生物炭对设施菜田土壤理化性状及番茄生长的影响

吴 珏，李建勇，郭欣欣

（1.上海市奉贤区蔬菜技术推广站，上海 201499；2.上海市农业技术推广服务中心，上海 201103）

生物炭（又名生物黑炭或生物质炭等，英 文名称为biochar）是指由农业废弃物、垃圾及其他废弃物等生物质在无氧或限氧条件下经过350～450 ℃热解而炭化产生的高度芳香化的一类难溶性固态物质[1]，为疏松多孔的结构，比表面积较大，吸水、气能力强[2]。绝大多数生物质炭为碱性，pH值7～10，因此利用生物质炭可以进行酸性土壤的改良、保水保肥能力改善以及有机污染物的吸附等方面的研究[3]。目前已有研究表明，生物炭能够提高一些蔬菜品种的产量[4-5]和肥料利用率，并且具有土壤保肥能力[6-7]。

我国设施蔬菜产业自2010年开始发展迅速，但由于栽培土壤长期处于人为特殊小气候环境控制下，棚室内空气相对流动性差，淋溶作用弱且无自然降雨淋洗，加之连作次数增多，设施菜田化肥施用过量，土壤酸化、连作障碍等问题日益严重。番茄是我国栽培面积最大的蔬菜之一，在上海蔬菜生产中也占有较大的比重，是最主要的果菜类蔬菜之一。随着园艺设施的发展，番茄生产基本实现了周年生产和均衡供应的目标。但由于集约化程度高、复种指数高等特点，番茄连作障碍问题日益突出，棚室土壤理化性状逐步恶化，严重制约设施番茄生产的可持续发展[8]。目前，对于生物炭在促进作物增产方面有不少研究，但以不影响作物茬口和蔬菜生产为出发点，通过技术方法改善土壤理化性状，提高蔬菜产量和品质，促进蔬菜产业可持续发展的研究并不多；因此，本研究以番茄为试验材料，通过田间试验，研究实际生产中生物炭和有机肥施用在改善土壤地力、促进番茄长势、提高番茄品质等方面的效果，以期为设施菜田障碍土壤修复和蔬菜提质增效提供技术路径，为上海都市现代绿色农业发展提供技术依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点

试验于2018年2—7月在上海市奉贤区北港园艺场三连栋塑料大棚内进行。供试土壤pH值为6.59，水溶性盐总量为3.35 g/kg，有机质含量为32.75 g/kg，水解性氮335 mg/kg，有效磷245.0 mg/kg，速效钾503.0 mg/kg，土壤容重为1.23 g/cm3（表1）。

1.2 试验材料

商品有机肥：上海欣革生态农业合作社有限公司生产的欣革有机肥，有机质含量45%，氮磷钾总量5%。

无机肥料：深圳市芭田生态工程股份有限公司生产的芭田复合肥（N∶P2O5∶K2O＝15∶15∶15）。

生物炭：时科生物科技（上海）有限公司生产的碳能微生物菌剂，生物炭20%，有效活菌数5.0亿/g。

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

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

1.3 试验设计

试验设6个处理，小区面积为40 m2，3次重复，随机区组排列。T1—T5处理生物炭用量分别为1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 kg/hm2，对照CK不施用生物炭。各处理欣革有机肥、芭田复合肥和生物炭均以基肥方式施入，有机肥用量相同，均为12 000 kg/hm2，复合肥施用量均为600 kg/hm2。2018年3月22日定植，每小区定植200株，定植后各处理栽培管理措施均一致。5月3日，各处理追施1次高氮型水溶肥，用量均为105 kg/hm2，6月10日追施1次高钾型水溶肥，用量均为105 kg/hm2。总生育期N、P2O5、K2O用量为3.01、1.05、2.45 kg。灌溉和追肥采用文丘里施肥器+滴灌的水肥一体化模式。

1.4 测定指标及方法

在番茄生长过程中，每处理随机抽取10株番茄分别于定植后22、42、62 d跟踪测量株高、最大叶面积、叶片数和始花节位。在番茄成熟期，每处理随机摘取5 kg成熟番茄用于品质测定[9]。维生素C含量用改进的2,6-二氯靛酚滴定法测定，可溶性固形物含量用考马斯亮蓝G-250染色法测定，糖含量用蒽酮比色法测定，总酸含量用可见分光光度法测定。

采集土壤样品，测定土壤基本理化性质[10]。作物种植前及采收完成后每处理按照NY/T 1121.1—2006《土壤样品的采集、处理和贮存标准》采集土样，每个处理的混合样品由15个样点组成，采用“S”型布点采样法。土壤pH值采用电位法测定，土壤全盐量用质量法测定，土壤中有机质用重铬酸钾氧化-外加热法测定，水解性氮用碱扩散法测定，有效磷用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提比色法测定，速效钾用1 mol/L乙酸铵浸提-原子吸收分光光度法测定。

试验数据使用Microsoft Excel 2007和SAS 9.13软件统计分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤理化性状的影响

不同用量生物炭对设施菜地土壤理化性状影响如表1所示。随着生物炭用量的增加，菜地土壤容重逐步减小，使用生物炭的5个处理，土壤容重较对照显著降低，在T4处理下容重最低，比种植前降低8.94%，比对照低11.81%，与对照相比差异显著，但是T4与T5之间无显著差异。

土壤pH值各处理均高于原始土壤和对照，其中T1、T2显著高于对照。在水溶性盐含量方面，各处理均高于原始土壤，且均低于对照，其中T1的含量最低，比对照低44.9%。可见使用生物炭在番茄生长过程中可以有效减少土壤中盐分含量，防止土壤酸化。此外各处理土壤有机质含量较种植前均有所提高，这与种植过程中施用了有机肥密切相关，其中T4的土壤中有机质含量显著高于对照，增幅为18.1%（表1）。

在土壤中水解性氮、有效磷和速效钾的含量方面，施用生物炭对三者含量影响较大。其中T4处理的土壤水解性氮、有效磷、速效钾含量最高，与对照差异显著。由此可见4 000 kg/hm2生物炭的加入改善了土壤容重、孔隙度、团聚体稳定性，改良了土壤结构，使土壤疏松，增加了土壤透水性，防止土壤表面板结，使土壤保肥性提高，从而提高土壤养分含量。

2.2 生物炭对番茄生长的影响

2.2.1 生物炭对番茄长势的影响

从表2可以看出，在番茄整个生长过程中，T1和T2长势较好，T1的株高在整个生长过程中始终最大，与对照相比差异显著，其次为T2。T2在番茄生长早期和后期叶片数最多，且最大叶面积也最大，与对照相比差异显著。同时T2处理的始花节位最低，与对照相比差异显著，T2结果最早。此外，T3和T5在生长过程中长势较弱，早期T3的株高、叶片数、最大叶面积均最低，末期T5的3个指标最低。由此可见，在一定限度内增加生物炭用量可以促进番茄生长。

2.2.2 生物炭对番茄果实性状的影响

由图1、图2可知，不同生物炭用量对番茄果实横径、单果质量影响不同，且没有显著规律可循。在T2处理下，其果实横径显著高于其他处理，达到9.3 cm。其次为T1，但与对照差异不显著。T3、T4、T5处理下，番茄果实横径明显减小，其中T3最小，仅为8.62 cm，显著低于对照。T2、T1的果实单果质量最高，与对照差异不显著。而T3、T4、T5处理下果实单果质量低于对照，特别是T3，与对照相比低20%。

表1 不同生物炭用量对土壤理化性状的影响

表2 不同生物炭用量对番茄长势的影响

2.2.3 生物炭对番茄产量的影响

不同生物炭用量对番茄产量的影响如图3所示。在T2处理下，其产量最高，折合667 m2产量达到3 738.7 kg。其次为T1处理，产量也略高于对照。T3、T4、T5处理下，番茄产量明显降低，特别是T3处理下番茄产量为2 412.7 kg，显著低于对照。生物炭用量2 000 kg/hm2处理下，番茄产量比对照提高10.53%，而在3 000 kg/hm2用量处理下，番茄产量减少明显，比对照处理降低25.7%。可见生物炭用量不同对番茄产量影响各异，这与前人在一定限度内添加不同量的生物质炭均可以提高小白菜产量[11]的研究结果一致。

2.2.4 生物炭对番茄品质的影响

可溶性糖、总酸、维生素C、可溶性固形物含量是评价番茄营养品质的主要指标。由表3可以看出，番茄可溶性糖含量表现为T4＞T5＞T2＞T3＞T1＞CK。T1—T5处理的可溶性糖含量比CK处理分别提高了43%、73.8%、68.2%、104.6%、94.4%，除了T1外，其他各处理与对照相比差异均达到显著水平。

番茄果实总酸的含量表现为CK＞T2＞T1、T3＞T5＞T4，对照处理的总酸含量最高，T4的总酸含量最低，比对照低37.3%，显著低于其他处理。从可溶性固形物的指标来看，T4处理的最高，与含量最低的T3和T5差异显著。同时由表3可知，各处理VC含量均有一定程度提高，其大小关系为T2＞T4＞T3＞T5＞T1＞CK，各处理与对照相比差异均达到显著水平。综合判断，T4处理下番茄可溶性糖含量最高、总酸度最低、可溶性固形物含量最高，品质最佳，风味最好。

3 结论与讨论

生物炭的应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]，生物炭不仅对土壤物理性质产生积极作用，也间接地对土壤化学性质产生重要影响。由于生物炭本身含有Ca2+、K+、Mg2+等盐基离子，进入土壤以后会有一定程度的释放，交换土壤中的H+和Al3+，从而降低其浓度，提高盐基饱和度并调节土壤pH值。生物炭提高土壤pH值的作用随施用量的增加而提高。本试验研究结果也表明施用生物炭后土壤pH值各处理均高于原始土壤和对照，其中T1、T2显著高于对照。此外由于生物炭对不同种类的离子具有一定的吸附能力，当土壤中存在一定数量的生物炭时，有助于提高土壤肥力。

由于生物炭孔隙结构发达，施用到土壤中可以吸附一部分养分离子，如铵根离子[12]、硝酸根离子[13]、磷酸根离子[14]和其他水溶性盐离子，减少其向环境中的淋失，从而提高土壤保肥能力。本试验结果表明各处理较种植前土壤有机质含量均有所提高，这与种植过程中施用了有机肥密切相关，其中T4处理的土壤中有机质含量显著高于对照，增幅为18.1%，同时T4处理的土壤中水解性氮、有效磷、速效钾含量最高，与对照差异显著。此外，在本试验中，基肥中适当增施生物炭可促进番茄生长及提高产量，但不是越多越好，一般以不高于2 000 kg/hm2为宜。同时使用生物质炭基肥提高了番茄果实中总糖含量，降低了番茄果实中有机酸含量，使番茄的口感更好，品质更佳。综合判断，T4处理下番茄可溶性糖含量最高、总酸度最低、可溶性固形物含量最高，品质最佳，风味最好。因此，通过研究可知，增施生物炭对设施菜田土壤改良有一定的促进作用，同时可以促进番茄生长，提高产量。生物炭用量2 000 kg/hm2增产最明显，较对照可增产10.52%，生物炭用量4 000 kg/hm2土壤保育效果与番茄品质提升最显著。

由于生物炭对土壤的影响是一个复杂、有机、无机、生物的复合过程，本研究仅从其对设施番茄生长和土壤基本性状的影响进行了研究，关于生物炭的作用机理等还需要进一步深入研究。

表3 不同生物炭用量对番茄品质的影响