玉米芯生物炭对辣椒连作土壤性质和辣椒生长的影响

王薇薇， 梅 燚，吴永成，万红建，陈长军，郑青松，郑佳秋，*

(1.江苏沿海地区农业科学研究所，江苏 盐城 224002； 2.浙江省农业科学院 蔬菜研究所，浙江 杭州 310021； 3.南京农业大学 植物保护学院，江苏 南京 210095)

辣椒(CapsicumannuumL.)为茄科一年或多年生草本植物，具有丰富的营养和特殊的口感，是受到人们喜爱的蔬菜和调味品。我国是辣椒消费大国，辣椒消费量居全球之首。由于市场需求量大，经济产值和效益高，辣椒在我国的种植规模不断扩大[1]。与此同时，辣椒常年连作导致一些产区的土壤环境逐渐恶化，土传病害日趋严重，植株生长受限，进而引发产量降低、品质变劣等一系列问题。据报道，辣椒连作所致的减产幅度可达20%～50%，高的甚至可达70%[2]。

研究显示，随着辣椒连作年限的增加，土壤酸化和盐渍化程度加大，土壤理化性状恶化[3]，土壤微生物区系组成和数量发生变化，土壤中的细菌和有益放线菌数量减少，真菌数量升高，土壤肥力由“细菌型”向“真菌型”转变，土壤真菌病害加重[4]。

生物炭是在缺氧条件下高温裂解有机物而形成的稳定富碳产物，主要由芳香烃和单质碳或具有类石墨结构的碳组成，碳含量一般在60%以上[5]。目前，生物炭的应用领域已经扩展到农业、环境、气候、能源等方面[6-8]。农业领域的诸多研究表明，生物炭具有改良土壤的功能，施入土壤后有助于增加土壤养分，改善土壤理化性质，改变土壤微生物群落结构与丰度[9-11]。添加生物炭可明显缓解土壤连作障碍。据报道，添加小麦秸秆炭可以增加设施黄瓜连作土壤的养分含量，提高土壤肥力，改善土壤酶活性，显著提高黄瓜产量与品质[12]。此外，生物炭对芦笋[13]、桃[14]、苹果[15]等植物的连作土壤亦具有明显改良效果。目前，辣椒种植中的连作障碍问题突出。为此，本文特以连作3年的设施辣椒土壤为对象，通过分析不同生物炭添加量对土壤性质的影响来研究生物炭对辣椒连作土壤的改良效果。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试辣椒品种为盐椒4号，由江苏沿海地区农业科学研究所蔬菜室培育。

自江苏沿海地区农业科学研究所试验农场连续栽培3年辣椒的0～30 cm土层采集供试土壤，其基本理化性质如下：pH值7.37，有机质含量16.42 g·kg-1，全氮(TN)含量0.84 g·kg-1，全磷(TP)含量0.87 g·kg-1，有效磷(AP)含量29.53 mg·kg-1，全钾(TK)含量2.21 g·kg-1，速效钾(AK)含量248.51 mg·kg-1。

供试生物炭为玉米芯生物炭，购自河南弘之源净水材料有限公司，基本理化性质如下：pH值6.99，有机碳含量443.01 g·kg-1，全氮含量12.26 g·kg-1，全磷含量1.54 g·kg-1，全钾含量0.86 g·kg-1。

供试商品有机肥为富墒有机肥料，购自河北金地源生物肥有限公司，有效养分(N、P2O5、K2O)含量超过4.0%，有机质含量30%。

1.2 试验设计

试验于2020年4月在江苏沿海地区农业科学研究所试验农场(33°41′N，120°20′E)进行。采用随机区组设计，每个试验小区面积12 m2，共设5个处理：CK，未添加生物炭的连作土壤；T1，生物炭添加量5 t·hm-2；T2，生物炭添加量10 t·hm-2；T3，生物炭添加量20 t·hm-2；T4，生物炭添加量30 t·hm-2。每个处理设置3次重复。生物炭在辣椒定植前一次性施入，并经人工翻耕与表层(0～30 cm)土充分混合均匀。各小区在辣椒种植前均一次性施入商品有机肥3 000 kg·hm-2，试验期间不追肥。按辣椒生产常规进行田间管理。

1.3 样品采集与指标测定

在每个小区采用“S”形路线采样，随机选5个点采集辣椒根区土壤，混合均匀后去除杂质，一部分放置在4 ℃冰箱中用于测定土壤微生物碳、氮含量；另一部分置于室内通风阴干，用于土壤理化指标测定。采用重铬酸钾容量法测定土壤有机碳(SOC)含量；采用半微量开氏法测定土壤TN含量；采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定土壤TP含量；采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤AP含量；采用硝酸-高氯酸消煮，原子吸收分光光度法(AA400型原子吸收分光光度计，美国Perkin Elmer)测定土壤TK含量；采用醋酸铵浸提-原子吸收分光光度法测定土壤AK含量；采用氯仿熏蒸-重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤微生物量碳(MBC)含量；采用氯仿熏蒸-开氏蒸馏法测定土壤微生物量氮(MBN)含量。

分别用米尺、游标卡尺测定辣椒的株高、株幅和茎粗。辣椒成熟后，采摘全部辣椒果实(果长>5 cm)，记录辣椒的单株产量和植株鲜重(以单株计，不含果重)。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016软件整理数据，采用SPSS 19.0软件对数据进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对辣椒连作土壤理化性质的影响

施入生物炭对土壤pH值无显著影响(表1)。随着生物炭施用量的增加，土壤SOC含量相应增大，且与CK呈显著(P<0.05)差异，T4处理的SOC含量最高，达26.31 g·kg-1。除T1外，施用生物炭的处理显著(P<0.05)增加了土壤TN含量，较CK的增幅在21.11%～71.11%。施用生物炭的各处理显著(P<0.05)增加了土壤SOC/TN，增幅在35.67%～84.48%。T3、T4处理的土壤TP、AP含量均较CK显著(P<0.05)增加，增幅分别在28.46%、53.67%和114.45%、125.76%。T3处理下，土壤TK含量较CK显著(P<0.05)降低6.64%，其他处理与CK并无显著差异。随着生物炭添加量的增加，土壤AK含量呈先上升后下降的趋势，在T2处理下达到最高值，为310.83 mg·kg-1，且T1～T3处理的土壤AK含量与CK和T4处理差异显著(P<0.05)。

表1 不同处理对土壤理化性质的影响

2.2 不同处理对辣椒连作土壤微生物量碳、氮的影响

生物炭的施入可显著(P<0.05)增加连作土壤的MBC、MBN含量(表2)，且二者均随生物炭添加量的递增而呈现出先增加后降低的趋势，均在T3处理下达到最大值(分别为271.58、50.66 mg·kg-1)，分别较CK处理显著(P<0.05)增加67.38%和88.82%。土壤MBC/MBN随生物炭施用量的增加呈先降低后增加的趋势，始终与CK处理差异显著(P<0.05)。各处理中，CK处理的MBC/MBN最大(6.05)，显著(P<0.05)高于其他处理，T3处理的MBC/MBN最小(5.36)。

表2 不同处理对土壤微生物量碳、氮的影响

2.3 不同处理对辣椒连作土壤MBC/SOC、MBN/TN的影响

随生物炭添加量增加，土壤MBN/TN呈先增加后降低的变化趋势(图1)，其中，T2、T3处理下与CK差异显著(P<0.05)，增幅分别为11.33%和16.67%。添加生物炭的各处理，土壤MBC/SOC均较CK处理显著(P<0.05)降低，且随生物炭施用量的增加呈下降趋势。

同一指标下不同处理柱上无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。

2.4 土壤理化性质与微生物量碳、氮的相关性

土壤微生物量碳、氮与土壤养分指标间存在着显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)的相关性(表3)。具体地：MBC与TN、SOC、TP、AP呈极显著(P<0.01)正相关，与TK呈极显著(P<0.01)负相关；MBN与TN、SOC、TP、AP呈极显著(P<0.01)正相关，与TK呈极显著(P<0.01)负相关；MBC/MBN与AP呈显著(P<0.05)负相关，与AK呈极显著(P<0.01)负相关；MBC/SOC与TK呈显著(P<0.05)正相关，与TN、SOC、TP、AP呈极显著(P<0.01)负相关。

表3 土壤理化性质与土壤微生物量碳、氮的相关性

2.5 不同处理对辣椒生长的影响

随着生物炭施用量的增加，辣椒株幅呈先增加后降低的趋势(表4)，与CK处理相比，T1、T2、T3处理的辣椒株幅显著(P<0.05)提高了9.21%～15.12%。T2、T3处理的辣椒茎粗较CK显著(P<0.05)增加，T3处理的辣椒株高亦较CK显著(P<0.05)增加，其他处理在上述2项指标上与CK处理无显著差异。辣椒单株产量随生物炭施用量的增加呈先增后减的趋势，其中，T1、T2、T3处理的单株产量和植株鲜重均显著(P<0.05)高于CK，并以T3处理的单株产量和植株鲜重最高，而T4处理的单株产量和植株鲜重降至与CK无显著差异的水平。

表4 不同处理对辣椒农艺性状的影响

3 讨论

生物炭多呈碱性，施入土壤后可以提高酸性土壤的pH值[16-18]，但对碱性土壤影响较小[19-20]。本试验也获得类似的结果，随着生物炭施用量的增加，各处理的土壤pH值与对照无显著差异。供试土壤的pH值为7.37，供试生物炭的pH值为6.99，二者之间本就差异较小，这可能也是导致各处理下土壤pH值变化不显著的重要原因之一[21]。生物炭具有提高土壤肥力的潜力。周丽靖等[22]报道，竹炭、稻壳炭提高了百合连作土壤的有机质、碱解氮、有效磷和有效钾含量；韩召强等[23]报道，在黄瓜连作土壤中添加小麦秸秆生物炭，连续两季土壤的有机质、全氮、硝态氮、铵态氮和有效磷含量均较对照提高。本研究表明，在辣椒连作土壤上施用适量生物炭后，土壤有机碳、总氮、速效钾、全磷和有效磷含量显著增加。这可能是因为生物炭自身含有碳和一定的矿质养分，施用后可对土壤养分含量直接起到补充作用[24]。此外，生物炭特有的微孔结构和大的比表面积，均有助于吸附固定土壤中的养分元素[25]。另外，本研究发现，随着生物炭施用量的增加，土壤中的全钾含量显著降低，这与李红宇等[26]的研究结果相似。原因可能包括：(1)生物炭中检测到的全钾含量远低于土壤，施入土壤后所能释放到土壤中的钾素有限，混合后反而稀释了土壤的全钾含量，导致土壤全钾含量下降；(2)生物炭施用增加了土壤的速效钾含量，促进了植物对钾素的吸收利用[27]，从而使得土壤全钾含量降低。

本研究结果表明，随着生物炭添加量的增加，辣椒连作土壤中微生物量碳、氮呈现先增加后减少的趋势。这与尚杰等[28]的研究结果相似。其原因可能是：一方面，生物炭的多孔性及其对土壤理化特性的改善，可为土壤微生物提供良好的生长环境；另一方面，生物炭增加了土壤养分含量，而微生物量碳、氮含量与土壤养分含量呈显著正相关关系。MBC/MBN可以反映土壤氮的供应能力。本研究发现，MBC/MBN随着生物炭施用量的增加呈先降低后增加的趋势，表明适量添加生物炭能够提高土壤氮素的利用率，而过量的生物炭使得微生物可直接利用的活性氮比值降低，导致MBC/MBN上升[29]。MBC/SOC能反映土壤中有机碳向微生物量碳的转化速率，可以较好地揭示土壤肥力的差异。本研究发现，添加生物炭的各处理，其MBC/SOC均显著低于对照，且随着施用量增加呈下降趋势。这与罗梅等[30]的研究结果一致。其主要原因是，生物炭能够显著提高土壤的有机碳含量，而能够被微生物吸收利用的活性有机碳只占土壤有机碳总量的极少部分。本试验中，MBN/TN的值在2.76%～3.50%，与前人的研究结果(2%～6%)较为一致[31]。

生物炭施入土壤后，在大多数研究中都对作物生长发育和产量表现出正效应[32-34]，但也有一些负效应的报道[35-36]。本研究结果表明，添加适宜用量的生物炭(T1、T2、T3处理)能够促进辣椒的生长发育，但较高的生物炭添加量(T4处理)并不会显著促进辣椒的生长。也就是说，为充分发挥生物炭的积极作用，应针对具体的土壤和作物开展适宜用量的深入研究。