漬害條件下生物炭對番茄生長及產(chǎn)量的影響

高陽，邵光成*，陳昌仁，徐雯，劉正軍，黃豆豆

(1. 河海大學農(nóng)業(yè)科學與工程學院，江蘇 南京 210098； 2. 洪澤湖水利工程管理處，江蘇 洪澤 223100； 3. 江北新區(qū)管理委員會生態(tài)環(huán)境和水務(wù)局，江蘇 浦口 210043； 4. 淮安區(qū)水利局，江蘇 淮安 223200； 5. 奉化區(qū)錦屏街道辦事處，浙江 奉化 315500)

中國南方地區(qū)位于亞熱帶季風氣候區(qū)，降雨豐沛且主要集中在夏季，經(jīng)常發(fā)生連續(xù)或多次降雨，再加上該地區(qū)土壤質(zhì)地黏重、通透性差，易造成地下水持續(xù)高水位，如果排水系統(tǒng)運行不完善或管理不當，往往會因地下水位過高而使作物受到漬害脅迫[1-2].因此探索合理的方法來緩解漬害脅迫對南方地區(qū)作物優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)具有重要意義.

生物炭是生物質(zhì)原料在缺氧或絕氧環(huán)境中經(jīng)氣化或熱裂解而形成的富碳固態(tài)產(chǎn)物，具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積及其表面豐富的有機官能團等特性[3].鑒于這些獨特的理化性質(zhì)，使其施入土壤后，起到提高土壤孔隙率、降低土壤容重和密度、促進土壤團聚體穩(wěn)定等作用[4].因此，施用生物炭可能成為緩解作物漬害脅迫的方法.

JAHAN等[5]發(fā)現(xiàn)水分缺乏條件下，施用生物炭可改善大豆生理、形態(tài)特征，從而增加其產(chǎn)量；ELSHAIKH等[6]利用生物炭緩解鹽脅迫，提高土壤生產(chǎn)力.但對于生物炭能否緩解漬害脅迫以改善作物生殖生長狀況，進而影響其生產(chǎn)的相關(guān)研究尚比較缺乏.文中通過開展土柱試驗，揭示漬害條件下番茄形態(tài)指標和生理指標對不同生物炭處理的響應(yīng)規(guī)律，探索生物炭對番茄生長發(fā)育及其產(chǎn)量和水分利用效率的影響，為綜合評價施用生物炭能否作為緩解作物漬害脅迫的方法做定量評估，從而確定其經(jīng)濟合理的施用量.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用番茄品種為“金粉低架王”，整個生育期劃分為苗期、開花坐果期和成熟采摘期.試驗所用生物炭為秸稈生物炭，在熱解溫度550～600 ℃、碳化時間4～6 h的條件下制成，其含碳量為63.4%，生物炭灰分含量為20.18%，比表面積為33.2 m2/g，pH為10.

1.2 試驗區(qū)基本情況

試驗區(qū)位于河海大學節(jié)水園區(qū)內(nèi)(118°50′E，31°57′N)，屬北亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫15.7 ℃，最高氣溫40.4 ℃，最低氣溫-13.3 ℃，平均年日照時數(shù)為2 017.2 h，年蒸發(fā)量為1 472.5 mm，相對濕度75%，平均風速2.3 m/s，無霜期平均長達224 d.試驗區(qū)雨水資源豐富，日雨量≥0.1 mm的年雨日有117.8 d，日最大降水量為299.0 mm，年均降水量為1 072.9 mm，但從時間上，降雨年內(nèi)分配不均，多集中在汛期(5—9月).

1.3 試驗設(shè)計

試驗于2017年2—8月進行，2017年2月25日在溫室大棚中覆膜育苗，4月6日選取長勢良好且一致的幼苗移栽至土柱中.為保證幼苗成活率，每個土柱中各灌一次水，且灌水量相同，同時施等量且適量的復(fù)合肥.

試驗所用土柱高120 cm、內(nèi)徑30 cm、壁厚5 mm，設(shè)置3個排水孔.底部先裝有15 cm的細砂墊層，用于連接地下水觀測管和排水；然后往土柱中裝入95 cm黏壤土層，0-30 cm黏壤土層內(nèi)摻有不同含量生物炭.將土柱分層壓實，通過馬氏瓶軟管給土柱供水來模擬達到漬害水平的地下水位(-40 cm)，如圖1所示.

圖1 土柱及馬氏瓶結(jié)構(gòu)

試驗共設(shè)4種處理，包括無生物炭的對照處理(CK)、3種生物炭處理(T2，T3，T4：生物炭含量分別為3%，5%和10%)，每個處理重復(fù)3次，共12個土柱.

1.4 觀測內(nèi)容與測定方法

土柱地下水位達到漬害水平(-40 cm)48 h后，在各土柱20 cm深處，用環(huán)刀法測定土壤容重γ.

全生育期內(nèi)，每隔4 d或5 d測定一次各土柱內(nèi)番茄植株的株高、莖粗以及葉片橫縱徑，用米尺統(tǒng)一量取其株高HP，用游標卡尺測定莖粗DS，選取各處理相同位置某一葉片用米尺測定橫縱徑，采用LAI-2000冠層分析儀(LICOR，USA)定期觀測其番茄葉面積指數(shù)LAI；選擇晴朗無云天氣，在2017年6月9日上午9:00—10:00從各重復(fù)植株上中下部選取3片生長健康且完全展開的葉，用OS-30P便攜式葉綠素熒光儀測定初始熒光Fo、最大熒光Fm和可變熒光Fv.

果實采摘結(jié)束后，對各植株所有的單果質(zhì)量進行稱重，累積得到各土柱內(nèi)番茄的果實產(chǎn)量Ya；待果實收獲完畢，將每個重復(fù)根部挖出并盡量保持根系完整，選取分光光度計用TTC法測定番茄根系活力AR；待根洗凈后，應(yīng)用Win-RHIZO根系形態(tài)分析系統(tǒng)，用雙面光源掃描儀掃描根系，數(shù)字化處理得到的根系圖片，測量計算出總根長LTR、根表面積ARS、根體積VR和根尖數(shù)NRT等根系形態(tài)指標；用剪刀將根、莖、葉分開，分別裝入干燥的檔案袋中，置于105 ℃烘箱內(nèi)烘干消毒2 h，再調(diào)至80 ℃烘24 h至恒重，稱量各部分干質(zhì)量，測定每個重復(fù)的地上部干質(zhì)量WAD、根干質(zhì)量WRD、總干物質(zhì)量WTD和根冠比RRS等指標.

在番茄全生育期內(nèi)，每隔4 d測定1次各土柱的土壤含水量，當土壤含水量低于田間持水量的70%時，進行灌水，灌水上限為田間持水量，灌水量計算公式為

I=H×γ×(θc-θ)，

(1)

式中：I為灌水量，mm；H為土層高度，cm；γ為土壤容重，g/cm3；θc為田間持水量；θ為灌水前土壤含水量.

測定每個馬氏瓶初始讀數(shù)后，在每次灌水前記錄其讀數(shù)，以便計算地下水補給量，即維持-40 cm的地下水位所需水量，地下水補給量計算公式為

G=a×(D1-D)/A，

(2)

式中：G為灌水量，mm；a為馬氏瓶瓶底面積，cm2；D1為上次灌水前馬氏瓶讀數(shù)，mm；D為灌水前馬氏瓶讀數(shù)，mm；A為土柱底面積，cm2.

由于研究對象為南方避雨栽培番茄，故只考慮將作物實際耗水量作為水分投入、作物產(chǎn)量作為產(chǎn)出時的水分利用效率，作物水分利用效率計算公式為

WUE=Ya/ETa，

(3)

式中：WUE為作物水分利用效率，kg/m3；Ya為作物經(jīng)濟產(chǎn)量，kg/hm2；ETa為作物實際耗水量，即灌水量和地下水補給量之和，mm.

1.5 數(shù)據(jù)處理

對試驗數(shù)據(jù)用Excel 2007處理，并采用Origin 9.0進行作圖，運用SPSS 22.0對各處理結(jié)果進行顯著性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對土壤容重的影響

如圖2所示，南方地區(qū)土壤黏重，容重γ較大，文中未經(jīng)生物炭處理的土壤容重達到1.44 g/cm3.生物炭處理下土壤容重均小于對照處理，分別下降了1.4%，11.8%和13.9%.其中，當生物炭施用量為5%和10%時，土壤容重較對照處理差異具有統(tǒng)計學意義，這表明生物炭可以降低土壤容重，改良南方地區(qū)較為黏重的土壤，但這兩個處理之間差異不具有統(tǒng)計學意義.

圖2 不同生物炭處理對土壤容重的影響

2.2 生物炭對番茄形態(tài)指標的影響

不同處理下番茄各項形態(tài)指標變化見圖3，表1和表2，其中n為移栽后的天數(shù).漬害條件下，番茄各項形態(tài)指標均隨生物炭施加量增多而增大，其中根尖數(shù)在生物炭施加量達到最大時，反而略有下降，較處理T3下降了8‰.方差分析發(fā)現(xiàn)生物炭對番茄根尖數(shù)、根冠比影響不具有統(tǒng)計學意義，各處理間無明顯差異；較對照處理，總根長僅在10%的生物炭施加量下顯著增加，其增幅達到50%，其余各項形態(tài)指標在生物炭施用量達到5%之后均顯著增加，且生物炭施加量較高的兩個處理之間差異并不明顯.生物炭對番茄根干質(zhì)量、總干物質(zhì)量影響顯著，僅施用3%生物炭，兩者較對照處理的差異即達到顯著性水平，分別增加了0.11,2.37 g/株.

圖3 不同生物炭處理番茄株高、莖粗和葉面積指數(shù)隨時間的動態(tài)變化

表1 不同生物炭處理對番茄根系形態(tài)的影響

表2 不同生物炭處理對番茄生物量的影響

2.3 生物炭對番茄生理指標的影響

由圖4可知，施用生物炭條件下，各處理差異具有統(tǒng)計學意義，番茄根系活力較對照處理均有增加，其增幅依次為4.6%，20.2%和31.5%，其中處理T2的增幅并不明顯.表3中可變熒光Fv、最大熒光Fm及其比值也隨著生物炭施用量的增加而逐漸增大，初始熒光Fo卻逐漸減小，但不同處理的各項熒光參數(shù)值之間也沒有顯著的差異，方差分析結(jié)果也表明生物炭對番茄葉綠素熒光參數(shù)影響并不具有統(tǒng)計學意義.

圖4 不同生物炭處理對番茄根系活力的影響

表3 不同生物炭處理對葉綠素熒光參數(shù)的影響

2.4 生物炭對番茄的產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由表4可知，番茄耗水量和產(chǎn)量對生物炭的響應(yīng)規(guī)律相反，根據(jù)WUE的構(gòu)成因素，番茄產(chǎn)量隨著生物炭施用量的增多而增加，而耗水量逐漸減小，因此WUE從小到大依次為CK，T2，T3，T4.生物炭添加對番茄耗水量影響顯著，3種生物炭處理下番茄耗水量均小于對照處理，其中處理T4耗水量最少，較對照處理減少了28.7%.而與對照相比，當生物炭施加量達到10%時，番茄產(chǎn)量和WUE分別增加了56.7%，120.6%，兩者的差異才達到顯著性水平，但3種生物炭處理間差異并不具有統(tǒng)計學意義.不過方差分析結(jié)果表明，漬害條件下，生物炭添加對番茄水分利用效率影響具有統(tǒng)計學意義，而產(chǎn)量受生物炭的影響并不具有統(tǒng)計學意義.

表4 不同生物炭處理下番茄產(chǎn)量及水分利用效率

3 討 論

3.1 施用生物炭對土壤物理性質(zhì)的影響

南方地區(qū)土壤質(zhì)地黏重、通透性差，在降雨豐富的夏季易造成地下水持續(xù)高水位，導致作物受漬減產(chǎn).因此，對南方地區(qū)土壤進行改良，改善其通氣、透水性能，有助于降低作物漬害脅迫減產(chǎn).生物炭因其多孔結(jié)構(gòu)而具有提高土壤孔隙度、降低土壤容重的作用.本研究的結(jié)果也證明，5%的生物炭施用量可顯著降低土壤容重，較對照處理下降11.8%，與GITHINJI[4]研究結(jié)果一致.當施用量達到10%時，土壤容重進一步降低.因此生物炭作為一種優(yōu)良的土壤改良劑，具有緩解南方地區(qū)作物漬害脅迫的潛力.

3.2 施用生物炭對番茄根系的影響

漬害脅迫會帶來根系缺氧、活力下降等問題，弱化根系對營養(yǎng)元素的吸收，從而抑制根系生長[7].張偉明等[8]發(fā)現(xiàn)生物炭施入土壤后，水稻生育前期根系體積、鮮質(zhì)量和活力明顯提高，生長后期根系衰老在一定程度上得到延緩.其原因歸于生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和極強的吸附性能，從而降低土壤容重，改善土壤排水能力，為根系生長發(fā)育提供良好的生態(tài)環(huán)境，有利于根系深扎.文中研究結(jié)果也表明，5%的生物炭施用量顯著降低土壤容重.因此，該處理下番茄根表面積、根體積、根干質(zhì)量和根系活力顯著高于對照，而總根長與對照差異不具有統(tǒng)計學意義，這可能是因為，南方地區(qū)土壤質(zhì)地較為黏重，番茄根系難以向下深扎.

3.3 施用生物炭對番茄地上部的影響

株高、莖粗和葉面積指數(shù)是衡量作物生長的關(guān)鍵因子，漬害脅迫往往抑制作物正常的生長發(fā)育，造成植株變矮、莖粗變細和葉面積指數(shù)下降.勾芒芒等[9]開展的盆栽試驗表明，施用適量的生物炭有利于番茄株高和莖粗的增長，4%的施用量下最為顯著，而施用量達到6%時番茄株高和莖粗與對照差異不具有統(tǒng)計學意義.而本研究中，漬害條件下，番茄株高、莖粗和葉面積指數(shù)均隨生物炭施加量增多而增大，與對照相比，10%生物炭施用量下，兩者差異均達到顯著性水平，這可能與地下水位、土壤質(zhì)地以及生物炭類型有關(guān).不過，本試驗結(jié)果表明，生物炭施用量較高的兩個處理(T3，T4)莖粗、葉面積指數(shù)差異并不明顯.

葉片是番茄進行光合作用的主要器官，漬水脅迫會導致植物葉片光合反應(yīng)中心失活或遭到破壞[10]，進而降低葉面積.本研究中，隨著生物炭施加量增多，可變熒光Fv、最大熒光Fm及其比值均逐漸增大，初始熒光Fo逐漸減小，這表明生物炭對番茄葉片有積極作用，可以緩解漬害對葉片光合中心的破壞程度.這與葉面積指數(shù)對生物炭的響應(yīng)規(guī)律相一致，也進一步證實生物炭有助于提高番茄的耐漬能力.

3.4 施用生物炭對產(chǎn)量及水分利用效率的影響

漬水對根系的傷害使葉片加速衰老，影響光合作用、干物質(zhì)分配等生理過程，從而削弱植株光合產(chǎn)物的累積量，最終造成作物減產(chǎn)[11].已有研究表明，適量生物炭能優(yōu)化番茄根系形態(tài)，顯著提高番茄產(chǎn)量[9].本試驗結(jié)果也表明，施用生物炭顯著提高根表面積、根體積、根干質(zhì)量和根系活力.因此，生物炭處理下番茄產(chǎn)量均高于對照，但可能因為漬水嚴重，生物炭對番茄產(chǎn)量影響不具有統(tǒng)計學意義.由于生物炭能夠有效抑制表層土壤水分蒸發(fā)，促進土壤聚集水分，進而減少土壤水的損失，因此，隨著生物炭施加量的增多，番茄耗水量顯著減少.根據(jù)WUE的構(gòu)成因素，文中番茄產(chǎn)量隨著生物炭施用量的增多而增加，而耗水量逐漸減小，這使得番茄水分利用效率大幅度增加，5%的生物炭施用量下WUE幾乎達到對照處理的2倍，與AKHTAR等[12]研究發(fā)現(xiàn)生物炭可以增加產(chǎn)量對水分消耗的比例，從而提高作物水分利用效率的結(jié)果相同.

4 結(jié) 論

生物炭處理下土壤物理性質(zhì)、番茄各項形態(tài)指標和生理指標的變化表明，南方地區(qū)土壤中施加生物炭，具有降低土壤容重、促進作物生長等作用.生物炭對漬害條件下番茄產(chǎn)量和水分利用效率的影響，進一步證實施用生物炭可成為緩解南方地區(qū)作物漬害脅迫的方法.文中對生物炭施用量進行定量評估，結(jié)果表明，當生物炭施用量達到5%時，土壤容重顯著降低，較對照處理下降了11.8%，株高、莖粗、葉面積指數(shù)、根表面積、根體積、地上部干質(zhì)量、根干質(zhì)量、總干物質(zhì)量和根系活力等形態(tài)指標、生理指標均顯著增加，產(chǎn)量提高34.3%，WUE近似對照處理的2倍.生物炭施加量增至10%時，土壤容重進一步降低，較5%的生物炭施加量降低0.03 g/cm3，植株生長發(fā)育更加良好，產(chǎn)量和WUE分別提高16.7%，24.6%，但兩者差異不顯著.因此，5%的生物炭施用量較為經(jīng)濟合理，適于實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用.