莲藕是我国种植面积最大的水生蔬菜,其营养丰富,具有良好的食用价值和药用价值,能产生巨大的经济效益^[1]。莲藕属于喜钾作物,适宜生长在中性土壤,然而莲藕种植过程中存在过量施用化肥造成的土壤酸化、养分失调、水体污染等问题^[2-3],严重制约了莲藕产业的发展。

生物质炭作为土壤改良剂,可提升土壤的pH,提高土壤碳、氮等养分含量和养分利用率,改变土壤微生物的组成和酶活性,从而提高土壤质量^[4]。生物质炭是由农林废弃物等生物质在少氧或无氧条件下热解产生的富含有机碳的炭化物^[5]。水稻秸秆经热解炭化制备的生物质炭具有丰富的孔隙、较大的比表面积,可吸附固持土壤中的养分,改良土壤,保水保肥^[6]。生物质炭应用于农业,可在提升土壤肥力的同时避免秸秆等农林废弃物因丢弃、焚烧而造成的资源浪费和环境污染问题,实现农业废弃物循环利用^[7-8]。

目前,关于生物质炭施用对蔬菜土壤及其生长状况的影响研究主要集中于陆生蔬菜,Jin等^[9]的研究发现,生物质炭施用后能提升旱地红壤的保肥保水性能,改善土壤酸化水平,油菜产量得到提升; Palansooriya等^[10]总结相关研究结果后发现生物质炭可以改善旱地土壤理化性质和生物学性质,提升黄瓜、西红柿、红薯、油菜的生物量; 而关于生物质炭施用对莲藕等水生蔬菜所处土壤和植株长势影响的研究亟待加强。因此,本研究探讨水稻秸秆炭施用对莲藕土壤化学性质、酶学性质和莲藕植株生长状况的影响,以期为水稻秸秆炭应用于莲藕产业提供理论依据和技术支撑。

试验所用土壤为红黄壤,其基本性质见表1。

表1 供试土壤基本性质
Table 1 Basic properties of test soil

试验所用水稻秸秆炭原料取自杭州市某农田的水稻秸秆,分别在350 ℃和650 ℃条件下,限氧热裂解(炭化炉体内部不与空气接触,热解炭化过程中,没有氧气参与热解过程,压力为常压)制备水稻秸秆炭,其基本性质见表2。

表2 水稻秸秆炭基本性质
Table 2 Basic properties of rice straw biochar

莲藕品种为鄂莲6号,种植于容积为200 L的陶瓷大缸,口部内径为30 cm,底部内径为22 cm,高度为61 cm。莲藕盆栽于2021年4月种植于浙江科技学院环境与资源学院校内基地(120°01'E,30°13'N)日光温室。

设置7种处理(每种处理3个重复),具体处理如下:对照组(CK),纯化肥(NPK),350 ℃水稻秸秆炭1%+化肥(E1),350 ℃水稻秸秆炭2%+化肥(E2),650 ℃水稻秸秆炭0.5%+化肥(G),650 ℃水稻秸秆炭1%+化肥(G1),650 ℃水稻秸秆炭2%+化肥(G2),其中水稻秸秆炭施用比例表示水稻秸秆炭与土壤的质量百分比。莲藕种植前一次性施入水稻秸秆炭,与土壤混合均匀后加入水,初始水深为5 cm,各大缸位置随机排布。对照组(CK)不施用化肥和水稻秸秆炭,其余处理化肥施用总量如下:氮肥施用量为375 kg/hm²,磷肥(P₂O₅)施用量为150 kg/hm²,钾肥(K₂O)施用量为300 kg/hm²,分别于8月11日、8月21日施用,每次施用量为施用总量的一半。

在莲藕种植后每3个月采集0～20 cm土壤,每缸采用五点取样法采集土壤,将其混合成一个土样,置于聚氯乙烯袋中,土壤样品经风干后磨碎过20目筛和100目筛备用。土壤化学性质测定方法^[11]如下:土壤pH值以水土比2.5:1采用电位法测定; 全氮采用浓硫酸-混合催化剂消解,采用流动分析仪测定; 全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定; 全钾采用NaOH熔融-火焰光度法测定; 碱解氮采用碱解扩散法测定; 速效磷经HCI-NH₄F浸提后,采用钼锑抗比色法测定; 速效钾采用NH₄OAC浸提-火焰光度法测定; 有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法测定。土壤酶活性测定方法^[12]如下:脲酶采用靛酚蓝比色法测定,蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定; 磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定; 过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定。

每年7月,用卷尺测量各缸莲藕植株立叶半径、浮叶半径,并随机采集2片长势相同的立叶,用乙醇-丙酮浸提法^[13]测定植株叶片叶绿素含量。

采用SPSS 22.0统计分析软件对数据进行单因素方差分析(one-way analysis of variance,ANOVA)、相关性分析(Pearson)和显著性检验(Duncan); 采用Origin 2021软件进行绘图。

水稻秸秆炭对土壤pH的影响如图1所示。种植莲藕3个月后,施用水稻秸秆炭对土壤pH的影响不显著; 而在种植莲藕6个月后,水稻秸秆炭处理对土壤pH有一定的提升作用,其中G2处理土壤pH最高,较CK和NPK分别提升了0.38、0.46个单位,而NPK处理会降低藕土的pH,这与蒋玉根等^[14]研究结果一致。水稻秸秆炭施用后提升土壤pH可能需要一定的时间,本研究结果表明,水稻秸秆炭施用3个月左右并不能显著提升土壤pH,而施用6个月时提升作用更显著,且650 ℃水稻秸秆炭的提升作用最好,这可能是650 ℃水稻秸秆炭的灰分含量较高,而灰分含量和pH呈正相关^[15],灰分中的K、Ca、Na、Mg等盐基离子以碳酸盐或氧化物形式存在,碳酸盐阴离子是导致生物质炭呈现碱性的一种离子^[16],所以土壤pH在650 ℃水稻秸秆炭作用下得到显著提升,这与陈乐等^[17]的研究结果一致。莲藕适宜生长的土壤pH值范围为6.0～7.5,水稻秸秆炭的施用能缓解大量施用化肥造成的土壤酸化问题,有利于藕田土壤酸化的改良。

图1 水稻秸秆炭对土壤pH的影响
Fig.1 Effect of rice straw biochar on soil pH

水稻秸秆炭对土壤养分含量的影响见表3,由表可知,在种植莲藕3个月后,水稻秸秆炭施用后土壤全氮含量都显著高于CK和NPK处理(p<0.05),其中E2的土壤氮含量最高,分别提升了92%和67%; 除G处理外,施用水稻秸秆炭后土壤全磷含量增加,其中E1处理的土壤全磷含量最高,较CK和NPK处理分别提升了64%和57%; 对土壤中的全钾而言,水稻秸秆炭施用对土壤全钾含量无显著影响。在种植莲藕6个月后,相比CK处理,E2处理的土壤全氮、全磷含量提升幅度最大,分别达32%和150%,施用水稻秸秆炭能显著提升土壤全氮、全磷含量,这可能是由于水稻秸秆炭具有较高的氮、磷含量,且其具有发达的孔隙结构,有利于水土环境中土壤养分的吸附固持,这与李艳梅等^[18]的研究结果一致。此外,350 ℃水稻秸秆炭较650 ℃水稻秸秆炭对土壤全氮、全磷的提升效果好,一方面可能是因为生物质炭的O/C、(O+N)/C值随着热解温度的降低而升高,低温制备的生物质炭表面的含氧官能团更多,有利于土壤对营养元素的吸附; 另一方面,土壤的阳离子交换量得到提升,含氧官能团的增加和阳离子交换量的提升使其能够吸附土壤中的NH⁺₄、PO^3-₄等离子,有利于提升水土环境中土壤的保肥能力^[6,19-20]。对土壤中的全钾而言,水稻秸秆炭施用后土壤全钾含量相比CK处理均显著降低,这可能是因为施用水稻秸秆炭后土壤速效钾含量得到显著提升,为植株的吸收利用奠定了基础,而莲藕属于喜钾作物,在生育期需要土壤供应大量的钾来满足植株生长和干物质积累^[21],Pearson相关性分析表明,土壤全钾与速效钾含量呈现极显著负相关性(r=0.994,p<0.01),因此土壤全钾含量降低。虽然水稻秸秆炭的施用会引起土壤全钾含量下降,但它能提升土壤速效钾、速效磷等速效养分含量。

表3 水稻秸秆炭对土壤养分含量的影响
Table 3 Effects of rice straw biochar on soil nutrient contents

在种植莲藕3个月后,土壤速效钾、速效磷含量随着水稻秸秆炭施用量的增加而增加,相比CK和NPK处理,E2处理的土壤速效钾含量最高,G2次之,而G2处理的土壤速效磷含量最高; 对土壤碱解氮而言,E2处理的土壤碱解氮含量最高,较CK和NPK处理分别提升达25%和22%。在种植莲藕6个月后,水稻秸秆炭施用后土壤速效钾、速效磷含量得到显著提升,且提升幅度随施用量增加而增加,其中E2处理的土壤速效钾含量最高,相比CK和NPK处理分别提升了260%和52%,这可能是水稻秸秆炭本身含有较高的钾,施入土壤后其含量会提升^[18]。G2处理的土壤速效磷含量最高,相比CK和NPK分别提升了17.8倍和2.6倍,且650 ℃较350 ℃水稻秸秆炭对土壤速效磷含量的提升效果更好,这可能是由于秸秆等生物质原料中的磷在厌氧热解过程中以可溶性形态保留下来,而随着热解温度的升高磷素不断富集^[22]; 对土壤中的碱解氮而言,相比CK处理,施用化肥、水稻秸秆炭均能显著增加其含量,其中G2处理对土壤碱解氮含量提升幅度达236%,且在施用量相同的情况下,650 ℃较350 ℃水稻秸秆炭提升幅度更大,这可能是650 ℃制备的水稻秸秆炭更有利于土壤脲酶活性的提升,从而有利于脲酶将土壤中的尿素转化为碱解氮等有效态养分^[23]。

水稻秸秆炭对土壤有机碳的影响如图2所示。在种植莲藕3个月后,施炭土壤(除G处理外)的有机碳含量显著高于CK和NPK处理土壤,这可能是因为水稻秸秆炭的碳含量高且不易降解,施入土壤后会增加土壤有机碳库^[24]; 此外,土壤中的有机分子被水稻秸秆炭吸附,土壤有机小分子在其表面催化下聚合形成有机碳^[25]。而在种植莲藕6个月后,相比CK和NPK处理,施加350 ℃水稻秸秆炭能有效提升土壤有机碳含量,其中E2处理的土壤有机碳含量最高,分别增加了39%和27%; 在水稻秸秆炭施用量相同的情况下,350 ℃较650 ℃水稻秸秆炭对土壤有机碳的提升作用更好,这可能是由于350 ℃水稻秸秆炭施用后更有利于莲藕植株及根系的生长,而根系分泌物是土壤有机碳的直接来源^[26],所以350 ℃水稻秸秆炭对土壤有机碳的提升效果更好。

图2 水稻秸秆炭对土壤有机碳的影响
Fig.2 Effect of rice straw biochar on soil organic carbon

土壤酶是微生物、动植物活体及动植物残骸分解后在土壤中释放的一种生物活性物质。土壤酶的活性反映了一定的土壤生化反应和养分循环状况,是衡量土壤质量的重要指标^[27]。土壤酶活性也是土壤中各种生化反应的强度和趋势指标,酶活性变化在很大程度上影响着土壤肥力的演变^[28]。土壤酶按功能可分为氧化还原酶、水解酶、转移酶、裂解酶和异构酶,其中,脲酶、磷酸酶属于水解酶,脲酶能水解土壤中的尿素,促进氮的转化,而磷酸酶能促进土壤中有机磷的转化; 蔗糖酶属于转移酶,能够增加土壤中易溶性有机物质的含量; 过氧化氢酶则属于氧化还原酶,能够促进有毒物质过氧化氢的分解,从而减少其对植物的胁迫^[23]。水稻秸秆炭施用对土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性的影响如图3所示。

图3 水稻秸秆炭对土壤酶活性的影响
Fig.3 Effects of rice straw biochar on soil enzymatic activities

由图3(a)、(b)、(c)分析可知,在莲藕种植3个月后,相比CK处理,E1处理对土壤脲酶活性的提升效果最为显著,提升幅度达21.9%,而G2处理对土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性具有显著的提升作用,分别提升了20.7%、434%、153%,且提升作用随施用量的增加而增加。在莲藕种植6个月后,相比CK和NPK处理,水稻秸秆炭处理均能提升土壤脲酶活性,且在水稻秸秆炭施用量相同的情况下,650 ℃水稻秸秆炭的提升效果更好; 对磷酸酶而言,E2处理对其提升作用最为显著,且此时各处理磷酸酶活性相比3个月前有较大提升,这可能是磷酸酶对环境温度较为敏感,种植莲藕3个月时处于夏季,温度较高,而种植莲藕6个月后进入秋季,环境温度降低,高温会抑制磷酸酶活性^[29]; 对土壤蔗糖酶而言,E2、G2处理较CK和NPK处理对其提升作用最为显著,分别提升了434%、328%和257%、186%。水稻秸秆炭施用后能提升土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶的活性,这可能是因为其丰富的孔隙结构为微生物提供了较好的繁殖环境,较大的比表面积有利于养分的吸附,为微生物繁殖提供更多的酶促底物^[6,30],从而提升了土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性。

由图3(d)可知,在种植莲藕3个月和6个月后,NPK处理对土壤过氧化氢酶活性起到提升作用,而对土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶而言,NPK处理的提升作用并不明显; 水稻秸秆炭施用后,相比CK和NPK处理,土壤过氧化氢酶活性降低,这可能是因为生物质炭吸附了酶分子,掩盖了酶促反应结合位点,导致过氧化氢酶反应强度的降低^[31]。

土壤酶活性与土壤化学性质的相关性见表4。由表4可知,蔗糖酶活性与土壤全氮、有机碳有显著的正相关关系,与土壤全磷、速效磷、速效钾有极显著的正相关关系,而与土壤全钾有显著的负相关关系; 磷酸酶活性与土壤碱解氮呈显著的正相关关系,与土壤全氮、全磷、速效磷、速效钾、有机碳有极显著的正相关关系,而与土壤pH呈显著的负相关关系,与土壤全钾有极显著的负相关关系。土壤酶活性与土壤理化性质相关性分析表明土壤化学性质与土壤酶活性间有密切的关系,土壤酶活性的提升有利于增强土壤中氮、磷等养分的循环^[32]。因此,水稻秸秆炭的施用可提高土壤养分含量,也提升了土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶的活性。

表4 土壤酶活性与土壤化学性质的相关性
Table 4 Correlation between soil enzymatic activities and soil chemical properties

施用水稻秸秆炭会影响莲藕植株的生长,它对莲藕立叶半径、浮叶半径、立叶叶绿素含量的影响如图4所示。相比CK处理,水稻秸秆炭施用对莲藕立叶、浮叶的生长未能达到显著性差异。此外,水稻秸秆炭的施用也会对莲藕立叶叶绿素含量产生影响,相比CK处理,350 ℃水稻秸秆炭处理组均能提升莲藕植株立叶叶绿素含量,且提升作用随施用量的增加而增加,立叶叶绿素含量的增加有助于立叶的生长; 而650 ℃水稻秸秆炭的提升作用较350 ℃水稻秸秆炭相对差些,只有G处理有一定的提升作用,但未达到显著性差异。水稻秸秆炭施用后能提升植株的叶绿素含量,促进莲藕植株的生长,其可能的原因如下:1)施用水稻秸秆炭后改善了土壤的化学性质,提升了土壤的养分含量,供应给植株充足的养分,为其生长奠定了良好的基础; 2)水稻秸秆炭施用后提升了土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶的活性,酶活性的提升加速了土壤中的碳、氮、磷循环,促进了土壤养分的释放,将其转变为植物可以利用的养分形态,从而促进了植株叶绿素的合成,提升了植株叶片的光合效能,莲藕植株的长势得到改善^[32-34]。

图4 水稻秸秆炭对莲藕植株生长的影响
Fig.4 Effects of rice straw biochar on growth of lotus root plant

本文研究了水稻秸秆炭施用对土壤化学性质、酶学性质和莲藕植株生长的影响,得到如下结论:

1)施用水稻秸秆炭能够提升土壤pH,土壤全氮、全磷和速效养分含量的提升更有利于莲藕生长;

2)施用水稻秸秆炭能够提升土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性,且提升作用随施用时间的延长而增强,但土壤过氧化氢酶活性在水稻秸秆炭施用后降低;

3)350 ℃水稻秸秆炭在质量分数为2%施用量下可显著提升莲藕植株立叶叶绿素含量,莲藕植株的生长状况有所改善。