吳強(qiáng)建， 胡夢(mèng)蝶， 侯松峰， 袁楊， 康婷， 謝凱柳， 謝志堅(jiān)， 任天寶， 周春火，劉暉

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院/江西省農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用與面源污染防控產(chǎn)教融合重點(diǎn)創(chuàng)新中心/江西井岡蜜柚科技小院，江西 南昌 330045；2.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)應(yīng)用微生物研究所，江西 南昌 330200；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)/河南省生物炭研究工程技術(shù)中心/生物炭技術(shù)河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002；4.江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所，江西 南昌 331717)

生物炭是以農(nóng)林廢棄物、動(dòng)植物殘?bào)w等有機(jī)物料為原料，在無(wú)氧或限氧條件400～700 ℃高溫裂解炭化形成的高度芳香化穩(wěn)定多孔富碳物質(zhì)[1]。以生物炭為原料制成的生物炭基肥，充分發(fā)揮了生物炭的優(yōu)勢(shì)，不僅可以提升土壤肥力，還可以提升作物產(chǎn)量與品質(zhì)[2]。生物炭基肥豐富的微孔結(jié)構(gòu)使得其密度遠(yuǎn)低于土壤密度，有效降低了土壤容積質(zhì)量。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，土壤施用生物炭基肥能有效提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、保水性，保護(hù)了土壤因缺水而產(chǎn)生的收縮干裂，增強(qiáng)了土壤吸水持水及入滲性能[3]。汪坤等[4]研究表明，生物炭基肥可以提高土壤速效養(yǎng)分含量及土壤酶活性，提高作物的抗病性。WANG等[5]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭基肥不僅可以提高土壤質(zhì)量，還可以促進(jìn)作物增產(chǎn)。ZHANG等[6]研究生物炭對(duì)柑橘生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，生物炭在提高土壤微生物多樣性及柑橘品質(zhì)上都有顯著作用。李昌娟等[7]研究生物炭基肥對(duì)茶園土壤改良發(fā)現(xiàn)，生物炭基肥可以有效改良土壤酸性和提升土壤養(yǎng)分有效性，改善茶葉的品質(zhì)。江西省吉安市作為典型南方丘陵紅壤區(qū)，井岡蜜柚果園普遍存在土壤酸化板結(jié)及土壤養(yǎng)分失衡問題，嚴(yán)重制約著產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

井岡蜜柚作為江西省三大果業(yè)品牌之一，吉安市六大富民產(chǎn)業(yè)之首，在江西省水果產(chǎn)業(yè)有著重要地位[8]，主導(dǎo)品種有金蘭柚、金沙柚和桃溪蜜柚[9]。目前，井岡蜜柚田間管理粗放，存在施肥不平衡，土壤養(yǎng)分流失等問題[10-11]。此外，江西省吉安市高溫多雨的氣候和三面環(huán)山的地形條件，極易發(fā)生土壤脫硅富鐵鋁化，導(dǎo)致土壤肥力低，土壤酸化板結(jié)。并且連年的化肥施用使得井岡蜜柚果園土壤酸化日趨嚴(yán)重，土壤肥力逐年降低，最終影響井岡蜜柚產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展[12]。目前，生物炭基肥在井岡蜜柚上應(yīng)用效果及減氮配施的比例尚不明確。本研究結(jié)合生物炭基肥的改土培肥優(yōu)勢(shì)，研究減氮配施生物炭基肥對(duì)井岡蜜柚果園土壤理化性質(zhì)及酶活性的影響，旨在明確減氮配施生物炭基肥對(duì)井岡蜜柚生產(chǎn)的實(shí)際效益，為改良土壤質(zhì)量，促進(jìn)該產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)施肥依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試井岡蜜柚品種為4 a生金蘭柚，長(zhǎng)勢(shì)基本一致且無(wú)病害。供試生物炭與生物炭基肥均由河南惠農(nóng)土質(zhì)保育研發(fā)有限公司提供，生物炭主要原材料為稻殼，生物炭基肥主要原料生物炭25%，礦物肥10%，枯草芽孢桿菌0.5%，總養(yǎng)分12%(m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=4∶4∶4)，其余為輔料，pH值為7.8。供試有機(jī)肥為m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=2∶3.5∶3.5，總養(yǎng)分≥9%)由江西史可郎生物科技有限公司提供。供試單質(zhì)化肥：尿素(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%)、鈣鎂磷肥(P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%)和硫酸鉀(K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%)。

土壤類型為山地紅壤。施肥前取樣測(cè)定土壤pH值為4.89，有機(jī)質(zhì)含量為11.39 g·kg-1，堿解氮含量為105.21 mg·kg-1，有效磷含量為29.13 mg·kg-1，速效鉀含量為100.40 mg·kg-1，交換性鈣含量為270.38 mg·kg-1，交換性鎂含量為91.63 mg·kg-1，有效鋅含量為4.97 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)結(jié)合專家推薦施肥量及問卷調(diào)研，根據(jù)成年井岡蜜柚的需肥特性和土壤肥力分析結(jié)果，確定井岡蜜柚平均每株每年施m(N)=0.91 kg，m(P2O5)=0.51 kg，m(K2O)=0.81 kg。試驗(yàn)于2020年12月—2021年11月在江西井岡蜜柚科技小院試驗(yàn)基地進(jìn)行，氣候類型為亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)性氣候。共設(shè)計(jì)7個(gè)處理(表1)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)5棵果樹，共計(jì)105棵果樹。試驗(yàn)于2020年開始，12月20日，每個(gè)處理均施用1 kg·株-1的有機(jī)肥作為基肥，生物炭基肥作為基肥，在果樹東西兩側(cè)進(jìn)行穴施，化肥按30%、15%、40%、15%分4次施入，施肥時(shí)間分別為12月20日(基肥)、2月20日(促花肥)、6月10日(壯果肥)、9月20日(采果肥)，水肥一體化。其他田間管理保持一致。

表1 各處理基肥用量及肥料投入量Table 1 Basal fertilizer dosage and fertilizer input of each treatment

1.3 土壤樣品的采集與測(cè)定

土壤樣品的采集：在井岡蜜柚果實(shí)成熟期樹冠滴水線附近或以樹干為圓心向外延伸至樹冠邊緣的2/3處，每個(gè)處理利用環(huán)刀采集原狀土壤3份，并且采集每棵樹南北對(duì)稱兩個(gè)點(diǎn)0～20 cm深度土壤(避開施肥穴區(qū))，每個(gè)重復(fù)5棵果樹混成1個(gè)土壤樣品，按四分法取得樣品約1 kg，每個(gè)重復(fù)取2份土樣(鮮樣+干樣)，得土壤樣品總共21×2=42份。干樣經(jīng)自然風(fēng)干，磨細(xì)過篩，密封裝袋保存。鮮樣過2 mm篩置4 ℃冰箱保存。

土壤樣品的測(cè)定：土壤容積質(zhì)量、孔隙度、含水率及田間持水量采用環(huán)刀法，土壤機(jī)械組成采用相對(duì)密度計(jì)速測(cè)法，土壤pH值采用玻璃電極法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，有效磷采用鹽酸-硫酸浸提鉬銻抗比色法，速效鉀采用乙酸銨浸提火焰光度計(jì)法，交換性鈣、交換性鎂采用乙酸銨提取ICP-AES法，有效鋅采用0.1 mol·L-1鹽酸浸提ICP-AES法，硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法，具體測(cè)定步驟參照文獻(xiàn)[13]；土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、硝酸還原酶和亞硝酸還原酶的活性均使用北京索萊寶科技有限公司生產(chǎn)的Solarbio活性檢測(cè)試劑盒測(cè)定，根據(jù)說明書步驟及公式進(jìn)行操作計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行處理，利用SPSS 17 進(jìn)行相關(guān)性分析(皮爾遜相關(guān)性分析)和方差分析(LSD法，顯著水平為0.05)，利用Origin 2018制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭基肥對(duì)井岡蜜柚果園土壤物理性質(zhì)的影響

土壤容積質(zhì)量大小是反映土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和土壤孔隙等一系列物理性質(zhì)的重要指標(biāo)。從圖1可以看出，生物炭基肥的施用降低了土壤容積質(zhì)量，增加了土壤孔隙度、含水率及田間持水量。隨著生物炭基肥施用量的增加，土壤容積質(zhì)量逐漸降低，土壤孔隙度、含水率及田間持水量逐漸增加，較CK及OF處理，土壤容積質(zhì)量分別降低了18.25%和11.11%，土壤孔隙度分別提升了18.33%和9.37%，土壤含水率分別提升了14.36%和18.69%，土壤田間持水量分別提升了23.25%和5.78%。由此可知，在井岡蜜柚生產(chǎn)過程中，生物炭基肥的施用可以降低土壤容積質(zhì)量，提高土壤孔隙度、含水率及田間持水量。隨著生物炭基肥施用量的增加改良效果愈佳。

注：柱上不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercace letters above the bar indicate significant differences among different treatments (P<0.05). The same as below.圖1 不同處理對(duì)土壤容積質(zhì)量、孔隙度、含水率及田間持水量的影響Fig.1 Effects of different treatments on soil volume quality, porosity, water content and maximum water capacity

2.2 生物炭基肥對(duì)井岡蜜柚果園土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由圖2可知，較CK處理，OF和BOF處理土壤pH值分別提高了0.14、0.43個(gè)單位，有機(jī)質(zhì)含量分別提升了2.64%、27.98%，且三者間土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量均無(wú)顯著差異。生物炭基肥的施用，土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量較CK和BOF處理均有所上升，隨著施用量增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸上升，土壤pH值先升后降，在BF40%處理達(dá)到最大6.17。此外，施肥處理對(duì)提升土壤速效養(yǎng)分含量有顯著效果。土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的含量以O(shè)F處理最高。生物炭基肥處理，土壤堿解氮、有效磷的含量均以BF20%處理最高，分別為125.45、37.49 mg·kg-1，土壤速效鉀、硝態(tài)氮的含量隨著生物炭基肥施用量增加先增后降，均以BF40%處理最高，分別為164.02、13.05 mg·kg-1。生物炭基肥的施用可以顯著提高土壤交換性鈣、交換性鎂的含量。隨著生物炭基肥用量的增加其含量均先增后降，均以BF40%處理含量最高，較OF處理分別提升了93.17%、48.81%。由此可知，BF40%處理對(duì)提升井岡蜜柚果園土壤養(yǎng)分含量的效果更好。

圖2 不同處理對(duì)井岡蜜柚果園土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.3 生物炭基肥對(duì)井岡蜜柚果園土壤酶活性的影響

由圖3可知，生物炭基肥的施用可以顯著提高土壤酶活性。施肥處理間，土壤脲酶與酸性磷酸酶的活性以O(shè)F處理活性最高。土壤蔗糖酶與亞硝酸還原酶的活性隨著生物炭基肥用量的增加先升后降，均表現(xiàn)為BF40%處理活性最強(qiáng)，分別較OF處理提升了63.73%和140.74%，BF40%處理土壤亞硝酸還原酶活性顯著高于其他處理。土壤過氧化氫酶活性隨著生物炭基肥施用量的增加而增加，當(dāng)生物炭基肥替代20%氮肥時(shí)趨于穩(wěn)定，且BF60%處理活性最強(qiáng)，較OF處理提升了3.30%。土壤硝酸還原酶活性隨著生物炭基肥用量的增加而逐漸降低，在BF20%處理達(dá)最大值，比OF處理提升了30.34%。

圖3 不同處理對(duì)井岡蜜柚果園土壤酶活性的影響

2.4 生物炭基肥對(duì)井岡蜜柚果園土壤各指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系

井岡蜜柚果園土壤各指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系如圖4所示。土壤容積質(zhì)量與土壤孔隙度、含水率及田間持水量存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤孔隙度、含水率和田間持水量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，土壤容積質(zhì)量的降低有利于提高土壤的透氣透水性；井岡蜜柚果園土壤pH值與有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮、交換性鈣、交換性鎂、有效鋅含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明土壤酸性的改良有利于促進(jìn)土壤養(yǎng)分的釋放；土壤堿解氮含量與土壤脲酶活性存在顯著的相關(guān)關(guān)系，土壤有效磷含量與土壤酸性磷酸酶活性存在顯著的相關(guān)關(guān)系，土壤硝態(tài)氮含量與土壤硝酸還原酶、亞硝酸還原酶活性存在顯著的相關(guān)關(guān)系，土壤有機(jī)質(zhì)含量與過氧化氫酶活性存在顯著的相關(guān)關(guān)系。由此可以，生物炭基肥的施用可以改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，提升土壤pH值的同時(shí)可以促進(jìn)土壤養(yǎng)分有效性的提升，并且土壤酶的專一性表現(xiàn)為土壤酶活性與其對(duì)應(yīng)的土壤養(yǎng)分存在顯著的相關(guān)性。

3 結(jié)論與討論

3.1 生物炭基肥對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

紅壤約占中國(guó)耕地面積的四分之一，是重要的耕地資源，主要特點(diǎn)包括土壤酸性強(qiáng)、質(zhì)地黏重易板結(jié)、通氣保水能力差，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)[14]。本研究發(fā)現(xiàn)生物炭和生物炭基肥對(duì)降低土壤容積質(zhì)量，提高土壤含水率、孔隙度等物理性質(zhì)都有促進(jìn)作用?？赡茉蚴窃囼?yàn)?zāi)壳爸挥? a的時(shí)間，導(dǎo)致土壤物理性質(zhì)并未出現(xiàn)顯著差異，還需長(zhǎng)期試驗(yàn)探索。土壤容積質(zhì)量隨著生物炭基肥的施用量增加而降低，土壤孔隙度、含水率和田間持水量隨著生物炭基肥的施用量增加而增加。這可能與生物炭基肥的多孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的官能團(tuán)有關(guān)。柳驍桐等[15]研究生物炭基肥連續(xù)施用對(duì)土壤質(zhì)量試驗(yàn)表明，與施化肥相比，生物炭基肥處理顯著提高了土壤大團(tuán)聚體的比例，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量顯著增加了64.4%。盧廣遠(yuǎn)等[16]研究不同種類生物炭基肥對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)，生物炭基肥能夠降低土壤容積質(zhì)量，改善土壤通氣透水性，并且隨著生物炭基肥用量的增加，作用效果更好，但短時(shí)間內(nèi)效果并不顯著。孟繁昊等[17]研究生物炭配施氮肥對(duì)土壤性質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)，由于生物炭性質(zhì)穩(wěn)定，施用生物炭后，土壤容積質(zhì)量降幅范圍為1.19%～12.09%，土壤孔隙度增幅范圍為1.09%～10.71%。焦瑞棗等[18]研究馬鈴薯田施用生物炭基肥發(fā)現(xiàn)，生物炭基肥可以有效降低土壤容積質(zhì)量，增加土壤孔隙度，且隨著生物炭基肥用量的增加改良效果愈佳。因此，生物炭與生物炭基肥的施用可以有效改良紅壤板結(jié)、通氣保水能力差等特點(diǎn)，提高土壤的通氣透水能力及土壤大團(tuán)聚體含量。

Porosity：孔隙度；MWC：田間持水量；MC：含水率；BD：容積質(zhì)量；Ca：交換性鈣；ACP：酸性磷酸酶；AK：速效鉀；AN：堿解氮；Mg：交換性鎂；AP：有效磷；IN：蔗糖酶；OM：有機(jī)質(zhì)；硝態(tài)氮；CAT：過氧化氫酶；pH；Zn：有效鋅；NR：硝酸還原酶；NIRA：亞硝酸還原酶；UR：脲酶。

3.2 生物炭基肥對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

土壤肥力的高低直接決定了井岡蜜柚產(chǎn)量與品質(zhì)的高低。據(jù)有關(guān)資料顯示[19]，柑橘生長(zhǎng)適宜的土壤pH值范圍為5.0～6.5。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，生物炭基肥可以顯著提高土壤pH值，生物炭基肥處理的土壤pH值范圍為5.76～6.17，有效改良土壤酸堿性，改善了井岡蜜柚果園土壤環(huán)境，這與李怡博等[20]研究生物炭基肥對(duì)植煙土壤結(jié)果基本一致。生物炭基肥表面豐富的有機(jī)官能及一些金屬鹽水解使生物炭基肥呈堿性，吸附土壤溶液中的H+，有效改良土壤的酸性[21]。生物炭基肥富含豐富的有機(jī)碳，添入土壤中可以顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量[22]。施肥能夠顯著提高土壤速效養(yǎng)分的含量，本研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化施肥處理土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量最高，可能原因是優(yōu)化施肥供試的化肥以速效養(yǎng)分氮磷鉀為主，略高于生物炭基肥[23]；另一方面，生物炭基肥具有很好的保肥能力，對(duì)養(yǎng)分具有慢慢釋放的效果[24]，有效降低了肥料的損失。生物炭基肥的添加顯著提高了土壤中量元素交換性鈣、交換性鎂的含量，含量基本處于中等水平[25]，且以BF40%處理的交換性鈣、交換性鎂含量最高，隨著生物炭基肥用量的增加，含量有所下降，這可能與生物炭基肥改良土壤酸性和生物炭基肥自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)，少量的生物炭基肥施用可以有效改良土壤酸性，促進(jìn)提高土壤養(yǎng)分的釋放，但隨著生物炭基肥用量的增加，生物炭基肥豐富的多孔結(jié)構(gòu)可能吸附金屬離子，導(dǎo)致養(yǎng)分含量反而下降。DAVID等[26]研究表明，生物炭基肥豐富的有機(jī)官能團(tuán)，具有極強(qiáng)的吸附能力，可以吸附大量的養(yǎng)分元素、礦質(zhì)離子等。趙琳等[27]研究表明，土壤酸性的改良降低了土壤中交換性鋁的含量，提高了土壤交換性鹽基的數(shù)量。這與本研究土壤pH值與土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)關(guān)系基本一致。土壤pH值的提高有利于提高土壤交換性鈣、交換性鎂、硝態(tài)氮及有效鋅的含量。因此，生物炭基肥的施用對(duì)改良井岡蜜柚果園土壤酸性具有顯著效果，對(duì)提高土壤交換性鈣、交換性鎂的含量具有重要意義。

3.3 生物炭基肥對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶活性是反映土壤生化反應(yīng)的活躍程度及養(yǎng)分物質(zhì)循環(huán)狀況的重要指標(biāo)[28]。土壤脲酶的活性可表征土壤中氮素狀況[29]，酸性磷酸酶活性可表征土壤有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化速率[30]，過氧化氫酶的活性是表征土壤降解污染物的能力[31]，硝酸還原酶與亞硝酸還原酶活性在植物對(duì)氮的吸收與同化中發(fā)揮著重要的作用[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭基肥可以顯著提高土壤酶活性，尤其是對(duì)土壤硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和脲酶的活性效果顯著。土壤酶活性與土壤肥力狀況密切相關(guān)，并且酶活性的高低直接影響著養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及利用的速率。根據(jù)本研究土壤養(yǎng)分與酶活性的相關(guān)關(guān)系可知，土壤脲酶活性與堿解氮含量呈正相關(guān)關(guān)系，土壤酸性磷酸酶活性與有效磷含量呈正相關(guān)關(guān)系，土壤硝態(tài)氮含量與硝酸還原酶、亞硝酸還原酶的活性呈正相關(guān)關(guān)系，土壤有機(jī)質(zhì)含量與過氧化氫酶呈正相關(guān)關(guān)系。因此，生物炭基肥的施用不僅可以改良土壤酸性，提高土壤養(yǎng)分的有效性，還可以提高土壤酶活性，使土壤養(yǎng)分含量與酶活性形成一個(gè)良性循環(huán)。

本研究初步揭示了減氮配施生物炭基肥對(duì)改良井岡蜜柚果園土壤理化性質(zhì)，提高土壤酶活性的效果。生物炭基肥的施用可以有效提高井岡蜜柚果園土壤通氣透水性、保水持水性，增加土壤大團(tuán)聚體含量，促進(jìn)土壤pH值、中微量元素含量及土壤酶活性的提升。綜合考慮生物炭基肥的改土培肥增酶活的效果，以生物炭基肥替代40%氮肥處理的井岡蜜柚果園土壤質(zhì)量更佳，為井岡蜜柚的高質(zhì)量生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，表明生物炭基肥在井岡蜜柚果園土壤肥力提升方面具有較好的應(yīng)用前景。