2021, Vol. 41
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2. 通州区农业技术推广站, 北京 110101;
3. 密云区农业技术推广站, 北京 101500;
4. 北京市农林科学院植物营养与资源研究所, 北京 100097
2. Tongzhou Agricuture Technology Extension Station, Beijing 110101;
3. Miyun Agricuture Technology Extension Station, Beijing 101500;
4. Institute of Plant Nutrient and Resources, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097
北运河流域(北京段)覆盖北京城区和近郊, 流域面积4423 km2, 占全市总面积的26%, 共承载全市近70%的人口.流域内产业密集、农田分布广泛、水资源匮乏、人口负荷大, 是北京市污染最严重的流域.自2009年起, 北京市就将北运河流域水污染治理和水环境保护列为政府重点工程.
农田面源是该流域潜在的重要污染源.根据2013年的调查结果, 流域农作物总播种面积167.1万亩.连续复种和过量施肥导致农田养分盈余严重, 以菜田为例, 其氮平均盈余达1601 kg·hm-2, 土壤有效磷平均含量153 mg·kg-1, 远超过土壤磷流失临界值60 mg·kg-1(文方芳等, 2015).因此, 加强流域内面源污染源头控制, 防控农田氮磷流失, 对于治理和改善北运河水体环境至关重要.通州位于北运河流域(北京段)下游, 是北京新“两翼”之一和北京城市副中心, 根据规划将按照生态优先的原则构建“水城共融、蓝绿交织”城市新特色.全区蔬菜播种面积7.4万亩, 农田地处冲击洪击平原, 土壤基础地力偏低, 蔬菜生产中水肥用量大, 并且部分区域土壤上壤下砂, 保水、保肥能力弱, 氮磷流失和面源污染风险较高.
生物炭是作物秸秆、树枝等农林废弃物在缺氧条件下高温(400~700 ℃)裂解的高度芳香化产物, 具多孔结构(Tripathi et al., 2016；Chen et al., 2019), 表面积在1.5~500 m2·g-1之间(Suliman et al., 2016；Li et al., 2018), 含有—COOH、—C—O—R和C—OH等活性功能团(Takaya et al., 2016；Fang et al., 2017；Peng et al., 2016).生物炭含碳量在60%以上, 同时还含有H、O、N、S、P、K、Ca、Mg、Na和Si等矿物元素(Yuan et al., 2011).研究表明, 生物炭可以改善土壤物理结构, 降低土壤容重, 提高土壤持水能力(吴珏等, 2020；张昌天等, 2020).生物炭还可以改善土壤化学性质, 如提高土壤pH, 增加土壤有机质、C/N、钾含量及中微量元素(Choppala et al., 2016；Wong et al., 2019).此外, 生物炭的多孔结构可为微生物提供繁殖空间, 益于微生物存活, 可以提高土壤微生物群落结构与活性(Awad et al., 2018；Ye et al., 2017).再者, 将农业废弃秸秆碳化成稳定性生物炭, 可增加土壤碳库, 减少温室气体排放(Cao et al., 2013), 施入农田后还可吸附固定养分, 降低农田氮磷流失, 减少氧化亚氮排放和氨挥发(Jia et al., 2012；Cayuela et al., 2014；盖霞普等, 2015；王静, 2018).
基于此, 本研究以北运河流域通州面源污染风险较高的菜田结球生菜为研究对象, 探讨上壤下砂构型菜田生物炭与化肥配施及施炭基肥对土壤氮磷纵向迁移、结球生菜产量和品质及土壤微生物数量的影响, 以期为削减农田氮磷流失、防控农田面源污染提供技术支撑.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试验地概况试验于2019年9—11月在北京市通州永盛园农业种植中心A12号春秋棚内进行.试验地土壤母质为冲积物, 因历次洪水泛滥、河堤决口及洪水流速的改变, 沉积的物质往往砂、黏相见, 层理交错, 致使1~2 m深的土壤质地剖面层次变化很复杂, 容易漏水漏肥.土壤类型为潮土, 质地为轻壤土, 质地构型为砂底轻壤.土壤pH=8.0, 有机质含量为1.8%, 碱解氮含量为102 mg·kg-1, 有效磷含量为99.3 mg·kg-1, 速效钾含量为400 mg·kg-1.参考《北京市耕地肥力分等评价标准》, 该地块属于较高肥力水平.
2.2 试验材料供试作物为结球生菜(品种：射手101), 供试肥料包括复合肥、大量元素水溶肥、生物炭和炭基肥.复合肥(N:P2O5:K2O=15-15-15)由北京澳佳生态农业股份有限公司提供, 大量元素水溶肥(N:P2O5:K2O =35-0-15和N:P2O5:K2O =16-8-34)由金正大生态工程集团股份有限公司提供.生物炭为作物秸秆高温炭化制成, 由河南省立泽环保有限公司提供.生物炭基复合肥(N:P2O5:K2O=18-6-12)由生物炭与尿素、磷酸氢二铵和硫酸钾掺混造粒.
2.3 试验方法试验共包括5个处理, 各处理之间底肥不同, 追肥一致.各处理底肥施用情况具体如下：T1, 单施化肥, 尿素174.6 kg·hm-2, 二铵61.35 kg·hm-2, 硫酸钾108 kg·hm-2；T2, 化肥+生物炭(750 kg·hm-2), 与T1相同化肥施用量的基础上, 底施生物炭750 kg·hm-2；T3, 化肥+生物炭(2250 kg·hm-2), 与T1相同化肥施用量的基础上, 底施生物炭2250 kg·hm-2；T4, 化肥+生物炭(4500 kg·hm-2), 与T1相同化肥施用量的基础上, 底施生物炭4500 kg·hm-2；T5, 底施炭基肥, 底施30 kg生物炭基复合肥(N:P2O5:K2O= 18-6-12).所有处理底肥投入的总养分一致, 每个处理3次重复.共15个小区, 每个小区为5 m×3 m=15 m2.各小区内东西向双行栽培4垄结球生菜.各处理追肥一致, 按照园区习惯进行滴灌追肥, 每公顷追施N:P2O5:K2O=35-0-15水溶肥300 kg和N:P2O5:K2O= 16-8-34水溶肥375 kg.
生菜收获时, 每个小区收获划定面积内地上部所有生物量(连续取10株生菜), 用于测定小区代表性生物产量, 摘出外部叶片, 净球部分作为生菜经济产量.测产后随机取3棵生菜带回实验室测定维生素C和硝酸盐含量.同时, 取生菜收获后相应位置0~60 cm土壤, 测定硝态氮和Olsen-P含量.表层土壤测定土壤微生物数量.
结球生菜维生素C采用2, 6-二氯酚靛酚滴定法测定, 硝酸盐采用紫外分光光度法测定；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定, 土壤硝态氮采用氯化钙提取-连续流动分析仪(AutoAnalyzer3, BRAN LUEBBE)测定, 土壤Olsen-P采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定, 土壤速效钾采用火焰光度计测定；土壤细菌和真菌数量采用荧光定量PCR(real-time PCR)测定, 目标基因和引物见表 1.数据统计与方差分析采用SASS统计软件.
| 表 1 标靶基因和荧光定量PCR引物 Table 1 Target genes and primers used in fluorescent quantitative PCR |
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试验结束后, 各处理0~20、20~40和40~60 cm土壤的硝态氮平均含量分别为5.8、18.5、15.9 mg·kg-1.不同处理0~60 cm土壤硝态氮含量纵向分布规律一致, 即耕层以下20~40 cm和40~60 cm土壤硝态氮含量均明显高于耕层0~20 cm土壤硝态氮含量(图 1), 说明施入耕层的盈余氮素可能在灌溉水驱动下, 淋溶、迁移到20~40 cm和40~60 cm土层.与单施化肥(T1)相比, 化肥配施不同量级的生物炭(T2~T4, 图 1a)和炭基肥处理(T5, 图 1b)均明显降低了20~40 cm土壤硝态氮含量, 降幅分别为41.20%、39.60%、24.20%和13.78%, 表明配施生物炭可有效阻控耕层土壤硝态氮向20~40 cm土层迁移.随着生物炭施用量从750 kg·hm-2(T2)、2250 kg·hm-2(T3)增加到4500 kg·hm-2(T4), 20~40 cm土壤硝态氮含量较单施化肥(T1)的降幅反而减少(图 1a), 生物炭对耕层土壤硝态氮淋溶的阻控作用减弱.
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| 图 1 各处理不同深度土壤硝态氮含量变化 Fig. 1 Changes of NO3--N content in soil of different depth in different treatments |
各处理不同深度土壤Olsen-P含量见图 2.试验结束后, 各处理0~20、20~40和40~60 cm土壤Olsen-P含量分别在60.2~88.9、24.0~40.0和4.0~7.2 mg·kg-1之间.土壤Olsen-P含量从耕层向耕作层以下逐渐降低, 40~60 cm土壤Olsen-P含量较耕层(0~20 cm)低1个数量级, 说明磷向深层土壤的淋溶迁移较小.
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| 图 2 各处理不同深度土壤Olsen-P含量变化 Fig. 2 Changes of Olsen-P content in soil of different depth in different treatments |
如2图所示, 生物炭与化肥配施(T2~T4)及T5处理均可提高耕层土壤(0~20 cm)Olsen-P含量, 分别提高26.30%、24.70%、32.60%和11.20%, 并且T3和T5处理20~40 cm土壤Olsen-P含量较T1处理分别降低了19.90%和12.50%.T2、T3、T4和T5处理分别减少40~60 cm土壤中Olsen-P含量27.30%、26.10%、33.50%和41.30%.
3.3 结球生菜产量、维生素C和硝酸盐含量结球生菜的生物产量为64675~74650 kg·hm-2, 经济产量为37600~43925 kg·hm-2, 商品率在60%左右(表 2).与单施化肥(T1)相比, 底肥每公顷配施750、2250和4500 kg生物炭(T2~T4)处理下结球生菜生物产量和经济产量均无显著差异(p>0.05), 炭基肥处理(T5)下结球生菜的生物产量显著增加14.36%(p＜0.05), 经济产量增加13.93%, 差异不显著(p>0.05).上述结果说明生物炭与化肥掺混造粒制备成炭基肥对结球生菜促生增产效果优于生物炭与化肥简单掺混, 且炭基肥对结球生菜的促生作用主要在结球之前.
| 表 2 不同处理下结球生菜的产量水平 Table 2 Yield of lettuce in different treatments |
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图 3显示了试验结束后不同处理下结球生菜可食部分的维生素C和硝酸盐含量.如图 3所示, 结球生菜维生素C含量在52.30~68.09 mg·kg-1之间, T2处理较T1提高了15.43%, 但T2、T3、T4处理与T1处理之间差异均不显著(p>0.05), T5处理较T1处理显著提高了结球生菜维生素C含量, 增幅为20.00%(p＜0.05)(图 3a).结球生菜硝酸盐含量在784~913 mg·kg-1之间, 生物炭与化肥配施处理(T2~T4)的结球生菜硝酸盐含量与T1处理之间差异不显著(p>0.05), T5处理的结球生菜硝酸盐含量较单施化肥(T1)处理降低了10.09%, 但差异不显著(p>0.05)(图 3b).
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| 图 3 不同处理结球生菜的维生素C (a)和硝酸盐(b)含量变化 Fig. 3 Vc(a) and nitrate(b) content variation in lettuce of different treatments |
生菜收获后不同处理土壤中细菌和真菌的数量变化如图 4.土壤细菌数量在4.90×108~1.18×109 copies·g-1之间, T2处理的土壤细菌数量较T1处理增加了13.42%, 差异不显著(p>0.05)；土壤细菌数量随着生物炭用量增加(T2~T4)而逐渐减少, T3和T4处理的土壤细菌数量分别比T1处理降低了17.26%和57.49%, T4与T1处理之间差异显著(p＜0.05)；T5处理的土壤细菌数量比T1处理降低了47.50%, 差异显著(p＜0.05).土壤真菌数量在8.10×106~1.68×107 copies·g-1之间, 与T1处理相比, T2处理土壤真菌数量增加了10.40%, 差异不显著(p>0.05)；随着生物炭用量增加(T3~T4), 土壤真菌数量逐渐减少；与T1处理相比, T4处理土壤真菌数量减少31.74%, 差异不显著(p>0.05)；T5处理土壤真菌数量减少46.67%, 差异显著(p＜0.05).
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| 图 4 各处理土壤细菌(a)和真菌(b)数量变化 Fig. 4 Soil microbial quantity in different treatments |
本研究通过田间试验得出, 较高肥力菜地底施化肥的同时, 每公顷配施750~4500 kg生物炭或施炭基肥, 20~40cm土壤硝态氮含量相对于单施化肥降低了13.78%~41.20%, 从田间条件下再次证实了生物炭的保肥控流失效果.这与前人关于氮素淋溶模拟得到的结论(高德才等, 2014；盖霞普等, 2015；王静, 2018)及魏雪勤(2016)报道的生物炭配施有机肥63 d后可显著降低农田20 cm以下土壤硝氮淋溶的结论一致.
生物炭降低土壤硝态氮淋溶可能与两方面作用有关：一方面, 生物炭特殊的多孔结构为土壤水分提供了更多储存空间, 进而提高了土壤持水能力(张昌天等, 2020), 硝态氮在土壤中运移与水分运移密切相关, 土壤保水能力的增加减弱了水分向下运移, 因而降低了硝态氮的淋溶迁移；另一方面, 有研究指出, 生物炭可通过化学作用吸附硝酸根离子(武丽君, 2016), 配施生物炭相当于为土壤提供了吸附剂, 可以吸附固定更多的硝态氮在耕层土壤供植物吸收利用, 进而减少了硝态氮淋溶迁移量.
本研究显示, 随着生物炭施用量增加, 其对耕层土壤硝态氮淋溶的阻控作用反而减弱, 推测可能与生物炭中溶解性有机质(DOM)有关.研究发现, DOM由于对化学物质具有增溶作用和较强的移动性, 可显著改变化学物质的环境行为(Zhang et al., 2011).推测本试验结果是由于生物炭通过保水和吸附阻控硝态氮淋溶的同时, 生物炭中提供的DOM促进了耕层土壤硝态氮的解吸和向下迁移.随着生物炭施用量的增加, DOM的增溶促流失作用更大, 因而阻控效果下降, 具体原因还有待进一步研究证实.
4.2 生物炭对土壤Olsen-P的影响目前, 一般认为农田土壤磷流失临界值为60 mg·kg-1(文方芳等, 2015).本试验地块试验前0~20 cm土壤Olsen-P含量为99.3 mg·kg-1, 按照农田磷流失临界值标准, 该地块具有磷流失风险.从不同土层的土壤Olsen-P含量分布来看, 40~60 cm土壤中Olsen-P含量总体上比较低, 表明迁移到该土层的磷相对较少.这可能与华北地区土壤pH较高、钙含量丰富、磷与钙结合后移动性降低等因素有关.
本研究显示, 不同处理之间等磷量投入的前提下, 化肥配施生物炭和施炭基肥均增加了耕层土壤(0~20 cm)Olsen-P含量, 推测有两方面的原因：作物秸秆中残留的磷在高温炭化过程中保留在生物炭中, 为土壤提供了一定数量的磷；或者由于生物炭的保水、保肥能力, 可将结球生菜生产中施入的一部分磷吸附固定在耕层, 前人的研究也证实了生物炭对磷的吸附作用(王静, 2018).与单施化肥相比, 化肥配施生物炭和施炭基肥0~20 cm土壤中Olsen-P含量增加, 40~60 cm土壤中Olsen-P含量降低, 表明农田配施生物炭可提高土壤供磷量, 并减少土壤中磷的迁移, 该结果与王静(2018)的结论一致.
4.3 生物炭对生菜产量和品质的影响生物炭来源于秸秆、树枝等农林废弃物, 这些废弃物高温炭化过程中, 部分营养元素会保留在生物炭中致使生物炭本身含有少量营养物质(Yuan et al., 2011)；另外, 生物炭施入土壤后具有一定的保水保肥作用(Jia et al., 2012；Cayuela et al., 2014；盖霞普等, 2015；王静, 2018).因此, 农田施用生物炭可能在一定程度上可提高作物产量, 这也被相关研究结果证实(Steiner et al., 2007；Uzoma et al., 2011；宋大利, 2017).然而, 生物炭对作物的增产效应受生物炭用量、土壤类型及土壤肥力等多种因素影响(EI-Naggar et al., 2019).本研究显示, 仅炭基肥处理可显著增加结球生菜生物产量, 无论是生物炭与化肥配施还是施炭基肥均对结球生菜经济产量无显著影响.该结果与王荣荣(2016)对大白菜和廖上强等(2015)对芹菜的研究结果一致.究其原因可能与该试验地块土壤质地轻壤, 以及叶菜的生长周期短及试验所施生物炭用量偏低有关.
维生素C和硝酸盐含量是叶菜品质的两个关键指标.植物中的维生素C含量与氮素密切相关, 过量的氮肥供应会显著降低产品中的维生素C含量(钟珊等, 1990).一般认为, 每1000 kg结球生菜需要吸收氮3.7 kg(赵永志, 2012), 3000 kg结球生菜理论吸氮量大约为11.1 kg.本试验各处理氮素投入量一致, 底肥和追肥共投入氮素238.5 kg·hm-2.等氮量投入下, 与单施普通化肥相比, 炭基肥处理不仅显著提高了球生菜维生素C含量, 还降低了球生菜可食部分硝酸盐含量, 提高了结球生菜品质.这可能是由于生物炭与尿素造粒制备成炭基肥后, 可延缓氮素释放, 阻控氮的过量吸收, 因而降低了生菜硝酸盐含量, 并提高了其中的维生素C含量, 具体原因有待进一步验证.此外, 研究表明, Ca2+、Mg2+阳离子可以提高植物中半乳糖内酯脱氢酶GalLDH含量(维生素C合成关键酶), 进而促进植物维生素C的合成(张雪等, 2012).炭基肥中通常也含有钙、镁等丰富的中微量元素(周劲松等, 2012；Yuan et al., 2011), 由此可能间接地促进了球生菜维生素C合成, 提高了球生菜维生素C含量.
4.4 生物炭对土壤微生物群落的影响施用生物炭如何影响土壤微生物群落结构尚无定论, 一些学者研究认为生物炭的多孔结构可为微生物提供繁殖空间, 益于微生物存活, 进而可以对土壤微生物群落结构和活性产生积极影响(Awad et al., 2018；Ye et al., 2017；Li et al., 2018)；相反, Wang等(2015)报道指出, 生物炭用量由0.5%(约11250 kg·hm-2)提高到5%(约112500 kg·hm-2), 土壤总磷脂脂肪酸(PLFA)和细菌相对丰度降低, 过量施用生物炭对土壤细菌群落产生了不利影响.
实际上, 生物炭到底如何影响土壤微生物受生物因素与非生物因素之间、生物过程与非生物过程之间直接或间接的相互作用影响(Zhu et al., 2017), 且与生物炭添加量、种类及土壤类型密切相关(Elzobair et al., 2016).
本研究发现, 生物炭施用量增加可能对土壤细菌和真菌的生长与繁殖产生负作用, 当生物炭用量达到4500 kg·hm-2, 抑制作用十分明显, 施炭基肥也抑制了土壤细菌和真菌的生长繁殖, 这与Wang等(2015)的研究结果一致.究其原因可能与受试土壤质地和施肥习惯有关, 试验地块为轻壤土, 每年秋后施一次有机肥, 本次试验底肥未施有机肥, 因而可能土壤中土著微生物数量不高, 且土著细菌和真菌对生物炭和炭基肥反应灵敏、耐受能力较低.值得注意的是, 土壤微生物不仅参与元素的地球化学循环, 还有助于维持土壤健康, 在土壤生态系统的功能与服务中扮演重要的角色, 建议进一步开展施用生物炭和炭基肥对农田微生物生态的影响研究.
5 结论(Conclusions)在通州冲积物形成的平原农田地区, 土壤类型为潮土、质地轻壤, 构型上壤下砂的较高肥力地块, 生物炭与化肥配施或者施炭基肥具有如下效果：
1) 生物炭与化肥配施不仅可确保生菜产量和品质, 并可显著降低下层土壤氮磷积累, 但过量施用会显著减少土壤细菌和真菌数量, 推荐生物炭用量为750~2250 kg·hm-2, 该施用量下20~40 cm土壤硝态氮和40~60 cm土壤Olsen-P含量分别较单施化肥降低39.60%~41.20%和26.10%~27.30%.
2) 施炭基肥可提高生菜生物产量14.36%, 提高生菜维生素C含量20.00%, 显著减少0~60 cm土壤氮、磷淋溶, 20~40 cm土壤硝态氮和Olsen-P含量分别较单施化肥降低13.78%和12.50%, 但炭基肥会显著减少土壤细菌和真菌数量.因此, 建议炭基肥与微生物肥料配施, 以提高土壤微生物活性.
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