張紅娟　陳夢華　何珊珊　許多　孫慧敏

摘 要 為了解不同添加量下有機肥配施生物炭對設施蔬菜品質、產量及氮、磷、重金屬在土壤中遷移累積的影響。以設施番茄為試驗對象，設5個處理：CK（1 500 kg·hm-2生物炭）、T1（1 500 kg·hm-2生物炭+ ?7 500 kg·hm-2雞糞肥）、T2（1 500 kg·hm-2生物炭+15 000 kg·hm-2雞糞肥）、T3（1 500 kg·hm-2生物炭+22 500 kg·hm-2雞糞肥）、T4（1 500 kg·hm-2生物炭+30 000 kg·hm-2雞糞肥），測定番茄產量，可溶性糖、維生素C、硝酸鹽、可滴定酸含量及土壤樣品中的硝態(tài)氮、速效磷、全Cu和Pb含量。結果發(fā)現(xiàn)：相對于CK，T2的番茄產量增加49.31%，可溶性糖和維生素C含量達2.275 mg·kg-1和0.219 mg·kg-1，表明T2處理能夠提高番茄產量和品質；同時，T2處理降低土壤中0～100 cm土層硝態(tài)氮、速效磷以及0～30 cm土層重金屬Cu和Pb的累積及遷移；T1、T3和T4加重土壤中氮磷及重金屬的累積與遷移。表明設施蔬菜種植過程中有機肥與生物炭的合理配施可以減少有機肥的氮磷和重金屬的污染，提高設施菜地土壤質量，保證蔬菜食品安全性。

關鍵詞 設施番茄；雞糞肥；生物炭；硝態(tài)氮；速效磷；重金屬

中國蔬菜種植面積約為全球的52%，蔬菜總產量幾乎占全球的59%[1]。為提高蔬菜產量，增加效益，常在設施蔬菜地大量施用有機肥。據(jù)調查，在中國河北和山東等省份的蔬菜主要產區(qū)，設施番茄土壤中畜禽糞肥的用量平均高達113? ?m3·hm-2[2-3]。然而，有機肥中含有大量的重金屬和養(yǎng)分，大量施用有機肥不僅會造成肥料利用率低下，還會對土壤生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重的破壞[4-5]。研究發(fā)現(xiàn)在深圳、珠海等地因為有機肥的過量施用，超過一半設施菜地土壤的重金屬含量高于土壤安全閾值[6]。還有研究發(fā)現(xiàn)，在華北地區(qū)農田大量施用有機肥后，氮、磷的流失量都很高[7]。綜上，長期大量施用糞肥會導致菜地土壤的氮、磷及重金屬元素等含量超標，造成氮、磷和重金屬的污染，降低土壤質量，影響作物產量和品質，威脅人體健康[8]。因此，探尋平衡、合理的施肥用量和方法至關重要。

將生物炭和有機肥配施，降低有機肥造成土壤氮磷、重金屬污染等負面影響，已成為一種新的施肥方式和研究熱點。生物炭由于其具有比表面積大、來源廣、含氧官能團豐富和孔隙度高等特點，能夠影響土壤中養(yǎng)分和重金屬的形態(tài)及有效性，因此被廣泛應用于土壤修復和提高肥力[9]。陳芳等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在重金屬污染嚴重的土壤中加入生物炭，降低了重金屬離子在土壤溶液中的濃度，減少了重金屬的生物有效性；此外，生物炭還可以吸附和固定土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，同時促進土壤中有機態(tài)氮的礦化，提高土壤表層速效氮的含量，使其被作物高效吸收利用，從而減少土壤氮素的淋失[11]。

但是，關于有機肥減量配施生物炭對番茄生長及土壤中養(yǎng)分和重金屬含量的研究很少。本試驗通過施用不同用量的雞糞肥同時配施定量生物炭，探究不同施肥配比對番茄品質和產量及菜地土壤剖面硝態(tài)氮、速效磷、重金屬累積及遷移的影響，以期尋找最優(yōu)施肥量，降低過量施用有機肥污染土壤的風險，為肥料的合理配施、蔬菜產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境的保護和人類的健康發(fā)展提供科學建議。

1 材料與方法

1.1 試驗時間及試驗地概況

試驗在河北省石家莊市藁城區(qū)杜村進行，土壤為粘壤質石灰性褐土，土壤的基礎理化性質如表1所示。

1.2 試驗材料

供試材料：番茄品種為‘金科5號（河北金科種業(yè)有限公司），于2019年8月11日定植，2020年1月6日拉秧；生物炭（石家莊市冀魯肥業(yè)有限公司）、[N∶P2O5∶K2O=0.13%∶1.34%∶ ?0.09%（干基），水分含量為17.8%]。

供試肥料：有機肥為腐熟雞糞（N∶P2O5∶K2O=1.04%∶2.16%∶2.61%（干基），水分含量為25.6%，pH為8.01，電導率為5.34? ?mS·cm-1，Cu含量為47.88 mg·kg-1，Pb含量為71.51? ?mg·kg-1，Zn含量為534.6? ?mg·kg-1，Cd含量為2.21 mg·kg-1）；尿素（N含量46%）；磷酸銨（N含量12%，P2O5含量60%）；硫酸鉀（K2O含量50%）。

1.3 試驗方法

共設5個處理：CK（1 500 kg·hm-2生物炭）為不施有機肥處理，T1（1 500 kg·hm-2生物炭+7 500 kg·hm-2雞糞肥）、T2（1 500? ?kg·hm-2生物炭+15 000 kg·hm-2雞糞肥）、T3 ?（1 500 kg·hm-2生物炭+22 500 kg·hm-2雞糞肥）、T4（1 500 kg·hm-2生物炭+30 000 kg·hm-2雞糞肥）處理有機肥施用量分別為常規(guī)施肥量的25%、50%、75%、100%，常規(guī)施肥量根據(jù)當?shù)剞r戶調查得出。每個處理分別追施尿素456.6 kg·hm-2、磷酸銨159.6 kg·hm-2和硫酸鉀817.5 kg·hm-2，各處理施肥量見表2。每處理設3個小區(qū)，隨機排列，每個小區(qū)面積為60 m2（長10 m×寬6.0 m）。栽培方式為高壟栽培，畦寬1 m，畦間距0.35 m，每畦栽2行，行間距 ?0.75 m，植株間距為35 cm。各處理的雞糞肥和生物炭于番茄定植前作基肥一次性施入，用旋耕機翻耕與土壤混勻，施肥深度約為0～15 cm?；蕪拈_花期開始隨灌水追施，按處理先將化肥溶于水中再進行溝灌，整個生育期追施5次。

1.4 樣品采集及測定

采樣：分別在施肥后（2019年8月9日）、盛果期（2019年10月15日）和拉秧期（2020年1月6日）每隔10 cm分層采集100 cm深度土樣，測定0～100 cm土層土壤速效養(yǎng)分含量以及0～30 cm土層土壤重金屬含量；在盛果期采集番茄果實，測定相關指標，產量是根據(jù)不同小區(qū)的番茄分批采收后，統(tǒng)計采收的總量。

番茄樣品的測定[12-13]：果實硝酸鹽含量采用濃H2SO4-水楊酸法測定，維生素C含量采用2-4氯靛酚法測定，可溶性糖含量用蒽酮比色法測定，可滴定酸的測定采用NaOH滴定法。

土壤樣品的測定[14]：硝態(tài)氮通過1 mol·L-1 KCl浸提，用流動分析儀進行測定；速效磷用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提，通過鉬銻抗比色法測定；重金屬Cu、Pb含量采用鹽酸-硫酸-高氯酸消解，火焰石墨爐原子吸收光譜儀（Z2000，日本日立儀器有限公司）測定，測定過程中采用標準物質控制數(shù)據(jù)的準確性。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

應用Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與作圖，采用SAS 9.4軟件進行數(shù)據(jù)處理與差異顯著性分析，不同處理之間的多重比較采用LSD最小顯著差異法，圖表中的不同字母表示差異顯著（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同有機肥施用量對番茄品質及產量的影響

2.1.1 對番茄產量的影響 如圖1所示，所有施肥處理間的番茄產量均顯著高于對照組，相比僅施生物炭處理的總產量增長32.51～ ?49.31%。然而，過量施肥并不會持續(xù)增加產量，番茄的產量隨著有機肥施用量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。總的來說，T2處理的番茄產量比CK和T4處理顯著增高；相較于T1和T3處理，T2處理的番茄產量略微增加，約為106.36? ?t·hm-2。

2.1.2 對番茄品質的影響 由表3可知，番茄的可溶性糖和維生素C含量為T2 > T3 > T4 > T1 > CK，可溶性糖含量顯著高于CK，T2處理的可溶性糖含量最高，達到2.275 mg·kg-1； T2處理的維生素C含量顯著增高，約為CK的2.61倍；硝酸鹽含量隨著有機肥施用量的增加而增加，T2、T3和T4處理顯著高于對照；不同處理間的可滴定酸含量沒有顯著差異，T2處理的可滴定酸含量最低；T2處理的糖酸比最高，顯著高于CK，與T1、T3和T4處理差異不顯著。

2.2 不同有機肥施用量對土壤速效養(yǎng)分的影響

2.2.1 對硝態(tài)氮的影響 土壤剖面中硝態(tài)氮的含量在很大程度上直接反映土壤中氮素的供應強度及其遷移情況。如圖2-a所示，表層土壤硝態(tài)氮含量隨著有機肥的增加而增加，各處理的硝態(tài)氮含量基本隨著土層加深降低后又增加，在50 cm處達到最低。盛果期土壤的硝態(tài)氮含量如圖2-b所示，在0～70 cm土層，T4處理的硝態(tài)氮含量顯著高于CK和其他處理，除T4處理外，其他處理均為40～60 mg·kg-1，T4處理在60 cm處硝態(tài)氮含量為 84 mg·kg-1。總體來看，在0～100 cm土層，T1、T2和T3處理的土壤硝態(tài)氮含量相對于施肥后降低，在60 cm以下土層，T2處理的硝態(tài)氮含量相較于其他處理呈穩(wěn)定降低趨勢，在90～100 cm深處達到最低，顯著低于其他處理。由圖2-c可看出，拉秧期各處理相對于施肥后和盛果期，表層硝態(tài)氮含量明顯降低，但T4處理硝態(tài)氮含量在土壤淺層降低，在深層有明顯的增加趨勢；總體來看，硝態(tài)氮含量不穩(wěn)定，T2處理相對于其他處理，隨著土層的加深變幅較小，在較深的土層中，T2處理的硝態(tài)氮含量較低。結果顯示，T2處理可以降低硝態(tài)氮累積和遷移的風險，而T4處理促進土壤硝態(tài)氮的淋溶作用，容易對脆弱的設施菜地土壤體系產生次生鹽漬化污染的影響。因此，T2處理為最佳施肥量。

2.2.2 對速效磷的影響 土壤速效磷是土壤有效磷儲庫中對作物最為有效的部分，也是評價土壤供磷水平的重要指標。如圖3所示，施肥后CK、T1、T2、T3、T4處理0～10 cm表層土壤的速效磷含量分別為141.60、159.20、162.80、 ?169.20和195.20 mg·kg-1，表明隨著施肥量的增加，表層土壤的速效磷含量也增加；除T3處理，其他處理土壤速效磷含量隨土層加深而降低。由圖3-b可看出，盛果期各處理0～100 cm土層速效磷含量隨土層的增加而降低， T1和T2處理各土層速效磷含量低于CK，在80～100 cm土層T2處理土壤速效磷含量最低。如圖3-c所示，拉秧期各處理0～100 cm土層速效磷含量顯著低于施肥后和盛果期，0～20 cm土層土壤速效磷含量隨施肥量增加而增加；T2、T3和T4處理0～100 cm土層速效磷含量隨土層增加呈穩(wěn)定降低趨勢，其中T2處理最穩(wěn)定；在60 cm以下，各處理土壤速效磷含量均高于CK。從速效磷表層的累積程度及深層的遷移程度綜合來看，4個施加有機肥處理中，T2處理土壤表層的速效磷含量相對較低，并且抑制速效磷在土壤剖面的垂直遷移，使速效磷含量隨土層增加穩(wěn)定降低，而當施肥量為T4處理時，由于大量的磷素輸入導致速效磷向深層土壤遷移淋溶，造成深層土壤中磷素大量富集。

2.3 不同有機肥施用量對重金屬（Cu、Pb）含量及其在土壤中遷移的影響

過多施用有機肥會導致重金屬在土壤中的聚集和遷移，造成地下水污染以及對人體健康具有潛在的威脅[15]。針對番茄土壤各時期不同處理 ?0～30 cm土壤剖面Cu和Pb的含量進行測量，結果如表4所示。總體來看，盛果期及拉秧期各土層Cu含量普遍高于施肥后，這與李樹輝[16]研究的山東壽光和甘肅武威的設施菜地結果類似，可能是因為番茄施肥后到拉秧期追施的化肥、農藥以及灌溉水中存在的銅元素進入土壤中，導致盛果期和拉秧期的總銅含量相對于施肥后有所提高。各時期，土壤Cu含量與土層深度呈正相關，Cu含量隨著土層加深而增加。在0～10 cm深度，施肥后與盛果期，T1、T2、T3、T4處理的土壤Cu含量與CK無顯著差異，而拉秧期T4處理的Cu含量顯著高于CK；在10～20 cm及20～30 cm深度，施肥后、盛果期和拉秧期T3、T4處理的土壤Cu含量都高于CK；綜合以上結果，證明T3、T4處理不僅增加土壤Cu含量，還使土壤中的Cu發(fā)生了遷移。

土壤Pb含量則隨著番茄的生長呈遞減趨勢，而隨著各時期土層的加深而降低，表現(xiàn)出表層富集效應。在0～10 cm表層，施肥后T3和T4處理的Pb含量都高于CK，證明過多施用有機肥會增加土壤Pb含量；在10～20 cm土層，施肥后T2處理的Pb含量與CK無顯著差異，盛果期各處理均無顯著差異，但拉秧期T2處理則顯著低于CK；在20～30 cm土層，施肥后T2處理Pb含量顯著高于CK，拉秧期T2處理則顯著低于CK，施肥后的T3和T4處理與CK無顯著差異，而盛果期及拉秧期T3和T4處理Pb含量均高于CK，表明T2處理顯著降低Pb在土壤中的累積及遷移，而T3和T4處理則增加其富集與遷移。

3 討? 論

從產量來看，施用有機肥可以提高番茄產量，因為適當增施有機肥，可以與生物炭產生更好的協(xié)作效應，增加土壤有機碳、養(yǎng)分、微生物和酶活性，促進植株生長，產量增加。有研究發(fā)現(xiàn)，沼液與生物炭混施對小蘿卜總干物質的增產效果優(yōu)于單施生物炭的處理[17]。但是，本研究中番茄產量在T2處理達到最大，之后隨著有機肥施用量的增加則開始降低，表明過量施用有機肥并沒有達到持續(xù)增產的效果。相關研究也發(fā)現(xiàn)，在有機質含量較高的土壤中添加生物炭，作物增產效果不明顯[18]。原因在于有機肥的施用量是有一定范圍的，過量施用會造成土壤的養(yǎng)分含量過高，潛在的有害微生物群落的豐度也可能增加，從而抑制作物的生長，導致產量下降[19]。

可溶性糖、維生素C、硝酸鹽和可滴定酸的含量是反映番茄果實營養(yǎng)品質及果實風味的重要指標，它們的含量高低對果實營養(yǎng)價值和口味起著決定性影響，從而直接影響商品價值[20]。本研究結果表明，與CK相比，有機肥的施用有效提升番茄可溶性糖和維生素C含量，這是因為有機肥中含有大量可溶性糖及氨基酸，其易被作物吸收合成作物體內的可溶性糖及維生素C[21]。而番茄的可溶性糖及維生素C含量在T2處理達到峰值后并沒有隨著有機肥的增加而持續(xù)增長，原因在于過多施用有機肥會增加土壤氮素，在氮素過量情況下，蛋白質、葉綠素和其他含氮化合物以及糖類及維生素C轉化酶的合成會顯著增加，致使番茄體內可溶性糖及維生素C積累顯著減少[22-23]。隨著有機肥施用量的增加，番茄硝酸鹽含量也增加，潛在的原因是試驗過程中有機肥配施生物炭后，生物炭或有機肥中的氮素使其更利于作物吸收，從而累積轉化為硝酸鹽。各處理間番茄的可滴定酸含量差異不顯著，證明有機肥的增加對番茄可滴定酸含量影響不大。綜合各處理組的番茄品質來分析，T2處理顯著提高番茄可溶性糖和維生素C含量，降低可滴定酸含量，增加硝酸鹽含量，但未超過中國農產品安全質量無公害蔬菜安全（GB18406.12001）標準[24]，因此T2處理的施肥量對提升番茄品質的作用最好。

灌水與施氮是影響土壤中硝態(tài)氮累積和淋溶的重要因素。速效氮的含量在很大程度上直接反映土壤中氮素的供應強度，而土壤中的速效氮主要存在形式是硝態(tài)氮[25]。本研究結果表明，有機肥的施用引起表層土壤硝態(tài)氮含量的增加，隨著有機肥施用量的增加，提供給土壤的氮素也增加。生物炭可以通過減緩土壤水分垂直運移影響硝酸根被淋溶的速度，延長硝酸根在土壤表層的存留時間，使其被作物充分吸收利用[26]，不同施肥量對土壤剖面硝態(tài)氮的累積及遷移的影響效果不同，T2處理效果最好，尤其在盛果期，T2處理在90～100 cm深處達到最低，顯著低于其他處理，證明T2處理硝態(tài)氮的遷移能力最弱，這是因為T2處理中有機肥和生物炭配比調節(jié)的土壤pH可能更好地提高了硝化細菌的活性[27]，增加對硝態(tài)氮的固定作用，從而減少了硝態(tài)氮的遷移[28]。T4處理中土壤硝態(tài)氮淋溶作用增強，過多施入有機肥帶來過量的氮素，土壤中硝化微生物可將氮素轉化為硝態(tài)氮從而富集，增加了硝態(tài)氮向土壤深層淋失的可能[29]。

有機肥中含有大量磷元素，過量施用有機肥會造成土壤磷污染。試驗結果表明，有機肥的施入會增加土壤中速效磷的累積，增施有機肥能夠提高土壤中磷酸酶的活性，促進有機磷向無機磷的轉化[30]，增加土壤速效磷的含量。此外，過量的有機肥（如T4處理）施加，不僅會導致土壤磷素的富集，還會增加速效磷向深層土壤遷移淋溶的風險。盡管生物炭可以固定磷素，間接地降低淋溶風險[31]，但超量的有機肥會顯著增加土壤中產生的速效磷，從而超過生物炭對磷固定吸附的閾值，導致其易被淋溶而遷移至土壤深層，造成土壤和地下水磷素污染。

在本試驗中，Pb傾向于在土壤表層（0～20 cm）富集，而Cu主要向土壤深層遷移，潛在的原因是生物炭對不同種類重金屬的固定及吸附效果不同[32-34]?？偟膩碚f，過量有機肥更易導致土壤中重金屬的累積，大量含有重金屬的物質被廣泛應用于飼料添加劑中，由于它們的生物利用率較低，使雞糞中重金屬大量積累，過量施用則會超出作物吸收閾值而導致土壤重金屬的富集[33]。試驗結果表明，T2處理對土壤重金屬的富集及遷移起到了抑制作用，T3和T4則相反，這意味著過量的有機肥不僅帶來大量重金屬，還降低了生物炭的堿性，影響其通過化學沉淀來降低重金屬的有效性。王林等[15]研究也發(fā)現(xiàn)，雞糞pH為 ?6.19，呈酸性，生物炭pH在10.24左右，呈強堿性，因此添加雞糞會降低生物炭的pH，導致其對鎘的鈍化作用減弱。綜上所述，適當?shù)纳锾亢陀袡C肥配比能夠使土壤中重金屬的生物有效性顯著降低并大幅提高土壤中重金屬的穩(wěn)定性，降低其向土壤深層遷移的能力。

4 結? 論

對比不同處理組的結果，相對于僅施生物炭（CK）處理，施加有機肥有效提升設施番茄的產量和品質，但隨著有機肥的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。其中， T2處理番茄產量提高 ?49.31%，有機肥施用量超過T2處理后，番茄的產量及品質則有所下降。

土壤養(yǎng)分結果表明，T3處理對各土層硝態(tài)氮含量有穩(wěn)定作用，整體硝態(tài)氮含量處于相對較低水平，而T2處理降低了速效磷在土壤剖面的累積與遷移， T4處理則會導致硝態(tài)氮和速效磷向深層土壤遷移淋溶。

根據(jù)不同土壤重金屬含量及土層富集深度結果表明， T2處理能有效減少土壤中重金屬Cu和Pb含量的富集，并降低其在土壤中的遷移，而T3和T4處理則增加了土壤重金屬富集及遷移的風險。

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Effects of Organic Fertilizer Combined with Biochar on Yield，Quality，Soil Nutrients and Heavy Metals in Facility Tomato

ZHANG Hongjuan1，CHEN Menghua2，HE Shanshan2，XU Duo2 and SUN Huimin2

Abstract This study investigated the effects of different amounts of organic fertilizer combined with biochar on the quality and yield of greenhouse vegetables，as well as the accumulation and migration of soil nutrients and heavy metals in the soil profile. The greenhouse tomatoes were used as objective，five treatments were set up. These treatments consisted of? CK （1 500 kg·hm-2 biochar+7 500?? ?kg·hm-2 chicken manure），T1 （1 500 kg·hm-2 biochar + 15 000 kg·hm-2 chicken manure），T2 （ 1 500 kg·hm-2 biochar + 15 000 kg·hm-2 chicken manure） T3 （1 500 kg·hm-2 biochar +? ?22 500 kg·hm-2 chicken manure） and T4 （1 500 kg·hm-2 biochar + 30 000 kg·hm-2 chicken manure）.The yield of soluble sugar，vitamin C，nitrate，and titratable acid，as well as the levels of nitrate nitrogen， ?available phosphorus，total copper （Cu），and lead （Pb） in the soil were determined.The results showed that compared with CK treatment，the contents of soluble sugar and vitamin C? in tomato under recommended fertilization treatment （T2） reached 2.275 and 0.219 mg·kg-1，and the yield increased by 49.31%，showing that T2 treatment improved the yield and quality of tomato; while T2 treatment also reduced the accumulation and migration of nitrate nitrogen and available phosphorus at 0-100 cm soil layer and heavy metals Cu and Pb at 0-30 cm soil layer; T1，T3 and T4 increased the accumulation and migration of soil nitrogen，phosphorus and heavy metals. In conclusion，the appropriate application of organic fertilizer and biochar during protected vegetable cultivation can mitigate the pollution of nitrogen，phosphorus and heavy metals. In addition，it improves the soil quality of protected vegetable fields and ensures the safety of vegetable food production.

Key words Facility tomato; Chicken manure; Biochar; Nitrate nitrogen; Available phosphorus; Heavy metal

Received2023-03-14Returned 2023-04-19

Foundation item The National Key Research and Development Program of China （No. 2018YFD0800401）.

First author ZHANG Hongjuan，female，associate professor. Research area： utilization of microbial resources and food safety detection. E-mail： zhanghongjuancn@126.com

Corresponding?? author SUN Huimin，female，Ph.D，associate professor，master supervisor. Research area： soil physics，environmental effects of nanomaterials，transport and transformation of trace elements，and remediation of heavy metal pollution in soil. E-mail：sunhuimin@nwsuaf.edu.cn

（責任編輯：顧玉蘭 Responsible editor：GU Yulan）

收稿日期：2023-03-14修回日期：2023-04-19

基金項目：第一作者：張紅娟，女，副教授，主要從事微生物資源利用及食品安全檢測研究。E-mail：zhanghongjuancn@126.com

通信作者：孫慧敏，女，博士，副教授，碩士生導師，主要從事土壤物理學、納米材料的環(huán)境效應、微量元素的遷移轉化、土壤重金屬污染修復等方面的研究。E-mail：sunhuimin@nwsuaf.edu.cn