生物炭施用對(duì)濱海鹽堿地番茄生長(zhǎng)與耗水規(guī)律的影響

果才佳，Gamareldawla H D Agbna，佘冬立

（河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京210098）

0 引 言

土壤鹽漬化問(wèn)題始終是關(guān)系到我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境質(zhì)量改善的戰(zhàn)略問(wèn)題。我國(guó)境內(nèi)大量的鹽漬土地具有改良應(yīng)用的價(jià)值，是潛在的耕地資源［1］，其對(duì)糧食安全的支撐作用是不可忽視的。隨著人口不斷增長(zhǎng)，要滿足對(duì)糧食等農(nóng)產(chǎn)品的巨大需求，全面高效利用沿海鹽堿地是重要措施之一；但同時(shí)，養(yǎng)分缺乏和鹽脅迫嚴(yán)重制約了沿海土壤生產(chǎn)力［2］。因此，減輕鹽脅迫、提高土壤肥力水平、提升土壤環(huán)境生態(tài)服務(wù)功能、大幅提高鹽堿地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，是濱海鹽堿地土地資源開(kāi)發(fā)利用的重要基礎(chǔ)［3］。

生物炭指在低氧環(huán)境中熱解生物有機(jī)物質(zhì)（生物質(zhì)），通過(guò)裂解生成的高度芳香化、富含碳素的多孔固體顆粒物質(zhì)。生物炭作為一種改良土壤養(yǎng)分循環(huán)、有機(jī)物分解的土壤調(diào)理劑愈發(fā)受到關(guān)注［4］。已有研究表明，生物炭因其良好的多孔特性及其穩(wěn)定的生物學(xué)特性，施入土壤后可顯著調(diào)節(jié)土壤環(huán)境，在提高土壤肥力和增加作物產(chǎn)量等方面具有重要作用［5］。生物炭的施用可降低土壤容重、促進(jìn)團(tuán)聚體形成、增大土壤孔隙度、通氣性和水分滲透性，從而增加土壤鹽分的淋溶和改堿［6］。因此，目前相關(guān)研究已經(jīng)明確了生物炭作為土壤改良劑增加土壤肥力和促進(jìn)植物生長(zhǎng)的諸多效應(yīng)，并認(rèn)識(shí)到施用生物炭減輕作物鹽分脅迫的潛力等；然而，關(guān)于生物炭作為土壤改良劑緩解濱海高鹽分脅迫條件下作物對(duì)水分利用效率的研究還有待深入。本研究通過(guò)番茄盆栽實(shí)驗(yàn)，明確不同生物炭添加量對(duì)濱海鹽堿土番茄生長(zhǎng)與耗水規(guī)律影響，探索生物炭對(duì)濱海鹽堿土壤改良效果，評(píng)估鹽堿土壤施用生物炭對(duì)番茄產(chǎn)量、水分利用效率和果實(shí)品質(zhì)的影響。研究結(jié)果可為濱海鹽堿地區(qū)鹽漬土改良技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

供試土樣取至江蘇省東臺(tái)市沿海條子泥墾區(qū)（32°33'N，121°07' E），東近黃海。該區(qū)土壤為典型海涂圍墾區(qū)鹽堿土，2012年圍墾。試驗(yàn)土壤類(lèi)型以砂土、粉砂土為主，土壤砂粒（0.2～0.02 mm）含量為83.05%，粉粒（0.02～0.002 mm）含量為13.27%，黏粒（＜0.002 mm）含量為3.68%；有機(jī)質(zhì)含量為5.21 g/kg；EC1∶5為5.9 dS/m。

試驗(yàn)于2015年4月19日至8月18日河海大學(xué)節(jié)水科技園區(qū)溫室大棚中進(jìn)行（31°86'N，118°60'E）。該地區(qū)以亞熱帶濕潤(rùn)氣候?yàn)橹?，年平均降水量? 021.3 mm，年平均蒸發(fā)量900 mm，年平均氣溫15.7 ℃，年無(wú)霜期237 d，年均日照時(shí)間為2 212.8 h。本試驗(yàn)所用生物炭是河南三利新能源公司生產(chǎn)的商用小麥秸稈生物質(zhì)炭，由350～550 ℃熱裂解炭化制得。該生物炭pH 為9.9，電導(dǎo)率為1.0 dS/m，有機(jī)碳為467.2 g/kg，全氮含量為5.9 g/kg，容重為0.69 g/cm3，總孔隙度為62.5%。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置5 個(gè)生物炭添加量處理，包括生物炭0%（CK）、0.5%（B2）、2%（B3），4%（B4）和8%（B5）（W/W 干重比）的比例添加量，每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)。采用盆口直徑30 cm，盆底直徑25 cm 和高42 cm 的塑料盆開(kāi)展盆栽試驗(yàn)，每個(gè)塑料盆填土21 kg。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的建議，按照120 kg/hm2的施肥量施用復(fù)合肥［NPK（15∶15∶15）］。在將番茄植株移栽到每盆之前兩天，用水均勻澆灌盆栽區(qū)域土壤，使土壤處于田間持水量，待土壤穩(wěn)定后播種。耗水量基于參考蒸發(fā)蒸騰法［7］，每2 天稱(chēng)量盆重，確定作物在一定水分條件下土壤實(shí)際消耗的水量。通常包括植物實(shí)際蒸騰耗水，以及因蒸發(fā)或下層滲漏損耗的水分，并根據(jù)作物耗水量，平均每三天或在必要時(shí)（取決于生長(zhǎng)階段，天氣和土壤條件）對(duì)番茄進(jìn)行灌溉，持續(xù)到收獲階段結(jié)束。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

番茄生育期劃分為4 個(gè)階段，即苗期與建成期（27 d）、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期（31 d）、開(kāi)花與果實(shí)發(fā)育期（34 d）、果實(shí)成熟與收獲期（24 d）［8］。在番茄生育不同階段測(cè)定植株生長(zhǎng)和生理參數(shù)［即株高、葉面積、葉片相對(duì)含水量（LRWC）、植物鮮重（FPW）、植物干重（DPW）］，采用便攜式激光葉面積儀（CI-203，CID Inc，USA）測(cè)定番茄植株葉面積。在每個(gè)生育期，采集各處理番茄植株葉片，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP）測(cè)定植株葉片鈉（Na），鈣（Ca）和鉀（K）的含量。果實(shí)成熟與收獲期測(cè)定番茄產(chǎn)量與果實(shí)品質(zhì)參數(shù)，包括果實(shí)含水量（FWC）、總可溶性固形物（TSS）、果形指數(shù)（FSI）和顏色指數(shù)（CI）［9］。試驗(yàn)期間，測(cè)定番茄耗水量是基于一定區(qū)域面積和土體深度在某一時(shí)段內(nèi)的水量平衡，間接測(cè)定總蒸散量，計(jì)算水分利用效率（WUE）：番茄產(chǎn)量與生育期總耗水量的比值與灌溉用水效率。每隔兩天，采用烘干法測(cè)定土壤含水量，分別采用pH 計(jì)和DDS-307 電導(dǎo)率儀（上海精密科學(xué)儀器有限公司，上海）測(cè)定土壤pH 值和電導(dǎo)率（土水比1∶5）［10］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用MSTATC 的統(tǒng)計(jì)軟件包對(duì)每個(gè)變量的數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析（Fischer 1990）。當(dāng)F值顯著時(shí)，采用單向方差分析（ANOVA），然后進(jìn)行LSD檢驗(yàn)，p＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄生長(zhǎng)和生物量響應(yīng)

作物生長(zhǎng)情況能夠反映土壤改良的綜合效應(yīng)，株高和葉面積是反映番茄生長(zhǎng)發(fā)育的重要指標(biāo)［11］。在添加不同量生物炭處理下，番茄高度和葉面積的變化如表1所示。

由表1 可知，株高和葉面積隨生物炭添加量增加而顯著升高（p＜0.01）。與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組的番茄株高分別增長(zhǎng)了6.35%、16.19%、34.43%和52.66%，其中B5 處理地上部分株高最高，達(dá)到了74.5 cm。添加生物炭處理相比對(duì)照組植株葉面積增加了1.51%、18.79%、35.34和49.43%，最高值是B5處理，單株葉面積達(dá)到了3268 cm2。

表1 番茄在不同生物炭改良水平下的生長(zhǎng)參數(shù)Tab.1 Tomato growth parameters under different levels of biochar improvement

表1 中給出了收獲時(shí)測(cè)得的地上生物量，番茄新鮮植物重量（FPW）和干燥植物重量（DPW）均隨著生物炭添加量的增加而顯著增加（p＜0.05），對(duì)照組CK處理的最小FPW和DPW值（分別為195.17 g和109.53 g），最大的FPW和DPW值由B5處理（分別為288.3 g和173.78 g）產(chǎn)生，比CK高出47.72%和58.66%。生物炭添加量從B2依次增加到B5提高了植物的生物量。

生物炭添加處理對(duì)植株葉片相對(duì)含水量（LRWC）具有顯著影響，B5處理LRWC最高為91.82%，而在CK處理獲得最低值為87.70%。番茄株高、葉面積、地上部分的干鮮重和葉片相對(duì)含水量均表現(xiàn)為隨生物炭添加量增加而顯著升高，僅B2處理下與對(duì)照組比較無(wú)顯著差異，表明生物炭濃度施用到一定程度時(shí)，對(duì)作物生長(zhǎng)表現(xiàn)為積極的促進(jìn)作用。

2.2 產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)反應(yīng)

不同生物炭添加量處理對(duì)番茄果實(shí)產(chǎn)量具有顯著影響（p＜0.01），如表2 所示，番茄產(chǎn)量隨著生物炭添加量的增加而增加，單株產(chǎn)量變化范圍為358.7～764.8 g，平均值為526.88 t/hm2，CK處理產(chǎn)量最低，而B(niǎo)5 處理獲得最高產(chǎn)量，CK 和B2 處理之間未觀察到顯著差異（p＞0.05）。

表2 番茄產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)對(duì)不同生物炭施用處理的響應(yīng)Tab.2 Response of tomato yield and fruit quality to the biochar applications

從表2 中數(shù)據(jù)可以看出，生物炭處理對(duì)單株果實(shí)的數(shù)量也有顯著影響（p＜0.01），隨生物炭添加，番茄果實(shí)單果重呈上升趨勢(shì)，相對(duì)于對(duì)照組，分別提高單果質(zhì)量達(dá)11.11%、66.67%、100%和111.11%。不同生物炭添加量處理之間的果實(shí)含水量（FWC）值存在顯著差異（p＜0.05），隨著生物炭施用量的增加，F(xiàn)WC顯著增加（p＜0.05），F(xiàn)WC從CK 處理的90.08%增加到B5 處理的93.38%。隨著生物炭施用量的增加，番茄果實(shí)品質(zhì)參數(shù)總可溶性固形物、果實(shí)形態(tài)指數(shù)和顏色指數(shù)均略有增加，但未達(dá)到顯著水平。

2.3 耗水量、水分利用效率與灌溉用水效率

添加生物炭對(duì)番茄植株的耗水量具有顯著影響（p＜0.05）（圖1）。與對(duì)照處理（CK）相比，在B5、B4、B3 處理下添加生物炭分別顯著降低了番茄的耗水率；B2處理下番茄耗水量與對(duì)照組相比無(wú)顯著差異。

圖1 在不同生物炭施用水平下的耗水量Fig.1 Water consumption at different levels of biochar correction

圖2顯示了生物炭處理對(duì)水分利用效率（WUE）的影響。與對(duì)照（CK）相比，施用生物炭使土壤水分利用效率提高了8.30%～49.71%，其中B5處理比對(duì)照提高49.71%，在生物炭處理B4 和B5 中獲得水分利用效率最高值（15.19 和15.69 kg/m3）；在CK 和B2 處理中分別記錄了最低的WUE值（10.48 和11.35 kg/m3），CK和B2處理之間未觀察到顯著差異。

圖2 在不同生物炭施用水平下的水分利用效率Fig.2 Water use efficiency under different biochar correction levels

灌溉用水效率（IWUE）同樣受到生物炭處理的顯著影響（圖3），番茄IWUE隨著生物炭添加量的增加而增加。IWUE的平均值介于10.18～15.17 kg/m3之間，在CK處理下IWUE值最低，而B(niǎo)5處理值最高；CK和B2處理之間IWUE值差異不顯著。

2.4 不同生物炭處理下葉片營(yíng)養(yǎng)

生物炭自身含有一定數(shù)量的N、P、K 養(yǎng)分和一些促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育的微量元素，也可通過(guò)增加如Na+、K+、Mg2+、Ca2+等土壤陽(yáng)離子交換量來(lái)減少土壤中活性鋁等有毒元素對(duì)作物生長(zhǎng)的不利影響［12］。表3 為不同生物炭處理下葉片營(yíng)養(yǎng)元素（Na+，K+和Ca2+）離子濃度和K+/Na+比。與較低生物炭施用量相比，在較高施用量的土壤上，葉片Na+積累的減少，Ca2+，K+濃度的增加以及葉片中K+/Na+比例的增加也可能有助于提高番茄產(chǎn)量。作物生長(zhǎng)減緩的主要原因可能是根系中的NaCl 對(duì)Ca2+和K+等礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收抑制作用［13］。因此，增加K+/Na+比例和減少Na+積累以及改善蒸騰作用可能是抵抗鹽分脅迫的機(jī)制，并且有助于植物生長(zhǎng)和提高番茄產(chǎn)量［14］。

表3 在不同生物炭處理下，番茄葉片營(yíng)養(yǎng)（K+，Ca2+和Na+）濃度和K+/Na+比例Tab.3 Tomato leaves nutrition（K+，Ca2+and Na+）concentration and K+/Na+ration under different biochar treatments

3 討 論

生物炭在改善土壤物理和化學(xué)特性、促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)和提高農(nóng)作物產(chǎn)量等方面發(fā)揮了重要作用［15］。統(tǒng)計(jì)分析表明，在濱海土壤中添加生物碳對(duì)土壤水分含量有顯著的增效作用。同時(shí)，生物炭因豐富微孔結(jié)構(gòu)對(duì)肥水的吸持作用為微生物的生存繁衍提供了良好的棲息環(huán)境［16］。表1顯示了施用生物炭對(duì)番茄生長(zhǎng)及其生物量的影響。統(tǒng)計(jì)分析表明，在沿海土壤中添加生物炭對(duì)番茄植株有積極的影響。生物炭處理（B5、B4 和B3）的產(chǎn)量明顯高于B2 和CK 處理。添加生物炭提高土壤的持水能力，通過(guò)稀釋作用降低離子毒性和對(duì)作物的滲透脅迫［17］。在營(yíng)養(yǎng)不良，退化，保水能力低和高酸性土壤中，生物炭有效改善土壤理化特性，如酸堿度、孔隙度、容重、含水率等，特別提高了土壤中速效養(yǎng)分含量可供植物吸收利用，優(yōu)化作物生長(zhǎng)環(huán)境促進(jìn)作物生長(zhǎng)［18］。同時(shí)，通過(guò)施用生物炭，增加植株體內(nèi)K+/Na+比例和減少Na+積累以及改善蒸騰作用可能是抵抗鹽分脅迫的機(jī)制，并且有助于植物生長(zhǎng)和提高番茄產(chǎn)量。

生物炭改良濱海鹽堿土對(duì)番茄水分利用效率（WUE）和灌溉水利用效率（IWUE）有顯著影響。添加生物炭的處理顯著減少了水分消耗并增加了番茄產(chǎn)量，從而顯著提高了作物WUE和IWUE。先前研究表明，生物炭可以提高土壤的孔隙度和表面積，增加了土壤透氣性和透水性，從而可以降低作物生長(zhǎng)的耗水量［19］。對(duì)照中未施用生物炭改良劑的番茄植株的WUE和IWUE分別為10.48 和18.18 kg/m3，而施用生物炭B5 的WUE和IWUE值分別為15.69 和15.27 kg/m3。在當(dāng)前的研究中，有證據(jù)表明，添加生物炭可以緩解沿海土壤高鹽分對(duì)作物生長(zhǎng)的脅迫，從而提高產(chǎn)量，提高水分利用效率和灌溉水利用效率［20］。

4 結(jié) 論

通過(guò)盆栽試驗(yàn)，研究了生物炭施用對(duì)濱海鹽堿土番茄生長(zhǎng)與耗水規(guī)律的影響。從試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，添加生物炭顯著改善了番茄的生長(zhǎng)性能。生物炭施用對(duì)番茄生長(zhǎng)正效應(yīng)主要?dú)w因于生物炭的施用顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)、提高土壤導(dǎo)水率和含水量來(lái)降低滲透脅迫、降低植物鈉離子濃度和鹽離子毒害等。生物炭施用對(duì)濱海鹽堿地番茄植株的耗水量、水分利用效率和灌溉水分利用效率都有顯著的改善作用。通過(guò)研究表明，生物炭的施用可能是提高沿海地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)力的有效途徑。