生物炭添加提高漬水條件下番茄產(chǎn)量改善品質(zhì)

邵光成，吳世清，房 凱，黃豆豆，姚懷柱

（1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，南京210098；2.宿遷市水務(wù)局，宿遷223800；3.奉化區(qū)錦屏街道辦事處，奉化315500；4.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，南京210029)

0 引言

番茄果實營養(yǎng)豐富、美味可口，是中國廣泛種植的作物[1]。中國南方地區(qū)因氣候濕熱多雨，地上水網(wǎng)密集，地下水埋深普遍偏高，加之排水系統(tǒng)不健全或運行管理制度不恰當(dāng)，往往造成作物生育期內(nèi)遭受漬水脅迫，使產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降[2-3]。番茄屬半耐旱不耐漬作物，漬水脅迫對產(chǎn)量和品質(zhì)影響顯著[4]。Moriyama 等[5]進行巴氏滅菌土壤盆栽試驗后發(fā)現(xiàn)，漬水情況下好氧微生物進一步消耗氧氣，是番茄幼苗生長受限的主要因素。Shao 等[6]通過番茄避雨栽培試驗得出，番茄花后漬水脅迫會造成葉片光合速率、蒸騰速率降低，氣孔導(dǎo)度減小，果實產(chǎn)量下降。袁敏等[7]發(fā)現(xiàn)，番茄花后漬水會使果實外觀品質(zhì)下降，營養(yǎng)物質(zhì)含量減少。Jackson 等[8]的研究顯示番茄植株的根莖在土壤氧氣含量較低時會產(chǎn)生乙烯，不利于根系通氣組織呼吸，影響作物生長[9]。

避雨栽培是南方地區(qū)番茄生產(chǎn)的主要栽培形式，連作障礙不僅造成了番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的下降，還影響果實的安全性。近年來，國內(nèi)外一些研究發(fā)現(xiàn)，生物炭添加一方面可以通過吸附根系分泌物中的化感物質(zhì)來緩解分泌物的毒害作用，另一方面可提高土壤孔隙度，維持團聚體穩(wěn)定，延長水分在土壤中的滲濾路徑和時間，從而起到提高田間持水量，降低作物漬害的作用[10]。已有大量研究證明耕作土壤添加生物炭可有效提升速效鉀、有效磷含量[11-12]，減少氮元素的淋失，提高氮元素的利用率[13-14]，從而實現(xiàn)作物產(chǎn)量大幅提升[15-16]。劉園等[17]認為土壤物理性狀的改善可能是作物增產(chǎn)的重要原因。生物炭使土壤環(huán)境發(fā)生變化，影響作物光合產(chǎn)物的形成、分配以及作物需水量等決定作物生長發(fā)育的基本條件，從而可能影響作物的產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率。現(xiàn)有研究和實踐多集中在常規(guī)無逆境水分脅迫狀況下生物炭如何改良土壤、增產(chǎn)減排和改善土壤環(huán)境等內(nèi)容[18]，而對于南方避雨環(huán)境漬水脅迫情況下生物炭添加對番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的作用效應(yīng)研究較少。本研究借助土柱試驗，探討避雨環(huán)境漬水脅迫下添加生物炭對番茄品質(zhì)、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，篩選出生物炭適宜的添加量，旨在為南方避雨栽培番茄抗?jié)n調(diào)優(yōu)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗場地與材料

本試驗于2017 年3—8 月在河海大學(xué)節(jié)水園區(qū)的試驗場地內(nèi)進行（31°57'N，118°50'E）。試驗采取土柱試驗，試驗裝置如圖1 所示，試驗供試土壤為黏壤土，平均容重為1.44 g/cm3田間持水量為31.5%（體積含水率），pH值為7.2，速效氮27.65 mg/kg，速效磷12.5 mg/kg，砂粒（＞0.02～2 mm）、粉粒（＞0.002～0.02 mm）、黏粒（0～0.002 mm）體積分數(shù)分別為29.4%、41.7%、28.9%。所用生物炭為秸稈生物炭，制備條件為溫度550～600 ℃，碳化時間4～6 h，容重0.19 g/cm3，比表面積9 m2/g，總孔隙度67.0%，通氣孔隙度12.9%，持水孔隙度61.1%，pH值為10.2，固定碳650 g/kg，速效磷10.2 g/kg，速效鉀55.7 g/kg。表層30 cm含生物炭土壤采取人工拌合的方式模擬旋耕機拌合過程。馬氏瓶通過軟管給土柱供水以控制不同地下水條件。試驗選取番茄品種為“金粉低架王”，于4月6日選取長勢良好且一致的幼苗移栽至土柱中。

圖1 試驗土柱結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Test soil column structure diagram

1.2 試驗設(shè)計與方法

試驗共設(shè)5 個處理，包括無生物炭、地下水位-80 cm的常規(guī)處理，無生物炭的漬水處理和3 種生物炭添加處理。為簡化試驗處理，借鑒王璞[19]的研究成果在生物炭質(zhì)量分數(shù)為0～10%之間存在對土壤水力參數(shù)影響的綜合最優(yōu)值，參照其試驗梯度設(shè)計，確定生物炭添加量（質(zhì)量分數(shù)）梯度為3%（134 t/hm2）、5%（227 t/hm2）和10%（480 t/hm2），其中生物炭含量為生物炭質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比。每個處理設(shè)3次重復(fù)，具體試驗方案設(shè)計如表1所示。根據(jù)傳統(tǒng)的生育期劃分方法，將番茄整個生育期劃分為苗期（4 月6 日—5 月10 日），開花坐果期（5 月10日—6月8日）和成熟采摘期（6月8日—7月19日）。

表1 避雨栽培番茄土柱試驗方案設(shè)計Table 1 Design of experiment of tomato under rain-shelter cultivation

1.3 測定項目及計算方法

本試驗采用避雨栽培，土壤水量平衡計算中不考慮降雨量，故作物需水量可用馬氏瓶水位變化與灌水量之和進行折算，用式（1）計算作物水分利用效率。

式中WUE 為作物水分利用效率（kg/m3）；Ya為作物經(jīng)濟產(chǎn)量（kg/hm3）；ETa為作物實際需水量（mm）。

在番茄采摘期分3 個階段對每株番茄進行果實取樣，每次取樣均從植株上、中、下3個部位隨機摘取3個果實。用電子臺秤稱取單果質(zhì)量，排水法測定單果體積，公式計算得果實密度。選取形態(tài)適宜、無病蟲害的成熟果實，用游標(biāo)卡尺測定果實的最大縱徑和最大橫徑，以此計算果形指數(shù)。采用SP60 色差儀（X-RITE, Incorporated.M I, USA）在果身四周隨機選取3 個點測定顏色空間坐標(biāo)L*、a*、b*，取3 點平均值，用式（2）計算番茄果色指數(shù)（tomato color index，TCI）。

果實硬度用GY-3果實硬度計（艾普計量儀器有限公司，精度±0.1）測定；采用ATC手持折光儀（北京萬成北增精密儀器有限公司，型號WZ-108）測量番茄心室汁液的可溶性固形物百分含量[20]；用蒽酮比色法測定可溶性糖；用NaOH滴定法[20]測定可滴定酸含量；通過2,6-二氯靛酚滴定法[20]測定維生素C。采用式（3）計算糖酸比。

待果實成熟后，每次均從各番茄植株的上、中、下部隨機選取1 個果實，測定果實單果質(zhì)量、單果體積及果實密度等指標(biāo)，并累積稱取各植株的單果質(zhì)量，由此計算每個處理的果實產(chǎn)量。

1.4 生物炭對番茄影響的綜合性評價

為更好地量化不同處理下番茄的綜合表現(xiàn)，采用主客觀結(jié)合的綜合評價方法[21]以番茄品質(zhì)、產(chǎn)量和水分利用效率為指標(biāo)對番茄進行評價。歸一化處理采用正相關(guān)型指標(biāo)公式，采用主成分分析法對番茄內(nèi)、外部品質(zhì)指標(biāo)進行化簡，利用層次分析法確定主觀權(quán)重，熵權(quán)法確定客觀權(quán)重，最終評價結(jié)果按越大越優(yōu)進行排名。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Excle2016 處理試驗數(shù)據(jù)，并用Origin9.0 作圖，對各處理結(jié)果運用SPSS22.0 進行方差分析、顯著性分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施加對產(chǎn)量和水分利用效率的影響

由表2 可以發(fā)現(xiàn)，相對于T1 處理，T2 漬水處理的需水量顯著減少26.3%，這是由于地下水埋深越淺，地下水面以上土壤含水率愈高，土壤含水率過高會使番茄根系處于缺氧狀態(tài)，呼吸作用減弱進而影響到根系吸水，造成需水量的減少。在漬水環(huán)境下添加較高含量生物炭有提高產(chǎn)量的效果，而需水量變化情況與生物炭施加量呈負相關(guān)關(guān)系，且3種生物炭施加量處理均對番茄需水量產(chǎn)生影響，其中T5 處理較T2產(chǎn)量顯著增加56.7%；水分利用效率提高120.2%；較T1水分利用效率提高109.7%。這可能是由于生物炭的加入改善了土壤的團粒結(jié)構(gòu)，提高了孔隙度[22]，緩解了對根系的漬害脅迫。同時，添加生物炭后土壤保水能力增強，棵間蒸發(fā)減弱，需水量總體減少。水分利用效率的變化與產(chǎn)量呈現(xiàn)大致相同的趨勢，生物炭施加量越多水分利用效率越高，這與李昌見等[23]的研究結(jié)果相符。

表2 不同生物炭處理下番茄產(chǎn)量及水分利用效率Table 2 Tomato yield and water use efficiency under different biochar treatments

2.2 生物炭施加對番茄品質(zhì)的影響

2.2.1 對外觀品質(zhì)的影響

本研究選取可反映果實的果形、表面特征、大小和果色指數(shù)作為番茄外觀品質(zhì)評價指標(biāo)（表3）。與常規(guī)處理（T1）相比，T2漬水處理除果形指數(shù)外，單果質(zhì)量、單果體積和果色指數(shù)未呈現(xiàn)顯著差異。添加生物炭后，單果質(zhì)量、單果體積和果色指數(shù)的提高效果也不顯著，說明漬水脅迫下添加生物炭對番茄外觀品質(zhì)影響效果不明顯。

表3 不同生物炭處理及漬水脅迫的避雨栽培番茄果實外觀品質(zhì)參數(shù)Table 3 Appearance quality parameters of tomato fruits under different treatments and waterlogging stress

2.2.2 對營養(yǎng)品質(zhì)的影響

不同生物炭添加量對番茄果實營養(yǎng)品質(zhì)的影響如表4所示。T2相對于常規(guī)無漬水處理，其可溶性糖、可溶性固形物和有機酸含量分別顯著降低了24.1%、18.1%、30%（P＜0.05），而對維生素C及糖酸比影響并不顯著（P＞0.05）。漬水環(huán)境添加生物炭后，部分營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)含量隨施加量的增加而升高，這與曹雪娜等[24]的結(jié)論相一致；其中10%生物炭添加量的T5處理除糖酸比外，其可溶性糖、可溶性固形物、有機酸、維生素C含量均與無生物炭添加的T2處理存在顯著差異，分別提高了28.5%、13.1%、45.7%和14.0%（P＜0.05）。

表4 不同生物炭處理及漬水脅迫的避雨栽培番茄果實營養(yǎng)品質(zhì)參數(shù)Table 4 Nutrition quality parameters of tomato fruits under different biochar treatments and waterlogging stress

2.2.3 對儲運品質(zhì)的影響

番茄果實的硬度決定了其運輸和儲存過程中的耐儲性[25]。圖2 為番茄成熟采摘期后分5 次采摘的不同處理條件下果實的硬度情況。總體上，果實硬度隨時間推移呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，第1 次采摘時硬度最小，第3 次采摘硬度最高，最后果實硬度略有下降，這可能是由于番茄成熟初期，植株整體處于營養(yǎng)生長最大值時期，葉面積指數(shù)大，遮蔽了大量陽光同時繁茂的枝葉不利于空氣流通，生殖生長受到抑制，果實硬度較小；隨著番茄的生殖生長逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，果實硬度隨之變大，到后期葉片逐漸枯萎，生殖生長也慢慢停止，果實硬度又有所下降。相比于T1 處理，漬水脅迫下，番茄果實硬度顯著下降，施加生物炭后，番茄硬度隨生物炭添加量的增多而增大。

2.2.4 番茄內(nèi)部品質(zhì)及外部品質(zhì)主成分分析

圖2 不同生物炭施加緩解漬水脅迫對果實硬度的影響Fig. 2 Effects of biochar application on fruit hardness to alleviate waterlogging stress

為綜合評價番茄品質(zhì)，本研究取單果質(zhì)量、單果體積、果形指數(shù)、果色指數(shù)、果實硬度、可溶性糖、可溶性固形物、有機酸、維生素C和糖酸比10個評價指標(biāo)進行主成分分析。將10項指標(biāo)分成內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)（可溶性糖、可溶性固形物、有機酸、維生素C、糖酸比）和外部品質(zhì)指標(biāo)（單果質(zhì)量、單果體積、果形指數(shù)、果色指數(shù)、果實硬度）。對內(nèi)部品質(zhì)和外部品質(zhì)分別進行主成分分析，評價得分越高，品質(zhì)越好。主成分分析所得結(jié)果如表5和表6所示。2項分析結(jié)果中顯示，前3 個主成分的累積貢獻率分別約為95.0%、90.9%，滿足大于85%的條件，說明可用前3 個主成分體現(xiàn)所有指標(biāo)的主要信息，表達公式見式（4）～式（9）。由表6可知，內(nèi)部品質(zhì)T5處理得分最高，T1處理得分第2；外部品質(zhì)T1處理最高，T5處理得分第2，主成分得分隨生物炭施加量的增多而升高。

內(nèi)部品質(zhì)主成分的表達式為

式中X1～X5分別代表可溶性糖、可溶性固形物、有機酸、維生素C、糖酸比的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

表5 內(nèi)、外部品質(zhì)主成分的特征值、貢獻率和累積貢獻率Table 5 Eigenvalue,contribution rate and cumulative contribution rate of internal and external quality principal components

表6 不同處理的番茄內(nèi)、外部品質(zhì)評價結(jié)果Table 6 Evaluation results of internal and external quality of tomato under different treatments

外部品質(zhì)的主成分表達式為

式中X21～X25分別代表單果質(zhì)量、單果體積、果形指數(shù)、果色指數(shù)、果實硬度的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

2.3 番茄品質(zhì)、產(chǎn)量、水分利用效率綜合評價

本研究從優(yōu)質(zhì)、節(jié)水和高產(chǎn)3 個方面出發(fā)，選取內(nèi)部品質(zhì)綜合主成分、外部品質(zhì)綜合主成分、產(chǎn)量、水分利用效率4 項作為評價指標(biāo)，利用綜合評價模型進行評價。最終綜合評價發(fā)現(xiàn)，10%生物炭添加處理（T5）最優(yōu)，無生物炭添加的漬水脅迫處理（T2）最劣，評價過程及結(jié)果見式（10）～式（11）及表7～表9。

參考方燕等[26]的層次分析法研究方法進行主觀權(quán)重計算。利用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，通過專家打分，對內(nèi)部品質(zhì)綜合主成分（B1）、外部品質(zhì)綜合主成分（B2）、產(chǎn)量（B3）、水分利用效率（B4）4個指標(biāo)進行兩兩比較，可構(gòu)造判斷矩陣A為

表7 番茄綜合評價原始數(shù)據(jù)Table 7 Original data of tomato comprehensive evaluation

表8 番茄綜合評價權(quán)重Table 8 Weight of tomato comprehensive evaluation

表9 各處理綜合評價結(jié)果及排序Table 9 Comprehensive evaluation results and ranking of each treatment

式中aij為指標(biāo)Bi比Bj重要程度的隸屬度，aij越大，Bi比Bj越重要。

最終計算主觀權(quán)重為w'=（0.55,0.27,0.12,0.06），一致性比例CR=0.0557 ＜0.1，滿足一致性要求。

參照羅軍剛等[21]的熵權(quán)法進行客觀權(quán)重的計算確定客觀權(quán)重為w'=(0.29,0.29,0.24,0.19)

為使評價指標(biāo)權(quán)重更科學(xué)，評價結(jié)果更可靠，既要考慮主觀權(quán)重的經(jīng)驗性隨機性，也要考慮客觀權(quán)重的真實性格式化，采用下式進行綜合權(quán)重計算：

3 討論

漬水脅迫是造成南方地區(qū)作物減產(chǎn)的一個重要原因，已有研究表明漬水脅迫時作物因土壤氧氣不足，呼吸受到抑制，產(chǎn)生并累計乙醇、丙酮酸等有毒物質(zhì)，影響到植株正常生長。此外，土壤礦質(zhì)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化利用及酶的活性受到影響，植株對土壤養(yǎng)分吸收利用效率低，正常生理過程受到阻礙[2]。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，番茄在地下水埋深-40 cm 時受到漬水脅迫會造成品質(zhì)下降，而在耕層土壤添加生物炭后，產(chǎn)量增加，可溶性糖、可溶性固形物、有機酸和維生素C等評價果實優(yōu)劣的指標(biāo)獲得提升。這與程琳等[27]在研究漬害脅迫對西瓜產(chǎn)量及品質(zhì)影響中得到結(jié)果相同。

研究結(jié)果表明在土壤中適量施加生物炭可使番茄增產(chǎn)[23]，但大多停留于研究非漬水脅迫條件下生物炭的增產(chǎn)效果。本試驗表明，生物炭在番茄受漬條件下可提高產(chǎn)量及水分利用效率，相對于單純漬水脅迫處理可增產(chǎn)56.7%，水分利用效率提高120.2%；與未受漬水影響的T1 處理相比最高可提高水分利用109.7%。其可能原因為：1）生物炭多孔結(jié)構(gòu)增大土壤孔隙度[28]，增加土壤氧氣含量，有助于植物根系及土壤微生物的呼吸作用，減少有毒物質(zhì)的產(chǎn)生；2）生物炭的高表面積使得表層土壤保水性提高[29]，減少深層滲漏，削弱棵間蒸騰，提高了水分利用效率，從而促進作物生長發(fā)育，有利于作物增產(chǎn)；3）土壤碳素含量因添加生物炭獲得提升，微生物對土壤碳氮比進行調(diào)節(jié)的同時也提高了無機狀態(tài)氮含量[30]，有助于提高番茄產(chǎn)量[31]。

生物炭可起到提升果實品質(zhì)的作用[24]。根據(jù)趙守才等[32]的研究，適量施加鉀肥對提高番茄產(chǎn)量，增加單果質(zhì)量作用顯著；鉀肥與磷肥配施可提高番茄可溶性糖含量，降低總酸含量，提高維生素C 含量[33]。施用高鉀復(fù)合肥的番茄果實可溶性固形物及果實硬度均較高[34]。本試驗所用生物炭速效磷、速效鉀量分別為質(zhì)量分數(shù)分別為10.2 和55.65 g/kg，在作為含鉀、磷豐富的外源有機質(zhì)的同時，其對銨根離子及磷酸根離子的強吸附能力也提高了土壤肥力，使番茄營養(yǎng)品質(zhì)獲得提升。本研究表明，相比T2處理，所有生物炭處理均使果形指數(shù)及有機酸含量顯著提高，提升率在17.1%～45.7%不等，T4、T5 處理對可溶性固形物影響顯著，提升程度約8.6%～13.1%，T5 處理的可溶性糖、維生素C及果實硬度等品質(zhì)指標(biāo)，均存在一定幅度的提升，符合前人的研究規(guī)律。同時，生物炭減少水分、養(yǎng)分淋失[35]，加之疏松多孔的特性使土壤微生物活性顯著提高[29]，酶促反應(yīng)增強[36]，輔助改善土壤環(huán)境，水分及養(yǎng)分利用效率均獲得提升，有助于實現(xiàn)番茄的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

試驗設(shè)計生物炭梯度對應(yīng)大田施用量為134、227、480 t/hm2，遠高于已有研究的最優(yōu)添加量[37-38]，但試驗結(jié)果顯示產(chǎn)量品質(zhì)等指標(biāo)隨添加量增多而升高，未出現(xiàn)峰值。產(chǎn)生差異的原因可能是處理方式及添加深度或土壤條件的不同，已有研究的處理未涉及黏壤土地下水位過高的情況。試驗結(jié)果顯示在漬水脅迫條件下10%添加量尚未發(fā)揮生物炭的最大效用，如需探求最優(yōu)添加量或進行推廣尚需進一步研究。

4 結(jié)論

1）在本試驗條件下漬水脅迫降低了番茄作物需水量，但對產(chǎn)量及水分利用效率影響不顯著，而漬水環(huán)境生物炭添加有助于提高番茄產(chǎn)量和水分利用效率，且在地下水位-40 cm，添加量0～10%范圍內(nèi)施加量越多，作用效果越明顯。

2） 漬水脅迫造成了番茄果實營養(yǎng)品質(zhì)的下降，而漬水脅迫情況下添加生物炭可以改善果實品質(zhì)，雖然生物炭添加對外觀品質(zhì)影響不顯著，但對營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)中的可溶性糖、可溶性固形物、有機酸和維生素C存在顯著影響。

3）主成分分析發(fā)現(xiàn)，無漬水脅迫處理的外部指標(biāo)主成分最高，而漬水脅迫下10%生物炭添加處理的內(nèi)部指標(biāo)主成分最大。通過對番茄的內(nèi)部品質(zhì)、外部品質(zhì)、產(chǎn)量和水分利用效率4 項指標(biāo)進行綜合評價發(fā)現(xiàn)，10%生物炭添加處理最優(yōu)，無生物炭添加的漬水脅迫處理最劣，即在地下水埋深-40 cm 情況下，施加10%的生物炭可實現(xiàn)番茄的抗?jié)n調(diào)優(yōu)高效生產(chǎn)。