生物炭施用對濱海鹽堿地番茄生長與耗水規律的影響

果才佳，Gamareldawla H D Agbna，佘冬立

（河海大學農業科學與工程學院，南京210098）

0 引 言

土壤鹽漬化問題始終是關系到我國農業可持續發展和環境質量改善的戰略問題。我國境內大量的鹽漬土地具有改良應用的價值，是潛在的耕地資源［1］，其對糧食安全的支撐作用是不可忽視的。隨著人口不斷增長，要滿足對糧食等農產品的巨大需求，全面高效利用沿海鹽堿地是重要措施之一；但同時，養分缺乏和鹽脅迫嚴重制約了沿海土壤生產力［2］。因此，減輕鹽脅迫、提高土壤肥力水平、提升土壤環境生態服務功能、大幅提高鹽堿地的農業生產效率，是濱海鹽堿地土地資源開發利用的重要基礎［3］。

生物炭指在低氧環境中熱解生物有機物質（生物質），通過裂解生成的高度芳香化、富含碳素的多孔固體顆粒物質。生物炭作為一種改良土壤養分循環、有機物分解的土壤調理劑愈發受到關注［4］。已有研究表明，生物炭因其良好的多孔特性及其穩定的生物學特性，施入土壤后可顯著調節土壤環境，在提高土壤肥力和增加作物產量等方面具有重要作用［5］。生物炭的施用可降低土壤容重、促進團聚體形成、增大土壤孔隙度、通氣性和水分滲透性，從而增加土壤鹽分的淋溶和改堿［6］。因此，目前相關研究已經明確了生物炭作為土壤改良劑增加土壤肥力和促進植物生長的諸多效應，并認識到施用生物炭減輕作物鹽分脅迫的潛力等；然而，關于生物炭作為土壤改良劑緩解濱海高鹽分脅迫條件下作物對水分利用效率的研究還有待深入。本研究通過番茄盆栽實驗，明確不同生物炭添加量對濱海鹽堿土番茄生長與耗水規律影響，探索生物炭對濱海鹽堿土壤改良效果，評估鹽堿土壤施用生物炭對番茄產量、水分利用效率和果實品質的影響。研究結果可為濱海鹽堿地區鹽漬土改良技術提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

供試土樣取至江蘇省東臺市沿海條子泥墾區（32°33'N，121°07' E），東近黃海。該區土壤為典型海涂圍墾區鹽堿土，2012年圍墾。試驗土壤類型以砂土、粉砂土為主，土壤砂粒（0.2～0.02 mm）含量為83.05%，粉粒（0.02～0.002 mm）含量為13.27%，黏粒（＜0.002 mm）含量為3.68%；有機質含量為5.21 g/kg；EC1∶5為5.9 dS/m。

試驗于2015年4月19日至8月18日河海大學節水科技園區溫室大棚中進行（31°86'N，118°60'E）。該地區以亞熱帶濕潤氣候為主，年平均降水量為1 021.3 mm，年平均蒸發量900 mm，年平均氣溫15.7 ℃，年無霜期237 d，年均日照時間為2 212.8 h。本試驗所用生物炭是河南三利新能源公司生產的商用小麥秸稈生物質炭，由350～550 ℃熱裂解炭化制得。該生物炭pH 為9.9，電導率為1.0 dS/m，有機碳為467.2 g/kg，全氮含量為5.9 g/kg，容重為0.69 g/cm3，總孔隙度為62.5%。

1.2 試驗方案

試驗采用單因素隨機區組設計，設置5 個生物炭添加量處理，包括生物炭0%（CK）、0.5%（B2）、2%（B3），4%（B4）和8%（B5）（W/W 干重比）的比例添加量，每個處理3 個重復。采用盆口直徑30 cm，盆底直徑25 cm 和高42 cm 的塑料盆開展盆栽試驗，每個塑料盆填土21 kg。根據當地農民的建議，按照120 kg/hm2的施肥量施用復合肥［NPK（15∶15∶15）］。在將番茄植株移栽到每盆之前兩天，用水均勻澆灌盆栽區域土壤，使土壤處于田間持水量，待土壤穩定后播種。耗水量基于參考蒸發蒸騰法［7］，每2 天稱量盆重，確定作物在一定水分條件下土壤實際消耗的水量。通常包括植物實際蒸騰耗水，以及因蒸發或下層滲漏損耗的水分，并根據作物耗水量，平均每三天或在必要時（取決于生長階段，天氣和土壤條件）對番茄進行灌溉，持續到收獲階段結束。

1.3 測定項目與方法

番茄生育期劃分為4 個階段，即苗期與建成期（27 d）、營養生長期（31 d）、開花與果實發育期（34 d）、果實成熟與收獲期（24 d）［8］。在番茄生育不同階段測定植株生長和生理參數［即株高、葉面積、葉片相對含水量（LRWC）、植物鮮重（FPW）、植物干重（DPW）］，采用便攜式激光葉面積儀（CI-203，CID Inc，USA）測定番茄植株葉面積。在每個生育期，采集各處理番茄植株葉片，采用電感耦合等離子體質譜儀（ICP）測定植株葉片鈉（Na），鈣（Ca）和鉀（K）的含量。果實成熟與收獲期測定番茄產量與果實品質參數，包括果實含水量（FWC）、總可溶性固形物（TSS）、果形指數（FSI）和顏色指數（CI）［9］。試驗期間，測定番茄耗水量是基于一定區域面積和土體深度在某一時段內的水量平衡，間接測定總蒸散量，計算水分利用效率（WUE）：番茄產量與生育期總耗水量的比值與灌溉用水效率。每隔兩天，采用烘干法測定土壤含水量，分別采用pH 計和DDS-307 電導率儀（上海精密科學儀器有限公司，上海）測定土壤pH 值和電導率（土水比1∶5）［10］。

1.4 數據處理與分析

使用MSTATC 的統計軟件包對每個變量的數據集進行分析（Fischer 1990）。當F值顯著時，采用單向方差分析（ANOVA），然后進行LSD檢驗，p＜0.05。

2 結果與分析

2.1 番茄生長和生物量響應

作物生長情況能夠反映土壤改良的綜合效應，株高和葉面積是反映番茄生長發育的重要指標［11］。在添加不同量生物炭處理下，番茄高度和葉面積的變化如表1所示。

由表1 可知，株高和葉面積隨生物炭添加量增加而顯著升高（p＜0.01）。與對照組相比，試驗組的番茄株高分別增長了6.35%、16.19%、34.43%和52.66%，其中B5 處理地上部分株高最高，達到了74.5 cm。添加生物炭處理相比對照組植株葉面積增加了1.51%、18.79%、35.34和49.43%，最高值是B5處理，單株葉面積達到了3268 cm2。

表1 番茄在不同生物炭改良水平下的生長參數Tab.1 Tomato growth parameters under different levels of biochar improvement

表1 中給出了收獲時測得的地上生物量，番茄新鮮植物重量（FPW）和干燥植物重量（DPW）均隨著生物炭添加量的增加而顯著增加（p＜0.05），對照組CK處理的最小FPW和DPW值（分別為195.17 g和109.53 g），最大的FPW和DPW值由B5處理（分別為288.3 g和173.78 g）產生，比CK高出47.72%和58.66%。生物炭添加量從B2依次增加到B5提高了植物的生物量。

生物炭添加處理對植株葉片相對含水量（LRWC）具有顯著影響，B5處理LRWC最高為91.82%，而在CK處理獲得最低值為87.70%。番茄株高、葉面積、地上部分的干鮮重和葉片相對含水量均表現為隨生物炭添加量增加而顯著升高，僅B2處理下與對照組比較無顯著差異，表明生物炭濃度施用到一定程度時，對作物生長表現為積極的促進作用。

2.2 產量和果實品質反應

不同生物炭添加量處理對番茄果實產量具有顯著影響（p＜0.01），如表2 所示，番茄產量隨著生物炭添加量的增加而增加，單株產量變化范圍為358.7～764.8 g，平均值為526.88 t/hm2，CK處理產量最低，而B5 處理獲得最高產量，CK 和B2 處理之間未觀察到顯著差異（p＞0.05）。

表2 番茄產量和果實品質對不同生物炭施用處理的響應Tab.2 Response of tomato yield and fruit quality to the biochar applications

從表2 中數據可以看出，生物炭處理對單株果實的數量也有顯著影響（p＜0.01），隨生物炭添加，番茄果實單果重呈上升趨勢，相對于對照組，分別提高單果質量達11.11%、66.67%、100%和111.11%。不同生物炭添加量處理之間的果實含水量（FWC）值存在顯著差異（p＜0.05），隨著生物炭施用量的增加，FWC顯著增加（p＜0.05），FWC從CK 處理的90.08%增加到B5 處理的93.38%。隨著生物炭施用量的增加，番茄果實品質參數總可溶性固形物、果實形態指數和顏色指數均略有增加，但未達到顯著水平。

2.3 耗水量、水分利用效率與灌溉用水效率

添加生物炭對番茄植株的耗水量具有顯著影響（p＜0.05）（圖1）。與對照處理（CK）相比，在B5、B4、B3 處理下添加生物炭分別顯著降低了番茄的耗水率；B2處理下番茄耗水量與對照組相比無顯著差異。

圖1 在不同生物炭施用水平下的耗水量Fig.1 Water consumption at different levels of biochar correction

圖2顯示了生物炭處理對水分利用效率（WUE）的影響。與對照（CK）相比，施用生物炭使土壤水分利用效率提高了8.30%～49.71%，其中B5處理比對照提高49.71%，在生物炭處理B4 和B5 中獲得水分利用效率最高值（15.19 和15.69 kg/m3）；在CK 和B2 處理中分別記錄了最低的WUE值（10.48 和11.35 kg/m3），CK和B2處理之間未觀察到顯著差異。

圖2 在不同生物炭施用水平下的水分利用效率Fig.2 Water use efficiency under different biochar correction levels

灌溉用水效率（IWUE）同樣受到生物炭處理的顯著影響（圖3），番茄IWUE隨著生物炭添加量的增加而增加。IWUE的平均值介于10.18～15.17 kg/m3之間，在CK處理下IWUE值最低，而B5處理值最高；CK和B2處理之間IWUE值差異不顯著。

2.4 不同生物炭處理下葉片營養

生物炭自身含有一定數量的N、P、K 養分和一些促進作物生長發育的微量元素，也可通過增加如Na+、K+、Mg2+、Ca2+等土壤陽離子交換量來減少土壤中活性鋁等有毒元素對作物生長的不利影響［12］。表3 為不同生物炭處理下葉片營養元素（Na+，K+和Ca2+）離子濃度和K+/Na+比。與較低生物炭施用量相比，在較高施用量的土壤上，葉片Na+積累的減少，Ca2+，K+濃度的增加以及葉片中K+/Na+比例的增加也可能有助于提高番茄產量。作物生長減緩的主要原因可能是根系中的NaCl 對Ca2+和K+等礦質營養物質的吸收抑制作用［13］。因此，增加K+/Na+比例和減少Na+積累以及改善蒸騰作用可能是抵抗鹽分脅迫的機制，并且有助于植物生長和提高番茄產量［14］。

表3 在不同生物炭處理下，番茄葉片營養（K+，Ca2+和Na+）濃度和K+/Na+比例Tab.3 Tomato leaves nutrition（K+，Ca2+and Na+）concentration and K+/Na+ration under different biochar treatments

3 討 論

生物炭在改善土壤物理和化學特性、促進農作物生長和提高農作物產量等方面發揮了重要作用［15］。統計分析表明，在濱海土壤中添加生物碳對土壤水分含量有顯著的增效作用。同時，生物炭因豐富微孔結構對肥水的吸持作用為微生物的生存繁衍提供了良好的棲息環境［16］。表1顯示了施用生物炭對番茄生長及其生物量的影響。統計分析表明，在沿海土壤中添加生物炭對番茄植株有積極的影響。生物炭處理（B5、B4 和B3）的產量明顯高于B2 和CK 處理。添加生物炭提高土壤的持水能力，通過稀釋作用降低離子毒性和對作物的滲透脅迫［17］。在營養不良，退化，保水能力低和高酸性土壤中，生物炭有效改善土壤理化特性，如酸堿度、孔隙度、容重、含水率等，特別提高了土壤中速效養分含量可供植物吸收利用，優化作物生長環境促進作物生長［18］。同時，通過施用生物炭，增加植株體內K+/Na+比例和減少Na+積累以及改善蒸騰作用可能是抵抗鹽分脅迫的機制，并且有助于植物生長和提高番茄產量。

生物炭改良濱海鹽堿土對番茄水分利用效率（WUE）和灌溉水利用效率（IWUE）有顯著影響。添加生物炭的處理顯著減少了水分消耗并增加了番茄產量，從而顯著提高了作物WUE和IWUE。先前研究表明，生物炭可以提高土壤的孔隙度和表面積，增加了土壤透氣性和透水性，從而可以降低作物生長的耗水量［19］。對照中未施用生物炭改良劑的番茄植株的WUE和IWUE分別為10.48 和18.18 kg/m3，而施用生物炭B5 的WUE和IWUE值分別為15.69 和15.27 kg/m3。在當前的研究中，有證據表明，添加生物炭可以緩解沿海土壤高鹽分對作物生長的脅迫，從而提高產量，提高水分利用效率和灌溉水利用效率［20］。

4 結 論

通過盆栽試驗，研究了生物炭施用對濱海鹽堿土番茄生長與耗水規律的影響。從試驗的結果可以看出，添加生物炭顯著改善了番茄的生長性能。生物炭施用對番茄生長正效應主要歸因于生物炭的施用顯著增加了土壤有機質、提高土壤導水率和含水量來降低滲透脅迫、降低植物鈉離子濃度和鹽離子毒害等。生物炭施用對濱海鹽堿地番茄植株的耗水量、水分利用效率和灌溉水分利用效率都有顯著的改善作用。通過研究表明，生物炭的施用可能是提高沿海地區農作物生產力的有效途徑。