生物炭和灌水量對(duì)土壤保水性及溫室番茄生理特性的影響

李欣雨，張川*，閆浩芳，AKHLAQ Muhammad，李嵐蘭，張文程，王紀(jì)章

(1. 江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

greenhouse

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展模式中最主要的是設(shè)施農(nóng)業(yè)，對(duì)農(nóng)業(yè)資源利用率的提高具有關(guān)鍵性作用[1].中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)種植面積截至2017年世界排名第一，為2.10×106hm2[2].被世界公認(rèn)最廣種植范圍之一的番茄在中國(guó)當(dāng)前種植面積約為1.25×106hm2[3].目前，可以提高番茄產(chǎn)量的改良方法有很多，包括沖洗、施肥和使用化學(xué)試劑等[4-6].生物炭是一種具有綠色、安全且高效等特性的土壤改良劑[7]，對(duì)節(jié)水灌溉和糧食增產(chǎn)增質(zhì)具有重要意義.

生物炭通過其獨(dú)特的物理性質(zhì)能夠不同程度地改良土壤，這是通過對(duì)土壤系統(tǒng)的影響[8-9].而土壤系統(tǒng)物理特性的改變是通過土壤中生物炭的使用，從而改變了土壤結(jié)構(gòu)、體表面積和孔隙度等因素[10-11].LAIRD等[12]研究發(fā)現(xiàn)在土壤中添加生物炭耕作3 a后，土壤耕作層的容重明顯減小，且土壤容重隨生物炭施用量增加而逐漸減小.土壤水分利用效率的提高可以促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)，主要通過生物炭改變土壤物理因素，提高土壤水分利用效率[13].馬麗等[14]研究表明在土壤中添加一定量的生物炭可以提高草莓的光合能力.AKHTAR等[15]研究發(fā)現(xiàn)生物炭能夠提高盆栽番茄產(chǎn)量，研究是在沙壤土用虧缺灌水的方式灌溉.在改良農(nóng)田水土環(huán)境和農(nóng)作物增加產(chǎn)量等方面，生物炭的應(yīng)用研究取得了一定的成果，在更進(jìn)一步研究生物炭不同施用量的處理中，灌水量是具有影響作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的重要因素.

綜上，為了研究生物炭和灌水量對(duì)土壤物理性質(zhì)、作物生長(zhǎng)生理特性及產(chǎn)量的影響，文中以溫室番茄為研究對(duì)象，設(shè)置不同生物炭施用量和灌水量共9組處理，探討生物炭施用量與灌水量對(duì)土壤、番茄生長(zhǎng)及生理特性的影響.研究成果可為改善土壤質(zhì)量以及提高作物用水效率，提供參考依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

在Venlo型智能溫室內(nèi)進(jìn)行研究試驗(yàn)，試驗(yàn)地位于江蘇省鎮(zhèn)江市(119°25′E，32°11′N；海拔為23 m)，試驗(yàn)所用溫室屋脊呈南北走向，長(zhǎng)度為20 m，天溝高達(dá)3.8 m，檐高為4.4 m，跨度為6.4 m，用4 mm厚的浮法玻璃作為覆蓋材料.溫度高時(shí)打開東北兩側(cè)窗進(jìn)行通風(fēng)，溫室內(nèi)日均溫度為28.6 ℃，最高溫度為40 ℃.溫室內(nèi)的試驗(yàn)土壤類型屬于黏土.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取目前蘇南地區(qū)主要栽培的番茄品種“合作906”，采用土槽種植，土槽長(zhǎng)0.60 m，寬0.65 m，深0.30 m.每個(gè)土槽種植2行，共54株；灌溉采用根部滴灌的灌水方式(滴頭間距30 cm，流量為1.0 L/h).灌水參考依據(jù)采用20 cm標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿，灌水時(shí)間為水面蒸發(fā)量(Ep)累計(jì)達(dá)到20±2 mm時(shí)進(jìn)行[16].2018年3月2日—7月16日，共136 d為番茄完整生育期.

番茄于2018年3月2日播種，播種后26 d移栽，在移栽前施底肥高濃度硫酸鉀型復(fù)合材料，苗期和開花坐果期分別追加一次1 000 mL水溶性肥料，番茄種植密度為5.13株/m2.

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)生物炭施用量處理：B0(0 kg/m2)，B1(2.5 kg/m2)，B2(5.0 kg/m2).施用方法是將生物炭撒在土壤表面再進(jìn)行攪拌，其理化性質(zhì)：pH為10.35；土壤有機(jī)碳SOC、總氮、全磷、全鉀質(zhì)量比分別為467.20，5.90，14.43，11.50 g/kg；土壤陽(yáng)離子交換量CEC為21.7 cmol/kg.

每個(gè)生物炭施用量設(shè)置3個(gè)灌水量水平：充分灌溉T1(1.4Ep)、中度虧缺T2(1.2Ep)、重度虧缺T3(1.0Ep)，每個(gè)水平設(shè)置3次重復(fù)，如圖1所示.番茄整個(gè)生育期的灌水量：灌溉水平T1，T2，T3分別為481.97，401.98，328.75 mm.

圖1 灌水量和生物炭試驗(yàn)布置圖

1.3 試驗(yàn)觀測(cè)

1.3.1 土壤物理性質(zhì)

在番茄苗期灌水之前取土樣，除去浮土在耕層10 cm處用環(huán)刀取土，每個(gè)處理3次重復(fù)，將土樣用土壤三相儀(DIK-1150，Japan)測(cè)定土壤容重和孔隙度.土壤體積含水率的測(cè)定是將2個(gè)土壤水分傳感器(Stevens Hydro Probe Ⅱ，USA)布置在相同處理?xiàng)l件下土槽外的土壤中，由CR1000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Campbell，USA)每1 h自動(dòng)采集.

1.3.2 生長(zhǎng)指標(biāo)

在番茄整個(gè)生育期內(nèi)，對(duì)每個(gè)處理選取長(zhǎng)勢(shì)良好、無(wú)病害植株隔10 d測(cè)量1次株高和莖粗.番茄莖基部到尖端的距離即為株高，莖稈基部的直徑即為莖粗，分別采用卷尺和游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量.果實(shí)成熟后分批采收，每個(gè)果實(shí)用電子天平進(jìn)行稱重并記錄，用于計(jì)算產(chǎn)量.

1.3.3 番茄生理指標(biāo)

番茄葉片的氣孔導(dǎo)度和光合速率采用GFS-3000光合測(cè)量?jī)x(WALZ，Germany)在成熟采摘期內(nèi)晴朗無(wú)云的天氣進(jìn)行測(cè)定.隨機(jī)測(cè)定9組處理長(zhǎng)勢(shì)良好無(wú)病害的番茄旗葉以下第3片功能葉中部位置，取葉片測(cè)量3次的平均值，8:00—17:00為生理指標(biāo)的觀測(cè)時(shí)間，測(cè)定1次間隔時(shí)間為1 h.

1.3.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)采用SPSS 16進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析采用雙因素方差分析法.當(dāng)顯著性水平P<0.05時(shí)，確定平均值的顯著性差異是利用最小顯著性差異檢驗(yàn).

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭和灌水量對(duì)土壤容重和孔隙度的影響

不同生物炭施用量和灌水量處理下土壤容重ρ和孔隙度δ的變化情況如圖2所示.

圖2 生物炭和灌水量對(duì)土壤容重和孔隙度的影響

隨著生物炭施用量增加，不同灌水量下土壤容重均逐漸減小、孔隙度增大，其中處理B2T1下土壤容重最小為0.974 g/cm3，相比B0T2降低14.79%.生物炭施用量處理B1和B2較B0在不同灌水量下容重依次降低了7.3%和15.6%(T1)，13.8%和16.6%(T2)，2.5%和6.5%(T3)；孔隙度依次增加了4.9%和9.5%(T1)，8.8%和10.5%(T2)，1.9%和3.4%(T3).

因?yàn)槎嗫仔越Y(jié)構(gòu)是生物炭的固有屬性，數(shù)量較多且不同形狀的微孔不僅增加生物炭的比表面積，而且增加土壤孔隙度、降低土壤容重和改善土壤結(jié)構(gòu)，從而提高土壤的通氣性和持水能力.

表1為生物炭施用量和灌水量對(duì)土壤容重和孔隙度的方差分析.由表統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，灌水量對(duì)土壤容重和孔隙度的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而生物炭對(duì)土壤容重和孔隙度的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，生物炭施用量和灌水量的交互作用對(duì)其容重和孔隙度的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

表1 生物炭施用量和灌水量對(duì)土壤容重和孔隙度的方差分析

2.2 生物炭對(duì)土壤體積含水率的影響

在番茄移栽前，對(duì)不同生物炭處理的土壤進(jìn)行灌水，使其達(dá)到飽和狀態(tài).圖3為不同生物炭施用量處理下土壤體積含水率ε的變化過程線，圖中t為時(shí)間.到達(dá)峰值的3組生物炭處理對(duì)應(yīng)體積含水率均在灌溉2 d后，土壤體積含水率峰值越高表示生物炭施用量越多，即按處理排序由大到小為B2，B1，B0，對(duì)應(yīng)的飽和含水量分別為74.2%，64.0%和42.1%.隨后峰值逐步開始降低，處理B1和B2的退水系數(shù)ζ在灌溉后3～6 d較大，對(duì)應(yīng)為0.047和0.054，下降的速度越快表明數(shù)值越大，數(shù)值最小的B0為0.006； B0和B1的退水系數(shù)在6～30 d時(shí)相等為0.006，退水系數(shù)下降速度相對(duì)較慢且基本保持一致，退水系數(shù)為0.017的處理B2，與前6 d下降速率相比有所減緩，但比處理 B0和B1下降的速率仍大.

由以上分析表明，添加生物炭能夠增加土壤最大含水率.與B0相比，處理B1和B2使土壤最大含水率分別增大為21.9%和32.1%，但其短時(shí)期內(nèi)的保水性隨著施用量越大而越差.原因是添加生物炭改變土壤中的孔隙度和團(tuán)聚程度，由此增大了土壤比表面積，土面蒸發(fā)速度隨著土壤比表面積增大而加快，變化也越明顯，再加試驗(yàn)前的翻地使土壤松散減弱了其持水能力.因此，土壤短時(shí)期的保水性由于添加生物炭而較差；土壤保水性好并不是生物炭的大量添加，在生物炭改良土壤方面，其長(zhǎng)時(shí)期有較強(qiáng)持水能力得益于適量生物炭的添加.

圖3 土壤體積含水率與生物炭的響應(yīng)關(guān)系

2.3 生物炭和灌水量對(duì)生長(zhǎng)指標(biāo)及產(chǎn)量的影響

表2為生物炭施用量和灌水量對(duì)番茄株高h(yuǎn)和莖粗d的影響.番茄的株高和莖粗采用增幅計(jì)算，即整個(gè)生育期內(nèi)第1次和最后1次測(cè)量的差.在3種生物炭施用量處理下，隨著灌水量增加，株高呈明顯的上升趨勢(shì).隨著生物炭施用量增加，番茄株高在灌水量水平T1下先減小后增大且增幅較小，在T2下逐漸增大，在T3下先增大后減小.在處理B1和B2下，隨著灌水量減少，株高和莖粗明顯降低(P<0.05)，而B0不施生物炭在T3下相比T2的番茄株高增加0.3%；在B2下，隨著灌水量增加，番茄莖粗呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).

表2 生物炭和灌水量對(duì)番茄株高和莖粗的影響

不同生物炭施用量處理下，番茄產(chǎn)量均隨灌水量增加呈顯著增加的趨勢(shì)(P<0.05).圖4為生物炭和灌水量對(duì)番茄產(chǎn)量Y的影響.由圖可知，不同生物炭施用量在不同灌水量下對(duì)番茄產(chǎn)量的影響存在一定的差異，在灌水量水平T1下，處理B2的產(chǎn)量最大，較B0提高了30.92%.在灌水量T3下，B1和B2的產(chǎn)量相比B0分別增加了83.69%和176.60%，其中處理 B2T1番茄的產(chǎn)量與對(duì)照組相比最大增幅為631.15%，是B0T1的1.31倍，而B0T1的產(chǎn)量是B0T3的11.73倍.

圖4 生物炭和灌水量對(duì)番茄產(chǎn)量的影響

表3為灌水量和生物炭對(duì)番茄株高、莖粗及產(chǎn)量的方差分析.

表3 灌水量和生物炭對(duì)番茄株高、莖粗及產(chǎn)量的方差分析

從方差分析可得生物炭對(duì)株高和莖粗的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，生物炭施用量對(duì)株高和莖粗的影響遠(yuǎn)小于灌水量對(duì)其的影響.由此表明，灌水量在兩者交互影響中是影響株高和莖粗的主要因素，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生物炭對(duì)其的影響，兩者交互作用對(duì)番茄株高和莖粗的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)；生物炭對(duì)番茄產(chǎn)量沒有顯著影響，生物炭處理和灌水量水平的交互對(duì)番茄產(chǎn)量的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).

2.4 生物炭和灌水量對(duì)葉片生理指標(biāo)的影響

圖5和圖6是番茄成熟采摘期灌水量和生物炭對(duì)葉片光合速率Pn和氣孔導(dǎo)度Gs當(dāng)日的變化規(guī)律(圖中是成熟采摘期日變化的番茄葉片生理指標(biāo)).成熟采摘期下，不同生物炭施用量中灌溉水平T1和T2的葉片氣孔導(dǎo)度日變化呈現(xiàn)雙峰型(如圖5a和5b)；在T3下，氣孔導(dǎo)度的峰值無(wú)明顯變化規(guī)律(如圖5c所示).而灌水量水平T1和T3的氣孔導(dǎo)度依次在11:00和14:00達(dá)到峰值且11:00遠(yuǎn)大于14:00，葉片氣孔導(dǎo)度隨著溫室內(nèi)氣溫升高而增大，兩峰之間約12:00的葉片氣孔導(dǎo)度出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，該現(xiàn)象是因?yàn)樘?yáng)輻射和溫度達(dá)到當(dāng)日最大值，多數(shù)葉片進(jìn)行自身保護(hù)而關(guān)閉氣孔，以防植株嚴(yán)重失水從而使氣孔導(dǎo)度迅速下降而使光合速率降低，由此“光合午休”現(xiàn)象出現(xiàn).11:00時(shí)番茄葉片光合速率對(duì)應(yīng)處理B0，B1和B2的峰值按灌溉水平排序從大到小依次為T1，T2，T3，這個(gè)規(guī)律的呈現(xiàn)是由于土壤中水分減少使番茄葉片面積減小、氣孔開度下降和水勢(shì)升高，從而降低了作物的光合速率.番茄葉片的光合速率在水平T1時(shí)，第1個(gè)峰值按處理排序從大到小依次為B2，B1，B0；水平T2和T3下，按處理排序從大到小依次為B0，B1，B2.由以上分析表明，在充分灌溉下施用生物炭對(duì)葉片的光合速率有促進(jìn)作用，在中度和重度水分虧缺下對(duì)葉片的光合速率有抑制作用且與施用量變化趨勢(shì)一致.試驗(yàn)中，所有處理當(dāng)日光合速率和氣孔導(dǎo)度變化具有同一趨勢(shì).相比處理B0，番茄葉片當(dāng)日平均光合速率在水平T1下的B1和B2依次高11.4%和54.8%，T2下依次高3.2%和低13.9%，T3下低16.7%和50.6%.

圖5 灌水量和生物炭處理的番茄葉片氣孔導(dǎo)度日變化規(guī)律

圖6 灌水量和生物炭處理的番茄葉片光合速率日變化規(guī)律

3 討 論

適量應(yīng)用生物炭能夠增大土壤孔隙度，使容重減小，進(jìn)一步改變結(jié)構(gòu)，從而提高土壤的最大含水率，以此促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育并增產(chǎn)增質(zhì).而農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育離不開土壤水，灌水量和非適量生物炭的結(jié)合應(yīng)用均會(huì)抑制番茄的生長(zhǎng)，從而使產(chǎn)量受到一定的影響[17].現(xiàn)有相關(guān)研究成果表明，土壤在不同灌水量下生物炭施用量越多土質(zhì)越松散，其容重越小相應(yīng)的孔隙度越大，促使土壤的持水和導(dǎo)水性變強(qiáng)，提高了番茄生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量[18].文中研究發(fā)現(xiàn)不同灌水量下生物炭的應(yīng)用有效地降低了土壤容重、增大了其孔隙度，有效提高了土壤的含水率，這與現(xiàn)有研究結(jié)論保持一致[19-20].短時(shí)期的容重與灌水量響應(yīng)關(guān)系不顯著，但處理B2的土壤容重在生物炭和灌水量交互作用中的降幅最大.

農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)是否良好的主要衡量指標(biāo)包括莖粗和株高，作物營(yíng)養(yǎng)吸收是否充足取決于莖稈粗壯的反映[21].現(xiàn)有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，番茄莖粗和株高在不同生育期隨著灌水量增加而顯著增加[21-22].文中研究的充分灌溉中不同生物炭處理對(duì)作物株高的生長(zhǎng)沒有促進(jìn)作用；在中度虧缺下對(duì)番茄株高的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用；重度虧缺中沒有明顯響應(yīng).現(xiàn)有研究和文中研究的結(jié)論存在一些差異[23]，3組處理B0，B1和B2的番茄株高在全生育期都有顯著差異，且番茄莖粗也以較快的速度隨著生物炭施用量增加而增加.由于灌水制度不同，可能導(dǎo)致文中研究與該結(jié)論存在一定的差異[19].

生物炭和灌水量不同對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生的影響各異，終將在各處理間作物產(chǎn)量中有所反映.目前相關(guān)研究結(jié)果顯示，與灌水量充足的處理相比，各虧缺灌水處理降低番茄產(chǎn)量15.52%～51.99%[2,24-25].相關(guān)研究的各結(jié)果表明灌水量不同程度地影響番茄產(chǎn)量.本研究中，每個(gè)生物炭施用量相同的處理下，T1的番茄產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于T2和T3的.出現(xiàn)番茄產(chǎn)量有明顯影響的現(xiàn)象可能是水肥互作所致，在整個(gè)生育期內(nèi)對(duì)番茄各生長(zhǎng)階段的施肥量相同，水平T1的灌水量比T2和T3的相對(duì)較多，所以T2和T3相對(duì)T1的作物營(yíng)養(yǎng)吸收與利用較少[26-27].AGBNA等[19]的結(jié)果與文中研究結(jié)論存在差異，其研究發(fā)現(xiàn)通過生物炭對(duì)土壤的改良從而改善了作物的生長(zhǎng)環(huán)境，因此番茄果實(shí)鮮質(zhì)量顯著增加.

外界能量和物質(zhì)合成對(duì)作物自身需求利用物質(zhì)的生理過程稱為光合作用，而虧缺灌水不利于作物葉片進(jìn)行光合作用從而影響光合速率[28].文中試驗(yàn)研究結(jié)果表明，處理B0，B1和B2的番茄葉片光合速率在水平T1下，11:00時(shí)出現(xiàn)的峰值按處理排序由大到小依次為B2，B1，B0；在T2和T3的峰值按處理排序由大到小依次為B0，B1，B2.這是因?yàn)橹形鐪囟壬咄瑫r(shí)土壤含水量減少導(dǎo)致番茄葉片關(guān)閉部分氣孔，部分氣孔關(guān)閉增大了氣孔密度、葉片厚度和氣孔阻力，最后降低了作物的蒸騰速率[29].而在土壤中應(yīng)用生物炭增大了其孔隙度從而提高土壤含水率，為番茄的生長(zhǎng)發(fā)育運(yùn)輸水分，從而使葉片氣孔關(guān)閉程度以及其對(duì)番茄光合速率的抑制作用減弱[30].

4 結(jié) 論

1) 土壤中適當(dāng)添加生物炭可以有效地增加土壤的保水性，處理B1和B2相對(duì)B0可以增大土壤最大含水率為21.9%和32.1%，降低土壤容重2.5%～16.6%，增加土壤孔隙度1.9%～10.5%.

2) 生物炭施用量和灌水量增加，對(duì)番茄作物生長(zhǎng)和果實(shí)產(chǎn)量有促進(jìn)和提高作用.處理B2T1下產(chǎn)量與B0T2相比，最大增幅為631.15%，是B0T1的1.31倍；處理B0T1下的番茄產(chǎn)量是B0T3的11.73倍.

3) 生物炭施用量在充分灌水和中度虧缺的處理下均有效提高了葉片氣孔導(dǎo)度和光合速率，處理B1和B2的生物炭施用量處理分別提高番茄葉片的光合速率為11.4%和54.8%，而在重度虧缺的條件下，B1和B2生物炭的施用抑制了番茄葉片的光合速率，為16.7%和50.6%.