生物炭對設施菜田土壤理化性狀及番茄生長的影響

吳 玨，李建勇，郭欣欣

（1.上海市奉賢區蔬菜技術推廣站，上海 201499；2.上海市農業技術推廣服務中心，上海 201103）

生物炭（又名生物黑炭或生物質炭等，英 文名稱為biochar）是指由農業廢棄物、垃圾及其他廢棄物等生物質在無氧或限氧條件下經過350～450 ℃熱解而炭化產生的高度芳香化的一類難溶性固態物質[1]，為疏松多孔的結構，比表面積較大，吸水、氣能力強[2]。絕大多數生物質炭為堿性，pH值7～10，因此利用生物質炭可以進行酸性土壤的改良、保水保肥能力改善以及有機污染物的吸附等方面的研究[3]。目前已有研究表明，生物炭能夠提高一些蔬菜品種的產量[4-5]和肥料利用率，并且具有土壤保肥能力[6-7]。

我國設施蔬菜產業自2010年開始發展迅速，但由于栽培土壤長期處于人為特殊小氣候環境控制下，棚室內空氣相對流動性差，淋溶作用弱且無自然降雨淋洗，加之連作次數增多，設施菜田化肥施用過量，土壤酸化、連作障礙等問題日益嚴重。番茄是我國栽培面積最大的蔬菜之一，在上海蔬菜生產中也占有較大的比重，是最主要的果菜類蔬菜之一。隨著園藝設施的發展，番茄生產基本實現了周年生產和均衡供應的目標。但由于集約化程度高、復種指數高等特點，番茄連作障礙問題日益突出，棚室土壤理化性狀逐步惡化，嚴重制約設施番茄生產的可持續發展[8]。目前，對于生物炭在促進作物增產方面有不少研究，但以不影響作物茬口和蔬菜生產為出發點，通過技術方法改善土壤理化性狀，提高蔬菜產量和品質，促進蔬菜產業可持續發展的研究并不多；因此，本研究以番茄為試驗材料，通過田間試驗，研究實際生產中生物炭和有機肥施用在改善土壤地力、促進番茄長勢、提高番茄品質等方面的效果，以期為設施菜田障礙土壤修復和蔬菜提質增效提供技術路徑，為上海都市現代綠色農業發展提供技術依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地點

試驗于2018年2—7月在上海市奉賢區北港園藝場三連棟塑料大棚內進行。供試土壤pH值為6.59，水溶性鹽總量為3.35 g/kg，有機質含量為32.75 g/kg，水解性氮335 mg/kg，有效磷245.0 mg/kg，速效鉀503.0 mg/kg，土壤容重為1.23 g/cm3（表1）。

1.2 試驗材料

商品有機肥：上海欣革生態農業合作社有限公司生產的欣革有機肥，有機質含量45%，氮磷鉀總量5%。

無機肥料：深圳市芭田生態工程股份有限公司生產的芭田復合肥（N∶P2O5∶K2O＝15∶15∶15）。

生物炭：時科生物科技（上海）有限公司生產的碳能微生物菌劑，生物炭20%，有效活菌數5.0億/g。

高氮型水溶肥：上海永通化工有限公司生產，N∶P2O5∶K2O＝28∶8∶15。

高鉀型水溶肥：上海永通化工有限公司生產，N∶P2O5∶K2O＝15∶7∶20。

1.3 試驗設計

試驗設6個處理，小區面積為40 m2，3次重復，隨機區組排列。T1—T5處理生物炭用量分別為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 kg/hm2，對照CK不施用生物炭。各處理欣革有機肥、芭田復合肥和生物炭均以基肥方式施入，有機肥用量相同，均為12 000 kg/hm2，復合肥施用量均為600 kg/hm2。2018年3月22日定植，每小區定植200株，定植后各處理栽培管理措施均一致。5月3日，各處理追施1次高氮型水溶肥，用量均為105 kg/hm2，6月10日追施1次高鉀型水溶肥，用量均為105 kg/hm2。總生育期N、P2O5、K2O用量為3.01、1.05、2.45 kg。灌溉和追肥采用文丘里施肥器+滴灌的水肥一體化模式。

1.4 測定指標及方法

在番茄生長過程中，每處理隨機抽取10株番茄分別于定植后22、42、62 d跟蹤測量株高、最大葉面積、葉片數和始花節位。在番茄成熟期，每處理隨機摘取5 kg成熟番茄用于品質測定[9]。維生素C含量用改進的2,6-二氯靛酚滴定法測定，可溶性固形物含量用考馬斯亮藍G-250染色法測定，糖含量用蒽酮比色法測定，總酸含量用可見分光光度法測定。

采集土壤樣品，測定土壤基本理化性質[10]。作物種植前及采收完成后每處理按照NY/T 1121.1—2006《土壤樣品的采集、處理和貯存標準》采集土樣，每個處理的混合樣品由15個樣點組成，采用“S”型布點采樣法。土壤pH值采用電位法測定，土壤全鹽量用質量法測定，土壤中有機質用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，水解性氮用堿擴散法測定，有效磷用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提比色法測定，速效鉀用1 mol/L乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測定。

試驗數據使用Microsoft Excel 2007和SAS 9.13軟件統計分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭對土壤理化性狀的影響

不同用量生物炭對設施菜地土壤理化性狀影響如表1所示。隨著生物炭用量的增加，菜地土壤容重逐步減小，使用生物炭的5個處理，土壤容重較對照顯著降低，在T4處理下容重最低，比種植前降低8.94%，比對照低11.81%，與對照相比差異顯著，但是T4與T5之間無顯著差異。

土壤pH值各處理均高于原始土壤和對照，其中T1、T2顯著高于對照。在水溶性鹽含量方面，各處理均高于原始土壤，且均低于對照，其中T1的含量最低，比對照低44.9%。可見使用生物炭在番茄生長過程中可以有效減少土壤中鹽分含量，防止土壤酸化。此外各處理土壤有機質含量較種植前均有所提高，這與種植過程中施用了有機肥密切相關，其中T4的土壤中有機質含量顯著高于對照，增幅為18.1%（表1）。

在土壤中水解性氮、有效磷和速效鉀的含量方面，施用生物炭對三者含量影響較大。其中T4處理的土壤水解性氮、有效磷、速效鉀含量最高，與對照差異顯著。由此可見4 000 kg/hm2生物炭的加入改善了土壤容重、孔隙度、團聚體穩定性，改良了土壤結構，使土壤疏松，增加了土壤透水性，防止土壤表面板結，使土壤保肥性提高，從而提高土壤養分含量。

2.2 生物炭對番茄生長的影響

2.2.1 生物炭對番茄長勢的影響

從表2可以看出，在番茄整個生長過程中，T1和T2長勢較好，T1的株高在整個生長過程中始終最大，與對照相比差異顯著，其次為T2。T2在番茄生長早期和后期葉片數最多，且最大葉面積也最大，與對照相比差異顯著。同時T2處理的始花節位最低，與對照相比差異顯著，T2結果最早。此外，T3和T5在生長過程中長勢較弱，早期T3的株高、葉片數、最大葉面積均最低，末期T5的3個指標最低。由此可見，在一定限度內增加生物炭用量可以促進番茄生長。

2.2.2 生物炭對番茄果實性狀的影響

由圖1、圖2可知，不同生物炭用量對番茄果實橫徑、單果質量影響不同，且沒有顯著規律可循。在T2處理下，其果實橫徑顯著高于其他處理，達到9.3 cm。其次為T1，但與對照差異不顯著。T3、T4、T5處理下，番茄果實橫徑明顯減小，其中T3最小，僅為8.62 cm，顯著低于對照。T2、T1的果實單果質量最高，與對照差異不顯著。而T3、T4、T5處理下果實單果質量低于對照，特別是T3，與對照相比低20%。

表1 不同生物炭用量對土壤理化性狀的影響

表2 不同生物炭用量對番茄長勢的影響

2.2.3 生物炭對番茄產量的影響

不同生物炭用量對番茄產量的影響如圖3所示。在T2處理下，其產量最高，折合667 m2產量達到3 738.7 kg。其次為T1處理，產量也略高于對照。T3、T4、T5處理下，番茄產量明顯降低，特別是T3處理下番茄產量為2 412.7 kg，顯著低于對照。生物炭用量2 000 kg/hm2處理下，番茄產量比對照提高10.53%，而在3 000 kg/hm2用量處理下，番茄產量減少明顯，比對照處理降低25.7%。可見生物炭用量不同對番茄產量影響各異，這與前人在一定限度內添加不同量的生物質炭均可以提高小白菜產量[11]的研究結果一致。

2.2.4 生物炭對番茄品質的影響

可溶性糖、總酸、維生素C、可溶性固形物含量是評價番茄營養品質的主要指標。由表3可以看出，番茄可溶性糖含量表現為T4＞T5＞T2＞T3＞T1＞CK。T1—T5處理的可溶性糖含量比CK處理分別提高了43%、73.8%、68.2%、104.6%、94.4%，除了T1外，其他各處理與對照相比差異均達到顯著水平。

番茄果實總酸的含量表現為CK＞T2＞T1、T3＞T5＞T4，對照處理的總酸含量最高，T4的總酸含量最低，比對照低37.3%，顯著低于其他處理。從可溶性固形物的指標來看，T4處理的最高，與含量最低的T3和T5差異顯著。同時由表3可知，各處理VC含量均有一定程度提高，其大小關系為T2＞T4＞T3＞T5＞T1＞CK，各處理與對照相比差異均達到顯著水平。綜合判斷，T4處理下番茄可溶性糖含量最高、總酸度最低、可溶性固形物含量最高，品質最佳，風味最好。

3 結論與討論

生物炭的應用在一定程度上可以改善酸性土壤，提高土壤肥力。已有研究表明[4]，生物炭不僅對土壤物理性質產生積極作用，也間接地對土壤化學性質產生重要影響。由于生物炭本身含有Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子，進入土壤以后會有一定程度的釋放，交換土壤中的H+和Al3+，從而降低其濃度，提高鹽基飽和度并調節土壤pH值。生物炭提高土壤pH值的作用隨施用量的增加而提高。本試驗研究結果也表明施用生物炭后土壤pH值各處理均高于原始土壤和對照，其中T1、T2顯著高于對照。此外由于生物炭對不同種類的離子具有一定的吸附能力，當土壤中存在一定數量的生物炭時，有助于提高土壤肥力。

由于生物炭孔隙結構發達，施用到土壤中可以吸附一部分養分離子，如銨根離子[12]、硝酸根離子[13]、磷酸根離子[14]和其他水溶性鹽離子，減少其向環境中的淋失，從而提高土壤保肥能力。本試驗結果表明各處理較種植前土壤有機質含量均有所提高，這與種植過程中施用了有機肥密切相關，其中T4處理的土壤中有機質含量顯著高于對照，增幅為18.1%，同時T4處理的土壤中水解性氮、有效磷、速效鉀含量最高，與對照差異顯著。此外，在本試驗中，基肥中適當增施生物炭可促進番茄生長及提高產量，但不是越多越好，一般以不高于2 000 kg/hm2為宜。同時使用生物質炭基肥提高了番茄果實中總糖含量，降低了番茄果實中有機酸含量，使番茄的口感更好，品質更佳。綜合判斷，T4處理下番茄可溶性糖含量最高、總酸度最低、可溶性固形物含量最高，品質最佳，風味最好。因此，通過研究可知，增施生物炭對設施菜田土壤改良有一定的促進作用，同時可以促進番茄生長，提高產量。生物炭用量2 000 kg/hm2增產最明顯，較對照可增產10.52%，生物炭用量4 000 kg/hm2土壤保育效果與番茄品質提升最顯著。

由于生物炭對土壤的影響是一個復雜、有機、無機、生物的復合過程，本研究僅從其對設施番茄生長和土壤基本性狀的影響進行了研究，關于生物炭的作用機理等還需要進一步深入研究。

表3 不同生物炭用量對番茄品質的影響