有机肥与生物炭对小白菜光合作用及硝酸盐积累的影响

吴 瑕，周浩楠，刘德阳，胡艺琛，王 鹏

[黑龙江八一农垦大学a.园艺园林学院,b.农业农村部农产品加工质量监督检验检测中心(大庆)博士后工作站，c.农学院，黑龙江大庆 163319]

小白菜[Brassica campestrisL.ssp.chinensis Makino(var.communis Tse.net Lee)]属于十字花科芸薹属，是我国种植较为广泛的叶菜类蔬菜，成熟后茎叶均可进食，一、二年生草本植物，作一年生栽培，高25～30 cm，小白菜喜温暖湿润环境，它为含维生素和矿物质最丰富的蔬菜之一[1]。许多研究表明施用有机肥和生物炭能够提高光合作用及产量[2]。因此，有机肥和生物炭应用于白菜生产提高产量和品质越来越受到人们的关注。

施入土壤中肥料可以通过影响植株的光合作用等改变植物产量和品质。研究表明，添加生物炭能够提高紫花苜蓿的光合效率，促进植株生长，缓解干旱胁迫[3]。施用有机肥可明显提升玉米的光合作用和功能叶SPAD 值，且以替代比例为60%时促进玉米生长效果较好[4]。植株不同生育期间，光合作用指标变化趋势不尽相同[5]，有机肥和生物炭对小白菜养分积累量及干物质积累量均有提高[6]。不同密度下增施有机肥有利于夏玉米后期光合产物的积累，提高植株产量[7]。前人研究多采用有机肥和生物炭，并且以农田施用为主，在温室蔬菜生产中应用研究较少[8]。有机肥和生物炭配合使用会减少养分淋失，提高肥料的利用率，促进小白菜增产[9]。随着施用生物炭浓度增加，土壤容重逐渐降低，土壤质量改善，施用量越高其效果越明显[10]。磷是影响小白菜光合作用碳同化不可以缺少的矿质元素[11]。有机肥或生物炭处理，提高小白菜地上部分氮磷养分吸收而提高产量，利于小白菜品质改善[12]。蔬菜中硝酸盐含量是品质的主要决定因子[13]，施用有机肥量高对降低小白菜硝酸盐含量有改善的作用，尤其是增施有机肥和钾肥[14]。硝酸还原酶在硝酸盐的同化作用中扮演着重要角色，施用有机肥或生物炭改善土壤温度、pH值等因素而影响硝酸还原酶活性[15]。有机肥和生物炭提高大田粮食作物产量已经在很多研究中有所报道[16]。

前人对部分有机肥替代化肥和生物炭配施对蔬菜品质的相关研究较多，关于生物炭和有机肥添加对蔬菜光合作用、硝酸盐含量及硝酸还原酶活性的影响鲜见报道。本试验研究部分有机肥和生物炭添加对小白菜光合作用及硝酸盐积累的影响，明确在不同的生长周期小白菜光合指标、生长指标及硝酸盐含量的影响，为小白菜的无公害生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验土壤为黑龙江八一农垦大学园艺学院试验基地内土壤。土壤的基本理化指标：碱解氮156 mg·kg-1、速效磷14.99 mg·kg-1、速效钾100 mg·kg-1、有机质3.78%、pH值7.83。供试小白菜品种：黄玫瑰小白菜。供试生物炭采购于安徽祥正生物炭有限公司，基本理化性质：pH 值8.54，含碳（C）44.06%、氮（N）1.53%、磷（P）0.78%、钾（K）1.68%。有机肥采购于苏州某有机肥公司，有机肥的养分参数为：N 3%、P2O53%、K2O 3%、有机质45%、pH值8.00。

1.2 方法

试验于2020年8-10月在黑龙江八一农垦大学塑料大棚内进行，采用盆栽方法，试验共设置3个处理，以常规施肥为对照（CK），设50%有机肥代替化肥处理（O）和常规施肥加3%生物炭处理（C）。氮肥选用尿素（N 含量为46%），磷肥选用重过磷酸钙（P2O5含量为46%），钾肥选用硫酸钾（K2O 含量为50%），每处理种植30 盆，共种植90 盆，施肥配比见表1。各个处理按比例与土混匀装入塑料盆（24 cm×21 cm）中，每盆装土3.0 kg。采用完全随机排列设计，小白菜每盆播种10 粒种子，苗高2 cm 进行第1 次间苗，每盆留4 株生长一致的幼苗，莲座期第2 次间苗，每盆留1 株生长健壮的幼苗，于小白菜生长的第28 天（莲座期）、第42 天（抱心期）及第56 天（采收期）时分别采集小白菜植株和土壤样品。小白菜植株洗净擦干叶片水分后称重，叶片用于硝酸还原酶活性和硝酸盐含量测定。小白菜叶片105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干后测定干重。土壤样品过1 mm 筛后风干保存，用于测定养分指标。

表1 试验处理Table 1 Experimental treatment

1.3 测定项目与方法

于小白菜出苗后28，42，56 d时取样测定小白菜株高、根长，并用天平测定鲜重，105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒重称量干重。小白菜出苗后28，42，56 d时在自然光照下用美国LI-COR产LI-6400 便携式光合仪测定光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）等指标[17]。采用氨基苯磺酸比色法[18]测定硝酸还原酶活性。于小白菜出苗后28，42，56 d时取盆栽新鲜土样，风干后过1 mm 孔径筛，采用重铬酸钾外加热法[19]测定土壤有机质含量；采用碱解扩散法[19]测定土壤碱解氮含量；土壤速效磷含量采用乙酸铵浸提，火焰光度法[19]测定土壤速效钾含量；按水土比5∶1 混合后，采用pH计测量土壤pH值，采用电导率仪测定EC值[19]。

1.4 数据分析方法

使用EXCEL 2010 软件进行试验数据处理及图表制作，采用SPSS 19.0（IBM，2010）进行统计分析，方差分析使用ANOVA (Duncan's 新复极差法，p＜0.05)[20]。

2 结果与分析

2.1 有机肥和生物炭对小白菜株高和根长的影响

试验结果显示，随着小白菜生长株高和根长逐渐增加，生长28 d和42 d时，各施肥处理小白菜株高和根长差异不显著，56 d 时，有机肥处理小白菜株高和根长显著高于常规施肥的对照，生物炭处理较常规施肥的小白菜根长显著增加，株高增加不显著（图1）。

图1 有机肥和生物炭对小白菜株高（A）和根长（B）的影响Figure 1 Effects of organic fertilizer and biochar on plant height (A) and root length (B) of Chinese cabbage

2.2 有机肥和生物炭对小白菜气孔导度及胞间二氧化碳浓度的影响

胞间二氧化碳浓度是指细胞内二氧化碳水平，气孔导度是指植物叶片中气孔的开放程度，他们共同影响着光合作用和呼吸作用。气孔导度和胞间二氧化碳浓度升高，能够增加光合效率，气孔导度升高也会增加叶片的蒸腾速率，改善水分平衡。不同处理的小白菜气孔导度随着小白菜生长整体呈现先升高后降低的趋势，在28 d时，有机肥处理小白菜气孔导度显著高于常规施肥对照，生物炭处理气孔导度显著低于常规施肥对照。在42 d 时，有机肥和生物炭处理小白菜的气孔导度均显著低于对照。在56 d 时，有机肥处理小白菜气孔导度显著高于对照和生物炭处理（图2A）。随着小白菜生长各处理叶片胞间二氧化碳呈现升高并趋于稳定的变化趋势，28 d 时，各处理间胞间二氧化碳差异不显著。生长42 d 时，有机肥和生物炭处理胞间二氧化碳浓度均低于对照，有机肥处理达到显著水平。56 d时，有机肥和生物炭处理胞间二氧化碳浓度均显著低于对照（图2B）。

图2 有机肥和生物炭对小白菜气孔导度（A）及胞间二氧化碳浓度（B）的影响Figure 2 Effects of organic fertilizer and biochar on stomatal conductance (A) and intercellular carbon dioxide concentration (B) of Chinese cabbage

2.3 有机肥和生物炭对小白菜光合速率及蒸腾速率的影响

由图3A 可知，小白菜的蒸腾速率呈现先增高后降低的趋势。生长28 d 时，小白菜蒸腾速率两处理与对照比差异不显著。42 d 时，3 个处理小白菜的蒸腾速率明显上升，生物炭处理显著高于有机肥处理，两处理均显著高于对照。56 d 时，3 个处理小白菜的蒸腾速率明显下降，且处理间差异不显著。由图3B 可知，随着小白菜的生长光合速率呈现先上升后下降的趋势。28 d时，有机肥光合速率显著高于对照，生物炭光合速率显著低于对照。42 d时，有机肥显著高于对照和生物炭处理。56 d时，各处理间光合速率差异不显著。在生长前期和中期，有机肥光合速率有显著提升，生长后期各处理光合速率趋于稳定，处理间差异不显著。

图3 有机肥和生物炭对小白菜蒸腾速率（A）和光合速率（B）的影响Figure 3 Effects of organic fertilizer and biochar on transpiration rate (A) and photosynthetic rate (B) of Chinese cabbage

2.4 有机肥和生物炭对小白菜鲜、干重的影响

随着小白菜生长，地上和地下鲜重呈现增加趋势，在28 d和42 d时，各处理间地上鲜重和地下鲜重差异均不显著。生长56 d 时，有机肥处理的小白菜地上鲜重显著高于生物炭处理，且两个处理均显著高于对照（图4A）。有机肥处理的小白菜地下鲜重显著高于对照，生物炭处理地下鲜重居中，与两处理均未达到显著水平（图4B）。随着小白菜生长地上和地下鲜重呈现增加趋势，28 d 和42 d 时，各处理间地上干重和地下干重差异均不显著。生长56 d 时，有机肥处理的小白菜地上干重和地下干重显著高于生物炭处理，且两个处理均显著高于对照（图5）。

图4 有机肥和生物炭对小白菜地上鲜重（A）和地下鲜重(B)的影响Figure 4 Effects of organic fertilizer and biochar on shoot (A) and root fresh weight (B) of Chinese cabbage

图5 有机肥和生物炭对小白菜地上干重（A）和地下部干重（B）的影响Figure 5 The Effect of organic fertilizer and biochar on the shoot (A) and root dry weight (B)of Chinese cabbage

2.5 有机肥和生物炭对小白菜硝酸还原酶及硝酸盐含量的影响

随着小白菜的生长，叶片中硝酸盐含量呈逐渐降低的变化趋势。在小白菜生长28 d 时，各处理间小白菜叶片硝酸盐含量差异不显著。生长42 d 和56 d 时，小白菜叶片中硝酸盐含量各处理间差异显著，有机肥和生物炭处理均显著低于对照（图6A）。随着小白菜的生长，叶片硝酸还原酶活性呈现不断升高的趋势变化。在小白菜生长28 d 时，各处理间小白菜叶片硝酸还原酶活性差异显著。有机肥处理显著高于生物炭处理，两处理均显著高于对照。生长42 d时，有机肥处理显著高于对照，生物炭处理小白菜叶片硝酸还原酶活性居中，与两处理差异不显著。生长56 d 时，有机肥处理和生物炭处理小白菜叶片硝酸还原酶活性均显著高于对照，两个处理间差异不显著（图6B）。

图6 有机肥和生物炭对小白菜硝酸盐含量（A）和硝酸还原酶活性（B）的影响Figure 6 Effects of organic fertilizer and biochar on nitrate (A) and nitrate reductase (B) in Chinese Cabbage

2.6 有机肥和生物炭对小白菜根际土壤有机质和速效钾含量的影响

随着小白菜的生长，根际土壤中有机质含量呈缓慢下降的趋势，有机肥替代化肥和生物炭处理均一定程度增加了土壤中有机质含量。在小白菜生长第28 d 时，有机肥处理显著高于常规施肥对照，生物炭处理有机质含量升高，但与对照比差异不显著。生长42 d 和56 d 时，有机肥和生物炭处理土壤中有机质含量均显著高于对照，两个处理间差异不显著（图7A）。随着小白菜的生长，根际土壤中速效钾含量呈缓慢下降的趋势，有机肥替代化肥和生物炭处理均一定程度增加了土壤中速效钾含量。在小白菜生长第28 d和42 d时，有机肥处理显著高于常规施肥对照，加入生物炭土壤速效钾含量有一定程度的升高，但与对照比差异不显著。生长56 d时，有机肥和生物炭处理土壤中有机质含量均显著高于对照，两个处理间差异不显著（图7B）。

图7 有机肥和生物炭对小白菜根际土壤有机质（A）和速效钾含量（B）的影响Figure 7 Effects of organic fertilizer and biochar on the content of organic matter (A) and available potassium (B) in the rhizosphere soil of Chinese cabbage

2.7 有机肥和生物炭对小白菜根际土壤碱解氮和速效磷含量的影响

随着小白菜的生长，根际土壤中碱解氮含量呈缓慢下降的趋势，有机肥替代化肥和生物炭处理均一定程度增加了土壤中碱解氮含量。在小白菜生长第28 d时，有机肥和生物炭处理土壤中碱解氮含量与常规施肥比有一定升高，但差异不显著。生长42 d时，有机肥和生物炭处理土壤中碱解氮含量均显著高于对照。生长56 d时，有机肥土壤中碱解氮含量显著高于对照，生物炭处理土壤中碱解氮含量高于对照，但差异不显著（图8A）。随着小白菜的生长根际土壤中速效磷含量呈现缓慢下降的趋势变化，有机肥替代化肥和生物炭处理均一定程度增加了土壤中速效磷含量。生长28 d时，两处理土壤速效磷含量有一定程度的升高，但与对照比差异均不显著。生长42 d时，有机肥处理显著高于常规施肥对照，加入生物炭土壤速效磷含量有一定程度的升高，但与对照比差异不显著。生长56 d时，有机肥和生物炭处理土壤中速效磷含量均显著高于对照，两个处理间差异不显著（图8B）。

图8 有机肥和生物炭对小白菜根际土壤碱解氮（A）和速效磷含量（B）的影响Figure 8 Effects of organic fertilizer and biochar on the content of alkali hydrolyzable nitrogen (A) and available phosphorus (B) in the rhizosphere soil of Chinese cabbage

2.8 有机肥和生物炭对小白菜根际土壤EC值和pH的影响

随着小白菜的生长，根际土壤EC 值呈现缓慢下降的趋势变化。在小白菜生长28 d和42 d时，有机肥和生物炭处理土壤EC 值均高于对照，但差异不显著。生长56 d 时，有机肥和生物炭处理土壤中EC 值均显著高于对照（图9A）。随着小白菜的生长根际土壤pH 呈现缓慢上升的趋势变化，有机肥替代化肥和生物炭处理均增加了土壤pH。生长28 d时，生物炭处理土壤pH显著高于对照。在生长42 d和56 d时，有机肥和生物炭处理土壤pH均显著高于对照，两个处理间差异不显著（图9B）。

图9 有机肥和生物炭对小白菜根际土壤EC值（A）和pH（B）的影响Figure 9 Effects of organic fertilizer and biochar on EC value (A) and pH (B)of Chinese cabbage rhizosphere soil

2.9 小白菜生长指标与土壤养分相关性分析

相关性分析数据显示，小白菜总干重与株高、根长、胞间二氧化碳呈极显著的正相关，与硝酸还原酶呈显著正相关，与速效磷和硝酸盐含量呈现极显著负相关，与碱解氮和EC值呈显著负相关。小白菜株高与根长、胞间二氧化碳呈极显著的正相关，与硝酸还原酶和土壤pH呈显著正相关，与硝酸盐含量呈现极显著负相关，与碱解氮和速效磷呈显著负相关。小白菜根长与硝酸还原酶呈极显著的正相关，与胞间二氧化碳呈显著正相关，与硝酸盐含量呈现极显著负相关，与碱解氮、速效磷和EC 值呈显著负相关。小白菜硝酸盐含量与干重、株高、根长和硝酸还原酶活性呈极显著负相关，与胞间二氧化碳和土壤pH 呈现显著负相关，与土壤速效磷呈极显著正相关，与碱解氮和EC 值呈显著正相关。小白菜干物质积累与胞间二氧化碳和硝酸还原酶呈显著正相关，与土壤速效养分指标呈显著负相关。小白菜的硝酸盐含量与胞间二氧化碳和硝酸还原酶呈显著负相关，与土壤碱解氮等养分指标呈显著正相关（表2）。

表2 小白菜生长指标与土壤养分相关性分析Table 2 Correlation analysis between growth index and nutritional quality of Chinese cabbage

3 讨论与结论

众所周知，农业生产中一味追求高产出，往往投入大量化肥，致使土壤环境质量日益恶化，这严重威胁土地生产力与农业生产的可持续发展[21]。有机肥含有大量有机质、生物菌、有机和无机营养元素，可以改善土壤物理、化学和生物学性状[22]。生物炭用量较少且营养值较低，影响土壤中的养分含量可以作为外源肥料，随着有机生物肥料的添加小白菜的试验指标有所改善[23]。研究显示，生物炭作为改良剂能显著改善土壤理化性质，与单施化肥相比，生物炭与化肥配施能增加土壤有机质、速效磷和碱解氮含量，使土壤EC 值显著提高[24]，本研究结果显示，生长56 d时，有机肥和生物炭处理显著促进了小白菜的根系生长，可能是因为有机肥和生物炭加入改善土壤容重和疏松透气性，根长和根重的增加影响了植物对氮的吸收[25]。研究表明，施用25%～50%的有机肥替代化肥，对养分的供应与甜瓜氮磷钾养分的吸收积累规律吻合，保证甜瓜营养生长期对磷钾的需要，又可促进果实膨大期后对氮素的吸收积累，进而提高甜瓜产量和品质[26]。本研究中50%有机肥替代化肥处理，生长56 d 后白菜根际土壤中碱解氮、速效磷和速效钾等养分含量显著高于对照，为白菜生长后期提供了养分供给，生物炭添加能保持较高的土壤速效氮含量，提高土壤固持氮素的有效性，促进植株对氮素的吸收利用，从而有利于维持高产[27]。因此，50%有机肥和3%生物炭施肥的白菜生物量显著高于对照的主要原因之一。

张越等[28]研究表明，有机肥处理对玉米叶片气孔导度均呈先升后降的趋势，增施有机肥能有效提升各个生育期的叶片气孔导度，与本研究结论相近。王宁宁[29]研究发现，气孔的导度，正午时期空气干燥，植物气孔关闭减弱蒸腾作用减少水分散失，以至于二氧化碳吸收量减少，影响光合作用。有机肥中氮素含量高是提高光合速率的主要因素，王帅[30]研究结果相反，通常情况下呼吸速率不变，光合速率增加产量也会随着增加。研究显示，有机肥替代部分氮肥降低了气孔导度和蒸腾速率，提高植物水分利用效率，提高了植株的光合速率[31]。本试验研究结果显示，50%有机肥处理小白菜显著降低前期气孔导度和胞间二氧化碳浓度，白菜的光合速率显著增加了，促进白菜光合产物的积累，显著提高了白菜的干鲜重。研究表明，有机肥中含有丰富的有机质，保证白菜的生长、产量和品质[32]，有机肥和生物炭对小白菜生长促进作用是土壤养分和光合作用改善的综合结果。

研究证实，蔬菜是一种易于富集硝酸盐的植物，人类摄入的80%以上的硝酸盐都来自于蔬菜[33]。植物硝酸盐含量由吸收、转运和同化能力共同决定，根系较强的硝酸盐吸收能力是造成体内硝酸盐的累积的一个重要原因[34]。硝酸还原酶是植物氮素同化代谢过程中的关键酶，在植物氮素高效利用过程中具有重要作用[35]。本试验结果表明，随着小白菜的生长硝酸盐含量呈现下降的趋势，同时小白菜叶片中硝酸含量与还原酶活性呈现极显著负相关关系，与汤亚芳[36]研究结果一致。硝酸还原酶活性受温度、pH值等因素影响，生物炭和有机肥添加后，土壤pH 升高，植株内硝酸还原酶活性显著高于对照，可能通过影响硝酸还原酶活性，从而影响叶片中硝酸盐含量[37]。研究显示，蔬菜选用铵态氮肥与有机肥料作氮源平衡施肥，有利于硝态氮和亚硝酸盐的转化，减少蔬菜中硝酸盐积累，利于提高蔬菜营养品质[38]。有机肥和生物炭处理降低了蔬菜中的硝酸盐含量，可能与土壤中微生物调控的氮转化密切相关，有待于进一步深入研究。

50%有机肥替代化肥和增施3%生物炭可以提高蒸腾速率和光合效率，通过提高光合作用促进小白菜干物质的积累。56 d时，50%有机肥替代化肥和增施3%生物炭处理小白菜根际土壤中有机质含量、碱解氮、速效磷和速效钾含量，EC值和pH等养分指标显著高于对照，为小白菜干物质积累奠定养分基础。50%有机肥替代化肥处理小白菜根长、鲜重及干重显著高于增施3%生物炭处理，两者显著高于常规施肥对照。56 d时，50%有机肥替代化肥和3%生物炭处理小白菜的硝酸盐显著低于对照，硝酸还原酶活性两处理均显著高于对照。小白菜干物质积累与胞间二氧化碳和硝酸还原酶呈显著正相关，与土壤速效养分指标呈显著负相关。小白菜的硝酸盐含量与胞间二氧化碳和硝酸还原酶呈显著负相关，与土壤碱解氮等养分指标呈显著正相关。

50%有机肥替代化肥提高白菜的净光合速率，一定程度地改善了白菜的光合作用。与常规施肥比50%有机肥替代化肥和增施3%生物炭显著增加了土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量，升高了土壤EC 值和土壤pH，促进小白菜的干物质的积累，提高了小白菜硝酸还原酶活性，从而降低小白菜中硝酸盐含量。其中50%有机肥替代化肥处理好于增施3%生物炭处理，二者均好于常规施肥对照，关于有机肥和生物炭改善土壤微生物多样性及分子生物学机理将在今后深入研究。