渍害条件下生物炭对番茄生长及产量的影响

高阳，邵光成*，陈昌仁，徐雯，刘正军，黄豆豆

(1. 河海大学农业科学与工程学院，江苏 南京 210098； 2. 洪泽湖水利工程管理处，江苏 洪泽 223100； 3. 江北新区管理委员会生态环境和水务局，江苏 浦口 210043； 4. 淮安区水利局，江苏 淮安 223200； 5. 奉化区锦屏街道办事处，浙江 奉化 315500)

中国南方地区位于亚热带季风气候区，降雨丰沛且主要集中在夏季，经常发生连续或多次降雨，再加上该地区土壤质地黏重、通透性差，易造成地下水持续高水位，如果排水系统运行不完善或管理不当，往往会因地下水位过高而使作物受到渍害胁迫[1-2].因此探索合理的方法来缓解渍害胁迫对南方地区作物优质高效生产具有重要意义.

生物炭是生物质原料在缺氧或绝氧环境中经气化或热裂解而形成的富碳固态产物，具有复杂的孔隙结构、较大的比表面积及其表面丰富的有机官能团等特性[3].鉴于这些独特的理化性质，使其施入土壤后，起到提高土壤孔隙率、降低土壤容重和密度、促进土壤团聚体稳定等作用[4].因此，施用生物炭可能成为缓解作物渍害胁迫的方法.

JAHAN等[5]发现水分缺乏条件下，施用生物炭可改善大豆生理、形态特征，从而增加其产量；ELSHAIKH等[6]利用生物炭缓解盐胁迫，提高土壤生产力.但对于生物炭能否缓解渍害胁迫以改善作物生殖生长状况，进而影响其生产的相关研究尚比较缺乏.文中通过开展土柱试验，揭示渍害条件下番茄形态指标和生理指标对不同生物炭处理的响应规律，探索生物炭对番茄生长发育及其产量和水分利用效率的影响，为综合评价施用生物炭能否作为缓解作物渍害胁迫的方法做定量评估，从而确定其经济合理的施用量.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用番茄品种为“金粉低架王”，整个生育期划分为苗期、开花坐果期和成熟采摘期.试验所用生物炭为秸秆生物炭，在热解温度550～600 ℃、碳化时间4～6 h的条件下制成，其含碳量为63.4%，生物炭灰分含量为20.18%，比表面积为33.2 m2/g，pH为10.

1.2 试验区基本情况

试验区位于河海大学节水园区内(118°50′E，31°57′N)，属北亚热带季风气候区，年平均气温15.7 ℃，最高气温40.4 ℃，最低气温-13.3 ℃，平均年日照时数为2 017.2 h，年蒸发量为1 472.5 mm，相对湿度75%，平均风速2.3 m/s，无霜期平均长达224 d.试验区雨水资源丰富，日雨量≥0.1 mm的年雨日有117.8 d，日最大降水量为299.0 mm，年均降水量为1 072.9 mm，但从时间上，降雨年内分配不均，多集中在汛期(5—9月).

1.3 试验设计

试验于2017年2—8月进行，2017年2月25日在温室大棚中覆膜育苗，4月6日选取长势良好且一致的幼苗移栽至土柱中.为保证幼苗成活率，每个土柱中各灌一次水，且灌水量相同，同时施等量且适量的复合肥.

试验所用土柱高120 cm、内径30 cm、壁厚5 mm，设置3个排水孔.底部先装有15 cm的细砂垫层，用于连接地下水观测管和排水；然后往土柱中装入95 cm黏壤土层，0-30 cm黏壤土层内掺有不同含量生物炭.将土柱分层压实，通过马氏瓶软管给土柱供水来模拟达到渍害水平的地下水位(-40 cm)，如图1所示.

图1 土柱及马氏瓶结构

试验共设4种处理，包括无生物炭的对照处理(CK)、3种生物炭处理(T2，T3，T4：生物炭含量分别为3%，5%和10%)，每个处理重复3次，共12个土柱.

1.4 观测内容与测定方法

土柱地下水位达到渍害水平(-40 cm)48 h后，在各土柱20 cm深处，用环刀法测定土壤容重γ.

全生育期内，每隔4 d或5 d测定一次各土柱内番茄植株的株高、茎粗以及叶片横纵径，用米尺统一量取其株高HP，用游标卡尺测定茎粗DS，选取各处理相同位置某一叶片用米尺测定横纵径，采用LAI-2000冠层分析仪(LICOR，USA)定期观测其番茄叶面积指数LAI；选择晴朗无云天气，在2017年6月9日上午9:00—10:00从各重复植株上中下部选取3片生长健康且完全展开的叶，用OS-30P便携式叶绿素荧光仪测定初始荧光Fo、最大荧光Fm和可变荧光Fv.

果实采摘结束后，对各植株所有的单果质量进行称重，累积得到各土柱内番茄的果实产量Ya；待果实收获完毕，将每个重复根部挖出并尽量保持根系完整，选取分光光度计用TTC法测定番茄根系活力AR；待根洗净后，应用Win-RHIZO根系形态分析系统，用双面光源扫描仪扫描根系，数字化处理得到的根系图片，测量计算出总根长LTR、根表面积ARS、根体积VR和根尖数NRT等根系形态指标；用剪刀将根、茎、叶分开，分别装入干燥的档案袋中，置于105 ℃烘箱内烘干消毒2 h，再调至80 ℃烘24 h至恒重，称量各部分干质量，测定每个重复的地上部干质量WAD、根干质量WRD、总干物质量WTD和根冠比RRS等指标.

在番茄全生育期内，每隔4 d测定1次各土柱的土壤含水量，当土壤含水量低于田间持水量的70%时，进行灌水，灌水上限为田间持水量，灌水量计算公式为

I=H×γ×(θc-θ)，

(1)

式中：I为灌水量，mm；H为土层高度，cm；γ为土壤容重，g/cm3；θc为田间持水量；θ为灌水前土壤含水量.

测定每个马氏瓶初始读数后，在每次灌水前记录其读数，以便计算地下水补给量，即维持-40 cm的地下水位所需水量，地下水补给量计算公式为

G=a×(D1-D)/A，

(2)

式中：G为灌水量，mm；a为马氏瓶瓶底面积，cm2；D1为上次灌水前马氏瓶读数，mm；D为灌水前马氏瓶读数，mm；A为土柱底面积，cm2.

由于研究对象为南方避雨栽培番茄，故只考虑将作物实际耗水量作为水分投入、作物产量作为产出时的水分利用效率，作物水分利用效率计算公式为

WUE=Ya/ETa，

(3)

式中：WUE为作物水分利用效率，kg/m3；Ya为作物经济产量，kg/hm2；ETa为作物实际耗水量，即灌水量和地下水补给量之和，mm.

1.5 数据处理

对试验数据用Excel 2007处理，并采用Origin 9.0进行作图，运用SPSS 22.0对各处理结果进行显著性分析.

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤容重的影响

如图2所示，南方地区土壤黏重，容重γ较大，文中未经生物炭处理的土壤容重达到1.44 g/cm3.生物炭处理下土壤容重均小于对照处理，分别下降了1.4%，11.8%和13.9%.其中，当生物炭施用量为5%和10%时，土壤容重较对照处理差异具有统计学意义，这表明生物炭可以降低土壤容重，改良南方地区较为黏重的土壤，但这两个处理之间差异不具有统计学意义.

图2 不同生物炭处理对土壤容重的影响

2.2 生物炭对番茄形态指标的影响

不同处理下番茄各项形态指标变化见图3，表1和表2，其中n为移栽后的天数.渍害条件下，番茄各项形态指标均随生物炭施加量增多而增大，其中根尖数在生物炭施加量达到最大时，反而略有下降，较处理T3下降了8‰.方差分析发现生物炭对番茄根尖数、根冠比影响不具有统计学意义，各处理间无明显差异；较对照处理，总根长仅在10%的生物炭施加量下显著增加，其增幅达到50%，其余各项形态指标在生物炭施用量达到5%之后均显著增加，且生物炭施加量较高的两个处理之间差异并不明显.生物炭对番茄根干质量、总干物质量影响显著，仅施用3%生物炭，两者较对照处理的差异即达到显著性水平，分别增加了0.11,2.37 g/株.

图3 不同生物炭处理番茄株高、茎粗和叶面积指数随时间的动态变化

表1 不同生物炭处理对番茄根系形态的影响

表2 不同生物炭处理对番茄生物量的影响

2.3 生物炭对番茄生理指标的影响

由图4可知，施用生物炭条件下，各处理差异具有统计学意义，番茄根系活力较对照处理均有增加，其增幅依次为4.6%，20.2%和31.5%，其中处理T2的增幅并不明显.表3中可变荧光Fv、最大荧光Fm及其比值也随着生物炭施用量的增加而逐渐增大，初始荧光Fo却逐渐减小，但不同处理的各项荧光参数值之间也没有显著的差异，方差分析结果也表明生物炭对番茄叶绿素荧光参数影响并不具有统计学意义.

图4 不同生物炭处理对番茄根系活力的影响

表3 不同生物炭处理对叶绿素荧光参数的影响

2.4 生物炭对番茄的产量及水分利用效率的影响

由表4可知，番茄耗水量和产量对生物炭的响应规律相反，根据WUE的构成因素，番茄产量随着生物炭施用量的增多而增加，而耗水量逐渐减小，因此WUE从小到大依次为CK，T2，T3，T4.生物炭添加对番茄耗水量影响显著，3种生物炭处理下番茄耗水量均小于对照处理，其中处理T4耗水量最少，较对照处理减少了28.7%.而与对照相比，当生物炭施加量达到10%时，番茄产量和WUE分别增加了56.7%，120.6%，两者的差异才达到显著性水平，但3种生物炭处理间差异并不具有统计学意义.不过方差分析结果表明，渍害条件下，生物炭添加对番茄水分利用效率影响具有统计学意义，而产量受生物炭的影响并不具有统计学意义.

表4 不同生物炭处理下番茄产量及水分利用效率

3 讨 论

3.1 施用生物炭对土壤物理性质的影响

南方地区土壤质地黏重、通透性差，在降雨丰富的夏季易造成地下水持续高水位，导致作物受渍减产.因此，对南方地区土壤进行改良，改善其通气、透水性能，有助于降低作物渍害胁迫减产.生物炭因其多孔结构而具有提高土壤孔隙度、降低土壤容重的作用.本研究的结果也证明，5%的生物炭施用量可显著降低土壤容重，较对照处理下降11.8%，与GITHINJI[4]研究结果一致.当施用量达到10%时，土壤容重进一步降低.因此生物炭作为一种优良的土壤改良剂，具有缓解南方地区作物渍害胁迫的潜力.

3.2 施用生物炭对番茄根系的影响

渍害胁迫会带来根系缺氧、活力下降等问题，弱化根系对营养元素的吸收，从而抑制根系生长[7].张伟明等[8]发现生物炭施入土壤后，水稻生育前期根系体积、鲜质量和活力明显提高，生长后期根系衰老在一定程度上得到延缓.其原因归于生物炭丰富的孔隙结构和极强的吸附性能，从而降低土壤容重，改善土壤排水能力，为根系生长发育提供良好的生态环境，有利于根系深扎.文中研究结果也表明，5%的生物炭施用量显著降低土壤容重.因此，该处理下番茄根表面积、根体积、根干质量和根系活力显著高于对照，而总根长与对照差异不具有统计学意义，这可能是因为，南方地区土壤质地较为黏重，番茄根系难以向下深扎.

3.3 施用生物炭对番茄地上部的影响

株高、茎粗和叶面积指数是衡量作物生长的关键因子，渍害胁迫往往抑制作物正常的生长发育，造成植株变矮、茎粗变细和叶面积指数下降.勾芒芒等[9]开展的盆栽试验表明，施用适量的生物炭有利于番茄株高和茎粗的增长，4%的施用量下最为显著，而施用量达到6%时番茄株高和茎粗与对照差异不具有统计学意义.而本研究中，渍害条件下，番茄株高、茎粗和叶面积指数均随生物炭施加量增多而增大，与对照相比，10%生物炭施用量下，两者差异均达到显著性水平，这可能与地下水位、土壤质地以及生物炭类型有关.不过，本试验结果表明，生物炭施用量较高的两个处理(T3，T4)茎粗、叶面积指数差异并不明显.

叶片是番茄进行光合作用的主要器官，渍水胁迫会导致植物叶片光合反应中心失活或遭到破坏[10]，进而降低叶面积.本研究中，随着生物炭施加量增多，可变荧光Fv、最大荧光Fm及其比值均逐渐增大，初始荧光Fo逐渐减小，这表明生物炭对番茄叶片有积极作用，可以缓解渍害对叶片光合中心的破坏程度.这与叶面积指数对生物炭的响应规律相一致，也进一步证实生物炭有助于提高番茄的耐渍能力.

3.4 施用生物炭对产量及水分利用效率的影响

渍水对根系的伤害使叶片加速衰老，影响光合作用、干物质分配等生理过程，从而削弱植株光合产物的累积量，最终造成作物减产[11].已有研究表明，适量生物炭能优化番茄根系形态，显著提高番茄产量[9].本试验结果也表明，施用生物炭显著提高根表面积、根体积、根干质量和根系活力.因此，生物炭处理下番茄产量均高于对照，但可能因为渍水严重，生物炭对番茄产量影响不具有统计学意义.由于生物炭能够有效抑制表层土壤水分蒸发，促进土壤聚集水分，进而减少土壤水的损失，因此，随着生物炭施加量的增多，番茄耗水量显著减少.根据WUE的构成因素，文中番茄产量随着生物炭施用量的增多而增加，而耗水量逐渐减小，这使得番茄水分利用效率大幅度增加，5%的生物炭施用量下WUE几乎达到对照处理的2倍，与AKHTAR等[12]研究发现生物炭可以增加产量对水分消耗的比例，从而提高作物水分利用效率的结果相同.

4 结 论

生物炭处理下土壤物理性质、番茄各项形态指标和生理指标的变化表明，南方地区土壤中施加生物炭，具有降低土壤容重、促进作物生长等作用.生物炭对渍害条件下番茄产量和水分利用效率的影响，进一步证实施用生物炭可成为缓解南方地区作物渍害胁迫的方法.文中对生物炭施用量进行定量评估，结果表明，当生物炭施用量达到5%时，土壤容重显著降低，较对照处理下降了11.8%，株高、茎粗、叶面积指数、根表面积、根体积、地上部干质量、根干质量、总干物质量和根系活力等形态指标、生理指标均显著增加，产量提高34.3%，WUE近似对照处理的2倍.生物炭施加量增至10%时，土壤容重进一步降低，较5%的生物炭施加量降低0.03 g/cm3，植株生长发育更加良好，产量和WUE分别提高16.7%，24.6%，但两者差异不显著.因此，5%的生物炭施用量较为经济合理，适于实际农业生产应用.