辣椒秸秆生物炭对黄壤化学特性及小白菜生长的影响
时间：2023-02-02 16:55:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
罗 洋，张桂玲，王 芳，向仰州，任 军
（1.贵州师范学院地理与资源学院，贵阳 550018；
2.贵州师范学院化学与材料学院，贵阳 550018；
3.天津农学院园艺园林学院，天津300384）
黄壤是贵州喀斯特地区主要的农业土壤类型，占贵州省土壤面积46.40%。由于黄壤具有质地黏重、水容量小、养分含量低和酸性强等特点，在农业可持续发展中有诸多限制[1]。目前，改良黄壤使用的较普遍的方法是向土壤中施用石灰，以降低酸性土壤的酸度，还能增加土壤中交换性钙的含量[2]。但长期或大量施用石灰会造成土壤板结，破坏土壤结构，引起土壤中钾钙镁等营养元素的失调，从而使作物减产[3]。生物炭是一种具有高度芳香化及富含碳素的多孔固体颗粒物质，具有提高土壤盐基饱和度、调节土壤pH值、增加土壤养分等功能，在土壤改良方面具有广阔的应用前景[4-6]。
辣椒（Capsicum annuum L.）是中国重要的蔬菜作物，年种植面积超过130万hm2，在带动产业结构调整和促进农民增收方面发挥着重要作用[7]。据统计，2020年贵州省辣椒种植面积达36.3万hm2，产量724.0万t，产值242.0亿元，是贵州省蔬菜中最大种植面积的单品[8]。若按照辣椒产废系数（辣椒秸秆产量/辣椒产量）0.36计算[9]，理论上贵州省仅2020年就大约有260.6万t辣椒秸秆废弃物产生。目前大部分地区处理辣椒秸秆的主要手段是直接丢弃，会导致土壤结构被破坏、滋生病虫害、造成环境污染等一系列恶果[10]。因此，采取适宜方法，对辣椒秸秆进行无害化处理和资源化利用已成为产业发展中面临的重要问题。目前已有学者将辣椒秸秆制备成生物炭，并应用于贵州地区石灰土有机碳矿化的研究中[11]，但鲜见以黄壤作为改良对象的报道。小白菜具有生育期短，较耐低温和高温等特点，适应性强[12]，在贵州一年四季均可种植，其生长和品质状况能反映出改良剂在土壤上的应用效果。综上，本研究将辣椒秸秆生物炭以不同比例添加到黄壤中，通过室内盆栽试验，探讨辣椒秸秆生物炭对黄壤化学特性和小白菜生长的影响，以期为黄壤的改良和辣椒秸秆的资源化利用提供参考。
1.1 试验材料
供试黄壤于2021年3月采自贵州师范学院对面的松林坡，挖取表层0～20 cm土样。自然风干，剔除植物根系、枯枝烂叶和石子砂砾后充分混匀，并研磨过2 mm的尼龙筛，装袋备用。土壤基本理化性质：pH=5.77，有机质：5.85 g/kg，碱解氮：97.32 mg/kg，有效磷：12.6 mg/kg，有效钾：137.56 mg/kg。辣椒秸秆生物炭是将取自于贵州省农业科学研究院试验田的辣椒秸秆自然晾干后粉碎后，置于马弗炉内无氧条件下400℃炭化2 h过2 mm尼龙筛制得。辣椒秸秆生物炭主要性质：pH=9.38，有机质：402.64 g/kg，全氮：8.62 g/kg，全磷：0.73 g/kg，全钾：0.66 g/kg，供试植物为“桂星牌”小白菜（Brassia chinensis L.），生长周期为40～50 d左右，购于贵阳市乌当区农贸市场。
1.2 试验设计
试验于2021年6月—7月在贵州师范学院温室大棚开展，共设4个处理：A：对照，不添加辣椒秸秆生物炭；
B：按质量比添加0.5%的辣椒秸秆生物炭；
C：按质量比添加2.5%的辣椒秸秆生物炭；
D：按质量比添加5%的辣椒秸秆生物炭。每个处理3个重复。将土壤与辣椒秸秆生物炭按比例混匀，每盆装土1 kg。用称重法保持土壤含水量为田间持水量的60%左右，在室温下平衡两周。小白菜种子经75%的酒精浸泡30 s杀菌处理后，用蒸馏水清洗干净，选取颗粒饱满的种子播种于花盆中，每盆20粒，12 d以后进行间苗，每盆留12株苗，试验期间定时浇水，保持土壤含水量为田间持水量的60%，小白菜种植45 d以后收获。
1.3 测定项目及方法
收获时将小白菜地上部用不锈钢剪刀截取，先用自来水洗净，再用去离子水冲洗，擦干后测株高和鲜重，并称取部分鲜样测量小白菜Vc含量，剩余部分105℃下杀青30 min，85℃下烘干、称重，研磨粉碎，装袋备用。土壤自然风干后磨碎，分别过2 mm和0.15 mm筛，装袋备用。
土壤和辣椒秸秆生物炭的pH采用去CO2蒸馏水浸提，水土比为2.5∶1、炭水比为1∶10，精密pH计测定；
有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；
有效氮采用碱解扩散法测定；
有效磷采用0.03 mol/L NH4F-0.025 mol/L HCl法测定；
有效钾采用原子吸收光谱仪（德国耶拿，novAA350）测定。小白菜地上部氮含量采用半微量开氏法测定，磷含量采用钼锑抗比色法测定，钾含量采用原子吸收光谱仪（德国耶拿novAA350）测定；
小白菜可溶性糖采用蒽酮比色法测定；
小白菜Vc含量采用2,4-二硝基苯肼比色法测定；
小白菜硝酸盐含量采用紫外分光光度法测定[13-14]。
1.4 数据分析
应用Microsoft Office Excel 2010进行数据整理，用Origin 2018绘制图表，用IBM SPSS Statistics 22进行差异性分析，LSD法进行多重比较，方差分析显著性水平设置为P<0.05。
2.1 施用辣椒秸秆生物炭对黄壤化学特性的影响
如表1所示，与处理A相比，处理B、C、D的土壤pH值分别提升了0.17、0.77和0.62个单位，表明辣椒秸秆生物炭的施用提高了土壤的pH值，其中当用量为2.5%和5%时与对照的差异达显著水平（P<0.05），但两者之间无显著差异。不同处理土壤有机质含量的大小顺序为D>C>B>A，与对照相比，随着辣椒秸秆生物炭用量的增加，土壤有机质含量分别增加了8.43%、183.52%和378.35%。方差分析结果显示，除施用量为0.5%处理与对照处理的差异不显著以外，其余处理之间、处理与对照间均有显著差异（P<0.05）。
由表1还可以看出，试验后土壤有效氮含量介于83.61～93.49 mg/kg之间，各处理间无明显差异。随着辣椒秸秆生物炭用量的增加，土壤有效磷和有效钾含量都有不同程度的提高。具体而言，与对照相比，添加0.5%、2.5%和5%辣椒秸秆生物炭处理组的土壤有效磷含量分别提高了128.18%、1098.28%和1589.00%，除施用量为0.5%处理组与对照处理组土壤有效磷含量的差异不显著以外，其余处理之间、处理与对照间差异均达显著水平（P<0.05）。不同处理土壤有效钾的变化趋势和有效磷类似，当辣椒秸秆生物炭在用量水平为0.5%条件下并未使土壤有效钾含量有显著改变，当施用量增加至2.5%和5%时，土壤有效钾含量较对照显著增加了68.08%和123.12%（P<0.05）。
表1 施用辣椒秸秆生物炭对黄壤化学特性的影响Table 1 Effect of chili straw biochar on chemical characteristics of yellow soil
2.2 施用辣椒秸秆生物炭对小白菜生长的影响
种植45 d以后，小白菜植株外形如图1所示。对照组小白菜的平均株高和根鲜重分别为10.93 cm和0.37 g/盆，添加辣椒秸秆生物炭后分别增加至14.79～15.55 cm和0.95～1.03 g/盆，显著高于对照，但不同施用量之间小白菜的株高无明显区别（表2）。辣椒秸秆生物炭的施用还显著增加了小白菜根部和地上部鲜重，与处理A相比，处理B、C、D的鲜重增幅分别为127.20%、290.38%和286.82%。其中施用量为2.5%和5%处理组的小白菜鲜重还显著高于0.5%用量处理组，但两者之间差异不显著。
表2 施用辣椒秸秆生物炭对小白菜株高和鲜重的影响Table 2 Effect of chili straw biochar on plant height and fresh weight of Chinese cabbage
图1 不同处理条件下的小白菜生长状况Figure 1 Growth status of Chinese cabbage under different treatments
2.3 施用辣椒秸秆生物炭对小白菜地上部氮磷钾含量的影响
辣椒秸秆生物炭的添加对小白菜地上部氮磷钾含量的影响因用量的不同而不同（图2）。其中小白菜地上部氮含量在所有处理中均没有体现出明显差异。与处理A相比，处理B、C、D小白菜地上部磷含量分别显著增加了51.02%、145.92%和216.33%（P<0.05）。小白菜地上部钾含量的大小顺序为：处理D>处理C>处理B>处理A，其中当辣椒秸秆生物炭用量为5%时，小白菜地上部钾含量较对照显著增加了38.58%，其余各处理间无明显差异（P<0.05）。
图2 施用辣椒秸秆生物炭对小白菜地上部氮磷钾含量的影响Figure 2 Effect of chili straw biochar on on N,P and K content in the shoot of of Chinese cabbage
2.4 施用辣椒秸秆生物炭对小白菜部分品质指标的影响
表3为不同用量辣椒秸秆生物炭处理下的小白菜部分品质指标变化情况。相较于对照（处理A），处理B、处理C和处理D小白菜叶片可溶性糖含量分别提高了2.72、4.04和3.69个百分点，其中当施用量大于或等于2.5%时差异达显著水平（P<0.05）。小白菜地上部Vc含量由高到低的顺序为处理D>处理C>处理B>处理A，其中施用0.5%、2.5%和5%的辣椒秸秆生物炭使小白菜地上部Vc含量分别较对照显著增加了58.60%、92.71%和131.72%。研究还发现，随着辣椒秸秆生物炭的添加，小白菜硝酸盐含量分别较对照显著降低了7.36%（施用量为0.5%）、17.38%（施用量为2.5%）和18.02%（施用量为5%），其中处理C和处理D小白菜硝酸盐含量还显著低于处理B。
表3 施用辣椒秸秆生物炭对小白菜部分品质指标的影响Table 3 Effect of chili straw biochar on some quality indexes of Chinese cabbage
土壤pH值是其化学特性的核心指标之一，决定着养分元素的有效性[15-17]。本研究发现，添加辣椒秸秆生物炭后，黄壤的pH值较对照分别增高了0.17、0.77和0.62个单位。这与谢伟芳等[18]的研究结果相似，原因可能是生物炭内部的碱性物质含量较多，生物炭-土壤混合体系在土壤水的作用下，会快速释放碱性物质将土壤中的酸性物质中和，从而提高了土壤pH值。土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，是植物营养的主要来源之一。生物炭本身碳含量非常高，在土壤中加入生物炭可以提高土壤有机质的含量，其提高的幅度取决于生物炭的用量及类型[19]。本研究结果显示，与原始土壤相比，试验后未添加生物炭处理组土壤有机质含量有所降低，是因为小白菜根系分泌的有机酸等物质促进了土壤有机质的矿化，其中的营养物质被释放出来，在生长过程中被根系及地上部所吸收[20]。随着辣椒秸秆生物炭用量的增加，土壤有机质含量分别较对照增加了8.43%、183.52%和378.35%，表明以辣椒秸秆为原料制备而得的生物炭能促进黄壤有机质含量的提升。速效养分含量的高低是反映土壤供应养分的强度指标，短时间内能为植物所吸收利用[21]。在本研究中，试验后对照组的速效氮、磷含量与试验前原土壤相比呈降低趋势，这主要与小白菜对营养元素的吸收作用有关。辣椒秸秆生物炭的施用使土壤有效磷含量分别增加了128.18%、1 098.28%和1 589.00%，有效钾含量分别增加了68.08%和123.12%。原因主要包括两方面，一是辣椒秸秆生物炭本身含有非常多的活性官能团，可调节土壤磷和钾的吸附-解吸平衡[22-23]；
二是辣椒秸秆生物炭施用改善了土壤环境，增加了与磷、钾迁移转化有关的微生物生物量和活性[24]。在本研究中，添加辣椒秸秆生物炭后土壤有效氮含量并未有显著改变，可能和土壤类型以及辣椒秸秆生物炭的C/N有关，具体机制有待进一步研究。
施用辣椒秸秆生物炭后，通过小白菜的生长状况探讨，能间接反映其改良效果。在本研究中，与对照相比，施用辣椒秸秆生物炭后小白菜株高增加了35.32%～42.27%，鲜重增加了127.20%～290.38%。原因可能是增施辣椒秸秆生物炭提高了土壤中植物必需营养元素的总量及有效性，从而促进植物细胞分裂、植株生长健壮和茎干增粗[25]。植株氮磷钾是植物体内许多重要化合物的主要成分，其中氮是植物体内多种维生素的成分，磷是植物体内高能化合物的组成成分，钾被认为是植物的“品质元素”，它们对植物的生命活动以及产量的高低、品质的优劣均有重要的作用[26]。在本研究中，小白菜地上部磷钾含量呈逐渐增加趋势。原因是施用辣椒秸秆生物炭后土壤中的有效磷钾含量随施用量增加而提高，促进了小白菜的吸收。而土壤中各处理间的有效氮含量无显著差异，导致小白菜体内的氮含量也无明显变化。小白菜可溶性糖和Vc是评价其品质的重要指标。在本研究中，辣椒秸秆生物炭的施用均提高了小白菜可溶性糖含量和Vc含量，原因可能是添加辣椒秸秆生物炭后，小白菜植株体内的某些生化过程受到了影响[27]，其抗氧化酶活性得到提高，从而减少了对植物具有毒性的自由基。叶类蔬菜在生长过程中极易富集硝酸盐，硝酸盐进入人体后被功能微生物代谢成亚硝酸盐而产生毒害作用[28]。在本研究中，辣椒秸秆生物炭处理组小白菜硝酸盐含量低于对照组，说明辣椒秸秆生物炭的添加可以控制土壤中的NH4+向NO3-的转化速率，小白菜就不会因短期内吸收过多氮素而造成硝酸盐积累。
作为贵州省分布面积最大的土壤类型，黄壤的改良利用一直是相关领域学者们关注的热点，其中不乏以生物炭作为改良剂的研究[29-30]，但鲜见以贵州本地种植面积最大的蔬菜单品辣椒产生的秸秆为原料的报道。本研究以不同用量的辣椒秸秆生物炭为试验因素，通过土壤化学特性、小白菜生长指标、小白菜氮磷钾吸收状况、小白菜品质指标的测定，从土壤-作物体系角度来阐述辣椒秸秆生物炭对黄壤的改良效果。从研究结果来看，以2.5%施用梯度综合效应最优。说明生物炭用量与土壤改良效果并非简单的线性关系，而是倒U型曲线关系，即随着辣椒秸秆生物炭用量的增加，改良效果先上升后下降，这与前人[31]的研究结果一致。原因可能是当用量超过一定范围后对土壤的理化性质乃至生物学性状产生负面影响，如土壤酶活性、微生物活性、微生物多样性和微生物均匀度下降，不利于土壤环境的改善。本研究只是在温室条件下初步揭示了辣椒秸秆生物炭对黄壤的改良作用，其在大田实际中的运用效果如何，具体作用机制有哪些，如何优化调控等，还需进一步开展相关工作进行探讨。
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