生物炭输入对砾石土水肥保蓄及酿酒葡萄产量、品质的影响

2021-05-28纪立东司海丽

中国土壤与肥料 2021年2期

纪立东，司海丽，李磊，杨洋

（宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏银川 750002）

宁夏贺兰山东麓位于世界酿酒葡萄种植北纬38°的最佳地段，西倚贺兰山天然屏障抵御寒流，东临黄河上游调节气候，得天独厚的地理位置为酿酒葡萄栽培创造了良好的条件［1］。然而，贺兰山东麓地区土壤多为砾石土或沙土，土壤结构差、保肥保水能力弱，养分有效性低，已成为制约宁夏酿酒葡萄产业发展的“瓶颈”，严重影响到酿酒葡萄产业的经济效益和社会效益［2］。众所周知，高质量的葡萄酒70%的决定因素来源于原料，而只有合理的水肥供应才可为优质酿酒葡萄栽培提供保障，同时也可以提高酿酒葡萄品质，改善生态环境［3-5］。目前，有机无机配施已是各种作物成熟高效的施肥技术模式，但应用于贺兰山东麓酿酒葡萄砾石土土壤条件下，存在水分供应不足易导致有机肥分解条件不满足、发挥作用缓慢、养分流失等问题，水分养分保蓄和土体快速构建成为贺兰山东麓酿酒葡萄砾石土产区急需解决的问题。

生物炭在农业上的应用研究一直备受人们关注，陈温福等［6］明确指出，生物炭具有含碳率高、孔隙结构丰富、比表面积大、理化性质稳定等固有特点；同时生物炭施用可提高土壤氮、磷有效成分，促进植株生长，还可减少二氧化碳和甲烷等温室气体的排放，减缓全球变暖［7-11］。张忠河等［12］研究发现适当的生物炭施用量可以提高作物产量，过高反而会降低作物产量［13］；袁晶晶等［14］研究发现生物炭与氮肥配合施用对华北平原枣区的土壤养分吸收、土壤质量和红枣产量及品质起到了积极作用；王玫等［15］研究发现施用生物炭复合有机肥相比于单施生物炭或者有机肥，能更好地提高连作条件下平邑甜茶幼苗的生长发育，增强土壤酶活性；由此可见，合理使用生物炭，有助于促进农业经济快速、安全、绿色发展。尽管围绕生物炭的应用开展了大量的研究工作，但研究方向多集中于无机肥和生物炭配施，生物炭和秸秆还田、有机肥配施等措施效应，而有机无机配施条件下，生物炭如何发挥作用，有机无机及生物炭的协同效应缺乏相关研究。本研究基于宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄砾石土产区土壤漏水漏肥、有机肥显效水分条件不足等问题，在有机无机配施条件下，开展不同生物炭输入效应研究，探讨提出砾石土高效保水施肥技术，以期为贺兰山东麓酿酒葡萄优质高产提供理论与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在宁夏志辉酒庄葡萄基地进行，该地区位于“贺兰山东麓葡萄酒原产地域”的核心区域，属温带大陆性半干旱气候，全年累积日照时数高达2800 h以上，昼夜温差大，有效积温1534.9℃左右；年均气温8.8℃左右，最热月平均气温基本保持在22～23℃之间；年均降水量在180～200 mm之间。

1.2 供试材料

供试葡萄为当地主栽欧亚品种（VitisviniferaL.）赤霞珠（CabernetSauvignon），试验2015年布设时是3年生植株，连续布设试验2年，2016年数据采集当年为4年生植株。

供试生物炭购自河南商丘三利生物能源有限公司，来源为小麦秸秆；其pH 9.4、有机碳含量467 g/kg、全氮含量5.6 g/kg、灰分含量20.8%、阳离子交换量24.1 cmol/kg、比表面积8.9 m2/g。供试有机肥为商品羊粪有机肥，有机质≥45%，N+P2O5+K2O≥5%。

1.3 供试土壤

试验区成土母质以冲积物为主，地貌为冲积倾斜平原，地形平坦，土壤侵蚀较重。土壤类型为干旱土土纲，淡灰钙土，砾石含量高，田间持水量较低，容重较高，超过1.6 g/cm3。土壤呈碱性，有机质含量低，碱解氮为6级水平，属极缺状态，有效磷稍缺，属4级水平，速效钾为稍缺，属4级水平，整体肥力水平低。土壤物理化学性质详见表1、表2。

表1 2015年试验布设前土壤基本物理性质

表2 2015年试验布设前土壤基本化学性质

1.4 试验设计

试验于2015、2016年连续布设2年，2016年采集检测数据。采用单因素多水平设计，以生物炭（Biochar，简称BC）为主因子，设计5个处理，分别为CK：不施生物炭；有机肥施用量为6000 kg/hm2，一次性基施；在葡萄关键生育期滴施化肥4次（展叶期1次、果实膨大期2次、果实着色期1次），化肥为N∶P2O5∶K2O=19.5∶7.5∶9。处理1：T1，生物炭施用量1500 kg/hm2，一次性基施；有机肥、化肥施用量及方法同CK。处理2：T2，生物炭施用量3000 kg/hm2，一次性基施；有机肥、化肥施用量及方法同CK。处理3：T3，生物炭施用量6000 kg/hm2，一次性基施；有机肥、化肥施用量及方法同CK。处理4：T4，生物炭施用量12000 kg/hm2，一次性基施；有机肥、化肥施用量及方法同CK。

每个处理整行设计，随机区组布置，每行（长×宽）110 m×4 m=440 m2，合计2640 m2，每行11个杆空，具体监测中以临近路边杆空作为保护行，其后以3个杆空（30株树）作为一个重复小区展开试验监测。施肥方法为沿行向、距离主杆25 cm开外，机械开沟20 cm，深度50 cm，均匀撒入有机肥及生物炭，机械回土搅匀，使土和肥均匀混合后填土，一次性施入。统一水肥一体化管理，配套文丘里施肥器，灌水量通过水表精确控制；田间其他管理同大田。

1.5 测定项目及方法

1.5.1 土壤理化性质的测定

施肥前选取代表性地段，朝阳方向挖取1 m剖面，采取分析样，标签纸标记，采用TTF-100型土壤团粒分析仪测定土壤水稳定性团聚体［16］；土壤理化指标采用常规方法测定［17］。

1.5.2 土壤水分含量及土壤贮水量的测定

每个处理预埋3根1 m长探管，采用时域反射技术（TDR）按时监测不同处理下不同层次土壤含水量。

土壤贮水量计算方法：W=h×γ×θ×10；其中：W为土壤贮水量（mm）；h为土层深度（cm）；γ为土壤容重（g/cm3）；θ为土壤水分含量（%）。

1.5.3 叶片光合特性的测定

在酿酒葡萄关键生育期（花期、初果期、膨大期），选取30棵植株在同一位置固定部位标记叶片，采用美国CI-340手持光合测量系统进行测定；测定时间为9：00～11：00，主要测定指标包括：净光合速率（Pn）、蒸腾速率（E）、气孔导度（C）和胞间CO2浓度（Int CO2），通过Pn/E值，估算叶片水分有效利用率。

1.5.4 叶片酿酒葡萄形态指标及产量的测定

酿酒葡萄成熟期随机选取30粒，用电子天平称量，重复3次测定，求得平均单粒重，用游标卡尺量取横、纵径，求得平均数；用直尺测定果穗长；产量通过实际测定，求得小区产量，最后折算理论产量。

1.5.5 酿酒葡萄品质的测定

每个处理行随机选取生长势一致的10棵植株，每棵植株选取同一方向的果穗并采摘中部果粒30粒用搅拌机打成匀浆测定品质。手持糖量计测定果实可溶性固形物含量；NaOH滴定法测定果实与葡萄酒可滴定酸含量（以酒石酸计）；3，5-二硝基水杨酸法测定果实还原糖含量［18］；部分指标如单宁、花色苷、总酚则需要用液氮保存24 h后测定。福林-丹尼斯法测定单宁含量，福林-肖卡法测定总酚含量，pH示差法测定花色苷含量［19-21］。

1.6 数据分析方法

试验数据以Excel 2003软件整理数据和作图，采用SPSS 25.0软件进行统计分析，并对相关性指标进行显著性检验，显著性水平为P<0.05，n=5。

2 结果与分析

2.1 不同生物炭施用量对砾石土水稳性团聚体含量的影响

由图1所示，0～30 cm层次，随着生物炭施用量的增加，<0.25 mm粒径水稳性团聚体含量表现出逐渐降低的趋势，不同处理之间，CK和T1之间差异不显著，T2和T3之间差异不显著，T4同比其他处理达到显著差异水平；>0.25 mm粒径水稳性团聚体含量表现出逐渐增加的趋势，其中0.25～2 mm粒径水稳性团聚体含量同比CK达到显著差异水平，但不同处理间差异不明显；>2 mm粒径水稳性团聚体含量表现出显著增加的趋势，处理T4同比CK提高36.08%；相比CK，施用生物炭显著增加了1～2 mm粒径水稳性团聚体含量。30～60 cm层次，随着生物炭施用量的增加，<0.25 mm粒径水稳性团聚体含量表现出显著降低的趋势，处理T1和T2之间差异不显著，但同比CK各处理都达到显著差异水平；>0.25 mm粒径水稳性团聚体含量总体表现出逐渐增加的趋势，其中>2 mm粒径水稳性团聚体含量表现出先增加后降低的趋势，不同处理以T2和T3表现最佳，T4显著降低；而0.25～2 mm粒径水稳性团聚体含量表现出持续增加的趋势。表明有机无机配施条件下，生物炭输入具有明显提高土壤水稳性大团聚体含量、降低土壤水稳性小团聚体含量、维护土壤稳定性的作用。

图1 不同生物炭用量对0～60 cm土壤水稳性团聚体含量的影响

2.2 不同生物炭施用量对不同生育期土壤含水量的影响

图2 可知，生物炭输入对酿酒葡萄不同生育期不同层次土壤含水量保蓄具有明显促进作用。花期不同处理土壤含水量在30～50 cm层次变化梯度较为明显，而在土壤层次50 cm下出现交叉现象，和生物炭施用集中在20～50 cm层次直接相关，有限的灌水量淋洗条件下，50 cm以下层次生物炭渗入量少，水分保蓄作用没有体现出来。初果期以后，土壤含水量在不同层次之间表现出逐渐增加的趋势；不同处理之间，同比CK，随着生物炭施用量的增加，土壤含水量明显增加。表明有机无机配施条件下，输入生物炭具有保蓄砾石土土壤水分、提高土壤含水量的作用，且随着生物炭输入量的增加，土壤含水量越高，保蓄水分能力越强。

图2 不同生物炭用量对不同生育期土壤含水量的影响

随着生物炭施用量的增加，土壤0～80 cm土层贮水量在不同生育期表现出逐渐增大的趋势。与CK相比，不同用量生物炭显著增加了土壤贮水量，不同生育期以着色期表现最优，不同生物炭施用量土壤0～80 cm土层贮水量同比CK分别增加了17.43%、27.46%、30.39%、36.67%，可能是着色期雨季降水的大量补充和生物炭保蓄水分能力充分发挥的结果；不同处理之间以处理T4土壤贮水量最大。表明砾石土输入生物炭具有保蓄土壤水分、提高土壤贮水量、调节葡萄水分供给的作用，且生物炭施用量和土壤贮水量成正比（图3）。

2.3 不同生物炭施用量对酿酒葡萄叶片光合特性的影响

图3 不同生物炭用量对土壤0～80 cm土层贮水量的影响

表3 可知，综合生育期来说：初果期净光合速率明显高于膨大期、花期，花期净光合速率最低，随着生物炭施用量的增加净光合速率在各生育期均表现为先增加后降低的趋势。花期酿酒葡萄叶片净光合速率在施用量为6000 kg/hm2时达到最高，同时提高蒸腾速率，通过Pn/E显示出该处理下水分有效利用率最高；此外，气孔导度也达到最大，加速光合作用有序进行；初果期净光合速率在生物炭施用量为6000 kg/hm2时达到最高，与生物炭施用量为3000 kg/hm2相差不大，该处理下气孔导度相比花期增加3倍以上；膨大期生物炭施用量为12000 kg/hm2时净光合速率相比施用量为6000 kg/hm2降低了22.04%，蒸腾速率相差不大，同时水分有效利用率降低。说明有机无机配施条件下，生物炭施入具有提高葡萄叶片净光合速率的作用，不同处理以T3表现最佳，高量施用生物炭通过保水导致水分奢侈供应，反而抑制了葡萄叶片水分利用效率。

表3 不同生物炭用量对葡萄叶片光合特性的影响

2.4 不同生物炭施用量对酿酒葡萄形态指标及产量的影响

由表4可得，有机无机配施基础上输入生物炭对酿酒葡萄形态指标影响较大，尤其生物炭施用量为6000 kg/hm2时显著增加果穗长，而生物炭对单粒重无显著性影响，从而增加果穗重，相比生物炭施用量为0、1500、3000、12000 kg/hm2的处理分别增加了39.47%、32.21%、7.02%、5.42%；粒径在不同生物炭施用量下表现差异较大，生物炭施用量为6000 kg/hm2时显著增加果实粒径，相比不施生物炭增加15.10%。

表4 不同生物炭用量对葡萄形态指标的影响

生物炭施用量为6000 kg/hm2时，酿酒葡萄产量最高，达到5925 kg/hm2，相比生物炭施用量为0、1500、3000、12000 kg/hm2的处理分别增加了38.40%、25.63%、28.58%、12.72%。由此可见，适宜的生物炭投入有助于协调投入碳氮的比例，通过增加养分和改善土壤理化性质，可以促进作物地上部干物质的积累，使养分向籽粒充分转运。

通过对生物炭不同施用量与酿酒葡萄产量模拟，二者关系可由以下方程表达：

即：y = -0.0004x2+0.3872x+275.83R2= 0.7826

方程式表明：生物炭施用量与产量关系符合肥料效应的报酬递减规律，当dy/dx=0时，得出酿酒葡萄最高产量时生物炭施用量为7260 kg/hm2，理论计算结果与田间试验测定值比较接近。

2.5 不同生物炭施用量对酿酒葡萄鲜果品质的影响

由表5可得，有机无机配施基础上，输入生物炭可提高酿酒葡萄果实可溶性固形物含量，尤其生物炭施用量为6000 kg/hm2处理下显著增加可溶性固形物含量，相比CK增加4.80%；同时该处理下显著增加还原糖含量，与生物炭施用量为12000 kg/hm2处理无显著性差异；可滴定酸含量在不同生物炭处理下表现出较为明显的差异，施用生物炭的处理显著降低可滴定酸含量，尤其在施用量为12000 kg/hm2处理下可滴定酸相比不施生物炭处理降低33.71%；生物炭施用量为6000 kg/hm2处理提高总酚含量，显著高于不施生物炭及生物炭施用量为1500 kg/hm2的处理，分别增加了65.40%、30.23%；花色苷在生物炭施用量为3000、6000 kg/hm2的处理下含量较为相近；单宁在各处理下变异较大，生物炭施用量为6000 kg/hm2处理下降低单宁含量，有效地改善酿酒葡萄的品质和口感。表明有机无机配施条件下施入生物炭，对酿酒葡萄品质提升具有明显的促进作用。

表5 不同生物炭用量对葡萄品质的影响

2.6 不同生物炭施用量对土壤化学性质的影响

与CK相比，有机无机肥配施条件下，输入生物炭显著提高了土壤pH值和全盐含量，但不同处理之间差异不显著，由于生物炭本身pH值和盐分含量高，生物炭的投入即是盐碱的摄入；输入生物炭显著提高了土壤有机质含量，但处理T2、T3、T4之间差异不显著，同比CK增幅分别为12.17%、24.17%、27.82%；输入生物炭显著提高了土壤碱解氮含量，不同处理间T3和T4差异不显著，但同比其他处理达到显著差异水平；输入生物炭显著提高了土壤速效钾含量，可能和生物炭本身含有大量的速效性钾直接相关，但不同处理之间T1和T2差异不显著，T3和T4差异不显著，处理间以T3速效钾含量最高，同比CK增幅为54.01%。生物炭输入对土壤有效磷含量的影响规律不明显。表明有机无机配施条件下，输入生物炭显著增加了土壤盐碱含量，但同时显著提升了土壤有机质、碱解氮和速效钾含量，表现出保蓄氮素、补益钾素的积极作用，有效提升了土壤肥力水平。

表6 不同生物炭用量对土壤化学性质的影响

3 讨论

3.1 不同生物炭配施方式对土壤团聚体及保水性的影响

生物炭本身富含大量纳米孔隙，通过与化肥、有机物料间的相互作用，对土壤团聚体形成具有明显的促进作用。林洪羽等［22］研究提出生物炭和氮磷钾配施能降低大团聚体（>2 mm）和微团聚体（<0.053 mm）的含量，且显著提高团聚体平均重量直径、几何平均直径及稳定率，有利于提高团聚体结构稳定性；李鑫等［23］研究发现秸秆生物炭与猪粪配施时，土壤水稳性团聚体随着生物炭比例的增加而提高，说明生物炭和猪粪协同作用有利于水稳定性团聚体形成；王彤等［24］研究发现生物炭与常规有机肥及厨余发酵物存在显著的相互作用，配合施用时，更有利于形成大团聚体；侯晓娜等［25］研究发现单施生物炭对土壤水稳性大团聚体含量和团聚体稳定性的影响不显著，而生物炭与秸秆配施能提高土壤大团聚体含量，增加土壤团聚体的稳定性。而本研究发现有机无机配合生物炭输入有利于增加>0.25 mm粒径水稳性团聚体含量，且随着生物炭输入量的增加，大团聚体含量显著增加，以上结论和前人研究结果基本一致，主要原因是生物炭与有机肥在土壤中相互作用，提高了土壤有机碳含量，有机碳是一种重要的胶结物质，能够促进土壤团聚体形成。但其中>2 mm粒径水稳性团聚体含量不同处理间表现出先升高后降低的趋势，高量生物炭投入条件下，促进了1～2 mm粒径水稳性团聚体含量显著增加，此处化肥、有机肥和生物炭的相互作用机理有待于深入分析研究。同时金梁等［26］研究提出生物炭与化肥配施条件下，黑龙江黑土团聚体随着施炭量增加（超过31.5 t/hm2），凝聚性降低，大团聚体数量减少，造成土壤结构稳定性相对降低。而本研究在有机无机配施基础上，随着生物炭施用量的增加，>0.25 mm粒径水稳性大团聚体含量表现出显著增加的趋势，这主要是本试验基于产投考虑前提下，生物炭的输入梯度范围设计偏小，高施炭量仍没表现出降低大团聚体数量的情况。

生物炭的施入也可增加土壤渗滤能力，大量试验研究结果表明：施入生物炭可有效地提高土壤含水量，减少水分蒸发，尤其在砂质土壤上应用效果最为明显［27-29］。本试验研究结果与前人基本一致，砾石土输入生物炭具有保蓄土壤水分、提高土壤贮水量、调节葡萄水分供给的作用，且生物炭施用量和土壤贮水量成正比。

3.2 生物炭配施对土壤理化性质及作物产量品质的影响

砾石土漏水漏肥导致养分利用效率低下一直是限制宁夏酿酒葡萄产业发展的“瓶颈”问题之一。周桂玉等［30］研究发现添加生物质炭可以明显提高吉林草甸中性黑土土壤中有效磷的含量，但对氮和钾的作用差异不显著，而本研究碱性土壤条件下，施用生物炭对土壤碱解氮和速效钾的促进作用明显，而对有效磷的作用不明显，和研究区高pH易导致磷素固定直接相关。高德才等［31］在旱地土壤上施用生物炭量2%以上能显著减少氮素淋洗、提高氮素利用率；尚杰等［32］发现生物质炭施用显著提高了土壤全氮和碱解氮含量，与生物炭提供固氮菌发挥效果所需要的丰富氮源直接相关［33］；生物炭中钾的有效性较高，施入土壤能提高土壤速效钾含量［34］，和本研究结构相一致。曾爱等［35］研究发现不同生物炭施用量对土壤pH值的影响不显著，和土壤具有一定的酸碱缓冲能力以及试验处理施入的生物炭量不高直接相关；土壤有机碳含量随着生物炭施用量的增加而显著增加。本研究发现，随着生物炭施用量的增加，土壤pH值有增加的趋势，但不同生物炭添加量处理之间差异不显著，和上面结果较为一致，同时土壤有机质含量随着生物炭施用量的增加有增加的趋势，但不同施炭量之间差异不显著，和砾石土水分条件不足限制有机物分解转化有直接关系。

生物炭施用对作物叶片净光合速率以及水分有效利用率提升起到积极促进作用，这与张伟明等［36］在水稻上、宋久洋等［37］在烟草上研究结果一致。此外，大量研究表明：施用生物炭可显著提高作物产量［38］，钱嘉文等［39］研究认为生物炭对青菜具有明显增产效应；勾芒芒等［40］也发现生物炭对番茄根系形态特征的优化与产量的提高具有一定的促进作用；本试验结果也证明了生物炭配施增产这一结论。

品质是酿酒葡萄的灵魂，Schmidt等［41］通过两年田间试验发现施用生物炭在第二年对糖、酸无显著影响，Genesio等［42］研究认为生物炭对可溶性固形物、还原糖含量影响不显著，而本试验研究发现在施用有机肥的基础上配施生物炭显著提高可溶性固形物、还原糖含量，降低可滴定酸含量，促进酚类化合物以及色素形成，这与前人研究结果不一致，可能是在养分平衡供应的基础上，有机肥和生物炭组合作用，通过生物炭保蓄水分，提高土壤温度创造了有机肥加速分解的条件，产生了多种生物活性物质，促进了作物生长和品质形成。