（Y6），采用完全随机组合设计，均设3 次重复，共27 个小区，每个小区面积为20 m2，试验设计详见表2。2018 年5 月初将当地发酵过的羊粪（45 t·hm-2）作为底肥均匀施用于每个处理小区并翻耕混匀（深约20 cm），月末在种植墒面上开沟（宽40 cm、深15 cm），将竹炭与有机肥按试验设置一次性施加于红心火龙果地，并与种植沟的表土拌匀后回填，试验期间不再追肥，定期滴灌浇水，按果园常规进行管理。

2018 年6 月火龙果开始产果，12 月结束，对6—11 月火龙果产量进行称质量（按月计），随机挑选小区并采集10 个具有代表性、均一的果实带回实验室对其维生素C（Vc）、花青素、可溶性蛋白含量进行测定。2019 年1 月下旬对每个样地土壤进行分层取样。在27 个样地小区分别取0—20 cm 和20—40 cm 土壤样品（混合均匀）带回实验室，一部分于实验室自然风干，并过0.25 mm 筛和1 mm筛装自封袋保存留用；另一部分过1 mm 筛，保存于4 ℃冰箱。

1.3 土壤理化性状测定

土壤指标均参照鲍士旦（2001）和关松荫（1986）的方法来测定，其中，有机质采用油浴加热-重铬酸钾氧化容量法测定；全氮（TN）采用凯氏蒸馏法测定；全磷（TP）采用高氯酸消解-钼锑抗比色法测定；采用BrayI 法（0.025—0.03 mol·L-1，NH4F）浸提剂测定酸性土壤中的有效磷；全钾（TK）和速效钾使用ICP（电感耦合等离子体发射光谱仪）进行测定；土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法；土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法；土壤蔗糖酶活性采用3-5 二硝基水杨酸比色法；pH 使用pH 酸度计（PHS-3C，PHS-4C 型）进行测定。

表2 试验设计 Table 2 The design of field experiment

1.4 火龙果产量、品质的测定

产量：采用称重法按月累计称重火龙果产量（6—11 月）。

品质：在火龙果盛产季节，采集10 个处理均一的红心火龙果进行维生素C、花青素及可溶性蛋白含量测定。参照刘彬（2016）的测定方法采用紫外分光光度法、考马斯亮蓝G-250 染色法分别测定火龙果维生素C 含量和可溶性蛋白含量，花青素含量采用香草醛-盐酸法（朱曼利，2017）进行测定。

1.5 数据分析

运用Excel 2019 和SPSS 21.0 对试验数据进行作图和统计分析。采用单因素方差分析方法（Duncan 法检验，显著性水平均设0.05）分析不同竹炭量和不同施肥量混施对红心火龙果地土壤理化性质及其酶活性的影响，采用Pearson 相关系数分析火龙果园土壤理化性质和酶活性的相关性。

2 结果与分析

2.1 竹炭与有机肥混施对土壤理化性质的影响

除土壤pH 外，不同处理土壤性质均存在显著差异；竹炭与有机肥混施均不同程度地影响了土壤性状，除速效钾以外，每个处理表层土壤中养分含量高于下层，更有利于火龙果根系吸收养分。表3显示，在不添加竹炭情况下，高施有机肥提高了表层（0—20 cm）土壤有机质、全磷和全氮养分含量，Y0H 处理表层土壤有机质、全磷和全氮较Y0M、Y0L处理分别提高了8.76%、3.47%，40.08%、65.37%，60.99%、28.67%；高施有机肥提高了下层（20—40 cm）土壤全磷、全氮和有效磷含量，Y0H 处理下层土壤全磷、全氮和有效磷含量较Y0M、Y0L 处理分别提高了15.17%、391.18%，22.78%、15.10%，87.41%、225.91%，有肥力向下累积的趋势。Y6L处理表层土壤中有机质、全磷和全钾含量最高，与Y6H 处理相比，表层土壤有机质、全磷和全钾增幅分别为43.81%、56.90%和40.68%；表层土壤Y6H处理全氮含量最高，比其他处理提高56.23%—175.34%；表层土壤中速效磷和速效钾含量分别以Y3L 和Y3M 处理为最高，比Y6H 处理表层土壤速效磷和速效钾含量分别提高了29.85%和59.58%；下层土壤中Y6H 处理有机质、全钾和全氮含量最高。竹炭与有机肥混施降低了土壤pH 值，但对下层土壤其他性质影响程度降低。

表3 竹炭与有机肥混施对红心火龙果地土壤理化性状的影响 Table 3 Effect of mixed application of bamboo charcoal and organic fertilizer on soil physical and chemical properties of red pitaya

2.2 竹炭与有机肥混施对土壤酶活性的影响

本研究将竹炭与有机肥混施于表层（0—20 cm）土壤，因此仅用表层土壤对酶活性进行显著性分析和土壤性质与酶活性的相关性分析。表4 显示，与单施有机肥相比，竹炭与低量有机肥混施均能增加土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性，降低了土壤脲酶活性；竹炭与中量有机肥混施增加了土壤蔗糖酶活性，与高量有机肥混施降低了土壤过氧化氢酶活性。过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶活性分别表现以Y6L、Y6H、Y3M 处理为最高。其中，与Y0L 处理相比，Y6L、Y3L 处理过氧化氢酶、蔗糖酶分别提升156.29%、107.55%，5.26%、0.24%；脲酶活性分别降低了64.17%、77.86%；Y6H 处理蔗糖酶、脲酶比Y3H 处理和Y0H 处理分别提高12.16%、11.79%，155.35%、9.62%；Y6H 处理氧化氢酶活性比Y3H 处理和Y0H 处理分别降低过56.85%、29.95%。

表4 竹炭与有机肥混施对红心火龙果地土壤酶活性的影响 Table 4 Effect of mixed application of bamboo charcoal and organic fertilizer on soil enzyme activity in red pitaya field

2.3 火龙果园土壤性质与酶活性的相关性分析

表5 结果显示，土壤性质与酶活性之间有一定的相关性。土壤pH 与全氮呈显著负相关；土壤有机质与全氮、有效磷和蔗糖酶呈显著正相关（P＜0.05），与全磷、全钾和过氧化氢酶呈极显著正相关（P＜0.01）；土壤全氮与蔗糖酶呈极显著正相关；土壤全磷与全钾呈显著正相关，与过氧化氢酶、蔗糖酶和脲酶呈极显著正相关；土壤全钾与速效钾和过氧化氢酶呈极显著正相关；土壤有效磷与过氧化氢酶呈极显著正相关；土壤蔗糖酶与脲酶呈极显著正相关。

2.4 竹炭与有机肥混施对火龙果总产量的影响

竹炭与有机肥混施对红心火龙果产量的影响有明显差异，试验结果显示，不施竹炭时，高施有机肥增产效果较好，而竹炭与有机肥混施后火龙果增产效果更好。如图1 所示，单施有机肥条件下，火龙果产量随有机肥量的增加而增加，Y0H 处理比Y0M 和Y0L 处理分别增产8.61%、24.98%。在低（L）施肥量条件下，火龙果总产量随着竹炭量的增加而增加，Y3L 和Y6L 处理比Y0L 处理火龙果分别增产14.97%、31.25%。中等（M）施肥量条下竹炭添加量对火龙果产量影响差异不显著，而高（H）施肥量条件下，火龙果产量随着竹炭量的增加呈降低趋势，Y6H 比Y0H 和Y3H 处理分别减产23.62%、13.78%；Y6H 处理下火龙果产量最低，Y6L 处理火龙果产量高于Y0H 处理。在添加6%竹炭条件下，火龙果产量随施肥量的增加而降低，Y6M 和Y6H处理较Y6L 处理分别减产18.07%、29.82%；在添加3%竹炭条件下火龙果产量差异不大。9 个处理中，Y6L 处理为最佳组合，表明施加6%生物炭与低量有机肥混施可提高土壤肥力，减少化肥的施用，促进火龙果的生长，从而达到火龙果增产效应。

图1 竹炭与有机肥混施对红心火龙果总产量的影响 Fig. 1 Effect of mixed application of bamboo charcoal and organic fertilizer on total yield of red pitaya

2.5 竹炭与有机肥混施对火龙果7、8 月产量的影响

图2 显示，竹炭与有机肥混施可提高红心火龙果的产量，6%竹炭与高施有机肥反而会减产。7、8月为火龙果盛产季，对7、8 月各处理下红心火龙果产量进行分析，由图2 可知，在Y3M、Y3L、Y6L处理条件下，7 月火龙果增产效果更佳。7 月除Y0L处理外，Y6H 处理产量低于Y6M 处理，说明添加6%竹炭与有机肥混施，中等施肥量比高施肥量增产效果更好，到8 月Y6H 减产效应更明显。8 月Y3H处理产量最高，Y0H 处理次之，这可能与有机肥肥效持久有关，高施有机肥会影响火龙果后期的生长。比较7 月和8 月产量，3%竹炭与有机肥混施比添加6%竹炭火龙果产量更加稳定。

表5 土壤理化性质与酶活性之间的关系 Table 5 Relationship between soil physical and chemical properties and enzyme activity

图2 竹炭与有机肥混施对红心火龙果产量的影响 Fig. 2 Effect of mixed application of biochar and organic fertilizer on fruit yield of red pitaya

2.6 竹炭对火龙果品质的影响

图3 显示，竹炭与有机肥混施可显著提高火龙果维生素C、花青素含量，对可溶性蛋白含量影响不显著。不同处理火龙果Vc 含量在128.02—240.65 μg·g-1，Y3M 处理Vc 含量最高，Y6M 处理次之，Y0L 处理最低，Y3M 处理比Y6M 处理维生素C 含量高3.66%。高量有机肥的施用能增加火龙果Vc含量，但竹炭与有机肥混施处理提升效果更显著，与不添加竹炭相比，添加竹炭后火龙果Vc 平均增幅为24.24%。不同处理火龙果中花青素含量在137.97—260.87 μg·g-1，花青素含量也是Y3M 处理最高，Y6L 处理次之，Y0H 处理最低，其他处理差异不大，其中Y3M 处理比Y6L 处理花青素含量提高了10.13%。火龙果可溶性蛋白含量在1.00—1.17 mg·g-1，Y3M 处理可溶性蛋白含量最高，Y3H 处理最低，添加竹炭后，各处理对可溶性蛋白含量影响差异不大。

3 讨论

3.1 竹炭与有机肥混施对火龙果园地土壤理化性质及酶活性的影响

图3 竹炭与有机肥混施对红心火龙果维生素C、花青素 和可溶性蛋白含量的影响 Fig. 3 Effect of mixed application of bamboo charcoal and organic fertilizer on Vc, anthocyanin and soluble protein of red pitaya

生物炭被认为是良好的土壤改良剂和缓释肥料载体，被广泛用于改良土壤并促进农作物的生长。施用生物炭可改变土壤的理化性质，从而影响土壤肥力状况（李传宝等，2018）。火龙果属于浅根系植物，其根系主要在距地表20 cm 以内，添加竹炭后，下层土壤有机质、氮、磷、全钾含量累积较少，说明添加竹炭对有机肥具有持留的效果，更有利于根系对N、P、K 的吸收。生物炭与化肥、有机肥三者混施可促进春玉米对土壤养分的吸收，提高产量（彭辉辉等，2015）；生物炭与氮肥配施，能提高土壤氮素含量，当增施生物炭同时减少15%化肥氮时仍能提高烤烟对氮素的利用（葛少华等，2018）。本研究也表明，45 t·hm-2或22.5 t·hm-2的施肥量与竹炭混施提高了表层土壤养分含量，且22.5 t·hm-2有机肥中添加6%竹炭使得红心火龙果产量最高，减少了有机肥的施用，从而使土壤理化性质得到了较大改善。生物炭与有机肥的混施促进植物的生长是由于有机肥能为植物生长提供更可持续的氮和磷（Schulz et al.，2012），生物炭本身碳质量分数高（孔丝纺等，2015；张功臣等，2018），生物炭添加到土壤中可使碳固存而稳定（Haefelea et al.，2011；林珈羽等，2015），同样，低施肥量与高比例竹炭混施更有利于土壤TN 含量的保持，因此更利于土壤中作物对NH4+-N 的吸收（Nguyen et al.，2017），减少淋溶，为火龙果后期的生长提供所需养分。

土壤酶活性的提高有利于土壤培肥增产。脲酶反映土壤的供氮能力，过氧化氢酶活性的高低反映土壤微生物氧化过程的强弱（张志龙等，2019），蔗糖酶表征土壤分解利用能量的效率，有研究表明生物炭与有机肥混施能显著提高土壤酶活性（张毅博等，2018），而本研究中，竹炭与低量有机肥混施反而抑制了土壤脲酶活性，这可能是因为竹炭对土壤脲酶活性的抑制作用强于有机肥的增加作用。土壤过氧化氢酶活性差异不大，这可能受培养时间或有机肥量的影响（周震峰等，2015）。竹炭的比表面积高达300 m2·g-1以上（邵千钧等，2002），土壤酶主要集中在微团聚体中，竹炭的添加改善了土壤酶环境的通气性，促进有机质的分解，因而土壤养分之间存在一定的相关性。Yu et al.（2018）研究表明，生物炭与氮肥的联合施用能增加大豆根际的微生物生物量，受土壤pH 值的影响而不改变微生物群落结构，土壤微生物群落结构的变化会影响土壤酶活性变化（Li et al.，2019），土壤酶活性发生变化则微生物环境也会发生改变，而生物炭和有机肥的混施改善了土壤酶活性（表4），说明生物炭与有机肥的施用影响了土壤微生物群落结构。因此，后续的研究需要进一步解析生物炭、有机肥、酶活性和土壤微生物群落结构之间的内在机理。

然而，生物炭虽含有一定的营养元素，但不能代替化肥的施用，生物炭与有机肥的混合施用却能减少肥料的施用量（刘悦等，2017），而大田试验的土壤系统比较复杂，竹炭与有机肥的混施对火龙果土壤性质的影响存在不确定性，要探究出最佳施肥方式及其生物炭、有机肥和土壤微生物之间影响的机理，还有待更进一步的研究。

3.2 竹炭与有机肥混施对火龙果产量和品质的影响

大量研究表明，生物炭能促进作物的生长，提高产量和品质（Chen et al.，2019；Wang et al.，2018）。本研究中，6%竹炭与22.5 t·hm-2有机肥混施（Y6L）条件下火龙果产量最高，而6%竹炭与90 t·hm-2的有机肥混施（Y6H）反而减产，说明有机肥中添加竹炭后高肥量的施用对火龙果的生长有一定的抑制作用。熊荟菁等（2018）研究表明，生物炭+常规施肥第2 年和第3 年，葡萄产量分别提高了11.74%、20.07%。7、8 月盛产火龙果的产量比较，3%加炭量比6%加炭量的产量稳定，这可能与元谋这两个月降水集中、温度较高有关，有待进一步观测。红心火龙果营养价值和经济价值高（肖敏，2017），含丰富的维生素C 和花青素。45 t·hm-2的有机肥中添加3%竹炭对火龙果Vc、花青素和可溶性蛋白含量的提升效果最佳，土壤各肥力指标相关性分析表明，土壤性质与酶活性间存在显著或极显著的相关关系，竹炭与有机肥混施对土壤性质的改良、土壤和作物水分状况产生积极的影响（袁晶晶，2017），从而提高养分，增强根系对营养元素的吸收，进而提高火龙果的品质。但高量有机肥与竹炭混施反而降低了火龙果品质，其原因可能是竹炭固持养分点位有限，高量有机肥的施用反而流失。因此，竹炭和有机肥的混施应适地适量，合理配施，更有利于火龙果的生长。

4 结论

竹炭和有机肥的混施短期内提高了火龙果园地土壤肥力，竹炭与有机肥混施处理后比仅施高量有机肥对土壤改良效果更佳，达到减量施用有机肥目标。竹炭与有机肥混施均显著提高了表层土壤养分含量、土壤蔗糖酶和脲酶活性，降低了脲酶活性和土壤pH 值，且土壤性质和酶活性间存在显著或极显著正相关关系。此外，竹炭与有机肥混施提高了火龙果产量、维生素C、花青素和可溶性蛋白含量。