施用低温生物炭对甘蓝生长、品质和土壤理化性质的影响

任晓雪，曹彦辉，曹桂芳，余秀真

(1.商丘市农林科学院，河南商丘 476000；2.河南省商丘市农业技术推广站，河南商丘 476000；3.河南省商丘市农场管理站，河南商丘476000；4.河南省商丘市蔬菜生产办公室，河南商丘 476000)

甘蓝又被叫作包菜、卷心菜等，它具有良好的耐肥性，应种植在有机质丰富、保护水分和肥料能力强的土壤中。甘蓝富含优质蛋白质、纤维素等，具有预防冠心病、改善胃溃疡等药用价值，吃卷心菜可以补充营养，强健体魄。因此，研究甘蓝在生物炭处理下的生理与品质指标具有重要意义。

生物炭具有有机碳含量高、高碳氮比、疏松多孔的结构等特性，施入土壤后具有增加土壤有机质、吸附和保持土壤养分的作用，并能提高产量和肥料的利用率，改善作物品质。传统意义上的秸秆炭化多指的是秸秆在400 ℃以上的炭化，存在生物炭产率低、生产能耗高、成本高等缺点。300 ℃以下的低温炭化工艺则很好地解决了上述问题，其生物炭产率高、能耗小、综合成本效益高，其农业应用前景广阔。但是，低温生物炭与传统工艺的生物炭相比，其在影响土壤理化性质、作物生长、品质方面的效果如何，尚需要探索。

因此，本研究对低温生物炭和传统高温生物炭进行比较分析，从甘蓝田间应用、土壤理化性质等角度入手，探讨低温生物炭和传统高温生物炭应用效果可能存在的差异，以期为低温生物炭在甘蓝上深入应用提供一定的技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试甘蓝品种为商甘蓝一号由商丘市农林科学院提供，玉米秸秆生物炭(以玉米秸秆为原料，在240、400 ℃条件下烧制而成)，由河南省农业科学院提供。供试土壤为两合土，具体理化性质见表1。

表1 供试材料基本理化性质

1.2 试验设计

试验于2020年在商丘市农林科学院双八镇试验基地(115.707°E，34.532°N)进行，该地年平均气温约为14 ℃，年降水量达到700 mm。试验设置21个小区，每个小区面积为1.5 m，长1.5 m，宽 1.0 m，每个处理设置3次重复。将0～15 cm晾干后的表层土壤和不同处理生物炭混匀，基础施肥为复合肥750 kg/hm(N∶P∶K=15∶15∶15)，在小区周围埋50 cm宽的塑料膜用于隔离土壤，2月上旬将甘蓝种子在温室穴盘内播种，待3月中旬幼苗长至5～6张真叶时再移栽到试验小区，株距、行距均为50 m，每个小区定植6株，每个小区搭建简易塑料拱棚。试验设置的7个处理分别为CK(不加生物炭)、DY1(240 ℃玉米秸秆生物炭1%)、DY2(240 ℃ 玉米秸秆生物炭2%)、DY3(240 ℃玉米秸秆生物炭4%)、GY1(400 ℃玉米秸秆生物炭1%)、GY2(400 ℃玉米秸秆生物炭2%)、GY3(400 ℃玉米秸秆生物炭4%)。

1.3 样品测定

甘蓝植株性状指标：每个重复小区随机选取1颗成熟甘蓝，每个处理共摘取3颗，用直尺测量植株高度、叶球高度、叶球球径、单球质量等性状指标。

可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝法；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法；游离氨基酸含量测定采用茚三酮溶液显色法；维生素C含量测定采用2，6-二氯酚靛酚比色法。

播种后30 d采集甘蓝周围2 cm以内的土壤样品，样品风干后将10个样点的土样混匀，分别过0.80、0.15 mm筛用于测定土壤速效磷、速效钾、有机质、碱解氮含量。

1.4 数据分析

采用 Excel 2010软件整理相关数据，采用DPS 9.01对试验数据进行分析，<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同处理生物炭对甘蓝植株性状的影响

由表2可知，各处理的植株高度、叶球高度、叶球球径和单球质量与对照(CK)相比差异均达到显著水平(<0.05)，DY1处理较对照平均植株高度高3.8 cm，叶球高度高2.5 cm，叶球球径大1.0 cm，单球质量增加0.09 kg；DY2处理较对照平均植株高度高6.8 cm，叶球高度高5.9 cm，叶球球径大 3.1 cm，单球质量增加0.29 kg；DY3处理较对照平均植株高度高6.0 cm，叶球高度高4.6 cm，叶球球径大 3.1 cm，单球质量增加0.26 kg；GY1处理较对照平均植株高度高2.3 cm，叶球高度高0.9 cm，叶球球径大0.7 cm，单球质量增加0.06 kg；GY2处理较对照平均植株高度高5.3 cm，叶球高度高 3.8 cm，叶球球径大2.2 cm，单球质量增加 0.20 kg；GY3处理较对照平均植株高度高4.1 cm，叶球高度高2.7 cm，叶球球径增加1.5 cm，单球质量增加0.17 kg。单球质量表现为DY2>DY3>GY2>GY3>DY1>GY1>CK，与CK相比，增幅分别为18.71%、16.77%、12.90%、10.97%、5.81%、3.87%，说明，低温炭处理甘蓝的性状指标相对应高于高温炭处理，低温炭处理中添加2%生物炭效果最好。

表2 不同生物炭处理甘蓝的植株性状

2.2 不同处理生物炭对甘蓝可溶性蛋白含量的影响

由表3可以看出，各处理与对照相比可溶性蛋白含量都有不同幅度的提高，且差异均达到显著水平(<0.05)，DY1、DY2、DY3、GY1、GY2、GY3处理与对照相比分别增加52.13%、138.30%、122.34%、13.83%、114.89%、94.68%。可溶性蛋白含量表现为DY2>DY3>GY2>GY3>DY1>GY1>CK，结果表明增施玉米秸秆炭都能使甘蓝中的可溶性蛋白质含量提高，添加2%低温生物炭的增幅最大。

表3 不同生物炭处理甘蓝的可溶性蛋白含量

2.3 不同处理生物炭对甘蓝可溶性糖含量的影响

由表4可知，与对照相比各处理的可溶性糖含量都有不同幅度的提高，且差异均达到显著水平(<0.05)，DY1、DY2、DY3、GY1、GY2、GY3处理较对照分别增加8.93%、60.71%、20.13%、2.69%、27.77%、18.73%。可溶性糖含量表现为DY2>GY2>DY3>GY3>DY1>GY1>CK，结果表明添加生物炭能使甘蓝中的可溶性糖含量大幅提升，添加2%低温生物炭的增幅最大。

表4 不同生物炭处理甘蓝的可溶性糖含量

2.4 不同处理生物炭对甘蓝游离氨基酸含量的影响

由表5可以看出，各处理游离氨基酸含量与对照相比都有提高，且差异均达到显著水平(<0.05)，DY1、DY2、DY3、GY1、GY2、GY3处理较对照分别增加37.5、94.5、74.1、20.3、78.0、37.3 μg/g，游离氨基酸含量表现为DY2>GY2>DY3>DY1>GY3>GY1>CK，与CK相比，从高到低分别增加26.77%、22.10%、20.99%、10.62%、10.57%、5.75%，添加2%低温生物炭的增幅最大。

表5 不同生物炭处理甘蓝的游离氨基酸含量

2.5 不同处理生物炭对甘蓝维生素C含量的影响

由表6可知，与对照相比各处理维生素C含量都有所增长，且差异均达到显著水平(<0.05)，DY1、DY2、DY3、GY1、GY2、GY3处理较对照分别增加2.18、6.93、7.52、1.91、4.33、5.82 mg/100 g。维生素C含量表现为DY3>DY2>GY3>GY2>DY1>GY1>CK，与CK相比分别增长18.90%、17.42%、14.63%、10.88%、5.48%、4.80%，添加4%低温生物炭对甘蓝维生素C含量提升效果最明显，添加2%低温生物炭次之。

表6 不同生物炭处理甘蓝的维生素C含量

2.6 不同处理生物炭对土壤理化性质的影响

由表7可知，添加不同玉米秸秆生物炭对土壤pH值的影响较明显，相对于添加同等用量240 ℃玉米秸秆生物炭，DY3、GY2、GY3处理土壤的pH值都较高，其中添加4%400 ℃玉米秸秆生物炭(GY3)的土壤pH值最高。通过添加不同的玉米秸秆生物炭，均使土壤中有机质的含量明显增加，且与对照组差异均达到显著水平(<0.05)，表现为DY3>GY3>DY2>GY2>DY1>GY1，增幅从高到低分别为119.66%、108.34%、86.27%、72.46%、39.11%、21.76%。生物炭相同温度处理的条件下，植物有机质含量随着生物炭剂量的提高而上升，且在不同用量生物炭处理期间的差别很明显，低温生物炭更有利于土壤有机质含量提升。相较于CK，生物炭对土壤中碱解氮含量均有显著降低的作用，其中DY1、DY3、GY2和GY3处理的碱解氮含量降低最为显著，而GY1和DY2处理受影响相对较小，GY1处理表现最佳，DY2处理次之。加入1%玉米秸秆生物炭时，土壤中的速效磷含量有所增加，而随着生炭用量的提高，土壤中速效磷含量也开始出现减少趋势。使用同等剂量生物炭的前提下，240 ℃生物炭处理的土壤速效磷含量均超过了400 ℃生物炭处理的土壤速效磷含量。添加生物炭的处理方式均可使土中的速效钾含量明显上升，其中GY2和DY2土壤的速效钾含量较高，分别达到559.63、542.34 mg/kg，比对照分别提高了66.06%、60.93%；添加相同用量生物炭的前提下，用量为1%和4%时低温生物炭处理相比于对应的高温生物炭处理的速效钾含量更高；用量为2%时高温生物炭处理的速效钾含量较高。

表7 不同生物炭处理土壤的理化性质

3 讨论与结论

生物质炭有益于植株生长，可以有效提高作物产量。赵殿峰的研究表明，生物炭可以有效促进烤烟生长，改善其品质；张晗芝研究发现，生物炭可以提高小麦、玉米和水稻的植株生长，促进作物对氮、磷、钾的吸收；包立等提出生物炭可以促进白菜对磷素的吸收从而提高其生长发育。本研究显示，各生物炭处理的植株高度、叶球高度、叶球球径和单球质量与照相比较差异均达到显著水平(<0.05)，与上述结论一致；DY2处理较对照植株高度高6.8 cm，叶球高度高5.9 cm，叶球球径高 3.1 cm，单球质量增加0.29 kg，表现最佳。这与陈丽美等运用竹炭对紫甘蓝的研究结果一致。关于低温生物炭与高温生物炭的对比试验尚未找到相关报道，需要进一步研究考证。

甘蓝含有丰富的可溶性蛋白、游离氨基酸、维生素C和可溶性糖等营养物质，施用生物炭能提高养分的利用效率，并改善甘蓝的品质。王湛等研究发现，施用生物炭降低了硝态氮含量，增加了菜薹中的维生素C含量；熊荟菁等研究指出，葡萄施用生物炭总糖含量提高了13.51%；刘玉学等研究表明，当添加40 t/hm生物炭量时，能使小青菜总糖和维生素C 含量均显著提高。本研究发现，添加生物炭的各处理和对照相比，可溶性蛋白、可溶性糖、游离氨基酸和维生素C含量都有不同幅度的提高，且和对照相比差异均达到显著水平(<0.05)，这与上述研究结论一致；另外，本研究发现低温炭处理甘蓝的品质指标相对高于高温炭处理，说明低温炭处理中添加2%生物炭效果最好。其中DY2处理可溶性蛋白含量与对照相比增加138.30%，DY2处理可溶性糖含量较对照增加60.71%，DY2处理游离氨基酸含量较对照增加26.77%；DY3处理维生素C含量较对照增加18.90%，表现最佳，DY2处理较对照增加17.42%，表现次之。

土壤中的速效养分可以直接被植物吸收利用，是反映土壤营养供给潜力的主要指标。张晗芝等的研究表明，生物炭可以减少土壤有效氮含量，影响农作物对土壤中氮的吸收；另外，有研究表明，这种问题出现的原因可能是生物炭的碳氮比较高，从而导致了碱解氮的生物固定。本研究发现，相较于CK，生物炭处理土壤中碱解氮含量均有显著的降低趋势，其中GY1和DY2处理对土壤中碱解氮含量影响相对较小，GY1处理表现最佳，DY2处理次之，与上述结论一致。数据证明，较低裂解温度(240 ℃)所制成的生物炭，对增加土壤有机质、速效磷含量的效果较好；本研究发现添加1%玉米秸秆生物炭时，土壤中的速效磷含量显著增加，而后随添加量逐渐增加呈下降的趋势，低温生物炭处理高于高温生物炭处理。另外，本研究结果表明，生物炭可使土壤速效钾含量提升，其中GY2和DY2这2个处理的速效钾含量较高。唐志文等的研究表明，在土壤中施用生物炭可以提高土壤pH值，增加有机质含量和速效养分的有效性，从而增加土壤肥力，并提高植株的生长速度与发育。本研究表明，加入不同温度处理的玉米秸秆生物炭，土壤的pH值呈上升态势，其中加入4%400 ℃生物炭(GY3)时的土壤pH值最大；而植物有机质含量则随着生物炭剂量的提高而上升，且在不同剂量生炭处理期间差别明显，效果表现为DY3>GY3>DY2>GY2>DY1>GY1，相对于高温生物炭，240 ℃生物炭处理对土壤有机质含量增加的效果更好。因此，2%用量的低温生物炭在甘蓝应用上具有更好的前景。