王 湛 李銀坤 王利春 郭文忠 徐志剛

(1.北京農業(yè)智能裝備技術研究中心， 北京 100097； 2.南京農業(yè)大學農學院， 南京 210095)

0 引言

寧夏是“冬菜北上，夏菜南下”和內陸出口蔬菜的重點生產區(qū)域，也是供港有機蔬菜的重要生產基地[1]。當地水資源量少，蒸發(fā)強度大，地下水位深，蔬菜生產用水以引黃灌溉為主，由于地勢起伏大，引水工程造價高，使得山區(qū)用水成本高，水資源顯得尤為珍貴[2]。但蔬菜生產中大引大排現象依舊存在，不僅造成大量水資源浪費，還產生次生鹽漬化等一系列問題[3]。近年來，隨著當地工業(yè)園區(qū)、化工基地、城市生態(tài)水利等的建設，全區(qū)生活、生產、生態(tài)用水之間的矛盾將更加尖銳，土壤缺水干旱已成為限制當地農業(yè)發(fā)展的重要因素[3]。因此通過合理的措施提高土壤貯水性能及作物水分利用效率是當地有機農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。

當地有機蔬菜以菜心(BrassicacampestrisL. ssp.chinensisvar.utilisTsen et Lee)、芥藍等葉菜為主，生產過程中常以腐熟的牛、羊糞等作為肥源，施肥種類單一，長期施用單一的有機肥同樣易造成次生鹽漬化、養(yǎng)分不平衡等一系列生態(tài)環(huán)境問題[1]。生物炭為農林廢棄物在缺氧條件下高溫裂解生成的富碳產物[4]。相關研究表明，將生物炭施入土壤中能夠降低長期施用單一肥料產生的危害，且具有增加水分庫容作用[5-6]。AMYMARIE等[7]研究發(fā)現，生物炭對水分的吸持能力比有機質高1～2個數量級，土壤含水率相比不施生物炭約增加18%。齊瑞鵬等[8]研究表明，生物炭可增加風沙土水分入滲量，提高土壤含水率，增加作物產量，進而提高水分利用效率[9]；勾芒芒等[10]用室內盆栽方法定量分析砂壤土中添加生物炭后對水分利用效率的影響，結果表明生物炭添加可顯著增加土壤含水率。目前有關生物炭在農業(yè)中的應用研究多集中在室內模擬、短期大田和盆栽試驗上，而關于有機蔬菜地施用生物炭的研究報道較少，尤其在西北旱區(qū)水資源短缺條件下，生物炭施用對有機菜地作物水分利用影響的研究更為少見。本研究基于田間小區(qū)定位試驗，研究有機肥配施生物炭對有機蔬菜地土壤水分動態(tài)變化及作物水分利用效率的影響，以明確有機蔬菜地合理培肥模式及其在提高西北旱區(qū)土壤貯水性能方面的作用與效果。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況及生物炭

試驗設在寧夏回族自治區(qū)吳忠市孫家灘吳忠國家農業(yè)科技園區(qū)(37°32′23″N，106°14′30″E)，該園區(qū)為供港有機蔬菜(主要為葉菜)的重要生產基地，菜心有較大栽培面積。當地屬溫帶半干旱半濕潤地區(qū)，降雨量166.9～647.3 mm，主要集中在6—9月，蒸發(fā)量1 312.0～2 204.0 mm，無霜期105～163 d，日照時數2 250～3 100 h，平均氣溫5.3～9.9℃。試驗當年5—6月氣溫變化幅度大，為8.0～47.1℃，7—8月為20.4～33.6℃，9—11月變化幅度最小，為10.9～25.6℃。

供試土壤為砂壤土，播前0～20 cm土壤有機質質量比1.57 g/kg，全氮質量比0.20 g/kg，速效鉀質量比(K2O)130.2 mg/kg，有效磷質量比(P2O5)12.9 mg/kg。有機肥為腐熟牛糞，全氮質量比12.9 g/kg，有機質質量比194.9 g/kg，速效鉀質量比10.1 g/kg，有效磷質量比1.18 g/kg。生物炭為玉米芯在550℃條件下熱解制備，全碳質量比為289.0 g/kg，全氮質量比為40.0 g/kg，有效磷質量比0.97 g/kg，速效鉀質量比4.27 g/kg。

1.2 試驗設計

試驗于2016年進行，當年布置3茬試驗，1、2、3茬分別于5月13日、7月15日、9月10日由播種機播種，種植作物為菜心，品種為油綠702(當地主栽品種)，播種行距15 cm，兩葉一心時間苗，間苗后平均株距為10 cm，分別于當年6月23日、8月18日、10月22日統(tǒng)一收獲。試驗設單施有機肥(MC0)、有機肥配施低量生物炭(MC1)、有機肥配施高量生物炭(MC2)和不施肥(CK)4個處理，3次重復，完全隨機排列。其中有機肥施用量為當地菜農習慣用量(110 t/hm2)；生物炭用量依據文獻中平均用量的較低和較高量施加[11]，處理MC1和MC2用量分別為8.5、17 t/hm2；生物炭和有機肥在每年種植第1茬作物前一次性均勻翻入0～20 cm土層，試驗小區(qū)面積4.2 m×1.4 m，小區(qū)與小區(qū)間隔0.3 m作為緩沖帶。每個小區(qū)內均勻鋪設4條滴灌帶，滴頭間距10 cm，流量2.8 L/h，同時小區(qū)中間安裝一根深度1 m的探管，用TDR型時域反射計(PICO-BT，Andres Industries AG)每2～3 d測定0～20 cm土層含水率，當灌水或降雨后增加測量頻率。為保證各小區(qū)灌水量一致，當某小區(qū)實測含水率低于田間持水率(文中未標明土壤含水率均為體積含水率)的80%時灌溉，灌溉到該小區(qū)田間持水率的100%，灌水量計算公式為

I=100(θf-θi)γHp

(1)

式中I——灌水量，mm

θf——田間最大質量持水率，處理CK、MC0、MC1和MC2分別為19.5%、22.5%、18.8%和26.3%

θi——各處理實測含水率，%

γ——土壤容重，處理CK、MC0、MC1、MC2分別為1.48、1.35、1.36、1.21 g/cm3

H——土層深度，取0.2 m

p——滴灌水分利用效率，取0.95[12]

1.3 觀測項目及方法

1.3.1生長指標及生物量

收獲時隨機選取3株菜心，株高和葉圍面積(以單株菜心冠層最長處為長，與其垂直冠層長度為寬，二者相乘)由直尺測量(0.1 mm)，葉片數為單株全部綠葉數，洗去植株表面灰塵后在105℃殺青30 min，然后80℃干燥至恒定質量，測定生物量。

1.3.2產量和品質

圖1 0～20 cm土層含水率動態(tài)變化Fig.1 Dynamics change of water content of 0～20 cm topsoil

菜心成熟后每小區(qū)取1 m2(1 m×1 m)用電子天平(精確到0.01 g)進行計產，采收時基部留3片葉，切口要平。將收獲后的菜薹進行品質分析，其中硝酸鹽含量采用硫酸-水楊酸法測定，維生素C采用2,6-二氯酚靛酚滴定法。

1.3.3菜心耗水量及水分利用效率

在菜心種植前及收獲后，用TDR測量0～70 cm土層含水率，每10 cm為一層。土壤貯水量計算公式為

E=10CH

(2)

式中E——貯水量，mm

C——土壤水分體積分數，%

本試驗所選旱地地面平整，土層深厚，土質均一，生育期無降雨發(fā)生，地下水位深，因此不考慮地下水補給的影響；且試驗期間根據田間持水率灌溉，每次灌溉量較少，故地表徑流與地下水位滲漏均不考慮?；谝陨戏治?，由簡化的水分平衡方程計算菜心耗水量[13]，即

ET=I+ΔH

(3)

式中ET——田間耗水量，mm

ΔH——菜心生育期前后70 cm土壤貯水量變化，mm

產量水分利用效率計算公式為[14]

Ywue=Y/ET

(4)

式中Ywue——產量水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——菜心產量(鮮質量)，kg/hm2

生物量水分利用效率計算公式為

Bwue=B/ET

(5)

式中Bwue——生物量水分利用效率，kg/(hm2·mm)

B——菜心生物量，kg/hm2

1.4 數據分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2013數據整理，Origin 93(2016)繪圖，用SPSS 18.0進行統(tǒng)計分析，對于測定結果進行F檢驗，差異顯著性采用LSD法進行比較。

2 結果與分析

2.1 0～20 cm土層水分動態(tài)變化特征

由圖1(圖中*表示當天進行灌水)可知，各處理0～20 cm土層含水率在不同茬口內的變化趨勢相同，土壤水分隨著菜心生長時間的延長均有較大波動，其峰值出現次數與試驗期間灌水次數一致，說明灌水是不同茬口0～20 cm土壤水分變化的重要因素。

土壤含水率的變化幅度隨茬口的推進呈降低趨勢，與溫度波動呈顯著正相關(P<0.05，數據未顯示)，其中第1茬土壤含水率波動幅度為10.5%～31.2%，而第3茬僅在20.9%～30.5%之間波動。說明隨茬口的推進含水率變化幅度降低可能是氣溫變化引起的。添加生物炭的處理(MC1和MC2)土壤水分具有較低波動幅度，其中處理MC0變化幅度分別為12.4%～29.0%、18.1%～28.9%和19.6%～28.8%，處理CK變化幅度分別為10.5%～27.2%、15.7%～27.5%和20.9%～26.8%，而處理MC1第1、2、3茬變化幅度為15.4%～30.4%、21.0%～30.3%和21.4%～30.4%。從周年平均含水率分析，處理MC2條件下含水率最高，為26.2%，其次為處理MC1的25.2%，均顯著高于處理MC0的24.1%和CK的22.7%。由此可見，有機肥配施生物炭不僅可以降低0～20 cm土層水分變化幅度，而且可增加土壤含水率，分析原因主要是生物炭具有高表面積，當加入土壤時，土壤表面積增加，對土壤整體的吸附能力有益，隨后提高土壤保水性。

2.2 菜心耗水量

由表1可知，處理MC1種植前的0～70 cm土層貯水量相比其他處理無顯著性差異，但在收獲時的土壤貯水量則顯著增加。與處理MC0、MC2和CK相比，處理MC1收獲后的土壤貯水量分別增加5.4%～12.9%、15.7%～31.9%和3.9%～16.9%(P<0.05)。而處理MC2與MC0相比，第1茬、第2茬和第3茬收獲時土壤貯水量無顯著差異。這說明有機肥配施低量生物炭可提高0～70 cm土層貯水量，而配施高量生物炭0～70 cm土層貯水量反而降低，由于高量生物炭處理的0～20 cm土層含水率較處理MC0顯著升高(P<0.05，圖1)，因此加入高量生物炭可抑制水分下滲，降低20～70 cm土層貯水量。

表1 有機肥配施生物炭對菜心耗水量的影響Tab.1 Influence of organic fertilizer combined with biochar on water consumption mm

注：同茬中，同一列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。下同。

從耗水量看，不同處理在各茬中的耗水量由大到小均表現為CK、MC0、MC2、MC1，配施生物炭處理耗水量均小于單施有機肥及對照處理。其中處理MC1周年耗水量較處理MC2、MC0和CK分別降低3.6%、6.8%、13.7%(P<0.05)，處理MC2與MC0相比周年耗水量降低3.4%(P<0.05)。

2.3 菜心生長指標

將有機肥和生物炭在第1茬菜心種植前一次性加入土壤中來探索有機菜心的周年變化，發(fā)現各處理隨茬口的推進生長指標和產量呈下降趨勢，如圖2所示，可能是隨著茬口的推移，土壤養(yǎng)分持續(xù)降低造成的。在不同處理下，各生長指標具有相似的變化規(guī)律，處理MC1最高，顯著大于其他各處理(除第3茬株高外)。其中第1茬，處理MC1與常規(guī)施肥MC0相比，株高、葉片數和葉圍面積分別提高32.2%、21.1%和17.9%(P<0.05)；而處理MC2與MC0相比，菜心葉圍面積和葉片數雖呈降低變化，但株高卻顯著增加(P<0.05)。這表明有機菜田中配施生物炭對菜心生長有明顯促進作用，但生物炭用量與菜心生長間并不呈正相關，以配施低量生物炭的效果更優(yōu)。

圖2 有機肥配施生物炭對菜心生長的影響Fig.2 Influence of organic fertilizer combined with biochar on growth of flowering Chinese cabbage

2.4 菜心產量及水分利用效率

不同處理下菜心產量和生物量變化規(guī)律相似(數據未顯示)，其中處理MC1最高，顯著高于MC0和CK處理。與MC0和CK相比，處理MC1的菜心周年產量分別增加59.1%和2 182.7%，生物量分別增加36.7%和608.7%。處理MC2與MC0相比，菜心的周年產量顯著增加，但與MC1相比反而降低。由此分析，配施生物炭可顯著提高菜心產量，且低量生物炭處理的效果更優(yōu)、更穩(wěn)定。

從水分利用效率角度分析，各處理產量水分利用效率由大到小表現為MC1、MC2、MC0、CK。處理MC1與CK相比，周年水分利用效率提高2 264.8%，與MC0和MC2相比也分別提高75.7%和49.8%。處理MC1還具有提高菜心生物量水分利用效率的作用，與處理MC2、MC0和CK相比，分別提高45.4%、46.6%和720.1%。處理MC2下產量水分利用效率較MC0高，但低于MC1處理。總體

而言，有機肥配施生物炭不僅增加菜心產量，而且提高水分利用效率，以低量生物炭處理的作用更大。

2.5 菜心營養(yǎng)品質

硝酸鹽含量為評價蔬菜安全的指標，本試驗中各處理菜薹硝酸鹽質量比為0.24～1.53 mg/g(表2)，遠低于國家對無公害蔬菜安全要求的標準。生物炭配施的培肥模式菜薹硝酸鹽含量低于單施有機肥培肥模式，與MC0相比，處理MC1的第1、2、3茬菜薹硝酸鹽含量降低44.3%、20.0%和27.0%，處理MC2分別降低27.5%、16.1%和9.3%。維生素C(Vc)為評價菜薹營養(yǎng)品質的重要指標。處理MC2和MC1與MC0相比，菜薹維生素C無顯著性差異。總體而言，配施生物炭培肥模式降低硝態(tài)氮含量，保持菜薹中的維生素C含量，具有較佳的菜薹品質。

表2 配施不同量生物炭對菜心品質的影響Tab.2 Influence of different amount of biochar on quality of flowering Chinese cabbage

注：ADI表示我國蔬菜的硝酸鹽允許量。

3 討論

3.1 配施生物炭下土壤水分的變化

水是維持植物生命活動的重要物質，是植物制造有機物質不可或缺的基礎[12,15]。文獻[12]表明，持續(xù)穩(wěn)定的適宜水分供給具有顯著的增產提效作用，但有機蔬菜生產中，表層土壤水分變化劇烈，嚴重制約著有機蔬菜產業(yè)的發(fā)展[14]。HAIDER等[16]發(fā)現，生物炭可協(xié)調作物需水和土壤供水間的矛盾，增加土壤保水性能，提高作物水分利用效率。從本試驗結果看，各茬土壤含水率峰值出現次數與灌水次數相同，且均在灌水當天出現，說明灌水為影響土壤水分的重要因素。試驗期間各小區(qū)灌水相同，處理MC1和MC2的0～20 cm土層周年含水率分別在15.4%～30.4%和15.6%～31.2%區(qū)間變化，低于傳統(tǒng)單施有機肥處理(MC0)的變化幅度(12.4%～29.0%)，而平均含水率分別高出MC0處理4.7%和8.6%(P<0.05)。表明生物炭可提高有機菜地表層含水率、降低水分變化幅度。

有研究認為，生物炭保水作用是持水性與斥水性相互作用的結果[17-19]，持水性為吸附和固定水分的能力[5-6]，增加土壤含水率[20]，斥水性指生物炭添加的土壤無法被水濕潤的現象[17]。灌水在斥水的土壤表面時，水珠停留在地表數小時不能入滲，以蒸發(fā)的形式損失，降低了土壤含水率[21]。大多數生物炭中，95%的孔隙直徑小于0.02 μm，而有機菜地以施用有機肥為主，耕層土壤容重低，孔徑大，當生物炭用量高時，將阻塞土壤的原有孔隙，阻止灌水下滲，表現為強斥水性[22-24]。本試驗中，處理MC2與MC1相比，0～20 cm土層周年含水率增加3.8%(圖1)，而收獲后(0～70 cm)土壤貯水量平均降低8.6%(P<0.05)。試驗用地平整，地下水位高，無地下水補給，說明高量生物炭具有強的持水性，可提高0～20 cm土層含水率，而斥水作用和細粒子結構阻塞了灌溉水下滲[25]，增強土壤表面蒸發(fā)[22,26]，因此降低了下層含水率，從而降低收獲期貯水量(表1)。

3.2 配施生物炭下有機菜心產量及品質的變化

適宜的較高水分供應是促進植株生長，提高產量的關鍵所在。本試驗條件下，處理MC1和MC2株高和周年產量較處理MC0顯著增加(P<0.05)?？梢?，與常規(guī)施肥相比，配施生物炭可顯著促進菜心生長，增加其產量。研究表明，生物炭實際可供作物利用的養(yǎng)分含量并不多，可促進作物生長原因可能為其表面積高，當加入土壤時，土壤表面積增加，對土壤整體的吸附力有益，隨后提高土壤保水性[27]。李紹等[28]發(fā)現，較高的土壤水分供應可提高植株葉片中RuBP羧化酶活性，繼而提高植株光合潛力和生產潛能。處理MC1和MC2菜薹硝酸鹽含量較MC0相比均顯著降低(表2)。由此可見，相對于傳統(tǒng)單施有機肥培肥模式，生物炭培肥為提高有機菜心產量提供了新的技術途徑。

生物炭用量與菜心生長及產量間并不呈正相關。處理MC1生長指標、生物量和產量均達最大值，顯著高于CK、MC0和MC2；而處理MC2與MC1相比各生長指標、生物量和產量均顯著降低(P<0.05，圖2)。關于適量生物炭可更有效地促進作物生長，提高作物產量也有一些報道[19]，如UZOMA等[11]將生物炭應用于砂質土壤中發(fā)現，當生物炭用量為15 t/hm2和20 t/hm2時，玉米產量分別提高150%和98%(P<0.05)。KISHIOMOTO等[29]在土壤中添加生物炭0.5 t/hm2時，大豆產量可以提高50%，然而隨著生物炭用量增加，產量反而呈減小趨勢。究其原因是高量生物炭處理具有強的吸附性，可降低水分的生物有效性，大量的細粒子結構增加0.000 3～0.03 μm的孔隙數量，而大多數植物不能從小于0.2 μm的孔隙中提取土壤水[23-24]。同時其斥水性降低深層土壤含水率，導致深層土壤可補給的水分量降低，因此抑制作物生長，降低作物產量。

另外，生物炭具有較高的碳氮比(本試驗生物炭碳氮比為72.3)，施用高量生物炭(處理MC2的碳氮比為35.5)使得微生物對氮產生強烈的生物固定[30]，導致氮的生物利用率降低[31]，進而對作物生長產生負效應。

3.3 配施生物炭下菜心耗水及水分利用效率的變化

試驗中，菜心耗水量隨生物炭用量的增加呈先增加后降低的變化趨勢(表1)，其中以處理MC1最高，顯著高于MC0，而處理MC2與MC0相比無顯著性差異。這與HAIDER等[16]研究結果一致。MC1處理的0～20 cm土層含水率較高，菜心生長旺盛(圖1)，地表裸露率降低，因此土壤表層蒸發(fā)減少，貯水量增加(表1)。另外，生物炭可改善耕層土壤結構，改變灌水入滲過程，增加水分入滲量[24]，最終增加土壤貯水量。種植前，各處理土壤貯水量無顯著差異，收獲后MC1的平均貯水量分別比處理MC0、MC2和CK增加12.3%、8.6%和20.2%(P<0.05)，因此能夠降低菜心周年耗水，并可顯著提高菜心水分利用效率，其中處理MC1與MC0相比，生物量水分利用效率可提高46.6%(P<0.05)，產量水分利用效率可提高75.7%(P<0.05)。可見，相對于單施有機肥培肥模式，配施低量生物炭不僅降低有機菜心耗水量，并顯著提高水分利用效率。

4 結論

(1)配施8.5 t/hm2和17 t/hm2生物炭與單施有機肥相比，0～20 cm土層水分波動小，而平均含水率分別提高4.7%和8.6%(P<0.05)，0～70 cm土壤貯水量分別提高12.3%與3.4%，說明有機菜田中配施生物炭的培肥模式可提高0～20 cm土層含水率，降低水分變化幅度，最終增加0～70 cm土壤貯水量。

(2)生物炭配施量為8.5 t/hm2時，菜心株高、葉片數、葉圍面積均為各處理最高，生物量比常規(guī)施肥分別提高36.7%，且為各處理最高，而配施17 t/hm2生物炭的生物量顯著低于配施8.5 t/hm2生物炭，說明有機菜田配施低量生物炭為促進作物生長的最優(yōu)模式。

(3)配施8.5 t/hm2生物炭產量及產量水分利用率比常規(guī)施肥分別提高59.1%和75.7%的同時，硝酸鹽含量顯著降低。而配施17 t/hm2生物炭周年產量雖增加，但顯著低于配施8.5 t/hm2生物炭。因此配施低量生物炭的配施模式不僅能確保有機菜心高產，而且可顯著提高水分利用效率，保證菜心品質。