沼渣生物质炭对西南喀斯特山区沼液灌溉土壤氮淋溶和白菜产量的影响

江 涛，王立国，孙芳芳，成剑波，*，何腾兵，秦 松，范成五，阴文芳

(1.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025； 2.贵州大学 新农村发展研究院，贵州 贵阳 550025； 3.贵州省山地畜禽养殖污染控制与资源化技术工程实验室，贵州 贵阳 550025； 4.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006)

我国西南喀斯特山区以贵州等地最为典型，当地的山地比例达92.5%，年降水量1 100～1 400 mm，水土流失严重，碳酸盐发育土壤厚度在30～50 cm，土层瘠薄，土壤渗透系数较大(0.3～0.6)[16-17]。蔬菜是该区域的特色发展产业和扶贫产业。2019年，贵州省蔬菜种植面积达111.7万hm2，产量2 497.8万t，产值642.2亿元[18]。本研究特选择贵州省的主要种植蔬菜——白菜为供试作物，以贵州主要土壤类型——黄壤和石灰土为研究材料，在温室大棚开展模拟沼液灌溉的盆栽试验，探讨施用沼渣生物质炭对黄壤和石灰土氮淋溶，及白菜产量的影响，以期为该区域的农业环境保护和白菜生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试白菜品种为贵蔬华早三号。

供试黄壤、石灰土采自黔中山地某2个相邻的有机肥-化肥混施的玉米地块表层(0～20 cm)，取样点的地理坐标分别为(26°26′27.99″N，106°46′30.39″E)、(26°26′19.91″N，106°46′35.22″E)。土壤样本采回后，风干，过4 mm筛，混匀备用。

1.2 试验设计

盆栽试验于2020年10月—2021年1月在贵州省农业科学院土壤肥料研究所温室大棚进行。共设置5个处理：CK，未添加生物质炭的空白处理；BC1，生物质炭添加比例(质量分数，下同)1%；BC2，生物质炭添加比例2%；BC4，生物质炭添加比例4%；BC6，生物质炭添加比例6%。每个处理重复3次，每个重复对应2盆盆栽，共30盆盆栽。

供试盆为内径10.5 cm、高19.5 cm的塑料盆，盆底填有经稀酸清洗过的1 cm厚的石英砂层。用医用纱布隔开石英砂层与土壤。盆底具孔，并悬空，以供淋溶出水。在盆正下方为半径10 cm的淋溶出水集液盘。生物质炭与风干土(容重1.20 g·cm-3)混匀后，向每盆中添加2.0 kg，然后进行预饱和，按照土壤饱和含水率70%的标准补入自来水，静置5 d后，每盆移栽1株长势均匀的苗期白菜。试验共持续72 d，至白菜成熟期收获后结束。

磷肥(以P2O5计)、钾肥(以K2O计)均按105 kg·hm-2的量以基肥形式施入，氮肥(以N计)按240 kg·hm-2的量以沼液灌溉形式施入。根据当地农事习惯，沼液自来水稀释液按每次18.7 mm的量入灌6次，每次间隔8～10 d。其中：白菜苗期1次，沼液稀释25倍入灌，施氮量48 kg·hm-2；莲座期2次，每次沼液稀释18.7倍入灌，每次施氮量36 kg·hm-2；结球期3次，每次沼液稀释20.8倍入灌，每次施氮量40 kg·hm-2。各处理在白菜各生育期的施氮量一致，苗期、莲座期、结球期的比例为1.0∶1.5∶2.5。

1.3 采样与分析

2021-01-20收获白菜，称量鲜重，然后于105 ℃杀青30 min，65 ℃烘至恒重并称量[19]，计算白菜含水量。烘干样品粉碎后，经H2SO4-H2O2消煮，用全自动化学间断分析仪测定植株TN含量。

1.4 数据分析

应用IBM SPSS Statistics 21软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，显著性水平选定为α=0.05。对于差异显著的，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 沼渣生物质炭对土壤氮淋溶的影响

图1 黄壤和石灰土上氮淋溶的动态变化Fig.1 Dynamic of nitrogen leaching in yellow soil and calcareous soil

同一土壤类型下，柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters indicated significant difference within treatments at P<0.05 under the same soil type. The same as below.图2 黄壤和石灰土上的氮素淋溶量Fig.2 Nitrogen leaching rate in yellow soil and calcareous soil

2.2 沼渣生物质炭对土壤氮含量的影响

在黄壤上：苗期、莲座期，添加沼渣生物质炭会显著增加土壤TN含量，BC6、BC4处理的土壤TN含量均显著高于CK；结球期，各处理间无显著差异；成熟期，添加沼渣生物质炭反而会显著降低土壤TN含量，CK处理的TN含量显著高于BC2、BC4处理(图3)。在石灰土上，添加沼渣生物质炭在各时期可显著降低土壤TN含量。

图3 白菜各生育期的土壤氮素含量Fig.3 Soil nitrogen contents in different growth stages of cabbage

2.3 沼渣生物质炭对土壤氮素转化酶活性的影响

在黄壤和石灰土上，土壤蛋白酶活性均表现为苗期、莲座期较高，结球期、成熟期较低(图4)。在黄壤上，各时期BC6处理的土壤蛋白酶活性均显著低于CK处理，说明在本试验条件下，添加相对高量的沼渣生物质炭可降低黄壤上土壤蛋白酶的活性。在石灰土上，除结球期BC6处理的土壤蛋白酶活性显著高于CK外，其他时期两者并无显著差异。

图4 白菜各生育期的土壤酶活性Fig.4 Soil enzymes activities in different growth stages of cabbage

在黄壤上，除苗期各处理的土壤脲酶活性无显著差异外，其他处理均以CK处理的土壤脲酶活性最低，BC4处理的土壤脲酶活性最高，且两者差异显著。在石灰土上，添加沼渣生物质炭将降低土壤脲酶活性，除成熟期外，其他时期均以BC6处理的土壤脲酶活性最低，且显著低于CK。

在黄壤上：苗期和莲座期，添加沼渣生物质炭会显著增加土壤羟胺脱氢酶活性，如苗期BC1和BC2处理的土壤羟胺脱氢酶活性显著高于CK，莲座期BC6处理的土壤羟胺脱氢酶活性显著高于CK；而在结球期和成熟期，添加沼渣生物质炭却会显著降低土壤羟胺脱氢酶活性，BC6处理的土壤羟胺脱氢酶活性在这2个时期均显著低于CK。总的来看，黄壤上各处理的土壤羟胺脱氢酶活性在莲座期最高。在石灰土上：除莲座期BC6处理的土壤羟胺脱氢酶活性显著高于CK外，其他时期添加生物质炭处理的土壤羟胺脱氢酶活性与CK相比并无显著差异。

在黄壤上：苗期和成熟期，添加沼渣生物质炭会显著降低土壤硝酸还原酶活性，如苗期CK处理的土壤硝酸还原酶活性显著高于除BC1外的其他处理，成熟期CK处理的土壤硝酸还原酶活性显著高于其他处理；而在莲座期和结球期，添加沼渣生物质炭会显著增加土壤硝酸还原酶活性，如BC6处理的土壤硝酸还原酶活性在这2个时期就显著低于CK。总的来看，黄壤上各处理的土壤硝酸还原酶活性在苗期最高。与黄壤相比，石灰土上的土壤硝酸还原酶活性较高，但其整体变化趋势与黄壤相似：苗期和成熟期，添加沼渣生物质炭会显著降低土壤硝酸还原酶活性；而在莲座期和结球期，添加沼渣生物质炭可显著增加土壤硝酸还原酶活性。

在黄壤和石灰土上，土壤亚硝酸还原酶活性均表现为苗期、莲座期较高，结球期、成熟期较低。在黄壤上，除成熟期各处理间无显著性差异外，其他时期均表现为BC6处理的土壤亚硝酸还原酶活性显著低于CK、BC1、BC2处理。在石灰土上：成熟期，BC6处理的土壤亚硝酸还原酶活性最高，显著高于CK和BC1处理；而其他时期，BC6处理的土壤亚硝酸还原酶活性均显著低于CK、BC1、BC2处理，与黄壤上的表现一致。

2.4 沼渣生物质炭对白菜氮素吸收和产量的影响

与CK相比：在黄壤上，添加沼渣生物质炭处理的白菜氮素吸收量无显著变化；在石灰土上，BC1、BC4和BC6处理的白菜氮素吸收量显著增高，且以BC6处理最高，达到60.15 kg·hm-2(图5)。

图5 各处理的白菜产量及其氮素吸收量Fig.5 Yield and nitrogen uptake of cabbage under different treatments

在黄壤和石灰土上施用沼渣生物质炭，均有使白菜增产的效果，添加沼渣生物质炭各处理的白菜产量均显著高于CK，增幅分别在29.82%～68.78%和23.58%～79.07%。在黄壤上，BC4处理的白菜产量最高(13.81 t·hm-2)；在石灰土上，BC6处理的白菜产量最高(9.01 t·hm-2)。

方差分析结果显示，土壤类型对白菜产量和白菜氮素吸收量均有显著影响：黄壤上的白菜氮素吸收量更高，较石灰土上白菜的氮素吸收量高出32.16～49.10 kg·hm-2，其白菜产量亦显著更高。

3 讨论

3.1 沼渣生物质炭对土壤氮淋溶的影响

3.2 沼渣生物质炭对土壤氮素和酶活性的影响

3.3 沼渣生物质炭对白菜氮素吸收和产量的影响

在石灰土上，沼渣生物质炭处理的白菜氮素吸收量增加9.25～19.13 kg·hm-2，其中，BC6处理的白菜氮素吸收量最高，较CK增加46.6%。这与柳瑞等[40]在晚稻抽穗期减氮40%配施生物质炭，水稻植株吸氮量显著高于常规施氮和单纯减氮处理(增幅34.8%～52.4%)的结果较为一致。白菜氮素吸收量增加，一方面，可能是由于添加生物质炭提高了土壤团聚体的稳定性，促进了作物对土壤速效养分的吸收，且生物质炭发达的孔隙结构和比表面积可以提高土壤对养分的吸持和缓释[41]；另一方面，可能是由于施用沼渣生物质炭降低了土壤亚硝酸还原酶活性，抑制了土壤的反硝化作用，从而减少了氮素损失，且生物质炭含有的不稳定碳源可实现短期的微生物固氮，增加氮素在土壤中的停滞时间，从而提高白菜氮素吸收量。

氮素吸收与干物质积累和产量密切相关，在氮素吸收增加的情况下，黄壤和石灰土上的白菜产量均显著增加。这与其他大部分研究的结果一致。张伟明等[42]通过盆栽试验发现，添加生物质炭后水稻产量增加，且以加20 g·kg-1生物质炭处理的产量增加最多，比对照提高33.2%。在巴西亚马逊地区土壤中施加11 t·hm-2的生物质炭，高粱和水稻产量增加约75%[43]。但也有研究报道，生物质炭对作物产量无显著影响。张斌等[44]将20、40 t·hm-2生物质炭连续2 a施用于稻田，未对水稻产量产生显著影响。本研究中，生物质炭施入土壤后，其多微孔结构和吸附的氮素有助于调节土壤水、气、养分条件[45]，从而为白菜根系生长及其生理代谢提供良好的生态环境。黄壤上白菜产量和氮素吸收量均远高于石灰土，可能是由于前者蛋白酶和脲酶活性都更高，土壤供应氮素的能力相对更强，有助于促进白菜根系吸收更多的氮素并运输至地上部，从而增加白菜产量和氮素吸收量。