摘 要: 通过田间试验，一次性施入花生壳来源生物炭，研究其对土壤改良、蔬菜生长、蔬菜品质影响及其作用的持续效应，为土壤改良的应用提供科学依据。生物炭用量设置 0、2. 5、5、10 t·hm - 2 4 个水平，2014 ～ 2016 年共进行 16 个月多茬上海青、油麦菜和生菜 3 种蔬菜轮作的田间试验，在各茬蔬菜收获时测定产量，并采集蔬菜样品测定可溶性糖、硝酸盐及 Vc 含量，同时采集各小区土壤样品测定 pH 值、碱解氮、有效磷、速效钾及有机碳含量。研究结果表明，不同用量花生壳生物炭可提高土壤 pH 值 0. 1 ～ 0. 8 单位，提高土壤有机碳 1. 4% ～ 31. 4% ，使蔬菜增产 6. 2% ～ 96. 5% ; 但对蔬菜可溶性糖、硝酸盐及 Vc 含量没有明显影响。花生壳生物炭对前两茬蔬菜收获时的土壤速效钾含量具有显著提高作用，对以后各茬蔬菜收获时的土壤速效钾、所有茬次蔬菜收获时的土壤碱解氮及有效磷含量均没有明显影响。与对照处理相比，5 t·hm - 2 花生壳生物炭施用效果最好，可提高土壤 pH 值 0. 3 ～ 0. 8 单位，提升土壤有机碳 4. 6% ～ 19. 0% ，增产蔬菜 7. 9% ～ 96. 5% 。连续种植多茬蔬菜后，5 t·hm - 2 花生壳生物炭处理的土壤 pH 值仍然比对照处理提高 16. 9% 、土壤有机碳提升 8. 5% ，蔬菜产量增加 18. 7% 。因此，一次性施用适量花生壳生物炭在 16 个月内对连续多茬蔬菜试验具有持续增产和改土作用。
关键词: 花生壳; 生物炭; 土壤改良; 蔬菜; 持续效应
近年来，生物炭在农业固碳、土壤培肥及土壤改良等领域被广泛关注[1 - 4]。生物炭是由有机废弃生物质原料在缺氧条件下燃烧或热解产生的含碳物质，具有疏松多孔结构、高表面积及独特的理化性状[5]。生物炭的基本特征因生物质材料、热解温度和热解时间不同而变化较大，理化性质决定其在土壤中的作用[6 - 7]。生物炭 pH 值一般为7 ～ 10，呈碱性，且裂解温度越高，碱性越强，其对酸性土壤的改良作用已有众多报道[8 - 11]。生物炭的碳含量因生物质原料不同差异较大，例如菜籽粕生物炭的碳含量为 66. 6% ，而榛子壳生物炭则高达 95. 6% ，主要由稳定碳、不稳定碳及灰分组成，其性质稳定，分解速率低，但在土壤微生物的作用下，生物炭本身也会发生某种程度分解，可直接或间接提升土壤有机质[12 - 13]。因此，生物炭施用于土壤，具有提高土壤碳汇、增加土壤有机质/腐殖质含量以及提升土壤 pH 值等多重作用，从而可能为土壤退化、土壤养分失调、酸化加剧、肥力下降，养分利用率低等多种土壤问题的解决发挥重要作用[14]。尚杰等[15]通过 2 年的田间定位试验表明，施用生物炭可以显著提高土壤碳、氮及其相关组分含量，促进土壤碳、氮积累，从而提高土壤碳、氮储量。房彬等[16] 以 西 南 地 区 玉 米 ( Zeamays L. ) - 油 菜 ( Brassica campestris L. ) 轮作农田为研究对象，通过不同生物炭添加比例的田间定位试验表明，生物炭施用有利于降低土壤容重，提高土壤 pH 值、土壤有机碳、NO - 3 - N、有效磷及含水量，对玉米和油菜两种作物都有增产效果。然而，Jeffery 等[17]对生物炭与作物生产力之间关系的大量研究进行统计分析，发现在不同土壤条件下，不同类型生物炭对土壤的改良效果及作物产量影响差异较大。也有研究[18]表明，生物炭对玉米的生长及养分吸收并没有明显的促进作用。因此，生物炭对土壤的改良效果及对作物生长、养分吸收的影响仍存在争议。目前有关生物炭输入土壤对连续多茬叶菜的生长发育及养分吸收的研究仍较少见。
鉴于此，本研究选取广东地区典型的蔬菜轮作农田，一次性施入来源广泛的花生壳生物炭，连续种植 9 茬叶菜，探讨花生壳生物炭对该类型土壤质量改良的长期效应，以及对连续多茬蔬菜生长的影响，从而为该地区农田生态系统生物炭改良培肥作用以及生物炭作为土壤改良剂的应用提供直接的科学依据。
1 材料与方法
1. 1 供试土壤、生物炭及作物类型
试验点位于广东省东莞市麻涌镇欧涌村，北纬 23°6'31″，东经 113°36'22″。试验开始前，采集基础土样，采样深度为 20 cm，S 形采集土壤后，充分混匀，室内风干，压碎后过2 mm 孔径筛，用于 pH 值、速效钾、碱解氮及有效磷含量测定，将过 2 mm 孔径筛的土样用四分法取出一部分继续碾磨，过0. 25 mm 孔径筛后用于有机碳测定。经测定，试验用地土壤为砂 壤 土 ( 粉 砂 粒 24%，粘 粒 14. 2%，砂 粒 61. 8% ) ，pH 值为 4. 8，土壤有机碳含量为 1. 4%，碱解氮 123. 6 mg·kg - 1 ，有效磷 202. 4 mg·kg - 1 ，速效钾 59. 0 mg·kg - 1 。试验所用生物炭由河南某生物炭公司提供，原料为花生壳，于 500℃ 高温缺氧热解 2 h 制备。取少量花生壳生物炭碾磨过 2 mm 孔径筛用于 pH 值、速效钾、碱解氮及有效磷含量测定，过 0. 25 mm 孔径筛用于有机碳含量测定，经测定，其 pH 值为 10. 0，有机碳含量 42. 7% ，碱解氮 129. 6 mg·kg - 1 ，有效磷 229. 1 mg·kg - 1 ，速效钾 29 750 mg·kg - 1 。供试作物为叶菜，分别为上海青，油麦菜和生菜，种植方式为大田轮作。
1. 2 试验设计
试验用地长 18 m，宽 7. 6 m，左右两边各为 1. 1 m 宽保护行，中间平均分为 12 个小区，每个小区面积约为 6. 6 m2 。试验共设 4 个处理，分别为不施生物炭 ( CK) ，一次性施加花生壳生物炭 2. 5 t·hm - 2 ( T1) ，一次性施加花生壳生物炭 5 t·hm - 2 ( T2) ，一次性施加花生壳生物炭 10 t·hm - 2 ( T3) ，每个处理 3 次重复，随机区组设计。2014 年 10 月 31 日，按处理用量撒施生物炭后，用翻土机进行深翻，然后连续种植 9 茬蔬菜，采收 8 茬。每茬蔬菜生长期间常规管理，各处理施用等量复合肥 ( N∶ P2O5 ∶ K2O = 15∶ 15∶ 15) ，由于蔬菜品种及生长季节不尽相同，且各茬蔬菜生育期差别较大，试验中复合肥用量有所不同。第 1 茬为上海青，直播，生育期 42 d ( 2014 年 10 月 31 日 ～ 12 月 12 日) ，施肥量为 550 kg·hm - 2 ; 第 2 茬为油麦菜，移栽，生育期 47 d ( 2014 年 12 月 16 日 ～ 2015 年 2 月 3 日) ，施肥量为 570 kg·hm - 2 ; 第 3 茬为生菜，移栽，生育期52 d ( 2014 年2 月4 日 ～3 月26 日) ，施肥量为 600 kg·hm - 2 ; 第4 茬为上海青，移栽，生育期25 d ( 2015 年 3 月 26 日 ～4 月 21 日) ，施肥量为 450 kg· hm - 2 ; 第 5 茬为油麦菜 ( 2015 年 4 月 23 日 ～ 5 月 28 日) ，由于雨水多，几乎无产量，没有采收; 第 6 茬为生菜 ( 2015 年 7 月 24 日 ～ 8 月 25 日) ，移栽，生育期 31 d，施肥量为 480 kg·hm - 2 ; 第 7 茬为生菜，移栽，生育期 43 d ( 2015 年 8 月 26 日 ～ 10 月 9 日) ，施肥量为 550 kg·hm - 2 ; 第 8 茬为上海青，直播，生育期 39 d ( 2015 年 10 月 10 日 ～ 11 月 19 日) ，施肥量为 530 kg·hm - 2 ; 第 9 茬为油麦菜，移栽，生育期 46 d ( 2015 年 11 月 20 日 ～ 2016 年 1 月 6 日) ，施肥量为 570 kg·hm - 2 。
1. 3 样品采集及分析测试方法
每茬蔬菜收获时割取每个小区内生长的蔬菜测产，带回蔬菜鲜样测定可溶性糖、硝酸盐及 Vc 含量。同时采集各小区土壤进行 pH 值、碱解氮、有效磷、速效钾及有机碳含量分析。土壤采集及前处理方法同基础土壤。土壤 pH 值采用酸度计测定，土水比为 1∶ 2. 5，花生壳生物炭及土壤中有机碳含量用重铬酸钾 - 硫酸氧化法测定，碱解氮、有效磷及速效钾分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠法及乙酸铵提取法测定[19]。蔬菜可溶性糖、硝酸盐及 Vc 含量分别采用费林试剂标定法、5% 水杨酸 - 浓硫酸法及 2，6 - 二氯靛酚滴定法测定[20]。
1. 4 数据统计及分析
试验数据应用 Excel 软件进行处理，用 SAS 9. 0 软件进行单因素 Duncan 统计分析，用 origin 8. 6 软件作图。
2 结果与分析
2. 1 花生壳生物炭及其用量对土壤的改良效果
2. 1. 1 土壤 pH 值
各茬蔬菜收获时土壤 pH 值见图 1，从图中数据可得，CK 处理的多茬蔬菜收获后土壤 pH 值为4. 4 ～ 5. 2，T1 处理的土壤 pH 值为 4. 9 ～ 5. 5，比 CK 处理提升 0. 1 ～ 0. 5 单位; T2 处理的土壤 pH 值为 5. 0 ～ 5. 5，比 CK 处理提升 0. 3 ～ 0. 8 单位; T3 处理的土壤 pH 值为 4. 7 ～ 5. 5，比 CK 处理提升 0. 1 ～ 0. 4 单位。各茬蔬菜种植期间，T1 处理均可提高土壤 pH 值，除第 1、6 及 9 茬外，其它 5 茬土壤 pH 值的提升均达到显著性差异 ( P < 0. 05) ，而 T2 处理均显著提高了 8 茬蔬菜土壤 pH 值 ( P < 0. 05) ，当生物炭用量增加到 10 t·hm - 2 ( T3) 时，土壤 pH 值下降，但始终比没有施加生物炭的对照处理高。图 1 花生壳生物炭施用后连续种植多茬蔬菜后土壤 pH 值注: 不同小写字母表示处理间差异显著 ( P < 0. 05) 。下同。
2. 1. 2 土壤有机碳
土壤有机碳是土壤有机质的一种化学量度，占土壤有机质的 60% ～ 80% ，其储量反映了土壤截留碳的能力，是土壤养分转化的核心，因此，常把土壤有机碳作为评价土壤肥力水平的一项重要指标。花生壳生物炭有机碳含量为 42. 7% ，因此，试验用地增施花生壳生物炭预期可以提高土壤有机碳含量，提升土壤肥力。如图 2 所示，蔬菜收获后 CK 处理的土壤有机碳含量为 1. 36% ～ 1. 56% ，T1 处理的土壤有机碳含量为 1. 38% ～ 1. 59% ，比 CK 处理提升 0. 02% ～ 0. 07% ，增幅达 1. 4% ～ 4. 3% ; T2 处理的土壤有机碳含量为 1. 42% ～ 1. 66% ，比 CK 处理提升 0. 06% ～ 0. 27% ，增 幅 达 4. 6% ～ 19. 0% ; T3 处理的土壤有机碳含量为 1. 55% ～ 2. 04% ，比 CK 处理提升 0. 11% ～ 0. 64% ，增幅达 7. 2% ～ 31. 4% 。蔬菜种植期间，T1 处理均可提高试验小区的土壤有机碳含量，但都没有达到显著性差异 ( P > 0. 05) ，而 T2 处理除了第 3、7 及第 8 茬外，均显著提高了其余 5 茬蔬菜种植试验小区的土壤有机碳含量 ( P < 0. 05) ，T3 处理均显著提高所有茬次蔬菜种植的试验小区土壤有机碳含量 ( P < 0. 05) 。
2. 1. 3 土壤碱解氮、有效磷及速效钾
施用花生壳生物炭后，不同茬别及不同处理的土壤碱解氮、有效磷及速效钾含量变化见表 1。从表中可得，各茬蔬菜种植期间，不同茬别间土壤碱解氮含量变异很大，且同一茬次各处理间规律性不明显。不同茬别间土壤速效钾含量变异也很大，值得注意的是第 1、2 茬蔬菜的土壤速效钾含量随着生物炭施入量增加而提高，且 5 和 10 t·hm - 2 生物炭处理的土壤速效钾含量显著高于空白处理 ( P < 0. 05) 。蔬菜种植第 3 茬后，不同用量生物炭处理间的土壤速效钾含量差异性减小。前 4 茬蔬菜收获后土壤有效磷含量相差不大，从第 6 茬开始，土壤有效磷含量提升，但从第 9 茬出现含量下降。各茬蔬菜收获后，5 t·hm - 2 生物炭用量处理的土壤中有效磷含量均稍低于其它处理。对各茬蔬菜收获后土壤碱解氮、有效磷及速效钾含量进行显著性分析，结果显示，不同用量花生壳生物炭处理的土壤碱解氮及有效磷含量没有显著差异 ( P > 0. 05) ，生物炭施用显著提升前两茬蔬菜的土壤速效钾含量，对后来 6 茬蔬菜种植后的土壤速效钾含量没有显著影响。
2. 2 花生壳生物炭及其用量对蔬菜产量的影响
采收的各茬蔬菜产量见图 3，从图中可见，T1 处理对各茬蔬菜产量均有提高作用，除了第 3 茬和第 7 茬外，其它 6 茬与对照相比均达到显著性差异 ( P <0. 05) ，而 T2 处理则显著提高了各茬蔬菜的产量 ( P < 0. 05) 。当生物炭的用量增加到 10 t·hm - 2 ( T3) 时，产量出现下降。CK 处理的蔬菜产量为 19. 6 ～ 102. 8 t·hm - 2 ，T1 处理蔬菜产量为 33. 1 ～ 125. 1 t·hm - 2 ，比 CK 处理增产 5. 0 ～34. 6 t·hm - 2 ; T2 处理的蔬菜产量为 33. 3 ～ 136. 4 t·hm - 2 ，比 CK 处理增产 6. 4 ～43. 5 t·hm - 2 ; T3 处理的蔬菜产量为 31. 2 ～ 130. 2 t·hm - 2 ，比 CK 处理增产 5. 0 ～ 27. 4 t·hm - 2 。与 CK 相比，T1、T2 及 T3 处理对各茬蔬菜的增产率分别为 6. 2% ～ 68. 7% 、7. 9% ～ 96. 5% 及 6. 2% ～ 59. 3% 。图 3 也同时比较了各处理采收的 8 茬蔬菜收获的总产量，该结果更清楚显示生物炭增施对蔬菜产量的影响，CK 处理采收的 8 茬蔬菜总产量为 467. 8 t·hm - 2 ，T1 处理的蔬菜总产量为 605. 9 t·hm - 2 ，增产 29. 5% ; T2 处理的蔬菜总产量为 637. 1 t·hm - 2 ，增产 36. 2% ; T3 处理蔬菜总产量为 580. 4 t·hm - 2 ，增产 24. 1% ，产量低于 T1 和 T2 处理，但仍高于 CK 处理。
2. 3 花生壳生物炭及其用量对蔬菜品质的影响
不同用量生物炭处理的各茬蔬菜品质 ( 表 2) 显示，3 茬上海青 Vc 含量为 264. 3 ～ 383. 2 mg·100 g - 1 ，2 茬油麦菜 Vc 含量为 70. 1 ～ 127. 9 mg·kg - 1 ， 3 茬生菜 Vc 含量为90. 8 ～ 243. 4 mg·kg - 1 ，同一茬蔬菜不同用量花生壳生物炭对蔬菜的 Vc 含量没有明显影响。3 茬上海青硝酸盐含量为 233. 1 ～ 617. 4 mg·kg - 1 ，2 茬油麦菜硝酸盐含量为 230. 4 ～ 297. 4 mg·kg - 1 ，3 茬生菜硝酸盐含量为 147. 1 ～ 355. 4 mg·kg - 1 ，同一茬蔬菜不同用量花生壳生物炭对蔬菜的硝酸盐含量没有明显影响。3 茬上海青的可溶性糖含量为 0. 1% ～ 0. 9% ，2 茬油麦菜的可溶性糖含量为 0. 1% ～ 1. 2% ，3 茬生菜的可溶性糖含量为 0. 3% ～ 2. 6% ，同一茬蔬菜不同用量花生壳生物炭对蔬菜的可溶性糖含量没有明显影响。因此，不同用量花生壳生物炭对蔬菜品质影响不大。
2. 4 花生壳生物炭对农田土壤质量改良及蔬菜增产的持续效应
花生壳生物炭对蔬菜增产、试验用地土壤酸性改良及土壤有机碳提升均有较好的效果，但其作用效果维持的时间有多长? 根据上面的数据结果，综合考虑土壤酸性改良、土壤有机碳含量提升、蔬菜增产及施用成本多方面因素，选择 5 t·hm - 2 ( T2) 用量的花生壳生物炭作为最优先处理来进一步分析生物炭对农田土壤质量改良及蔬菜增产的持续效应。图 4 以 T2 处理扣除 CK 处理计算 T2 处理对蔬菜产量、土壤 pH 值及土壤有机碳的提升效果，计算公式为 ( T2 平均值 - CK 平均值) /CK 平均值 × 100。从图 4 可知，从 2014 年 10 月开始到 2016 年 1 月止，历时 16 个月，进行上海青、油麦菜，生菜等多茬蔬菜的轮作试验，5 t·hm - 2 生物炭用量处理使蔬菜收获后的土壤 pH 值提升 0. 3 ～ 0. 8 单位，土壤有机碳提升 4. 64% ～ 19. 01% ，蔬菜增产 7. 9% ～ 96. 5% 。值得注意的是，5 t·hm - 2 生物炭处理对各茬蔬菜都一直有显著的增产效果，且对前 4 茬及第 6 茬蔬菜增产效果最明显 ( 第 5 茬无数据) ，增产率分别达到 32. 0% 、96. 5% 及 61. 3% 、32. 6% 及 69. 7% ，从第 7 茬开始，蔬菜的增产率出现下降。最后一茬蔬菜收获后，土壤 pH 值及土壤有机碳含量仍然提升 16. 9% 及 8. 5% ，因此花生壳生物炭对土壤酸性具有明显的改良效果及持续的缓冲效应，并可以持续增加土壤碳汇。由于生物炭对土壤酸性的改善及土壤有机碳含量的提升，蔬菜产量具有明显的增产效应，种植多茬蔬菜后，蔬菜的增产效果仍然达到 18. 7% 。
3 讨论
花生壳生物炭影响土壤 pH 值机制: 试验用地的土壤 pH 值为 4. 8，呈酸性，而花生壳生物炭为碱性，其 pH 值为 10. 0，因此，增施花生壳生物炭对土壤 pH 值产生直接影响。2. 5 及 5 t·hm - 2 花生壳生物炭对土壤的酸性均有缓解作用，且土壤的 pH 值随着生物炭用量增大而持续升高，这主要归因于生物炭本身所含有的 Ca 2 + 、K + 、Mg 2 + 等盐基离子，随生物炭进入土壤，在水土交融作用下释放，与土壤中的 H + 和 Al 3 + 交换，从而降低 H + 和 Al 3 + 在土壤中的浓度[21]。由于生物炭具有疏松多孔的结构及巨大的比表面积，表面带有大量负电荷和较高的电荷密度，并且富含一系列含氧、含氮、含硫官能团，具有很大的阳离子交换量[22]，所以当生物炭的用量达到 10 t·hm - 2 时，可吸附大量可交换态阳离子或碱基阳离子，其作用要比生物炭本身所含有的 Ca 2 + 、K + 、Mg 2 + 等盐基离子的释放强度大，因此有可能使土壤酸性增强，pH 值出现稍微下降。
花生壳生物炭提升土壤有机碳原因: 本试验中土壤有机碳储量随生物炭施用量的增加而增加，且提高幅度与生物炭施用量呈正相关关系，其最主要原因是生物炭富含稳定且难以被微生物分解的有机碳，可以在土壤中长期稳定存在[13]。生物炭具有碳含量高、芳香化结构复杂和固有的化学惰性等特征，被认为是惰性碳库，在土壤环境中具有较高的化学和微生物稳定性，其作用大小取决于生物炭的用量和稳定程度[23 - 25]。此外，生物炭的施用可能改变了土壤原有有机质的组成，形成比较稳定的土壤有机质而提高土壤肥力[26 - 27]。
花生壳生物炭促进蔬菜生长原因: 生物炭具有良好的物理化学性质和养分调控作用，因此施入土壤后可以显著提高作物的生产力，生物炭的增产作用与生物炭的用量水平、作物类型、农田土壤类型有关[28]。在本试验中，不同用量花生壳生物炭对土壤 pH 值及土壤有机碳含量均具有提高作用，其最佳用量为5 t·hm - 2 ，可提高土壤 pH 值0. 3 ～ 0. 8 单位，提升土壤有机碳含量 0. 06% ～ 0. 27% ，通过土壤 pH 值及有机碳含量水平的提高，蔬菜增产 6. 4 ～ 43. 5 t·hm - 2 ，增产幅度达 7. 9% ～ 96. 5% 。因此，在本试验中，花生壳生物炭对蔬菜生长的促进作用与其对土壤 pH 值及有机碳水平等土壤化学性质的提升有关。
在本试验开展的一年多时间内，连续种植多茬蔬菜后，施用花生壳生物炭对农田土壤酸性改良、有机碳含量提升及蔬菜增产仍然发挥其增长效应，其主要原因: ( 1) 生物炭本身呈碱性，酸性土壤适量加入生物炭后可长期维持较高 pH 值; ( 2) 作为稳定性有机物质，生物炭施入土壤后增加土壤有机碳含量，对蔬菜的产量具有持续增产的效果。
4 结论
花生壳生物炭输入可有效缓解广州东莞麻涌菜园土壤的酸性，明显提升土壤有机碳含量，但对土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量的提高作用不明显。由于生物炭对土壤酸性的改善及土壤有机碳含量的提升，收获的各茬蔬菜均具有较明显的增产效果，且蔬菜品质没有受到影响。中等用量 ( 5 t·hm - 2 ) 的生物炭对土壤性质改良及蔬菜增产作用最明显，与对照相比，可提高蔬菜产量 6. 4 ～ 43. 5 t·hm - 2 ，增产幅度达 7. 9% ～ 96. 5% ; 同时 5 t·hm - 2 用量生物炭可提高土壤 pH 值 0. 3 ～ 0. 8 单位，提升土壤有机碳含量 0. 06% ～0. 27% ( 增幅为 4. 6% ～ 19. 0% ) 。连续种植多茬蔬菜后，土壤 pH 值仍然提高 16. 9%，土壤有机碳提升 8. 5% ，蔬菜产量增加 18. 7% 。试验开展 16 个月，连续种植多茬蔬菜后，花生壳生物炭对农田土壤的酸性改良、土壤有机碳提升及蔬菜增产仍然发挥作用，但其更长期效应仍需继续进行试验验证。——论文作者：黄连喜1 ，魏 岚1 ，李衍亮1 ，黄玉芬1 ，Nyo Nyo Mar 1，2 ，许桂芝1 ，黄 庆1 ，刘忠珍1*
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