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结球甘蓝Brassica oleracea var. capitata是十字花科Brassicaceae芸苔属Brassica的1年生或2年生草本植物，为甘蓝B. oleracea的变种，又称卷心菜、洋白菜、圆白菜、疙瘩白、包菜、包心菜等。结球甘蓝具有耐寒、抗病，适应性强、易储耐运、产量高、品质好等特点，因此在中国各地普遍栽培，已成为中国的主要蔬菜品种之一，播种面积和产量在所有蔬菜中位居第3位，在周年供应中均占有重要地位[1]。现代营养学研究表明：甘蓝富含多种生物活性成分，尤以异硫氰酸盐[2]、叶酸[3]、酚酸[4]为突出。因此，甘蓝在人们饮食健康中占据着重要的地位[5]。
因为甘蓝是忌连作作物，所以下一茬必须种植非十字花科作物。然而，在山西旱地即使后茬种植不同种类的非十字花科作物，其生长也均会受到一定的抑制。以玉米Zea mays为例，在播种45 d后测定株高及叶片数，株高仅为其他茬口玉米的60%，且展开叶约少2片，茎基部最初展开叶发紫，严重影响玉米的前期生长，可造成减产[6]。这种植物间的相生相克被称为化感作用，该作用是活体植物通过根系分泌，地上部的挥发与雨雾淋溶或植物的残体分解等途径，向环境中释放次生代谢产物，从而影响邻近植物生长的化学生态现象[7-8]，对栽培的前后茬作物生长和产量等方面的影响较大[9]。许多药用植物如丹参Salvia miltiorrhiza、三七Panax notoginseng、当归Angelica sinensis等均已证实存在明显的化感作用[10-11]，多种蔬菜的化感作用也得到了系统评价[12-16]，但对于结球甘蓝作为供体植物对下茬作物产生的化感作用研究鲜见报道。为此，本研究参照化感作用的研究方法，模拟雨雾淋溶与浸溶途径，研究结球甘蓝叶片营养生长期内对当地常见作物的种间化感作用，为建立合理的结球甘蓝轮作制度提供理论依据。
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供体材料为结球甘蓝‘铁将军’B. oleracea var. capitata‘Tiejiangjun’叶片，2019年取样于山西农业大学山西有机旱作农业研究院河村示范试验基地。该地区年平均降水量为450 mm，集中于6—9月，水热同期。受体材料为糯玉米‘万糯2000’Zea mays ‘Wannuo 2000’和西葫芦‘绿霸先锋’Cucurbita pepo‘Lübaxianfeng’，种子均购于市场。
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将结球甘蓝结球部位的叶片清洗后风干，经粉碎后分别称取30、40、50 g (预实验结果)，分别置于洁净的锥形瓶中，加入500 mL蒸馏水后放入恒温摇床中浸泡振荡24 h (温度25 ℃，转速150 r·min−1)，经双层滤纸过滤制得质量浓度为0.06、0.08、0.10 kg·L−1的水提液。
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挑选颗粒饱满、质量接近的糯玉米和西葫芦种子播种在高8 cm, 上边长10 cm，下边长 7 cm的小方盒中，进行盆栽培养。每盒播种2粒，出苗后及时间苗，以保证每盆中仅留1株幼苗。装盆土壤均为菜豆茬口，种下土壤质量为250 g，种上土壤质量为200 g。添加的结球甘蓝叶片水提液质量浓度为0.10 (处理1)、0.08 (处理2)、0.06 kg·L−1(处理3)，每盆均总计加入100 mL的水提液，分种上与种下2个部分等量加入，以蒸馏水为对照，置于恒温培养箱(温度为25 ℃，湿度为50%，12 h 4 000 lx光照；温度为20 ℃，湿度为60%，12 h黑暗)。培养过程中处理组与对照组分别定时补充适量水提液与蒸馏水，保持土壤湿润。每个处理设置4个重复，20 d后测定苗高、根长、地上部干质量与根干质量。
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采用化感作用效应指数(IR，简称化感指数)度量化感作用的类型和强度：
$$ I_{\mathrm{R}}=\left\{\begin{array}{cc}1-C / T, & T {\text{≥}} C \\ T/C -1, & T＜C\end{array}\right.。 $$ 其中：C为对照值，T为处理值。IR＞0为促进作用，IR＜0为抑制作用，绝对值的大小表示作用强度。处理组与对照组的差异显著性检验采用SPSS 18.0软件进行Duncan新复极差法分析。
采用综合效应指数对不同受体的化感效应进行综合评价。综合效应指数即为同一处理下受体作物的苗高、根长、地上部干质量与根系干质量的化感指数(IR)的算术平均值[17]。
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从图1可知：不同质量浓度结球甘蓝叶水提液均可显著(P＜0.05)抑制盆栽糯玉米幼苗根系与地上部的伸长，且对两者的抑制程度随结球甘蓝叶水提液质量浓度的增大而增强，当水提液质量浓度增大至0.10 kg·L−1时，对苗高与根长的抑制效应最为明显，抑制率分别达到42.3%和57.8%，显著大于其他处理(P＜0.05)。0.08与0.06 kg·L−1这2个质量浓度之间的差异未达到显著水平。
图 1 不同质量浓度结球甘蓝叶水提液对盆栽糯玉米苗高、根长、根干质量与地上部干质量的影响
Figure 1. Effects of different concentrations of cabbage-leaf water extracts on the seedling height, root length, root and shoot dry weight of waxy corn in pot
从图1可知：与对照相比，添加不同质量浓度的结球甘蓝叶水提液均可显著(P＜0.05)降低盆栽20 d的糯玉米幼苗根系与地上部的生物量。当添加质量浓度最高(0.10 kg·L−1)时，对根系与地上部干质量均表现出最强的抑制效果，抑制率分别高达43.5%与55.2%；质量浓度降低至0.08 kg·L−1时，对地上部干质量的抑制作用明显减弱，而对根干质量的抑制效应仍未减轻；当质量浓度降至0.06 kg·L−1时，对地上部干质量的抑制程度反而又显著(P＜0.05)增强，但对根系干质量的抑制作用明显减弱。综上可知，结球甘蓝叶水提液对糯玉米幼苗根干质量的影响表现出了“剂量效应”，即水提液质量浓度增大，抑制效果增强，抑制率为17.2%~43.5%。相比之下，结球甘蓝叶水提液对盆栽糯玉米的根系生长的抑制效果要强于地上部，可能与根系直接接触化感抑制物有关。
由表1可以看出：各质量浓度水提液处理对糯玉米苗高、根长等生物学检测指标的化感效应指数均为负值，即结球甘蓝叶水提液对盆栽糯玉米苗期生长的化感效应均表现为抑制作用。随着结球甘蓝叶水提液质量浓度的增加，对糯玉米苗高、根长与根干质量的抑制效应强度也随之增强。其中糯玉米苗期根长对最大处理质量浓度0.10 kg·L−1的敏感性响应最强(IR=−0.573 6)，且显著(P＜0.05)强于其他2个处理；根干质量对最小处理质量浓度0.06 kg· L−1的敏感性响应最弱(IR =−0.171 8)。
表 1 不同质量浓度结球甘蓝叶水提液对盆栽糯玉米幼苗生长的化感指数
Table 1. Allelopathic index of different concentrations of cabbage-leaf water extracts on the seedling growth of waxy corn in pot
水提液质量浓
度/(kg·L−1)化感指数 苗高 根长 地上部干质量 根干质量 0.10 −0.422 7 a −0.576 3 a −0.552 4 a −0.435 1 a 0.08 −0.323 0 b −0.487 8 b −0.347 9 b −0.272 9 ab 0.06 −0.308 5 b −0.472 7 b −0.470 0 a −0.171 8 b 说明：同列不同小写字母表示差异显著(P＜0.05) -
从图2可知：结球甘蓝叶水提液可以抑制盆栽西葫芦地上与地下部的伸长，其抑制程度随水提液质量浓度的降低而逐渐减弱，仅当添加最高质量浓度(0.10 kg·L−1)的结球甘蓝叶水提液显著(P＜0.05)降低西葫芦的苗高与根长，降幅分别为40.0%与50.0%。与对盆栽玉米生长的影响类似，结球甘蓝叶高质量浓度水提液对西葫芦根系伸长的抑制程度大于地上部。但0.08与0.06 kg·L−1结球甘蓝叶水提液均未显著抑制盆栽西葫芦的苗高与根长，表明西葫芦对结球甘蓝叶水提液有更强的耐受力。
图 2 不同质量浓度结球甘蓝叶水提液对盆栽西葫芦幼苗高、根长、根干质量和地上部干质量的影响
Figure 2. Effects of different concentrations of cabbage-leaf water extracts on the seedling height, root length, root and shoot dry weight of cocozelle in pot
图2结果显示：结球甘蓝叶水提液均能显著(P＜0.05)抑制西葫芦幼苗根干质量的增加。不同质量浓度水提液的抑制作用由强到弱依次为0.10、0.08、0.06 kg·L−1。较对照而言，3个处理可使西葫芦幼苗根干质量降低27.1%~52.5%。与对根干质量的影响类似，各处理亦可抑制地上部干质量，但仅0.10与0.08 kg·L−1能显著(P＜0.05)降低西葫芦苗期的地上部干质量，降幅分别为42.2%与15.0%。最低质量浓度处理(0.06 kg·L−1)较对照仅下降了8.6%。
由表2可以得出：西葫芦苗期根干质量对结球甘蓝叶最大水提液质量浓度(0.10 kg·L−1)的处理敏感性响应最强，其化感指数为−0.5254，且显著(P＜0.05)强于其他2个质量浓度处理；地上部干质量对最小处理质量浓度(0.06 kg·L−1)的敏感性响应最弱，其化感指数仅为−0.0859。检测的各项生物学指标所对应的化感指数均为负值，表明供试质量浓度的结球甘蓝叶水提液均可抑制西葫芦苗期根系与地上部的生长。随着处理质量浓度的降低，各项指标的化感抑制负效应逐渐减弱，其中对根长的抑制效应呈显著(P＜0.05)减弱的趋势。
表 2 不同质量浓度结球甘蓝叶水提液对盆栽西葫芦幼苗生长的化感指数
Table 2. Allelopathic index of different concentrations of cabbage-leaf water extracts on cocozelle seedling growth in pot
水提液质量浓
度/(kg·L−1)化感指数 苗高 根长 地上部干质量 根干质量 0.10 −0.357 0 a −0.484 5 a −0.420 8 a −0.525 4 a 0.08 −0.267 7 b −0.329 9 b −0.149 9 b −0.322 0 b 0.06 −0.225 7 b −0.158 1 c −0.085 9 b −0.271 2 b 说明：同列不同小写字母表示差异显著(P＜0.05) -
如表3所示：各供试质量浓度的结球甘蓝叶水提液对糯玉米与西葫芦苗期生长均表现化感抑制作用，其中最高质量浓度的结球甘蓝叶水提液对2种受体作物的化感综合效应均高于低质量浓度，分别为−0.496 6与−0.446 9。随着水提液质量浓度的降低，对2种作物的综合化感抑制效应均逐渐减弱，其中西葫芦的减幅要大于糯玉米。结球甘蓝叶水提液对糯玉米的综合化感抑制作用要强于对西葫芦。
表 3 不同质量浓度结球甘蓝叶水提液对2种作物幼苗生长的化感综合效应
Table 3. Allelopathic comprehensive effects of different concentrations of cabbage-leaf water extract on the seedling growth of two crops
受体作物 不同质量浓度水提液的化感综合效应 0.10 0.08 0.06 kg·L−1 糯玉米 −0.496 6 −0.357 9 −0.355 7 西葫芦 −0.446 9 −0.267 4 −0.185 2 -
在蔬菜栽培中化感作用是常见的现象，是作物与土壤相互作用的结果。在山西旱地，6—8月雨水较丰富，结球甘蓝营养生长旺盛，体内代谢速度快，次生产物丰富，通过淋溶和浸溶的途径能使次生代谢物进入土壤环境并积累。当自然界中的化感物质在土壤中累积到一定程度后，就会影响植物种子萌发与幼苗生长，进而影响植物对地上和地下资源的竞争[18]。本研究所设置的结球甘蓝叶水提液质量浓度是在预试验的基础上选取的相对较高的质量浓度水平，故对糯玉米与西葫芦均表现出了较为明显的化感效应。其中0.06 kg·L−1处理与田间结球甘蓝茬对西葫芦的影响程度较为接近，与对照(菜豆茬)相比并无直观差异。需要补充说明的是，预试验的结果表明：当添加结球甘蓝叶水提液的质量浓度≤0.03 kg·L−1时，对盆栽玉米苗期生长几乎没有抑制作用；当质量浓度降至0.01 kg·L−1时，还能促进盆栽西葫芦苗期根长，苗高及地上部干质量等指标显著增加。同一化感物质在不同质量浓度时会对同一植物出现抑制或促进2种截然不同的结果[19]，因此建议在采收结球甘蓝的过程中，应尽量将地上部完全去除，避免其累积残留于土壤中影响其他作物生长。
有研究表明：当归水浸提物对受体作物油菜Brassica campestris、蚕豆Vicia faba和小麦Triticum aestivum种子萌发，胚芽和胚根生长均具有较强的化感作用，且多表现为抑制作用，其中尤以油菜最为敏感[20]。与该结果类似，本研究发现：糯玉米和西葫芦对结球甘蓝叶水提液的敏感性也不同。尽管对糯玉米和西葫芦苗期生长均表现出了抑制效应，但其中糯玉米的敏感性要强于西葫芦。与文献[20]研究结果有所不同的是，结球甘蓝叶水提液需要在较高质量浓度时才能表现出抑制作用，而当归水提液在相对较低的质量浓度时即可产生抑制作用。还有研究证明：药用植物如三七、人参Panax ginseng、地黄Rehmannia glutinosa、黄芪Astragalus membranaceus、苍耳Xanthium sibiricum、西洋参Panax quinquefolius等都具有显著的化感效应[21-26]。推测药材中的有效成分是作用很强的化感物质，而蔬菜中的化感物质活性与含量均不及药用植物。
也有相当多的研究结果表明：许多蔬菜如番茄Lycopersicon esculentum、大蒜Allium sativum、大葱Allium fistulosum、黄瓜Cucumis sativus及苋菜Amaranthus tricolor等对其他蔬菜具有显著的抑制作用，且不同作物对化感物质的反应有明显差别[12-16, 27-28]。因此，在农业生产中无论是作物的单植，还是间作、轮作、覆盖、翻埋、重茬种植等，都需要考虑化感作用的影响[28]。本研究结果发现：结球甘蓝叶水提液对西葫芦的综合化感抑制作用弱于糯玉米，这与观察到田间种植情况相吻合，建立西葫芦与甘蓝的轮作制度可能是解决结球甘蓝栽培中化感问题的对策之一。有关结球甘蓝根系及其分泌物中的化感物质的作用尚待进一步研究。
Allelopathic effect of water extract of Brassica oleracea var. capitata leaves on seedling growth of Zea mays and Cucurbita pepo
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摘要:
目的 探讨结球甘蓝Brassica oleracea var. apitata化感作用与茬口障碍的关系，为建立合理轮作制度提供理论依据。 方法 以结球甘蓝风干叶片为供试材料，以适宜山西寒旱区栽培且经济收益相对较高的2种作物：糯玉米Zea mays和西葫芦Cucurbita pepo作为受体植物，采用室内生物测定法，比较了不同质量浓度结球甘蓝叶水提液对上述2种受体作物幼苗营养生长的影响，并计算相应的化感效应指数和综合效应指数。 结果 当结球甘蓝叶水提液质量浓度≥0.06 kg·L−1时均显著(P＜0.05)抑制盆栽糯玉米苗期根系与地上部的生长。仅当添加的结球甘蓝叶水提液质量浓度为0.10 kg·L−1时，显著降低(P＜0.05)西葫芦的苗高与根长。在水提液同一质量浓度下，对糯玉米根长的化感抑制作用始终大于苗高。对西葫芦则表现为当结球甘蓝叶水提液质量浓度≥0.08 kg·L−1时，对根长的化感抑制作用大于苗高；当水提液质量浓度降至0.06 kg·L−1时，对根长的化感抑制作用小于苗高。由综合效应指数可知，对西葫芦的化感综合抑制作用要小于糯玉米。 结论 西葫芦可用于结球甘蓝轮作体系，以减轻化感作用而引起的障碍。图2表3参28 Abstract:Objective The objective is to probe the relationship between toxicity of Brassica oleracea var. capitata and stubble obstacles, so as to provide a theoretical basis for establishing a reasonable crop rotation system. Method Taking the air-dried leaves of B. oleracea var. capitata as test materials, two crops species (Zea mays and Cucurbita pepo) with relatively high economic benefits and suitable for cultivation in cold and arid area of Shanxi were used as receptor. The effects of water extract from B. oleracea var. capitata leaves with four mass concentrations 0, 0.06, 0.08 and 0.10 kg·L−1 on the nutritional growth of the above two receptor crops were compared by indoor bioassay method, and the corresponding allelopathic effect index and comprehensive effect index were calculated. Result When the water extract concentration of B. oleracea var. capitata leaves was ≥0.06 kg·L−1, the growth of roots and shoots of potted Z. mays seedling could be significantly inhibited (P＜0.05). The seedling height and root length of C. pepo were significantly reduced (P＜0.05) only when the mass concentration of water extract of B. oleracea var. capitata leaves was 0.10 kg·L−1. At the same concentration, the allelopathic inhibition on root length of Z. mays was always greater than that on seedling height. For C. pepo, the allelopathic inhibition on root length was greater than that on seedling height when the water extract concentration of B. oleracea var. capitata leaves was ≥0.08 kg·L−1. When the mass concentration decreased to 0.06 kg·L−1, the allelopathic inhibition on root length was less than that on seedling height. According to the results of allelopathic comprehensive effect index, the allelopathic comprehensive inhibition on C. pepo was less than that on Z. mays. Conclusion C. pepo can be used in the rotation system of B. oleracea var. capitata to alleviate the obstacles caused by other toxicity. [Ch, 2 fig. 3 tab. 28 ref.] -
Key words:
- Brassica oleracea var. apitata /
- water extract /
- allelopathic effect /
- Zea mays /
- Cucurbita pepo
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土地沙漠化是全球性的环境问题。土壤沙化不但使生态环境恶化，而且对社会经济的可持续发展也产生深远影响[1]。根据《第5次全国荒漠化和沙化状况公报》，截至2014年，全国沙化土地总面积172.12 万km2，占国土总面积的17.93%。对比《第4次全国荒漠化和沙化状况公报》，虽然土壤沙化总体呈现被遏制的态势，但沙化治理形势依然严峻，引起的生态负效益仍不容忽视[2-3]。四川省阿坝州红原县位于青藏高原东南部四川省阿坝州，海拔平均3 552 m，地势起伏平坦。主要为沼泽、草甸、灌丛、森林四大植被类型，主要土壤类型为沼泽土、亚高山草甸土、风沙土[4]。根据当地政府统计数据，红原县沙化土地面积为4 450 hm2，轻度沙化面积为378 hm2，其余为中度沙化土壤；过度放牧是引起当地土壤沙化的主要成因。该地区年均降水为754 mm，80%是集中在5−9月，而且多为雷阵雨和暴雨[5]。土壤及养分流失的隐患较为突出。红原发达的畜牧业导致每年产生的牲畜粪便数量惊人，特别是牦牛Bos grunniens粪，仅仅红原县瓦切乡年产生量就高达59万t·a−1。然而，当地以焚烧作为牦牛粪的主要处理方式，效率较低。如何充分利用当地丰富的牦牛粪资源开展沙化土壤治理是本研究关注的重点。传统的畜禽粪便就是良好的有机肥料，含有大量的有机质、矿物质等[6-7]。此外，生物质炭是当前废弃物资源化利用的研究热点之一，国内外学者已经对牛粪热解制备生物质炭以及牛粪生物质炭改良土壤进行了初步的探索。施加适量的生物质炭可改善土壤结构，增加土壤有机质含量和提高土壤微生物活性，有利于作物生长发育，增加产量和农业收益[8]；DUAN等[9]探讨在牛粪堆肥过程中，生物质炭单独与菌群改良剂联合使用对改善土壤微生物群落和增强土壤酶活性有积极作用。另有研究表明：聚丙烯酰胺(PAM)可以改善土壤的物理性状[10]，保持土壤良好的透气性和保水性，还可以防治水土流失，与分散的土壤颗粒形成大团聚体，增强表层的抗冲蚀能力[11]。目前基于牦牛粪制备生物质炭或者堆肥对土壤改良的研究报道较少。同时，考虑到红原县沙化土壤特性，PAM可以有效改变沙化土壤粒径组成，因此，本研究以红原县当地丰富的牦牛粪为基质，制备生物质炭和堆肥产品，通过实验室模拟研究，验证炭肥产品的混施以及添加PAM来进行沙化土壤改良、以减少渗流造成的土壤养分流失的可行性。
1. 材料与方法
1.1 供试肥料及制备方法
土样采自红原县瓦切乡野外沙化草甸的0~40 cm土层，混合均匀后备用。牦牛粪生物质炭、牦牛粪堆肥产品是向当地牧民处购买新鲜牦牛粪进行制备。牦牛粪生物质炭的制备依照丁黎等[12]的生物质炭制备方法，在热解炉中以600 ℃高温热解。牦牛粪堆肥环境为40 ℃恒温大棚。牦牛粪堆肥基本理化性质为有机质128.30 g·kg−1，全氮33.79 g·kg−1，总磷7.97 g·kg−1，全钾14.35 g·kg−1。牦牛粪基生物质炭基本理化性质为有机碳357.32 g·kg−1，全氮11.85 g·kg−1。PAM购自山东宝莫生物化工股份有限公司。
1.2 研究方法
1.2.1 实验设计
从2016年9−11月，周期为60 d。淋溶土柱为聚丙烯(PP)圆柱体(图1)，内径为9.7 cm，高为48.3 cm。用钻孔机在土柱上从下往上每10 cm钻1个孔，共4个孔，以此模拟40 cm深的土层。每个小孔安装1个土壤溶液采集器，收集土壤浸出液，模拟水分流失。共设置4个处理：单施堆肥处理(H1)，炭肥混施(1∶1)处理(H2)，以及单施生物质炭处理(H3)，此外，另设定不添加炭肥的空白处理(H0)。同时，在上述同样处理的基础上再对应地添加PAM，构成添加PAM区组(分别记为h0、h1、h2、h3)，共计8个处理(表1)，每个处理设3个重复，供试土壤有机质质量分数为19.20 g·kg−1，全氮1.71 g·kg−1，总磷0.38 g·kg−1，速效磷7.7 mg·kg−1。制作土柱时，首先在土柱20~40 cm处加入沙化土壤，经称量为1 500 g，再将改良材料和同质量的1 500 g土壤混合均匀后再加入0~20 cm土柱，加入炭肥改良材料的质量为土壤质量的3%，为45 g。根据红原县当地降雨量，模拟降水注入超纯水，2 d加1次水，每周收集1次土壤溶液采集器中的水样。
图 1 土柱实验示意图Figure 1 Schematic diagram of the soil column experiment1. 土柱上层2. 土柱下层3. 土壤溶液采集口表 1 实验设置Table 1 Experimental treatments编号 生物质炭/g 牛粪堆肥/g 聚丙烯酰胺/g 原土/kg H0 3.0 H1 45.0 3.0 H2 22.5 22.5 3.0 H3 45.0 3.0 h0 15.0 3.0 h1 45.0 15.0 3.0 h2 22.5 22.5 15.0 3.0 h3 45.0 15.0 3.0 1.2.2 土壤样品采集及处理
土壤样品的采集时间分别是第1、15、30、45、60天，共5次。每次分层采集土柱中的土壤。每次采集用特制的细孔径取土钻取土20 g。装入自封袋扎孔后放入冻干机中冻干。冻干后用研钵磨细分别过60目筛和100目筛备用。
1.2.3 分析项目及方法
参照参考文献[13]测定分析土壤样品养分，测定的土壤养分为：全氮、硝态氮、铵态氮、有机质、土壤pH、总磷、有效磷。为有效评价PAM的添加对外源物质(牦牛粪炭和堆肥)中养分淋溶的影响，用以下公式计算外源养分淋溶率：
$$ R = \left( {{w_{\rm{T2}}} - {w_{{\rm{ck2}}}}} \right)/\left( {{w_{\rm{T1}}} - {w_{{\rm{ck1}}}}} \right) \times 100\% \text{。} $$ 其中：wT1和wT2为处理组，ck为空白对照组，1代表0~20 cm土壤上层养分质量分数，2代表20~40 cm土壤下层养分质量分数，外源养分淋溶率值越小表示养分淋溶率越低。(wT2−wck2)为处理组和对照组下层土壤养分质量分数之差，(wT1−wck1)为处理组和对照组上层养分质量分数之差。
1.2.4 数据处理
利用Excel 2003进行数据处理，采用Sigma Plot 13.0软件制图，运用SPASS 22.0并选择Brown-Forsythe和Tamhane’s T2方法对结果进行方差分析。
2. 结果与分析
2.1 牦牛粪生物质炭及其堆肥对土壤酸碱度的影响
如图2所示：处理60 d时，施用生物质炭和堆肥产品均可以显著提高0~20 cm土壤的pH值(P＜0.05)，但20~40 cm与对照相比差异不显著。总体来说，在施用PAM的区组中0~20 cm土壤pH值要高于20~40 cm；而未施用PAM的区组中，各个土层的pH值差异不显著。
图 2 不同处理60 d时土壤pH值Figure 2 pH values in the soils with different treatments at the 60th day2.2 牦牛粪生物质炭及其堆肥对土壤氮质量分数的影响
经统计分析，60 d时，h0处理在0~20 cm土壤全氮质量分数显著低于h1、h2、h3处理(P＜0.05)。与h0相比，h1、h2、h3处理土壤全氮质量分数分别增加163%、255%、227%(图3A)。而在未添加PAM区组中(图3B)，H0在0~20 cm土壤全氮质量分数显著低于H1、H2、H3处理(P＜0.05，F=344)。与H0相比，H1、H2、H3处理分别增加43.5%、71.2%、54.0%(图3B)。H1、H2、H3土壤全氮质量分数随着深度增加而下降。
4个处理中，未添加PAM区组外源养分全氮的淋溶率分别为23.5%、12.8%、26.5%，而添加PAM区组外源养分全氮的淋溶率为5.4%、3.2%、8.3%。可以发现炭肥混施(H2和h2)在各自处理中淋溶率最低。
在60 d时，各处理土壤硝态氮质量分数如图4。添加PAM区组中，0~20 cm土壤硝态氮质量分数显著高于20~40 cm，单施生物质炭和炭肥混施效果最显著(P＜0.05)。而在未添加PAM区组中，H1、H2、H3处理的20~40 cm土壤硝态氮质量分数低于H0，0~20 cm土壤硝态氮质量分数显著高于20~40 cm(P＜0.05)。与H0相比，H1、H2、H3处理分别增加7.8%、24.1%、19.8%。
图 4 土壤硝态氮的质量分数Figure 4 Nitrate nitrogen contents in the soils with different treatments图5为土壤铵态氮质量分数图。60 d时，添加PAM区组中，0~20 cm土壤铵态氮质量分数显著高于20~40 cm(P＜0.05)；而未添加PAM区组中各处理无显著性差异(P＞0.05)。H1、H2、H3处理外源养分铵态氮淋溶率分别为40.8%、20.7%、49.2%，h1、h2、h3处理外源养分铵态氮淋溶率分别为34.9%、25.5%、34.8%(图5)。
图 5 土壤铵态氮质量分数Figure 5 Ammonium nitrogen content in the soils with or without PAM for different treatments2.3 牛粪生物质炭及其堆肥对土壤磷素质量分数及形态的影响
各处理土壤总磷质量分数变化趋势如图6所示。除空白处理外，各处理0~20 cm土壤中总磷质量分数显著高于20~40 cm(P＜0.05)；20~40 cm土壤中总磷质量分数在0~45 d内呈现上升趋势，在45 d后，总磷质量分数下降。60 d时，H1、H2、H3总磷淋溶率分别为16.5%、11.4%、19.3%，而h1、h2、h3组总磷淋溶率为6.3%、4.3%、9.1%。
图 6 土壤总磷质量分数Figure 6 Total phosphorus contents in the soils with different treatments经统计分析，添加PAM区组各处理土壤有效磷质量分数存在显著差异(P＜0.05)。0~20 cm层土壤有效磷质量分数在处理期间整体呈下降趋势，而在20~40 cm层土壤中则变化幅度较小(图7)。总体来说，未添加PAM区组各处理土壤有效磷质量分数存在显著差异(P＜0.05)，20~30 cm层土壤有效磷质量分数在0~30 d表现上升趋势，并在30 d达到峰值，随后逐渐下降。
图 7 土壤有效磷质量分数Figure 7 Available phosphorus contents in the soils with different treatments2.4 牛粪生物质炭及其堆肥对土壤有机质质量分数的影响
如图8所示：60 d时，添加PAM区组中0~20 cm土壤有机质质量分数高于20~40 cm(P＜0.05)，与h0相比，h1、h2、h3处理土壤pH分别增加230%、341%、321%。未添加PAM区组中0~20 cm土壤有机质质量分数高于20~40 cm(P＜0.05)。与H0相比，H1、H2、H3处理有机质质量分数分别增加322%、530%、515%。H1、H2、H3外源养分有机质的淋溶率分别为19.0%、11.2%、15.9%，h1、h2、h3组有机质淋溶率为5.1%、1.2%、5.9%。
3. 讨论
3.1 生物质炭与堆肥配施对沙化土壤养分质量分数的影响
生物质炭施入土壤后显著提高了土壤pH值，因为生物质炭表面的−COO−和−O−等有机官能团和生物质炭中的碳酸盐是碱性的主要存在形态[14]。添加热解生物质炭能提升土壤的pH值，但畜禽粪便制成的生物质炭因含有更多的灰分，要较木炭和秸秆有更高的pH值[15]。有研究表明：生物质炭对于酸性或者弱酸性沙化土壤提高pH的效果较为理想[16]。本研究的结果与之相一致，因为牦牛粪堆肥的pH为7.1，低于生物质炭[17]。由此可以得出，生物质炭与堆肥之比中所占的比例不同，其对土壤酸碱度的改良程度也不同，生物质炭所占比例越多则土壤的pH越高。
添加生物质炭可导致土壤水向下迁移速度减慢，从而使得在一定时间内全氮的淋溶率降低，这与王燕等[18]、杨放等[19]和盖霞普[20]的研究结果一致，其原因是生物质炭改变土壤容重和增加孔隙度，从而提高土壤储水能力，增加土壤溶液中氮素在各土层中的持留时间，减少全氮的淋溶量[21-23]。根据不同处理的氮素淋溶率结果可知：单施堆肥效果要优于单施生物质炭，这是由于堆肥氮素含量显著高于生物质炭，而且添加堆肥后可以增加土壤容重减少孔隙度，减少养分淋溶，而炭肥混施后可以抵消单独施用时养分淋溶和养分含量提升不够的问题，可以显著减少土壤中全氮的淋溶率。
炭肥混施可以增强土壤的硝化作用[24]，生物质炭通过提高土壤氨氧化细菌的丰度间接促进铵态氮向硝态氮的催化氧化[25]，堆肥提高土壤中硝化细菌的活性，促进了硝化反应的进程[26]。研究周期中，硝态氮的淋溶远高于铵态氮，这是由于土壤黏土矿物颗粒带负电，生物质炭表面也带负电，对铵态氮的吸附能力较强[27]，还有一部分铵态氮通过硝化反应形成硝态氮，而硝态氮带负电荷，不易被土壤吸附，会随着模拟降水不断向下淋溶，使得含量降低[27]。另外，单施堆肥仅能显著提高土壤中氮素的质量分数，但无法有效抑制养分渗流；而炭肥混施则可有效减少养分的淋溶损失。谢胜禹等[28]研究表明：加入生物质炭可以降低堆肥中铵态氮的损失。本研究中添加了炭肥混施效果最显著，与上述结果相符合。
0~45 d土壤30~40 cm处总磷质量分数呈上升趋势，45 d后，总磷质量分数表现为下降趋势，只是因为前期上层土壤磷素淋溶，后期上层磷素释放减少。空白对照组中，土壤总磷质量分数随淋溶的进行保持水平，无明显变化；土壤总磷质量分数呈现明显升高趋势的主要原因为生物质炭和堆肥中磷素的释放，土壤有机物料中的水溶性磷与土壤淋溶液中的磷质量分数密切相关[29]。有研究表示：炭肥混施后，作为外源输入功能材料，直接或间接参与土壤生态系统中的磷素循环，并对土壤磷素物质转化过程产生重要影响[30]。一方面，生物质炭够吸附土壤中磷元素，减少流失；另一方面，生物质炭热解炭化有机磷化学键的断裂，极大提高了磷的有效性[31-33]。
有机质质量分数的增加是因为生物质炭和堆肥产品本身能够增加土壤中有机质的质量分数，生物质炭作为一种本身有着大量有机质的改良剂，可以提高土壤中有机质的质量分数，且具有巨大的比表面积和良好的吸附和固定能力，能吸附土壤中的有机物[34]。MIDDELBURG等[35]研究证实：生物质炭有助于土壤有机质的积累，土壤中生物质炭表面可被部分轻度氧化形成羰基、酚基和醌基，提高土壤的阳离子交换量，增加对有机质的吸附[36]。同时堆肥具有很高的有机质含量，可以显著提高土壤中有机质的质量分数。
3.2 PAM添加对沙化土壤养分渗流的影响
单施炭肥可以提升土壤中有机质质量分数，但没有有效改善其渗流的状况。炭肥混施不仅能提高有机质质量分数还能抑制淋溶情况，添加PAM后可以抑制养分渗流的情况。单施炭肥同样无法改善磷素渗流的情况，炭肥混施后才能有效抑制土壤磷素渗流，添加PAM后外源养分淋溶率下降说明炭肥混施并添加PAM可以抑制土壤中磷素的流失。
根据外源养分淋溶率可知，炭肥混施组中全氮下降9.6%，总磷下降7.4%，有机质下降10.1%，单施炭肥有效降低外源养分淋溶率。因此可知，添加PAM可以显著减少土壤中养分淋溶率。有研究指出：PAM是通过分子结构中的基键与土壤颗粒间形成吸附力，维系土壤结构，防止土壤结皮，提高土壤入渗率，减小地表径流，减轻土壤侵蚀，增强土壤保肥能力[37]，与分散的土壤颗粒形成大团聚体，增强表层的抗冲蚀能力，大幅度减少土壤中氮磷钾等营养元素的损失[38]。
4. 结论
牦牛粪生物质炭及其堆肥产品混施对川西北沙化土壤养分渗流损失的抑制能力要优于单施生物质炭和单施堆肥处理。炭肥混施能够有效改善土壤的理化性质，增加土壤全氮、硝态氮、总磷、有效磷和有机质，分别提升255%、24%、120%、78%、530%。添加PAM可有效减少0~20 cm土壤养分渗流，全氮淋溶率减少9.6%，总磷减少7.1%。因此，利用红原当地的牦牛粪资源进行沙化土壤治理是确实可行的，并且可为后续的植被恢复奠定良好的基础。
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图 1 不同质量浓度结球甘蓝叶水提液对盆栽糯玉米苗高、根长、根干质量与地上部干质量的影响
Figure 1 Effects of different concentrations of cabbage-leaf water extracts on the seedling height, root length, root and shoot dry weight of waxy corn in pot
图 2 不同质量浓度结球甘蓝叶水提液对盆栽西葫芦幼苗高、根长、根干质量和地上部干质量的影响
Figure 2 Effects of different concentrations of cabbage-leaf water extracts on the seedling height, root length, root and shoot dry weight of cocozelle in pot
表 1 不同质量浓度结球甘蓝叶水提液对盆栽糯玉米幼苗生长的化感指数
Table 1. Allelopathic index of different concentrations of cabbage-leaf water extracts on the seedling growth of waxy corn in pot
水提液质量浓
度/(kg·L−1)化感指数 苗高 根长 地上部干质量 根干质量 0.10 −0.422 7 a −0.576 3 a −0.552 4 a −0.435 1 a 0.08 −0.323 0 b −0.487 8 b −0.347 9 b −0.272 9 ab 0.06 −0.308 5 b −0.472 7 b −0.470 0 a −0.171 8 b 说明：同列不同小写字母表示差异显著(P＜0.05) 
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表 2 不同质量浓度结球甘蓝叶水提液对盆栽西葫芦幼苗生长的化感指数
Table 2. Allelopathic index of different concentrations of cabbage-leaf water extracts on cocozelle seedling growth in pot
水提液质量浓
度/(kg·L−1)化感指数 苗高 根长 地上部干质量 根干质量 0.10 −0.357 0 a −0.484 5 a −0.420 8 a −0.525 4 a 0.08 −0.267 7 b −0.329 9 b −0.149 9 b −0.322 0 b 0.06 −0.225 7 b −0.158 1 c −0.085 9 b −0.271 2 b 说明：同列不同小写字母表示差异显著(P＜0.05)
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表 3 不同质量浓度结球甘蓝叶水提液对2种作物幼苗生长的化感综合效应
Table 3. Allelopathic comprehensive effects of different concentrations of cabbage-leaf water extract on the seedling growth of two crops
受体作物 不同质量浓度水提液的化感综合效应 0.10 0.08 0.06 kg·L−1 糯玉米 −0.496 6 −0.357 9 −0.355 7 西葫芦 −0.446 9 −0.267 4 −0.185 2
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链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.20210683
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