生物质炭施用量对土壤性状和番茄产质量的影响①

沈 盟，蒋芳玲，王 珊，唐 静，吴 震,2*



生物质炭施用量对土壤性状和番茄产质量的影响①

沈 盟1，蒋芳玲1，王 珊2,3，唐 静2,3，吴 震1,2*

(1 南京农业大学园艺学院，南京 210095；2 南京农业大学昆山蔬菜产业研究院，江苏苏州 215300； 3 昆山市城区农副产品实业有限公司，江苏苏州 215300)

本试验以南方地区设施黄棕壤为供试土壤，樱桃番茄为试验材料，通过测定土壤有机碳、速效养分、酶活性以及番茄的产量品质等指标，研究生物质炭施用量对菜田土壤性状及樱桃番茄产量与品质的影响，为在蔬菜栽培中合理使用生物质炭提供依据。试验设3个生物质炭施用量处理，分别为200(T1)、400(T2)、600 kg/667m2(T3)，以不施用生物质炭处理为对照(CK)。研究结果表明：施用生物质炭能提高土壤有机碳、碱解氮、速效磷和速效钾含量。在番茄生长前期，以 T1处理的土壤蔗糖酶活性最高，但 3 个处理的脲酶和中性磷酸酶活性与对照的差异不显著；到生长后期，T1处理的蔗糖酶活性依然保持最高，脲酶和中性磷酸酶活性也逐渐提高且高于对照及其他处理。生物质炭可提高番茄单株坐果率，降低单株僵果率，以 T1处理的单株坐果率最高，T3处理的单株僵果率最低。3 个生物质炭施用量均可提高番茄产量，折合单位面积产量分别为 5157.99、4539.05和 4610.31 kg/667m2，分别较对照增产 20.44%、5.99%和 7.65%，以 T1处理产量最高。在本试验中，以生物质炭施用量为 200 kg/667m2的增产效果最好。

生物质炭；土壤性状；产量与品质；樱桃番茄

设施栽培在蔬菜跨区域、反季节种植中发挥重要的作用。我国是世界设施园艺面积最大的国家[1]，但由于缺乏科学合理的种植管理，温室大棚菜田土壤次生盐渍化、土壤酸化、养分失衡等问题比较严重[2-3]。生物质炭是生物质在低氧条件下热解产生的具有高度多孔结构的物质，具有较强的碱性，被用于农业生产和环境保护[4]，农业废弃物、城市垃圾和禽畜粪便等都可作为生物质炭的原料[5-7]。研究表明，生物质炭通过吸附有毒物质[8]、提高土壤pH和CEC值[9]、缓解盐胁迫[10]、增加土壤有机质含量[11]等途径有效改良土壤，在增加微生物群落丰度[12]、提高肥料利用率[13]、提高作物产量[14-16]等方面也具有良好作用。目前，相关研究多集中在实验室模拟栽培条件下进行的，在田间作物栽培中作用效果的相关研究还不多。因此，如何将生物质炭因地制宜地运用到生产中去，是亟需研究的内容。

番茄(Mill.)属于茄科番茄属，一年生或多年生的草本植物，是全世界栽培最为广泛的蔬菜作物之一，也是我国主要的设施蔬菜[17]。因此，本试验以樱桃番茄为试验材料，在设施条件下栽培，通过测定不同生物质炭施用量下土壤养分、酶活性以及番茄产量和品质的变化，明确生物质炭对设施栽培条件下土壤和番茄产量品质的影响，为在设施蔬菜栽培中合理使用生物质炭提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料和试验设计

供试番茄品种为“摩斯特”(Moscatel RZ)，属于樱桃番茄类型，由Rijk Zwaan Distribution B.V.公司提供。

试验所用生物质炭由辽宁金和福农业开发有限公司提供，该生物质炭由花生壳在300℃高温下制成。经测定，该产品碱解氮含量225 mg/kg，速效磷含量234 mg/kg，速效钾含量10360 mg/kg，有机质含量588.6 g/kg，pH 7.87。

试验设3个生物质炭施用量处理，分别为：200(T1)、400(T2)、600 kg/667m2(T3)，以不施用生物质炭处理为对照(CK)。每个处理4次重复，每重复小区面积6 m2，随机区组排列。

1.2 处理方法

试验于2015年3月至8月在昆山市城区农副产品实业有限公司的连栋大棚内进行。连栋大棚基本结构为栋长50 m，栋宽32 m，顶高4.5 m，肩高4 m，4连栋，单栋跨度8 m。前茬作物为茼蒿。实验区土壤为黄棕壤，耕作层(5 ~ 20 cm)土壤碱解氮含量156 mg/kg，速效磷含量132 mg/kg，速效钾含量359 mg/kg，有机碳含量15.82 g/kg，pH 7.33。

于2015年3月5日翻耕土壤并施入有机肥2 000 kg/ 667m2做基肥，4月17日按试验设计在小区中施入生物质炭，然后翻耕均匀以备定植。整个番茄生长期间不施用其他肥料。

采用穴盘育苗，于2015年3月5日催芽，3月10日播种。育苗基质为“极苗”育苗基质，购于镇江领航基质科技发展有限公司。4月18日，番茄秧苗达到4叶1心时，选择生长一致的健壮秧苗定植到连栋塑料大棚处理过的土壤中。采用双行密植栽培，定植密度为6 064株/667m2。在双行中间铺设滴灌带，并用黑色地膜覆盖。采用单干整枝，试验过程中定期进行植株调整，于6月14日保留7个花序(果穗)打顶。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土壤速效养分和部分酶活性 从4月6日开始，每隔20 d用铁铲取5 ~ 20 cm土层深度的土样，测定土壤相关指标，共测定6次。采集的土壤放于通风处自然风干，除去动植物残体、石子等杂质，用粉碎机粉碎后过1 mm筛[18]。

测定指标包括土壤有机碳(用重铬酸钾法测定)；土壤速效养分：包括碱解氮(用碳酸氢钠浸提-碱解扩散法测定)、速效磷(用碳酸氢钠浸提-钼涕抗比色法测定)、速效钾(用乙酸铵浸提-火焰光度法测定)；土壤酶活性：包括土壤脲酶活性(用苯酚钠比色法测定，酶活性以每克土壤24 h产生NH4+-N的质量(mg)表示)、土壤蔗糖酶活性(用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，酶活性以每克土壤24 h产生的葡萄糖的质量(mg)表示)、土壤中性磷酸酶活性(用磷酸苯二钠比色法测定，酶活性以每克土壤24 h产生的酚的质量(mg)表示)。每个重复均取3个样品测定，结果取平均值。

1.3.2 番茄产量和品质指标 6月17日采收第1穗果，至7月31日采收第7穗果，采收期为45天。产量指标包括花序坐果率(单个花序结实数/单个花序开花数×100%)、单株坐果率(每株留7个花序，计算7个花序平均坐果率)、果穗僵果率(将坐果后没有充分发育的果实定义为僵果；单个果穗僵果数/单个果穗坐果数×100%)、单株僵果率(每株7个果穗的平均僵果率)、单穗重(不同节位果穗的重量)、单株产量(每株7个果穗的重量之和)。每个重复选取10株番茄测定，结果取平均值。

品质指标包括可溶性固形物(用奥利龙0 ~ 20% 手持糖度计测定)、可溶性糖(用蒽酮比色法测定)、可滴定酸(用酸碱滴定法测定)、抗坏血酸(用红菲啰啉比色法测定)、可溶性蛋白(用考马斯亮蓝比色法测定)、番茄红素(用有机溶剂提取比色法测定)。每个重复均从第3节位果穗上选取3个完全成熟的果实测定，结果取平均值。

1.3.3 数据统计 使用Microsoft Excel 2010软件处理数据，利用SPSS 20.0软件进行统计分析，采用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 生物质炭施用量对土壤有机碳和速效养分的影响

2.1.1 对土壤有机碳含量的影响 由图1可见，土壤有机碳含量与生物质炭施用量呈正比，施用量越大，有机碳含量越高。T2和T3处理的有机碳含量在4月26日至7月15日期间始终显著高于CK，而T1处理的有机碳含量于5月16日后才显著高于CK。3个处理中，T3处理的土壤有机碳含量最高，生长期平均含量较CK高2.77 g/kg，T1处理最低，生长期平均含量较CK高1.27 g/kg。

不同生物质炭施用量下，土壤有机碳含量随着时间的延长呈不同的变化。在番茄生长过程中，CK和T3处理的有机碳含量变化较平稳，T1和T2处理变化幅度较大。4月26日至6月25日，T3处理的土壤有机碳含量始终在一定范围内小幅波动，而T1和T2处理的土壤有机碳含量在5月16日后开始升高，到6月25日达到最大值，且与T3处理差异不显著。至7月15日，各处理的土壤有机碳含量都有不同程度降低。CK和T3处理降低幅度较小，高于施用前；T1和T2处理降低幅度较大，与施用前差异不显著。

2.1.2 对土壤速效养分含量的影响 施用生物质炭能提高土壤碱解氮含量，由图2A可见，前期以T2和T3处理含量较高，后期以T1处理含量较高。4月26日，T2和T3处理的土壤碱解氮含量显著高于CK和T1处理。但随着时间的延长，T1处理的碱解氮含量逐渐升高，至6月5日时达到最高；T2和T3处理在4月26日至6月5日期间变化较平稳。6月5日后，各处理土壤碱解氮含量均有不同程度的减少，至6月25日时，T1处理显著高于CK及其他处理，至7月15日时，各处理及CK与施用前相比差异均不显著。

施用生物质炭能提高土壤有效磷含量，以T2处理含量最高，显著高于CK，T1、T3处理与CK差异不显著(图2B)。4月6日至5月16日期间，各处理有效磷含量均迅速升高，不同处理及CK间差异不显著；5月16日至7月15日期间，T1处理在7月15日时的有效磷含量与5月16日的相比显著下降；T2处理和CK的有效磷含量变化平稳；T3处理在6月25日的有效磷含量显著低于5月16日的含量。

由图2C可见，施用生物质炭能提高土壤速效钾含量，以T2和T3处理含量较高。各处理及CK的速效钾含量均为先增高后逐渐降低，至4月26日达到最大值后开始下降，5月16日之后，相同时期各处理及CK间差异均不显著。

2.2 生物质炭施用量对土壤酶活性的影响

施用生物质炭能显著提高土壤蔗糖酶活性，各时期均以T1处理的活性最高，CK的最低。由图3A可见，T2、T3处理和CK的土壤蔗糖酶活性随时间变化呈先降低后升高的趋势。在4月6日至6月5日期间，T2、T3处理和CK的土壤蔗糖酶活性均缓慢下降，而T1处理保持平稳；至6月5日时，T2、T3处理和CK均显著低于施用前。6月5日之后，各处理及CK的土壤蔗糖酶活性均有不同程度的升高。至7月15日，T1处理显著高于施用前，T2和T3处理与施用前差异不显著，而CK则显著低于施用前。

施用生物质炭后，土壤中性磷酸酶活性并没有立即升高，而是随着时间逐渐升高，以T1处理的活性最高(图3B)。4月6日至6月5日期间，T2处理和CK土壤中性磷酸酶活性变化平稳，而T1和T3处理酶活性逐渐升高，6月5日之后各处理及CK的酶活性均开始大幅升高；至7月15日，T1处理土壤中性磷酸酶活性最高，T3处理次之，且均显著高于CK。

对图3C进行分析后发现，施用生物质炭后，T1处理的土壤脲酶活性降低较慢，在番茄生长后期高于CK和其他处理。4月6日至5月16日期间，各处理的土壤脲酶活性变化平稳，且均与CK的差异均不显著；5月16日至6月5日期间，T2处理和CK的脲酶活性显著升高，而T1和T3处理变化依旧平稳；6月5日后，CK、T2和T3处理的土壤脲酶活性开始下降，而T1处理则在6月25日后才开始降低；到7月15日，T1和T3处理的脲酶活性与施用前差异不显著，而CK和T2处理显著低于施用前。

2.3 生物质炭施用量对番茄花序坐果率和果穗僵果率的影响

施用生物质炭能提高番茄的单株坐果率。通过对图4A的分析发现，只有T1处理各节位花序的坐果率均不低于CK。T1处理的第2、4、7节位的花序坐果率显著高于相同节位的CK，分别比CK高8.9、6.5和7.3个百分点；T2 处理第2、3、4、7节位显著高于CK，分别高7.3、7.4、4.9和5.8个百分点，但第5节位显著低于CK 5.5个百分点；T3 处理第2、4、7节位显著高于CK，分别高12.0、5.6和6.0个百分点，但5、6节位显著低于CK，分别低4.5和5.1个百分点。各处理及CK的花序坐果率均随时间呈先下降后升高的趋势，第3节位显著低于第2节位的坐果率，随后在一定范围内波动，施用生物质炭的处理第7节位的花序坐果率都显著CK高于第6节位。

试验中发现，番茄果实发育过程中存在僵果现象，施用生物质炭能显著降低番茄的单株僵果率。由图4B可见，T1处理的第1、4、5节位的果穗僵果率显著低于相同节位的CK，分别比CK低5.8、6.2和5.7个百分点，而第7节位却显著高于CK 3.5个百分点；T2处理的第3、4、7节位的果穗僵果率显著低于CK，分别低6.8、10.7和9.2个百分点，而第6节位显著高于CK 7.1个百分点；T3处理的第1、3、4、7节位的果穗僵果率显著低于CK，分别低5.8、8.7、12.5和10.5个百分点，而第5节位显著高于CK 7.8个百分点。各处理及CK的果穗僵果率随时间延长均呈现先升高后下降的趋势，施用生物质炭能延迟果穗僵果率最大值出现的时间，CK和T1处理的果穗僵果率在第4节位达到最大值，T2和T3处理分别在第6节位和第5节位才达到最大值。虽然不同处理对番茄果穗僵果率的影响没有一致规律，但仍可看出，施用生物质炭具有降低单株僵果率的效果。

2.4 生物质炭施用量对番茄产量和品质的影响

2.4.1 对单穗重和单株产量的影响 根据对图5的分析发现，施用生物质炭能提高番茄的单株产量，各处理及CK的单株产量：CK为706.22 g、T1处理为850.59 g、T2处理为748.52g、T3处理为760.28 g，以T1处理最优，较CK增产20.44%；T3处理次之，增产7.65%；T2处理增产最少，仅5.99%，T1与T3处理显著高于CK，T2处理与CK差异不显著。

生物质炭对番茄不同节位单穗重的影响不一致，T2处理只有1穗果的单穗重高于同节位CK，因此单株增产最少；而T1处理有5穗高于CK，因此单株增产最多(图5)。T1处理的第1、2、4、5、7节位单穗重显著高于CK，分别增产32.96、32.45、19.71、29.78和21.63 g，第3、4节位与CK无显著差异，其节位较低的果穗增重幅度较大；T2处理的第3节位单穗重显著高于CK 23.82 g，而其第6节位显著低于CK 14.76 g，其余节位与CK差异不显著；T3的第3、4、7节位显著高于CK，分别高17.56、28.74和25.32 g，第6节位显著低于CK 14.87 g，其余节位单穗重与CK差异不显著，其节位较高的果穗增重幅度较大。

2.4.2 对品质的影响 试验发现，施用生物质炭会对番茄果实可溶性固形物含量产生一定影响。由图6可见，T3处理会导致番茄可溶性固形物含量降低。T1处理第1、2穗果果实可溶性固形物显著低于CK，其余果穗与CK差异不显著；T2处理的第2穗果可溶性固形物显著低于CK，而其第4、5、6穗显著高于CK，其余果穗与CK差异不显著；T3处理的第1、2、3、4、5、6穗果的可溶性固形物含量均显著低于CK，但其第7穗果显著高于CK。

通过对表1中指标的分析发现，施用生物质炭不会提升番茄的营养品质，但各生物质炭处理的糖酸比均显著低于CK。T1处理的可溶性糖含量和糖酸比显著低于CK，其余品质指标无显著差异；T2处理的可滴定酸含量显著高于CK，糖酸比显著低于CK，其余指标无显著差异；T3处理的可溶性糖、抗坏血酸和糖酸比均显著低于CK，其余指标无显著差异。

表1 生物质炭施用量对番茄果实品质的影响

注：表中同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异达<0.05显著水平。

3 讨论

3.1 生物质炭施用量对土壤性状的影响

土壤有机质是土壤固相的重要组成成分[19]。有机质能通过矿化释放出水、二氧化碳以及各种矿物质营养，也能通过腐殖化过程转变为较为稳定的腐殖质保存在土壤中，并最终被微生物分解矿化[20]。本研究中，虽然施入生物质炭提高前期土壤有机碳含量，但到后期都降低至未施用前水平。这可能是因为苏州地区在6月15日进入梅雨季节，降雨量大，土壤湿润，微生物活动增强导致土壤酶活性增强，加快了有机质和腐殖质的矿化导致的。有机质的矿化为作物带来一定的矿物营养，这也可能是中后期果穗僵果率降低、后期花序坐果率增高以及可溶性固形物含量下降变缓的原因。土壤有机质主要来源于植物、动物和微生物残体，因此，在没有补给有机质，而土壤本身的有机质又被逐渐消耗[21]的情况下，土壤有机质含量会逐渐降低。本试验进行过程中，仅在定植前施入了有机肥和生物质炭，番茄生长期间没有施入任何肥料，而T1和T2处理的土壤有机质在6月5日至6月25日期间有较大幅度的提升，该原因还有待进一步研究。

生物质炭中含有多种矿质营养，施入土壤后，在一定程度上会释放这些营养元素[22]。本研究中，施入生物质炭后土壤有机碳、碱解氮和速效钾含量在前期都随着施用量的增加而增加，但随着时间的延长，速效钾含量持续下降，并且在相同时期各处理与CK间的差异均不显著。这可能是因为番茄对钾的需求量较大[23]，生物质炭虽然含有大量速效钾，但是依然不能满足番茄生长的需求，在钾没有得到补充的情况下，速效钾含量持续下降。本试验中，各处理速效钾含量升高的同时CK的土壤速效钾也升高了，其中的原因还有待研究。

土壤酶是土壤的组成成分之一，主要来自植物根系分泌物、土壤中的有机残体和土壤中微生物生命活动。土壤酶能促进土壤营养物质的循环，其高低反映土壤养分转化能力的强弱[24-26]。土壤酶中的蔗糖酶活性与土壤有机质、氮、磷含量及微生物数量有关[27-29]，一般情况下，土壤肥力越高，蔗糖酶活性越高[30]。本研究中，不同用量的生物质炭均能显著提高土壤蔗糖酶活性，而T1处理的酶活性始终保持最高，且在番茄生长后期，T1处理的脲酶活性和中性磷酸酶活性也得到显著提高，因此T1处理的养分转化能力较强，进而有较多节位果穗的单穗重高于同节位CK，使其单株产量超过了T2和T3处理。

3.2 生物质炭施用量对番茄产量和品质的影响

多项研究表明，生物质炭能提高作物的产量和品质[31-32]，但也有研究认为，生物质炭会降低品质。吴鹏豹等[33]的研究发现，0.5% 的生物质炭添加量会降低王草的营养品质。本研究发现，施用生物质炭后各处理单株产量均高于CK，以T1处理(200 kg/667m2)单株产量最高，其节位较低的果穗增产幅度较大。但生物质炭并没有提高番茄果实的品质，各生物质炭处理的果实糖酸比均低于CK，且T3处理不同节位果穗的可溶性固形物含量显著低于CK。

本试验中，生物质炭市场价格为2 000元/t，按T1、T2和T3处理的施用量，每亩因施入生物质炭而分别使成本增加400、800和1 200元。本研究中，各处理及CK的折合单位面积产量：CK为4 282.49 kg/667m2，T1处理为5 157.99 kg/667m2，T2处理为4 539.05 kg/667m2，T3处理为4 610.31 kg/667m2，T1、T2和T3处理分别较CK增产875.5、257.01、327.82 kg/667m2。2015年7月樱桃番茄的平均价格约为3元/kg，在不计其他成本的情况下，仅施用生物质炭，使T1处理增收2 226.5元/667m2，T2处理亏损28.97元/667m2，T3处理亏损216.54元/ 667m2。

本试验证明生物质炭可以改善土壤性状，提高番茄产量，生物质炭应用于蔬菜生产效果明显。不仅如此，我国的农业废弃物有效回收利用率较低[34]，而将这些废弃物制作成生物质炭，不仅能推进资源的综合利用，而且能带来更高的经济效益[35]。

4 结论

随着生物质炭施用量的增加，土壤有机碳含量得到相应的提高，以施用量大的处理有机碳含量较高，但随着时间的延长，各处理均有下降趋势；土壤碱解氮含量在番茄生长前期以施用量高的处理含量较高，后期以施用量低的处理含量较高；各处理的土壤有效磷含量在前期与CK差异不显著，中后期以中等施用量的处理含量较高；土壤速效钾含量前期以施用量高的处理含量较高，中后期各处理与CK间差异不显著，且含量都持续下降；在番茄生长前期，施用量低的处理土壤蔗糖酶活性最高，而各处理的土壤脲酶和土壤中性磷酸酶活性与CK的差异不显著；到生长后期，施用量低的处理蔗糖酶活性依然保持最高，且该处理的土壤脲酶活性、中性磷酸酶活性也逐渐高于CK及其他处理。生物质炭可提高番茄单株坐果率，降低单株僵果率，以施用量低的处理单株坐果率较高，施用量高的处理单株僵果率最低；各生物质炭处理均能提高番茄的单株产量，以施用量低的处理单株产量最高，但在提高番茄品质方面效果不明显，添加生物质炭使果实糖酸比降低。根据本试验结果，塑料大棚春夏栽培番茄，建议施用200 kg/667m2生物质炭。

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Effects of Biochar Application Amount on Soil Characteristics, Yield and Fruit Properties of Tomato

SHEN Meng1, JIANG Fangling1, WANG Shan2,3, TANG Jing2,3, WU Zhen1,2*

(1 College of Horticulture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 Vegetable Institute of Kunshan, Nanjing Agricultural University, Suzhou, Jiangsu 215300, China; 3 Agricultural Products Industrial Co., Ltd. of Kunshan, Suzhou, Jiangsu 215300, China)

Taking yellow-brown soil in a plastic multispan greenhouse in south of China and cherry tomato as the experimental materials, this paper studied theeffects of biochar application amount on soil organic carbon, soil available nutrients, enzyme activities, tomato yield and quality for the rational use of biochar in vegetable production. The designed treatments included 200 kg/667m2(T1), 400 kg/667m2(T2), 600 kg/667m2(T3) and CK(non-biochar). The results showed that biochar application could improve the contents of soil organic carbon, soil alkaline hydrolysis nitrogen, rapid available phosphorus and rapidly available potassium. Biochar application could also improve soil invertase activity and soil urease activity and soil neutral phosphatase activity, and the soil invertase activity of T1 was always the highest, the latter two enzymatic activity of T1 increased at later stage, and become the highest. Fruit setting rate raise and mummy fruit rate decline after biochar application. Meanwhile, the yield of tomato fruit was increased signifcantly, T1 was the optimal, the yield is 5157.99 kg/667m2. But biochar could not raise nutritional quality, the sugar acid ratio was decline. In conclusion, biochar can enhance soil properties, such as soil organic carbon, soil nutrient and some soil enzymatic activities, then fruit setting rate raise and mummy fruit rate decline, at last increase production, the optimal amount of biochar is 200 kg/667m2.

Biochar; Soil properties; Yield and quality; Cherry tomato

10.13758/j.cnki.tr.2017.03.016

S641.2

A

江苏高校优势学科建设工程资助项目-现代园艺科学和江苏省农业科技自主创新项目(CX(12)4044)资助。

(wzh@njau.edu.cn)

沈盟(1991—)，女，浙江嘉兴人，硕士研究生，主要研究方向蔬菜生理生态。E-mail: 929746402@qq.com