生物炭對遼寧中部地區溫室青椒生理特性及產量的影響

邰恩博，張更元

(1.遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110003；2.沈陽市水務事務服務與行政執法中心，遼寧 沈陽 110015)

生物炭是生物質在無氧或限氧條件下高溫裂解(<700 ℃)而得到的一種富含碳的有機物質[1]。生物炭因其獨特的結構而被廣泛認為是一種能改善農田水土狀況和提高作物產量的有效農業技術措施[2]。生物炭具有豐富的孔隙、較大的比表面積和較強的吸附能力，使其施用在土壤中能夠通過改變土壤物理和化學性質來提高土壤肥力，從而實現作物增產[3-4]。光合作用是影響作物新陳代謝和發育的最重要的生理過程，其與作物產量直接相關[5]。研究表明，生物炭的施用可顯著提高作物的葉綠素含量和光合速率，從而實現作物的增產[6-7]。

我國青椒栽培面積和生產量均位于世界前列[8]，但我國人口眾多，對栽培蔬菜的需求量大，設施青椒作為我國主要栽培蔬菜之一，如何提高其產量仍然是主要問題。目前有關青椒的研究大多集中在灌溉方式、灌溉量及肥料施用量，提高青椒光合能力，實現增產方面的研究[9-11]，而有關在溫室大棚條件下，施用土壤改良劑生物炭對青椒生理方面的影響研究還較少，因此，本研究通過探究生物炭對遼寧中部地區溫室青椒生理特性、產量及水分利用效率的影響，揭示施用生物炭引起產量和水分利用效率差異的原因，以期為生物炭應用在溫室青椒生產上提供可借鑒的技術與方法。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019年在遼寧省水利灌溉中心試驗站5號日光溫室大棚中進行，地理位置為北緯42°8′59″、東經120°30′44″。該地區為平原地帶，氣候特征屬溫帶大陸性季風氣候。供試作物為青椒，供試土壤為黏壤土，pH為7，容重1.35 g/cm3，土壤飽和體積含水率為42.30%，全氮1.11 g/kg，堿解氮75.40 mg/kg，速效鉀107.00 mg/kg，速效磷18.40 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用單因素試驗設計，設置未施生物炭(B0)和施生物炭(12 t/hm2，B12)2個處理，設3次重復，共6個小區。青椒于2月19日移栽，7月9日收獲。大壟雙行種植，壟底距1.2 m，壟臺高15.0 cm，行距0.5 m，株距0.45 m，壟長7.0 m。采用膜下滴灌灌溉方式，定植前在壟中心鋪設滴灌帶，滴頭間距為30.0 cm，滴頭設計流量為1.38 L/h，每個小區安裝水表以記錄灌水量。各生育期的灌水量見表1。其他管理方式按常規進行。

表1 青椒不同生育期灌水次數和灌水量

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生長指標

每個小區選取長勢一致的青椒植株10株，每隔10天利用鋼尺測定株高，利用游標卡尺測定莖粗。

1.3.2 測定 SPAD

在青椒的各生育期，選擇晴朗無云的天氣，在各小區中心位置隨機選取3株青椒植株最上部一片完全展開葉片，于上午9:00采用SPAD-502型葉綠素儀測定葉片SPAD值。

1.3.3 光合參數

于不同生育期，選擇晴朗無云的天氣，在每個小區中心位置隨機選取3株青椒植株最上部一片完全展開葉片，于上午10:00—11:00利用LI-6400便攜式光合儀測定植株最上部完全展開葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs)。

1.3.4 產量及水分利用效率

果實成熟后，每個小區的產量單打單收，利用電子秤測定各小區的青椒產量。水分利用效率為產量/全生育期耗水量。

2 結果與分析

2.1 生物炭對青椒生長性狀的影響

2.1.1 生物炭對青椒全生育期株高動態變化的影響

由圖1可知，B0和B12處理下青椒株高隨著生育期的推進表現為先快速增長后逐漸趨于穩定。在苗期(3月1日)和開花坐果期(3月12日、3月23日和4月3日)，施入生物炭處理并沒有表現出其優勢，B0和B12處理的株高無顯著差異。4月25日—5月28日，可以明顯看到青椒株高動態曲線的斜率高于其他時間。6月8日后，青椒株高增長速率趨于平穩。進入結果期后，生物炭處理表現出明顯的優勢，B12處理的株高顯著高于B0處理，且這種顯著差異效果持續到生育期結束。從最終的株高表現來看，B12處理的株高較B0處理顯著提高了15.9%。由此可見，施入生物炭能在青椒生長后期對其生長具有一定的促進效應。

圖1 生物炭對青椒全生育期株高動態變化的影響

2.1.2 生物炭對青椒全生育期莖粗動態變化的影響

各處理下青椒全生育期的莖粗動態變化見圖2。全生育期莖粗變化表現出與株高變化相似的趨勢。苗期，B12處理的莖粗略低于B0處理。開花坐果期后，B12處理的莖粗雖在數值上逐漸高于B0處理，但并未達到顯著性水平。

圖2 生物炭對青椒全生育期莖粗動態變化的影響

2.2 生物炭對青椒生理特性的影響

2.2.1 生物炭對青椒葉片SPAD的影響

葉綠素是作物光合作用過程的重要光合色素，葉片的SPAD值通常用來表征葉綠素含量。由表2可知，兩個處理下的SPAD值隨生育期的推進而升高，均在結果期達到最大值，分別為58.13和62.61。在苗期，B0和B12處理的SPAD值無明顯差異。開花坐果期，B12處理的SPAD值較B0處理顯著提高了5.1%。結果期，與B0處理相比，B12處理顯著提高了7.7%的SPAD值。可見，生物炭的施用可提高青椒關鍵生育期葉片葉綠素含量，從而為此時期光合能力的提高提供了基礎。

2.2.2 生物炭對青椒葉片光合參數的影響

兩個處理下的Pn在結果期達到最高值，分別為19.88 μmol/(m2·s)和22.92 μmol/(m2·s)。由表2可知，苗期時B0和B12處理的Pn無顯著差異。開花坐果期和結果期，B12處理的Pn較B0處理分別顯著提高了16.7%和15.3%。各生育期Tr變化同凈光合速率相一致。B0和B12處理的Tr在苗期未表現出顯著性的差異。開花坐果期和結果期，兩個處理間的差異達到顯著性水平，B12處理的Tr較B0處理分別顯著提高了24.5%(開花坐果期)和27.7%(結果期)。

表2 生物炭對青椒葉片生理特性的影響

在開花坐果期和結果期，B12處理表現出較高的凈光合速率和蒸騰速率，有利于提高光合效率和促進光合產物的形成，從而促進產量的提高。B0和B12處理的Gs在苗期未表現出顯著性的差異。同樣，于開花坐果期和結果期兩個處理間的差異達到顯著性水平。B12處理的Gs較B0處理分別顯著提高了23.5%(開花坐果期)和30.6%(結果期)。由上可以看出，青椒產量的提高是由于在青椒生長關鍵期間(開花坐果期和結果期)生物炭處理提高了SPAD值，從而延長青椒葉片的功能期，使其在產量形成的關鍵期保持較高的光合速率，最終實現產量的增加。

2.3 生物炭對青椒產量及水分利用效率的影響

由圖3可知，兩個處理間的青椒產量差異顯著。施用生物炭顯著提高了青椒產量，B12處理的產量為49.35 t/hm2，較B0處理顯著提高了22.9%。產量提高的同時水分利用效率也隨之增高，B12處理的水分利用效率顯著高于B0處理，提高幅度為22.9%。因此，施用生物炭可顯著提高青椒產量和水分利用效率。

圖3 不同處理的青椒產量和水分利用效率

2.4 生理指標與產量的相關性分析

SPAD值和Pn是影響青椒產量的重要影響因素，為了闡明青椒葉片SPAD、Pn、Tr和Gs與其產量的相關性，將不同生育期測得的生理指標與產量進行了相關分析。從表3可以看出，苗期青椒葉片的SPAD、Pn、Tr和Gs與產量均無顯著相關性。開花坐果期，SPAD和Gs與產量的相關系數為0.71和0.58，但相關性未達到顯著性相關，Pn和Tr與產量表現出顯著相關(P<0.05)。結果期，SPAD和Pn與產量的相關系數均為0.84，且相關性達到顯著水平(P<0.05)，Tr和Gs與產量的相關性未達到顯著性水平。

表3 不同生育期的生理指標與產量的相關分析

3 討 論

生物炭由于其結構特征和自身獨特的理化性質，可調控和改善土壤水分和養分狀況，從而促進作物生長[12]。生物炭的正效應是由于其本身含碳量高、具有大量微孔結構和表面含氧官能團等結構特征，能夠吸附土壤中的水分和養分，在作物生育后期土壤水分和養分供應不足時，會釋放水分和養分以供作物生長所需[13]。本研究表明，生物炭施用對青椒生長起到顯著促進作用，但在苗期時，生物炭并未表現出明顯的優勢，到了開花坐果期后，生物炭處理的青椒株高開始呈現出較為明顯的增長，且這種促進作用持續到生育期結束，這與王巖等[14]的研究結果相似。葉綠素含量是反應作物光合能力和氮素狀況的重要指標[15]。本研究中，生物炭處理顯著提高青椒葉片開花坐果期和結果期SPAD值，這可能由于生物炭對氮的吸附作用促進了植株體對氮素的吸收利用，進而促進葉綠素的合成。提高作物關鍵生育期的凈光合速率是實現作物增產的重要途徑。本試驗中，生物炭處理的青椒葉片凈光合速率較不施生物炭處理顯著提高16.7%(開花坐果期)和15.3%(結果期)。施用生物炭處理青椒葉片在開花坐果期和結果期的SPAD、Pn、Tr和Gs都保持在較高的水平，合成更多的“源”，生產更多的光合產物，為產量的增加提供保證。這從相關分析結果中也可看到，結果期的SPAD與產量，開花坐果期和結果期的Pn與產量，均表現出顯著的正相關關系，相關系數分別為0.84、0.83和0.84。該關系較為直觀地闡明了青椒葉片的光合能力對產量的決定作用。

生物炭對不同作物的增產效應已得到了廣泛的驗證，如研究表明，施用生物炭可使玉米產量和水分利用效率增加91%～139%，花生產量增加23%[16-18]。前人研究表明，生物炭施用量超過10 t/hm2，可以使作物產量提高約20%[19]。在本研究中，生物炭施用量為12 t/hm2，其產量較不施生物炭處理相比顯著提高了22.9%。產量提高的同時，生物炭處理的水分利用效率也隨之提高，施生物炭處理的水分利用效率較不施生物炭處理顯著提高了22.9%。但亦有研究表明生物炭的施用對作物產量影響不明顯或造成減產[20]。不同生物炭類型對不同土壤類型上的不同作物的影響也不同，增產效應也不盡相同，故其量-效關系需要在不同研究中進行考證。在本研究中，施用12 t/hm2生物炭可提高青椒葉片的光合能力進而促進產量的提高，具有較好的應用潛力。

4 結 論

通過生物炭對溫室青椒生長生理、產量及水分利用效率的試驗研究，結果表明，施用生物炭促進了青椒的生長，顯著提高了青椒株高，對青椒莖粗無顯著影響；生物炭處理顯著提高開花坐果期和結果期青椒葉片的SPAD、Pn、Tr和Gs。生物炭顯著提高青椒產量和水分利用效率。施用生物炭通過顯著提高青椒葉片的SPAD和Pn，從而達到增產的目標。由此，生物炭的施用可作為溫室青椒一種有效的增產手段，應在遼寧中部地區青椒生產實踐中應用和推廣。