生物炭基質(zhì)對(duì)番茄幼苗生長及光合特性的影響

朱優(yōu)矯 李文慶 田曉飛

生物炭基質(zhì)對(duì)番茄幼苗生長及光合特性的影響

朱優(yōu)矯 李文慶 田曉飛

為了探討生物炭作為蔬菜育苗基質(zhì)的可行性，采用穴盤育苗研究了不同基質(zhì)（草炭、堆肥、蛭石、生物炭、生物炭+堆肥、生物炭+草炭）對(duì)番茄幼苗生物性狀、光合特性及養(yǎng)分吸收的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，生物炭作為基質(zhì)單獨(dú)施用可以明顯提高番茄幼苗株高、莖粗和光合速率；生物炭+堆肥以及生物炭+草炭配施在干物質(zhì)積累和壯苗指數(shù)方面，比生物炭、堆肥差，但比草炭和蛭石效果好；生物炭+堆肥配施可以提高番茄的蒸騰速率與根系活力，分別比其他處理高3.73%～ 45.35%和3.55%～172.50%；生物炭+草炭配施能夠改善番茄葉片早期SPAD值。

李其友 男，武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院作物科學(xué)研究所所長、高級(jí)工程師，全國瓜菜工廠化育苗產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長、湖北省園藝學(xué)會(huì)理事、湖北省西甜瓜協(xié)會(huì)理事、中國蔬菜協(xié)會(huì)種苗分會(huì)理事。引進(jìn)、消化、吸收美國speeding公司工廠化穴盤育苗技術(shù)，促進(jìn)了武漢地區(qū)蘆筍結(jié)構(gòu)調(diào)整和小型禮品西瓜產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，將穴盤育苗發(fā)展成了企業(yè)集群，嫁接、育苗技術(shù)走在全國前列。參與農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)農(nóng)業(yè)科研專項(xiàng)《設(shè)施農(nóng)業(yè)高效育苗標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)工藝與配套設(shè)備研究與示范》，主持省市4項(xiàng)科研項(xiàng)目，取得2項(xiàng)發(fā)明專利、6項(xiàng)實(shí)用新型專利、發(fā)表論文10余篇，主編《西瓜、甜瓜設(shè)施栽培》一書。獲得湖北省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)，農(nóng)業(yè)部豐收二等獎(jiǎng)、武漢市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，曾被評(píng)為湖北省第六屆優(yōu)秀科技副縣長，2014年被湖北日?qǐng)?bào)傳媒集團(tuán)聯(lián)合省發(fā)改委、科技廳、農(nóng)業(yè)廳評(píng)為2012-2013“湖北三農(nóng)杰出人物”。

因鹽分積累、養(yǎng)分比例失調(diào)、土壤生態(tài)系統(tǒng)被破壞等問題而導(dǎo)致的土傳病害是保護(hù)地蔬菜栽培存在的突出問題[1～5]。土傳病害的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致蔬菜產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降，成為制約蔬菜保護(hù)地栽培可持續(xù)發(fā)展的重要因素。無土栽培是指不用土壤而采用固體基質(zhì)或單獨(dú)用營養(yǎng)液栽培作物，其能為植物提供穩(wěn)定協(xié)調(diào)的水肥條件，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分和水分的同步按需供應(yīng)，因而能最大限度地滿足作物對(duì)水肥的需求，是一種高產(chǎn)的蔬菜栽培方式[6～9]。另外，該栽培方式也使滅菌更加容易，方便控制病害，因此近年來各種形式的無土栽培興起。但傳統(tǒng)無土栽培基質(zhì)如草炭、蛭石與珍珠巖等皆為不可再生資源，隨著開采量的加大會(huì)面臨資源枯竭問題，因此探討其他可替代的基質(zhì)十分必要。

生物炭是由生物質(zhì)在缺氧條件下經(jīng)熱裂解炭化而成的一類以單質(zhì)碳為主的黑色固體物質(zhì)[10～12]，其疏松多孔，保水性能良好，其中的碳又具有極低的礦化率，因而能固定大氣中的碳素[13～18]。將生物炭用于無土栽培，不僅可解決傳統(tǒng)基質(zhì)不足的問題，還可以緩解溫室效應(yīng)。近年來開始將生物炭作為基質(zhì)添加料施用（比例不超過50%），而將生物炭單獨(dú)作為基質(zhì)的研究尚未見報(bào)道，本研究將生物炭單獨(dú)作為基質(zhì)施用，并與其他基質(zhì)作比較，以期為以后的基質(zhì)配方研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試生物炭以花生殼為原料制備而成，裂解溫度350℃，裂解時(shí)間2 h。供試蛭石、草炭和有機(jī)堆肥均為市場購得，其基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用基質(zhì)的基本理化性質(zhì)

供試育苗穴盤為32穴黑色塑料長方形穴盤，穴孔深58 mm，上口徑53 mm×53 mm，下口徑27 mm× 27 mm，單穴容積約110 mL。所用營養(yǎng)液為霍格蘭和阿農(nóng)通用營養(yǎng)液配方。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，基質(zhì)配方如下：草炭（CT）；堆肥（DF）；蛭石（ZS）；生物炭（BC）；50%生物炭+ 50%堆肥 （BCDF）；50%生物炭+50%草炭（BCCT）。各處理每隔3 d澆灌1次營養(yǎng)液，每次澆灌20 mL。每個(gè)處理重復(fù)6次，各處理隨機(jī)排列。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

①基質(zhì)理化性質(zhì)測定 將水與基質(zhì)按體積比5∶1浸提，然后離心30 min取上清液，測定其pH值和電導(dǎo)率（EC值）。pH值用pH計(jì)測定，電導(dǎo)率用電導(dǎo)率儀測定。全氮、全磷含量采用H2O2-H2SO4消煮流動(dòng)注射儀測定，全鉀含量采用火焰光度計(jì)測定。

②植株生物性狀指標(biāo)測定 于2015年5月10日播種，5月17日出苗，出苗10 d后定期測定株高、莖粗和葉綠素含量。株高采用直尺測量；莖粗采用游標(biāo)卡尺測量；葉綠素含量 （SPAD值）采用SPAD-502葉綠素儀測定，統(tǒng)一選擇從上往下第4片展開葉測定，每片葉測定5次并取其平均值。

③植株光合指標(biāo)測定 在番茄播種后第50天用便攜式光合儀測定最大葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間 CO2濃度（Ci）與蒸騰速率（E）。測定時(shí)使用開放式氣路，內(nèi)置光源光強(qiáng)為1 000 μmol·s-1·m-2。每片葉片測定5次并取其平均值。

④植株養(yǎng)分吸收指標(biāo)測定 定植前（2015年7月3日）分2次取樣，分別用于測定根系活力與根、地上部干物質(zhì)質(zhì)量，并計(jì)算壯苗指數(shù)和根冠比，其中壯苗指數(shù)=（莖粗/株高+根干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量）×全株干質(zhì)量，根冠比=根干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量。根系活力采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測定；將植株在105℃殺青30 min后，70℃烘干稱重，測定其生物量；植株全氮、全磷、全鉀含量測定方法同1.3①。

1.4 數(shù)據(jù)與處理

采用SAS 8.2統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行ANOVA方差分析及鄧肯氏差異顯著性檢驗(yàn)，并用 Microsoft Excel 2007軟件作圖。

圖1 不同處理番茄幼苗株高

圖2 定植前不同處理番茄幼苗莖粗

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭基質(zhì)對(duì)番茄幼苗長勢的影響

①對(duì)番茄幼苗株高的影響 生物炭明顯提高了番茄株高（圖1）。播種后第21天時(shí)，各處理長勢基本一致，蛭石處理株高略低。隨著番茄幼苗生長，生物炭單施漸顯優(yōu)勢，播種后第51天時(shí)，生物炭單施處理幼苗株高最高，較草炭、堆肥、蛭石分別高17.39%、37.30%、40.88%；在養(yǎng)分管理基本一致的情況下，生物炭+堆肥配施以及生物炭+草炭配施均比堆肥、草炭單施番茄植株高，這說明生物炭的加入能改善番茄的株高，更好地調(diào)節(jié)番茄植株的生長。

②對(duì)番茄幼苗莖粗的影響 生物炭對(duì)番茄莖粗也有一定的促進(jìn)作用（圖2）。生物炭單施處理的莖粗最高，與草炭、堆肥單施處理相比差異不明顯，比蛭石處理高8.47%。生物炭與其他基質(zhì)配施的莖粗基本一致，差異不明顯，這表明生物炭單施對(duì)番茄莖粗有一定的促進(jìn)作用，但與其他基質(zhì)配施相比則促進(jìn)作用不明顯。

表2 番茄幼苗干物質(zhì)積累、根冠比和壯苗指數(shù)

③對(duì)番茄幼苗壯苗指數(shù)、干物質(zhì)積累和根冠比的影響 施用生物炭能夠提高番茄幼苗的壯苗指數(shù)（表2）。生物炭單施處理番茄壯苗指數(shù)較蛭石單施處理高194.34%，且差異顯著，而與草炭單施及堆肥單施處理則差異不顯著。

施用生物炭能夠促進(jìn)番茄干物質(zhì)總量的積累。生物炭單施處理較蛭石單施高62.94%，且差異達(dá)顯著水平，但與草炭單施、蛭石單施相比均無顯著差異。生物炭+草炭、生物炭+堆肥的干物質(zhì)總量比生物炭、堆肥單施低。番茄地上部干物質(zhì)總量以及根干物質(zhì)總量的趨勢與番茄全株干物質(zhì)總量基本相同，這表明生物炭對(duì)番茄植株地上部分與地下部分具有相同的影響。

生物炭的施用能夠提高番茄植株的根冠比。生物炭單施處理番茄根冠比比蛭石單施處理高107.69%，且差異達(dá)顯著水平，但與其他處理相比差異均未達(dá)顯著水平。生物炭+堆肥配施和生物炭+草炭配施接近，兩者與其他處理相比差異均不顯著。這表明生物炭的施用能夠使番茄根系發(fā)達(dá)，有利于為植株生長供應(yīng)充足的水分與養(yǎng)分。

表3 不同處理番茄幼苗葉片SPAD值

表4 不同處理番茄幼苗的光合指數(shù)

圖3 定植前不同處理番茄根系活力

2.2 生物炭基質(zhì)對(duì)番茄葉片光合特性的影響

①對(duì)番茄葉片葉綠素含量的影響 葉綠素含量是反映植物葉片光合能力及植株健康狀態(tài)的主要指標(biāo)[19]。研究結(jié)果表明，生物炭對(duì)番茄幼苗葉片葉綠素含量有一定的影響 （表3），播種后第21天時(shí)，生物炭+堆肥配施處理葉片 SPAD值最低（41.97），其次為生物炭單施處理（42.77），葉綠素含量最高的是生物炭+草炭配施處理（55.00）。隨著生長時(shí)間的延長，各處理幼苗葉片趨于成熟，到51 d時(shí)各處理間均無顯著差異。在番茄整個(gè)幼苗生長期，葉片SPAD值均以生物炭+草炭配施處理最高，這表明生物炭與草炭配施更能促進(jìn)番茄幼苗的生長，更利于番茄葉片早期光合作用和干物質(zhì)積累。

②對(duì)番茄葉片光合指標(biāo)的影響 光合作用是植物生長和物質(zhì)積累的基礎(chǔ)，對(duì)植物生長發(fā)育具有重要意義[19]。葉片光合速率以生物炭單施處理最高，其次為生物炭與堆肥配施處理，生物炭與草炭配施處理最低（表4）。不同處理間葉片氣孔導(dǎo)度均無顯著差異。生物炭與堆肥配施處理葉片胞間CO2濃度最低，說明生物炭與堆肥配施能夠?qū)gCO2更多地用于光合作用。生物炭和生物炭與堆肥配施處理蒸騰速率較高，較蛭石以外的其他處理增加22.34%～96.85%，表明生物炭能夠更好地促進(jìn)番茄苗期葉片生長，提高其蒸騰速率。

2.3 生物炭基質(zhì)對(duì)番茄根系活力的影響

生物炭單施處理的根系活力比草炭和蛭石處理分別高113.82%和72.64%，但卻比堆肥處理低18.75%，與三者的差異均達(dá)顯著水平（圖3）。各處理中以生物炭與堆肥配施的根系活力最高，分別比草炭、蛭石和生物炭高172.50%、120.02%和27.44%，差異明顯；生物炭與草炭配施的根系活力較低，分別比堆肥和生物炭低56.70%和46.95%，且差異明顯。這表明生物炭與堆肥配施可以提高番茄根系活力，促進(jìn)番茄的根系生長，而生物炭+草炭配施對(duì)番茄根系活力具有抑制作用。

3 結(jié)論

生物炭作為基質(zhì)單獨(dú)施用，可以明顯提高番茄幼苗株高和光合速率，分別比草炭、堆肥、蛭石處理高17.39%～40.88%和10.12%～20.74%；生物炭+堆肥配施能有效提高番茄葉蒸騰速率，分別比草炭、堆肥、蛭石處理高22.34%、36.16%和2.34%；生物炭+草炭配施明顯改善了番茄葉片SPAD值，在整個(gè)番茄幼苗期均保持最高水平。因此，生物炭無論單施還是與其他基質(zhì)配施都有與其他基質(zhì)相似甚至更好的維持番茄幼苗生長的效果。

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10.3865/j.issn.1001-3547.2016.22.009

山東省發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013GNC11309）；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD16B02）

朱優(yōu)矯，土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，271018，

電話：15552830729，E-mail：zyj00111@163.com

田曉飛，土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院

李文慶，通信作者，土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，山

資源與環(huán)境學(xué)院，E-mail：wqli@sdau.edu.cn

2016-04-26