生物炭有機肥部分替代化肥對莧菜生長、產量、品質和氮素利用率的影響

殷武平 袁祖華 彭瑩 童輝 楊曉

摘 ? ?要：為探究化肥減施潛力和生物炭有機肥增效作用，緩解因化肥過量施用導致的蔬菜品質下降和肥料利用率降低等問題，以莧菜為試材，設6個施肥處理：不施肥（CK1）、100%常規施肥（CK2）、85%常規施肥+2250 kg·hm-2生物炭有機肥（T1）、85%常規施肥+4500 kg·hm-2生物炭有機肥（T2）、70%常規施肥+4500 kg·hm-2生物炭有機肥（T3）、70%常規施肥+2250 kg·hm-2生物炭有機肥（T4），對比分析各處理莧菜生長、產量、品質、氮肥吸收及利用的差異。結果表明，與CK1相比，施肥不同程度促進莧菜植株生長，增加莧菜根莖葉氮素積累量，莧菜產量提高5.83%～22.67%。與CK2相比，生物炭有機肥部分替代化肥顯著增加莧菜的生物量，提升可溶性糖、可溶性蛋白和維生素C含量，降低硝酸鹽和有機酸含量；其中，T1和T2莧菜產量分別提高7.28%和11.87%，T2氮肥吸收利用率和氮肥農學利用率分別提升16.74%、21.48 kg·kg-1。綜上，T2為最優處理，可促進莧菜生長，提高莧菜產量和氮素利用率，改善品質，是實現肥料高效利用、減肥增效的良好施肥模式。

關鍵詞：莧菜；化肥減施；生物炭有機肥；產量；氮素利用率；品質

中圖分類號：S636.4 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2023）06-077-07

Effects of partial substitution of chemical fertilizer by biochar organic fertilizer on the growth， yield， quality and N nutrient utilization of amaranth

YIN Wuping1，2， YUAN Zuhua1，2， PENG Ying1，2， TONG Hui1，2， YANG Xiao1，2

（1. Hunan Province Vegetable Research Institute， Changsha 410125， Hunan， China; 2. Hunan Academy of Agricultural Sciences， Changsha 410125， Hunan， China）

Abstract： In order to improve the situations of the excessive application of chemical fertilizers resulting in reduced vegetable quality， low fertilizer utilization rate， and so on， a field experiment was carried out using combined application of biochar organic fertilizer with chemical fertilizer to explore the potential of it in vegetable fields and the effect of biochar organic fertilizer， and provide a scientific basis for reasonable fertilization. In this study， amaranth field experiment was conducted to investigate the effects on growth， yield， quality， fertilizer contribution rate and N nutrient utilization under different combinations. Six treatments were as follows： non-fertilization（CK1）， 100 % chemical fertilizer（CK2）， 85% chemical fertilizer with 2250 kg·hm-2 biochar organic fertilizer（T1）， 85% chemical fertilizer with 4500 kg·hm-2 biochar organic fertilizer（T2），70% chemical fertilizer with 4500 kg·hm-2 biochar organic fertilizer（T3），70% chemical fertilizer with 2250 kg·hm-2 biochar organic fertilizer（T4）. The results showed that compared with CK1， fertilization promoted the growth of amaranth plant， increased the nitrogen accumulation of root， stem and leaf， and increased the yield of amaranth by 5.83%-22.67%. Compared with CK2， the combined application with chemical fertilizer treatments significantly increased biomass， soluble sugar， soluble protein and vitamin C contents. while reduced The contents of nitrate and organic acid. Compared with CK2， T1 and T2 treatments increased the yield of amaranth by 7.28% and 11.87%， respectively. Compared with CK2 treatment， the utilization rate， agronomic utilization rate of nitrogen fertilizer of T2 increased by 16.74%， 21.48 kg·kg-1. In conclusion， 85% of conventional chemical fertilizer with 4500 kg·hm-2 biochar organic fertilizer promote growing， improved the nitrogen utilization rate ， yield and quality in amaranth， which was a good fertilization model to achieve the efficient utilization of fertilizer， weight loss and efficiency.

Key words： Amaranthus tricolor L.; Reduce fertilizer application; Biochar organic fertilizer; Yield; N efficiency; Quality

莧菜（Amaranthus tricolor L.）是莧科莧屬的一年生草本植物，又名赤莧、米莧、莧等；莧菜以嫩莖葉為食用部分，炒食或做湯，富含維生素C、胡蘿卜素、蛋白質和鐵、鈣等物質，廣受大眾喜愛，在我國南北各地均有種植[1]。隨著人民生活水平的提高，對健康高品質綠葉蔬菜的需求日益增加，但在莧菜種植中，大量化肥被施入土壤來保持或增加產量，而有機肥施用很少，甚至不施，因此土壤理化性質變差、土壤酸化、肥力水平下降，導致肥料利用率低、品質降低、硝酸鹽積累等問題，亟需采用新的肥料或養分管理技術提高產量和改善品質。

有機肥料替代部分化肥，有利于保證作物產量、提高品質、改善土壤理化性質[2]。生物炭是生物殘體在厭氧或缺氧的條件下，經高溫裂解形成的一類穩定、高度芳香、碳含量豐富、質地輕的黑色固態物，其比表面積大，疏松多孔，富含羥基、羧基、羰基等基團，孔隙發達、陽離子交換能力較強，且在土壤中長時間存在，不易分解[3]。生物炭具有提高作物產量及改善作物品質，實現廢棄生物質資源化利用等作用[4-5]。生物炭有機肥是由生物炭和有機肥物料復混制成的肥料，由于生物炭特殊的結構可實現肥料養分緩慢釋放，具有較高的養分持留能力和土壤改良作用，從而實現肥料養分高效利用[6]。前人研究結果表明，生物炭有機肥對番茄、生姜、小白菜、油菜、玉米、水稻、榨菜等作物的產量和養分利用率均有提高[5，7-11]，而生物炭有機肥部分替代化肥對莧菜影響的研究鮮有報道。筆者研究了化肥減量并配施不同水平的生物炭有機肥對莧菜生長、氮素利用率、產量和品質的影響，明確莧菜生產中化肥減施比例和合適的生物炭有機肥配施量，在保證產量和品質的前提下，減少化肥使用量，提高肥料利用率，改善土壤性狀，為生物炭有機肥在莧菜生產上的合理應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試品種為韓國大紅圓葉莧菜，購自長沙市慶農種子有限公司?；适┯煤琋 46%的尿素、含P2O5 16%的鈣鎂磷肥和含K2O 60%的氯化鉀。供試的生物炭有機肥購自貴州金葉豐農業科技有限公司，有機肥成品有機質含量（w，后同）45%、生物炭含量15%、N含量1.4%、P2O5含量1.5%、K2O含量2.1%，pH值為8.69。供試土壤基礎理化性質為：有機質含量26.25 g·kg-1、全氮含量1.89 g·kg-1、pH值為4.04、堿解氮含量137.5 mg·kg-1、有效磷含量570 mg·kg-1、速效鉀含量333.5 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗地點位于湖南省蔬菜研究所試驗基地薄膜大棚內，試驗共設6個處理，CK1為不施肥對照，CK2為當地農戶常規施肥對照；考慮作物需肥規律，兼顧肥料利用率，在當地農戶普通化肥常規施肥的基礎上，化肥施用總量較常規施肥減量15%和30%，分別為：85%常規施肥+2250 kg·hm-2生物炭有機肥（T1）、85%常規施肥+4500 kg·hm-2生物炭有機肥（T2）、70%常規施肥+4500 kg·hm-2生物炭有機肥（T3）、70%常規施肥+2250 kg·hm-2生物炭有機肥（T4）。試驗采用隨機區組排列，3次重復，小區面積16.8 m2（1.2 m×14.0 m），各處理施肥量見表1。莧菜于2022年4月15日直播，種子用量為67.5 kg·hm-2，即每個小區113.4 g。所有肥料均在播種前一周隨耕整地一次性基施，而后旋入土壤中。無追肥，其余栽培、灌溉和田間管理措施均按常規統一管理，各地塊保持一致。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 ? ?生長指標測定 ? ?莧菜播種后35 d，選取達到采收要求的莧菜植株10株，洗凈、用吸水紙擦干，用直尺測量株高（即地面至植株最高處距離），用游標卡尺測量莖粗（即植株中部最粗處直徑），用電子天平測量植株鮮質量，并測量小區產量。并取莧菜植株，按不同器官（根、莖、葉）分開，分別稱鮮質量后裝信封袋，置于烘箱內105 ℃殺青30 min，然后在80 ℃條件下烘48 h至恒質量，稱各部位干質量；根冠比為植株地下部干質量/地上部干質量。

1.3.2 ? ?品質指標測定 ? ?莧菜播種后35 d，稱取第3～第5片莧菜完全展開葉5.0 g，采用水楊酸比色法測定硝酸鹽含量，采用滴定法測定有機酸含量，按蘇州科銘生物技術有限公司提供的試劑盒及程序處理，用分光光度計分別測定莧菜的可溶性糖、可溶性蛋白含量[12]。維生素C含量采用2，6-二氯靛酚鈉滴定法測定[12]。

1.3.3 氮素利用相關指標測定 用粉碎機將烘干的樣品粉碎后過篩，用H2SO4-H2O2溶液消煮法，全氮用全自動凱氏定氮儀（K1100）測定N含量[13]。氮素積累量=干物質量×氮素含量；成熟期全株氮素積累量=根的氮素積累量+莖的氮素積累量+葉片的氮素積累量；成熟期根、莖、葉片的氮素分配率=根、莖、葉片的氮素積累量/成熟期全株的氮素積累量。

氮肥利用率（NRE，%）＝（施肥區地上部作物氮積累量-不施肥區地上部作物氮積累量）/氮肥投入量×100；氮肥農學利用率（NAE，kg·kg-1）=（施氮肥區作物產量-不施氮肥區作物產量）/氮肥投入量。肥料貢獻率（FCR）是肥料對作物產量的貢獻率，是把不施肥處理（CK1）的產量視為地力對產量的貢獻，以其為基準進行計算反映投入肥料生產能力的指標。肥料貢獻率/%（FCR）=（施肥處理產量-不施肥處理產量）/施肥處理產量×100；增產率/%=（施肥產量-對照產量）/對照產量×100。

1.4 數據分析

本試驗數據采用Excel和DPS 7.05進行數據分析，采用Duncan多重比較進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭有機肥部分替代化肥對莧菜生長的影響

由表2可以看出，所有施肥處理的莧菜株高、莖粗、地上部鮮質量、地下部鮮質量、地上部干質量、地下部干質量均顯著高于CK1，以T2最高，其株高、莖粗、地上部鮮質量、地下部鮮質量、地上部干質量、地下部干質量分別比CK1提高33.84%、35.46%、80.97%、60.87%、84.85%、72.73%。生物炭有機肥部分替代化肥施入能夠顯著促進莧菜植株的生長，T1、T2、T3、T4處理莧菜的株高、莖粗、地上部干鮮質量、地下部干鮮質量均顯著高于CK2，以T2最高，其株高、莖粗、地上部鮮質量、地下部鮮質量、地上部干質量、地下部干質量分別比CK2提高了24.88%、28.10%、29.09%、23.33%、32.61%和26.67%。在相同的化肥施用量下，增施4500 kg·hm-2生物炭有機肥的處理株高、莖粗、地上部鮮質量和地下部鮮質量均高于增施2250 kg·hm-2的處理。在增施2250 kg·hm-2生物炭有機肥條件下，化肥減量15%處理的莖粗、地上部干鮮質量均顯著高于化肥減量30%處理，兩者的株高、地下部干鮮質量差異不顯著；在增施4500 kg·hm-2生物炭有機肥條件下，化肥減量15%處理的株高、莖粗、地上部干鮮質量和地下部干鮮質量均高于化肥減量30%處理，其中地上部干鮮質量和地下部干質量達到顯著水平。各處理的根冠比無顯著差異。

2.2 生物炭有機肥部分替代化肥對莧菜產量、肥料貢獻率及氮素利用效率的影響

由表3可知，各施肥處理的莧菜產量均顯著高于CK1，其中T2產量最高，達34 830.5 kg·hm-2，各處理大小依次為T2 > T1 > CK2 > T3 > T4 > CK1，前者依次比CK1提高了22.67%、17.64%、9.65%、8.52%和5.83%。在相同化肥施用水平下，增施4500 kg·hm-2生物炭有機肥處理莧菜的產量均高于增施2250 kg·hm-2生物炭有機肥處理，其中T1和T2之間差異達到顯著水平。與CK2相比，T2、T1處理均有增產，增產率分別為11.87%和7.28%；T3、T4有一定的減產。肥料貢獻率以T2最高，T1次之，T4最小，CK2和T3之間差異不顯著，其他處理之間差異顯著。

與CK2相比，生物炭有機肥部分替代化肥處理莧菜的氮肥利用率顯著提高，T1、T2的氮肥農學利用率顯著提升，均以T2處理最高，其氮肥利用率和氮肥農學利用率為26.57%、33.66 kg·kg-1，分別是CK2的2.70倍和2.76倍。氮肥農學利用率在10.51～33.66 kg·kg-1之間，與氮肥利用率變化趨勢基本一致。在化肥減量15%條件下，增施4500 kg·hm-2生物炭有機肥處理莧菜的氮肥利用率和氮肥農學利用率均顯著高于增施2250 kg·hm-2生物炭有機肥處理；在化肥減量30%條件下，增施4500 kg·hm-2生物炭有機肥處理莧菜的氮肥利用率顯著高于增施2250 kg·hm-2生物炭有機肥處理，2個處理的氮肥農學利用率無顯著差異。

2.3 生物炭有機肥部分替代化肥對莧菜品質的影響

由表4可知，與CK2相比，生物炭有機肥部分替代化肥的處理莧菜葉片中硝酸鹽含量均顯著降低，且隨著化肥施用量的減少而降低，T4、T3處理莧菜葉片中硝酸鹽含量分別顯著低于T1和T2，其中T4處理最低，硝酸鹽含量為316.61 mg·kg-1。莧菜葉片維生素C、可溶性蛋白、可溶性糖含量均以T2最高，T3、T4為第二梯隊，三者均顯著高于CK2。各處理莧菜葉片可溶性糖含量大小順序為：T2 > T3 > T4 > T1 > CK2 > CK1，前者依次分別比CK1提高了30.45%、29.01%、27.21%、13.33%和10.18%；生物炭有機肥部分替代化肥處理的莧菜葉片可溶性糖含量較CK2均有提高，以T2提高幅度最大，其次為T3，兩者較CK2均顯著提高，分別提高了18.39%和17.07%。各處理莧菜葉片可溶性蛋白含量大小順序為T2 > T4 > T3 > T1 > CK2 > CK1，以T2最高，鮮物質含量為25.07 mg·g-1；與CK2相比，T2、T3、T4處理可溶性蛋白含量均顯著提高，T1、CK2、CK1之間差異不顯著。所有施肥處理的莧菜葉片維生素C含量較CK1均有顯著提高；與CK2相比，生物炭有機肥部分替代化肥處理的莧菜葉片中維生素C含量均有提高，其中T2、T3、T4差異顯著。在相同化肥施用水平下，增施生物炭有機肥的量為4500 kg·hm-2處理莧菜葉片的維生素C、可溶性糖含量高于施用量為2250 kg·hm-2的處理。在化肥減量15%條件下，增施4500 kg·hm-2生物炭有機肥處理的莧菜可溶性蛋白顯著高于增施2250 kg·hm-2生物炭有機肥處理；在化肥減量30%條件下不同生物炭有機肥增施量的處理之間無顯著差異。各施肥處理莧菜的有機酸含量均顯著低于CK1，生物炭有機肥部分替代化肥T1、T2、T3處理莧菜葉片有機酸含量顯著低于CK2，T4和CK2之間無顯著差異。

2.4 生物炭有機肥部分替代化肥對莧菜氮素積累量及分配率的影響

由表5可知，所有施肥處理的莧菜根、莖、葉氮素積累量均顯著高于CK1，施肥對莧菜氮素吸收的促進作用明顯。莧菜根、莖、葉氮素積累量以T2處理最高，與CK2相比，其根、莖、葉氮素積累量分別提高14.40%、29.48%、32.31%。同一化肥減量水平下，T2處理的根、莖、葉氮素積累量依次比T1處理分別增加0.53%、0.99%、12.15%，T3處理的根、莖、葉氮素積累量依次比T4處理分別增加11.54%、2.41%、10.21%。同一生物炭有機肥施用水平下，T4處理根、莖、葉的氮素積累量分別較T1處理降低了11.94%、20.01%、15.34%；T3較T2處理根、莖、葉氮素積累量分別降低了2.30%、18.08%、16.80%。莧菜各處理氮素分配比例在各器官中表現為葉>莖>根。葉片氮素分配率以CK1、T2、T3較大，T1最小。莖中氮素分配比例以T1最大，接下來依次是T4、CK2、T2、T3、CK1。根氮素分配率以T3最大，T2最小，各施肥處理的根氮素分配率大小順序為T3 > CK2 > T4 >CK1 > T1 > T2。

3 討論與結論

施肥是促進作物生長的重要保障[14]，株高、莖粗、地上部干鮮質量、地下部干鮮質量是反映植株生長狀況的主要指標[7，11，15-16]。本試驗條件下，與不施肥CK1相比，常規施肥處理CK2、生物炭有機肥部分替代化肥處理均可顯著增加莧菜株高、莖粗、地上部干鮮質量、地下部干鮮質量，這與王吉平等[17]、張鈞恒等[18]、Wei等[19]的研究結果一致。

有機肥適量替代化肥既能協調平衡養分供應，減少化肥的損失，還能為作物提供足夠的養分[20-21]。筆者研究發現，與CK2相比，生物炭有機肥部分替代化肥處理莧菜株高、莖粗、地上部干鮮質量、地下部干鮮質量均有提高，以T2處理最高。在化肥減量15%水平下，用有機肥適當替代增施（T1、T2處理）提高了莧菜的株高、莖粗、地上部干鮮質量、地下部干鮮質量，且隨著生物炭有機肥的增加作用越顯著?；蕼p量30%（T3、T4）的莧菜株高、莖粗、地上部干鮮質量、地下部干鮮質量較CK2均有提高，但較T2處理有所下降，這與張迎春等[22]、何東霞等[23]的研究結果相似。在一定生物炭有機肥水平下，隨化肥減施量的增加，株高、莖粗地上部干鮮質量和地下部鮮質量均有所降低，說明減施化肥并配施適量生物炭有機肥能夠促進作物生長，但過量減施不利于作物生長。

不同施肥處理對蔬菜產量和氮素利用率影響較大[24-25]。本試驗結果表明，與不施肥相比，施肥會提高莧菜產量。與純施化肥相比，生物炭有機肥部分替代化肥（T1、T2）可提高莧菜的產量和肥料貢獻率；隨著化肥減施量的增加，莧菜產量、肥料貢獻率有所降低，說明生物炭有機肥替代化肥的合適比例非常重要，這與徐大兵等[20]、張迎春等[22]和謝軍等[26]的研究結果一致。筆者研究發現，與CK2相比，生物炭有機肥部分替代化肥可促進氮素的利用，以T2的氮肥利用率和氮肥農學利用率最高。在化肥減量15%的水平下，隨著生物炭有機肥的增加，莧菜氮肥利用率和氮肥農學利用率相應提高；在化肥減量30%的水平下，T3、T4處理之間無顯著差異，且均顯著低于T2，這與何東霞等[23]、侯紅乾等[27]的研究結果相似，說明減施化肥并配施適量生物炭有機肥能夠促進作物氮素吸收利用，但過量減施效果會降低?？赡苁且驗槭卟松L前期根系不發達、養分吸收少，后期生長發育快且根系逐漸發達，養分需求旺盛，而化肥中的氮養分釋放快，流失也快，很難匹配蔬菜作物的需肥規律[22]。而有機肥氮具有緩效性，肥效時間長，可以持續為作物提供營養元素，改善土壤微生物環境，優化土壤的理化性質，增加有機質的優點[28]。生物炭因其特殊的結構可影響土壤中氮素的周轉率，進而加快土壤氮素的有效化[29]，同時，生物質炭能吸附部分氮素，減少銨態氮、硝態氮的揮發和淋溶損失，提升氮素的緩釋能力[30-31]，有利于提高氮素利用率，增加作物產量。

莧菜品質成分含量高低與其口感和價值密切相關，也是判斷生物炭有機肥部分替代化肥處理是否合適的重要指標。肥料類型及施用量會影響莧菜植株中可溶性蛋白質、可溶性糖、有機酸、維生素C等可溶性固形物、含氮物質及非氮源營養成分的含量[24]。硝酸鹽含量是莧菜安全衛生標準的重要評價指標之一，而莧菜產品中硝酸鹽含量高低與氮素類型及施用量密切相關[22]。本研究結果顯示，相比CK2，生物炭有機肥部分替代化肥處理提高了莧菜中可溶性糖、可溶性蛋白和維生素C的含量，以T2處理莧菜各項指標最高，這與徐大兵等[20]、張迎春等[22]的結果一致。生物炭有機肥提高了莧菜維生素C、蛋白質和可溶性糖含量可能是因為生物炭有機肥對肥料養分的吸附而具有緩釋作用，能保證氮、磷、鉀等養分供應的適量，并提高了土壤活性有機碳含量。生物炭有機肥部分替代化肥處理降低了莧菜植株中硝酸鹽和有機酸含量，這與徐大兵等[20]和李大偉等[24]的結果一致，主要原因是化肥釋放氮素較快，與莧菜生長發育及需肥規律不一致，造成了NO3-大量積累；而具有多孔結構的生物質炭能夠吸附土壤中的NH4+，可促進土壤中氮的固定，同時通過抑制銨態氮向硝態氮的轉化，實現減少氮的損失，這樣莧菜就能減少硝酸鹽含量的積累[32]。生物炭有機肥中含有鈣、錳和鋅等微量元素，這些有益元素顯著高于復合肥，且有研究發現，微量元素可顯著提高蔬菜品質，可以提高維生素C和糖分含量，降低酸味物質含量[24，33]。

養分的積累和分配是作物生長的重要決定因素，且其因施肥不同有較大的差異，合理施肥有利于養分的積累和高效利用[23，34]。何東霞等[23]在韭菜、張俊峰等[33]在番茄、王赫等[35]在辣椒、張富鑫等[36]在甘藍和李菊等[37]在松花菜的研究中指出：施用有機肥能夠提高蔬菜作物氮、磷、鉀積累量。本試驗中，施肥處理顯著提高了氮素積累量。與純施化肥（CK2）相比，生物炭有機肥部分替代化肥（T1、T2、T3）可提高莧菜各器官中氮素積累量。在同一化肥施用水平下，增施生物炭有機肥有利于氮素的積累，可能是化肥減量配施生物炭有機肥后，增加了土壤有益微生物的數量且能充足供應其所需的碳源，且生物炭發達的孔隙結構、較大的比表面積，增強了根際微生物與根系互作，促進了營養元素從根系向地上部運輸。增施相同生物炭有機肥水平下，化肥減量15%時更有利于根、莖、葉氮素積累，化肥減量30%時氮素積累效應較前者有所下降，可能是由于化肥減施30%與配施生物炭有機肥的協同效應有所降低。

綜上所述，施肥可以顯著促進莧菜植株生長、增加莧菜根、莖、葉的氮素積累量，莧菜產量提高5.83%～22.67%。與CK2相比，生物炭有機肥部分替代化肥處理顯著促進莧菜生長，提高莧菜產量；顯著改善了莧菜的營養品質；同時，顯著增加莧菜根、莖、葉氮素積累量，提升氮肥利用率，促進土壤養分平衡。綜合來看，以T2為最優處理，較CK2處理莧菜可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、維生素C含量顯著提高，硝酸鹽和有機酸含量顯著降低，同時，莧菜的產量提高了11.87%，氮肥利用率提升了16.74%，氮肥農學利用率升高了21.48 kg·kg-1。說明減施化肥并配施適量生物炭有機肥是促進莧菜高產優質、肥料高效利用、減肥增效的有效途徑。

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