2017, Vol. 23 
doi: 
2. 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100;
3. 河南省林业科学研究院，河南郑州 450003
2. Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling, Shaanxi 712100, China;
3. Academy of Forestry Sciences of Henan Province, Zhengzhou 450003, China
枣 (Ziziphus jujuba Mill.) 为鼠李科 (Rhamnaceae)，是我国特有的经济树种之一。河南地处华北平原，是我国枣的重要发源地之一，栽培面积和产量居全国第六位。由于红枣产业投入少，收效快，给当地的农业发展带来了很好的经济效益。然而随着红枣种植面积的扩大以及化肥和农药的大量使用等因素的影响[1]，导致土壤营养缺乏、肥力下降，影响了作物产量、品质和经济效益，严重限制了红枣产业的可持续发展。因此，如何改善土壤结构，提高土壤肥力，发挥有效的培肥条件来提高枣树果实产量及品质，为红枣的生长创造良好的土壤生态环境，成为枣树生产效益和持续发展亟待解决的问题。
生物炭是生物质在低氧或无氧条件下高温热解的产物，以高度富含碳为主要标志[2]。由于含有丰富的芳环结构、羟羧基等基团，且具有容重小、比表面积大、多孔等特性，施入土壤后会对土壤结构产生一定的影响。大量研究表明，施用生物炭可增加土壤有机碳含量、阳离子交换量[3]，提高土壤微生物量及活性，促进土壤稳定性团聚体形成[4]，促进作物生长、增产甚至减产[5]。近些年国内外关于生物质炭开展的研究逐渐增多，但主要是针对生物炭的自身特性[6]、环境行为和效应[7]等。虽然关于田间作物增产方面已有报道[8]，但针对生物炭与氮肥配施对华北平原枣区土壤肥力及产量、品质的研究鲜有报道。且多数生物炭研究多为小麦、玉米、水稻等粮食作物室内培养试验或短期田间试验。鉴于此，本文以华北平原的潮土为研究对象，以河南枣树产区濮阳为试验研究平台，通过三年田间试验，研究了施肥前后不同生物炭与氮肥配施处理间土壤养分含量、红枣产量及品质差异特征，以期为该地区制定合理施肥策略，提升土壤地力，提供科学依据和技术支撑。
1 材料与方法 1.1 试验地概况田间试验于 2013 年 4 月在河南省濮阳市王助乡潘庄进行。潘庄 (E114°52′、N35°20′)，属暖温带大陆性气候，四季分明，光热资源适中。年平均降水量为 502.3～601.3 mm，年平均日照时数为 2454.5 h，年平均气温 13.4℃。无霜期一般为 205 d。
1.2 试验材料供试土壤潮土 (0—20 cm) 基本性状为 pH 8.47、容重 1.42 g/cm3、有机质 10.61 g/kg、全氮 0.68 g/kg、速效磷 11.67 mg/kg、速效钾 95.61 mg/kg。
供试红枣品种为 15 年生扁核酸，选择长势基本一致无病虫害的试验树，栽植密度为 2 m × 3 m，每亩约 110 棵，设置保护行。
生物质炭原料为花生壳秸秆，购自河南商丘三利新能源有限公司，生产设备采用连续竖式生物质炭化炉，炭化温度为 350～500℃。生产的生物黑炭过 2 mm 筛，测定其理化性质，其中 pH 为 10.35、有机碳含量为 467.20 g/kg、全氮含量为 5.90 g/kg、全钾含量为 11.5 g/kg、CEC 21.7 cmol/kg、容重 0.45 g/cm3。
1.3 试验设计采用 4 × 3 完全方案设计，试验设生物炭用量 4 个水平、氮肥用量 3 个水平，随机排列，加上一个完全空白处理 CK (不施生物炭和氮肥)，共计 13 个处理 (表 1)，每个处理重复 5 次。
| 表1 田间试验各处理生物炭和氮肥用量 Table 1 Biochar and nitrogen fertilizer input in the field treatments |
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试验于 2013 年 4 月开始 (2013～2015 年试验处理相同)，在树冠下两侧 0.5 m 左右挖深 20～30 cm 的条状，使生物炭与土混匀后覆土填平，此后的两年生物炭不再施入。过磷酸钙 (P2O5 16%) 300 kg/hm2，硫酸钾 (K2O 45%) 300 kg/hm2 作为基肥在春季一次性施入，尿素 70% 作为基肥施入，剩下的 30% 在 7 月中旬作为追肥施入。
1.4 测定项目与方法2015 年 9 月底扁核酸采收后于树冠下避开施肥点采集 0—20 cm 土样，每个处理取 5 个采样点混为一个土样。剔除杂物后混合制样，风干后过 2 mm 筛。
土壤基本性状测定方法[9]：土壤有机质采用重铬酸钾－浓硫酸外加热法，全氮采用凯氏定氮法；全磷、全钾分别采用 NaOH 熔融—钼锑抗比色法、火焰光度计法测定；土壤速效氮采用 1 mol/L KCl 浸提—流动分析仪法；速效磷采用 0.5 mol/L NaHCO3 浸提—钼锑抗比色法；速效钾采用 1 mol/L NH4OAC 浸提—火焰光度计法测定。pH 采用水土比 2.5∶1 的电位法测定。
果实在 9 月底成熟时采收，每株从东、南、西、北 4 个方向采 28 个果，将各处理果实混合称量，计算产量，并对样品进行品质测定。总糖测定用 2,5-二硝基水杨酸比色法[10]；可溶性固形物用泉州光学仪器厂生产的 WYT-4 型糖量计测定；Vc 用 2,6-二氯靛酚滴定法[11]；有机酸的测定用酸碱滴定法[12]；蛋白质用凯氏定氮法测定；氨基酸用日立 L-8900 全自动氨基酸分析仪测定。
试验数据采用 Excel 2016、SPSS22.0 (IBM SPSS Statistic) 统计软件进行方差分析和多重比较 (LSD 法)，显著性水平设定为P < 0.05。
2 结果与分析 2.1 不同生物炭与氮肥配施对土壤基本理化性质的影响表 2显示，与不施肥处理 (CK) 相比，生物炭与氮肥配施能显著提高土壤有机质、全氮、全磷和全钾的含量，同时提高速效氮、速效磷和速效钾的含量，土壤养分随施用量的增加而增加。其中有机质含量以 C2N1 处理最高，提高了 32.4%；全氮和速效磷养分含量以 C3N3 处理最高，分别增加了 80.3% 和 32.8%；全钾和全磷养分含量以 C3N1 增加幅度最大，分别为 55.3% 和 27.9%；C3N2 处理的速效氮和速效钾含量最高，分别增加了 68.0% 和 41.0%；而未施生物炭的 C0N1、C0N2 和 C0N3 处理与 CK 相比，除全磷外，土壤中其它养分含量均高于 CK，但处理间差异不显著。
施用生物炭后，土壤容重随生物炭施用量的增加呈降低趋势，且处理间差异显著。所有培肥处理中，C3N3 处理的容重最小，较对照降低了 15.7%。土壤 pH 值随生物炭的施入而有降低趋势，仅 C3N2 处理差异显著，而未施生物炭的三个氮肥处理 pH 值虽有增加，但处理间差异均不显著。
| 表2 不同生物炭与氮肥配施处理土壤理化性质 Table 2 Physical and chemical properties of soils under different biochar and nitrogen fertilizer treatments |
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从图 1可以看出，与对照相比，生物炭与氮肥施入后，扁核酸红枣的总糖、维生素 C、可溶性固形物、蛋白质以及氨基酸含量总体上有增加趋势，但除氨基酸含量外，其他品质处理间均无显著差异。氨基酸含量随生物炭与氮肥施用量的增加呈增加趋势，其中 C3N1 处理的氨基酸含量最高，比 CK 提高了一倍。
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图1
生物炭与氮肥配施对红枣果实品质的影响
Fig. 1
Fruit quality of jujube under different biochar and nitrogen fertilizer treatments
[注（Note）：柱上不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters above the bars mean significant among the treatments at the 5% level.] |
图 2可以看出，不施生物炭的三个氮肥处理的枣树产量均有所提高，但差异不显著；施用生物炭 3 年 后，各处理的扁核酸红枣的产量较对照均有了不同程度的提高且差异显著，增产约 4.5%～26.9%，其中 C3N1 处理的产量最高，其次为 C2N2 处理，分别提高了 26.9% 和 24.0%；当生物炭施用量达到 2.5 t/hm2 和 5 t/hm2 时，大体表现出在相同的氮肥用量水平下，生物炭用量越高，枣的增产效果越明显的趋势。施入 10 t/hm2 的生物炭后，C3N2 和 C3N3 处理的红枣产量呈降低趋势，但仍显著高于对照。试验结果表明，10 t/hm2 的生物炭施用量，300 kg/hm2 的氮肥施用量对该地区扁核酸红枣增产效果最好。
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| 图2 生物炭与氮肥配施对扁核酸红枣产量的影响 Fig. 2 Effect of the application of biochar and nitrogen fertilizers on yields of jujube [注（Note）：柱上不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters above the bars mean significant among the treatments at the 5% level.] |
土壤肥力变化和养分吸收是一个复杂的过程，不仅关系到土壤养分含量和不同养分之间相互作用，还关系到作物生理特征。目前评价土壤肥力的主要养分指标有土壤有机质、有效氮、有效磷、有效钾等[13]。本研究表明，生物炭与氮肥配施处理明显改善了土壤养分状况，与不施肥对照 (CK) 相比，施肥处理不仅提高了土壤有机质、全氮、全磷和全钾的含量，还提高了速效氮、速效磷和速效钾含量 (表 2)。这是由于生物炭作为一种富含有机碳的物质，能够提高土壤有机质含量[14–15]。庞大的孔隙结构和巨大的比表面积，能够吸附和固定多种无机离子及极性或非极性有机化合物，可以在土壤中形成有机－无机复合物和大粒径团聚体[16]，进而改善土壤结构而减少有机质淋失。生物炭施入后，可改善土壤透气性，抑制反硝化作用，减少 NO3– 的损失[17–18]。同时，生物炭对 NO3–、NH4+ 也有较强的吸附能力，可以有效降低土壤氨气挥发，提高氮素利用率和土壤的生产效率[19–20]。生物炭能有效减少铁氧化物对磷的吸附[21]和降低有效磷的淋失，从而提高土壤速效磷的含量。此外，生物炭也可能是通过增加土壤有机质含量来间接提高速效磷的含量。施加生物炭能够增加土壤速效钾的含量，一方面可能是由于其本身含有大量的钾元素，另一方面可能是增强了土壤对容易淋失的 K+ 的吸附能力。已有研究发现，生物炭可以增加有效磷、钾、镁和钙含量[22]。本试验施用生物炭显著增加土壤速效养分含量，且增幅随生物炭用量的增加而增加，这与陈心想等[23]的试验结果一致。
土壤容重是衡量土壤肥力状况的重要指标之一。本研究中，生物炭与氮肥配施显著降低了 0—20 cm 的土壤容重 (表 2)，可能是因为生物炭本身空隙结构发达，密度低，施入土壤后有一定的稀释作用[24]，而且施用生物炭后会导致土壤微生物活性增加[25]，团聚性增强[26]，进而改善土壤结构。生物炭与氮肥配施处理条件下土壤 pH 值低于 CK，但仅 C3N2 处理差异显著，这与 Zwieten 等[17]的研究结果不一致。主要原因可能是由于试验研究土壤本身缓冲能力强，生物质灰分中的钾、钙、镁、钠氧化物、氢氧化物等施入土壤后不能显著提高土壤盐基饱和离子，所以对土壤 pH 值影响幅度较小。
3.2 不同生物炭与氮肥配施对红枣产量的影响目前国内外关于生物炭对农作物生长与产量研究很多，但是对其研究结论说法不一。Steiner 等[27]在巴西亚马逊氧化土上的研究表明，施用生物质炭 11 t/hm2 后 2 年作物累计产量增幅达 75%。Zwieten 等[17]研究表明，在生物炭施用量 10 t/hm2 时能提高小麦干重约 66.7%、高粱 16.7%、萝卜 50%。也有研究表明，如果炭和其他有机或无机肥料配合施用，作物增产效果更佳[22,28]。本研究结果显示，施入生物炭和氮肥 3 年后，各处理的扁核酸红枣产量较对照均有了不同程度的提高且差异显著，提高了约 4.5%～26.9%，这也与 Asai 等[29]的研究结果一致。但张晗芝[30]的试验结果表明，添加生物炭对玉米苗期植株有明显的抑制作用，但随着玉米的生长发育，生物炭的抑制效果逐渐减弱。可见，由于生物炭性质、土壤类型、施肥状况、作物种类等因素的不同，导致生物炭的增产效应存在较大不确定性。因此，对生物炭的改良作用还需开展更长期深入的研究。
本研究中，生物炭与氮肥配施不仅提高了土壤有机质、全氮、全磷和全钾的含量，还提高了土壤速效氮、磷、钾的含量 (表 2)。说明生物炭的施入提高了土壤养分，改善了土壤理化性状 (如降低土壤容重、增加通气性)，从而增加土壤的保肥能力。生物炭巨大的表面积和阳离子交换量，可以吸附肥料并且起到缓释作用，对红枣增产有积极作用。从提高试验研究区扁核酸红枣产量角度考虑，10 t/hm2 的生物炭施用量，300 kg/hm2 的氮肥施用量是最适宜的。
3.3 不同生物炭与氮肥配施对红枣品质的影响果品的可溶性固形物、含糖量、维生素 C 及酸度等指标都是衡量果实品质的重要方面。国内外研究表明，有机肥能促进果树部分生理指标变化，从而提高果实产量、品质[31–33]。本研究结果显示，施用生物炭均可不同程度提高红枣可溶性固形物、维生素 C、总糖含量，降低可滴定酸含量 (图 1)，这与张玲等[34]和赵玲玲等[35]的研究结果一致。可能是由于生物炭通过改良土壤结构，增加土壤水分有效性，对土壤和作物水分状况产生积极的影响[36,37]，同时又可提高土壤养分，增强叶片吸收营养元素的能力，增强光合作用，进而影响果实品质。具体作用机理还有待进一步研究。
4 结论1) 通过华北平原枣区施用生物炭和氮肥的定位试验发现，生物炭与氮肥配施降低了 0—20 cm 的土壤容重，显著提高了土壤有机质、全氮、全磷和全钾的含量，同时也提高了速效氮、速效磷和速效钾的含量，且养分含量随生物炭施用量的增加而增加。
2) 生物炭与氮肥配施总体上提高了红枣中总糖、维生素 C、可溶性固形物、蛋白质和氨基酸的含量，降低了有机酸的含量。
3) 各施肥处理的扁核酸红枣的产量较对照均有了不同程度的提高，10 t/hm2 的生物炭配施，300 kg/hm2 的氮肥为该试验区最佳施肥量。
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