施用生物质炭对桃园土壤肥力及黄桃产量和品质的影响

2023-05-29钱九盛谢文逸何中华刘晓雨张旭辉郑聚锋李恋卿潘根兴

农业资源与环境学报 2023年3期

钱九盛，谢文逸，何中华，刘晓雨，张旭辉*，郑聚锋，李恋卿，潘根兴

（1.南京农业大学农业资源与生态环境研究所，南京 210095；2.苏州太龙生态农业发展有限公司，江苏苏州 215000）

联合国粮农组织统计数据显示，2020 年我国桃种植面积和产量均居世界第一位[1]。鲜食黄桃是我国桃产业的重要发展方向之一，其果实营养丰富、口味浓郁、耐贮运，市场需求逐年上升。然而，随着我国农业集约化的发展，目前果园普遍存在化肥使用比例偏高、有机肥投入不足的问题，不仅导致肥料利用率下降，还造成土壤酸化、板结，果实产量和品质也下降[2]。生物质炭是生物质废弃物在无氧或缺氧环境下低温热裂解制备的稳定富碳物质[3]。生物质炭结构疏松多孔，具有碱性特征，且含丰富的有机碳和养分元素。其施用到土壤中可以通过改善土壤结构来缓解土壤酸化，提高土壤养分及养分有效性，促进有益微生物定殖，为作物根系提供良好的生长环境，进而促进作物生长，提高作物产量和品质[4−5]。如葛顺峰等[6]发现，将生物质炭施用到果园土壤中可通过降低土壤容重和增加土壤保肥能力，提高苹果树对氮肥的利用率，从而促进地上部生物量的增加。在湖北宜昌，Wu 等[7]发现生物质炭施用显著缓解了土壤酸化，土壤pH中和后，土壤养分有效性、土壤微生物活性和土壤酶活性均显著提高，土壤质量大幅提升，最终改善了柑橘果实品质。Wei 等[8]则发现，施用接种假单胞菌的生物质炭显著增加了土壤有效养分含量，提高了土壤脲酶和蔗糖酶活性，土壤肥力的提升又促进了芽单胞菌、放线菌等根际促生菌的定殖，为根系提供了更好的生长环境，进而提高了葡萄单果质量、纵横径、硬度和可溶性蛋白含量。在浙江台州，Zhang 等[9]也发现，施用小麦秸秆炭后，柑橘园土壤酸碱度改善，有机质和养分含量增加，土壤细菌丰度、均匀度和多样性提高，促进了腐生真菌定殖，进而提升了柑橘的可食性、可溶性固形物含量和固酸比。刘涛等[10]发现，施用适量生物质炭（2、4 kg·m−2）可以增加桃树叶片养分，提高水蜜桃的坐果数和单株产量，但对品质无显著提升作用。张晓颖[11]通过为期1 a 的盆栽试验发现，生物质炭施用可以显著增加连作土中有机质、速效钾含量，显著提高土壤pH 值和胞外酶活性，促进毛桃幼苗对养分的吸收，缓解连作障碍。而Sorren⁃ti 等[12]的盆栽试验则发现生物质炭施用（16.4 g·kg−1）降低了油桃根系的存活率，对土壤性质和地上部生长无显著影响。

生物质炭的性质主要受制备原料和热裂解温度的影响，相同热裂解条件下，以不同原料生产的生物质炭在理化性质上有较大差异[13−14]。目前，不同原料生物质炭施用对桃园土壤肥力和桃产量及品质的研究尚鲜有报道。因此，本研究以黄桃为研究对象，选取3 种常见农林废弃物制备的生物质炭，通过田间试验研究其对桃产量及品质、不同时期植株养分含量、成熟期土壤理化性质和土壤胞外酶活性的影响，探究不同原料生物质炭对桃园土壤肥力提升与桃产量和品质改善的潜力，为优化生物质炭在我国长江中下游地区桃园合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江苏省苏州市相城区迎湖村后薛巷（31°42′N，120°43′E）。该地区属亚热带季风气候，年均降雨量1 100 mm，年平均气温16 ℃，年平均相对湿度76%，年无霜期300 d。供试树种为“锦绣”黄桃，树龄3 a，株行距为3.8 m×3.8 m，面积约700 m2。土壤类型为水稻土，后改种桃树，土壤质地为粉砂质黏壤土（表1）。

1.2 试验设计

试验共设置4个处理，包括常规施肥对照（CK）及施用水稻秸秆生物质炭（RB）、小麦秸秆生物质炭（WB）和杉木生物质炭（FB）处理。常规施肥处理：每株基施2.5 kg 商品有机肥、0.2 kg 尿素，追施0.4 kg 复合肥。生物质炭处理：在常规施肥基础上每株基施11.7 kg（以干基计）生物质炭，生物质炭施用量折合20 t·hm−2。基肥于2020 年11 月30 日施用，沿树冠滴水线处挖施肥沟，均匀施入肥料和生物质炭后，用土覆盖。2021 年6 月12 日追施复合肥。选取桃树长势一致的6 个连排小区，每个小区随机排列4 株不同施肥处理的桃树，1株树为一个重复，共6个重复。桃树生长期间各施肥处理农艺措施相同。商品有机肥由江苏立华生物肥料有限公司生产，pH 为6.51，总养分含量（N+P2O5+K2O）≥5%，有机质含量≥45%；尿素N≥46%；复合肥N、P2O5、K2O 比例为17∶17∶17。本试验所用生物质炭购自南京勤丰秸秆科技有限公司，由水稻秸秆、小麦秸秆和杉木枝条在厌氧条件下热裂解（550 ℃）制得，其基础理化性质见表2。

表1 供试土壤基础理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of the experimental soils

1.3 样品采集与指标测定

1.3.1 生物质炭理化性质

按照柯贤林等[13]的方法测定生物质炭基本性质及养分含量。采用比表面积和孔径分析仪（麦克ASAP2460）测定生物质炭比表面积；按照炭水比1∶20（m/V）制备悬液，浸提后使用pH 计（FE28，Five Easy Plus）测定生物质炭pH 值（水浸提）；采用重铬酸钾容量法测定有机碳含量；浓硫酸消解制备待测液，采用流动分析仪（Seal AA3）测定生物质炭中氮含量，ICP−OES（Agilent 710）测定磷和钾含量。

1.3.2 土壤理化性质及酶活性

土壤样品采集于2021 年8 月1 日（成熟期），清除地面枯枝落叶后，在施肥沟内侧区域用土钻采集0～20 cm 深度的土壤。土样一部分于室内自然风干，研磨分别过20 目和100 目筛，用于土壤理化性质测定；另一部分鲜土过筛混匀，保存于4 ℃冰箱用于土壤胞外酶活性、铵态氮和硝态氮的测定。

采用三氯化六氨合钴浸提−分光光度法测定土壤阳离子交换量；根据鲍士旦[15]的方法测定其余土壤理化指标：用pH 计测定（称取10 g 土，水土质量比2.5∶1）pH 值；用环刀法测定土壤容重；采用外加热重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量；采用2 mol·L−1氯化钾溶液浸提土壤，流动分析仪（型号Seal AA3）测定土壤铵态氮及硝态氮含量；采用半微量凯氏法测定全氮含量（浓硫酸消煮，流动分析仪测定）；采用0.5 mol·L−1碳酸氢钠溶液浸提，钼锑抗比色法测定有效磷含量；采用2 mol·L−1硝酸浸提，火焰光度计测定速效钾含量。

土壤酶活性测定[16]：称取2.4 g 新鲜土样，放入离心管中，加入7 mL 缓冲液和8～10 粒小玻璃珠过夜。第2 天将离心管中土壤样品漩涡分散均匀（30 s）后，全部转移至烧杯中，再加入缓冲液使烧杯中缓冲液体积为300 mL，在磁力搅拌器上搅拌1 min 以上使其充分混匀。用多通道移液器将土壤样品悬浊液（200µL）、标准物（200µL）和相应底物（200µL）依次加入到黑底96 微孔板中，培养3 h 后，使用多功能酶标仪（Scientific Fluoroskan Ascent FL，Thermo）在激发波长为365 nm、发射波长为450 nm 的条件下检测荧光，测定α−葡糖苷酶、β−葡糖苷酶、纤维二糖水解酶、木糖苷酶、β−N−乙酰氨基葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶的活性。

1.3.3 植株养分含量测定

于2021 年5 月13 日（膨大一期，P1）、6 月17 日（硬核期，P2）、7月16日（膨大二期，P3）和8月1日（成熟期，P4）4 个生育时期分别采集叶片和果实样品。每株树按东、西、南、北4 个方向采集新梢中部叶片8片、果实4 个用于养分含量测定。植株样品用去离子水洗净，105 ℃杀青30 min，在70 ℃下烘干至恒质量。干样粉碎后用浓硫酸−过氧化氢消煮，流动分析仪测定全氮含量；用浓硝酸−高氯酸消煮，ICP−OES法测定全磷、全钾含量。

表2 供试生物质炭基本理化性质Table 2 Physicochemical properties of the biochar

1.3.4 产量和品质

于2021 年8 月2 日（果实成熟期）测定桃产量。将每株无机械损伤、无病虫害的果实全部摘下并称总质量，计桃产量。在每株树东、南、西、北4 个方位采集4 个黄桃，每个处理共24 个黄桃，测定黄桃品质。单果质量用百分之一天平称取，纵、横径用游标卡尺测定；可溶性固形物采用电子折光仪（PAL−1型）测定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定；可滴定酸含量采用氢氧化钠滴定法测定[17]；果形指数计算公式如下：

1.4 数据处理与分析

参照叶少萍等[18]的方法，基于主成分分析对土壤肥力进行综合评价。由于需要选取多种指标数据进行综合分析，而土壤肥力指标在单位和数量级上存在差异，因此通过下列公式将评价土壤肥力所选指标的测定值归一化为0～1间的无量纲值，用于后续进行多指标的主成分分析及综合评价：

式中：U为函数的上限值，本研究选取每一个测定指标中的最大值；L为函数的下限值，选取每一测定指标中的最小值；X为测定值。

综合考虑所有土壤指标，酸性磷酸酶用戒下型函数进行标准化，其余指标采用戒上型函数进行标准化。对标准化后的数据集进行主成分分析，以各项独立公因子方差除以全部公因子方差得到各项指标权重，最后用下列公式进行各项指标的权重数值及其对应标准归一化数据的计算，获得土壤肥力的综合评价指数：

式中：Wi为各项指标权重；Si为各项指标的归一化数值；n为所选数据集中指标的个数。

采用Excel 2013 和Origin 2018 进行数据整理和绘图，采用SPSS 25.0进行主成分分析和方差分析。数据经方差齐性检验后，处理间差异显著性分析采用单因素方差分析（LSD检验，P<0.05）。采用Pearson相关系数表征地上部生长状况与土壤肥力间的相关性。

2 结果与分析

2.1 黄桃产量及品质

由表3 可知，WB 处理较常规施肥单果质量显著降低了12.7%，可滴定酸含量显著降低了13.8%；在对产量和其他品质的影响上，生物质炭处理和常规施肥没有显著差异。

表3 不同生物质炭处理对桃产量和品质的影响Table 3 Effects of different biochar on peach yield and quality

2.2 叶片和果实养分含量

图1 为不同生长时期叶片和果实养分含量。不同生物质炭处理对各个时期叶片氮含量无显著影响，而在P1 时期，FB 处理果实氮含量较CK 显著提高7.0%，RB 处理果实氮含量在P2 时期较CK 显著降低8.3%，其他时期各处理果实氮含量无显著差异。FB处理叶片磷含量在P3 时期较CK 显著提高26.1%，在其他时期各处理无显著差异；WB和FB处理果实磷含量在P1 时期较CK 分别显著提高6.5%和7.8%，FB 处理在P4 时期较CK 显著提高30.3%，各处理果实磷含量在P2 和P3 时期无显著变化。施用生物质炭在P1～P3时期对叶片钾含量无显著影响，但WB和FB处理叶片钾含量在P4 时期较CK 分别显著提高34.7%和27.5%；与叶片钾含量变化不同，WB 处理果实钾含量在P1 时期和P2 时期较CK 分别显著提高7.7%和7.5%，P3 和P4 时期各处理间果实钾含量无显著差异。总体上，WB和FB处理促进了地上部对养分的吸收，WB 处理显著提升了部分生育时期叶片钾含量和果实磷、钾含量，FB 处理则显著提升了部分生育时期叶片磷、钾含量和果实氮、磷含量。

图1 不同生物质炭处理对叶片及果实中氮、磷、钾含量的影响Figure 1 Effects of different biochar on N、P、K contents in leaves and fruits

2.3 桃园土壤理化性质

不同生物质炭处理对土壤性质的影响程度各异。由表4 可知，WB 较CK 处理土壤pH 显著提高了6.7%，而其余处理则无显著差异。WB 处理较CK 处理显著提高了土壤阳离子交换量，增幅为15.4%。RB、WB、FB 处理较CK 处理均显著提高了土壤有机质含量，增幅分别为29.5%、19.9% 和21.6%。WB 处理土壤全氮含量较CK 处理显著提高了17.6%。生物质炭处理土壤铵态氮、硝态氮和有效磷含量均显著低于CK 处理。各处理土壤速效钾含量无显著差异。

表4 不同生物质炭处理对土壤理化性质的影响Table 4 Effects of different biochar treatments on soil physicochemical properties

2.4 桃园土壤胞外酶活性

表5 为不同处理下的土壤酶活性，生物质炭处理下土壤归一化酶活性均显著高于CK 处理，增幅为80.0%～96.0%。WB 和FB 处理土壤α−葡糖苷酶活性较CK 处理分别显著提高了224.7%和375.8%。与CK 相比，RB、WB 和FB 处理土壤β−葡糖苷酶活性分别提高了50.5%、42.1%和50.2%，纤维二糖水解酶活性分别提高了165.4%、187.2%和171.3%。RB和WB 处理较CK 处理显著提高了土壤木糖苷酶和β−N−乙酰氨基葡萄糖苷酶活性，RB 处理分别提高了119.8% 和77.6%，WB 处理分别提高了183.5% 和44.8%。土壤酸性磷酸酶活性在RB 和FB 处理下较CK处理分别显著提高了34.5%和30.8%。

表5 不同生物质炭处理对土壤酶活性的影响（nmol·g−1·h−1）Table 5 Effects of different biochar on soil enzyme activities（nmol·g−1·h−1）

2.5 地上部生长和果实品质与土壤肥力关系

相关性分析（表6）显示，不同处理下桃产量、单果质量、可溶性固形物、糖酸比、叶片氮含量变化与土壤各肥力指标及酶活性均无显著相关性。果实可溶性糖含量与α−葡糖苷酶活性呈极显著负相关，可滴定酸含量与土壤全氮含量呈显著负相关。叶片磷和土壤速效钾含量呈显著正相关；叶片钾含量与α−葡糖苷酶和木糖苷酶活性呈显著正相关，而与土壤铵态氮含量呈显著负相关；果实氮含量和土壤有效磷含量呈显著负相关，而与α−葡糖苷酶活性呈显著正相关；果实磷和土壤铵态氮、硝态氮和有效磷含量呈显著负相关，而与α−葡糖苷酶和纤维二糖水解酶活性呈显著正相关；果实钾含量与木糖苷酶活性呈显著正相关。土壤有效氮、磷的减少与叶、果氮含量及果实磷含量的增加密切相关。

表6 土壤养分、酶活性与叶、果养分及果实品质之间相关性Table 6 Correlations between soil nutrients，enzyme activities，leaf and fruit nutrients and fruit qualities

2.6 土壤肥力综合评价

各处理土壤肥力指数从高到底依次为小麦秸秆炭处理（0.53）>水稻秸秆炭处理（0.50）>杉木炭处理（0.49）>常规施肥处理（0.45），不同生物质炭处理对土壤肥力的影响程度不同，RB 和FB 处理对土壤肥力无显著影响，而WB 处理较CK 处理显著提高了土壤肥力（图2）。

图2 不同生物质炭处理土壤综合肥力指标变化Figure 2 Changes of the comprehensive evaluation of soil fertility under different biochar treatments

3 讨论

本研究发现施用生物质炭改善了土壤肥力，尤其提高了土壤酶活性，与前人研究结果[7−8]类似。土壤肥力提升不同程度影响黄桃果实养分吸收和品质，但短期内对桃产量无显著影响。

3.1 生物质炭施用对土壤肥力的影响

生物炭是一种孔隙结构丰富的富碳物质，因其特殊的理化性质，施入土壤后可以改变养分有效性，影响土壤肥力。张良英等[19]研究发现鸡粪配施草炭显著提高了桃园土壤有机质、有效磷和速效钾等养分含量。而本研究结果显示，配施生物质炭处理土壤有机质含量较对照显著提高，而土壤铵态氮、硝态氮和有效磷含量较对照显著降低。土壤有机质是指示土壤肥力的重要指标，以往研究认为生物质炭施用提升土壤有机质含量的主要原因在于其本身含有大量的惰性碳成分，这些惰性碳成分可以有效地对农田生态系统起到固碳效果，而且可以维持几十年甚至几百年[20]。而土壤有效氮的降低则与Nguyen 等[21]通过荟萃分析（多数研究为短期试验）得出的结果一致，生物质炭的高C/N 特性及带入的活性物质会引起微生物对土壤矿质氮的固定，降低氮素有效性。在对土壤磷有效性的影响上，相关研究发现，酸性土壤中生物质炭施用对土壤磷有效性的影响与土壤磷肥水平密切相关[22]。在磷肥充足时，生物质炭土壤对磷素的吸附作用显著，会降低有效磷含量，而当土壤磷肥较少时，生物质炭吸附的磷则会解吸出来，提高土壤有效磷含量。桃树对磷肥的需求较低，桃园土壤有效磷含量处于较高水平，生物质炭的吸附作用可能是有效磷降低的主导因素。此外，本研究结果显示成熟期生物质炭处理叶片、果实中氮含量和果实中的磷含量相比CK处理均有所增加（图1），这可能是因为生物质炭的施用可以改善土壤结构，促进根系穿插生长，从而提高了树体的养分吸收能力[19，23]。而地上部养分的提高也会导致土壤残留养分的降低。相关性分析（表6）结果也显示，叶片、果实中氮含量与土壤有效氮含量呈负相关，果实磷含量与土壤有效磷含量呈极显著负相关。

3.2 生物质炭施用对土壤酶活性的影响

土壤胞外酶活性与土壤肥力密切相关，本研究中α−葡糖苷酶、β−葡糖苷酶、纤维二糖水解酶和木聚糖苷酶与土壤碳循环相关，β−N−乙酰氨基葡萄糖苷酶与土壤氮循环相关，酸性磷酸酶与土壤磷循环相关。一般认为，生物质炭施用主要通过生物因素影响土壤酶活性。张莉等[24]的研究显示，尿素混合生物质炭穴施显著提高了土壤中与碳、氮、磷相关的酶活性，并且认为生物质炭含有的可利用碳源和氮源是促进微生物繁殖、提高胞外酶活性的重要因素。除提供能源物质外，生物质炭丰富的孔隙结构为微生物提供的良好微生境也可以促进微生物的繁殖，进而提高土壤酶活性[25]。还有研究认为新鲜生物质炭中含有的促微生物活性物质是生物质炭施用影响土壤酶活的主要因素[26]。本研究结果表明，各生物质炭施用处理均提高了土壤胞外酶活性，说明本研究选取的几种生物质炭均可促进土壤碳、氮、磷循环，对土壤肥力的提升有积极作用。基于主成分分析的土壤综合肥力评价结果（图2）也显示生物质炭施用均提升了土壤综合肥力指数，且以WB 处理的提升最为显著，与归一化酶结果一致。这说明生物质炭施用均提升了土壤肥力，其中常规施肥配施20 t·hm−2小麦秸秆生物质炭为提高桃园土壤肥力的最佳处理。

3.3 生物质炭施用对桃产量和品质的影响

本研究中生物质炭施用并未显著提高桃产量，且FB 处理下桃产量有所下降，其原因可能是生物质炭施用导致土壤C/N 提高，微生物同化氮素量提升，与作物竞争氮素的吸收，不利于产量的增加[21]。FB 处理较CK 产量有所下降可能与杉木炭较高的C/N 有关。本研究中，生物质炭处理土壤铵态氮、硝态氮含量低于对照，且成熟期叶片、果实氮含量相较对照无显著提高也验证了这一点。此外，在田间试验中，生物质炭施用后在接下来的数年内对作物的影响不同。Major 等[27]在玉米地4 a 单施生物质炭的研究结果显示，第1年玉米产量无显著提高，但是在第2、3年和第4年的产量分别比对照提高了28%、30%和140%。本试验开展时间较短，生物质炭施用对黄桃产量的影响还有待进一步观察。桃品质主要与果实中氮、钾含量相关，土壤中充足的有效氮有利于果实中总糖含量的增加，钾素在植物体内能激活各种酶活性，在促进果实成熟、提高果实品质方面起着极其重要的作用[28−29]。许多关于钾营养对油桃品质影响的研究结果显示，在一定范围内，随着钾肥施用量的提升，油桃的可溶性固形物、可溶性糖、可滴定酸和糖酸比等内在品质均有所改善[30−31]。而在本研究中，生物质炭施用对果实品质的影响较小，可能是因为生物质炭施用后成熟期果实氮、钾含量的提升较小（图1），均未达显著水平（P>0.05）。WB处理显著降低可滴定酸含量则是因为在该处理下果实钾含量的升幅最高，且在膨大一期和膨大二期显著高于CK 处理。而WB 处理下黄桃单果质量下降可能是由于小麦秸秆炭施用降低了土壤部分微量元素的有效性。相关研究认为生物质炭施入可使土壤pH提高，会引起微量元素缺乏症，从而影响作物正常生长[32]，而WB 处理下土壤pH 的提高最为显著。