生物质炭与氮肥配施对雨养娃娃菜水肥土及经济效益的影响

摘    要：为确定适合宁南山区雨养娃娃菜的最佳生物质炭添加量，以金皇后为试验材料，采用随机区组试验设计，共设8个处理，分析不同处理对雨养娃娃菜水肥土及经济效益的影响。结果表明，与不施氮肥的处理相比，生物质炭与氮肥配施可以降低结球期-收获期土壤阶段耗水量。T7（施N肥，添加生物质炭20 t∙hm^-2）处理可显著提高水分利用效率，T8（施N肥，添加生物质炭30 t∙hm^-2）处理可降低土壤容重，增加总孔隙度和有机质含量，显著提高有效磷和速效钾含量，提高酸性磷酸酶活性。在施等量氮肥条件下，氮素利用效率随着生物质炭施用量增加而逐渐升高，而产量随生物质炭施加量的增加呈现先增后减趋势。T7处理娃娃菜的单株净重（1431.33 g）和经济产量（114.56 t∙hm^-2）和产值（137 476.86 元∙hm^-2）均达到最大，水分利用效率较其他处理也提高了17.00%～56.31%。综合考量生产成本、经济效益及生物质炭的长期效应，选择T7处理不仅可以改善土壤质量，还可以提高经济效益。

关键词：雨养娃娃菜;生物质炭;水肥利用效率;经济效益

中图分类号：S634.1 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2022）07-069-06

Biomass charcoal combined nitrogen fertilizer affects water， fertilizer， soil and economic benefits of rain-fed mini Chinese cabbage

CAO Shaona， LI Yulian， ZHANG Qiannan， LI Ying， WANG Qian

（Guyuan Branch， Ningxia Academy of Agricultural and Forestry Sciences， Guyuan 756000， Ningxia， China）

Abstract：In order to determine the optimal amount of biomass charcoal for rain-fed mini Chinese cabbage in the mountainous area of southern Ningxia， the Golden Queen was used as the test material， and a random block experiment design was adopted， a total of 8 treatments were performed and the effects of different treatments on water， fertilizer， soil and economic benefits of rain-fed mini Chinese cabbage were analyzed. The results show that the combined application of biomass charcoal and nitrogen fertilizer can reduce water consumption in the soil stage during the heading-harvest period; T7 treatment can significantly increase water use efficiency， and T8 treatment can reduce soil bulk density， increase total porosity and organic matter content， and significantly increase the effective Phosphorus and available potassium content increases acid phosphatase activity. Under the same amount of nitrogen fertilizer， the nitrogen use efficiency gradually increases with the increasing of the amount of biomass charcoal， and the yield first increases and then decreases with the amount of biomass charcoal. The maximum output value of T7 treatment is 137 476.86 Yuan∙hm^-2. Therefore， considering the production costs， economic benefits， water and fertilizer use efficiency， and the long-term effects of biomass charcoal， choosing T7 treatment with nitrogen fertilizer and applying 20 t∙hm^-2 biomass charcoal can not only improve soil quality， but also increase yields， water and fertilizer utilization efficiency and economic benefits.

Key words：Rain-fed mini Chinese cabbage; Biomass charcoal; Water and fertilizer use efficiency; Economic benefit

生物质炭（生物炭或生物黑炭，biochar）是由植物生物质（或生物有机材料）在无氧或者部分缺氧情况下经300～600 ℃高温热裂解后产生的一类高度芳香化难溶性固体产物，具有富碳、高孔隙、高比表面积、强吸附性等特征[1-2]。近年来，生物质炭作为环境友好型土壤改良剂逐渐成为土壤改良和土壤修复方面的研究热点[3-4]。已有研究表明，施加适量生物质炭能有效改善土壤理化性质，提高产量，改善品质，提高土壤的矿质养分含量和持水量，降低重金属在土壤中迁移性和有效性，减少N2O气体减排，提高土壤微生物的种群结构多样性等[5-11]。研究表明，稻秆炭对小青菜的增产效果随施用量的增加呈先增加后降低的趋势，当施用量为20 t∙hm^-2时，小青菜增产效果最好[12]。生物质炭用量超过50 t∙hm^-2才会对土壤或作物生长有明显的改良效果，有的更是高达80 t∙hm^-2[13-14]。也有不同观点认为施用生物质炭对产量影响不显著，甚至呈负相关[15]。因此，探究生物质炭的不同施用量对蔬菜产量和土壤改良效果至关重要。雨养农业是指单纯依靠天然降水为水源的农业生产，但就目前而言，对于生物质炭的研究主要集中于粮食作物和偏酸性土壤上，而对于西北冷凉高寒区的雨养蔬菜和偏碱性土壤研究报道较少，因此，笔者通过田间试验，设置了不同的生物质炭施用梯度与氮肥配施，探究生物质炭施用当季对雨养娃娃菜水肥土的响应，以期更好地推进生物质炭作为连作土壤改良剂在生产中的应用。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年5月12日至7月31日在宁夏农林科学院固原分院观庄基地进行。基地位于隆德县观庄乡前庄村，研究区海拔约2300 m，年平均气温5.3 ℃，年降水量502 mm，属大陆季风气候，≥10 ℃的年积温约1700 ℃，无霜期约为125 d。供试土壤为黑垆土，土壤呈弱碱性，团粒结构较好。试验前土壤0～20 cm土层基本理化性质为：pH值 7.83、容重1.07 g∙cm^-3、CEC值14.08 cmol∙kg^-1、总孔隙度59.14%、有机质含量（w，后同）33.43 g∙kg^-1、碱解氮含量123.00 mg∙kg^-1、速效磷含量5.03 mg∙kg^-1、速效钾含量183.33 mg∙kg^-1。

1.2 材料

供试生物质炭由宁夏荣华生物质新材料科技有限公司提供，生物质炭生产原料为玉米秸秆，炭化温度约为450 ℃，基本理化性质如下：pH值 9.50、容重0.47 g∙cm^-3、CEC值13.83 cmol∙kg^-1、总碳69.57 g∙kg^-1、总氮3.98 g∙kg^-1、碱解氮167.67 mg∙kg^-1、有效磷284.33 mg∙kg^-1、速效钾661.00 mg∙kg^-1。供试娃娃菜品种为金皇后，由固原丰乐园农业科技有限公司提供。所施氮肥为尿素（含N 46%）300 kg∙hm^-2，磷肥为过磷酸钙（含P₂O5 12%）75 kg∙hm^-2，钾肥为硫酸钾（含K₂O 52%）300 kg∙hm^-2。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，共设8个处理，分别记为T1（未施N肥，未添加生物质炭）;T2（未施N肥，添加生物质炭10 t∙hm^-2）;T3（未施N肥，添加生物质炭20 t∙hm^-2）;T4（未施N肥，添加生物质炭30 t∙hm^-2）;T5（施N肥，未添加生物质炭）;T6（施N肥，添加生物质炭10 t∙hm^-2）;T7（施N肥，添加生物质炭20 t∙hm^-2）;T8（施N肥，添加生物质炭30 t∙hm^-2）。每处理3次重复，共24个小区，小区面积24 m2（6 m×4 m）。除氮肥外，各施肥处理磷肥、钾肥和生物质炭混匀后作为基肥一次性施入。氮肥分次施入，基肥、结球期分别占总施氮量的40%和60%。再用旋耕机旋地，最后利用机械起垄覆膜。每小区起4垄，垄宽80 cm，沟宽50 cm，采用一垄三行栽培模式。其中，株距25 cm，行距30 cm，每小区定植204株。整个生育期病虫害防治等田间管理措施与当地传统管理措施保持一致。

1.4 测定指标和方法

土壤理化性质和土壤酶活性的测定：施基肥前和收获后用S法采0～20 cm混合土样，风干，过0.25 mm筛测定土壤基础理化性质（主要是碱解氮、速效磷、速效钾、容重、有机质、总孔隙度、pH和CEC）和土壤酶活性（脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶），参照关松荫[16]的方法测定。

氮养分含量测定：取娃娃菜全株，分为地上部和地下部，分别在105 ℃杀青0.5 h后75 ℃烘干再用高氯酸-硫酸消煮，测定氮养分含量[17]。

娃娃菜产量的测定：在采收时每小区随机选取20株娃娃菜测其产量。

娃娃菜的水肥利用效率计算：水分利用效率是指作物经济产量与耗水量之比，其公式为WUE=Yd/ET，式中，WUE为水分利用效率;Yd为作物经济产量;ET为作物总耗水量，其计算采用农田水分平衡法计算[18]，E=C×ρ×H×10，式中，E为贮水量，C为土壤水分质量分数，ρ为土壤容重，H为土层深度;ET=P+ΔW，式中，ET为阶段耗水量，P为降水量，ΔW为时段内土壤贮水量的变化。