有机肥配施生物炭对设施番茄产量、品质及土壤养分和重金属累积的影响

张红娟　陈梦华　何珊珊　许多　孙慧敏

摘 要 为了解不同添加量下有机肥配施生物炭对设施蔬菜品质、产量及氮、磷、重金属在土壤中迁移累积的影响。以设施番茄为试验对象，设5个处理：CK（1 500 kg·hm-2生物炭）、T1（1 500 kg·hm-2生物炭+  7 500 kg·hm-2雞粪肥）、T2（1 500 kg·hm-2生物炭+15 000 kg·hm-2鸡粪肥）、T3（1 500 kg·hm-2生物炭+22 500 kg·hm-2鸡粪肥）、T4（1 500 kg·hm-2生物炭+30 000 kg·hm-2鸡粪肥），测定番茄产量，可溶性糖、维生素C、硝酸盐、可滴定酸含量及土壤样品中的硝态氮、速效磷、全Cu和Pb含量。结果发现：相对于CK，T2的番茄产量增加49.31%，可溶性糖和维生素C含量达2.275 mg·kg-1和0.219 mg·kg-1，表明T2处理能够提高番茄产量和品质；同时，T2处理降低土壤中0～100 cm土层硝态氮、速效磷以及0～30 cm土层重金属Cu和Pb的累积及迁移；T1、T3和T4加重土壤中氮磷及重金属的累积与迁移。表明设施蔬菜种植过程中有机肥与生物炭的合理配施可以减少有机肥的氮磷和重金属的污染，提高设施菜地土壤质量，保证蔬菜食品安全性。

关键词 设施番茄；鸡粪肥；生物炭；硝态氮；速效磷；重金属

中国蔬菜种植面积约为全球的52%，蔬菜总产量几乎占全球的59%[1]。为提高蔬菜产量，增加效益，常在设施蔬菜地大量施用有机肥。据调查，在中国河北和山东等省份的蔬菜主要产区，设施番茄土壤中畜禽粪肥的用量平均高达113   m3·hm-2[2-3]。然而，有机肥中含有大量的重金属和养分，大量施用有机肥不仅会造成肥料利用率低下，还会对土壤生态系统造成严重的破坏[4-5]。研究发现在深圳、珠海等地因为有机肥的过量施用，超过一半设施菜地土壤的重金属含量高于土壤安全阈值[6]。还有研究发现，在华北地区农田大量施用有机肥后，氮、磷的流失量都很高[7]。综上，长期大量施用粪肥会导致菜地土壤的氮、磷及重金属元素等含量超标，造成氮、磷和重金属的污染，降低土壤质量，影响作物产量和品质，威胁人体健康[8]。因此，探寻平衡、合理的施肥用量和方法至关重要。

将生物炭和有机肥配施，降低有机肥造成土壤氮磷、重金属污染等负面影响，已成为一种新的施肥方式和研究热点。生物炭由于其具有比表面积大、来源广、含氧官能团丰富和孔隙度高等特点，能够影响土壤中养分和重金属的形态及有效性，因此被广泛应用于土壤修复和提高肥力[9]。陈芳等[10]研究发现，在重金属污染严重的土壤中加入生物炭，降低了重金属离子在土壤溶液中的浓度，减少了重金属的生物有效性；此外，生物炭还可以吸附和固定土壤中的铵态氮和硝态氮，同时促进土壤中有机态氮的矿化，提高土壤表层速效氮的含量，使其被作物高效吸收利用，从而减少土壤氮素的淋失[11]。

但是，关于有机肥减量配施生物炭对番茄生长及土壤中养分和重金属含量的研究很少。本试验通过施用不同用量的鸡粪肥同时配施定量生物炭，探究不同施肥配比对番茄品质和产量及菜地土壤剖面硝态氮、速效磷、重金属累积及迁移的影响，以期寻找最优施肥量，降低过量施用有机肥污染土壤的风险，为肥料的合理配施、蔬菜产业的可持续发展、环境的保护和人类的健康发展提供科学建议。

1 材料与方法

1.1 试验时间及试验地概况

试验在河北省石家庄市藁城区杜村进行，土壤为粘壤质石灰性褐土，土壤的基础理化性质如表1所示。

1.2 试验材料

供试材料：番茄品种为‘金科5号（河北金科种业有限公司），于2019年8月11日定植，2020年1月6日拉秧；生物炭（石家庄市冀鲁肥业有限公司）、[N∶P2O5∶K2O=0.13%∶1.34%∶  0.09%（干基），水分含量为17.8%]。

供试肥料：有机肥为腐熟鸡粪（N∶P2O5∶K2O=1.04%∶2.16%∶2.61%（干基），水分含量为25.6%，pH为8.01，电导率为5.34   mS·cm-1，Cu含量为47.88 mg·kg-1，Pb含量为71.51   mg·kg-1，Zn含量为534.6   mg·kg-1，Cd含量为2.21 mg·kg-1）；尿素（N含量46%）；磷酸铵（N含量12%，P2O5含量60%）；硫酸钾（K2O含量50%）。

1.3 试验方法

共设5个处理：CK（1 500 kg·hm-2生物炭）为不施有机肥处理，T1（1 500 kg·hm-2生物炭+7 500 kg·hm-2鸡粪肥）、T2（1 500   kg·hm-2生物炭+15 000 kg·hm-2鸡粪肥）、T3  （1 500 kg·hm-2生物炭+22 500 kg·hm-2鸡粪肥）、T4（1 500 kg·hm-2生物炭+30 000 kg·hm-2鸡粪肥）处理有机肥施用量分别为常规施肥量的25%、50%、75%、100%，常规施肥量根据当地农户调查得出。每个处理分别追施尿素456.6 kg·hm-2、磷酸铵159.6 kg·hm-2和硫酸钾817.5 kg·hm-2，各处理施肥量见表2。每处理设3个小区，随机排列，每个小区面积为60 m2（长10 m×宽6.0 m）。栽培方式为高垄栽培，畦宽1 m，畦间距0.35 m，每畦栽2行，行间距  0.75 m，植株间距为35 cm。各处理的鸡粪肥和生物炭于番茄定植前作基肥一次性施入，用旋耕机翻耕与土壤混匀，施肥深度约为0～15 cm。化肥从开花期开始随灌水追施，按处理先将化肥溶于水中再进行沟灌，整个生育期追施5次。

1.4 样品采集及测定

采样：分别在施肥后（2019年8月9日）、盛果期（2019年10月15日）和拉秧期（2020年1月6日）每隔10 cm分层采集100 cm深度土样，测定0～100 cm土层土壤速效养分含量以及0～30 cm土层土壤重金属含量；在盛果期采集番茄果实，测定相关指标，产量是根据不同小区的番茄分批采收后，统计采收的总量。

番茄样品的测定[12-13]：果实硝酸盐含量采用浓H2SO4-水杨酸法测定，维生素C含量采用2-4氯靛酚法测定，可溶性糖含量用蒽酮比色法测定，可滴定酸的测定采用NaOH滴定法。

土壤样品的测定[14]：硝态氮通过1 mol·L-1 KCl浸提，用流动分析仪进行测定；速效磷用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提，通过钼锑抗比色法测定；重金属Cu、Pb含量采用盐酸-硫酸-高氯酸消解，火焰石墨炉原子吸收光谱仪（Z2000，日本日立仪器有限公司）测定，测定过程中采用标准物质控制数据的准确性。

1.5 数据处理及分析

应用Microsoft Excel 2019进行数据统计与作图，采用SAS 9.4软件进行数据处理与差异显著性分析，不同处理之间的多重比较采用LSD最小显著差异法，图表中的不同字母表示差异显著（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥施用量对番茄品质及产量的影响

2.1.1 对番茄产量的影响 如图1所示，所有施肥处理间的番茄产量均显著高于对照组，相比仅施生物炭处理的总产量增长32.51～  49.31%。然而，过量施肥并不会持续增加产量，番茄的产量随着有机肥施用量的增加呈现先增加后减少的趋势。总的来说，T2处理的番茄产量比CK和T4处理显著增高；相较于T1和T3处理，T2处理的番茄产量略微增加，约为106.36   t·hm-2。

2.1.2 对番茄品质的影响 由表3可知，番茄的可溶性糖和维生素C含量为T2 > T3 > T4 > T1 > CK，可溶性糖含量显著高于CK，T2处理的可溶性糖含量最高，达到2.275 mg·kg-1； T2处理的维生素C含量显著增高，约为CK的2.61倍；硝酸盐含量随着有机肥施用量的增加而增加，T2、T3和T4处理显著高于对照；不同处理间的可滴定酸含量没有显著差异，T2处理的可滴定酸含量最低；T2处理的糖酸比最高，显著高于CK，与T1、T3和T4处理差异不显著。

2.2 不同有机肥施用量对土壤速效养分的影响

2.2.1 对硝态氮的影响 土壤剖面中硝态氮的含量在很大程度上直接反映土壤中氮素的供应强度及其迁移情况。如图2-a所示，表层土壤硝态氮含量随着有机肥的增加而增加，各处理的硝态氮含量基本随着土层加深降低后又增加，在50 cm处达到最低。盛果期土壤的硝态氮含量如图2-b所示，在0～70 cm土层，T4处理的硝态氮含量显著高于CK和其他处理，除T4处理外，其他处理均为40～60 mg·kg-1，T4处理在60 cm处硝态氮含量为 84 mg·kg-1。总体来看，在0～100 cm土层，T1、T2和T3处理的土壤硝态氮含量相对于施肥后降低，在60 cm以下土层，T2处理的硝态氮含量相较于其他处理呈稳定降低趋势，在90～100 cm深处达到最低，显著低于其他处理。由图2-c可看出，拉秧期各处理相对于施肥后和盛果期，表层硝态氮含量明显降低，但T4处理硝态氮含量在土壤浅层降低，在深层有明显的增加趋势；总体来看，硝态氮含量不稳定，T2处理相对于其他处理，随着土层的加深变幅较小，在较深的土层中，T2处理的硝态氮含量较低。结果显示，T2处理可以降低硝态氮累积和迁移的风险，而T4处理促进土壤硝态氮的淋溶作用，容易对脆弱的设施菜地土壤体系产生次生盐渍化污染的影响。因此，T2处理为最佳施肥量。

2.2.2 对速效磷的影响 土壤速效磷是土壤有效磷储库中对作物最为有效的部分，也是评价土壤供磷水平的重要指标。如图3所示，施肥后CK、T1、T2、T3、T4处理0～10 cm表层土壤的速效磷含量分别为141.60、159.20、162.80、  169.20和195.20 mg·kg-1，表明随着施肥量的增加，表层土壤的速效磷含量也增加；除T3处理，其他处理土壤速效磷含量随土层加深而降低。由图3-b可看出，盛果期各處理0～100 cm土层速效磷含量随土层的增加而降低， T1和T2处理各土层速效磷含量低于CK，在80～100 cm土层T2处理土壤速效磷含量最低。如图3-c所示，拉秧期各处理0～100 cm土层速效磷含量显著低于施肥后和盛果期，0～20 cm土层土壤速效磷含量随施肥量增加而增加；T2、T3和T4处理0～100 cm土层速效磷含量随土层增加呈稳定降低趋势，其中T2处理最稳定；在60 cm以下，各处理土壤速效磷含量均高于CK。从速效磷表层的累积程度及深层的迁移程度综合来看，4个施加有机肥处理中，T2处理土壤表层的速效磷含量相对较低，并且抑制速效磷在土壤剖面的垂直迁移，使速效磷含量随土层增加稳定降低，而当施肥量为T4处理时，由于大量的磷素输入导致速效磷向深层土壤迁移淋溶，造成深层土壤中磷素大量富集。

2.3 不同有机肥施用量对重金属（Cu、Pb）含量及其在土壤中迁移的影响

过多施用有机肥会导致重金属在土壤中的聚集和迁移，造成地下水污染以及对人体健康具有潜在的威胁[15]。针对番茄土壤各时期不同处理  0～30 cm土壤剖面Cu和Pb的含量进行测量，结果如表4所示。总体来看，盛果期及拉秧期各土层Cu含量普遍高于施肥后，这与李树辉[16]研究的山东寿光和甘肃武威的设施菜地结果类似，可能是因为番茄施肥后到拉秧期追施的化肥、农药以及灌溉水中存在的铜元素进入土壤中，导致盛果期和拉秧期的总铜含量相对于施肥后有所提高。各时期，土壤Cu含量与土层深度呈正相关，Cu含量随着土层加深而增加。在0～10 cm深度，施肥后与盛果期，T1、T2、T3、T4处理的土壤Cu含量与CK无显著差异，而拉秧期T4处理的Cu含量显著高于CK；在10～20 cm及20～30 cm深度，施肥后、盛果期和拉秧期T3、T4处理的土壤Cu含量都高于CK；综合以上结果，证明T3、T4处理不仅增加土壤Cu含量，还使土壤中的Cu发生了迁移。

土壤Pb含量则随着番茄的生长呈递减趋势，而随着各时期土层的加深而降低，表现出表层富集效应。在0～10 cm表层，施肥后T3和T4处理的Pb含量都高于CK，证明过多施用有机肥会增加土壤Pb含量；在10～20 cm土层，施肥后T2处理的Pb含量与CK无显著差异，盛果期各处理均无显著差异，但拉秧期T2处理则显著低于CK；在20～30 cm土层，施肥后T2处理Pb含量显著高于CK，拉秧期T2处理则显著低于CK，施肥后的T3和T4处理与CK无显著差异，而盛果期及拉秧期T3和T4处理Pb含量均高于CK，表明T2处理显著降低Pb在土壤中的累积及迁移，而T3和T4处理则增加其富集与迁移。

3 讨  论

从产量来看，施用有机肥可以提高番茄产量，因为适当增施有机肥，可以与生物炭产生更好的协作效应，增加土壤有机碳、养分、微生物和酶活性，促进植株生长，产量增加。有研究发现，沼液与生物炭混施对小萝卜总干物质的增产效果优于单施生物炭的处理[17]。但是，本研究中番茄产量在T2处理达到最大，之后随着有机肥施用量的增加则开始降低，表明过量施用有机肥并没有达到持续增产的效果。相关研究也发现，在有机质含量较高的土壤中添加生物炭，作物增产效果不明显[18]。原因在于有机肥的施用量是有一定范围的，过量施用会造成土壤的养分含量过高，潜在的有害微生物群落的丰度也可能增加，从而抑制作物的生长，导致产量下降[19]。

可溶性糖、维生素C、硝酸盐和可滴定酸的含量是反映番茄果实营养品质及果实风味的重要指标，它们的含量高低对果实营养价值和口味起着决定性影响，从而直接影响商品价值[20]。本研究结果表明，与CK相比，有机肥的施用有效提升番茄可溶性糖和维生素C含量，这是因为有机肥中含有大量可溶性糖及氨基酸，其易被作物吸收合成作物体内的可溶性糖及维生素C[21]。而番茄的可溶性糖及維生素C含量在T2处理达到峰值后并没有随着有机肥的增加而持续增长，原因在于过多施用有机肥会增加土壤氮素，在氮素过量情况下，蛋白质、叶绿素和其他含氮化合物以及糖类及维生素C转化酶的合成会显著增加，致使番茄体内可溶性糖及维生素C积累显著减少[22-23]。随着有机肥施用量的增加，番茄硝酸盐含量也增加，潜在的原因是试验过程中有机肥配施生物炭后，生物炭或有机肥中的氮素使其更利于作物吸收，从而累积转化为硝酸盐。各处理间番茄的可滴定酸含量差异不显著，证明有机肥的增加对番茄可滴定酸含量影响不大。综合各处理组的番茄品质来分析，T2处理显著提高番茄可溶性糖和维生素C含量，降低可滴定酸含量，增加硝酸盐含量，但未超过中国农产品安全质量无公害蔬菜安全（GB18406.12001）标准[24]，因此T2处理的施肥量对提升番茄品质的作用最好。

灌水与施氮是影响土壤中硝态氮累积和淋溶的重要因素。速效氮的含量在很大程度上直接反映土壤中氮素的供应强度，而土壤中的速效氮主要存在形式是硝态氮[25]。本研究结果表明，有机肥的施用引起表层土壤硝态氮含量的增加，随着有机肥施用量的增加，提供给土壤的氮素也增加。生物炭可以通过减缓土壤水分垂直运移影响硝酸根被淋溶的速度，延长硝酸根在土壤表层的存留时间，使其被作物充分吸收利用[26]，不同施肥量对土壤剖面硝态氮的累积及迁移的影响效果不同，T2处理效果最好，尤其在盛果期，T2处理在90～100 cm深处达到最低，显著低于其他处理，证明T2处理硝态氮的迁移能力最弱，这是因为T2处理中有机肥和生物炭配比调节的土壤pH可能更好地提高了硝化细菌的活性[27]，增加对硝态氮的固定作用，从而减少了硝态氮的迁移[28]。T4处理中土壤硝态氮淋溶作用增强，过多施入有机肥带来过量的氮素，土壤中硝化微生物可将氮素转化为硝态氮从而富集，增加了硝态氮向土壤深层淋失的可能[29]。

有机肥中含有大量磷元素，过量施用有机肥会造成土壤磷污染。试验结果表明，有机肥的施入会增加土壤中速效磷的累积，增施有机肥能够提高土壤中磷酸酶的活性，促进有机磷向无机磷的转化[30]，增加土壤速效磷的含量。此外，过量的有机肥（如T4处理）施加，不仅会导致土壤磷素的富集，还会增加速效磷向深层土壤迁移淋溶的风险。尽管生物炭可以固定磷素，间接地降低淋溶风险[31]，但超量的有机肥会显著增加土壤中产生的速效磷，从而超过生物炭对磷固定吸附的阈值，导致其易被淋溶而迁移至土壤深层，造成土壤和地下水磷素污染。

在本试验中，Pb倾向于在土壤表层（0～20 cm）富集，而Cu主要向土壤深层迁移，潜在的原因是生物炭对不同种类重金属的固定及吸附效果不同[32-34]。总的来说，过量有机肥更易导致土壤中重金属的累积，大量含有重金属的物质被广泛应用于饲料添加剂中，由于它们的生物利用率较低，使鸡粪中重金属大量积累，过量施用则会超出作物吸收阈值而导致土壤重金属的富集[33]。试验结果表明，T2处理对土壤重金属的富集及迁移起到了抑制作用，T3和T4则相反，这意味着过量的有机肥不仅带来大量重金属，还降低了生物炭的碱性，影响其通过化学沉淀来降低重金属的有效性。王林等[15]研究也发现，鸡粪pH为  6.19，呈酸性，生物炭pH在10.24左右，呈强碱性，因此添加鸡粪会降低生物炭的pH，导致其对镉的钝化作用减弱。综上所述，适当的生物炭和有机肥配比能够使土壤中重金属的生物有效性显著降低并大幅提高土壤中重金属的稳定性，降低其向土壤深层迁移的能力。

4 结  论

对比不同处理组的结果，相对于仅施生物炭（CK）处理，施加有机肥有效提升设施番茄的产量和品质，但随着有机肥的增加呈现先升高后降低的趋势。其中， T2处理番茄产量提高  49.31%，有机肥施用量超过T2处理后，番茄的产量及品质则有所下降。

土壤养分结果表明，T3处理对各土层硝态氮含量有稳定作用，整体硝态氮含量处于相对较低水平，而T2处理降低了速效磷在土壤剖面的累积与迁移， T4处理则会导致硝态氮和速效磷向深层土壤迁移淋溶。

根据不同土壤重金属含量及土层富集深度结果表明， T2处理能有效减少土壤中重金属Cu和Pb含量的富集，并降低其在土壤中的迁移，而T3和T4处理则增加了土壤重金属富集及迁移的风险。

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Effects of Organic Fertilizer Combined with Biochar on Yield，Quality，Soil Nutrients and Heavy Metals in Facility Tomato

ZHANG Hongjuan1，CHEN Menghua2，HE Shanshan2，XU Duo2 and SUN Huimin2

Abstract This study investigated the effects of different amounts of organic fertilizer combined with biochar on the quality and yield of greenhouse vegetables，as well as the accumulation and migration of soil nutrients and heavy metals in the soil profile. The greenhouse tomatoes were used as objective，five treatments were set up. These treatments consisted of  CK （1 500 kg·hm-2 biochar+7 500    kg·hm-2 chicken manure），T1 （1 500 kg·hm-2 biochar + 15 000 kg·hm-2 chicken manure），T2 （ 1 500 kg·hm-2 biochar + 15 000 kg·hm-2 chicken manure） T3 （1 500 kg·hm-2 biochar +   22 500 kg·hm-2 chicken manure） and T4 （1 500 kg·hm-2 biochar + 30 000 kg·hm-2 chicken manure）.The yield of soluble sugar，vitamin C，nitrate，and titratable acid，as well as the levels of nitrate nitrogen，  available phosphorus，total copper （Cu），and lead （Pb） in the soil were determined.The results showed that compared with CK treatment，the contents of soluble sugar and vitamin C  in tomato under recommended fertilization treatment （T2） reached 2.275 and 0.219 mg·kg-1，and the yield increased by 49.31%，showing that T2 treatment improved the yield and quality of tomato; while T2 treatment also reduced the accumulation and migration of nitrate nitrogen and available phosphorus at 0-100 cm soil layer and heavy metals Cu and Pb at 0-30 cm soil layer; T1，T3 and T4 increased the accumulation and migration of soil nitrogen，phosphorus and heavy metals. In conclusion，the appropriate application of organic fertilizer and biochar during protected vegetable cultivation can mitigate the pollution of nitrogen，phosphorus and heavy metals. In addition，it improves the soil quality of protected vegetable fields and ensures the safety of vegetable food production.

Key words Facility tomato; Chicken manure; Biochar; Nitrate nitrogen; Available phosphorus; Heavy metal

Received2023-03-14Returned 2023-04-19

Foundation item The National Key Research and Development Program of China （No. 2018YFD0800401）.

First author ZHANG Hongjuan，female，associate professor. Research area： utilization of microbial resources and food safety detection. E-mail： zhanghongjuancn@126.com

Corresponding   author SUN Huimin，female，Ph.D，associate professor，master supervisor. Research area： soil physics，environmental effects of nanomaterials，transport and transformation of trace elements，and remediation of heavy metal pollution in soil. E-mail：sunhuimin@nwsuaf.edu.cn

（责任编辑：顾玉兰 Responsible editor：GU Yulan）

收稿日期：2023-03-14修回日期：2023-04-19

基金項目：第一作者：张红娟，女，副教授，主要从事微生物资源利用及食品安全检测研究。E-mail：zhanghongjuancn@126.com

通信作者：孙慧敏，女，博士，副教授，硕士生导师，主要从事土壤物理学、纳米材料的环境效应、微量元素的迁移转化、土壤重金属污染修复等方面的研究。E-mail：sunhuimin@nwsuaf.edu.cn