随着我国人口数量增加和城镇化进程推进,对蔬菜的需求量不断增加。为了提高产量,在蔬菜生产过程中大量施用化学肥料。据统计,2013年我国蔬菜生产过程中肥料用量为670万t,占总施用量的12.2%,其中氮肥所占比例为46.5%^[1]。这一方面导致肥料利用率低下,另一方面污染生态环境。尽管施用有机肥可以提高土壤肥力改善蔬菜品质^{[2, 3]},但受经济效益和管理方式的影响,目前我国蔬菜生产中仍然以施用无机化学肥料为主。此外,蔬菜的安全、优质已经与高产并重,成为人们最关注的问题。因此,在保证蔬菜产量和效益的基础上,通过改善施肥措施来解决肥料浪费、养分利用率低、蔬菜品质和土壤质量下降的现状是蔬菜生产中亟需解决的关键问题。

我国农业生产中的另一大问题是如何高效利用作物秸秆等有机废弃物。据估计,我国每年秸秆的生成量约为8亿t,但利用率约为33%^[4]。近年来,利用低温炭化技术,将作物秸秆制成生物质炭并还田成为一种新的秸秆综合利用模式,正在广泛推广之中。生物质炭在提高蔬菜产量、降低蔬菜硝酸盐方面具有广阔应用前景^{[5, 6]},其在改善蔬菜的营养品质方面也有报道^{[6, 7]}。但由于生物质炭本身养分含量较低,特别是氮、磷等元素含量低,单独施用并不能满足蔬菜生长对养分的需求。除了一些低肥力的土壤,在大部分土壤中的试验表明生物质炭的增产效果不明显^{[8, 9, 10]},且施用量大、成本高。因此,在实际应用推广中需要对生物质炭的施用方式进行调整。

生物质炭基肥是将生物质炭作为基本载体与化学肥料混合或复合造粒制成一种新型炭基肥料,可以根据不同区域土壤肥力水平和作物的需肥特征调整各养分的配比。已有研究表明,生物质炭基肥能够提高一些蔬菜产量和肥料利用率^{[6, 10]}以及土壤保肥能力^{[11, 12]}。对小白菜和青椒的田间试验结果显示,当氮肥用量降低8%~18%时,作物产量增加13%~45%,同时显著改善蔬菜品质^{[13, 14]}。有关生物质炭对番茄和辣椒生长、产量和氮肥利用率等方面已有报道^{[15, 16, 17]},而有关生物质炭基肥与化肥配施对蔬菜产量和品质影响的研究鲜有报道。为进一步明确生物质炭基肥在蔬菜增产和品质改善方面的效应,本研究以番茄和辣椒为试验材料,通过田间试验,研究生物质炭基肥对番茄和辣椒产量、品质、经济效益和氮素农学利用率的影响,从而为生物质炭基肥的推广应用提供科学依据。

试验于2014年4月在江苏省南京市江宁蔬菜种植区(N31°59.458′,E118°51.180′)进行。该地区属于北亚热带季风性气候,雨量充沛,热量较丰富,平均气温15.5 ℃,年降水量1 004.6 mm。供试番茄品种为‘沪合作903F1’,辣椒品种为‘苏椒5号F1’。供试土壤类型为黏壤土,番茄试验田土壤主要性质为:有机碳15.24 g · kg^-1,全氮2.16 g · kg^-1,速效磷69.33 mg · kg^-1,速效钾82.94 mg · kg^-1,pH5.16。辣椒试验田土壤主要性质为:有机碳14.66 g · kg^-1,全氮2.03 g · kg^-1,速效磷62.91 mg · kg^-1,速效钾64.93 mg · kg^-1,pH5.15。供试肥料生物质炭基肥均为公司制作的产品,竹炭基肥为上海时科生物科技有限公司提供,稻壳炭基肥为安徽拜尔福生物科技有限公司提供。稻壳炭基肥是将生物质炭与尿素、磷酸一铵、氯化钾、膨润土按一定比例(质量比为12 : 17 : 10 : 8 : 3)复合造粒而制成的炭基肥。竹炭基肥是以竹炭为基础原料,加以植物源营养液和有益菌群复合而成的一种兼有生物质炭和有机肥优良性能的新型肥料,供试肥料基本性质见表 1。

试验于露天进行,每种蔬菜设置5个处理:1)不施肥对照(CK);2)纯施复合肥(CF);3)50%复合肥+50%猪粪有机肥(CPF);4)50%复合肥+50%竹炭基肥(CBF);5)50%复合肥+50%稻壳炭基肥(CRF)。每个处理设置3次重复,随机排列,小区面积为11.25 m²(4.5 m×2.5 m)。

于2014年4月14日进行植株定植,番茄每小区定植40(5×8)株,辣椒每小区定植50(5×10)株。根据当地农民种植经验,番茄移栽后需缓苗20 d。各施肥小区于2014年5月5日进行等实物量施肥,即各小区的施肥总质量相等。每个小区施肥总量为1 kg,各配施处理的两种肥料各取0.5 kg,混匀施用,整个试验期内不再进行追肥。施肥方式为穴施。各试验小区病虫防治、除草、浇灌等田间管理措施均一致,即按照当地农民栽培习惯进行。番茄于2014年7月29日全部收获完毕,辣椒于2014年7月26日全部收获完毕。

土壤样品于蔬菜幼苗移栽前进行采集。用土钻在每小区随机取0~20 cm表层土壤样品5个并混合为1个混合样品。室内风干后将肉眼可见根系、石块等挑除,分别过1和0.15 mm孔径筛备用。土壤样品分析方法参照文献^[18]:采用半微量-凯氏定氮法测定全氮含量;采用盐酸-氟化铵浸提比色法测定速效磷含量;采用乙酸铵提取-火焰光度计法测定速效钾含量;采用电位法测定pH值,水和土的质量比为2.5 : 1;采用重铬酸钾容量法-外加热法测定有机质含量。

番茄和辣椒果实样品于盛果期进行采集,于6月29日采集每小区具有代表性的10个番茄和10个辣椒。采用2,6-二氯靛酚法测定果实维生素C含量;采用考马斯亮蓝G-250法测定可溶性蛋白质含量;采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量;采用碱式滴定法测定有机酸含量;采用酚二磺酸分光光度法测定硝酸盐含量。

在肥料施用后分别于15、30、45、60、75和90 d进行株高和叶绿素(SPAD)值测定。每个小区固定20株长势一致的植株,选取有代表性的叶片,用叶绿素仪测定SPAD值并同时测量番茄和辣椒植株的株高,共测定6次。番茄和辣椒果实成熟后进行适时采收,每次进行成熟番茄和辣椒果实完全采摘,单独计算产量,待全部成熟果实采集结束,进行各小区的实收果实总产量的计算。

氮素农学利用率=(施氮处理产量-不施氮处理产量)/氮肥施用量。试验数据采用SPSS 16.0软件进行单因素方差分析和LSD多重比较检验处理间差异程度以及试验数据的统计,用Excel进行数据的整理和图表处理,处理之间的显著性分析均在P<0.05水平下。

在整个生育期,各施肥处理下番茄植株株高显著高于不施肥对照(CK)处理,施肥促进了番茄的生长。CBF处理在番茄移栽15 、45 和60 d的株高显著低于CRF处理,之后75 和90 d没有显著差异;其他施肥处理间并没有显著差异(图 1-A)。各施肥处理的产量均高于CK处理(表 2):CRF、CPF和CBF处理较CF处理分别提高了23.2%、22.6%和8.5%;CRF与CPF处理间没有差别,但显著高于CBF处理。

图 1 不同施肥处理下番茄(A)和辣椒(B)的株高 Fig. 1 Plant height of tomato(A)and pepper(B)under different treatments CK:不施肥对照No fertilizer;CF:纯施复合肥Only compound fertilizer;CPF:50%复合肥+50%猪粪有机肥50% compound fertilizer and 50% pig manure organic fertilizer;CBF:50%复合肥+50%竹炭基肥50% compound fertilizer and 50% bamboo biochar compound fertilizer;CRF:50%复合肥+50%稻壳炭基肥50% compound fertilizer and 50% rice husk biochar compound fertilizer. The same as follows.

图选项

在整个生育期,各施肥处理下辣椒植株株高显著高于CK,施肥促进了辣椒的生长(图 1-B)。CBF和CRF处理在番茄移栽60 和75 d的株高显著高于CF和CPF处理。各施肥处理的产量均显著高于CK(表 2):CRF处理产量最高,较其他3个施肥处理增产率提高近20%,且显著高于其他处理,其他3个施肥处理之间并无显著差异。

比较番茄和辣椒的产量结果可知:稻壳生物质炭基肥与化肥配施处理在番茄上的增产效果显著低于在辣椒上的增产效果,而竹炭基肥与化肥配施下的增产效果番茄优于辣椒。

整个生育期内,番茄叶片SPAD值呈先升高后降低的趋势,且肥料施用显著提高了叶片叶绿素含量(图 2-A)。肥料施用后15和30 d,各施肥处理间叶片SPAD值差异显著,以CF处理的含量最高,显著高于CBF和CPF处理,而与CRF处理无显著差异;与施肥后15 和30 d的结果相反,在75 和90 d,CF处理SPAD值显著低于CBF处理。这说明CF处理下养分释放较快,可以快速提供番茄生长所需养分,而在生育期后期养分供应相对不足,不能提供番茄叶片合成叶绿素所需的养分,导致叶绿素含量下降。而施用生物质炭基肥在番茄生育期后期叶绿素含量高于CF处理,说明可以提供番茄叶片叶绿素合成所需的氮素。CPF处理的氮素利用率最高,其次是CBF和CRF处理,且各施肥处理的氮素农学利用率显著高于CF处理(表 2)。与CF处理相比,CPF、CBF和CRF处理的番茄氮素农学利用率分别显著提高了419.6%、215.5%和231.2%。

	图 2 不同生长期番茄(A)和辣椒(B)叶片叶绿素含量的变化 Fig. 2 Changes in leaf chlorophyll content of tomato(A)and pepper(B)during plant growing stage
图选项

与番茄不同,辣椒叶片SPAD值较稳定,维持在60左右,前后期差别不显著。肥料施用显著提高了叶绿素含量(图 2-B)。肥料施用后30 d,各施肥处理间叶片SPAD值差异显著,以CF处理的含量最高,显著高于CPF处理,而与CBF和CRF处理无显著差异;与施肥后30 d结果相反,在60 d CF处理SPAD值显著低于CBF、CPF和CRF处理。这说明CF处理中复合肥在辣椒生育期前期可以提供大量的养分,而由于前期养分释放较快,在后期不能提供辣椒叶片合成叶绿素所需的养分,导致叶绿素含量下降。而施用生物质炭基肥在辣椒生育期后期叶绿素含量高于CF处理,说明可以提供辣椒叶片叶绿素合成所需的氮素。 由表 2可知,CPF、CBF和CRF处理间氮素农学利用率较CF处理分别显著提高了78.5%、92.6%和138.1%。

与CK相比,无论是单施复合肥还是复合肥与炭基肥配施,均显著增加了番茄果实维生素C、可溶性蛋白、可溶性糖含量及糖酸比;而对有机酸含量的影响各异,表现为单施复合肥(CF)对有机酸含量没有显著影响,施用炭基肥(CBF和CRF)降低了番茄果肉中有机酸含量(表 3)。与CF相比,炭基肥料与化学氮肥配合施用进一步改变了番茄果实营养品质。CRF处理下维生素C含量比CF增加了65.9%,CRF和CBF处理的可溶性糖含量比CF分别增加了23.8%和25.8%,CBF处理的有机酸含量比CF处理降低了22.9%。CPF处理的可溶性蛋白和有机酸含量比CF低,降低幅度分别为36.0%和32.8%。

与番茄不同,肥料施用对辣椒营养品质的影响较小(表 3)。CF、CBF和CRF处理间辣椒维生素C含量没有显著差异,但较CK处理分别提高24.6%、40.4%和48.6%。与CK相比,CF处理可溶性蛋白含量增加,而CPF和CBF处理降低。CRF处理的辣椒果实可溶性糖含量较CF处理显著降低了17.5%。不同施肥处理间辣椒果实有机酸含量没有显著差异,但显著低于CK处理。

由图 3可知:CF处理下番茄果实硝酸盐含量为117.9 mg · kg^-1,显著高于CK、CBF、CPF和CRF处理。CBF、CPF和CRF处理间果实硝酸盐含量无显著差异,但比CF分别降低了24.5%、18.2%和27.7%。CPF处理果实的硝酸盐含量显著高于CK。

	图 3 不同施肥处理下番茄(A)和辣椒(B)果实硝酸盐含量的变化 Fig. 3 Changes in nitrate concentration of the fruit of tomato(A)and pepper(B)under different treatments
图选项

各处理间辣椒果实硝酸盐含量变化趋势与番茄类似,均表现为CF处理高于其他处理。CPF、CBF、 CRF和CK处理间果实中硝酸盐含量无显著差异,但分别比CF处理降低了32.0%、39.7%、40.4%和29.5%。

本研究结果显示,与单施化肥相比,化肥配施有机肥料(包括猪粪有机肥和生物质炭基肥)可以显著提高番茄和辣椒产量,同时还可以改善蔬菜的部分营养品质、降低蔬菜果实硝酸盐含量。但有机肥的积极效应在不同蔬菜品种间有显著差别。研究和实践均表明,在蔬菜生产过程中施用有机肥可提高蔬菜产量,并改善品质。然而在实际生产过程中,有机肥料使用比例越来越低,菜农更习惯施用化肥,习惯大水大肥的管理方式。与前人结果类似^{[19, 20, 21]},本研究也发现有机肥配合施用化肥具有增产、改善品质的效果,其作用机制已有较多的研究和积累,本文将重点讨论生物质炭基肥在蔬菜增产、品质改善方面的效果。

生物质炭基肥与化肥配合施用都显著提高番茄的产量,而且产量增加并不是依靠增加肥料(氮、磷和钾)投入量来实现的。与之相反,在本研究中,炭基肥与化肥配施处理下氮、磷和钾肥的总投入量比单纯施用化肥处理降低了41.3%、16.7~45.7%和40.7%,而番茄产量提高了8.5%~23.2%,辣椒产量提高了26.3%。前人的研究也表明,生物质炭基肥能够提高小麦、小白菜、青椒等作物的产量^{[11, 13, 14, 20]}。也有田间试验表明,生物质炭基肥施用对水稻产量没有显著影响,但氮肥投入量比常规单纯施用复合肥降低了30%^{[21, 22]}。生物质炭基肥的减肥、增产作用可以从以下几个方面理解。首先,炭基肥中的生物质炭含有发达的孔隙结构,提高土壤阳离子交换量^[23],有效减少养分的损失。其次,生物质炭基肥的施用可能促进了与氮素利用相关的一系列酶的活性^{[24, 25, 26, 27]},生物质炭的输入改变了土壤氨氧化菌的丰度和活性^[25],而硝化作用依靠氨氧化菌,且因生物质炭释放硝化抑制剂而起到抑制硝化的作用。生物质炭的输入能够显著提高固氮酶活性和土壤固氮效率^{[26, 27]},从而改善了植物对氮素的利用效率。第三,炭基肥中生物质炭本身含有一定量的其他植物必需的矿质营养元素,这些元素也会促进作物的生长,进而提高产量。

施用稻壳炭基肥处理的番茄产量显著高于施用竹炭基肥处理,而2个处理的氮素利用率并无显著差异。这可能是由于稻壳炭基肥养分含量较高,在番茄整个生育期可以提供番茄生长充足的养分;而竹炭基肥养分含量较低,虽然可以提供番茄果实生长所需的部分养分,但由于本身养分含量低,所以在番茄果实生长的盛期不能提供大量的养分,因此番茄果实产量低于施用稻壳炭基肥的处理。

本研究结果显示,相比常规单施化肥处理,化肥配施生物质炭基肥提高了番茄果实中糖酸比,降低了番茄果实中有机酸和可溶性蛋白含量以及辣椒果实的可溶性蛋白质,但同时也降低了辣椒的可溶性糖含量。化肥配施炭基肥处理下番茄维生素、可溶性糖含量提高可能是由于生物质炭对肥料养分的吸附而具有缓释作用^[28],能保证氮素适量供应。此外,生物质炭中含有丰富的微量元素,2种生物质炭基肥中所含的钙、锰和锌这些有益元素显著高于复合肥。微量元素能够显著提高水果品质,可以提高维生素C含量和果实中的糖分,降低酸味物质的含量^[29],这些元素能够促进相关酶在植株体内的合成,在提高番茄产量的同时也改善了品质。鲁璐等^[30]研究指出,微量元素通过与蛋白质和其他有机集团结合,形成了酶、激素等生物大分子,而且铁是许多植物体内氧化还原酶的重要组成部分,锌通过形成DNA、RNA聚合酶直接影响到核酸和蛋白质的形成,从而对植株和果实生长产生影响。此外,生物质炭的施用对土壤微生物和酶活性的改变应进一步明确,从而为更好地分析和了解蔬菜营养品质改善的原因提供依据,也为进一步优化施肥提供科学支撑。

本研究结果显示,施用生物质炭基肥可显著降低蔬菜果实中硝酸盐含量。生物质炭具有多孔结构,能够吸附土壤中NH₄⁺和NO₃^-[31],减少作物吸收。Khan等^[32]通过研究发现吸附N、P、K肥料的木炭能够缓慢而持续的释放N、P、K 养分,这样能够控制肥料氮中的NH₄⁺向NO₃^-的转化速率,蔬菜就不会因短期内吸收过多NO₃^-而造成硝酸盐积累。生物质炭中含有丰富的微量元素,微量元素通过增加硝酸还原酶活性降低硝酸盐含量^[31]。生物质炭基肥可以减缓养分的释放速率^[28],增加对土壤中NH₄⁺、NO₃^-的吸附,且生物质炭的输入改变了土壤氨氧化菌的活性^[25]。微量元素输入能有效降低蔬菜硝酸盐含量^{[32, 33]}。本试验2种炭基肥中微量元素含量较高,其施入土壤后能在一定程度上增加硝酸还原酶活性,进而降低番茄和辣椒硝酸盐含量。CPF处理的番茄和辣椒果实硝酸盐含量显著低于CF处理,这可能是由于有机肥与化肥配施提高了土壤有机质、改善土壤结构,且有机肥pH值较高,为碱性,可能提高了土壤中某些与土壤团聚体结构有关的微生物的性能,从而促进团聚体的生成,增加对NH₄⁺的吸附,减少NH₄⁺转化为NO₃^-量,达到降低番茄和辣椒果实硝酸盐含量的效果。

成本和收益关乎蔬菜产业的可持续发展。本研究在探索生物质炭基肥对番茄和辣椒产量、品质及氮素利用率影响的同时,从经济效益方面进行分析,为炭基肥在蔬菜生产中的应用提供理论依据。复合肥、猪粪有机肥、竹炭基肥和稻壳炭基肥价格约为2 700、2 000、3 600和2 000元 · t^-1;各处理肥料成本分别约为2 400、2 089、2 800和2 089元 · hm^-2。番茄和辣椒价格按照2.23和2.51元 · kg^-1(2014年统计数据) 计算。施用稻壳炭基肥与化肥按等质量配施比单纯施用化肥成本少投入311元 · hm^-2,净收益高出约3万元 · hm^-2(番茄)和0.7万元 · hm^-2(辣椒)。虽然竹炭基肥与化肥按等质量配合施用比单纯施用化肥成本高400元 · hm^-2,但是番茄和辣椒净收益均高出CF处理约1万元 · hm^-2和0.1万元 · hm^-2。

安徽拜尔福生物科技有限公司和时科生物科技(上海)有限公司为本试验提供试验材料,谨致谢意。