生物炭對設施菜田土壤理化性狀及番茄生長的影響

吳 玨，李建勇，郭欣欣

（1.上海市奉賢區(qū)蔬菜技術推廣站，上海 201499；2.上海市農(nóng)業(yè)技術推廣服務中心，上海 201103）

生物炭（又名生物黑炭或生物質(zhì)炭等，英 文名稱為biochar）是指由農(nóng)業(yè)廢棄物、垃圾及其他廢棄物等生物質(zhì)在無氧或限氧條件下經(jīng)過350～450 ℃熱解而炭化產(chǎn)生的高度芳香化的一類難溶性固態(tài)物質(zhì)[1]，為疏松多孔的結構，比表面積較大，吸水、氣能力強[2]。絕大多數(shù)生物質(zhì)炭為堿性，pH值7～10，因此利用生物質(zhì)炭可以進行酸性土壤的改良、保水保肥能力改善以及有機污染物的吸附等方面的研究[3]。目前已有研究表明，生物炭能夠提高一些蔬菜品種的產(chǎn)量[4-5]和肥料利用率，并且具有土壤保肥能力[6-7]。

我國設施蔬菜產(chǎn)業(yè)自2010年開始發(fā)展迅速，但由于栽培土壤長期處于人為特殊小氣候環(huán)境控制下，棚室內(nèi)空氣相對流動性差，淋溶作用弱且無自然降雨淋洗，加之連作次數(shù)增多，設施菜田化肥施用過量，土壤酸化、連作障礙等問題日益嚴重。番茄是我國栽培面積最大的蔬菜之一，在上海蔬菜生產(chǎn)中也占有較大的比重，是最主要的果菜類蔬菜之一。隨著園藝設施的發(fā)展，番茄生產(chǎn)基本實現(xiàn)了周年生產(chǎn)和均衡供應的目標。但由于集約化程度高、復種指數(shù)高等特點，番茄連作障礙問題日益突出，棚室土壤理化性狀逐步惡化，嚴重制約設施番茄生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[8]。目前，對于生物炭在促進作物增產(chǎn)方面有不少研究，但以不影響作物茬口和蔬菜生產(chǎn)為出發(fā)點，通過技術方法改善土壤理化性狀，提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)，促進蔬菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的研究并不多；因此，本研究以番茄為試驗材料，通過田間試驗，研究實際生產(chǎn)中生物炭和有機肥施用在改善土壤地力、促進番茄長勢、提高番茄品質(zhì)等方面的效果，以期為設施菜田障礙土壤修復和蔬菜提質(zhì)增效提供技術路徑，為上海都市現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展提供技術依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地點

試驗于2018年2—7月在上海市奉賢區(qū)北港園藝場三連棟塑料大棚內(nèi)進行。供試土壤pH值為6.59，水溶性鹽總量為3.35 g/kg，有機質(zhì)含量為32.75 g/kg，水解性氮335 mg/kg，有效磷245.0 mg/kg，速效鉀503.0 mg/kg，土壤容重為1.23 g/cm3（表1）。

1.2 試驗材料

商品有機肥：上海欣革生態(tài)農(nóng)業(yè)合作社有限公司生產(chǎn)的欣革有機肥，有機質(zhì)含量45%，氮磷鉀總量5%。

無機肥料：深圳市芭田生態(tài)工程股份有限公司生產(chǎn)的芭田復合肥（N∶P2O5∶K2O＝15∶15∶15）。

生物炭：時科生物科技（上海）有限公司生產(chǎn)的碳能微生物菌劑，生物炭20%，有效活菌數(shù)5.0億/g。

高氮型水溶肥：上海永通化工有限公司生產(chǎn)，N∶P2O5∶K2O＝28∶8∶15。

高鉀型水溶肥：上海永通化工有限公司生產(chǎn)，N∶P2O5∶K2O＝15∶7∶20。

1.3 試驗設計

試驗設6個處理，小區(qū)面積為40 m2，3次重復，隨機區(qū)組排列。T1—T5處理生物炭用量分別為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 kg/hm2，對照CK不施用生物炭。各處理欣革有機肥、芭田復合肥和生物炭均以基肥方式施入，有機肥用量相同，均為12 000 kg/hm2，復合肥施用量均為600 kg/hm2。2018年3月22日定植，每小區(qū)定植200株，定植后各處理栽培管理措施均一致。5月3日，各處理追施1次高氮型水溶肥，用量均為105 kg/hm2，6月10日追施1次高鉀型水溶肥，用量均為105 kg/hm2?？偵贜、P2O5、K2O用量為3.01、1.05、2.45 kg。灌溉和追肥采用文丘里施肥器+滴灌的水肥一體化模式。

1.4 測定指標及方法

在番茄生長過程中，每處理隨機抽取10株番茄分別于定植后22、42、62 d跟蹤測量株高、最大葉面積、葉片數(shù)和始花節(jié)位。在番茄成熟期，每處理隨機摘取5 kg成熟番茄用于品質(zhì)測定[9]。維生素C含量用改進的2,6-二氯靛酚滴定法測定，可溶性固形物含量用考馬斯亮藍G-250染色法測定，糖含量用蒽酮比色法測定，總酸含量用可見分光光度法測定。

采集土壤樣品，測定土壤基本理化性質(zhì)[10]。作物種植前及采收完成后每處理按照NY/T 1121.1—2006《土壤樣品的采集、處理和貯存標準》采集土樣，每個處理的混合樣品由15個樣點組成，采用“S”型布點采樣法。土壤pH值采用電位法測定，土壤全鹽量用質(zhì)量法測定，土壤中有機質(zhì)用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，水解性氮用堿擴散法測定，有效磷用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提比色法測定，速效鉀用1 mol/L乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測定。

試驗數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2007和SAS 9.13軟件統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭對土壤理化性狀的影響

不同用量生物炭對設施菜地土壤理化性狀影響如表1所示。隨著生物炭用量的增加，菜地土壤容重逐步減小，使用生物炭的5個處理，土壤容重較對照顯著降低，在T4處理下容重最低，比種植前降低8.94%，比對照低11.81%，與對照相比差異顯著，但是T4與T5之間無顯著差異。

土壤pH值各處理均高于原始土壤和對照，其中T1、T2顯著高于對照。在水溶性鹽含量方面，各處理均高于原始土壤，且均低于對照，其中T1的含量最低，比對照低44.9%?？梢娛褂蒙锾吭诜焉L過程中可以有效減少土壤中鹽分含量，防止土壤酸化。此外各處理土壤有機質(zhì)含量較種植前均有所提高，這與種植過程中施用了有機肥密切相關，其中T4的土壤中有機質(zhì)含量顯著高于對照，增幅為18.1%（表1）。

在土壤中水解性氮、有效磷和速效鉀的含量方面，施用生物炭對三者含量影響較大。其中T4處理的土壤水解性氮、有效磷、速效鉀含量最高，與對照差異顯著。由此可見4 000 kg/hm2生物炭的加入改善了土壤容重、孔隙度、團聚體穩(wěn)定性，改良了土壤結構，使土壤疏松，增加了土壤透水性，防止土壤表面板結，使土壤保肥性提高，從而提高土壤養(yǎng)分含量。

2.2 生物炭對番茄生長的影響

2.2.1 生物炭對番茄長勢的影響

從表2可以看出，在番茄整個生長過程中，T1和T2長勢較好，T1的株高在整個生長過程中始終最大，與對照相比差異顯著，其次為T2。T2在番茄生長早期和后期葉片數(shù)最多，且最大葉面積也最大，與對照相比差異顯著。同時T2處理的始花節(jié)位最低，與對照相比差異顯著，T2結果最早。此外，T3和T5在生長過程中長勢較弱，早期T3的株高、葉片數(shù)、最大葉面積均最低，末期T5的3個指標最低。由此可見，在一定限度內(nèi)增加生物炭用量可以促進番茄生長。

2.2.2 生物炭對番茄果實性狀的影響

由圖1、圖2可知，不同生物炭用量對番茄果實橫徑、單果質(zhì)量影響不同，且沒有顯著規(guī)律可循。在T2處理下，其果實橫徑顯著高于其他處理，達到9.3 cm。其次為T1，但與對照差異不顯著。T3、T4、T5處理下，番茄果實橫徑明顯減小，其中T3最小，僅為8.62 cm，顯著低于對照。T2、T1的果實單果質(zhì)量最高，與對照差異不顯著。而T3、T4、T5處理下果實單果質(zhì)量低于對照，特別是T3，與對照相比低20%。

表1 不同生物炭用量對土壤理化性狀的影響

表2 不同生物炭用量對番茄長勢的影響

2.2.3 生物炭對番茄產(chǎn)量的影響

不同生物炭用量對番茄產(chǎn)量的影響如圖3所示。在T2處理下，其產(chǎn)量最高，折合667 m2產(chǎn)量達到3 738.7 kg。其次為T1處理，產(chǎn)量也略高于對照。T3、T4、T5處理下，番茄產(chǎn)量明顯降低，特別是T3處理下番茄產(chǎn)量為2 412.7 kg，顯著低于對照。生物炭用量2 000 kg/hm2處理下，番茄產(chǎn)量比對照提高10.53%，而在3 000 kg/hm2用量處理下，番茄產(chǎn)量減少明顯，比對照處理降低25.7%?？梢娚锾坑昧坎煌瑢Ψ旬a(chǎn)量影響各異，這與前人在一定限度內(nèi)添加不同量的生物質(zhì)炭均可以提高小白菜產(chǎn)量[11]的研究結果一致。

2.2.4 生物炭對番茄品質(zhì)的影響

可溶性糖、總酸、維生素C、可溶性固形物含量是評價番茄營養(yǎng)品質(zhì)的主要指標。由表3可以看出，番茄可溶性糖含量表現(xiàn)為T4＞T5＞T2＞T3＞T1＞CK。T1—T5處理的可溶性糖含量比CK處理分別提高了43%、73.8%、68.2%、104.6%、94.4%，除了T1外，其他各處理與對照相比差異均達到顯著水平。

番茄果實總酸的含量表現(xiàn)為CK＞T2＞T1、T3＞T5＞T4，對照處理的總酸含量最高，T4的總酸含量最低，比對照低37.3%，顯著低于其他處理。從可溶性固形物的指標來看，T4處理的最高，與含量最低的T3和T5差異顯著。同時由表3可知，各處理VC含量均有一定程度提高，其大小關系為T2＞T4＞T3＞T5＞T1＞CK，各處理與對照相比差異均達到顯著水平。綜合判斷，T4處理下番茄可溶性糖含量最高、總酸度最低、可溶性固形物含量最高，品質(zhì)最佳，風味最好。

3 結論與討論

生物炭的應用在一定程度上可以改善酸性土壤，提高土壤肥力。已有研究表明[4]，生物炭不僅對土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生積極作用，也間接地對土壤化學性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。由于生物炭本身含有Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子，進入土壤以后會有一定程度的釋放，交換土壤中的H+和Al3+，從而降低其濃度，提高鹽基飽和度并調(diào)節(jié)土壤pH值。生物炭提高土壤pH值的作用隨施用量的增加而提高。本試驗研究結果也表明施用生物炭后土壤pH值各處理均高于原始土壤和對照，其中T1、T2顯著高于對照。此外由于生物炭對不同種類的離子具有一定的吸附能力，當土壤中存在一定數(shù)量的生物炭時，有助于提高土壤肥力。

由于生物炭孔隙結構發(fā)達，施用到土壤中可以吸附一部分養(yǎng)分離子，如銨根離子[12]、硝酸根離子[13]、磷酸根離子[14]和其他水溶性鹽離子，減少其向環(huán)境中的淋失，從而提高土壤保肥能力。本試驗結果表明各處理較種植前土壤有機質(zhì)含量均有所提高，這與種植過程中施用了有機肥密切相關，其中T4處理的土壤中有機質(zhì)含量顯著高于對照，增幅為18.1%，同時T4處理的土壤中水解性氮、有效磷、速效鉀含量最高，與對照差異顯著。此外，在本試驗中，基肥中適當增施生物炭可促進番茄生長及提高產(chǎn)量，但不是越多越好，一般以不高于2 000 kg/hm2為宜。同時使用生物質(zhì)炭基肥提高了番茄果實中總糖含量，降低了番茄果實中有機酸含量，使番茄的口感更好，品質(zhì)更佳。綜合判斷，T4處理下番茄可溶性糖含量最高、總酸度最低、可溶性固形物含量最高，品質(zhì)最佳，風味最好。因此，通過研究可知，增施生物炭對設施菜田土壤改良有一定的促進作用，同時可以促進番茄生長，提高產(chǎn)量。生物炭用量2 000 kg/hm2增產(chǎn)最明顯，較對照可增產(chǎn)10.52%，生物炭用量4 000 kg/hm2土壤保育效果與番茄品質(zhì)提升最顯著。

由于生物炭對土壤的影響是一個復雜、有機、無機、生物的復合過程，本研究僅從其對設施番茄生長和土壤基本性狀的影響進行了研究，關于生物炭的作用機理等還需要進一步深入研究。

表3 不同生物炭用量對番茄品質(zhì)的影響