陳麗美，李小英，李俊龍，梁 智，史亮濤

（1. 西南林業(yè)大學 生態(tài)與環(huán)境學院，云南 昆明 650224；2. 西南林業(yè)大學 云南省高校土壤侵蝕與控制重點實驗室，云南 昆明 650224；3. 云南省農(nóng)業(yè)科學院 熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所，云南 元謀 651300）

紫甘藍Brassica oleracea var. capitata f. rubra是十字花科Brassicaceae蕓苔屬Brassica結球甘藍B.oleracea var. capitat的一個變型，是云南干熱河谷農(nóng)業(yè)區(qū)冬季特色優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品之一，具有適應性廣、速生、早結豐產(chǎn)、保質期長、不易腐敗和經(jīng)濟價值高等特點。紫甘藍在元謀壩區(qū)種植面積較廣。然而，隨著當?shù)鼗兽r(nóng)藥的大量施用，加之燥紅壤黏粒較多，遇降雨土壤易板結，養(yǎng)分易流失，導致土壤肥力下降，影響作物的產(chǎn)量和品質。生物質炭是良好的土壤改良劑[1]，施入土壤后會改變土壤性狀，同時可作為緩釋肥料載體，提高作物產(chǎn)量[2]，近年來被廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域。有機肥能為作物生長持續(xù)供應養(yǎng)分，同時能夠改善土壤結構，保障蔬菜優(yōu)質高產(chǎn)，是生產(chǎn)有機蔬菜不可替代的肥料[3]。有研究[4]表明：生物質炭與有機肥配施比單施更益于平邑甜茶Malus hupehensis幼苗的生長發(fā)育，更好地防控蘋果Malus pumila連作障礙。李喜鳳等[5]研究證明：生物質炭與有機肥配施可顯著增強0～40 cm土壤總有機碳、顆粒有機碳、輕質有機碳、微生物量碳、易氧化有機碳和可溶性有機碳質量分數(shù)，有助于蘋果成花，促進植株生長，提高產(chǎn)量。張毅博等[6]研究表明：生物質炭與有機肥的配施提高了土壤有機碳和全氮含量，從而改善土壤質地，提高土壤肥效。ARIF等[7]也研究發(fā)現(xiàn)：在低肥力堿性土壤中，生物質炭與有機肥的配施能顯著提高磷素利用率，同時提高了玉米Zea mays-小麥Triticum aestivum的生產(chǎn)力和農(nóng)田土壤質量。SáNCHEZ-MONEDERO等[8]的研究結果顯示：與單施生物質炭相比，生物質炭與有機肥(羊糞堆肥)混施使番茄Solanum lycopersicum果實質量增加16%，直徑增加9%，硬度提高8%。目前，生物質炭與有機肥配施在經(jīng)濟果木和作物方面均有研究，但針對云南干熱河谷壩區(qū)燥紅壤改良和紫甘藍生長的研究尚未見報道。鑒于此，本研究以元謀燥紅壤為研究對象，紫甘藍為供試材料，研究竹炭與有機肥配施對燥紅壤土壤肥力及紫甘藍光合特性、產(chǎn)量和品質的影響，以期獲得元謀壩區(qū)紫甘藍優(yōu)質高產(chǎn)的配施策略，為生物炭在蔬菜生產(chǎn)應用中提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2019年7?12月在云南省楚雄彝族自治州元謀縣南城街150號熱區(qū)生態(tài)研究所大田試驗基地(25°41.5′N，101°52.6′E)進行。元謀屬南亞熱帶干熱季風氣候，熱量充足，年平均氣溫為21.9 ℃，年平均降水量 613.8 mm，年日照時數(shù) 2 670.4 h，無霜期 302～331 d。

1.2 試驗材料

供試土壤燥紅壤 (0～20 cm)基本理化性質為 pH 6.60，有機質 6.30 g·kg?1，全氮 0.65 g·kg?1，全磷2.20 g·kg?1，全鉀 17.22 g·kg?1，速效磷 10.67 mg·kg?1，速效鉀 108.41 mg·kg?1。

供試紫甘藍品種為普羅米悠‘Puluomiyou’，是元謀干熱河谷地區(qū)主要種植的紫甘藍品種，其生長期約100～120 d，為云南省農(nóng)業(yè)科學院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所提供。

供試生物質炭為竹炭，購于福建優(yōu)選炭業(yè)有限責任公司。其以竹材經(jīng)450～480 ℃溫度炭化1 h而成。竹炭 pH 為 11.31，有機碳質量分數(shù)為 860.60 g·kg?1，全氮 10.30 g·kg?1，平均孔徑為 2.654 43 nm。

供試有機肥為當?shù)剞r(nóng)戶常用的經(jīng)羊糞發(fā)酵產(chǎn)生的堆肥，其pH為7.63，氮、五氧化二磷、氧化鉀質量分數(shù)分別為 46.00、14.50、9.80 g·kg?1。

1.3 試驗設計

采用3×3完全方案設計，設置竹炭用量3個水平，有機肥用量3個水平，加上空白對照(ck)，共計10個處理(表1)。每個處理3次重復。

表1 試驗設計Table 1 Design of field experiment

試驗地總面積為600 m2，每個小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m)，每個處理3個重復，共30個小區(qū)。于2019年7月用旋耕機將小區(qū)土壤翻勻晾曬，并用鐵板將各小區(qū)隔開。7月末按照試驗設計將生物質炭和有機肥一次性施入小區(qū)(隨機組合)，并再次將土壤翻勻(土肥厚度約30 cm)。9月5日種植長勢均一株高為6.57～7.50 cm紫甘藍幼苗，株距為30.00 cm，行距為20.00 cm，并覆膜，保持充分灌水，后期隔3 d灌水1次。在9月底和10月底進行追肥(每個小區(qū)追施尿素300 g，磷酸二氫鉀140 g)，促進紫甘藍幼苗期和蓮座期生長。試驗灌溉方式為地表滴灌，每株幼苗1個滴頭，滴頭設置在同一側，滴頭與幼苗的距離約為3 cm，滴頭間距與株距相同。期間管理方式按當?shù)胤绞焦芾怼?/p>

1.4 測定方法

土壤：2019年12月底紫甘藍采收后，在每個小區(qū)采用5點取樣法采集0～20 cm土層土樣，并將每個處理混勻帶回實驗室風干。一部分過1.00 mm篩，裝自封袋用于土壤pH和速效成分的測定；另一部分過0.25 mm篩，裝自封袋用于土壤有機質、全磷和全鉀質量分數(shù)的測定。土壤理化性質參照文獻[9]測定。其中，土壤pH采用pH酸度計(PHS-3C，PHS-4C 型)測定；土壤有機質質量分數(shù)采用油浴加熱-重鉻酸鉀氧化容量法測定；全磷采用高氯酸消解-鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷采用Brayl 法(0.025～0.030 mol·L?1，氟化銨)浸提劑測定；全鉀和速效鉀均使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)測定。

光合特性：定期觀測紫甘藍生長狀況，于每月月底選擇晴朗天氣在11:00?16:00采用Li-6400Xt測定紫甘藍不同生長時期(幼苗期、蓮座期、結球期、成熟期)葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間二氧化碳摩爾分數(shù)。

產(chǎn)量和品質：12月底紫甘藍收獲后稱量，記錄每個小區(qū)紫甘藍產(chǎn)量，并在每個小區(qū)選取長勢基本一致的10株，去掉外葉，進行維生素C、還原糖、可溶性蛋白質和花青素等品質分析。其中：可溶性蛋白質采用考馬斯亮藍G-250染色法測定，維生素C采用2,6-二氯酚靛比色法，還原糖采用3,5-二硝基酚水楊酸比色法測定，花青素采用質量分數(shù)為1%鹽酸浸提比色法測定[10]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2016進行整理，使用Origin 2017作圖，采用SPSS 21.0統(tǒng)計分析軟件進行雙因素方差分析和多重比較，用Duncan法比較處理間的差異顯著性(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 竹炭與有機肥配施對土壤基本理化性質的影響

由圖1可知：竹炭與有機肥配施對紫甘藍地土壤pH以及有機質、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀質量分數(shù)均具有不同程度的影響。與對照相比，竹炭與有機肥配施能顯著提高土壤速效鉀質量分數(shù)(P＜0.05)，同時高量有機肥與竹炭配施顯著提高了土壤有效磷質量分數(shù)(P＜0.05)。其中，pH以B8F10處理最高；有機質和全鉀以B4F10處理最高，分別提高了107.93%和46.06%；全磷以B8F5處理最高，提高了58.67%；有效磷以B6F20處理最高，提高了157.44%；速效鉀以B8F20最高，提高了226.60%。

圖1 竹炭與有機肥配施對土壤理化性質的影響Figure 1 Effects of bamboo charcoal and organic fertilizer application on soil physical and chemical properties

在5 t·hm?2有機肥用量條件下，土壤有機質和全磷質量分數(shù)隨竹炭比例的增加而增加，全鉀和有效磷以B6F5處理較高，而對速效鉀無顯著影響(P＞0.05)。在10 t·hm?2有機肥用量下，土壤有機質和全鉀質量分數(shù)以B4F10處理較高，全磷以B6F10處理較高，高比例竹炭的施用反而降低了土壤有機質和全磷質量分數(shù)，有效磷和速效鉀質量分數(shù)隨竹炭量的增加而增加，但對速效鉀影響不顯著。在20 t·hm?2有機肥用量下，土壤速效養(yǎng)分(有效磷和速效鉀質量分數(shù))均較高，有機質質量分數(shù)隨竹炭比例的增加而增加，全磷、全鉀和有效磷以B6F20處理最高，速效鉀以B8F20處理最高。而在同一有機肥用量下，各處理間土壤pH均無顯著差異(P＞0.05)。

2.2 竹炭與有機肥配施對紫甘藍光合特性的影響

由圖2可知：與對照相比，除紫甘藍幼苗期外，竹炭和有機肥配施后紫甘藍各生長時期的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間二氧化碳摩爾分數(shù)總體上有提高趨勢。紫甘藍葉片凈光合速率從幼苗期到結球期不斷增大，在結球期達到頂峰，成熟期逐漸減弱；葉片蒸騰速率和氣孔導度(除對照外)在蓮座期最大，結球期和成熟期逐漸減弱；除對照和B4F5處理外，葉片胞間二氧化碳摩爾分數(shù)在蓮座期達到最大，紫甘藍葉片光合作用從幼苗期到結球期逐漸增強，而成熟期逐漸減弱。與對照相比，除B8F5處理外，竹炭與有機肥配施對紫甘藍葉片4個時期凈光合速率均值提高了1.14%～23.54%；竹炭與有機肥配施對紫甘藍葉片4個時期蒸騰速率和胞間二氧化碳摩爾分數(shù)均值較對照分別提高了3.01%～43.52%和2.33%～9.11%；除B4F5處理外，竹炭與有機肥配施對紫甘藍葉片4個時期氣孔導度均值較對照處理提高了2.33%～39.54%。

圖2 竹炭與有機肥配施對紫甘藍日均光合特性的影響Figure 2 Effects of bamboo charcoal and organic fertilizer application on daily averaged photosynthetic characteristics of B. oleracea var. capitata f.rubra

在5 t·hm?2有機肥用量下，B6F5處理各時期葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均能維持較高水平，與另外2個處理相比，葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度分別增加了9.08%～24.55%、1.56%～11.28%和18.18%～23.81%，而對葉片胞間二氧化碳摩爾分數(shù)無顯著差異。在10 t·hm?2有機肥用量下，各時期葉片凈光合速率隨竹炭比例的增加而增加，與B4F10相比，B6F10和B8F10處理的凈光合速率均值分別提高了6.30%和13.84%；葉片蒸騰速率以B6F10處理較高，較B4F10和B8F10處理分別提高了16.44%和12.70%，而對葉片氣孔導度和胞間二氧化碳摩爾分數(shù)無顯著性差異。在20 t·hm?2有機肥用量下，葉片凈光合速率、蒸騰速率和胞間二氧化碳摩爾分數(shù)隨竹炭量的增加而呈減弱趨勢，B6F20和B8F20較B4F20處理對葉片凈光合速率、蒸騰速率和胞間二氧化碳摩爾分數(shù)分別降低了8.93%～19.48%、2.41%～10.68%和4.48%～5.16%，而葉片氣孔導度則以B6F20處理較高，較B4F20和B8F20處理分別提高了11.11%和5.26%。

2.3 竹炭與有機肥配施對紫甘藍產(chǎn)量的影響

與對照相比，竹炭與有機肥配施均不同程度提高了紫甘藍產(chǎn)量且各處理間表現(xiàn)不同，增產(chǎn)幅度為9.28%～58.11%，其中以B6F10處理下紫甘藍產(chǎn)量最高，其次為B8F10處理，紫甘藍產(chǎn)量分別較對照提高了58.11%和44.16%(圖3)。當有機肥用量為5和20 t·hm?2時，紫甘藍產(chǎn)量隨竹炭用量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢；當有機肥用量為10 t·hm?2時，紫甘藍產(chǎn)量以B5F10處理較高，但處理間差異不顯著(P＞0.05)。綜合來看，10 t·hm?2有機肥用量下添加6%竹炭處理對紫甘藍增產(chǎn)效果最佳。

圖3 竹炭與有機肥配施對紫甘藍產(chǎn)量的影響Figure 3 Effects of bamboo charcoal and organic fertilizer application on yield of B. oleracea var. capitata f. rubra

2.4 竹炭與有機肥配施對紫甘藍品質的影響

圖4顯示：與對照相比，竹炭與有機肥配施均提高了紫甘藍維生素C、還原糖、可溶性蛋白質和花青素質量分數(shù)。紫甘藍中維生素C、還原糖、可溶性蛋白質和花青素質量分數(shù)分別提高了13.79%～33.29%、0.06%～11.17%、5.44%～27.97%和8.00%～33.88%，其中維生素C、還原糖、可溶性蛋白質和花青素質量分數(shù)分別以B4F10、B8F5、B6F10、B6F10處理下最高。在同一有機肥用量條件下，各處理間紫甘藍中維生素C、還原糖、可溶性蛋白質和花青素質量分數(shù)無顯著差異(P＞0.05)，其中，在5 t·hm?2有機肥用量下，維生素C和花青素質量分數(shù)以B6F5處理較高，還原糖隨竹炭量的增加略有增加，可溶性蛋白質以B4F5處理較高；在10 t·hm?2有機肥用量下，維生素C質量分數(shù)隨竹炭比例的增加而略微有下降的趨勢，可溶性蛋白質和花青素質量分數(shù)以B6F10處理較高，還原糖無顯著差異；在20 t·hm?2有機肥用量下，維生素C、可溶性蛋白質和花青素質量分數(shù)以B6F20處理較高，而還原糖隨竹炭比例的增加而降低。

圖4 竹炭與有機肥配施對紫甘藍品質的影響Figure 4 Effects of bamboo charcoal and organic fertilizer application on quality of B. oleracea var. capitata f. rubra

2.5 方差分析

本研究土壤樣品采集于紫甘藍成熟期，因此，采用土壤基本理化性質、成熟期的紫甘藍光合特性指標和產(chǎn)量及品質進行雙因素和單因素方差分析。表2顯示：竹炭添加比例對土壤速效鉀、土壤全磷、有效磷質量分數(shù)和紫甘藍光合特性有極顯著影響(P＜0.01)，對紫甘藍還原糖和花青素質量分數(shù)有顯著影響(P＜0.05)；有機肥用量對土壤pH、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀質量分數(shù)及紫甘藍凈光合速率、蒸騰速率、胞間二氧化碳摩爾分數(shù)、產(chǎn)量和紫甘藍還原糖、可溶性蛋白質質量分數(shù)有極顯著影響(P＜0.01)，對土壤有機質、紫甘藍維生素C和花青素質量分數(shù)具有顯著影響(P＜0.05)；除土壤pH外，竹炭與有機肥的交互效應對土壤pH具有顯著影響(P＜0.05)；對土壤其他理化性質、紫甘藍光合特性和還原糖質量分數(shù)均具有極顯著影響(P＜0.01)，而各處理對紫甘藍可溶性蛋白質有顯著影響(P＜0.05)，對土壤理化性質和紫甘藍光合特性、產(chǎn)量及其維生素C、還原糖、花青素均具有極顯著的影響(P＜0.01)。

表2 方差分析Table 2 Analysis of variance (P-values)

3 討論

3.1 竹炭與有機肥配施對土壤基本理化性質的影響

紫甘藍適宜生長環(huán)境趨向于中性[11]。本研究中竹炭(pH 11.31)和有機肥(pH 7.63)呈堿性，與對照(pH 6.63)相比，各竹炭與有機肥配施處理均不同程度地提高了土壤pH，使土壤趨于中性。本研究發(fā)現(xiàn)：竹炭與有機肥配施能顯著提高土壤有機質、有效磷和速效鉀質量分數(shù)，同時提高土壤全磷和全鉀質量分數(shù)。其原因可能是生物質炭和有機肥之間存在互作效應[12]，生物質炭通過與有機礦物的相互作用，形成有機-礦物復合物，促進有機肥中碳的穩(wěn)定，增加土壤有機質質量分數(shù)；生物質炭的施用能抑制土壤中氮磷的淋失[13]，有機肥也能夠對氮磷進行補償[14]，從而提高了土壤氮磷養(yǎng)分含量，彌補生物質炭本身的養(yǎng)分虧缺，兩者具有一定的協(xié)同作用[15]。竹炭與有機肥配施還提高了土壤中全鉀和速效鉀質量分數(shù)，這與賀麗群等[16]的研究結果相似。總之，從對土壤肥力性狀的作用方式來看，生物質炭與有機肥配施對土壤具有一定的互補性，兩者通過同化作用[17?19]，改善了作物對于養(yǎng)分的吸收及轉運，促進作物對土壤營養(yǎng)元素的吸收。

3.2 竹炭與有機肥配施對紫甘藍光合特性的影響

本研究表明：竹炭與有機肥配施提高了紫甘藍各時期凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度，這說明竹炭與有機肥配施有利于改善紫甘藍生長的生理活性強度[20]，增強對外界二氧化碳的捕獲，導致光合作用強度增大。這可能是因為有機肥的施用可增強植物的光合性能[21]，竹炭添加提高了有機肥的利用效率，且高量(20 t·hm?2)或中量(10 t·hm?2)有機肥中添加4%或6%竹炭更利于提高紫甘藍光合特性，提高有機物質的積累，增大光合作用強度。有機肥的施用可延緩葉片的衰老，增強葉片的光合作用和抗逆性[22]，同時，有機肥的施用可提高葉綠素含量，使得葉片葉肉細胞光合作用活性增加[23]，進而導致紫甘藍光合作用強度增加。此外，竹炭與有機肥的配施為紫甘藍生長提供了更多的養(yǎng)分。

3.3 竹炭與有機肥配施對紫甘藍產(chǎn)量的影響

大多研究結果顯示：生物質炭與有機肥配施使作物增產(chǎn)效果更佳，更益于植物的生長。應金耀等[24]研究表明：生物質炭與有機肥配合施用使青菜Brassica chinensis產(chǎn)量高于單施生物炭處理，在促進蔬菜生長方面優(yōu)于其他處理。本研究顯示：竹炭與有機肥配施處理的紫甘藍產(chǎn)量均高于對照，其中施用10 t·hm?2的有機肥下添加6%生物質炭增產(chǎn)效果更佳，較對照增產(chǎn)58.11%，這與LI等[25]研究結果類似。生物質炭與有機或無機肥料配合施用，作物增產(chǎn)效果更佳[26]。韓曉亮等[27]研究表明：適量生物質炭的施用可提高根系代謝活動，確保作物穩(wěn)定增產(chǎn)，在一定程度上可促進作物產(chǎn)量的積累，進而提高作物長勢。但也有不一致的研究結果，表明生物質炭與無機或有機肥料配施可能受多種因素的影響，包括土壤類型、生物質炭種類、氣候條件[28]、施用量和作物種類[29]等，導致生物質炭與有機或無機肥料配合施用的增產(chǎn)效應不同。

3.4 竹炭與有機肥配施對紫甘藍品質的影響

紫甘藍含有豐富的維生素C、還原糖、可溶性蛋白質、花青素等營養(yǎng)物質[30]，施用有機肥(糞便、秸稈等)有利于提高養(yǎng)分的利用效率[31]，促進紫甘藍對養(yǎng)分的吸收，從而改善紫甘藍品質。生物質炭與有機肥的配施能提高農(nóng)作物品質，如張宇等[32]研究發(fā)現(xiàn)：氮肥減量60%和有機肥增加40%基礎上添加生物質炭提高了大蒜Allium sativum 鱗莖及蒜薹中的游離氨基酸含量、可溶性糖及蔗糖含量；易洪海等[33]研究表明：生物質炭與有機肥配合施用使藜蒿Artemisia selengensis中維生素C、可溶性糖、可溶性蛋白質分別增加4.80%～6.40%、1.86%～3.65%、0.74%～2.22%。本研究中，與對照相比，竹炭與有機肥配施均提高了紫甘藍維生素C、還原糖、可溶性蛋白質和花青素質量分數(shù)，提高幅度分別為13.79%～33.29%、0.06%～11.17%、5.44%～27.97%和8.00%～33.88%，這可能是因為有機肥提高了土壤養(yǎng)分含量，尤其速效鉀和全鉀為紫甘藍生長所必需的營養(yǎng)成分。雙因素方差分析顯示：有機肥對紫甘藍品質具有極顯著或顯著影響，適量有機肥與生物質炭配施可以促進農(nóng)作物生長發(fā)育，提高蔬菜品質[34]。本研究結果顯示：6%竹炭與中量(10 t·hm?2)有機肥配施對紫甘藍可溶性蛋白質和花青素質量分數(shù)提升效果更佳，且產(chǎn)量較高。這可能是因為生物質炭孔隙發(fā)達，有機肥肥效長，可為紫甘藍的生長持續(xù)供應養(yǎng)分。

4 結論

與對照相比，竹炭與有機肥配施提高了土壤pH，同時提高了有機質、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀質量分數(shù)；提高了紫甘藍葉片除幼苗期外其他時期凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間二氧化碳摩爾分數(shù)；總體上提高了紫甘藍產(chǎn)量，同時提高了紫甘藍維生素C、還原糖、可溶性蛋白質、花青素質量分數(shù)。從紫甘藍增產(chǎn)效益來看，添加6%竹炭與10 t·hm?2的有機肥為最佳施肥配比，該處理下紫甘藍可溶性蛋白質和花青素質量分數(shù)最高。竹炭、有機肥、竹炭與有機肥的交互效應對土壤養(yǎng)分質量分數(shù)與紫甘藍葉片光合特性指標、產(chǎn)量、品質有極顯著或顯著的影響，竹炭與有機肥配施為紫甘藍生長持續(xù)供應養(yǎng)分，促進紫甘藍生長，提高紫甘藍產(chǎn)量和品質。