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雨养菜地是一种特殊的旱地农业生态系统，其具有高施肥量、高复种指数、高经济效益、高频度农事操作等特点。但生产中为追求高产而过量施肥，造成土壤板结、酸化和次生盐渍化，养分大量流失、微生物活性和丰度下降以及有毒重金属活化等问题，影响蔬菜的产量和品质。而土壤pH、容重、总孔隙度及养分含量等性质对作物生长和水肥利用效率有重要影响。
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近年来生物质炭作为一种土壤改良材料逐渐被人们认可，生物质炭化技术也成为一项全新的农业增产、优质、安全的新技术[1-2]。生物质炭（生物炭或生物黑炭）是由植物生物质（或生物有机材料）在无氧或者部分缺氧情况下经高温热裂解后产生的一类高度芳香化难溶性固体产物，具有富碳、高孔隙、高比表面积、强吸附性等特点[3-4]。生物质炭不仅实现了大量废弃秸秆的资源化利用，还可作为土壤改良剂改善土壤理化性质，提高土壤肥力，增强生物固氮能力，并且在保持土壤养分、提高土壤持水能力、促进植物生长、提高植物抵抗病虫害能力[5-6]、改善土壤微生物学特性能力[7-9]和减少温室气体排放等方面表现出巨大潜力，已有研究发现，施用不同用量的生物质炭后，土壤理化性质将会发生不同变化，尤其在酸化土壤、黏重土壤、盐渍化土壤以及肥力低、结构差的土壤中效果更为显著。
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目前，生物质炭的研究主要集中在低纬度热带、亚热带地区的偏酸性或风化严重的土壤和花生、水稻、玉米等粮食作物上。而对于温带地区中性、偏碱性土壤效应及其农用效应和雨养旱地蔬菜作物上的研究报道相对较少。本文针对宁南山区水资源短缺、化肥过量施用、土壤环境恶化、农作物秸秆利用率低等问题，通过田间试验研究不同秸秆生物质炭添加量和氮肥配施条件下对雨养旱作区娃娃菜生长、产量和品质及土壤理化性质、土壤酶活性、水肥利用效率的影响，探究秸秆生物质炭对娃娃菜产量和水肥利用效率的影响机理，确定出适合宁南山区雨养旱作娃娃菜的最佳秸秆生物质炭添加量，以期为我区雨养菜地土壤培肥以及蔬菜安全生产提供理论依据，具有一定的现实意义。
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1 材料与方法
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1.1 试验材料
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供试娃娃菜品种为金皇后，由固原丰乐园农业科技有限公司提供，供试生物质炭由宁夏荣华生物质新材料科技有限公司提供，生物质炭生产原料为玉米秸秆，炭化温度约为450℃，供试肥料：氮肥为尿素（N 46%），磷肥为过磷酸钙（P2O5 12%），钾肥为硫酸钾（K2O 52%）。供试生物质炭和供试土壤理化性质见表1和2。
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1.2 试验设计
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试验于2020年5～7月在宁夏农林科学院固原分院隆德观庄试验基地进行，于4月10日开始育苗，5月12日定植。试验采用随机区组设计，共设8个处理，分别记为T1（未施氮肥，未添加生物质炭）、T2（未施氮肥，添加生物质炭10t·hm-2）、T3（未施氮肥，添加生物质炭20t·hm-2）、 T4（ 未施氮肥，添加生物质炭30t·hm-2）、 T5（施氮肥，未添加生物质炭）、T6（施氮肥，添加生物质炭10t·hm-2）、T7（ 施氮肥，添加生物质炭20t·hm-2）、T8（施氮肥，添加生物质炭30t·hm-2），每处理重复3次，共24个小区，小区长6m，宽4m。T1～T4处理，每处理化学肥料施用量为1.29kg，折算磷（P2O5）和钾（K2O）肥的施用量分别为0.07和1.22kg；T5～T8处理，每处理化学肥料施用量为2.37kg，其中折算氮（N）、磷（P2O5）和钾（K5O）肥的施用量分别为1.08、 0.07和1.22kg。磷肥和钾肥作为基肥一次性施入土壤，氮肥分为不同生育期施入，其中基肥∶结球期4 ∶ 6。将生物质炭与化肥混匀后，均匀撒施，再用旋耕机旋地，最后利用机械起垄覆膜。每小区起4垄，垄宽80cm，沟宽50cm，采用一垄三行栽培模式，其中，株距25cm，行距30cm，每小区定植204株。整个生育期病虫害防治等田间管理措施与当地传统管理措施保持一致。
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1.3 测定指标和方法
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试验地定植前和收获后土壤理化性质和土壤酶活性的测定。施基肥前和收获后用S法采0～20cm土层的混合土样，风干，过0.25mm筛测定土壤基础理化性质（主要是碱解氮、有效磷、速效钾、容重、有机质、总孔隙度、pH和CEC）和土壤酶 （脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶）活性。
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娃娃菜生长指标的测定。不同生育期，每处理随机选择10株，测定其株高、株幅投影面积、叶绿素含量；采收时，每处理随机选择3株，采用根系扫描仪EpsonPerfectionV850Pro进行扫描，并用根系扫描仪、形态学和结构分析应用系统WinRHIZO，来分析娃娃菜根系；采收时，每小区随机选取3株，保证根系完整，洗净，分为根、外叶、叶球三部分，烘干，测定其干物质，最后计算根冠比；取娃娃菜全株，分为地上部和地下部，分别在105℃杀青0.5h后75℃烘干，再用高氯酸-硫酸消煮，测定氮养分含量。
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娃娃菜品质指标的测定。在娃娃菜采收期，每小区选择长势一致的娃娃菜5株进行测定：用钼蓝比色法测定维生素C含量；用蒽酮比色法测定可溶性糖含量；用考马斯亮蓝染色法测定可溶性蛋白含量；用酚二磺酸法测定硝酸盐含量[10]；用手持式数显糖度计测定可溶性固形物含量。
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娃娃菜产量的测定。在采收时每小区随机选取20株娃娃菜测其单株重、单株净重、生物产量和经济产量，最后计算各小区经济系数。
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经济系数=经济产量/生物产量 ×100%
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计算娃娃菜的水肥利用效率。水分利用效率是指作物经济产量与耗水量之比，其公式为WUE=Yd/ET，式中，WUE为水分利用效率 （kg·hm-2·mm-1）、Yd为作物经济产量（kg·hm-2）、 ET为作物总耗水量，其计算采用农田水分平衡法计算[E=C×ρ×H×10，式中，E为贮水量（mm），C为土壤水分质量分数（%），ρ 为土壤容重（g·cm-3）， H为土层深度（cm）；ET=P+ΔW，式中，ET为阶段耗水量（mm），P为降水量（mm），ΔW为时段内土壤贮水量的变化（mm）]。
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氮素吸收量=氮素含量 × 干物质质量
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氮素吸收效率（kg·kg-1）=植株氮素吸收量/施氮量
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氮素利用效率（kg·kg-1）=经济产量/植株氮素吸收量
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氮肥农学效率（kg·kg-1）=（施氮处理经济产量－ 不施氮处理经济产量）/施氮量
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2 结果与分析
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2.1 不同处理对娃娃菜生长发育指标的影响
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2.1.1 不同处理对娃娃菜不同时期株高、株幅投影面积和叶绿素含量的影响
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由图1a可知，随着生长的不断延长，娃娃菜的株高呈明显增长趋势。各时期的方差分析表明，6月13日时，各处理间无显著性差异；6月23日时，T7和T4处理显著高于T3处理。7月3日至7月13日，T7处理显著高于T1、T2和T3处理。从6月13日至7月13日，T1～T8处理株高增长量范围为7.88～10.99cm，其中T7处理增量最大，其次是T4处理，增幅最小的是T3处理。由图1b可知，6月13日T4处理株幅投影面积达到最大，显著高于T1、T2、T5、T8处理，6月23日至7月13日，各处理间无显著性差异，增幅为24.73%～52.39%，其中增幅最大是T8处理，其次是T7处理，最小的是T4处理，说明施氮肥并添加生物质炭20～30t·hm-2 更有利于娃娃菜的生长。由图1c可知，7月3日，T7处理叶片叶绿素含量 （SPAD）达46.92，显著高于T1～T3处理，但与其他处理无显著性差异；7月13日T7处理叶片叶绿素含量达53.69，显著高于T1～T5处理及T8处理，但与T6处理无显著性差异，娃娃菜叶片的田间表现也为生长初期各处理间并无差异，但生长中后期施氮肥与否差异尤为显著，氮素缺失可明显导致植株叶片泛黄，适当施氮肥并添加生物质炭20～30t·hm-2 可有效提高娃娃菜生长后期的叶绿素含量。
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图1 不同处理对娃娃菜不同时期株高、株幅投影面积和叶绿素含量的影响
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2.1.2 不同处理对娃娃菜根系的影响
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不同处理下娃娃菜根系特征值如表3所示。各处理间根总面积无显著性差异，范围在233.27～268.40cm2 之间；T7处理根总长达455.49cm，高于其他处理，但与T2、T6处理间无显著性差异，位列第二的是T6处理（436.38cm）； T5处理根平均直径最大，为2.60mm，显著高于T6、T7处理；T3处理根总体积最大，为16.81cm3，显著高于T7处理，与其他处理间无显著性差异。
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注：同列数据后无相同小写字母表示显著性差异（P<0.05），“±”后面数据为标准差。下同。
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2.2 不同处理对娃娃菜叶球品质的影响
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由表4可知，不同处理对娃娃菜品质影响不同。其中，T8处理的可溶性糖含量和维生素C含量分别达到了1.49%和27.85mg·100g-1，且显著高于其他处理，表明T8处理可有效提高可溶性糖含量和维生素C含量；T1处理的可溶性蛋白含量最大，为0.69g·100g-1，与T7处理无显著性差异，显著高于其他处理，可溶性蛋白含量最小的则为T3处理，仅为0.43g·100g-1，但T3处理的可溶性固形物含量却达到了最大，且显著高于其他处理，其次是T8、T7处理，最小的是T6处理；硝酸盐含量是蔬菜的重要品质指标，T5处理显著高于其他处理，而T7处理的硝酸盐含量显著低于其他处理，仅为524.63mg·kg-1。
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2.3 不同处理对娃娃菜干、鲜重及根冠比的影响
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由表5可知，T6处理地上部分鲜重达2321.98g，与T2处理无显著性差异，显著高于其他处理，地上部鲜重最小的为T1处理，仅为1202.96g，表明添加10t·hm-2 生物质炭可显著提高娃娃菜地上部鲜重；T6处理地上部干重也为最大，显著高于T3和T1处理，T2处理位列第二位，表明添加10t·hm-2 生物质炭并配施氮肥可有效提高娃娃菜地上部干物质积累量；T3处理的地下部鲜重显著高于T2处理，但与其他处理无显著性差异，其次是T4处理；T3处理根冠比最大，为0.049，高于其他处理。
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2.4 不同处理对娃娃菜产量及经济系数的影响
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由表6可知，T3处理经济系数显著高于T6处理，但与其他处理间差异不显著，各处理经济系数依次为T3>T7>T5>T4>T1>T8>T2>T6；T7处理的单株重、单株净重、生物产量、经济产量均达到了最大，分别为1992.74g、1431.33g、159.50t·hm-2 和114.56t·hm-2，T7处理的单株净重和经济产量与T5处理无显著性差异，显著高于其他处理，表明在试验条件下，施同样氮肥添加20t·hm-2 生物质炭与不添加20t·hm-2 生物质炭娃娃菜产量差异并不显著。
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2.5 不同处理对水肥利用效率的影响
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由表7可知，T7处理经济产量最大，达114.56t·hm-2，与T5处理无显著性差异，显著高于其他处理；T4处理耗水量最大（156.40mm），其次为T1处理（151.14mm），但这两者间差异不显著，耗水量最小的为T2和T7处理，仅为141.85和144.39mm；T7处理水分利用效率为最大，达794.41kg·hm-2·mm-1，比其他处理提高了12.03%～56.31%。T8处理氮素吸收效率仅为0.90kg·kg-1，显著低于T5～T7处理，但其氮素利用效率却显著高于T5～T7处理，达到了782.87kg·kg-1；在施同等氮肥条件下，T5处理的氮肥农学效率达到了244.10kg·kg-1，其次是T7处理为197.70kg·kg-1，但两者之间无显著性差异。
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2.6 不同处理对土壤理化性质的影响
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由表8可知，T1和T2处理pH显著低于其他处理，可能是由于生物质炭本身呈现碱性的缘故；各处理CEC值无显著性差异；T8处理容重最小，为1.12g·cm-3，分别比其他处理降低了10.13%、12.70%、11.97%、13.33%、5.00%、 5.76%、5.00%，可见，生物质炭可明显降低土壤容重。T8处理总孔隙度和有机质含量最大，分别为60.77%和46.87g·kg-1，比T1处理分别提高了3.35%和42.33%，说明生物炭可有效提高土壤总孔隙度和有机碳含量，碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为112.33、18.35、190.67mg·kg-1，其中有效磷含量、速效钾含量均显著高于其他处理。
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2.7 不同处理土壤理化性质、产量及水分利用效率的相关关系
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由表9可知，有效磷与速效钾、有机质呈极显著正相关、与pH呈显著正相关；速效钾与有机质呈极显著正相关，与总孔隙度呈显著正相关；容重与碱解氮呈极显著负相关，与CEC呈显著负相关；但碱解氮与CEC呈显著正相关；水分利用效率与产量呈极显著正相关。说明水分利用效率越高，产量也越高。
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注：* 表示相关性为显著，** 表示相关性为极显著。
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2.8 不同处理对土壤酶活性的影响
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由表10可知，T6处理脲酶活性最高，为2.02mg·g -1·24h-1，显著高于T7处理，但与其他处理无显著性差异；T2处理过氧化氢酶最高，为1.40mg·g -1·min-1，其次是T7处理，为1.23mg·g -1·min-1， T2处理与T7处理无显著性差异，显著高于其他处理，说明氮肥对过氧化氢酶活性无规律性影响，施10t·hm-2 生物质炭或氮肥与20t·hm-2 生物质炭配施可提高过氧化氢酶的活性；T1处理酸性磷酸酶活性显著低于T2～T4处理，说明不施氮肥施加10～30t·hm-2 生物质炭可有效提高酸性磷酸酶活性38.41%～59.73%，施氮肥施生物质炭则可有效提高酸性磷酸酶活性58.68%～62.37%；T8处理蔗糖酶活性为85.77mg·g -1·24h-1，显著高于T4处理，高于其他处理但无显著性差异，说明施生物质炭30t·hm-2 情况下，施氮肥有助于提高蔗糖酶活性，反之，则会降低活性。
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3 讨论与结论
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本试验研究中，施生物质炭与否对娃娃菜根系参数并无规律性变化，而前人[11-13]研究得出生物质炭可增加植物根系体积、根表面积及根系长度等，这两者并不相符，但通过田间调查，7月13日T7处理叶片叶绿素含量（SPAD）达53.69，显著高于T1～T5处理及T8处理，娃娃菜生长后期叶片颜色表现更为显著，说明氮肥与生物质炭配施可有效提高娃娃菜生长后期的叶绿素含量。T8处理的可溶性糖含量和维生素C含量显著高于其他处理，分别达1.49%和27.85mg·100g-1；T1处理的可溶性蛋白含量和可溶性固形物含量分别为0.69g·100g-1 和6.97%，达到了最大。硝酸盐含量是蔬菜的重要品质指标，T5处理硝酸盐含量显著高于其他处理，而T7处理则显著低于其他处理，仅为524.63mg·kg-1，说明氮肥与20t·hm-2 生物质炭配施可显著降低娃娃菜的硝酸盐含量，与前人研究结果[14-17]一致，导致这种结果的原因可能是生物质炭施用后土壤氮素有效性降低，吸收量减少的缘故。T6处理地上部分鲜重和地上部干重均达到最大，分别为2321.98和125.15g；T3处理的地下部鲜重与地下部干重最大，根冠比显著高于其他处理，达到了0.049，这与赵玉林[18]、刘晓雨等[19] 研究得出低肥力土壤小白菜根冠比显著高于高肥力土壤相一致，这体现了植物对低养分环境的适应机制，在低肥力土壤中，植物会通过增加根系生物量以便从土壤中吸收更多营养。因此，土壤养分供应不足会促进光合产物向地下的分配过程，导致较高的根冠比。
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T7处理的单株重、单株净重、生物产量、经济产量均达到了最大，分别为1992.74g、1431.33g、159.50t·hm-2 和114.56t·hm-2，其中T7处理的单株净重和经济产量高于其他处理，但与T5处理无显著性差异，表明在试验条件下，施同样氮肥添加20t·hm-2 生物质炭与不添加20t·hm-2 生物质炭娃娃菜产量差异并不显著，这与张登晓等[20-23] 已发表研究结果：生物质炭还田能够提高作物产量，产量增幅为10%～15%不同。出现这种结果的原因：一是可能与上述这些研究中的试验土壤类型、生物质炭种类和施用量及环境条件有关；二是可能与生物质炭在土壤中留存时间长短有关，有研究已表明施生物质炭当年对第1季小白菜产量无显著影响，但显著增加了第2～5季小白菜产量[16]。
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T4处理耗水量最大，为156.40mm，其次为T1处理，为151.14mm，耗水量最小的为T2和T7处理，仅为141.85和144.39mm；T7处理水分利用效率最大，达794.41kg·hm-2·mm-1，比其他处理提高了12.03%～56.31%，说明T7处理可明显实现节水增效。T8处理氮素利用效率显著高于T5～T7处理，可能是由于生物质炭增加了氮素的吸附作用，进而降低了氮淋失量[24-26]。T8处理总孔隙度和有机质含量最大，分别为60.77%和46.87g·kg-1，比T1处理分别提高了3.35%和42.33%，表明生物质炭施入到土壤中可提高孔隙度、降低容重[19]。通过相关性分析，得出有效磷、速效钾与有机质、pH呈正相关，而产量则与水分利用效率呈极显著正相关，表明水分利用效率越高，产量越大。
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综上所述，单纯添加生物质炭对娃娃菜生长影响不大，但可以改变生长后期叶片叶绿素含量，在配施氮肥条件下，添加20t·hm-2 生物质炭可明显降低宁南山区雨养旱作娃娃菜硝酸盐含量，提高娃娃菜水肥利用效率，实现节水增效。
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摘要
为探究秸秆生物质炭对娃娃菜产量和水肥利用效率的影响机理，确定出适合宁南山区雨养旱作娃娃菜的最佳秸秆生物质炭添加量。以金皇后为试验材料，采用随机区组试验设计，共设 8 个处理，每处理重复 3 次。分析不同处理对雨养旱作区娃娃菜生长、产量和品质及土壤理化性质、土壤酶活性、水肥利用效率的影响。结果表明，未施氮肥时，添加生物质炭 10 t·hm-2 对叶片净光合速率累计值影响较大，添加 20 t·hm-2 时地下部分干、 鲜物质质量的积累最大，当生物质炭添加至 30 t·hm-2 时，则可显著提高后期叶绿素含量；相反，施氮肥后，添加生物质炭 20 t·hm-2 利于娃娃菜生长，可显著提高可溶性蛋白含量，降低硝酸盐含量（524.63 mg·kg-1），提高娃娃菜的单株重（1992.74 g）、单株净重（1431.33 g）、生物产量（159.50 t·hm-2）、经济产量（114.56 t·hm-2） 和水肥利用效率（17.00% ～ 56.31%），当生物质炭添加至 30 t·hm-2 时，土壤理化性质、土壤酶活性及娃娃菜的可溶性糖含量和维生素 C 含量均显著性提高。综上，在配施氮肥条件下，添加 20 t·hm-2 生物质炭可明显降低宁南山区雨养旱作娃娃菜硝酸盐含量，提高娃娃菜水肥利用效率，实现节水增效。
Abstract
In order to explore the influence mechanism of biochar on baby cabbage yield and water and fertilizer utilization efficiency，the optimal amount of biochar for rain-fed and dry crop baby cabbage in the mountainous area of southern Ningxia was explored．With the Golden Queen as the test material，a randomized block test design was adopted，with a total of 8 treatments，and each treatment repeated 3 times．The effects of different treatments on the growth，yield and quality of baby cabbage，soil physical and chemical properties，soil enzyme activities，water and fertilizer use efficiency in rain-fed dry farming areas were analyzed．The results showed that without applying N fertilizer，the addition of 10 t·hm-2 of biochar had a greater impact on the cumulative value of the net photosynthetic rate of leaves．When adding 20 t·hm-2，the accumulation of dry and fresh matter in the underground part was the largest．When the biochar was added to 30 t·hm-2，it significantly increased the chlorophyll content in the later stage；on the contrary，applying N fertilizer and adding biochar 20 t·hm-2 was beneficial to the growth of baby cabbage，which significantly increased the soluble protein content and reduce nitrate content （524.63 mg·kg-1），increased the weight per plant（1992.74 g），net weight per plant（1431.33 g），biomass（159.50 t·hm-2），economic yield（114.56 t·hm-2）and water and fertilizer use efficiency（17.00% ～ 56.31%）．When biochar was added to 30 t·hm-2，soil physical and chemical properties，soil enzyme activity，soluble sugar content and vitamin C content of baby cabbage were all significantly increased．In summary，under the condition of combined application of nitrogen fertilizer，adding 20 t·hm-2 biochar can significantly reduce the nitrate content of baby cabbage in rain-fed dry farming in the mountainous area of southern Ningxia，improve the water and fertilizer use efficiency of baby cabbage，and realize water saving and efficiency.