蔬菜秸稈生物炭對日光溫室黃瓜連作土壤性狀及植株生長的影響

婁 潔，何明霞，李曉甜，陳曉璐，張大龍,3，魏 珉,3

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安 271018；2.山東省菏澤市牡丹區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東菏澤 274000；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程科學(xué)觀測實驗站，山東泰安 271018）

設(shè)施蔬菜對我國蔬菜產(chǎn)品周年供應(yīng)發(fā)揮了重要作用。實際生產(chǎn)中，種植者為了追求高產(chǎn)高效，經(jīng)常在同一塊土地上連續(xù)種植同一種蔬菜，導(dǎo)致連作障礙逐年加重，影響設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。生物炭是一種在氧氣有限的條件下，通過生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化獲得的固體材料，具有pH值高、礦質(zhì)營養(yǎng)豐富、表面孔隙結(jié)構(gòu)多等特點，用作土壤改良劑可以降低土壤容重，緩解土壤酸化，提高土壤養(yǎng)分含量和酶活性，改善土壤微生物結(jié)構(gòu)，促進(jìn)作物生長，提高產(chǎn)量。但是，關(guān)于蔬菜秸稈生物炭改良土壤效果的研究報道較少。本研究開展了不同蔬菜秸稈生物炭改良日光溫室黃瓜連作土壤效果研究，以期為蔬菜秸稈資源化利用和設(shè)施蔬菜土壤改良提供理論與技術(shù)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗場地和材料

試驗于2022年2—5月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝試驗站日光溫室進(jìn)行。供試黃瓜為‘鴻強(qiáng)新秀’/‘霸圖430’嫁接苗，供試土壤為日光溫室連續(xù)種植黃瓜5年以上的10～20 cm耕層土壤，供試生物炭分別為番茄秸稈生物炭(F)、甜椒秸稈生物炭(T)、茄子秸稈生物炭(Q)，由本實驗室參考Yuan等方法制備，基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 3種蔬菜秸稈生物炭的基礎(chǔ)理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用盆栽法，盆口直徑15 cm、高12 cm。以未施生物炭的連作土壤為對照（CK），番茄、甜椒、茄子3種生物炭分別按照風(fēng)干土壤質(zhì)量的2.5%、5%、7.5%添加，編號分別記作F1、F2、F3，T1、T2、T3和Q1、Q2、Q3，每個處理重復(fù)3次，每次重復(fù)10盆。試驗時，將生物炭粉碎，過10目篩，然后與連作土壤混勻，裝入盆中，每盆總質(zhì)量1 kg。2月28日定植二葉一心的黃瓜幼苗，每盆1株，生育期按照常規(guī)管理。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤指標(biāo) 定植后40 d，每重復(fù)取3盆，采用抖根法收集根際土壤，混勻，風(fēng)干后過100目篩用于測定土壤性狀。

測定土壤pH和EC（土壤電導(dǎo)率）值分別采用pH計和電位法，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法，堿解氮含量采用堿擴(kuò)散法，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻鈧比色法，速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法。測定土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法，脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法。

1.3.2 黃瓜生長和生理代謝指標(biāo) 定植后40 d，每重復(fù)選取長勢一致的黃瓜5株，測量生長和生理指標(biāo)。

植株鮮質(zhì)量在105℃烘箱中殺青15 min，75℃下烘干至恒質(zhì)量后稱干質(zhì)量；根系構(gòu)型用MRS-9600TFU2L根系掃描儀測定。

測定葉片葉綠素含量采用乙醇-丙酮混合浸泡比色法，測定超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑比色法，過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法，過氧化氫酶（CAT）活性采用過氧化氫分解量法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。利用SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗（＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 蔬菜秸稈生物炭對黃瓜連作土壤性狀的影響

2.1.1 土壤pH和EC值 與對照相比，添加蔬菜秸稈生物炭均顯著提高了土壤的pH和EC值，且生物炭用量越大效果越明顯（圖1）。相同用量條件下，提高土壤pH值的效果為甜椒秸稈生物炭＞番茄秸稈生物炭＞茄子秸稈生物炭，提高土壤EC值的效果為甜椒秸稈生物炭＞茄子秸稈生物炭＞番茄秸稈生物炭。

圖1 不同蔬菜秸稈生物炭對黃瓜土壤pH和EC的影響

2.1.2土壤養(yǎng)分含量 由表2可知，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均隨著3種生物炭用量的增加而增加，7.5%用量下含量最高。相同用量條件下，番茄秸稈生物炭對堿解氮和速效磷的提高效果更明顯，甜椒秸稈生物炭對有機(jī)質(zhì)和速效鉀的提高效果更明顯。

表2 不同蔬菜秸稈生物炭對黃瓜連作土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量的影響

2.1.3 土壤酶活性 由表3可知，土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶活性均隨3種生物炭用量的增加先增加后降低；相同用量條件下，提高蔗糖酶活性的效果為甜椒秸稈生物炭＞茄子秸稈生物炭＞番茄秸稈生物炭，提高過氧化氫酶和脲酶活性的效果為茄子秸稈生物炭＞甜椒秸稈生物炭＞番茄秸稈生物炭。5%用量甜椒秸稈生物炭提高土壤酶活性的效果最明顯，蔗糖酶、過氧化氫酶和脲酶活性分別較對照提高165.92%、25.98%、20.41%，其次是5%用量茄子秸稈生物炭。

表3 不同蔬菜秸稈生物炭對黃瓜連作土壤酶活性的影響

2.2 蔬菜秸稈生物炭對連作黃瓜生長和生理代謝的影響

2.2.1 植株生長 由圖2可知，黃瓜干物質(zhì)量隨3種秸稈生物炭用量的增加呈先升高后降低變化趨勢，番茄秸稈生物炭在2.5%用量下、甜椒和茄子秸稈生物炭在5%用量下達(dá)到最大值。綜合比較，甜椒秸稈生物炭在5%用量下促進(jìn)連作黃瓜生長的效果最明顯，干物質(zhì)積累量較對照提高58.56%。

圖2 不同蔬菜秸稈生物炭對連作黃瓜植株生長的影響

2.2.2 根系構(gòu)型和根系活力 由表4可知，根平均直徑、根系表面積和根系活力均隨3種秸稈生物炭用量的增加呈先升高后降低變化，番茄秸稈生物炭在2.5%用量下、甜椒和茄子秸稈生物炭在5%用量下最大。與對照相比，施用5%甜椒秸稈生物炭使黃瓜根系活力增加53.74%。

表4 不同蔬菜秸稈生物炭對連作黃瓜根系構(gòu)型參數(shù)和根系活力的影響

2.2.3葉片色素含量和光合參數(shù) 由表5可知，葉片色素含量、光合速率和蒸騰速率均隨3種秸稈生物炭用量的增加先升高后降低，番茄秸稈生物炭在2.5%用量、甜椒和茄子秸稈生物炭在5%用量下最大。5%用量甜椒秸稈生物炭提高黃瓜葉片葉綠素、類胡蘿卜素、凈光合速率和蒸騰速率的效果最明顯，分別較對照提高114.44%、57.14%、22.74%、29.81%。

表5 不同蔬菜秸稈生物炭對連作黃瓜葉片色素含量和光合特性的影響

2.2.4 葉片抗氧化酶活性 由圖3可見，超氧化物 歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性均隨著3種秸稈生物炭用量的增加先增加后降低，番茄秸稈生物炭在2.5%用量下、甜椒和茄子秸稈生物炭在5%用量下酶活性最強(qiáng)。甜椒秸稈生物炭5%用量下黃瓜葉片超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性活性最強(qiáng)，分別較對照提高51.52%、39.62%、327.03%。

圖3 不同蔬菜秸稈生物炭對連作黃瓜葉片抗氧化酶活性的影響

3 結(jié)論與討論

前人研究表明，生物炭呈堿性，含有豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分和孔隙結(jié)構(gòu)，施到土壤中可以改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤酶活性，優(yōu)化根系環(huán)境，促進(jìn)作物生長。本研究表明，3種蔬菜秸稈生物炭均能夠提高黃瓜連作土壤的pH和EC值，增加土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，并且適宜用量的蔬菜秸稈生物炭可以顯著促進(jìn)連作黃瓜生長和代謝，增加干物質(zhì)積累。不同用量條件下，2.5%番茄秸稈生物炭、5%甜椒和茄子秸稈生物炭改良黃瓜連作土壤的效果更佳；相同用量條件下，甜椒秸稈生物炭改良黃瓜連作土壤的效果更佳，原因可能與生物炭的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)有關(guān)，具體有待于進(jìn)一步深入研究。

綜合本研究結(jié)果，甜椒秸稈生物炭按照土壤質(zhì)量的5%施用改良黃瓜連作土壤的效果最佳。