生物质炭是生物质在限氧条件下不完全燃烧生成的黑色固体产物^[1]。近年来, 秸秆炭化还田逐渐成为一种新的废弃物处理和土壤培肥模式^[2]。生物质炭还田能够提高作物产量, 产量增幅为10%~15%^[3-6]。生物质炭增产效果与土壤肥力、生物质炭和作物类型等因素密切相关。在肥力低、结构差的土壤中施用生物质炭, 增产效果更显著^[5]。生物质炭的增产机制可以概括为3个方面:首先, 直接为植物生长提供养分。生物质炭中富含大量植物生长所必需的营养元素, 这些养分元素能够促进植物生长, 增加作物产量^[7]。其次, 改善根系生长环境。生物质炭是一种疏松多孔物质, 施入到土壤中可改善土壤物理结构, 提高孔隙度、降低容重。如:生物质炭施用能提高植物抵抗病虫害能力^[8-9], 增加植物根系体积、根表面积及根系长度等^[10-11], 从而增强对土壤养分和水分资源的利用效率。第三, 向土壤中添加类植物生长调节激素的物质。生物质炭在生产过程中会产生一系列有机物质, 其中含有类似于植物生长调节激素的物质^[12-13], 这些物质的输入可促进植物根系的生长和某些关键基因的表达^[14-15]。然而, 生物质炭的这些增产机制并没有得到试验证实, 其作用机制还处于假设或猜想阶段。

近年来, 一些科学家提出“设计生物质炭”理念^[16], 希望通过控制原料和生产工艺生产出特定的生物质炭, 以最大化生物质炭的增产效应和其他环境效应。“设计生物质炭”理念的实现在很大程度上依赖于我们对生物质炭增产机制的了解。因此, 揭示生物质炭的增产机制有助于推动生物质炭的农业应用。本研究通过简单的物理方法将生物质炭不同组分进行分离, 这些组分包括以有机碳为主的“炭骨架”, 以氮、磷、钾等元素为主的“速效养分”和以小分子有机物为主的“类植物生长激素”。施用到土壤中后, 这3种组分分别代表物理效应(土壤物理结构改善)、养分效应(增加作物养分吸收)和小分子有机物刺激效应(生物刺激素)。通过盆栽试验研究3个不同组分对不结球白菜(简称小白菜)产量和品质的影响。

采用高、低2种肥力的土壤进行盆栽试验。高肥力土壤采自南京市江宁区上坊镇(31°57′N, 118°52′E), 低肥力土壤采自南京市江宁区秣陵镇(31°52′N, 118°49′E)。2种土壤均为菜园土, 采样深度为0~20 cm。采集到的土壤在室内风干, 并拣出肉眼可见植物残体和石块, 磨碎并过1.7 mm筛备用。土壤基本理化性质见表 1。试验小白菜品种为‘优选苏州青’, 由永安艳丰种业有限公司生产。试验用生物质炭由河南三利新能源有限公司生产, 采用池式立窑炭化工艺生产。生物质炭生产原料为小麦秸秆, 炭化温度约为450 ℃。

将过830 μm筛的生物质炭以质量比为1 : 20的炭水比混合, 置于1 000 mL的大三角瓶中, 在100 ℃的水浴锅中水浴3 h, 然后在恒温(25 ℃、180 r · min^-1)振荡机上振荡24 h, 再经布氏漏斗抽滤; 将滤过的生物质炭烘干后, 再重复以上步骤1次, 将最后得到的浸提液混合即为生物质炭热水浸提液(biochar extracts), 并保存在4 ℃冰箱内, 剩余的固体残渣即为生物质炭骨架(washed biochar)。生物质炭灰分制备:将过830 μm筛的生物质炭放于坩埚内, 并于电炉上缓慢加热, 直至冒烟结束后, 将坩埚放于马弗炉内, 调节温度至600 ℃(约3 h), 烧至灰分近于白色为止; 待冷至200 ℃以下, 再移至干燥器中冷却至室温(约30 min), 立即称量。随后再次灼烧, 冷却、称量, 直至恒质量(前、后2次质量相差不超过0.5 mg); 最后得到的即为生物质炭灰分(biochar ash)。

试验在南京农业大学资源与环境科学学院玻璃温室(32°2′N, 118°50′E)中进行。小白菜于2017年3月25日播种, 5月4日收获。试验期间室内温度控制在20~30 ℃。本试验为2因素随机区组设计:因素一为土壤肥力水平, 包括高肥力(high fertility)和低肥力(low fertility); 因素二为生物质炭及不同组分施用, 包括添加生物质炭(biochar)、生物质炭浸提液(biochar extracts)、生物质炭骨架(washed biochar)、生物质炭灰分(biochar ash)和对照(CK)。试验共计10个处理, 分别是:S1T0(高肥力, 对照)、S1T1(高肥力, 生物质炭)、S1T2(高肥力, 生物质炭浸提液)、S1T3(高肥力, 生物质炭骨架)、S1T4(高肥力, 生物质炭灰分)、S0T0(低肥力, 对照)、S0T1(低肥力, 生物质炭)、S0T2(低肥力, 生物质炭浸提液)、S0T3(低肥力, 生物质炭骨架)、S0T4(低肥力, 生物质炭灰分)。每个处理重复4次, 各重复间随机排列。生物质炭施用量为20 g · kg^-1。所有处理化学肥料施用量为0.55 g · kg^-1, 其中氮(N)、磷(P₂O₅)和钾(K₂O)肥的施用量分别为0.2、0.15和0.2 g · kg^-1。所有化学肥料在播种前一次性施用, 后期不再追肥。

播种前, 将土壤、生物质炭与化学肥料充分混匀后装于盆中, 土壤容重均控制在1.1 g · cm^-3。盆栽土壤每盆2 kg(以干质量计)。沿盆壁注入去离子水, 使土壤充分润湿, 直至最大田间持水量。静置24 h后每盆播种10粒小白菜种子, 播种深度约1 cm。出苗1周后间苗, 每盆保留4株。添加生物质炭浸提液的处理以400 mL每盆的量(按照田间2 L · m^-2的施用量)喷洒于相应盆钵中, 每周1次, 共4次, 其他处理喷洒等量的去离子水。每日傍晚根据盆质量变化, 补充土壤水分, 保持在田间持水量的70%。每日浇水后随机改变盆的位置, 确保每盆植物都得到均匀光照。

将准备好的生物质炭浸提液过0.22 μm滤膜后再测定其基本理化性质及养分含量, 分析方法参照文献[17]。采用电位法测定浸提液pH值, 用pH计测量; 总有机碳含量采用TOC仪测定; 总磷含量测定采用钒钼酸铵分光光度法测定; 全钾含量采用火焰光度法测定。

收获时, 沿盆内土壤表面剪下地上部, 并将盆内根系取出, 用自来水冲洗黏附土粒, 然后用去离子水冲洗。将小白菜地上部和根系于105 ℃烘箱内杀青30 min, 再在65 ℃烘箱内烘干, 称质量。小白菜地上部生物量和根系生物量均以每盆烘干总质量表示。

具体分析方法参照文献[18]。采用水杨酸比色法测定硝酸盐含量; 采用2, 6-二氯酚靛酚滴定法测定维生素C含量; 采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量; 采用考马斯亮蓝G-250法测定可溶性蛋白质含量。

将烘干后的地上部样品磨碎, 过150 μm筛后, 测定植株氮、磷和钾含量。待测液制备采用浓硫酸-双氧水消煮法, 全氮含量采用半微量蒸馏法测定, 全磷含量采用钼蓝比色法测定, 全钾含量采用火焰光度法测定^[17]。

土壤pH值测定采用电位法, 用pH计测量; 采用浓硫酸-重铬酸钾容量法测定土壤有机碳含量; 采用浓硫酸消煮-半微量凯氏定氮法测定土壤全氮含量; 采用NaHCO₃浸提-钼蓝比色法测定土壤有效磷含量; 采用NH₄OAc浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量^[17]。

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理, 采用SPSS 19.0软件进行方差分析。数据均以平均值±标准差的形式表示。

生物质炭经热水浸提前、后理化性质差异明显(表 2)。浸提后生物质炭pH值降低, 有机碳、全氮、全磷和全钾含量均降低。生物质炭灰化后pH值升高, 有机碳和全氮含量降低, 钾含量升高。生物质炭浸提液的pH值为9.07, 有机碳、磷和钾浓度分别为180.0、14.8和703.0 mg · L^-1。

从图 1可知:土壤肥力水平对小白菜地上部生物量(产量)和根冠比有显著影响。在高肥力土壤中, 不同处理小白菜地上部生物量平均为2.46 g, 显著高于低肥力土壤(P < 0.05)。土壤肥力水平对小白菜根系生物量没有显著影响。添加生物质炭及不同组分对小白菜地上部生物量和根系生物量没有显著影响, 但改变了高肥力土壤小白菜根冠比, S1T2和S1T3处理显著增加小白菜根冠比。相关分析表明, 不同处理小白菜地上部生物量与土壤全氮和速效磷含量呈正相关, 而与土壤pH值呈负相关(表 3)。小白菜根冠比与土壤全氮、速效磷、地上部氮含量和磷吸收量呈负相关, 而与土壤pH值呈正相关。

图 1 添加生物质炭及不同组分对小白菜地上部生物量、根系生物量和根冠比的影响 Figure 1 Effects of different biochar components addition on the above ground biomass, root biomass and mass ratio of root to above ground biomass of non-heading Chinese cabbage S1表示高肥力土壤; S0表示低肥力土壤。T0表示单施化肥对照; T1表示添加生物质炭; T2表示添加生物质炭浸提液; T3表示添加生物质炭骨架; T4表示添加生物质炭灰分。不同小写字母表示同一肥力水平土壤不同处理在0.05水平差异显著。下同。 S1 represents high fertility soil; S0 represents low fertility soil. T0 represents the control with chemical fertilizer only; T1 represents the addition of raw biochar; T2 represents the addition of biochar extracts; T3 represents the addition of hot water washed biochar; T4 represents the addition of biochar ash. Different lowercase letters indicate significance among treatments in the same soil fertility type at 0.05 level. The same as follows.

图选项

添加生物质炭及不同组分对小白菜地上部可溶性蛋白和可溶性糖含量无显著影响, 但均不同程度降低了小白菜体内硝酸盐含量(表 4)。与对照相比, 小白菜体内硝酸盐含量降低了41%~84%。在低肥力土壤中, 不同处理下小白菜体内硝酸盐含量降低幅度最大的为S0T2处理, 最小为S0T4处理。小白菜体内硝酸盐含量与氮素含量呈正相关, 而与钾含量呈负相关(表 3)。添加生物质炭及不同组分对小白菜体内维生素C含量的影响与土壤肥力水平密切相关。在高肥力土壤中, S1T3处理下小白菜体内维生素C含量比S1T0提高了78%;在低肥力土壤中, S0T2处理下小白菜体内维生素C含量比S0T0提高了68.9%。

从图 2可知:高肥力土壤中小白菜体内氮和磷含量平均为37.45和4.71 g · kg^-1, 显著高于低肥力土壤中小白菜体内氮(33.77 g · kg^-1)和磷(3.18 g · kg^-1)含量; 而钾含量在2种土壤中没有显著差异。添加生物质炭及不同组分影响小白菜地上部氮、磷、钾等养分吸收。在低肥力土壤中, S0T2处理小白菜体内氮含量比S0T0处理降低16%;而在高肥力土壤中, 添加生物质炭不同组分对氮含量无显著影响。在高肥力土壤中, S1T3提高了小白菜体内磷含量。小白菜体内磷含量与土壤有机碳、全氮和速效磷含量呈正相关, 而与土壤pH值呈负相关(表 3)。在2种土壤中, 添加生物质炭不同组分均不同程度提高了小白菜体内钾含量。

	图 2 添加生物质炭及不同组分对小白菜养分吸收的影响 Figure 2 Effects of different biochar components addition on nutrient uptake by non-heading Chinese cabbage
图选项

从表 5可知:在高肥力土壤中, S1T3和S1T4处理提高了土壤pH值, 而S1T2处理降低土壤pH值; 在低肥力土壤中, 仅S0T3处理提高了土壤pH值。高肥力和低肥力土壤中, S0T1或S1T1、S0T3或S1T3处理均提高了土壤有机碳和全氮含量; S0T2或S1T2、S0T4或S1T4处理对土壤有机碳含量无显著影响。添加生物质炭及不同组分对土壤有效磷含量无显著影响。在2种土壤中, S0T1或S1T1、S0T2或S1T2、S0T4或S1T4处理均显著提高了土壤速效钾含量, 且在高肥力土壤中S1T4处理下土壤速效钾含量显著高于S1T1和S1T2处理。

我们假设添加生物质炭可提高小白菜产量, 不同肥力土壤生物质炭的增产机制并不相同:在低肥力土壤中, 生物质炭对小白菜产量的影响以养分效应为主; 在高肥力土壤中以小分子有机物刺激效应为主, 但本研究结果并没有支撑该假设。本试验结果表明添加生物质炭并没有显著提高小白菜产量, 这与已发表文献研究结果^[19-23]不同, 在这些研究中, 试验土壤pH值呈酸性或强酸性(4.26 < pH < 5.53), 而生物质炭本身是碱性物质, 施用于酸性土壤中可显著提升土壤pH值, 从而提高土壤的养分供应能力, 最终增加小白菜产量。Pandit等^[23]研究结果证实, 生物质炭提高酸性土壤养分供应能力是玉米增产的关键作用机制。而在中性土壤中, 孙雪等^[24]发现添加生物质炭能提高小白菜产量, 这与试验土壤肥力水平和生物质炭原料来源有关。孙雪等^[24]试验中所用土壤为城市建设用地废弃改造的土壤, 肥力很差, 其速效磷含量只有1.66 mg · kg^-1, 显著低于本研究中的低肥力土壤。其添加的生物质炭来源于猪粪, 养分含量很高, 因此生物质炭施用后会大幅度增加小白菜产量。此外, 也有一些研究发现添加秸秆生物质炭不会提高小白菜产量^[25]。生物质炭施用后小白菜产量变化还与生物质炭在土壤中存留时间有关。俞映倞等^[21]发现添加生物质炭对第1季小白菜产量无显著影响, 但显著增加了第2—5季小白菜产量。因此, 生物质施用后小白菜产量的变化与土壤类型(pH值)、肥力水平和生物质炭类型有密切关系。肖婧等^[6]对已有研究结果的整合分析表明, 畜禽粪便类生物质炭对蔬菜增产效果显著高于秸秆类生物质炭。该结果说明了生物质炭增产机制中养分的重要性。在本研究中, 相关分析结果也表明不同肥力土壤小白菜产量差异与土壤氮、磷等营养元素的有效性呈正相关关系。

本研究中, 低肥力土壤小白菜根冠比显著高于高肥力土壤, 体现了植物对低养分环境的适应机制。在低肥力土壤中, 植物会通过增加根系生物量以便从土壤中吸收更多营养^[26]。因此, 土壤养分供应不足会促进光合产物向地下的分配过程, 导致较高的根冠比。在本研究中, 尽管不同生物质炭组分(炭骨架、浸提液和灰分)间理化性质差异明显, 但对小白菜产量和根系生物量并无显著影响。在高肥力土壤中, 生物质炭浸提液和炭骨架改变了小白菜根冠比, 说明添加不同生物质炭组分可显著促进光合产物向地下的分配过程, 其作用机制仍需进一步研究。

与其他作物不同, 小白菜能够从土壤中大量吸收硝酸盐并存储在液泡中。硝酸盐含量是蔬菜的重要品质指标。本研究中, 添加生物质炭可显著降低小白菜体内硝酸盐含量, 这与前人结果^{[13, 20-21, 24]}一致; 并且添加不同生物质炭组分均降低小白菜体内硝酸盐含量。张登晓等^[20]认为生物质炭施用后土壤氮素有效性降低(铵态氮和硝酸盐)是导致小白菜体内硝酸盐含量降低的重要原因, 而与土壤中全氮含量没有显著关系。生物质炭施入到土壤中后会提高土壤反硝化过程、加速硝酸盐消耗, 从而降低土壤中硝酸盐含量^[27]。俞映倞等^[21]对多个生长季的观测数据分析表明, 生物质炭施用提高了土壤中硝酸盐和小白菜体内全氮含量, 而降低了小白菜体内硝酸盐含量。本研究结果表明将生物质炭浸提液和生物质炭灰分添加到土壤中, 也能够降低小白菜体内硝酸盐含量。然而生物质炭浸提液和生物质炭灰分对土壤氮素总量和有效态含量无显著影响。因此, 生物质炭施用后小白菜体内硝酸盐含量变化和土壤中氮素有效性降低没有必然联系。本研究中, 小白菜体内硝酸盐含量与钾含量呈极显著的负相关关系, 随着小白菜体内钾素的增加硝酸盐含量降低。张漱茗等^[28]表明, 蔬菜中硝酸盐含量与钾含量呈显著负相关关系。这是由于钾离子能够诱导硝酸盐还原酶的合成, 增强其活性, 有利于硝酸盐还原^[29]。因此, 生物质炭通过提高小白菜钾的吸收量来降低体内硝酸盐含量, 其生理学机制需要进一步研究。

综上所述, 添加秸秆生物质炭及其不同组分对小白菜产量没有显著影响, 但降低了小白菜地上部硝酸盐含量, 生物质炭施用后钾吸收量增加可能是导致硝酸盐含量降低的重要原因。