李 博 盧 瑛 熊正琴

（1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州 510642）

（2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇省低碳農(nóng)業(yè)與溫室氣體減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210095）

作為世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，我國(guó)蔬菜種植面積近2億hm2，占全球蔬菜種植面積的45%［1］。蔬菜生產(chǎn)中氮肥施用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他經(jīng)濟(jì)作物，這導(dǎo)致集約化菜地土壤與大田及自然土壤相比，表現(xiàn)出明顯的土壤酸化與鹽漬化現(xiàn)象。由于氮肥大量施用導(dǎo)致的農(nóng)田土壤氮素轉(zhuǎn)化，在中國(guó)每年會(huì)造成20～221 kmol·hm-2的H+釋放［2］。同時(shí)，氮肥的大量施用還會(huì)導(dǎo)致土壤中重金屬、鹽分增加以及土壤板結(jié)等負(fù)面影響。此外，集約化蔬菜生產(chǎn)投入的氮肥用量遠(yuǎn)高于作物需求量，造成嚴(yán)重的土壤無(wú)機(jī)氮素累積和盈余［3］，還會(huì)導(dǎo)致蔬菜硝態(tài)氮過(guò)量累積［4］。因此，探索切實(shí)可行的方式以保障菜地土壤肥力質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)我國(guó)集約化蔬菜的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

生物質(zhì)炭是由生物質(zhì)通過(guò)高溫?zé)峤饣蛘邭饣^(guò)程而制備的一種穩(wěn)定、難降解有機(jī)碳（C）的化合物，在農(nóng)田土壤中施用生物質(zhì)炭可達(dá)到固碳減排以及改良土壤理化性質(zhì)的作用［5］。生物質(zhì)炭具有在很多方面應(yīng)用的潛力。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面，生物質(zhì)炭可顯著改善菜地土壤理化性質(zhì)及板結(jié)程度［6］；對(duì)土壤重金屬等無(wú)機(jī)污染物、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、農(nóng)藥等有機(jī)污染物吸附力強(qiáng)，是一種高效吸附劑；還能夠提高土壤中微量元素的有效性和氮素利用率，增加土壤中酶活性，提高土壤pH，使作物增產(chǎn)［4］。近年來(lái)，生物質(zhì)炭固碳減排的效應(yīng)正被越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)可［7］。與此同時(shí)，生物質(zhì)炭還被認(rèn)為是一種在土壤中相對(duì)穩(wěn)定的物質(zhì)，主要原因是由于其礦化速率要低于其他的原生物質(zhì)［8］。這使得生物質(zhì)炭除了具有改良土壤理化性質(zhì)的作用之外，還能夠起到固碳的作用，并且能夠減少向土壤中排放污染物［9］。

已有的試驗(yàn)中，大多數(shù)報(bào)道是針對(duì)生物質(zhì)炭對(duì)于糧食作物種植土壤的理化性質(zhì)影響，如稻田生態(tài)系統(tǒng)［10］和麥田生態(tài)系統(tǒng)［11］等，且僅有少數(shù)研究報(bào)道了生物質(zhì)炭對(duì)短期菜地輪作土壤基礎(chǔ)元素含量的影響［12］，因此，有必要全面研究和評(píng)價(jià)施用不同水平生物質(zhì)炭與氮肥對(duì)長(zhǎng)期集約化輪作菜地土壤肥力質(zhì)量的影響。選取土壤全氮（TN）、有機(jī)碳（SOC）、酸堿度（pH）等土壤化學(xué)指標(biāo)以及土壤容重（BD）等土壤物理指標(biāo)，在田塊尺度上采用主成分分析法，建立氮肥配施不同量生物質(zhì)炭的土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)體系，探究生物質(zhì)炭施用對(duì)土壤肥力質(zhì)量及生產(chǎn)力的影響，為集約化蔬菜的可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于江蘇省南京市高橋門(mén)鎮(zhèn)上坊村（32°01′N(xiāo), 118°52′E）。該區(qū)地處長(zhǎng)江中下游，屬亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，年平均降水量1 107 mm，年平均溫度15.4 ℃。此地區(qū)集約化種植蔬菜的歷史長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年。通過(guò)在寒冷季節(jié)使用塑料大棚進(jìn)行增溫，一年可種植3～5茬蔬菜，蔬菜種類(lèi)繁多，復(fù)種指數(shù)高，是中國(guó)東南部蔬菜種植方式的典型代表。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地耕作層（0～20 cm）土壤理化性質(zhì)：質(zhì)地為黏土，黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.02～0.002 mm）和砂粒（2～0.02 mm）的含量分別為301 g·kg-1、647 g·kg-1和52 g·kg-1，容重1.2 g·cm-3；pH 5.5，陽(yáng)離子交換量（CEC）31.2 cmol·kg-1，土壤有機(jī)碳（SOC）15.6 g·kg-1，全氮（TN）1.9 g·kg-1，銨態(tài)氮32.3 mg·kg-1，硝態(tài)氮27.5 mg·kg-1。

本試驗(yàn)施用的小麥秸稈生物質(zhì)炭購(gòu)自河南省三利新能源有限公司。該生物質(zhì)炭是小麥秸稈在500℃熱分解90 min而成，總碳46.7 g·kg-1，總氮5.6 g·kg-1，pH 9.4，表面積8.9 m2·g-1，灰分208 g·kg-1，陽(yáng)離子交換量（CEC）24.1 cmol·kg-1；重金屬含量銅（Cu）13.75 μg·g-1，鎘（Cd）0.21 μg·g-1，鎳（Ni）3.34 μg·g-1，鋅（Zn）30.43 μg·g-1，鉛（Pb）8.67 μg·g-1。施用前需將生物質(zhì)炭磨碎并過(guò)2 mm篩，撒施至菜地土壤表層，然后與土壤充分混合至表層下20 cm深度。

1.3 研究方法

試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)處理：其中，3個(gè)生物質(zhì)炭水平分別為B0（0）、B1（20 t·hm-2）和B2（40 t·hm-2），生物質(zhì)炭于田間試驗(yàn)開(kāi)始前一次性施入各試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，人工翻耕至0～20 cm耕層深度并與土壤混合均勻；2個(gè)氮肥處理分別為不施肥（N0）和施用氮肥（Nc），施氮處理均施用復(fù)合肥，其N(xiāo)∶P2O5∶K2O=15∶15∶15（質(zhì)量比），施肥方式為表施；而不施氮N0處理則僅補(bǔ)充相應(yīng)數(shù)量的磷肥（鈣鎂磷肥，含P2O514%）和鉀肥（氯化鉀，含K2O 63.2%）。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為3 m ×2.5 m，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。所有試驗(yàn)小區(qū)均位于一個(gè)蔬菜大棚內(nèi)，且各小區(qū)之間留出1 m的距離以避免試驗(yàn)小區(qū)互相干擾。

試驗(yàn)期為2012年4月至2014年10月，期間連續(xù)種植9茬蔬菜，種植蔬菜種類(lèi)為莧菜（Amaranthus mangostanus L）、空心菜（Ipomoea aquatica Forssk）、菜秧（Brassica chinensis L）、香菜（Coriandrum sativum L）和菠菜（Spinacia oleracea L）。每?jī)刹缡卟朔N植輪作期間有短暫的休耕期，休耕期時(shí)間一般為20 d至50 d不等。為保證蔬菜生長(zhǎng)需要的溫度或抵御不良天氣條件的影響，莧菜（第1季）、空心菜（第2季和第5季）和香菜（第4季）種植過(guò)程中均有塑料大棚覆蓋。每季蔬菜的種子在基肥施入之后直接撒播至試驗(yàn)小區(qū)中。其中，田間管理按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)耕作方法進(jìn)行管理，包括施肥、耕作、灌溉、蔬菜輪作等信息見(jiàn)表1。

1.4 土壤樣品采集及測(cè)定方法

田間試驗(yàn)后采集對(duì)應(yīng)小區(qū)內(nèi)的土壤，采樣時(shí)間為2014年10月30日，采集方式為用土鉆取各試驗(yàn)小區(qū)耕層（0～20 cm）土壤，3次重復(fù)取樣，每一樣品均由五點(diǎn)混合而成。新鮮土樣挑出草根和石塊等雜物，帶回實(shí)驗(yàn)室過(guò)2 mm篩后放入自封袋中備用；每個(gè)處理的土樣分成兩份，一份風(fēng)干測(cè)定土壤pH、TN、SOC含量以及土壤CEC，另一份立即測(cè)定土壤的NH4+-N和NO3--N含量。此外，菜地土壤剖面樣品共分五個(gè)層次采集，分別為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm。采樣方式為土鉆取樣，在每個(gè)小區(qū)按遞進(jìn)式隨機(jī)選取三個(gè)采樣點(diǎn)，同時(shí)取出同處理的同層三點(diǎn)土樣混合均勻后過(guò)2 mm篩。

土壤樣品采集帶回室內(nèi)立即測(cè)定土壤NH4+-N和NO3--N含量，測(cè)定方法如下：采集的新鮮土樣過(guò)2 mm篩，用2 mol·L-1的KCl浸提，濾液中的銨態(tài)氮（NH4+-N）采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，硝態(tài)氮（NO3--N）采用紫外分光光度計(jì)（U-2900，Hitachi，日本）測(cè)定。此外，采用環(huán)刀法測(cè)定田間試驗(yàn)后各處理的菜地土壤容重。土壤TN采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定；土壤SOC采用重鉻酸鉀（K2Cr2O7）容量法測(cè)定；土壤pH使用精密pH計(jì)（PHS-3C型，上海）測(cè)定；土壤電導(dǎo)率（EC）采用水土比5∶1（v/v），用電導(dǎo)率儀（FE30-K，Mettler-toledo，上海）進(jìn)行測(cè)定；土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）采用氯化鋇（0.1 mol·L-1，20 mL每?jī)煽送寥溃蛩峥焖俜y(cè)定。所有土壤理化性質(zhì)的測(cè)定方法均參考文獻(xiàn)［13］。

蔬菜產(chǎn)量的測(cè)定：在每一季蔬菜收獲之后，整個(gè)植株的地上部均被收獲，稱(chēng)取各小區(qū)內(nèi)小框里蔬菜的鮮重計(jì)產(chǎn)，對(duì)可被收獲多次的空心菜，以農(nóng)戶(hù)自己實(shí)際稱(chēng)重計(jì)產(chǎn)。氮肥偏生產(chǎn)力（Partial factor productivity from applied N, PFPN）指單位投入的肥料氮所能生產(chǎn)的作物產(chǎn)量，計(jì)算公式為：

PFPN=Y / F，Y為施氮后所獲得的產(chǎn)量，F(xiàn)代表氮肥的投入量。

基于主成分分析的土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)研究［14］：對(duì)菜地各處理的8個(gè)土壤理化性狀指標(biāo)（土壤TN、SOC、CEC、EC、BD、pH、銨態(tài)氮與硝態(tài)氮）組成矩陣進(jìn)行主成分分析，選取累計(jì)百分率大于等于85%的主成分因子，再選取主成分的特征向量構(gòu)建主成分方程，計(jì)算出不同處理各因子主成分分值，再用各公因子的特征值貢獻(xiàn)率作為權(quán)數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，即得各處理菜地土壤肥力質(zhì)量綜合得分。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用JMP 10統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因子方差分析（Two-way ANOVA），最小顯著差異（LSD）法進(jìn)行多重比較（P=0.05），SigmaPlot 12.0以及Microsoft Excel 2013進(jìn)行圖表繪制，結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”的形式表示。采用SPSS 18.0對(duì)影響菜地土壤肥力質(zhì)量的各因素進(jìn)行主成分分析以及逐步回歸分析，并計(jì)算不同處理土壤肥力質(zhì)量的綜合得分。

2 結(jié) 果

2.1 生物質(zhì)炭和氮肥處理后集約化菜地表層土壤理化性質(zhì)

如圖1所示，與不施用氮肥的處理相比，氮肥的施用顯著增加菜地土壤TN含量、EC、BD和CEC，分別增加了9.4%～18.1%、172.4%～241.1%、5.6%～7.6%和10.4%～15.0%（P＜0.01）。與此相反，氮肥的施用顯著降低菜地土壤pH（P＜0.01）；雖然雙因子方差分析顯示氮肥的施用顯著增加了菜地土壤SOC含量，但是施用氮肥不施用生物質(zhì)炭處理（NcB0）下菜地土壤SOC含量降低了17.3%（P＜0.05）。而在施用生物質(zhì)炭的處理中，氮肥的施用使菜地土壤SOC增加了9.8%～23.4%（P＜0.05）。

從雙因子方差分析中得出，生物質(zhì)炭的施用顯著增加了試驗(yàn)期內(nèi)土壤的TN、SOC含量和土壤CEC，分別增加了1.7%～10.0%、3.6%～48.3%和8.1%～37.1%（圖1，P＜0.01）。然而，生物質(zhì)炭的施用在不同的氮肥水平下，顯著降低了試驗(yàn)期內(nèi)菜地土壤EC和BD（圖1，P＜0.01）。值得注意的是，雖然雙因子方差分析結(jié)果表明，生物質(zhì)炭的施用顯著降低了土壤pH，但在不施用氮肥的處理中，生物質(zhì)炭的施用增加了0.11～0.23個(gè)單位的土壤pH（圖1（d），P＜0.01），而在施用氮肥的處理中，生物質(zhì)炭的施用降低了0.19～0.23個(gè)單位的土壤pH（圖1（d），P＜0.01），這一結(jié)果表明生物質(zhì)炭與氮肥在試驗(yàn)期內(nèi)對(duì)菜地土壤pH的影響存在交互作用（P＜0.01）。此外，生物質(zhì)炭與氮肥對(duì)菜地土壤TN、SOC和EC的影響均存在交互作用（圖1，P＜0.01）。

2.2 生物質(zhì)炭和氮肥處理后集約化菜地土壤剖面無(wú)機(jī)氮變化

圖2顯示了集約化蔬菜田間試驗(yàn)連續(xù)種植9季后，各處理土壤剖面的無(wú)機(jī)氮含量分布以及變化情況：土壤NH4+-N和NO3--N的變化范圍分別為6.6～59.3 mg·kg-1（以N計(jì)，下同）和23.8～51.3 mg·kg-1；各處理不同土層無(wú)機(jī)氮含量的變化基本呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，即隨著土層深度的增加，無(wú)機(jī)氮含量先減少再增加（圖2）。此外，隨著施肥量的增加，各處理土壤剖面相同土層的無(wú)機(jī)氮含量也隨之增加，并且在各個(gè)土層均達(dá)到了顯著水平（P＜0.01）。各處理土壤剖面（0～100 cm）NO3--N和NH4+-N的累積量范圍分別為125.3～419.9 kg·hm-2和356.9～548.4 kg·hm-2，且氮肥的施用顯著增加了菜地土壤剖面（0～100 cm）的無(wú)機(jī)氮累積量（圖3）。

生物質(zhì)炭的施用對(duì)菜地土壤剖面不同土層深度的無(wú)機(jī)氮含量均存在顯著影響（圖2，P＜0.05）。雙因子方差分析結(jié)果可知，生物質(zhì)炭的施用在20～40 cm、60～80 cm和80～100 cm三個(gè)土層上顯著降低了土壤NH4+-N含量，降低的范圍為4.9%～47.9%（圖2，P＜0.01）；而生物質(zhì)炭的施用在菜地土壤剖面各土層均顯著影響了土壤NO3--N含量的變化，即在0～20 cm土層NO3--N含量增加了2.4%～29.8%（P＜0.05），而在其他土層顯著降低了NO3--N的含量（圖2，P＜0.05），這與生物質(zhì)炭對(duì)土壤剖面不同土層NH4+-N含量的影響規(guī)律一致。此外，生物質(zhì)炭的施用則顯著降低了菜地土壤剖面（0～100 cm）的NH4+-N的累積量（P＜0.05），而對(duì)菜地土壤剖面NO3--N累積量無(wú)顯著影響（圖3）。

圖1 集約化菜地各處理土壤理化性質(zhì)Fig. 1 Soil properties of the intensive vegetable field relative to treatment

2.3 集約化菜地蔬菜總產(chǎn)量與氮肥偏生產(chǎn)力

作物產(chǎn)量以及其氮肥利用率是表征土壤肥力的重要指標(biāo)，在評(píng)價(jià)不同農(nóng)業(yè)措施對(duì)土壤肥力質(zhì)量影響中存在重要意義。圖4顯示出九季蔬菜種植后各處理蔬菜總產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力以及其關(guān)鍵指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系。在整個(gè)試驗(yàn)期間，各處理蔬菜產(chǎn)量的變化范圍為317.1～475.5 t·hm-2，而生物質(zhì)炭的施用顯著提高蔬菜產(chǎn)量，提高幅度7.7%～43.8%（圖4（a），P＜0.01）。蔬菜產(chǎn)量與不同土壤理化性質(zhì)（圖1）的歸因分析式為：產(chǎn)量Y=250×TN+14.7×SOC-264.3（P＜0.01，R2=0.726），可知土壤TN與SOC含量是菜地土壤肥力質(zhì)量的重要因素，而蔬菜產(chǎn)量與土壤全氮（圖4（c））與有機(jī)碳含量（圖4（d））均成極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。此外，與NcB0處理相比，NcB1和NcB2處理蔬菜產(chǎn)量分別增加了21.8%和43.8%，說(shuō)明生物質(zhì)炭的施用能夠顯著增加集約化蔬菜生產(chǎn)的氮肥偏生產(chǎn)力。

2.4 集約化菜地土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)

本文分別選擇TN、SOC、pH、EC、BD、CEC、NO3-和NH4+等8個(gè)指標(biāo)衡量菜地土壤肥力質(zhì)量狀況。將累積貢獻(xiàn)百分率大于等于85%作為提取原則，得到2個(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率為90.6%，因子1和因子2的特征值分別為5.17和2.08，貢獻(xiàn)率分別為64.6%和26.1%（表2）。主成分因子1（F1）與TN、EC、NO3-及BD等指標(biāo)上的載荷系數(shù)較大，主成分因子2（F2）在SOC和BD的載荷系數(shù)最大；通過(guò)F1和F2得分與各因子的特征值百分率作為權(quán)數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和計(jì)算得出土壤肥力質(zhì)量得分（表3）。氮肥配施生物質(zhì)炭能夠增加菜地土壤肥力質(zhì)量，且隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，菜地土壤肥力質(zhì)量也呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，NcB2處理的綜合得分最高。

圖2 集約化菜地各處理土壤剖面無(wú)機(jī)氮的動(dòng)態(tài)變化Fig. 2 Dynamics of concentration of mineral N along soil profile in the intensive vegetable field relative to treatment

圖3 集約化菜地各處理土壤剖面無(wú)機(jī)氮累積量Fig. 3 Accumulation mineral N along soil profile in the intensive vegetable field relative to treatment

圖4 蔬菜產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力以及與蔬菜產(chǎn)量與關(guān)鍵土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Fig. 4 Vegetable yield, N partial factor productivity and their relationships with the soil chemico-physical properties key to vegetable yield

表2 菜地土壤肥力質(zhì)量性狀的主成分提取及旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 2 Principal component extraction and rotated component matrix of soil fertility quality

表3 菜地各處理土壤因子得分及土壤肥力質(zhì)量得分Table 3 Scores of principal components and general scores of soil fertility quality relative to treatment in the vegetable field

3 討 論

3.1 施用氮肥對(duì)集約化菜地土壤肥力質(zhì)量的影響

氮素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要的化學(xué)元素，氮肥的施用與作物產(chǎn)量存在密切關(guān)系，同時(shí)也影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)田土壤理化性質(zhì)［15］。本試驗(yàn)中，氮肥的施用顯著增加了土壤的TN和SOC含量（圖1（a）和圖1（b），P＜0.01）。這是由于氮肥的施入促進(jìn)了菜地土壤中氮素的轉(zhuǎn)化過(guò)程，提高了微生物對(duì)碳氮元素的同化能力［16］。但值得注意的是，雖然雙因子方差分析結(jié)果表明，氮肥的施用顯著提高了菜地土壤SOC含量，但是在不施用生物質(zhì)炭的處理（NcB0）中，氮肥的施用顯著降低了菜地土壤SOC含量（圖1（b），P＜0.01）；而在施用生物質(zhì)炭的處理中，與不施用氮肥的處理相比，氮肥的施用顯著增加了土壤SOC含量。其主要原因是長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)氮肥降低了土壤C/N，加速了土壤中原有SOC分解，導(dǎo)致土壤中積累的SOC總量下降［17］。此外，與不施用氮肥的處理相比，氮肥的施用顯著降低了土壤pH（圖1（d），P＜0.01），這與之前研究的結(jié)果［18］一致。其主要原因是由于氮肥的大量施用增加了硝化作用的底物NH4+離子，促進(jìn)了硝化作用，加速了土壤中H+的累積［19］；此外，由于集約化蔬菜生產(chǎn)頻繁地灌溉導(dǎo)致大量的NO-3淋洗，同樣加劇了菜地土壤酸化過(guò)程。同時(shí)，氮肥的大量施用還導(dǎo)致了土壤電導(dǎo)率的明顯上升（圖1（e），P＜0.01），這是由于氮肥的施用引起的pH下降會(huì)顯著促進(jìn)土壤中金屬離子含量的上升，尤其是可溶性Al3+離子濃度的上升［20］，從而顯著增加土壤電導(dǎo)率。此外，氮肥的大量施用顯著增加了菜地土壤BD（圖1（f），P＜0.01），降低了孔隙度。這是因?yàn)楦呋释度雽?dǎo)致耕地土壤SOC出現(xiàn)嚴(yán)重的退化［21-22］, 導(dǎo)致了菜地土壤的板結(jié)等負(fù)面結(jié)果。

集約化蔬菜生產(chǎn)施肥量較大，其施入量遠(yuǎn)高于蔬菜作物的需求量。本研究中，各處理土壤剖面（0～100 cm）NO3--N累積量范圍為125.3～419.9 kg·hm-2（圖3），其主要原因是菜地施肥量大以及頻繁和過(guò)量灌水，不僅使硝態(tài)氮在蔬菜植株內(nèi)大量累積，還在菜地土壤中大量殘留，使菜田土壤的硝態(tài)氮?dú)埩袅棵黠@高于一般農(nóng)田。王朝輝等［23］的研究表明，常年露天菜地200 cm土層的硝態(tài)氮?dú)埩艨偭靠蛇_(dá)1 359 kg·hm-2，兩年大棚菜田為1 412 kg·hm-2，而一般農(nóng)田僅為245 kg·hm-2。蔬菜作物的根系分布較淺，殘留在菜地土壤深層的硝態(tài)氮難以被重新吸收利用，加之硝態(tài)氮又不易被土壤膠體吸附，在雨水和灌溉水的淋洗作用下會(huì)不斷向土壤深層遷移，污染菜區(qū)的地下水環(huán)境。此外，集約化蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)農(nóng)事操作頻繁，灌溉量大，這又加大了土壤NO3--N淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。本試驗(yàn)中，氮肥的施用同時(shí)顯著增加了菜地土壤各個(gè)層次的無(wú)機(jī)氮含量（圖2，P＜0.05），進(jìn)而增加了菜地剖面無(wú)機(jī)氮累積量（圖3，P＜0.05）。因此，合理施用和管理氮肥，減少集約化菜地生態(tài)系統(tǒng)土壤氮素的盈余量，是實(shí)現(xiàn)集約化蔬菜可持續(xù)生產(chǎn)的重要措施。

3.2 施用生物質(zhì)炭對(duì)集約化菜地土壤肥力質(zhì)量的影響

生物質(zhì)炭由于其穩(wěn)定的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)和疏松多孔的結(jié)構(gòu)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)試驗(yàn)中，以探究生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)田土壤的改良作用［24］。本試驗(yàn)中，生物質(zhì)炭的施用也顯著增加了土壤TN含量（圖1（a），P＜0.05），其主要原因是由于生物質(zhì)炭中含有一部分氮素化合物，施入土壤中會(huì)帶來(lái)額外的氮素［25］。本試驗(yàn)采用的生物質(zhì)炭TN含量為5.9 g·kg-1，是土壤TN增加的主要來(lái)源之一；此外，生物質(zhì)炭的施入能夠增加蔬菜產(chǎn)量（圖4），因此會(huì)增加蔬菜的根系分泌物。據(jù)研究顯示，根系分泌物的量占作物產(chǎn)量的7%［26］，因此，施用生物質(zhì)炭的菜地土壤中，土壤TN含量會(huì)呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)。除此之外，生物質(zhì)炭的施用顯著增加了土壤SOC含量，并且土壤SOC增加量隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而提高（圖1（b），P＜0.05）。Biederman和Harpole［27］的薈萃分析研究中指出，與不施用生物質(zhì)炭的處理相比，生物質(zhì)炭的施用可使土壤SOC含量增加61%，這與本試驗(yàn)的研究結(jié)果基本一致。其主要的原因在于生物質(zhì)炭含有大量的惰性碳成分，這些惰性碳成分可以有效地對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)起到固碳的效果，而且可以維持幾十年甚至幾百年［28］，而這也是土壤SOC增加量隨著生物質(zhì)炭量增加而增加的原因。Laird等［29］對(duì)美國(guó)六個(gè)不同地點(diǎn)溫帶土壤施用生物質(zhì)炭的研究表明，生物質(zhì)炭的施用能夠在長(zhǎng)期時(shí)間尺度上提高48%的土壤SOC含量，從而減少作物生長(zhǎng)的限制因素。此外，在不施用生物質(zhì)炭的處理中，氮肥施用降低了土壤的SOC含量，而在施用生物質(zhì)炭的處理中，氮肥的施用則增加了土壤SOC含量，這顯示出生物質(zhì)炭與氮肥對(duì)土壤SOC的交互作用（P＜0.01）。因此，生物質(zhì)炭的施用能夠緩解氮肥過(guò)量施用所產(chǎn)生的土壤SOC下降，是一種合理的保持土壤SOC穩(wěn)定的措施。此外，生物質(zhì)炭的施用還顯著增加了菜地土壤的CEC含量（圖1（c），P＜0.01），其主要原因是生物質(zhì)炭比表面積大，且氧化作用顯著增加了生物質(zhì)炭表面的含氧官能團(tuán)，從而增強(qiáng)對(duì)陽(yáng)離子的吸附能力［5］。因此，生物質(zhì)炭的施用能夠降低養(yǎng)分淋洗，其含有高濃度礦質(zhì)元素、豐富的表面官能團(tuán)以及較高CEC，能夠不同程度上提高農(nóng)田土壤養(yǎng)分的生物有效性，增加農(nóng)田土壤養(yǎng)分循環(huán)的效率。

多數(shù)試驗(yàn)中，生物質(zhì)炭的施用會(huì)顯著提高土壤pH，這是由于生物質(zhì)炭中的灰分成分呈現(xiàn)堿性，對(duì)土壤的酸堿度存在緩沖作用［27］。而本試驗(yàn)中，在不施用氮肥的處理中，生物質(zhì)炭的施用顯著提高了菜地土壤pH，而在施用氮肥的土壤中顯著降低了菜地土壤pH，顯示出生物質(zhì)炭與氮肥對(duì)土壤pH影響的交互作用（圖1（d），P＜0.01）。主要原因有以下幾點(diǎn)：第一，相比不施用氮肥的處理，生物質(zhì)炭與氮肥的聯(lián)合施用會(huì)更有效增加作物產(chǎn)量（圖4），從而吸收更多的NH4+離子，這會(huì)向土壤中排放H+來(lái)保持菜地土壤的電中性，因此，在生物質(zhì)炭與氮肥共同施用處理中，生物質(zhì)炭的施用顯著降低了菜地土壤pH。第二，由于長(zhǎng)期的大量施肥導(dǎo)致菜地土壤酸化，異養(yǎng)硝化速率提高［30］；雖然生物質(zhì)炭被認(rèn)為是非常穩(wěn)定的物質(zhì)，但是在施入菜地土壤的前期由于其激發(fā)作用和一部分碳源的分解會(huì)促進(jìn)菜地異養(yǎng)硝化作用，導(dǎo)致施肥的菜地土壤pH顯著下降［31］。此外，生物炭施入農(nóng)田后在不同程度上有利于增加土壤總孔隙度、毛管孔隙度和通氣孔隙度，從而提高土壤田間持水量和有效水含量［32］，這對(duì)于增加作物根系對(duì)土壤水分和水溶性礦質(zhì)養(yǎng)分的利用效率具有重要意義。本試驗(yàn)中，生物質(zhì)炭的施用顯著降低了土壤BD，并且在各施氮水平上，土壤BD均隨生物質(zhì)炭施用量的增加而呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)（圖1（f），P＜0.01），其原因除了生物質(zhì)炭密度較低，具有一定的稀釋作用外，還與施用其導(dǎo)致土壤微生物活性增加、團(tuán)聚性增強(qiáng)［33］從而使土壤結(jié)構(gòu)得到改善有關(guān)。

本試驗(yàn)中，對(duì)各處理菜地土壤剖面無(wú)機(jī)氮含量的分析中可以看出，生物質(zhì)炭的施用能夠顯著影響各處理菜地土壤剖面無(wú)機(jī)氮的含量和分布。從圖2可以看出，生物質(zhì)炭的施用對(duì)菜地0～20 cm土層的NH4+-N含量無(wú)顯著影響，而在20～40、60～80和80～100 cm土層顯著降低了土壤NH4+-N含量（P＜0.01）。生物質(zhì)炭對(duì)菜地各處理土壤剖面NO3--N的影響趨勢(shì)與NH4+-N呈現(xiàn)相似的規(guī)律。生物質(zhì)炭在0～20 cm土層顯著提高了NO3--N含量（P＜0.01），但在其他四個(gè)土層顯著降低了NO-3-N的含量（圖2，P＜0.01）。其主要的原因是生物質(zhì)炭能夠促進(jìn)菜地土壤氮素的硝化作用，因此增加了表層土壤的NO3--N含量；由于生物質(zhì)炭對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮素的吸附攔截作用［34］，一部分無(wú)機(jī)氮會(huì)殘留在表層土壤中，導(dǎo)致生物質(zhì)炭對(duì)菜地土壤下層無(wú)機(jī)氮的影響規(guī)律與表層出現(xiàn)相反的趨勢(shì)。

3.3 施用生物質(zhì)炭和氮肥處理下集約化菜地土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)是對(duì)目標(biāo)土壤生產(chǎn)力進(jìn)行綜合鑒定，而作物產(chǎn)量則是土壤肥力質(zhì)量的重要體現(xiàn)。目前，研究者除用作物產(chǎn)量評(píng)價(jià)土壤肥力外，多采用主成分分析法來(lái)定量評(píng)價(jià)土壤肥力質(zhì)量［14］，通過(guò)計(jì)算不同土壤理化性質(zhì)指標(biāo)與其所占權(quán)重計(jì)算其綜合得分，比較不同處理或地區(qū)的土壤肥力質(zhì)量高低。在本研究中，生物質(zhì)炭的施用顯著提高了蔬菜總產(chǎn)量以及氮肥偏生產(chǎn)力（圖4，P＜0.01），說(shuō)明生物質(zhì)炭的施用能夠有效提高菜地土壤生產(chǎn)力；此外，土壤TN（圖4（c））與SOC（圖4（d））含量與作物產(chǎn)量均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而生物質(zhì)炭的施用能夠顯著的提高土壤TN與SOC含量（P＜0.01），表明其施用能夠有效提高土壤肥力。此外，主成分分析結(jié)果表明，生物質(zhì)炭的施用能夠提高菜地土壤肥力質(zhì)量綜合得分，且B2水平生物質(zhì)炭與B1水平相比配合氮肥的施用能夠更有效地提高土壤肥力質(zhì)量綜合得分（表3）。因此，本研究推薦常規(guī)施肥配施40 t·hm-2生物質(zhì)炭處理為提高菜地土壤肥力質(zhì)量的最佳處理。

4 結(jié) 論

氮肥的施用顯著提高土壤TN、SOC、EC、CEC、BD和菜地土壤剖面各土層的無(wú)機(jī)氮素含量，并且顯著降低了土壤pH；生物質(zhì)炭的施用能夠顯著增加菜地土壤TN、SOC和CEC，并且顯著降低菜地土壤EC和BD。生物質(zhì)炭在不施用氮肥的土壤中顯著提高了菜地土壤pH，但是在施用氮肥的土壤中顯著降低了土壤pH。生物質(zhì)炭的施用增加了菜地土壤表層土壤（0～20 cm）的NO3--N含量，但是顯著降低了其他四個(gè)土層的NO3--N含量。生物質(zhì)炭的施用顯著降低了菜地土壤剖面（0～100 cm）的NH4+-N的累積量（P＜0.05），而對(duì)菜地土壤剖面NO3--N累積量無(wú)顯著影響。此外，生物質(zhì)炭的施用能夠顯著提高蔬菜產(chǎn)量與氮肥偏生產(chǎn)力（P＜0.01），并且提高菜地肥力質(zhì)量的綜合得分。因此，生物質(zhì)炭配合常規(guī)施肥施用是一種合理的提高菜地土壤肥力質(zhì)量的措施。