生物质炭添加量对贵州尖椒生长及土壤肥力与酶活性的影响

谢婷婷，赵 欢，肖厚军，胡 岗，左明玉，周开芳，秦 松*

(1.贵州大学 农学院 贵州 贵阳 550025；2.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所/农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州 贵阳 550006；3.贵州省遵义市土壤肥料工作站，贵州 遵义 553000)

【研究意义】尖椒(CapsicumfrutescensL.)作为辣椒的品种之一，是我国经济效益较高的蔬菜作物，在蔬菜生产中占有重要地位。贵州是全国最大的辣椒产区，2016年贵州辣椒种植总面积达到35万hm2[1-3]。然而在辣椒产业快速发展的同时，由于生产上追求高产高效导致化肥使用不当、土壤保水保肥能力降低，加上辣椒本身存在连作障碍等问题，进而影响其产质量的提高，严重制约了贵州辣椒生产的可持续发展[4-6]。生物质炭具有吸附特性、多微孔结构和比表面积大[7-8]，其是在无氧状态下进行高温裂解处理而成的一种富炭物质[9]，随着裂解温度的升高碳氮元素富集，生物质炭的吸附特性及孔隙度逐渐发生变化[10]，施入土壤后可改变土壤理化性质，提高土壤养分含量，主要是由于生物炭施入土壤后可降低养分淋溶损失，提高土壤养分的有效性[11]，但因生物质炭具有吸附特性，过量施入会影响铵离子的释放，进而影响作物对养分的吸收利用。因此，生物质炭的适宜添加量对提高作物产量和品质具有非常重要的意义。【前人研究进展】KISHIMOTO等[12]研究发现，将生物质炭作为土壤调节剂时，其施入量为5和15 t/hm2时，会降低大豆和玉米的产量。刘卉等[13]研究表明，生物质炭施用量为3.75 t/hm2时，有利于烤烟的植物学性状、干物质积累及氮肥利用率的提高。郑浩等[14]研究表明，生物炭可降低氮的淋溶损失，增加氮在土壤中的持留作用，从而增强氮的有效性。此外，生物炭本身含有氮磷钾钙镁硫等矿质营养元素，施用生物炭可提高土壤的养分含量[10]，从而提高作物产量。【本研究切入点】目前，关于生物质炭作为新型肥料在作物生长方面的研究已有大量报道[15-18]，但鲜见针对作物生长所需生物质炭的适宜添加量的研究报道。【拟解决的关键问题】在前期已有尖椒养分需求的研究基础上，研究生物质炭不同添加量对贵州尖椒生长、土壤肥力及酶活性的影响，以期为辣椒施肥时添加适宜用量生物质炭提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年4-10月在贵州省遵义市绥阳县风华镇(东经107°03′，北纬27°02′)进行，属亚热带湿润季风气候；供试土壤前茬作物为辣椒，冬季休闲，土壤类型为贵州典型地带性粘性黄壤，其0～20 cm土层土壤基础理化性质为pH 4.68、有机质34.93 g/kg、碱解氮249.19 mg/kg、有效磷25.25 mg/kg和速效钾158 mg/kg。

1.2 材料

1.2.1 辣椒 供试品种为朝天椒，绥阳县本地品种。

1.2.2 生物炭 供试生物炭为玉米秸秆炭(N∶P2O5∶K2O 为12∶6∶11)，基本理化性质为pH 7.95、有机碳473.61 g/kg、全氮8.04 g/kg、全磷1.88 g/kg、全钾47.53 g/kg，由贵州省农业科学院土壤肥料研究所采用专业生物质炭化炉(炭化温度450 ℃)自制。

1.2.3 肥料 尿素(N 46 %)，贵州赤天化桐梓化工有限公司生产；磷酸一铵(N 11 %、P2O544 %)，贵州开磷有限责任公司生产；硫酸钾(K2O 50 %)，国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司生产。

1.2.4 仪器 SKJ-120型平磨式挤压造粒机，上海佳乐机电集团有限公司。

1.3 方法

1.3.1 生物炭基肥的制备 生物炭基肥(N∶P2O5∶K2O 为12∶6∶11)由贵州省农业科学院土壤肥料研究所利用SKJ-120型平磨式挤压造粒机挤压造粒而成，规格为1～2 cm圆柱状，所用原料为尿素、磷酸一铵、硫酸钾、玉米秸秆生物炭、膨润土和固体粘结剂；生物炭添加比例(质量比)为10 %、20 %、30 %和40 %，即每生产100 kg生物炭基肥分别添加玉米秸秆生物质炭10、20、30和40 kg；化肥用量相同，均需加入尿素22.8 kg、磷酸一铵13.6 kg和硫酸钾21.6 kg，膨润土作为填充物和粘解剂，分别添加32、22、12和2 kg以及少量水。

1.3.2 试验设计 试验共设4个处理：T1，10 %生物质炭(添加量250 kg/hm2)；T2，20 %生物质炭(添加量500 kg/hm2)；T3，30 %生物质炭(添加量750 kg/hm2)；T4，40 %生物质炭(添加量1000 kg/hm2)；各处理施用量均为2500 kg/hm2。N、P2O5、K2O的施用量相同，分别为300.0、150.0和 275.0 kg/hm2，生物炭基肥均作基肥一次性施用。

朝天椒移栽前先将肥料沟施，然后再起垄种植，采用单垄双行高厢起垄地膜覆盖栽培，垄宽1.0 m，垄间横沟0.3 m，起垄覆膜后10 d后进行移栽，栽培密度为5.27万 株/hm2。3次重复，随机区组排列，小区面积18 m2(3.9 m×4.6 m)。其他田间管理与当地习惯一致。

1.3.3 土壤样品的采集 在辣椒种植前按5点法取基础土样1个，用于测定土壤肥力，包括土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾；并分别在种植前和收获期的每个小区按照5点法采集土壤样品12个，用于测定土壤酶活性，包括蔗糖酶、过氧化氢酶、磷酸酶和脲酶。

1.3.4 指标测定 ①土壤肥力及酶活性。测定指标包括土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量，以及土壤脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性。土壤pH按照水土比2.5∶1 采用pH计测定，有机质采用重铬酸钾容量法测定，碱解氮采用碱解扩散法-标准酸滴定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾采用1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法测定[19]；土壤脲酶采用苯酚钠比色法测定，磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法，过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定，蔗糖酶活性采用3.5-二硝基水杨酸比色法测定。②辣椒产量:收获期不同处理分别计产。③辣椒生长与品质:辣椒移栽后，在每个小区标记6棵长势均匀的辣椒植株，分别在收获期测定其株高、茎粗和分枝数；同时用收获期辣椒鲜样测定其品质，参照文献[19]的方法测定硝酸盐、还原糖、Vc 和氨基酸含量。

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同Different lowercase letters indicate significance of difference at P<0.05 level. The same as below图1 生物质炭不同添加量尖椒的产量Fig.1 C. frutescens yield under different adding amount of biochar

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2010和SPSS20.0对数据进行处理与分析，LSD法检验P<0.05水平上的差异显著性。采用Origin制图。

2 结果与分析

2.1 不同处理尖椒的产量

从图1看出，在不同处理中，尖椒的产量以T2最高，为14 887.88 kg/hm2；T3其次，为14 126.84 kg/hm2；处理1最低，为10 289.31 kg/hm2；T2～T4较T1提高23.09 %～44.69 %。T1显著低于其余处理，T2和T3差异不显著，二者显著高于T4。

2.2 不同处理尖椒的主要生长性状

从表1可知，不同处理尖椒株高、茎粗和分支数的变化。株高：不同处理为113.50～116.67 cm，依次为T2>T1>T4>T3，各处理间差异均不显著。茎粗：不同处理为12.65～14.55 mm，依次为T3>T4>T2>T1，各处理间差异均不显著。分支数：不同处理为19.50～22.17 个，依次为T3>T1=T4>T2，各处理间差异均不显著。

表1 生物质炭不同添加量尖椒的主要生长性状Table 1 Main growth characteristics of C. frutescens under different adding amount of biochar

2.3 不同处理尖椒的品质

从表2可知，不同处理尖椒硝酸盐、还原糖、氨基酸和Vc含量的变化。硝酸盐：不同处理为66.84～76.90 mg/kg，依次为T2>T3>T4>T1，T2显著高于其余处理，T1显著低于其余处理，T3与T4间差异显著。还原糖：不同处理为26.95～29.62 mg/kg，依次为T2>T3>T4>T1，T2与T3差异不显著，二者显著高于T1和T4，T1与T4差异不显著。氨基酸：不同处理为5.83～5.99 mg/kg，依次为T1>T3>T4>T2，T1和T3显著高于T2，T1/T3/T4间和T2/T4间差异均不显著。Vc：不同处理为72.08～98.42 mg/100g，依次为T3>T2>T1>T4，T3显著高于其余处理，T4显著低于其余处理，T1与T2差异显著。

表2 生物质炭不同添加量尖椒的品质Table 2 Quality of C. frutescens under different adding amount of biochar

2.4 不同处理土壤的肥力

从表3可知，不同处理土壤pH，有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量的变化。pH：不同处理为4.76～4.89，依次为T1>T2>T3>T4，T1显著高于其余处理，T4显著低于其余处理，T2与T3差异显著。有机质：不同处理为33.5～41.4 g/kg，依次为T4>T3>T2>T1，T4显著高于其余处理，T1显著低于其余处理，T2与T3差异显著。碱解氮：不同处理为314.76～358.21 mg/kg，依次为T2>T1>T4>T3，T1与T2差异不显著，二者显著高于T3和T4，T4显著高于T3。有效磷：不同处理为25.50～34.94 mg/kg，依次为T3>T4>T2>T1，T3显著高于其余处理，T1显著低于其余处理，T2与T4差异显著。速效钾：不同处理为152.00～192.00 mg/kg，依次为T2>T4>T3>T1，T1显著低于其余处理，T2/T3/T4间差异不显著。

表3 生物质炭不同添加量土壤的肥力水平Table 3 Soil fertility under different adding amount of biochar

2.5 不同处理土壤的酶活性

从图2看出，不同处理土壤磷酸酶、过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性的变化。磷酸酶：不同处理为0.15～0.21 mg/g，依次为T3>T4>T2>T1，T3较T1提高40.00 %；T1显著低于除T2外的其余处理，T3显著高于除T4外的其余处理，T1/T2间、T2/T4间和T3/T4间差异不显著。过氧化氢酶：不同处理为0.99～1.12 mL/(20 min·g)，依次为T3>T2>T1>T4，T3较T1提高10.89 %；T3显著高于除T2外的其余处理，T1/T2/T4间和T2/T3间差异不显著。脲酶：不同处理为0.12～0.16 mg/g，大小依次为T3>T2>T4>T1，T3较T1提高33.33 %；T2和T3显著高于T1和T4，T2/T3间和T1/T4间差异不显著。蔗糖酶：不同处理为3.9～5.36 mg/g，依次为T2>T4>T3>T1，T2较T1提高37.44 %；T2显著高于除T4外的其余处理，T1/T3间、T2/T4间和T3/T4间差异均不显著。

图2 生物质炭不同添加量土壤的酶活性Fig.2 Soil enzyme activity under different adding amount of biochar

2.6 土壤肥力与其酶活性的相关性

从表4可知，土壤肥力指标与其酶活性相关性的变化。脲酶与pH和碱解氮呈负相关，与有机质、有效磷和速效钾呈正相关，但相关性均不显著。磷酸酶与pH和碱解氮呈极显著负相关，相关系数(R2)分别为-0.786和-0.718；与有效磷呈极显著正相关，相关系数为0.771；与有机质呈显著正相关，与速效钾呈正相关。蔗糖酶与pH呈负相关，与有机质、碱解氮、有效磷和速效钾呈正相关，其中与速效钾呈极显正相关，相关系数为0.802。过氧化氢酶与pH和碱解氮呈负相关，与有机质、有效磷和速效钾呈正相关，但相关性均不显著。表明，磷酸酶活性极显著地影响土壤酸碱性及碱解氮和有效磷的含量，蔗糖酶活性极显著地影响土壤速效钾的含量。

表4 土壤肥力与其酶活性的相关性Table 4 Correlation between soil fertility and its enzyme activity

3 讨 论

施用炭基肥是通过生物质炭来调节土壤结构、持水性能和养分含量等，从而达到增产的作用[16]，生物质炭施入土壤后可促进作物的生长及提高其产量[9]。李嫚等[20-22]研究表明，生物质炭与肥料配合使用对辣椒、玉米和花生等作物的产量具有明显的增产作用。研究结果表明，施用20 %生物质炭(添加量500 kg/hm2)可显著提高尖椒的产量，其产量最高，为14 887.88 kg/hm2；添加更高比例的生物质炭，尖椒产量反而呈逐渐下降趋势。与刘卉等[13]在烤烟上的研究结果类似。研究结果表明，生物质炭不同添加量对尖椒的生长有促进作用，能改善尖椒的生长状况，施20 %生物质炭(添加量500 kg/hm2)尖椒的株高最高，为113.50 cm，施用30 %生物质炭(添加量750 kg/hm2)尖椒的茎粗和分支数最粗/多，分别为12.65 mm和19.50 个，与李嫚等[20]的研究结果类似。

辣椒的硝酸盐含量是反应辣椒安全品质的重要指标之一，维生素C则是权衡辣椒营养品质的重要指标之一[23]，辣椒的维生素C含量位于蔬菜Vc含量之首[24]。还原糖为作物的生长提供能量，其含量是衡量作物代谢水平的重要指标[25]，食品中氨基酸的含量是衡量食品营养价值的重要指标之一[26]。研究结果表明，施用10 %生物质炭(添加量250 kg/hm2)尖椒的硝酸盐含量最低，为66.84 mg/kg。尖椒的Vc含量随着生物质炭添加比例的增大呈现先增加后降低的趋势，施用30 %生物质炭(添加量750 kg/hm2)尖椒Vc含量最高，为98.42 mg/100g，表明生物质炭的添加量并不是越多越好。生物质炭不同添加量处理还原糖含量为26.95～29.62 mg/kg，以施用20 %生物质炭(添加量500 kg/hm2)还原糖最高，为29.62 mg/kg，与殷金岩等[27]在马铃薯上的研究结果类似。施入不同添加量的生物质炭均能提高尖椒氨基酸含量，其中，以施用10 %生物质炭(添加量250 kg/hm2)的氨基酸含量最高，为5.99 mg/kg，但各处理间无显著差异。

当土壤中施入一定量的生物炭时，有利于提高土壤肥力[27]，已有大量研究证明，生物炭施入土壤后对提高土壤肥力具有重要作用[28-29]，有机质作为土壤肥力的重要指标之一[14]。研究结果表明，随着生物质炭添加量的增多而增加，生物质炭不同添加量处理土壤有机质的含量为33.5～41.4 g/kg，可能是由于生物炭本身的有机质含量较高，施入土壤后促进土壤有机质的提高[8]。土壤pH则随着生物质炭的添加呈现先增加后降低的趋势，生物质炭不同添加量处理土壤pH为4.76～4.89，以施用10 %生物质炭(添加量250 kg/hm2)的 土壤pH最高，为4.89，说明土壤适当施入生物质炭对酸性土壤具有一定的调节作用。施入不同添加量的生物质炭可显著增加土壤的速效养分，施用20 %生物质炭(添加量500 kg/hm2)土壤碱解氮和速效钾含量最高，分别为358.21和192.00 mg/kg；施用30 %生物质炭(添加量750 kg/hm2)土壤有效磷含量最高，为34.94 mg/kg。表明，施入生物质炭能有效增加土壤速效养分的含量，与张宏等[30]的研究结果类似。

土壤酶参与土壤养分的物质循环，土壤酶活性可以表征土壤养分转化过程、土壤中物质代谢程度以及土壤肥力，是土壤质量水平的一个重要指标[31]，土壤脲酶活性反映土壤对氮素的需求和利用，而磷酸酶活性高低则会影响土壤有机磷的分解转化以及生物有效性[32]。研究结果表明，施入生物质炭可提高土壤脲酶和磷酸酶活性，均以施用30 %生物质炭(添加量750 kg/hm2)的酶活性最大，分别为0.16和0.21 mg/g，较施用10 %生物质炭(添加量250 kg/hm2)提高33.33 %和40 %，与JIN[33]和陈心想等[34]的研究结果相似。从土壤蔗糖酶和过氧化氢酶看，20 %～30 %的生物质炭添加量对蔗糖酶和过氧化氢酶活性影响最大，与贾俊香等[35]研究结果类似。土壤酶活性在一定程度上反应了土壤肥力的高低，是评价土壤肥力水平的重要指标之一[36]。研究结果表明，土壤磷酸酶活性与土壤肥力的关系密切，与土壤pH、有机质、碱解氮和有效磷存在显著或极显著相关性，土壤蔗糖酶除与速效钾存在极显著正相关外，与其他土壤肥力指标无明显相关性。

4 结 论

生物质炭对作物的生长发育具有促进作用和改良土壤理化性质，综合看，施用20 %生物质炭(添加量500 kg/hm2)和30 %生物质炭(添加量750 kg/hm2)可改善尖椒的主要生长性状，进而促进其产量的提高，改善尖椒品质，同时显著提高土壤肥力，改良土壤理化性质，提高土壤酶活性，对尖椒生长、土壤肥力以及酶活性的影响均达最佳效果，表明添加20 %～30 %的生物质炭为最佳添加比例，综合考虑，以施用20 %生物质炭(添加量500 kg/hm2)经济效益最好。