礦物生物炭對戈壁沙培番茄根際微環(huán)境、生長及產(chǎn)量的影響

摘 要：為探究礦物生物炭在戈壁日光溫室沙化土壤改良應用中的作用機制，在常規(guī)施肥的基礎上，通過設置不同水平礦物生物炭（0、375、750、1500和3000 kg·hm-2）試驗處理，研究其對番茄根際微生物、土壤養(yǎng)分以及番茄生長和產(chǎn)量的影響。結果表明，增施礦物生物炭可使黃沙土pH略微下降，當?shù)V物生物炭施入量為3000 kg·hm-2時，土壤pH較不施礦物生物炭的對照顯著降低；當?shù)V物生物炭施入量為750 kg·hm-2時，土壤速效鉀含量較對照顯著提高71.45%；當?shù)V物生物炭施入量為1500 kg·hm-2時，土壤有機質含量較對照顯著提高18.54%；當?shù)V物生物炭施入量為3000 kg·hm-2時，土壤有效磷含量較對照顯著提高26.07%；當?shù)V物生物炭施入量為750 kg·hm-2時，番茄根際細菌、放線菌和真菌數(shù)量分別較對照顯著增加82.51%、63.75%和363.30%；番茄葉面積、株幅、根冠比和果實可溶性固形物含量均隨著生物炭施入量的增加不斷增大，而產(chǎn)量隨著礦物生物炭增加呈先升高后降低的趨勢，當?shù)V物生物炭施入量為1500 kg·hm-2時，番茄單株產(chǎn)量達到最高，為8.06 kg。綜上，礦物生物炭用量1500 kg·hm-2處理對戈壁日光溫室沙化土壤改良及番茄產(chǎn)量提升等綜合效果最佳。

關鍵詞：礦物生物炭；戈壁日光溫室；沙培番茄；根際微環(huán)境；生長；產(chǎn)量

中圖分類號：S641.2 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2024）10-088-05

收稿日期：2024-03-13；修回日期：2024-09-24

基金項目：甘肅省第二批隴原青年英才（WWS2023001）；甘肅省青年科技基金計劃項目（22JR5RH1032）

作者簡介：任成梁，男，高級農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)業(yè)科研及示范推廣工作。E-mail：rcl2219985@163.com

通信作者：張國龍，男，高級農(nóng)藝師，主要從事設施農(nóng)業(yè)新技術的研究與示范推廣工作。E-mail：wws_zgl@163.com

Effects of mineral biochar on rhizosphere microenvironment， growth， and yield of tomato in Gobi desert sand

REN Chengliang1， ZHANG Guolong1， CHAI Xiujuan2， HE Xiang1， CHEN Ting1， YUAN Haiying1

（1. Wuwei Academy of Agricultural Sciences ， Wuwei 733000， Gansu， China; 2. Wuwei City Agricultural Product Quality and Safety Supervision and Management Station， Wuwei 733000， Gansu， China）

Abstract： In order to explore the mechanism of mineral biochar in improving desertification soil in Gobi solar greenhouse， different levels of mineral biochar （0， 375， 750， 1500 and 3000 kg·hm-2）were set up for experimental treatment on the basis of conventional fertilization to study their effections on tomato rhizosphere microorganisms， soil nutrients， and tomato growth and yield. The results showed that the application of mineral biochar could slightly reduce the pH of yellow sandy soil， and when the application amount of mineral biochar reached 3000 kg·hm-2， the soil pH was significantly lower than the control group without mineral biochar. When the application amount of mineral biochar reached 750 kg·hm-2， the content of available potassium in soil increased significantly by 71.45%. When the application amount of mineral biochar reached 1500 kg·hm-2， the content of organic matter in soil increased significantly by 18.54%. When the application amount of mineral biochar reached 3000 kg·hm-2， the content of available phosphorus in soil increased significantly by 26.07%. When the application amount of mineral biochar reached 750 kg·hm-2， the number of bacteria， actinomycetes and fungi in tomato rhizosphere increased significantly by 82.51%， 63.75% and 363.30%， respectively. The leaf area， plant width， root-shoot ratio and fruit soluble solids content increased with the increase of biochar application， while the yield index first increased and then decreased. When the application amount of mineral biochar reached 1500 kg·hm-2， the tomato yield per plant reached the maximum of 8.06 kg. To sum up， the treatment with mineral biochar at the dosage of 1500 kg·hm-2 has the best comprehensive effect on improving desertification soil and increasing tomato yield in Gobi solar greenhouse.

Key words： Mineral biochar; Gobi desert sunlight greenhouse; Sand-cultivated tomato; Rhizosphere microenvironment; Growth; Yield

戈壁農(nóng)業(yè)是指在戈壁灘、沙化地、灘涂地等不適宜耕作的閑置土地上，以現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)科技為載體，發(fā)展設施蔬菜及瓜果等特色農(nóng)產(chǎn)品的一種新型農(nóng)業(yè)發(fā)展業(yè)態(tài)[1]。近年來，甘肅省立足戈壁荒漠面積大、光熱資源充足、晝夜溫差大等資源稟賦，大力發(fā)展“戈壁”設施農(nóng)業(yè)，取得了較好的綜合效益。古浪縣黃花灘移民區(qū)屬典型的沙化戈壁，近幾年累計建成日光溫室8000多座[2]，新建日光溫室土壤多為砂壤或綿砂，土壤熟化程度低、肥力差、保水保肥性能差，成為制約戈壁設施農(nóng)作物產(chǎn)量和品質提升的主要因素[3]。

礦物生物炭是指油頁巖半焦廢棄物在缺氧或絕氧環(huán)境中，經(jīng)高溫熱裂解后生成的固態(tài)產(chǎn)物。與普通生物炭不同的是，礦物生物炭除炭成分外，還含有大量的硅酸鹽礦物，是一種以無機礦物和碳元素組成的復合材料[4-5]。礦物生物炭不僅含有多種礦質營養(yǎng)元素，如鉀、鐵、鈣、硅、鎂、硒等，而且其微細孔結構具有強大的吸附力，容易聚集營養(yǎng)物質和有益微生物。因此，近年來通過添加礦物制備礦物生物炭用于土壤改良的相關研究越來越多[6-12]。然而，很少有人將礦物生物炭結合普通化肥應用在戈壁沙化土壤的改良中。因此，筆者針對古浪縣戈壁日光溫室土壤沙化嚴重、熟化程度低、保水保肥能力差等系列問題，利用不同用量的礦物生物炭配施普通化肥開展試驗，通過探究礦物生物炭對日光溫室沙培番茄生長和根際微環(huán)境的影響，以期為礦物生物炭在戈壁日光溫室沙化土壤中的改良與應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2022年9月至2023年3月在甘肅省武威市古浪縣西靖鎮(zhèn)“千畝戈壁農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園”日光溫室進行，該區(qū)域屬溫帶大陸性氣候，夏季干旱少雨，冬季寒冷干燥，年平均溫度6.6 ℃，年平均降水量200 mm，年平均蒸發(fā)量2807 mm，全年光照時數(shù)2852 h，平均無霜期142 d，是典型的干旱荒漠化區(qū)域。本試驗供試日光溫室土壤為純黃沙，保水保肥能力差、養(yǎng)分含量低，上茬作物為辣椒，經(jīng)測定其pH 8.47，有機質含量（w，后同）12.35 g·kg-1，全氮含量0.89 g·kg-1，有效磷含量142.45 mg·kg-1，速效鉀含量468.40 mg·kg-1。

1.2 材料

供試礦物生物炭由甘肅綠錦環(huán)保功能材料技術有限公司提供，其中礦物質含量≥70%，生物炭含量≥20%，pH 8.3，有機質含量275.17 g·kg-1，全氮含量4.92 g·kg-1，有效磷含量5.35 mg·kg-1，速效鉀含量62.09 mg·kg-1；供試普通化肥為尿素（N含量為46%）、磷酸二銨（N含量為18%，P2O5含量為46%）、硫酸鉀（K2O含量為50%）；供試番茄品種為壽光德爾農(nóng)業(yè)科技有限公司選育的德龍218。

1.3 試驗設計

本試驗于2022年9月16日定植，2023年3月10日拉秧。按照礦物生物炭不同用量設5個處理，每個處理3次重復，試驗采用隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積為16.8 m2（2.4 m×7.0 m），每個小區(qū)之間設1.2 m隔離帶。在日光溫室進行常規(guī)施肥（尿素、磷酸二銨和硫酸鉀折合成純養(yǎng)分N-P2O5-K2O為150-300-150 kg·hm-2作基肥）的基礎上，將礦物生物炭依次按照0（CK）、375（T1）、750（T2）、1500（T3）和3000 kg·hm-2（T4）的用量作為基肥一次性增施。本試驗采用膜下滴灌技術，壟寬80 cm、壟間距40 cm，番茄行距60 cm、株距45 cm；所有處理在番茄全生育期共追肥6次，除在番茄第1穗果進入膨大期隨水追施N-P2O5-K2O養(yǎng)分含量為15-8-21的高鉀型水溶肥225 kg·hm-2，其余5次均追施N-P2O5-K2O養(yǎng)分含量為20-20-20的平衡型水溶肥，每次150 kg·hm-2。其他管理同當?shù)爻Ｒ?guī)栽培。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 番茄生長指標測定 在番茄植株打頂前每個處理隨機選擇3株，利用卷尺測定株高和株幅，利用游標卡尺測量莖粗（在距地面1 cm處量取，精度為0.05 mm），采用CI-202便攜式葉面積儀測定植株葉面積；并在番茄拉秧前，每個處理選擇3株進行挖根采樣，帶回實驗室測定根冠比。根冠比=地下部干質量/地上部干質量。

1.4.2 番茄產(chǎn)量及品質指標測定 在番茄整個收獲時期，每個處理定點選擇10株，持續(xù)進行跟蹤測產(chǎn)，并記錄番茄采收個數(shù)和果穗數(shù)；在最后一次測產(chǎn)后每個處理選擇3個著色均勻的果實，利用愛拓PAL-1便攜式測糖儀測量番茄可溶性固形物含量。

1.4.3 根際土壤養(yǎng)分測定 在試驗棚選定后，隨機選擇3個樣點采集土壤，測定pH及有機質、全氮、有效磷和速效鉀初始含量。在番茄拉秧前，每個處理選擇3株分別采集根際土壤，裝入無菌自封袋中，加冰袋帶回實驗室保存，用于土壤養(yǎng)分的測定和微生物備測。參照《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[13]測定土壤指標，其中采用電位法測定pH，采用重鉻酸鉀容量法測定有機質含量，采用自動定氮儀法測定全氮含量，采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定有效磷含量，采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量。

1.4.4 根際微生物測定 在番茄定植前分別測定不同處理20～50 cm土壤中微生物（細菌、真菌、放線菌）數(shù)量；在番茄收獲后，再次測定不同處理下番茄植株根際土壤微生物數(shù)量。本試驗采用牛肉膏蛋白胨瓊脂平板表面涂布法培養(yǎng)細菌，采用碼釘氏培養(yǎng)基平板表面涂布法培養(yǎng)真菌，采用高氏一號培養(yǎng)基平板表面涂布法培養(yǎng)放線菌。三大類微生物分離計數(shù)采用沈萍等[14]的方法計算，結果以每克土壤中菌落數(shù)（CFU）表示。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft EXCEL 2016軟件進行試驗數(shù)據(jù)整理和分析，使用SPSS 23.0統(tǒng)計軟件進行方差分析和顯著性檢驗（多重比較采用Duncan法）。

2 結果與分析

2.1 不同量礦物生物炭對番茄根際土壤養(yǎng)分含量的影響

從表1可以看出，隨著礦物生物炭在黃沙土壤中施入量的增加，土壤pH均略有下降，當?shù)V物生物炭施入量為3000 kg·hm-2（T4處理）時，土壤pH較CK顯著下降5.93%；而土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量隨著礦物生物炭施入量的增加均呈升高趨勢，除土壤全氮含量增幅不顯著外，在礦物生物炭施入量達到一定數(shù)量后，有機質、有效磷和速效鉀含量均不同程度較CK顯著提高。當?shù)V物生物炭施入量為750 kg·hm-2時，速效鉀含量較CK顯著提高71.45%；當?shù)V物生物炭施入量為1500 kg·hm-2時，有機質含量較CK顯著提高18.54%；當?shù)V物生物炭施入量為3000 kg·hm-2時，有效磷含量較CK顯著提高26.07%。由此可見，在不施礦物生物炭的情況下，與定植前相比，除速效鉀含量有所下降外，土壤pH及有機質、全氮和有效磷含量均有所提高；而增施礦物生物炭達到一定數(shù)量時，有明顯降低黃沙土壤pH和提升土壤養(yǎng)分含量的作用。

2.2 不同量礦物生物炭對番茄根際微生物數(shù)量的影響

從表2可以看出，戈壁日光溫室沙培番茄一個生產(chǎn)周期后，在不施礦物生物炭的條件下，番茄根際土壤中三大類微生物（細菌、放線菌、真菌）數(shù)量雖然均略有增加，但與番茄定植前微生物數(shù)量相比差異不大；而增施礦物生物炭的試驗處理，番茄根際土壤中三大類微生物數(shù)量較定植前均顯著增加，并隨著礦物生物炭的增加微生物增長率呈現(xiàn)先升后降再升的變化趨勢；當?shù)V物生物炭施入量為750 kg·hm-2時，番茄根際土壤三大類微生物數(shù)量的增長率最大，細菌、放線菌、真菌數(shù)量較番茄定植前數(shù)量分別顯著增加82.51%、63.75%和363.30%，尤其真菌數(shù)量提升異常明顯。由此可見，增施礦物生物炭可以顯著提高沙培番茄根際土壤中細菌、放線菌和真菌的數(shù)量。

2.3 不同量礦物生物炭對番茄生長指標的影響

從表3可以看出，增施礦物生物炭可以增大番茄株高和莖粗，但與CK相比，差異不顯著。然而，當?shù)V物生物炭施入量為750 kg·hm-2以上時，番茄株幅較CK顯著增加；當?shù)V物生物炭施入量為1500 kg·hm-2以上時，番茄葉面積和根冠比較CK顯著增加；并且番茄株幅、葉面積和根冠比隨著礦物生物炭用量的增加而不斷增大，其中T4處理均最大，較CK分別顯著增加21.14%、30.20%和33.33%。由此可見，增施礦物生物炭可以增大沙培番茄葉面積，從而促使番茄株幅增大；而番茄根冠比隨著礦物生物炭用量的增加而增大，說明礦物生物炭對番茄根系生長的促進作用大于對植株的影響。

2.4 不同量礦物生物炭對番茄產(chǎn)量的影響

從表4可以看出，沙培番茄果穗數(shù)隨礦物生物炭施入量的增加而增多，當?shù)V物生物炭用量為750 kg·hm-2以上時，果穗數(shù)較CK顯著增多；增施礦物生物炭對番茄單果質量和單株產(chǎn)量均有不同程度的提升作用，當?shù)V物生物炭用量為1500 kg·hm-2時，番茄單果質量和單株產(chǎn)量較CK增加最大，單果質量為179.43 g、單株產(chǎn)量為8.06 kg，分別比CK顯著增加49.35%、70.40%；繼續(xù)增施礦物生物炭，番茄單果質量和單株產(chǎn)量均有所下降。番茄果實可溶性固形物含量隨著礦物生物炭數(shù)量的增加而不斷提高，最大較CK顯著提高26.60%。由此可見，適量增施礦物生物炭不僅可以提高沙培番茄產(chǎn)量，還可以提高番茄可溶性固形物含量，改善番茄適口性。

3 討論與結論

高靜等[15]通過整合分析各類生物炭對土壤pH的調(diào)節(jié)作用，結果表明，不同類型的生物炭均有利于提高土壤pH，尤其對強酸性土壤的影響更明顯。然而本研究在黃沙土壤中增施礦物生物炭，黃沙土壤的pH略有下降，當?shù)V物生物炭施入量為3000 kg·hm-2時，土壤pH較CK顯著下降；這一結果與前人結論相悖，但是與張雯等[16]的研究結論一致，推測這種差異可能是因為沙壤土本身呈堿性，礦物生物炭與土壤微環(huán)境在短期內(nèi)還未形成充足的有機酸來中和黃沙土堿性，而前人大多數(shù)研究是以酸性土壤為研究基礎。同時，本研究還表明，增施礦物生物炭還可以不同程度地提高黃沙土壤中有機質、有效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量，具有提升土壤肥力的作用，這與前人的研究結果一致[17]。究其原因，一方面礦物生物炭表面富含官能團，能夠有效吸附土壤養(yǎng)分；另一方面礦物生物炭本身含有植物所需要的養(yǎng)分和礦物質，一定程度上有利于提高黃沙土壤的養(yǎng)分含量。

土壤微生物是植物生長可利用養(yǎng)分的一個重要來源，細菌在土壤有機物和無機物轉化過程中起重要作用，而真菌在土壤碳素和能源循環(huán)過程中起巨大作用[18]，因此，調(diào)節(jié)土壤微生物對促進作物植株生長和根系發(fā)育具有決定性作用。筆者在本研究中發(fā)現(xiàn)，將礦物生物炭施入黃沙土壤一個生產(chǎn)周期后，沙培番茄根際土壤中細菌、放線菌和真菌三大類微生物數(shù)量較定植前土壤中數(shù)量均顯著增加，尤其真菌數(shù)量的提升異常顯著，這一結論與Luchet等[19]、Lehmann等[20]提出的生物炭不僅可以有效改善土壤理化性質，并可以明顯改變土壤微生物群落的研究結果一致。這可能是因為礦物生物炭豐富的表面官能團對土壤pH和養(yǎng)分環(huán)境的影響，間接改變了土壤微生物結構和群落，尤其真菌對土壤pH異常敏感[21]。

筆者研究發(fā)現(xiàn)，礦物生物炭可以促進番茄根系發(fā)育，增大番茄株幅和葉面積，分析原因應該是礦物生物炭豐富的表面結構，既可以促進番茄根際養(yǎng)分吸收，又可以豐富番茄根際微生物數(shù)量，提高土壤養(yǎng)分含量，間接地促進番茄產(chǎn)量增加，這與前人的研究結論相符[22]。當?shù)V物生物炭施入量為1500 kg·hm-2時，番茄單果質量和單株產(chǎn)量較CK顯著增加，單果質量最大為179.43 g，單株產(chǎn)量最高為8.06 kg；當持續(xù)增加礦物生物炭施入量時，番茄單果質量和單株產(chǎn)量均有所下降。由此可見，在日光溫室黃沙土壤常規(guī)施肥的基礎上，適量增施礦物生物炭有利于促進番茄植株生長，并提高番茄產(chǎn)量。

鄭健等[23]采用Meta-analysis法整合大量公開文獻并進行分析，結果表明，增施生物炭可以顯著提高番茄可溶性糖含量6.7%和可溶性固形物含量10.7%。本研究結果與其相似，礦物生物炭的施入明顯提高了沙培番茄的果實可溶性固形物含量，并隨著礦物生物炭施用量的增加呈升高趨勢。分析其原因，一方面礦物生物炭本身含有豐富的礦物微量元素，有利于番茄可溶性固形物含量提高；另一方面礦物生物炭顯著提高土壤中速效鉀含量，間接提高了番茄果實可溶性固形物含量。

綜上所述，向戈壁日光溫室黃沙土壤中增施礦物生物炭1500 kg·hm-2時，番茄產(chǎn)量達到最高，同時可以降低土壤pH，顯著改善土壤養(yǎng)分環(huán)境，豐富番茄根際微生物數(shù)量。由此可見，礦物生物炭作為一種新興的土壤改良劑，具有比表面積大、微孔結構豐富和表面官能團集聚的特點，在增強土壤肥力、提高土壤質量、改善土壤微生物環(huán)境和促進植物生長等方面具有重要的作用。

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