生物炭對櫻桃番茄果實品質及產量的影響

曹雪娜， 孟 軍， 楊鐵鑫， 高 尚， 陳溫福

(沈陽農業大學，遼寧沈陽 110161)

隨著農業快速發展和人民生活水平日益提高，高品質果蔬市場需求量不斷擴大。設施栽培作為一種能夠終年種植作物的栽培形式，使作物能避開不利自然條件，形成果蔬反季生長，可大幅度提高果蔬產量、豐富果蔬種類[1]。然而，設施栽培中出現施肥過量、不均，復種指數過高等現象，造成設施土壤有機質含量下降，土壤酸化、板結、鹽漬化加劇，土傳病害加重等不良后果[2]，使果蔬產量下降，品質變劣[3]。

櫻桃番茄(LycopersiconesculentumMill )色澤艷麗、味道酸甜可口，而且含有維生素C、番茄紅素等多種人體所需的營養物質，深受消費者喜愛[4]。土壤鹽漬化嚴重限制番茄生長發育，使番茄產量下降，品質變劣，并引發臍腐病等生理病害[5]。土壤酸化使番茄果實可溶性糖含量降低，耐貯性變差[6]，給櫻桃番茄栽培者造成了巨大的損失。

生物炭(biochar)是農林廢棄物等生物質在相對低溫(<700 ℃)和缺氧條件下熱裂解形成的穩定的富碳產物[7]。生物炭因其獨特的理化性質和結構特征，施入到土壤后具有調節土壤pH值[8]、降低土壤容重[9]、提高土壤團聚性[10]、平衡土壤養分[11]等作用。近年來，關于生物炭對果蔬品質、產量的研究越來越多。有研究表明，施用生物炭能提高黃瓜產量，增加其果實可溶性糖含量，降低硝酸鹽積累[12]。馬嘉偉等認為，竹炭能夠提高白菜產量1.01倍，維生素C含量1.67倍[13]。有研究認為，施用生物炭能提高大白菜幼苗株高、莖粗、葉綠素含量、植株鮮質量、植株干質量及壯苗指數等。喬志剛等認為，施用生物炭能提高提高維生素C含量69.5%、可溶性蛋白質含量64.7%[14]。鑒于此，本研究以櫻桃番茄為試驗材料，選用玉米秸稈生物炭，在日光溫室中進行試驗，探討生物炭對不同生育時期櫻桃番茄果實品質和產量的影響，以期為生物炭在設施栽培中的合理應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗于2015年在沈陽農業大學(123.4′E，41.8′N)日光溫室中進行。供試櫻桃番茄為“蜜棗”，由沈陽益農種苗有限公司生產。供試土壤為棕壤，土壤基本理化性質為：全氮0.12%，全磷0.29 g/kg，全鉀40.57 g/kg，pH值7.5，有機質16.39 g/kg。選用玉米秸稈生物炭，由金和福農業開發有限公司生產提供，其基本理化性質為全氮為：0.79%，全磷 0.22 g/kg，全鉀為44.10 g/kg，pH值8.4。

1.2 試驗方案

試驗采用隨機區組設計，設置3個處理，每個處理3次重復。分別為對照(CK)：不施生物炭；低量生物炭(T1)：30 t/hm2；高量生物炭(T2)：90 t/hm2。小區面積10.8 m2，每區種植33株櫻桃番茄，行距60 cm，株距50 cm。將櫻桃番茄種子催芽播種后育苗，至幼苗3葉1心時，取長勢基本一致幼苗進行定植，定植時間為2015年6月4日，采用單干整枝的方法，栽培管理同常規方法，2015年9月10日試驗結束。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 樣品采集 在果實發育的5個不同時期取樣，分別為：綠熟期(全果深綠)；破色期(果實顯紅色<10%)；轉色期(果實顯紅色10%～60%)；粉紅期(果實顯紅色>60%～90%)；紅熟期(果實顯深紅色，果肉略發軟[15])。在每個小區隨機選取9個成熟度一致的果實帶回實驗室進行相關指標的測定。

1.2.2 果實形態的測定 測量果實的橫徑、縱徑，并計算果形指數(果實縱徑/橫徑)；測定單果質量。

1.2.3 營養品質的測定 采用鉬藍比色法測定維生素C含量；采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；采用考馬斯亮藍G-250法[16]測定可溶性蛋白含量；采用液相色譜法[17]測定檸檬酸和蘋果酸含量。

1.2.4 產量的測定 單株產量理論值：單株產量=單果質量×果實個數。

單株產量實測值：各處理果實成熟后，另選取9株具有代表性的植株單獨收獲，測定其單株產量。

折合667 m2產量：667 m2產量=平均單株產量×(667/單株面積)。

1.2.5 土壤的測定 全氮、有機碳采用元素分析儀(vario MACRO cube，德國)測定，堿解氮測定采用堿解擴散法，全磷測定采用鉬銻抗比色法，全鉀測定采用火焰光度法。

1.3 數據統計分析

使用SPSS 19.0軟件分析數據，Duncan’s方法進行差異顯著性分析。利用Excel 2003軟件進行數據整理分析并繪制圖表。

WUDAPT 項目：城市形式與功能信息的眾包解決方案及其應用 黃 媛 劉靜怡 Jason Ching2018/04 26

2 結果與分析

2.1 施入生物炭對土壤理化性質的影響

由表1可見，施用生物炭可使土壤pH值、有機碳、全氮、堿解氮均有不同程度的提高，且隨著施炭量的增加，提高效果越明顯。與CK相比，T2可顯著提高pH值0.27、有機碳89.2%、全氮26.3%、堿解氮15.6%；T1也可提高pH值0.01，有機碳7.4%，全氮5.3%，堿解氮5.5%，但未達到顯著性差異水平。

表1 不同施炭量對櫻桃番茄土壤理化性質的影響

2.2 施入生物炭對果實外觀形態品質的影響

由表2可知，隨著果實的生長發育，櫻桃番茄果實的橫徑、縱徑迅速增長，而后緩慢增加至粉紅期后略有下降。且果實在每個生育時期果形指數均>1，為長圓形。施用生物炭對果實外觀形態品質沒有顯著影響，T2橫、縱徑增長率高于T1、CK(除粉紅期外)。

表2 不同施炭量對櫻桃番茄果實外觀形態品質的影響

注：同一成熟度同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下表同。

2.3 施入生物炭對果實營養品質的影響

2.3.1 施入生物炭對果實中維生素C含量的影響 由圖1可知，隨著果實的生長發育，維生素C含量大體呈現先減少后增加的趨勢。施用生物炭能夠顯著地提高櫻桃番茄果實中維生素C的含量。其中T2效果最為顯著，在破色期至紅熟期，與CK相比，維生素C含量顯著提高17.6%～67.6%；T1對維生素C含量的影響也十分顯著，破色期至粉紅期，T1維生素C含量比CK顯著提高20.1%～35.1%。

2.3.2 施入生物炭對果實中可溶性糖和有機酸含量的影響 由表3可知，櫻桃番茄果實中可溶糖含量呈先升高后降低的單峰曲線變化趨勢。施用生物炭使可溶性糖含量峰值推遲一個生育時期出現，并提高1.1%～18.2%。CK可溶糖含量峰值出現在轉色期，達20.11 mg/g，而T1、T2可溶性糖含量峰值出現在粉紅期，分別為20.33 mg/g和23.77 mg/g，此時施炭處理可溶性糖含量顯著高于對照，且T1、T2分別比CK高34.2%、56.9%。在果實生長發育過程中，施用生物炭對有機酸(檸檬酸和蘋果酸)含量影響并不顯著。在轉色期，CK的糖酸比顯著高于T1、T2，分別高30.1%和65.3%；在粉紅期，T1、T2的糖酸比顯著高于CK，分別高34.3%、52.2%。

表3 不同施炭量對櫻桃番茄可溶性糖及有機酸含量的影響

2.4 施入生物炭對產量及其構成因素的影響

由表4可見，隨著施炭量的增加，櫻桃番茄產量逐漸下降。與對照相比，由于T1顯著增加了果實個數，對單果質量影響不顯著，導致其單株產量理論值提高25%，單株產量實測值提高21.6%，折合667 m2產量提高了22.0%。T2單果質量、單株果實個數、單株產量理論及實測值、折合667 m2產量均沒有顯著影響。

表4 不同施炭量對櫻桃番茄產量構成因素的影響

3 討論

在本研究中，櫻桃番茄果實中維生素C含量大體上呈先下降后上升的變化趨勢，與張秀梅[18]、蒼晶等[19]、程志強等[20]試驗結果相符。施炭處理維生素C含量在破色期后顯著高于對照，且維生素C含量隨施炭量增加而增加。閔炬等認為，施氮量增加，番茄中維生素C含量隨之增加[21]；秦松等認為，銨態氮比例增加，茄果類蔬菜中維生素C含量隨之增加[22]。本研究結果表明，隨著生物炭施用量的增加，土壤中堿解氮含量不斷增加，果實維生素C含量也相應提高。土壤中堿解氮的含量增加可能由于生物炭施入土壤后形成較大的團聚體，更容易吸附土壤中的銨態氮[23-24]，有利于植物對其吸收利用，進而使櫻桃番茄果實中維生素C含量提高。

可溶性糖和有機酸含量是評價果實品質優劣的重要指標，且糖酸比越高，果實品質越好[25]。本試驗結果表明，在果實的生長發育過程中，施用生物炭對櫻桃番茄果實有機酸的影響不顯著，而對可溶性糖含量的消長具有一定的影響。施用生物炭提高了土壤中全氮和堿解氮含量，從而使施炭處理櫻桃番茄果實可溶性糖含量峰值比對照推遲，徐新娟等認為，全銨態氮處理下番茄果實的可溶性糖含量顯著高于全硝態氮處理，說明氮素會顯著影響果實的糖代謝[26]。本試驗條件下施用生物炭可延長可溶性糖的積累，并在一定程度上可以延長果實收獲期，可能的原因是由于生物炭具有疏松多孔結構，使其具備了類似“海綿”一樣的作用[27]，對NH4+具有吸附固持作用[28]，延緩櫻桃番茄對其吸收利用。

可溶性蛋白質是作物體內氮素存在的主要形式，它為作物能夠順利進行物質的合成及代謝、信號轉導、基因表達等生理過程提供重要的物質基礎[29]，其含量的多少與果實的代謝及抗逆性具有密切的關系。本試驗結果表明，施炭處理與對照相比，櫻桃番茄果實中可溶性蛋白質含量影響不大。在破色期和紅熟期時，T2中可溶性蛋白質含量均明顯高于CK、T1，說明此時櫻桃番茄果實中的細胞保水能力更好，抗逆性更強。其原因可能是生物炭中的灰分釋放一些物質(包括酚類、醇類、脂類、氨基酸類、羧酸類等化合物)[30]，在一定程度上干預某些蛋白質的合成、代謝及基因表達[31]，從而改變櫻桃番茄中可溶性蛋白質的含量。

本研究結果表明，適量(T1)施入生物炭可以提高櫻桃番茄產量。施用生物炭可以改善土壤的理化性質，提高土壤的有機碳、全氮、堿解氮含量，為櫻桃番茄生長提供良好土壤環境，從而增加對氮素的吸收利用，使其產量提高7.5%～21.6%。勾芒芒等認為，生物炭對番茄根系特征優化和產量提高具有促進作用[32]。本試驗中，土壤中全氮、有機碳含量隨著生物炭施用量的增加而增加，但櫻桃番茄的產量并未提高。肖輝等認為，生物黑炭對蔬菜產量影響不大或具有提高的作用，但隨著施炭量的增加產量有下降趨勢。這個可能的原因是生物炭對土壤氮素具有礦化作用或者對土壤有機質有礦化作用[33]，導致植物并不能吸收利用土壤中的養分。

4 結論

(1)在本試驗條件下，施用生物炭能改善櫻桃番茄果實營養品質且高炭量(90 t/hm2)效果更佳。(2)施用生物炭對櫻桃番茄果實外觀形態品質影響不顯著。(3)施用生物炭能提高櫻桃番茄產量7.5%～21.6%，隨著施炭量的增加產量有下降趨勢，且低炭量(30 t/hm2)增產效果顯著。

[1]劉兆輝，江麗華，張文君，等. 山東省設施蔬菜施肥量演變及土壤養分變化規律[J]. 土壤學報，2008，45(2)：296-303.

[2]范慶鋒，張 玉，張玉玲，等. 遼寧地區保護地土壤酸化現狀研究[J]. 北方園藝，2013(22)：173-176.

[3]Bouwman A F. Soil and greenhouse effect[M]//Brady N C，Weil R R. The nature and properties of soils. Prentice Hall，1990：343-355.

[4]楊永政，鞏振輝，梁 燕. 櫻桃番茄主要營養品質性狀的配合[J]. 西北農林科技大學學報，2007，35(5)：179-183.

[5]Magan J J，Gallardo M，Thompson R B，et al．Effects of salinity on fruit yield and quality of tomato grown in soil-less culture in greenhouses in Mediterranean climatic conditions[J]. Agricultural Water Management，2008，95( 9)：1041-1055．

[6]朱本岳. 菜地土壤酸化原因及其對番茄生產的影響[J]. 浙江農業大學報，989，15(3)：273-277.

[7]Antal M J，Gronli M. The art，science and technology of charcoal production[J]. Industrial and Engineering Chemistry，2003，42：1619-1640.

[8]Zwieten L V，Kimber S，Morris S，et al. Effects of biochar from slow pyrolysis of papermill waste on agronomic performance and soil fertility[J]. Plant and Soil，2010，327(1/2)：235-246.

[9]Kishimoto S，，Sugiura G. Charcoal as a soil conditioner [J]. Int Achieve Future，1985，5：12-23.

[10]Brodowski S，John B，Flessa H，et al. Aggregate-occluded black carbon in soil[J]. European Journal of Soil Science，2006，57，539-546.

[11]Clough T J，Condron L M. Biochar and the nitrogen cycle：Introduction[J]. Journal of Environmental Quality，2010，39(4)：1218-1223.

[12]武春成，李天來，曹 霞，等. 添加生物炭對連作營養基質理化性質及黃瓜生長的影響[J]. 核農學報，2014，28(8)：1534-1539.

[13]馬嘉偉，胡楊勇，葉正錢，等. 竹炭對紅壤改良及青菜養分吸收、產量和品質的影響[J]. 浙江農林大學學報，2013，30(5)：655-661.

[14]喬志剛，付嘉英，鄭金偉，等. 不同炭基肥對青椒生長、品質和氮素農學利用率的影響[J]. 土壤通報，2014，45(1)：174-179.

[15]阮 英，劉開朗，申 琳，等. 番茄果實成熟衰老過程中果肉和種子活性氧代謝的變化[J]. 園藝學報，2006，3(1)：63-67.

[16]李 玲. 植物生理學模塊實驗指導 [M]. 北京：科學出版社，2009：48-55.

[17]牛 景，趙劍波，吳本宏，等. 不同來源桃種質果實糖酸組分含量特點的研究[J]. 園藝學報，2006，33(1)：6-11.

[18]張秀梅. 菠蘿果實生長發育過程中營養品質的變化[J]. 中國農學通報，2008，24(7)：457-461.

[19]蒼 晶，王學車，桂明株，等. 狗棗獼猴桃果實生長發育的研究[J]. 果樹學報，2001，19(2)：87 -90.

[20]程志強，劉文革. 不同倍性西瓜果實Vc含量比較研究[J]. 果樹學報，2008，25(5)：760-763.

[21]閔 炬，施衛明. 不同施氮量對太湖地區大棚蔬菜產量、氮肥利用率及品質的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2009，15(1)：151-157.

[22]秦 松，王正銀. 氮素營養對茄果類蔬菜品質的影響[J]. 長江蔬菜，2006，10：30-33.

[23]Lehmann J，Rillig M C，Thies J，et al. Biochar effects of soil biota：a review [J]. Soil Biology and Biochemistry，2011，43：1812-1836.

[24]Taghizadeh-Toosi A，Clough T J，Sherlock R R，et al. Biochar adsorbed ammonia is bioavailable [J]. Plant and Soil，2012，350：57-69.

[25]姬景紅，李 杰，李玉影，等. 不同施肥措施對保護地番茄產量、品質及經濟效益的影響[J]. 中國土壤與肥料，2012(5)：35-39.

[26]徐新娟，李慶余，孫 瑞，等. 不同形態氮素對櫻桃番茄果實發育和品質的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2009，15(6)：1425-1432.

[27]廖上強，陳延華，李艷梅. 生物炭基尿素對芹菜產量、品質及土壤硝態氮含量的影響[J]. 農業資源與環境學報，2015，32(5)：443-448.

[28]Steiner C，Glaser B，Geraldes Teixeira W，et al. Nitrogen retention and plant uptake on a highly weathered central Amazonian Ferralsol amended with compost and charcoal[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2008，171(6)：893-899.

[29]Koch K E，Ying Z，Wu Y，et al. Multiple paths of sugar-sensing and a sugar/oxygen overlap for genes of sucrose and ethanol metabolism [J]. Journal of Experimental Botany，2000，51：417-427.

[30]Yang E，Meng J，Hu H J，et al. Chemical composition and potential bioactivity of volatile from fast pyrolysis of rice husk[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2015，112：394-400.

[31]張偉明，管學超，黃玉威，等. 玉米芯生物炭對大豆的生物學效應[J]. 農業環境科學學報，2015，34(2)：391-400.

[32]勾芒芒，屈忠義. 土壤中施用生物炭對番茄根系特征及產量的影響[J]. 生態環境學報，2013，22(8)：1348-1352.

[33]Zimmerman A R，Gao B，Ahn M Y. Positive and negative carbon mineralization priming effects among a variety of biochar-amended soils[J]. Soil Biology and Biochemistry，2011，43(6)：1169-1179.