随着我国现代农业的不断发展，商品化设施蔬菜栽培面积逐年增加并呈规模化发展趋势，然而由于土壤和气候条件的限制及种植习惯等原因，蔬菜连作障碍发生日益严重。黄瓜 (Cucumis sativus L.) 作为我国设施农业生产中的主要蔬菜作物之一，在市场经济驱动下的商品化设施生产中普遍存在施肥不合理、复种指数过高、栽培种类单一等问题，造成土壤物理性质变劣、土壤养分失衡、土壤微生物学性质恶化、蔬菜产量和品质下降等连作障碍现象普遍发生^[1]。不同连作障碍现象发生原因差别很大，但主要来自于土壤，尤其是土壤理化性质的变劣及土壤微生物多样性失衡是造成作物产量和品质下降的主要因素。作为调整我国城乡种植业发展的重要经济作物，近年来黄瓜连作障碍的发生机制受到学者们广泛的关注，黄瓜连作障碍的防治已成为我国设施蔬菜生产亟待解决的问题之一^[2–3]。

生物质炭是由秸秆、粪肥及生活垃圾等有机物料在完全或部分缺氧的条件下经热裂解、炭化而形成的一类高度芳香化、难溶性的固态物质^[4–5]，其表面发达的多孔结构及丰富的官能团可以降低土壤容重，增大土壤孔隙度，使土壤结构得到改善，因而为土壤养分的吸附保持^[6]和作物根系的生长^[7]提供了有利的空间和条件，进而提高土壤的微生物活性。大量研究表明，施用生物质炭可以有效改善土壤的持水性，增加土壤养分吸持容量和阳离子交换量 (CEC)，促进土壤稳定性团聚体形成，提高土壤有机质含量和土壤酶活性^[8–9]。因此，生物质炭可作为改良和培肥土壤、提高农作物的生产效率、促进农作物增产的农业可持续发展有效措施。目前，关于生物质炭应用于农业生产的研究大多集中在小麦、玉米和水稻等粮食作物，而生物质炭施用对设施连作菜地系统中土壤特性以及作物生长发育的影响，尤其对设施条件下黄瓜连作土壤质量的影响还鲜见报道。有鉴于此，本研究通过设施大田试验，施用不同量的生物质炭对黄瓜连作条件下土壤理化性质和土壤酶活性的动态变化进行研究，并采用土壤质量指数 (SQI) 对不同生物质炭施用量条件下的土壤质量进行评价，筛选对黄瓜连作土壤质量有促进作用的最佳生物质炭施用量，以期为生物质炭的推广应用、黄瓜连作土壤的修复以及设施蔬菜生产的可持续发展提供技术支撑和科学依据。

研究区设在江苏省如皋市农业科学研究所 (120°28′54″E，32°22′02″N)，属亚热带季风气候，全年降水量1424.7 mm，年蒸发量1000～1100 mm，干湿季节明显，降雨主要集中在6—9月，占全年雨量61%～69%；10月至翌年5月为旱季，蒸发量占全年蒸发量的40%～50%。全年平均气温15.5℃，全年日照时数1700.6 h，无霜期231 d。

供试土壤为江苏典型的潮土，试验开始前没有进行过黄瓜的种植。土壤的基本性质为：土壤pH 6.44，总孔隙度60.79%，容重1.04 g/cm³，黏粒含量208.0 g/kg，粉砂粒含量719.2 g/kg，砂粒含量72.8 g/kg，全氮1.03 g/kg，硝态氮103.51 mg/kg，铵态氮4.54 mg/kg，有效磷142.12 mg/kg，有机碳17.88 g/kg。

本研究采用的生物质炭来自于江苏勤丰新材料科技有限公司，原料为小麦秸秆，炭化温度为500℃，小麦秸秆的35%被转化为生物质炭，生物质炭的pH 10.65，容重0.45 g/cm³，比表面积8.9 m²/g，阳离子交换量217.0 cmol/kg，全氮10.75 g/kg，全磷2.05 g/kg，全钾37.45 g/kg，有机碳364.72g/kg，灰分22.44%。

供试黄瓜品种为‘博美8号’。

试验于2016年9月13日至2017年6月28日，在江苏省如皋市农业科学研究所大棚试验基地进行。第一季黄瓜种植时间为2016年9月13日至12月15日，第二季黄瓜种植时间为2017年3月16日至6月28日。生物质炭于2016年9月13日黄瓜种植前按照试验方案一次性施入各小区，并通过人工翻耕与表层土壤混匀，后期不再追施。大棚面积48 m × 16 m = 768 m²。试验共设6个处理，分别为CK (不施用生物质炭)、C1(5 t/hm²) 、C2(10 t/hm²)、C3(20 t/hm²)、C4(30 t/hm²)、C5(40 t/hm²)。每个处理设置3次重复，采用完全方案设计，随机区组排列，共18个小区，小区面积3 m × 7 m = 21 m²，保护行宽为 1.0 m，走道宽及小区间排水沟宽均为0.5 m。

黄瓜种植基肥采用复合肥 (N−P₂O₅−K₂O = 17−17−17)，施用量为187.5 kg/hm²，于每季黄瓜种植前一次性施入，每个小区施用基肥量保持一致。黄瓜在苗龄为31天时统一移栽，株距为25 cm，行距为50 cm。试验期间采取同样的管理措施 (大棚管理措施)，自然条件下生长，试验期间不追肥，定期除草。在黄瓜生长期间根据天气及黄瓜生长状况适量灌水，以满足黄瓜正常生长发育所需。

采集每季黄瓜成熟期植株根区土壤，每处理小区5点混合取样，四分法取0—15 cm黄瓜植株根区土壤混合样品，装入自封袋带回，室内自然风干 (20 d)，沿土块自然裂隙掰开，去除有机碎片后研磨，一部分土样过2 mm筛用于土壤pH及土壤有效磷、硝态氮、铵态氮的测定，另一部分土样过0.149 mm筛用于土壤全氮和有机质的测定。

在每季黄瓜成熟后采用环刀法测定土壤容重、土壤孔隙度、土壤饱和含水量和土壤田间持水量；土壤饱和导水率采用恒定水头法^[10] (结果换算成标准温度10℃时的饱和导水率)；土壤化学性质的测定方法参见《土壤农化分析》^[11]。酶活性的测定用常规分析方法^[12]，脲酶采用靛酚蓝比色法，过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法。在黄瓜收获期各施肥处理取果实样并记录全部单株黄瓜产量。

由表1可知，生物质炭对连作黄瓜植物根区土壤的物理性质影响显著 (P < 0.05)。施用生物质炭后，黄瓜第一季和第二季的根区土壤物理指标变化趋势基本一致，土壤容重随着生物质炭施用量的增加呈下降趋势，土壤孔隙度、饱和含水量、田间持水量及饱和导水率随生物质炭施用量的增加而增加。在黄瓜每季成熟期，不同生物质炭施用量的土壤容重均较对照有所降低，其中第一季C4和C5处理的土壤容重较对照显著降低，降幅分别为8.85%和10.62%，而第二季C5处理的土壤容重较对照降低了8.85%，差异均达到显著水平。土壤孔隙度的处理间多重比较结果与土壤容重一致，第一季C4和C5处理的土壤孔隙度较对照分别增加了5.72%和7.53%，第二季C5处理土壤孔隙度较对照增加了5.70%，均存在明显差异。与对照相比，随着生物质炭施用量的增加，第一季黄瓜根系土壤的饱和含水量、田间持水量和饱和导水率增幅分别为27.96%～119.25%、30.73～55.05%和1.89%～224.61%，而第二季黄瓜根区土壤饱和含水量、田间持水量和饱和导水率增幅分别为5.01%～32.27%、2.54%～31.58%和29.55～194.56%，其中各处理第二季黄瓜根区土壤饱和含水量和田间持水量均高于第一季。

表1(Table 1)

表1 施用生物质炭后黄瓜连作土壤物理性质 Table 1 Soil physical properties of continuous cropping cucumber after biochar application

表1 施用生物质炭后黄瓜连作土壤物理性质 Table 1 Soil physical properties of continuous cropping cucumber after biochar application 时期 Period 处理 Treatment 容重(g/cm3) Soil bulk density 孔隙度(%) Porosity 饱和含水量(%) Saturated water content 田间持水量(%) Field capacity 饱和导水率 (× 10–5 cm/s) Saturated hydraulic conductivity 第一季 1st season CK 1.13 ± 0.02 a 57.65 ± 0.64 b 25.04 ± 0.13 d 17.44 ± 0.17 d 3.17 ± 0.40 e C1 1.12 ± 0.01 a 57.29 ± 0.45 b 32.04 ± 0.74 c 22.80 ± 0.38 c 3.23 ± 0.57 e C2 1.07 ± 0.05 ab 59.77 ± 1.81 ab 34.76 ± 0.89 c 24.34 ± 0.71 bc 5.21 ± 0.35 d C3 1.05 ± 0.05 ab 60.29 ± 1.89 ab 35.69 ± 0.45 c 25.46 ± 0.47 bc 6.19 ± 0.82 c C4 1.03 ± 0.04 b 60.95 ± 1.39 a 47.03 ± 3.24 b 27.04 ± 0.51 b 9.19 ± 0.16 b C5 1.01 ± 0.03 b 61.99 ± 1.08 a 54.90 ± 1.77 a 32.04 ± 3.58 a 10.29 ± 0.30 a 第二季 2nd season CK 1.13 ± 0.05 a 57.53 ± 1.81 b 43.69 ± 4.00 b 36.99 ± 1.77 b 4.23 ± 1.03 d C1 1.12 ± 0.03 a 57.83 ± 1.03 b 45.88 ± 1.95 b 37.93 ± 1.27 b 5.48 ± 1.10 c C2 1.11 ± 0.03 a 58.20 ± 1.30 b 47.18 ± 3.36 b 38.37 ± 3.20 b 5.88 ± 1.11 c C3 1.08 ± 0.04 ab 59.08 ± 1.63 ab 50.78 ± 4.39 ab 42.00 ± 1.67 ab 8.48 ± 1.62 b C4 1.08 ± 0.02 ab 59.35 ± 0.92 ab 52.5 ± 2.43 ab 43.94 ± 5.44 ab 10.80 ± 1.02 ab C5 1.03 ± 0.04 b 61.01 ± 1.43 a 57.79 ± 8.95 a 48.67 ± 6.65 a 12.46 ± 1.60 a 注（Note）：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters within the same column are significantly different at P < 0.05 level.

表2显示，施用生物质炭两季后，黄瓜根区土壤0.25～0.5 mm和0.5～1 mm粒径的团聚体含量呈增加的趋势，而 < 0.25 mm粒径的微团聚体含量不断减少。在黄瓜每一季的成熟期，施用生物质炭的各处理土壤团聚体分布趋势表现出相同的规律，即各级别团聚体含量从高到低的顺序为 < 0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、> 2 mm，且随着生物质炭施用量的增加，黄瓜根区土壤 < 0.25 mm粒径的团聚体含量逐渐减少，而 > 0.25 mm粒径的团聚体含量逐渐增加。土壤中 0.25～0.5 mm和0.5～1 mm粒径的团聚体含量都在C5 (40 t/hm ²) 处理达到最大值，第一季分别占总含量的17.01%和11.27%，第二季分别占总含量的24.00%和16.52%。在两个采样时期，与不施用生物质炭的处理相比，当生物质炭施用量达到10 t/hm²以后，土壤团聚体MWD和GMD均有显著提高，说明土壤团聚体稳定性越高，抗侵蚀能力越强。

表2(Table 2)

表2 施用生物质炭后黄瓜连作土壤不同粒级团聚体含量 Table 2 Distribution of soil aggregates of different sizes in soils of continuous cropping cucumber after biochar application

表2 施用生物质炭后黄瓜连作土壤不同粒级团聚体含量 Table 2 Distribution of soil aggregates of different sizes in soils of continuous cropping cucumber after biochar application 时期 Period 处理 Treatment 团聚体百分含量Aggregate content (%) MWD GMD > 2 mm 1～2 mm 0.5～1 mm 0.25～0.5 mm < 0.25 mm 第一季 1st season CK 0.72 ± 0.10 d 1.75 ± 0.09 c 8.14 ± 0.35 bc 10.77 ± 0.86 c 78.62 ± 0.83 b 0.34 ± 0.004 c 0.30 ± 0.002 de C1 1.00 ± 0.09 d 1.60 ± 0.10 c 6.72 ± 0.23 c 9.60 ± 0.79 d 81.08 ± 0.97 a 0.33 ± 0.003 c 0.29 ± 0.002 e C2 2.86 ± 0.17 bc 1.67 ± 0.13 c 7.03 ± 0.46 bc 9.84 ± 1.05 d 78.60 ± 1.78 b 0.37 ± 0.008 b 0.31 ± 0.005 c C3 0.75 ± 0.21 d 6.01 ± 0.55 a 3.10 ± 0.38 d 10.93 ± 1.12 c 79.22 ± 2.01 b 0.37 ± 0.012 b 0.31 ± 0.006 cd C4 1.61 ± 0.42 c 3.36 ± 0.09 b 8.90 ± 0.42 b 13.17 ± 1.13 b 73.17 ± 1.00 c 0.38 ± 0.008 b 0.32 ± 0.003 b C5 4.84 ± 0.18 a 5.71 ± 0.54 a 11.27 ± 0.23 a 17.01 ± 0.69 a 61.17 ± 0.41 d 0.48 ± 0.008 a 0.37 ± 0.003 a 第二季 2nd season CK 1.00 ± 0.18 d 2.77 ± 0.23 cd 12.32 ± 0.92 d 16.38 ± 1.01 e 67.53 ± 1.74 a 0.38 ± 0.010 e 0.33 ± 0.006 d C1 1.94 ± 0.28 c 2.36 ± 0.14 d 14.37 ± 1.10 c 20.30 ± 1.8b c 61.03 ± 1.85 c 0.41 ± 0.012 d 0.35 ± 0.007 c C2 3.29 ± 0.06 ab 4.01 ± 0.10 b 11.25 ± 1.18 e 17.07 ± 1.06 de 64.39 ± 1.69 b 0.44 ± 0.008 c 0.35 ± 0.005 c C3 2.03 ± 0.21 c 2.98 ± 0.12 c 15.93 ± 1.07 b 18.70 ± 0.22 d 60.36 ± 1.38 c 0.43 ± 0.007 c 0.35 ± 0.005 c C4 2.97 ± 0.26 b 4.72 ± 0.19 a 16.03 ± 0.66 ab 22.29 ± 1.93 ab 54.00 ± 1.84 d 0.47 ± 0.001 b 0.38 ± 0.002 b C5 3.77 ± 0.22 a 4.66 ± 0.10 a 16.52 ± 1.00 a 24.00 ± 1.40 a 51.06 ± 1.74 e 0.49 ± 0.009 a 0.39 ± 0.006 a 注（Note）：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters within the same column are significantly different at P < 0.05 level.

如表3所示，生物质炭的施用能够显著影响黄瓜连作土壤的养分含量。施用生物质炭后的连续两季，土壤全氮、无机氮、有效磷及有机质含量均随生物质炭施用量的增加呈现增加的趋势，其中第二季各处理土壤全氮、有效磷和有机质含量较第一季整体增加，而硝态氮和铵态氮含量有所下降。当生物质炭施用量为30 t/hm² (C4处理) 时，两个采样时期的土壤中全氮、硝态氮和铵态氮含量均达到最大。与CK相比，黄瓜第一季成熟期C4处理土壤全氮、硝态氮和铵态氮含量分别提高了22.58%、45.63%和414.29%，第二季成熟期分别提高了22.60%、44.55%和10.47%，但随着生物质炭用量的进一步增加，土壤中氮含量出现降低的趋势。施用生物质炭后，黄瓜第一季各处理土壤有效磷和有机质含量较CK分别提高了19.37%～77.76%和10.39%～54.56%，第二季分别提高了2.25%～39.41%和1.79%～54.76%。

表3(Table 3)

表3 施用生物质炭后对黄瓜连作土壤养分含量 Table 3 Soil nutrient content of continuous cropping cucumber after biochar application

表3 施用生物质炭后对黄瓜连作土壤养分含量 Table 3 Soil nutrient content of continuous cropping cucumber after biochar application 时期 Period 处理 Treatment 全氮(g/kg) Total nitrogen 硝态氮(mg/kg) Nitrate nitrogen 铵态氮(mg/kg) Ammonium nitrogen 有效磷(mg/kg) Available phosphorus 有机质(g/kg) Organic matter 第一季 1st season CK 0.93 ± 0.01 c 257.69 ± 7.95 d 6.89 ± 1.23 d 165.19 ± 10.37 d 14.24 ± 0.37 c C1 0.99 ± 0.03 bc 263.66 ± 0.35 d 23.25 ± 0.50 c 168.39 ± 3.33 d 15.72 ± 0.44 b C2 1.00 ± 0.01 bc 312.65 ± 2.81 c 25.21 ± 0.02 c 174.03 ± 1.54 d 15.99 ± 0.06 b C3 1.08 ± 0.01 ab 331.24 ± 1.99 bc 32.67 ± 0.16 b 201.31 ± 1.41 c 16.07 ± 0.01 b C4 1.14 ± 0.01 a 374.98 ± 19.53 a 35.08 ± 0.01 a 232.81 ± 4.74 b 22.00 ± 0.29 a C5 1.02 ± 0.02 bc 354.86 ± 5.03 ab 34.95 ± 0.35 a 293.65 ± 3.33 a 22.01 ± 0.43 a 第二季 2nd season CK 1.77 ± 0.01 c 130.07 ± 0.83 d 5.73 ± 0.05 d 184.12 ± 7.07 d 16.16 ± 1.07 c C1 1.87 ± 0.01 b 146.97 ± 0.71 c 6.04 ± 0.17 cd 188.27 ± 1.17 cd 16.45 ± 0.18 c C2 1.92 ± 0.01 b 160.33 ± 1.06 b 6.80 ± 0.10 b 197.16 ± 0.58 bcd 20.79 ± 1.04 c C3 1.93 ± 0.02 b 159.39 ± 0.35 b 7.39 ± 0.13 a 199.42 ± 5.02 bc 23.96 ± 0.55 b C4 2.17 ± 0.01 a 188.11 ± 0.95 a 6.33 ± 0.01b c 204.37 ± 0.22 b 24.26 ± 1.29 a C5 1.39 ± 0.06 d 186.45 ± 2.36 a 6.22 ± 0.25 cd 256.68 ± 3.28 a 25.01 ± 0.21 a 注（Note）：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters within the same column are significantly different at P < 0.05 level.

如图1所示，施用生物质炭后，每一季黄瓜根区土壤脲酶活性均随着生物质炭施用量的增加呈先增加后降低的趋势。总体上，第二季各处理土壤脲酶活性较第一季有所增加。当生物质炭施用量为30 t/hm² (C4处理) 时，第一季和第二季黄瓜根系土壤脲酶活性均达到最大值，分别为0.22和0.27 mg/(g $\cdot $ d)，较CK分别提高了104.57%和47.37%，差异达到显著性水平。随着生物质炭施用量的继续增加，每一季黄瓜C5处理土壤脲酶活性虽然高于CK，但较C4处理显著降低，说明当生物质炭施用量为30 t/hm² (C4处理) 时，最有利于提高黄瓜植物根区土壤的脲酶活性，且过量的生物质炭也不利于土壤中脲酶活性的提高。

图1(Fig. 1)

图1 施用生物质炭后黄瓜连作土壤脲酶活性 Fig. 1 Activity of soil urease in continuous cropping cucumber soil after biochar application [注（Note）：柱上不同字母表示处理间差异达到显著水平 (P < 0.05) Different letters above the bars mean significant difference among treatments at P < 0.05 level.]

由图2可知，施用生物质炭两季后，第二季黄瓜根区土壤过氧化氢酶活性较第一季整体出现降低的趋势。在每一季黄瓜的成熟期，土壤过氧化氢酶的活性均随着生物质炭施用量的增加呈现先增加后降低的趋势。当生物质炭施用量小于10 t/hm² (C2处理) 时，每一季各处理土壤过氧化氢酶活性较CK无明显变化，但当生物质炭施用量达到20 t/hm² (C3处理) 时，第一季和第二季黄瓜根区土壤过氧化氢酶活性较CK显著增加且活性达到最高，分别为0.44和0.37 mL/(g $\cdot $ h)，较CK分别提高了10.41%和5.69%。随着生物质炭施用量的继续增加，第一季黄瓜根区土壤过氧化氢酶活性出现显著降低的趋势，而第二季黄瓜根区土壤过氧化氢酶活性无明显变化，其中第一季C5处理土壤过氧化氢酶活性较最大值C3水平降低了14.42%，差异达到显著性水平。说明生物质炭的施用对黄瓜连作土壤具有显著影响，且适量的生物质炭可以显著提高土壤中过氧化氢酶的活性，但过量的生物质炭也会抑制其活性。

图2(Fig. 2)

图2 施用生物质炭后黄瓜连作土壤过氧化氢酶活性 Fig. 2 Activity of soil catalase in continuous cropping cucumber soil after biochar application [注（Note）：柱上不同字母表示处理间差异达到显著水平 (P < 0.05) Different letters above the bars mean significant difference among treatments at P < 0.05 level.]

第二季各处理黄瓜产量较第一季整体有所增加 (图3)，这可能是因为第一季为秋季黄瓜，而第二季为夏季黄瓜，季节性气温和湿度的差异对黄瓜的生长产生了较大的影响。随着生物质炭施用量的增加，两季黄瓜的产量呈现出相同的趋势，当生物质炭施用量为30 t/hm² (C4处理) 时，第一季与第二季黄瓜的产量达到最高，分别为3.24 × 10⁴ kg/hm²和6.18 × 10⁴ kg/hm²，与CK相比显著提高。当生物质炭施用量为40 t/hm² (C5处理) 时，各季黄瓜产量较C4处理有所降低，但仍高于CK处理，差异不显著。

图3(Fig. 3)

图3 施用生物质炭后连作黄瓜产量 Fig. 3 Yield of continuous cropping cucumber after biochar application [注（Note）：柱上不同字母表示处理间差异达到显著水平 (P < 0.05) Different letters above the bars mean significant difference among treatments at P < 0.05 level.]

土壤质量可用土壤质量指数SQI来表示，土壤质量指数SQI是根据各指标的隶属度值和权重来确定，计算方法采用指数和法，计算公式为：

式中：n表示所有参评指标；fi和wi分别表示第i种参评指标的隶属度值和权重。

隶属度值f(x) 的计算采用戒上型隶属函数方法，即表示在某一范围内，评价指标的增长与作物生长成正比，低于或高于这个范围时，指标变化对作物生长的影响很小。本研究在生物质炭施用后评价黄瓜连作两季土壤质量的指标包括土壤有机质、全氮、有效磷、大团聚体含量 (直径 > 0.25 mm)、饱和导水率和田间持水量。其隶属函数的解析式为：

式中：a1和a2代表各评价指标的拐点值，可通过相关文献获得^[13–14]：

权重的大小反映了评价指标在土壤质量总水平总体构成中的重要性，通过计算各个指标对土壤质量的贡献率来确定。利用主成分分析法，先求出各个指标主成分的特征值和贡献率，然后计算相应的载荷矩阵，并求出各项指标的公因子方差，方差的大小表示该项指标对总体变异的贡献，由此可以得出各项指标的权重。

分别通过隶属函数和主成分分析得出各评价指标的隶属度值和权重(表4和表5)。

表4(Table 4)

表4 各评价指标隶属函数的拐点值及隶属度值 Table 4 The knee point and membership value of each evaluation index

表4 各评价指标隶属函数的拐点值及隶属度值 Table 4 The knee point and membership value of each evaluation index 评价指标 Evaluation index 拐点值 Knee point 隶属度值 Memberships value a1 a2 CK C1 C2 C3 C4 C5 有机质Organic matter 6.00 30.00 0.481 0.492 0.655 0.774 0.785 0.813 全氮Total nitrogen 0.50 1.75 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 0.741 有效磷Available phosphorus 4.00 30.00 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 团聚体含量Aggregate content 25.00 60.00 0.292 0.459 0.373 0.476 0.640 0.716 饱和导水率 Saturated hydraulic conductivity 1.00 9.00 0.463 0.604 0.649 0.942 1.000 1.000 田间持水量Field capacity 15.00 40.00 0.892 0.925 0.941 1.000 1.000 1.000 脲酶Urease 0.14 0.30 0.407 0.531 0.517 0.579 0.861 0.675 过氧化氢酶Catalase 0.08 0.22 0.348 0.350 0.364 0.391 0.387 0.371

表5(Table 5)

表5 各评价指标主成分分析结果及其权重系数 Table 5 The main component analysis result and weight coefficient of each evaluation index

表5 各评价指标主成分分析结果及其权重系数 Table 5 The main component analysis result and weight coefficient of each evaluation index 主成分 Principal component 评价指标 Evaluation index 特征值 Eigenvalue 贡献率 Contribution rate 累积贡献率 Accumulating contribution rate 公因子方差 Communality 权重系数 Weight coefficient 1 有机质Organic matter 5.536 69.198 68.198 0.831 0.108 2 全氮Total nitrogen 1.591 19.884 89.082 0.976 0.126 3 有效磷Available phosphorus 0.589 7.362 96.444 0.984 0.128 4 团聚体含量Aggregate content 0.259 2.232 98.676 0.938 0.122 5 饱和导水率 Saturated hydraulic conductivity 0.026 0.324 100.000 0.981 0.127 6 田间持水量Field capacity 0.000 0.000 100.000 0.983 0.127 7 脲酶Urease 0.000 0.000 100.000 0.523 0.068 8 过氧化氢酶Catalase 0.000 0.000 100.000 0.911 0.118

土壤质量指数构成了总的土壤质量水平分值，它综合反映了土壤质量状况，是进行土壤质量等级划分的依据。根据表4隶属度值和表5权重系数计算出黄瓜连作两季后不同生物质炭水平下土壤质量指数见图4。由图4可知不同生物质炭水平下土壤质量指数依次为C4 > C5 > C3 > C2 > C1 > CK，相应的土壤质量指数分别为0.774、0.740、0.728、0.650、0.635、0.583。根据张汪涛等 ^[15]的土壤质量等级划分标准，将土壤划分为极低 (SQI < 0.4)、低 (0.4—0.5)、中 (0.5—0.6)、高 (0.6—0.8) 四个等级，因此施用生物质炭后黄瓜连作土壤质量较CK提升了一个等级，当生物质炭施用量30 t/hm ²时提升效果最为明显。

图4(Fig. 4)

图4 不同生物质炭施用量水平下土壤质量指数 Fig. 4 Soil quality index under different biochar treatments

本研究结果表明，生物质炭施用可以有效地提升土壤物理性状，增加土壤中有机质和有效养分的含量，且这种效应具有稳定的年限效应。随着生物质炭施用量的增加，土壤容重不断降低，土壤孔隙度、饱和导水率和田间持水量均呈增加的趋势，这可能是因为生物质炭本身密度较低，且具有巨大的比表面积及疏松多孔的结构，能够保持水分和空气，施入土壤后具有一定的稀释作用^[16]。此外，本研究中，生物质炭的施用可以显著减少土壤中微团聚 (< 0.25 mm) 含量，同时增加0.25～0.5 mm和0.5～1 mm粒径的团聚体含量，提高团聚体的MWD和GWD值，其原因在于生物质炭本身含有的有机大分子等结构具有胶结和团聚作用，能促进微团聚体 (< 0.25 mm) 向0.25～0.5 mm和0.5～1 mm粒径的团聚体转化，从而使0.25～1 mm粒径的团聚体含量随生物质炭施用量的提高而不断增加^[17]。另一方面，生物质炭施入土壤后更好地协调了土壤水、肥、气、热等条件，为微生物的生长与繁殖提供了优良的生活环境，进而提高了土壤微生物量和微生物活性，促进微生物产生了更多的分泌物，促进土壤颗粒的相互团聚，增加了团聚体的稳定性^[18–19]。因此，生物质炭的施用可以显著改善黄瓜连作土壤的物理性状，提高连作土壤的保水性。

生物质炭的施用能够显著影响黄瓜连作土壤的养分含量。本研究结果表明，施用生物质炭后的连续两季，土壤全氮、有效氮、有效磷及有机质含量均随生物质炭施用量的增加而升高。张伟明^[20]研究表明生物质炭中含有多种矿质营养元素，施入土壤后，在一定程度上会释放出这些营养元素，进而增加土壤中有效养分和有机质的含量。另一方面，靖彦等^[21]研究表明生物质炭对土壤养分具有保持能力，可以通过表面库仑力、氢键以及分子间的范德华力等将土壤养分离子吸附在土壤颗粒表面，能够有效降低土壤中铵态氮和硝态氮的淋失。另外，生物质炭施入土壤后，微域中粘粒、有机质等显著增多，有机质与粘粒结合可形成稳定的有机无机复合体，且生物质炭发达的孔隙结构可有效地隔离微生物及其产生的胞外酶与孔隙内的有机质接触，在一定程度上抑制了有机碳的矿化^[22]。

土壤脲酶是土壤中主要的水解酶之一，其主要参与土壤中氮素的转化，对尿素在土壤中的水解及作物对尿素的利用有重大的影响^[23]，它的活性可以表征土壤氮素状况。在本研究中，土壤中脲酶的活性随着生物质炭施用量的增加呈现先增加后降低的趋势，其活性在生物质炭施用量为30 t/hm² (C4处理) 时达到最大。当生物质炭施用量小于30 t/hm² (C4处理) 时，增施生物质炭改善了土壤微生物的生活环境，为微生物的生长提供了大量的营养元素，促使微生物分泌更多的脲酶^[24]，同时施用生物质炭可以为土壤脲酶的酶促反应提供大量的基质，刺激土壤脲酶活性，使其活性增强。另一方面，周礼恺等^[25]研究表明，脲酶主要聚集在微团聚体上，随着团聚体粒径的增大，脲酶活性有下降的趋势，本研究结果与之基本一致。当生物质炭施用量大于30 t/hm² (C4处理) 时，土壤中微团聚体 (< 0.25 mm) 数量显著减少，而0.25～0.5 mm和0.5～1 mm粒径的团聚体含量显著增加，意味着土壤脲酶的载体大量减少，导致其活性降低。此外，本研究结果表明，第二季各处理土壤中的脲酶活性都高于第一季，这可能是由于第一季为秋季黄瓜，而第二季为春季黄瓜，种植时期的气温和湿度不同造成的。

生物呼吸过程和有机物的氧化反应产生的过氧化氢对土壤和生物均有一定的毒害作用，而土壤中的过氧化氢酶则能酶促过氧化氢分解为水和氧气，从而降低或解除过氧化氢的毒害作用^[26]。本研究结果表明，不同生物质炭施用量条件下，土壤中过氧化氢酶活性表现出一定的规律性。随着生物质炭施用量的增加，土壤过氧化氢酶活性呈先增加后降低的趋势，当生物质炭施用量为20 t/hm² (C3处理) 时，其活性达到最大，这与许多学者的研究结果基本一致。一方面，朱美玲等^[27]研究表明有机质可以改变土壤孔隙度、通气度和土壤团粒结构，具有显著的缓冲作用和持水力，是各种酶的载体，为土壤酶发挥作用提供场所和适宜的条件。另一方面，Czimczik等^[28]研究表明当土壤中有大量的生物质炭加入后会通过吸附酶分子而对酶促反应结合位点形成保护作用，从而阻止酶促反应的进行。因此，当生物质炭施用量小于20 t/hm² (C3处理) 时，生物质炭的施入增加了土壤的有机质，为过氧化氢酶发挥作用提供适宜的场所和条件，使土壤过氧化氢酶的活性显著提高。而当生物质炭的施用量大于20 t/hm² (C3处理) 时，过量的生物质炭吸附了大量的过氧化氢的酶分子，对过氧化氢酶的酶促反应结合位点形成了保护，阻止了过氧化氢酶的酶促反应。

生物质炭添加到土壤中可以增加土壤有机碳的含量，提高土壤有效性营养元素的含量，从而促进植物生长，同时还可以改变土壤的物理、化学和生物学性质。本研究通过分析土壤质量指数，探讨了生物质炭施用两季后黄瓜连作的土壤质量，研究结果表明，生物质炭可以显著提高黄瓜连作后的土壤质量，不同生物质炭施用量条件下土壤质量指数依次为C4 > C5 > C3 > C2 > C1 > CK。根据土壤质量等级划分标准 ^[15]，不施用生物质炭的CK处理土壤质量等级为中级，而施用生物质炭后的土壤质量等级为高级，其中当生物质炭施用量为30 t/hm² (C4处理) 时，土壤质量指数最大，说明黄瓜连作两季后的土壤质量最高。各处理黄瓜产量的多重比较与土壤质量呈相同的趋势，过量的生物质炭也不利于黄瓜的生长，且第二季黄瓜产量较第一季明显升高，这可能是第一季黄瓜为秋茬，而第二季黄瓜为夏茬，两个时期的温度和湿度差别较大所引起的。有研究表明^[29]，当适量的生物质炭施入土壤后，生物质炭本身含有的碳、氢、氧、氮等元素以及P、K、Na、Ca、Mg等离子释放到土壤中后会显著提高土壤养分含量，同时生物质炭本身特殊的物理性质也会改善土壤的物理性状，提高了土壤的保水保肥性。但是当土壤中施入过量的生物质炭后，由于生物质炭含碳量高，会导致土壤C/N提高，影响土壤的养分平衡，进而降低土壤养分尤其是氮素的有效性，导致土壤质量降低。同时生物质炭对土壤质量的影响效应还可能与原材料、加工工艺、施用量及土壤的肥力现状有关，黄瓜连作土壤质量对生物质炭的响应机制还有待于进一步研究。

1）施用生物质炭可以改善黄瓜连作土壤的理化性状，较高的生物质炭施用量 (40 t/hm²) 处理对土壤的物理性状提升效果最好，当生物质炭施用量为30 t/hm²时对土壤养分含量提升效果最好。

2）生物质炭施用后的连续两季黄瓜种植的土壤中脲酶和过氧化氢酶的活性均呈先增加后降低的趋势，脲酶和过氧化氢酶的活性分别在生物质炭施用量为30 t/hm²和20 t/hm²时达到最高值。

3）生物质炭可以提高黄瓜连作后的土壤质量，对黄瓜有一定的增产效应，在生物质炭施用量为30 t/hm²时，两季黄瓜产量均达到最高。