張志龍，陳效民*，李小萌，曲成闖，張 俊，黃春燕，劉云梅

生物質(zhì)炭與化肥配施對連作黃瓜產(chǎn)量及肥料利用率的影響①

張志龍1，陳效民1*，李小萌1，曲成闖1，張 俊2，黃春燕2，劉云梅2

(1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095；2 如皋市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇如皋 226500)

在如皋農(nóng)科所進(jìn)行黃瓜大棚試驗(yàn)，設(shè)置按常規(guī)施肥(計(jì)為100%，F(xiàn))、減肥10%(F-10%)和減肥20%(F-20%)3個(gè)施肥水平，每個(gè)施肥水平下設(shè)置生物質(zhì)炭添加量為0 t/hm2(CK )、5 t/hm2(C1)、10 t/hm2(C2)、20 t/hm2(C3)、30 t/hm2(C4)和40 t/hm2(C5) 6個(gè)處理，以CK和CF(不施生物質(zhì)炭也不施化肥)處理為對照，測定和分析黃瓜產(chǎn)量以及肥料利用率等相關(guān)參數(shù)。結(jié)果表明，在同一施肥水平下，與CK處理相比，添加生物質(zhì)炭的處理組中黃瓜產(chǎn)量、肥料利用率及相關(guān)指標(biāo)均達(dá)到顯著增加水平(<0.05)，C5處理的黃瓜產(chǎn)量和氮、磷、鉀肥料利用率均達(dá)到最大值。C5處理的黃瓜產(chǎn)量和氮、磷、鉀肥料利用率在F處理水平下分別為27.60 t/hm2、23.75%、3.62% 和24.85%，與CK處理相比，分別提高了59.67%、337.44%、177.94% 和120.69%；在F-10% 水平下分別比CK處理提高了73.88%、163.82%、234.33% 和183.24%；在F-20% 水平下分別比CK處理提高了82.10%、148.73%、246.46% 和215.66%。在相同生物質(zhì)炭添加量的處理中，化肥減施沒有造成C2、C3、C4和C5處理中的黃瓜產(chǎn)量降低，而肥料利用率均呈上升趨勢，在F-20% 處理水平下達(dá)到最高，其與傳統(tǒng)施肥相比，CK、C1、C2、C3、C4和C5的氮肥利用率分別提高了135.42%、145.96%、116.94%、70.47%、63.33% 和33.86%，磷肥利用率分別提高了69.26%、57.31%、59.78%、27.90%、67.91% 和110.99%，鉀肥利用率分別提高了27.90%、99.55%、84.75%、62.97%、60.91% 和82.94%。本試驗(yàn)研究表明，生物質(zhì)炭與化肥配施是減緩連作障礙的有效途徑。

黃瓜產(chǎn)量；肥料利用率；農(nóng)學(xué)效率；偏生產(chǎn)力；表觀回收率

黃瓜是我國重要的大面積栽培蔬菜，市場需求大，經(jīng)濟(jì)效益高，目前我國黃瓜總產(chǎn)量已居世界首位。但由于生產(chǎn)栽培條件及農(nóng)田土地面積的限制和經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，黃瓜連作現(xiàn)象普遍存在[1]。且由于缺少科學(xué)指導(dǎo)，存在化肥施用普遍過量的現(xiàn)象，這些都是導(dǎo)致連作障礙的重要因素。連作障礙會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分、物理性質(zhì)、微生物區(qū)系等的變化，影響作物對土壤養(yǎng)分的吸收，從而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。近年來，隨著對生物質(zhì)炭的研究和利用，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭能在連作土壤中發(fā)揮持久的效果，在降低土壤容重、增大土壤孔隙度、提高養(yǎng)分含量、增強(qiáng)酶活性[3]、增加微生物生物量碳氮含量、調(diào)節(jié)土壤微生態(tài)環(huán)境和降低有毒元素的生物有效性等方面具有顯著的效果[4]，但是生物質(zhì)炭對連作作物的養(yǎng)分吸收、減肥效果及產(chǎn)量等方面的影響卻鮮有報(bào)道。因此，本文在黃瓜連作土壤上通過生物質(zhì)炭與化肥配施，研究不同生物質(zhì)炭添加量和不同施肥水平對連作黃瓜產(chǎn)量的影響，測定黃瓜對養(yǎng)分吸收過程的相關(guān)參數(shù)，探討生物質(zhì)炭與減肥配施對提高連作障礙土壤中植株肥料利用效率的作用效果，為推廣生物質(zhì)炭應(yīng)用、改良土壤理化性狀、保護(hù)水土資源、提高作物產(chǎn)量和減少化肥施用量等方面提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)開始于2016年9月13日，在江蘇省如皋市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所(120°28′54.7″E，32°22′02.7″N)的設(shè)施大棚中進(jìn)行，該研究區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期。供試土壤類型為灰潮土，養(yǎng)分含量較高，土壤基本理化性質(zhì)為：容重1.04 g/cm3，pH 6.44，總孔隙度60.79%，有機(jī)碳17.88 g/kg，全氮1.03 g/kg，有效磷142.12 mg/kg，速效鉀455.33 mg/kg。

供試生物質(zhì)炭是小麥秸稈在500 ℃高溫下碳化而成，其基本理化性質(zhì)如下：pH 10.65，全氮10.75 g/kg，全磷2.05 g/kg，全鉀37.45 g/kg，有機(jī)碳364.72 g/kg，灰分22.44%，容重0.45 g/cm3，比表面積8.9 m2/g。

供試黃瓜：博美八號。

供試化肥：金字牌15-15-15復(fù)合肥料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)添加生物質(zhì)炭量，試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)處理，分別為：CK(不施生物質(zhì)炭)、C1(5 t/hm2)、C2(10 t/hm2)、C3(20 t/hm2)、C4(30 t/hm2)和C5(40 t/hm2)，每個(gè)處理3次重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)，采用隨機(jī)區(qū)組排列。然后根據(jù)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施肥量設(shè)置減施化肥處理，將每個(gè)試驗(yàn)處理分成3等份的小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為7 m2，中間用田埂隔開，設(shè)計(jì)3個(gè)化肥施用量，分別為 F (傳統(tǒng)施肥量，1 t/hm2)、F-10% (減少10%，0.9 t/hm2)和F-20% (減少20%，0.8 t/hm2)，并設(shè)置空白組CF(不施生物質(zhì)炭也不施化肥)。生物質(zhì)炭于第一季黃瓜種植前施入土壤，以后不再施加，化肥在每季黃瓜苗期移植前施入土壤。黃瓜每年連作兩季，在黃瓜生長31 d的苗期同一天移入試驗(yàn)大棚中。試驗(yàn)期間，按照設(shè)施大棚標(biāo)準(zhǔn)措施管理，根據(jù)黃瓜生長狀況適當(dāng)澆水和除草，以滿足黃瓜的正常生長條件。

1.3 樣品采集和制備

在連作黃瓜第5季的成熟期，采用S型路線采集0 ~ 20 cm土樣，每個(gè)小區(qū)采集5個(gè)點(diǎn)，混合均勻后作為一個(gè)小區(qū)的代表性樣品。將一部分鮮土立即挑去動(dòng)植物殘?bào)w及石塊等，過2 mm篩放入4 ℃培養(yǎng)箱密封保存。另一部分于室內(nèi)晾干后，挑去動(dòng)植物殘?bào)w及石塊等，磨碎后全部通過2 mm篩，保存在廣口瓶中備用。

在第5季連作黃瓜成熟期采集植株樣，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇3株，將黃瓜根部從土壤中挖出，清洗干凈，并用吸水紙除去表面水分，將根、莖葉、果實(shí)用剪刀剪開，分別封進(jìn)信封袋中。先將鮮樣在80 ~ 90 ℃烘箱中烘15 ~ 30 min，然后降溫至60 ~ 70 ℃，除盡水分，最后在粉碎機(jī)中磨碎并過篩，保存在廣口瓶待測。

1.4 測試項(xiàng)目及方法

土壤NH4+-N采用KCl浸提–蒸餾法測定，NO– 3-N采用酚二磺酸比色法測定，有效磷采用NaHCO3浸提–分光光度法測定，速效鉀采用NH4OAc浸提–火焰光度法測定。

植物全氮采用H2SO4-H2O2消煮，奈氏比色法測定；全磷采用H2SO4-H2O2消煮，釩鉬黃比色法測定；全鉀采用H2SO4-H2O2消煮，火焰光度計(jì)法測定。

氮(磷、鉀)肥利用率(%)=[(施肥區(qū)黃瓜吸收氮(磷、鉀)量–不施肥區(qū)黃瓜吸收氮(磷、鉀)量)/ 氮(磷、鉀)肥施用量]×100

氮(磷、鉀)肥農(nóng)學(xué)效率(kg/kg)=[施氮(磷、鉀)區(qū)產(chǎn)量–不施氮(磷、鉀)區(qū)產(chǎn)量]/ 氮(磷、鉀)肥施用量

氮(磷、鉀)肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=施氮(磷、鉀)區(qū)產(chǎn)量/氮(磷、鉀)肥施用量

表觀回收率(%)=(施肥區(qū)地上部養(yǎng)分吸收量–不施肥區(qū)地上部養(yǎng)分吸收量)/施肥量×100

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)計(jì)算和圖表繪制，采用SPSS19.0進(jìn)行聚類分析和雙變量相關(guān)性分析，通過Duncan法進(jìn)行多變量顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭與化肥配施對連作黃瓜肥料利用率的影響

由圖1可知，在同一個(gè)生物質(zhì)炭處理組中，隨著化肥減施，黃瓜對氮、磷、鉀肥利用率均呈上升趨勢。在CK組中，隨著化肥減施，氮、磷、鉀肥利用率最多分別提高了7.35、0.90和3.14個(gè)百分點(diǎn)。相比CK組的單個(gè)元素肥利用效率的提高幅度，C1、C2、C3、C4和C5處理組的氮、磷、鉀肥利用率最少分別提高了8.05、0.94和13.22個(gè)百分點(diǎn)，均超過CK組的提升幅度，說明添加生物質(zhì)炭可以增加減肥處理帶來的氮、磷、鉀肥利用率提升效果，大大促進(jìn)了黃瓜對土壤中氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收利用。在同一個(gè)施肥水平下，C1、C2、C3、C4和C5處理的氮、磷、鉀肥利用率相比CK處理均顯著提高(<0.05)，且在C5處理時(shí)達(dá)到最大值。在F水平下的C5處理，氮、磷、鉀肥利用率比CK處理分別提高了337.38%、178.46% 和120.69%；在F-10% 水平下的最大值比最低值分別提高了163.95%、235.19% 和183.22%；在F-20% 水平中最大值比最低值分別提高了148.83%、246.82% 和215.69%；說明添加生物質(zhì)炭可以顯著提高連作黃瓜的肥料利用率，減少化肥的損失，促進(jìn)作物生長發(fā)育。

2.2 生物質(zhì)炭與化肥配施對連作黃瓜養(yǎng)分利用參數(shù)的影響

由表1可知，減量施肥能提高生物質(zhì)炭處理的氮磷鉀肥農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力及表觀回收率，其變化規(guī)律為F

同一施肥水平下氮、磷、鉀肥的農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力、表觀回收率均表現(xiàn)為隨著生物質(zhì)炭添加量增加而上升的趨勢，并且C1、C2、C3、C4和C5處理與CK相比差異均顯著(<0.05)，且在C5處理時(shí)達(dá)到最高。F水平下C1 ~ C5處理的農(nóng)學(xué)效率較CK提高了30.40% ~ 128.62%，偏生產(chǎn)力提高了14.10% ~ 59.67%，氮、磷、鉀肥表觀回收率分別提高了45.76% ~ 197.47%、57.17% ~ 132.62% 和13.46% ~ 102.34%。在F-10% 和F-20% 處理的施肥水平下，各指標(biāo)的變化趨勢與常規(guī)施肥處理基本一致。

2.3 生物質(zhì)炭與化肥配施對土壤養(yǎng)分的影響

由表2可知，在同一生物質(zhì)炭處理組中，隨著化肥減施，土壤中NH4+-N、NO– 3-N、有效磷和速效鉀含量也隨之降低，其變化趨勢均為F>F-10%>F-20%，說明降低化肥施用量會(huì)減少土壤中有效養(yǎng)分含量。在同一化肥施用量水平下不同生物質(zhì)炭處理中各養(yǎng)分含量的變化趨勢均表現(xiàn)為CK

表1 生物質(zhì)炭與化肥配施對黃瓜氮、磷、鉀利用效率參數(shù)的影響

注：表中同一行數(shù)據(jù)小寫字母不同表示同一施肥水平不同生物質(zhì)炭處理間差異達(dá)<0.05顯著水平。

表2 生物質(zhì)炭與化肥配施對土壤養(yǎng)分的影響

注：表中同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示同一施肥水平下不同生物質(zhì)炭處理間差異達(dá)<0.05顯著水平。

2.4 生物質(zhì)炭與化肥配施對連作黃瓜產(chǎn)量的影響

由圖2可知，在未添加生物質(zhì)炭的CK組中，各施肥水平下的黃瓜產(chǎn)量均為最低，并隨著化肥的減施黃瓜產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢。在C1組中，F(xiàn)施肥水平下的黃瓜產(chǎn)量高于F-10% 和F-20% 處理，但F-10% 和F-20% 處理的黃瓜產(chǎn)量并沒有明顯的差異。在C2 ~ C5各處理組中，3種施肥水平下的黃瓜產(chǎn)量也沒有明顯的差異，說明添加生物質(zhì)炭在黃瓜不減產(chǎn)的條件下可以降低化肥的施用量。在同一個(gè)施肥水平下，不同生物質(zhì)炭處理間隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，黃瓜產(chǎn)量呈現(xiàn)上升趨勢，在C5處理中達(dá)到最大值，3個(gè)施肥水平下黃瓜產(chǎn)量分別為27.60、26.60 和27.86 t/hm2，比CK處理分別提高了59.63%、67.51% 和82.09%，說明添加生物質(zhì)炭可以顯著提高黃瓜產(chǎn)量(<0.05)。

2.5 不同指標(biāo)之間的相關(guān)性

由表3可知，黃瓜產(chǎn)量與農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力、氮肥利用率、磷肥利用率、鉀肥利用率、氮肥表觀回收率、磷肥表觀回收率、鉀肥表觀回收率和生物質(zhì)炭添加量的相關(guān)性指數(shù)分別為0.954、0.885、0.771、0.795、0.768、0.773、0.799、0.760和0.973，均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與施肥量的相關(guān)性指數(shù)為0.017，呈正相關(guān)關(guān)系；農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力、氮(磷、鉀)肥料利用率、氮(磷、鉀) 肥表觀回收率相互之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；施肥量與農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力、氮(磷、鉀)肥料利用率、氮(磷、鉀) 肥表觀回收率之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與氮(磷、鉀)肥料利用率、氮(磷、鉀) 肥表觀回收率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表3 各指標(biāo)與生物質(zhì)炭添加量和施肥量之間相關(guān)性

注：*、**分別表示指標(biāo)間相關(guān)性達(dá)<0.05和<0.01顯著水平；AE：農(nóng)學(xué)效率；PFP：偏生產(chǎn)力；FUEN：氮肥利用率；FUEP：磷肥利用率；FUEK：鉀肥利用率；REN：氮肥表觀回收率；REP：磷肥表觀回收率；REK：鉀肥表觀回收率。

2.6 生物質(zhì)炭和化肥配施對黃瓜產(chǎn)量及肥料利用效率的聚類分析

對不同生物質(zhì)炭與化肥配施處理下的連作黃瓜產(chǎn)量及肥料利用效率的作用效果進(jìn)行聚類分析(圖3)，在歐氏距離為3.0時(shí)，所有的處理可以分為5類。

第一類包括F施肥水平下的C1、C2、C3處理和F-10% 施肥水平下的C1、C2處理，黃瓜產(chǎn)量范圍為19.21 ~ 20.82 t/hm2，氮、磷、鉀肥利用率范圍分別為9.79% ~ 15.62%、2.50% ~ 3.38% 和13.74% ~ 21.77%。

第二類包括F、F-10%、F-20% 3個(gè)施肥水平下的CK處理，黃瓜產(chǎn)量范圍為15.30 ~ 17.29 t/hm2，氮、磷、鉀肥利用率范圍分別為5.43% ~ 12.78%、1.30% ~ 2.20% 和11.26% ~ 14.40%。

第三類包括F-10% 施肥水平下的C5處理和F-20% 施肥水平下的C4、C5處理，黃瓜產(chǎn)量范圍為26.08 ~ 27.86 t/hm2，氮、磷、鉀肥利用率范圍分別為30.49% ~ 31.80%、5.43% ~ 7.63% 和36.79% ~ 45.46%。

第四類包括F-20% 施肥水平下的C1、C2、C3處理，黃瓜產(chǎn)量范圍為19.11 ~ 23.20 t/hm2，氮、磷、鉀肥利用率范圍分別為24.08% ~ 26.63%、3.93% ~ 4.32% 和27.42% ~ 34.21%。

第五類包括F施肥水平下的C4、C5處理和F-10% 施肥水平下的C3、C4處理，黃瓜產(chǎn)量范圍為23.55 ~ 27.60 t/hm2，氮、磷、鉀肥利用率范圍分別為18.67% ~ 24.06%、3.54% ~ 4.54% 和23.67% ~ 25.38%。

綜上所述，黃瓜產(chǎn)量最高的是第三類，其次是第五類；氮肥利用率最高的是第三類，其次是第四類；磷肥利用率最高的是第三類，其次是第四類和第五類；鉀肥利用率最高的是第三類，其次是第四類。

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭對肥料利用率的影響

土壤的肥力指標(biāo)能夠反映出土壤對作物的養(yǎng)分供給能力和保證作物正常生長的能力，肥料利用率與作物的營養(yǎng)需求和土壤及肥料能夠提供的養(yǎng)分含量密切相關(guān)[5]，土壤中有效養(yǎng)分含量是影響肥料利用率的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)研究表明，添加生物質(zhì)炭可以提高土壤中氮、磷、鉀的有效態(tài)含量，其變化規(guī)律與周桂玉等[6]、韓召強(qiáng)等[3]的研究結(jié)果基本一致。生物質(zhì)炭中的養(yǎng)分主要以碳酸鹽的形式存在[7]，其礦質(zhì)養(yǎng)分含量低，直接的養(yǎng)分作用是有限的[8]，在連作土壤中添加生物質(zhì)炭，可以大大增加土壤對K+、Na+、Ca2+、Mg2+和NH4+的吸持能力[9]，直接降低了土壤養(yǎng)分的淋失，間接提高了肥料利用率[10]。添加量比較大的處理組，隨著連作次數(shù)的增加，生物質(zhì)炭中的碳酸鹽養(yǎng)分隨著中和土壤中的酸性物質(zhì)而不斷交換釋放到土壤中消耗掉，尤其在連作4季后，生物質(zhì)炭本身所含養(yǎng)分基本消耗殆盡[11]，所吸持養(yǎng)分基本來自外源化肥。生物質(zhì)炭一方面通過改善土壤理化性質(zhì)影響氮素的循環(huán)過程，另一方面通過其多孔特性和巨大的比表面積吸附固持氮素養(yǎng)分，進(jìn)而提高了土壤中有效態(tài)氮素含量，而生物質(zhì)炭對土壤中酚類化合物的吸收以及提高土壤中氨氧化細(xì)菌的豐度也能夠促進(jìn)土壤中的硝化作用，進(jìn)而提高土壤中的NO– 3-N含量[12-13]。土壤中有效磷含量的增加是因?yàn)樯镔|(zhì)炭通過降低對磷的吸附增強(qiáng)了磷的有效性[14]，較高pH和CEC的生物質(zhì)炭可以減少鐵和鋁的交換量進(jìn)而增加磷的活性[15]。而土壤中有效性鉀含量升高的原因是生物質(zhì)炭通過與土壤中的鋁離子和氫離子交換，間接提高了土壤有效鉀含量[16]。因此，向連作土壤中添加生物質(zhì)炭可以提高土壤中的有效性氮磷鉀含量，從而提高黃瓜對有效養(yǎng)分的吸收量，增大其肥料利用率。

3.2 生物質(zhì)炭對土壤質(zhì)量的改良機(jī)制

生物質(zhì)炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，添加到土壤中可以降低土壤容重，提高土壤孔隙度，它為黃瓜根系的生長提供了一個(gè)廣闊的生長空間[17]，其多孔的結(jié)構(gòu)特性，也有利于土壤儲存水分[18]，以備作物生育期吸收利用；生物質(zhì)炭加深了土壤顏色，可以吸收更多的熱量，從而提高土壤溫度[19]，更有利于土壤微生物及植物根系的生長；連作土壤呈酸性或微酸性，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分嚴(yán)重淋失，而高溫裂解的生物質(zhì)炭具有更少的酸性揮發(fā)物及更多的灰分，因此它提高了土壤pH，這些為作物的增產(chǎn)提供了良好的土壤環(huán)境。隨著生物質(zhì)炭在土壤中作用時(shí)間延長，生物質(zhì)炭被氧化產(chǎn)生羧基等官能團(tuán)，使土壤陽離子交換量增大，生物質(zhì)炭也可以產(chǎn)生正負(fù)電荷，可以吸持土壤中以及化肥中的有效養(yǎng)分，延緩肥料養(yǎng)分在土壤中釋放和降低淋洗損失，從而提高土壤保肥能力和緩沖性能，為植株提供持續(xù)穩(wěn)定的養(yǎng)分。以上生物質(zhì)炭的種種優(yōu)勢改善了連作土壤的理化性質(zhì)，而導(dǎo)致黃瓜減產(chǎn)的直接原因是土壤生物病原菌和植物寄生性線蟲[20]。隨著連作年限增加，生物質(zhì)炭長期在土壤中易被氧化成腐殖質(zhì)，其優(yōu)越的孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積，可以使各種反應(yīng)酶與反應(yīng)底物結(jié)合，加速酶促反應(yīng)的發(fā)生[21]；豐富的孔隙結(jié)構(gòu)也為土壤微生物提供了可棲息生活的微環(huán)境，生物質(zhì)炭中含有一些低分子易分解的有機(jī)化合物，是微生物易分解碳源，有利于提高土壤微生物生物量和活性[22]。有研究表明，向微酸性土壤中添加生物質(zhì)炭，能明顯改良土壤根際微生物群落結(jié)構(gòu)，提高土壤根際細(xì)菌和真菌的豐度，維持土壤根際微生態(tài)平衡，使根際微生態(tài)環(huán)境更有利于根系生長。

3.3 生物質(zhì)炭與減量施肥對黃瓜產(chǎn)量的影響

Tan等[23]和張功臣[24]等的研究顯示向連作土壤中添加生物質(zhì)炭可以提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)。本試驗(yàn)研究表明，生物質(zhì)炭與化肥配施，與單施化肥或單施生物質(zhì)炭處理相比，黃瓜產(chǎn)量、肥料利用率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力和表觀回收率均有不同程度的提高，且在相同水平的施肥處理中隨著生物質(zhì)炭量的增加，連作黃瓜的產(chǎn)量、肥料利用率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力和表觀回收率均隨之提高；當(dāng)化肥施用量比傳統(tǒng)施肥量減少10% 或20% 時(shí)，添加生物質(zhì)炭量超過10 t/hm2 的炭– 肥配施處理，如：C2、C3、C4和C5組的黃瓜產(chǎn)量并未出現(xiàn)減產(chǎn)現(xiàn)象，且所施養(yǎng)分的肥料利用率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力和表觀回收率均有不同程度的提高。由相關(guān)分析可知，黃瓜產(chǎn)量與肥料利用率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力、表觀回收率及生物質(zhì)炭添加量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。由此可以得出，生物質(zhì)炭通過改善土壤中有效養(yǎng)分狀況，提高所施養(yǎng)分的肥料利用率和表觀回收率，提高了所施養(yǎng)分的農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力，從而使黃瓜增產(chǎn)。以上結(jié)果可能的原因?yàn)椋孩偕镔|(zhì)炭具有極大的比表面積和孔隙度[25-26]以及表面高密度的負(fù)電荷，可以容納并固定土壤中大量的無機(jī)離子及有機(jī)化合物[27-28]，因此具有良好的緩釋作用[29-30]，土壤中攝入的有效養(yǎng)分在生物質(zhì)炭中被大量保留，避免了有效養(yǎng)分的淋溶流失或揮發(fā)損失，為植物的生長提供了穩(wěn)定長效的養(yǎng)分源；②生物質(zhì)炭提高了如固氮菌[31]、硝化細(xì)菌等的根際微生物活性，向土壤中不斷提供養(yǎng)分，補(bǔ)充了土壤中的消耗，增加了土壤中養(yǎng)分含量；③當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的施肥量過高，導(dǎo)致土壤中積累了各種化學(xué)鹽分，造成土壤養(yǎng)分失調(diào)，理化性質(zhì)變差，土壤性狀惡化[32]，而減少施肥量，降低了土壤對鹽基離子的攝入量，從而減緩了土壤連作障礙；④過量的化肥施用，使養(yǎng)分吸收量與施肥量之比降低從而使肥料利用率過低，反之化肥減施后對黃瓜的肥料利用率有促進(jìn)作用。由此可見，向連作土壤中添加生物質(zhì)炭可以通過改善土壤理化性質(zhì)和根際生態(tài)環(huán)境來提高作物的養(yǎng)分吸收從而達(dá)到減施化肥和增產(chǎn)的目的。

4 結(jié)論

1)與單施生物質(zhì)炭或化肥處理相比，生物質(zhì)炭與化肥配施，可以顯著提高連作黃瓜的產(chǎn)量、肥料利用率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力及表觀回收率。生物質(zhì)炭與化肥配施可以明顯提高連作土壤養(yǎng)分含量。

2)在同水平施肥條件下，添加生物質(zhì)炭，可以提高黃瓜產(chǎn)量、肥料利用率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力及表觀回收率。

3)生物質(zhì)炭添加量為10 ~ 40 t/hm2時(shí)，減施化肥10% ~ 20%，不會(huì)引起黃瓜減產(chǎn)，且對連作黃瓜的肥料利用率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力及表觀回收率起到促進(jìn)作用。

4)減施化肥10% 與40 t/hm2生物質(zhì)炭、減施化肥20% 與30 ~ 40 t/hm2生物質(zhì)炭的化肥與生物質(zhì)炭配比對黃瓜產(chǎn)量及肥料利用率等方面具有最高的綜合效率，是比較高效的施肥模式。

5)通過生物質(zhì)炭對連作土壤養(yǎng)分的平衡作用，彌補(bǔ)了化肥施用過量或施用不足導(dǎo)致的對作物的消極影響，從而促進(jìn)黃瓜的生長，提高了產(chǎn)量。

[1] 周新剛. 連作黃瓜土壤生態(tài)環(huán)境特征及對黃瓜生長的影響[D]. 沈陽: 東北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

[2] 吳鳳芝, 趙鳳艷, 劉元英. 設(shè)施蔬菜連作障礙原因綜合分析與防治措施[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 31(3): 241–247.

[3] 韓召強(qiáng), 陳效民, 曲成闖, 等. 生物質(zhì)炭施用對潮土理化性狀、酶活性及黃瓜產(chǎn)量的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2017, 31(6): 272–278.

[4] 孔絲紡, 姚興成, 張江勇, 等. 生物質(zhì)炭的特性及其應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(4): 716–723.

[5] 張福鎖, 王激清, 張衛(wèi)峰, 等. 中國主要糧食作物肥料利用率現(xiàn)狀與提高途徑[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2008, 45(5): 915– 924.

[6] 周桂玉, 竇森, 劉世杰. 生物質(zhì)炭結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其對土壤有效養(yǎng)分和腐殖質(zhì)組成的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 30(10): 2075–2080.

[7] 謝祖彬, 劉琦, 許燕萍, 等. 生物炭研究進(jìn)展及其研究方向[J]. 土壤, 2011, 43(6): 857–861.

[8] Yuan J H, Xu R K. Effects of biochars generated from crop residues on chemical properties of acid soils from tropical and subtropical China[J]. Soil Research, 2012, 50(7): 570–578.

[9] Jones D L, Edwards-Jones G, Murphy D V. Biochar mediated alterations in herbicide breakdown and leaching in soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(4): 804–813.

[10] Steiner C, Glaser B, Geraldes Teixeira W, et al. Nitrogen retention and plant uptake on a highly weathered central Amazonian Ferralsol amended with compost and charcoal[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2008, 171(6): 893–899.

[11] Major J, Rondon M, Molina D, et al. Maize yield and nutrition during 4 years after biochar application to a Colombian savanna oxisol[J]. Plant and Soil, 2010, 333(1/2): 117–128.

[12] DeLuca T H, MacKenzie M D, Gundale M J, et al. Wildfire-produced charcoal directly influences nitrogen cycling in ponderosa pine forests[J]. Soil Science Society of America Journal, 2006, 70(2): 448–453.

[13] Ball P N, MacKenzie M D, DeLuca T H, et al. Wildfire and charcoal enhance nitrification and ammonium-oxidizing bacterial abundance in dry montane forest soils[J]. Journal of Environmental Quality, 2010, 39(4): 1243–1253.

[14] Chintala R, Schumacher T E, McDonald L M, et al. Phosphorus sorption and availability from biochars and soil/biochar mixtures[J]. CLEAN - Soil, Air, Water, 2014, 42(5): 626–634.

[15] Deluca T H, Gundale M J, MacKenzie M D, et al. Biochar effects on soil nutrient transformations//Lehmann J, Joseph S. Biochar for environmental management: Science and technology[M]. London: Earthscan Publications Ltd., 2009: 251–270.

[16] Topoliantz S, Ponge J F, Ballof S. Manioc peel and charcoal: A potential organic amendment for sustainable soil fertility in the tropics[J]. Biology and Fertility of Soils, 2005, 41(1): 15–21.

[17] 何緒生, 張樹清, 佘雕, 等. 生物炭對土壤肥料的作用及未來研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2011, 27(15): 16–25.

[18] Kurosaki F, Koyanaka H, Hata T, et al. Macroporous carbon prepared by flash heating of sawdust[J]. Carbon, 2007, 45(3): 671–673.

[19] Oguntunde P G, Abiodun B J, Ajayi A E, et al. Effects of charcoal production on soil physical properties in Ghana[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2008, 171(4): 591–596.

[20] 曹海鋒, 劉奇志, 謝文聞, 等. 小桿線蟲(Rhabditis sp.)對溫室黃瓜根際植物寄生線蟲的抑制作用[J]. 植物病理學(xué)報(bào), 2007, 37(2):210-210.

[21] 熊佰煉, 譚必勇. 生物質(zhì)炭還田利用對土壤酶活性影響研究現(xiàn)狀[J]. 遵義師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2017, 19(3): 106–110.

[22] Steinbeiss S, Gleixner G, Antonietti M. Effect of biochar amendment on soil carbon balance and soil microbial activity[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2009, 41(6): 1301–1310.

[23] Tan Z X, Lin C S K, Ji X Y, et al. Returning biochar to fields: A review[J]. Applied Soil Ecology, 2017, 116: 1–11.

[24] 張功臣, 陳建美, 趙征宇, 等. 生物質(zhì)炭對設(shè)施連作土壤性質(zhì)及黃瓜生長和產(chǎn)量的影響[J]. 土壤通報(bào), 2018, 49(3): 659–666.

[25] 張偉明. 生物炭的理化性質(zhì)及其在作物生產(chǎn)上的應(yīng)用[D].沈陽: 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.

[26] 徐楠楠, 林大松, 徐應(yīng)明, 等. 生物炭在土壤改良和重金屬污染治理中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展, 2013, 30(4): 29–34.

[27] 陳旭超, 胡志彪, 陳杰斌, 等. 竹炭對銅(Ⅱ)離子的吸附性能研究[J]. 龍巖學(xué)院學(xué)報(bào), 2007, 25(6): 78–80.

[28] Cornelissen G, Gustafsson ?, Bucheli T D, et al. Extensive sorption of organic compounds to black carbon, coal, and kerogen in sediments and soils: mechanisms and consequences for distribution, bioaccumulation, and biodegradation[J]. Environmental Science & Technology, 2005, 39(18): 6881–6895.

[29] Chan K Y, Xu Z. Biochar: Nutrient properties and their enhancement//Lehmann J, Joseph S, eds. Biochar for environmental management science and technology[C]. London: Earthscan, 2009: 67–84.

[30] Liang B, Lehmann J, Solomon D, et al. Black carbon increases cation exchange capacity in soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 2006, 70(5): 1719–1730.

[31] Noyce G L, Basiliko N, Fulthorpe R, et al. Soil microbial responses over 2 years following biochar addition to a north temperate forest[J]. Biology and Fertility of Soils, 2015, 51(6): 649–659.

[32] 李成, 馮浩, 羅帥, 等. 壟膜溝灌對旱區(qū)農(nóng)田土壤鹽分及硝態(tài)氮運(yùn)移特征的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2019, 33(3): 268–275.

Effects of Biochar Combined with Fertilizer on Cucumber Yield and Fertilizer Use Efficiency Under Continuous Cropping

ZHANG Zhilong1, CHEN Xiaomin1*, LI Xiaomeng1, QU Chengchuang1, ZHANG Jun2, HUANG Chunyan2, LIU Yunmei2

(1 College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 Rugao Institute of Agricultural Sciences, Rugao, Jiangsu 226500, China)

The effects of biochar combined with fertilizer on cucumber yield and fertilizer use efficiency were investigated by a field experiment in order to provide a scientific basis for the improvement of fertilizer use efficiency and cucumber production. The field experiments were carried on the fluvo-aquic soil in Rugao city of Jiangsu Province, in which three fertilization levels were designed: 1) traditional fertilization (F), 2) reduce 10% fertilization (F-10%), and 3) reduce 20% fertilization (F-20%). For each fertilization level, six biochar application rates were setup (0, 5, 10, 20, 30 and 40 t/hm2, designated as CK, C1, C2, C3, C4 and C5, respectively), with CK and CF (no biochar and no fertilization) as control. The results showed that, compared with CK at all fertilization levels, biochar treatments significantly increased cucumber yield, fertilizer use efficiency and related indicators (<0.05). At F fertilization level, cucumber yield and N, P and K fertilizer use efficiencies in C5 treatments were 27.60 t/hm2, 23.75%, 3.62%, and 24.85%, respectively, which increased by 59.67%, 337.44%, 177.94% and 120.69% compared with CK; At F-10% fertilization level, compared to CK, cucumber yield and N, P and K fertilizer use efficiencies in C5 treatments increased by 73.88%, 163.82%, 234.33% and 183.24%, respectively. At F-20% fertilization level, compared with CK, cucumber yield and N, P and K fertilizer use efficiencies in C5 treatments increased by 82.10%, 148.73%, 246.46% and 215.66%, respectively. In the same biochar rate treatments, cucumber yield was not reduced in C2, C3, C4 and C5 treatments, but the fertilizer use efficiency was significantly increased, which reached the highest at F-20% fertilization level, compared with F fertilization level, N fertilizer use efficiencies in CK, C1, C2, C3, C4 and C5 treatments increased by 135.42%, 145.96%, 116.94%, 70.47%, 63.33% and 33.86% respectively, P fertilizer use efficiencies increased by 69.26%, 57.31%, 59.78%, 27.90%, 67.91% and 110.99%, respectively, K fertilizer use efficiencies increased by 27.90%, 99.55%, 84.75%, 62.97%, 60.91% and 82.94%, respectively. This study proves further biochar combined with fertilizer is an effective way to alleviate the obstacles of continuous cropping of cucumber.

Cucumber yield; Fertilizer use efficiency; Agronomy efficiency; Partial factor productivity; Recovery efficiency

S154.4；S157.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.01.007

張志龍, 陳效民, 李小萌, 等. 生物質(zhì)炭與化肥配施對連作黃瓜產(chǎn)量及肥料利用率的影響. 土壤, 2021, 53(1): 47–54.

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200305)、土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(Y20160038)和中國博士后基金項(xiàng)目(2016M591884)資助。

(xmchen@njau.edu.cn)

張志龍(1994—)，男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化過程研究。E-mail：zhangzhilong @issas.ac.cn