生物炭对辽宁中部地区温室青椒生理特性及产量的影响

邰恩博，张更元

(1.辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003；2.沈阳市水务事务服务与行政执法中心，辽宁 沈阳 110015)

生物炭是生物质在无氧或限氧条件下高温裂解(<700 ℃)而得到的一种富含碳的有机物质[1]。生物炭因其独特的结构而被广泛认为是一种能改善农田水土状况和提高作物产量的有效农业技术措施[2]。生物炭具有丰富的孔隙、较大的比表面积和较强的吸附能力，使其施用在土壤中能够通过改变土壤物理和化学性质来提高土壤肥力，从而实现作物增产[3-4]。光合作用是影响作物新陈代谢和发育的最重要的生理过程，其与作物产量直接相关[5]。研究表明，生物炭的施用可显著提高作物的叶绿素含量和光合速率，从而实现作物的增产[6-7]。

我国青椒栽培面积和生产量均位于世界前列[8]，但我国人口众多，对栽培蔬菜的需求量大，设施青椒作为我国主要栽培蔬菜之一，如何提高其产量仍然是主要问题。目前有关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，实现增产方面的研究[9-11]，而有关在温室大棚条件下，施用土壤改良剂生物炭对青椒生理方面的影响研究还较少，因此，本研究通过探究生物炭对辽宁中部地区温室青椒生理特性、产量及水分利用效率的影响，揭示施用生物炭引起产量和水分利用效率差异的原因，以期为生物炭应用在温室青椒生产上提供可借鉴的技术与方法。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年在辽宁省水利灌溉中心试验站5号日光温室大棚中进行，地理位置为北纬42°8′59″、东经120°30′44″。该地区为平原地带，气候特征属温带大陆性季风气候。供试作物为青椒，供试土壤为黏壤土，pH为7，容重1.35 g/cm3，土壤饱和体积含水率为42.30%，全氮1.11 g/kg，碱解氮75.40 mg/kg，速效钾107.00 mg/kg，速效磷18.40 mg/kg。

1.2 试验设计

采用单因素试验设计，设置未施生物炭(B0)和施生物炭(12 t/hm2，B12)2个处理，设3次重复，共6个小区。青椒于2月19日移栽，7月9日收获。大垄双行种植，垄底距1.2 m，垄台高15.0 cm，行距0.5 m，株距0.45 m，垄长7.0 m。采用膜下滴灌灌溉方式，定植前在垄中心铺设滴灌带，滴头间距为30.0 cm，滴头设计流量为1.38 L/h，每个小区安装水表以记录灌水量。各生育期的灌水量见表1。其他管理方式按常规进行。

表1 青椒不同生育期灌水次数和灌水量

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生长指标

每个小区选取长势一致的青椒植株10株，每隔10天利用钢尺测定株高，利用游标卡尺测定茎粗。

1.3.2 测定 SPAD

在青椒的各生育期，选择晴朗无云的天气，在各小区中心位置随机选取3株青椒植株最上部一片完全展开叶片，于上午9:00采用SPAD-502型叶绿素仪测定叶片SPAD值。

1.3.3 光合参数

于不同生育期，选择晴朗无云的天气，在每个小区中心位置随机选取3株青椒植株最上部一片完全展开叶片，于上午10:00—11:00利用LI-6400便携式光合仪测定植株最上部完全展开叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)。

1.3.4 产量及水分利用效率

果实成熟后，每个小区的产量单打单收，利用电子秤测定各小区的青椒产量。水分利用效率为产量/全生育期耗水量。

2 结果与分析

2.1 生物炭对青椒生长性状的影响

2.1.1 生物炭对青椒全生育期株高动态变化的影响

由图1可知，B0和B12处理下青椒株高随着生育期的推进表现为先快速增长后逐渐趋于稳定。在苗期(3月1日)和开花坐果期(3月12日、3月23日和4月3日)，施入生物炭处理并没有表现出其优势，B0和B12处理的株高无显著差异。4月25日—5月28日，可以明显看到青椒株高动态曲线的斜率高于其他时间。6月8日后，青椒株高增长速率趋于平稳。进入结果期后，生物炭处理表现出明显的优势，B12处理的株高显著高于B0处理，且这种显著差异效果持续到生育期结束。从最终的株高表现来看，B12处理的株高较B0处理显著提高了15.9%。由此可见，施入生物炭能在青椒生长后期对其生长具有一定的促进效应。

图1 生物炭对青椒全生育期株高动态变化的影响

2.1.2 生物炭对青椒全生育期茎粗动态变化的影响

各处理下青椒全生育期的茎粗动态变化见图2。全生育期茎粗变化表现出与株高变化相似的趋势。苗期，B12处理的茎粗略低于B0处理。开花坐果期后，B12处理的茎粗虽在数值上逐渐高于B0处理，但并未达到显著性水平。

图2 生物炭对青椒全生育期茎粗动态变化的影响

2.2 生物炭对青椒生理特性的影响

2.2.1 生物炭对青椒叶片SPAD的影响

叶绿素是作物光合作用过程的重要光合色素，叶片的SPAD值通常用来表征叶绿素含量。由表2可知，两个处理下的SPAD值随生育期的推进而升高，均在结果期达到最大值，分别为58.13和62.61。在苗期，B0和B12处理的SPAD值无明显差异。开花坐果期，B12处理的SPAD值较B0处理显著提高了5.1%。结果期，与B0处理相比，B12处理显著提高了7.7%的SPAD值。可见，生物炭的施用可提高青椒关键生育期叶片叶绿素含量，从而为此时期光合能力的提高提供了基础。

2.2.2 生物炭对青椒叶片光合参数的影响

两个处理下的Pn在结果期达到最高值，分别为19.88 μmol/(m2·s)和22.92 μmol/(m2·s)。由表2可知，苗期时B0和B12处理的Pn无显著差异。开花坐果期和结果期，B12处理的Pn较B0处理分别显著提高了16.7%和15.3%。各生育期Tr变化同净光合速率相一致。B0和B12处理的Tr在苗期未表现出显著性的差异。开花坐果期和结果期，两个处理间的差异达到显著性水平，B12处理的Tr较B0处理分别显著提高了24.5%(开花坐果期)和27.7%(结果期)。

表2 生物炭对青椒叶片生理特性的影响

在开花坐果期和结果期，B12处理表现出较高的净光合速率和蒸腾速率，有利于提高光合效率和促进光合产物的形成，从而促进产量的提高。B0和B12处理的Gs在苗期未表现出显著性的差异。同样，于开花坐果期和结果期两个处理间的差异达到显著性水平。B12处理的Gs较B0处理分别显著提高了23.5%(开花坐果期)和30.6%(结果期)。由上可以看出，青椒产量的提高是由于在青椒生长关键期间(开花坐果期和结果期)生物炭处理提高了SPAD值，从而延长青椒叶片的功能期，使其在产量形成的关键期保持较高的光合速率，最终实现产量的增加。

2.3 生物炭对青椒产量及水分利用效率的影响

由图3可知，两个处理间的青椒产量差异显著。施用生物炭显著提高了青椒产量，B12处理的产量为49.35 t/hm2，较B0处理显著提高了22.9%。产量提高的同时水分利用效率也随之增高，B12处理的水分利用效率显著高于B0处理，提高幅度为22.9%。因此，施用生物炭可显著提高青椒产量和水分利用效率。

图3 不同处理的青椒产量和水分利用效率

2.4 生理指标与产量的相关性分析

SPAD值和Pn是影响青椒产量的重要影响因素，为了阐明青椒叶片SPAD、Pn、Tr和Gs与其产量的相关性，将不同生育期测得的生理指标与产量进行了相关分析。从表3可以看出，苗期青椒叶片的SPAD、Pn、Tr和Gs与产量均无显著相关性。开花坐果期，SPAD和Gs与产量的相关系数为0.71和0.58，但相关性未达到显著性相关，Pn和Tr与产量表现出显著相关(P<0.05)。结果期，SPAD和Pn与产量的相关系数均为0.84，且相关性达到显著水平(P<0.05)，Tr和Gs与产量的相关性未达到显著性水平。

表3 不同生育期的生理指标与产量的相关分析

3 讨 论

生物炭由于其结构特征和自身独特的理化性质，可调控和改善土壤水分和养分状况，从而促进作物生长[12]。生物炭的正效应是由于其本身含碳量高、具有大量微孔结构和表面含氧官能团等结构特征，能够吸附土壤中的水分和养分，在作物生育后期土壤水分和养分供应不足时，会释放水分和养分以供作物生长所需[13]。本研究表明，生物炭施用对青椒生长起到显著促进作用，但在苗期时，生物炭并未表现出明显的优势，到了开花坐果期后，生物炭处理的青椒株高开始呈现出较为明显的增长，且这种促进作用持续到生育期结束，这与王岩等[14]的研究结果相似。叶绿素含量是反应作物光合能力和氮素状况的重要指标[15]。本研究中，生物炭处理显著提高青椒叶片开花坐果期和结果期SPAD值，这可能由于生物炭对氮的吸附作用促进了植株体对氮素的吸收利用，进而促进叶绿素的合成。提高作物关键生育期的净光合速率是实现作物增产的重要途径。本试验中，生物炭处理的青椒叶片净光合速率较不施生物炭处理显著提高16.7%(开花坐果期)和15.3%(结果期)。施用生物炭处理青椒叶片在开花坐果期和结果期的SPAD、Pn、Tr和Gs都保持在较高的水平，合成更多的“源”，生产更多的光合产物，为产量的增加提供保证。这从相关分析结果中也可看到，结果期的SPAD与产量，开花坐果期和结果期的Pn与产量，均表现出显著的正相关关系，相关系数分别为0.84、0.83和0.84。该关系较为直观地阐明了青椒叶片的光合能力对产量的决定作用。

生物炭对不同作物的增产效应已得到了广泛的验证，如研究表明，施用生物炭可使玉米产量和水分利用效率增加91%～139%，花生产量增加23%[16-18]。前人研究表明，生物炭施用量超过10 t/hm2，可以使作物产量提高约20%[19]。在本研究中，生物炭施用量为12 t/hm2，其产量较不施生物炭处理相比显著提高了22.9%。产量提高的同时，生物炭处理的水分利用效率也随之提高，施生物炭处理的水分利用效率较不施生物炭处理显著提高了22.9%。但亦有研究表明生物炭的施用对作物产量影响不明显或造成减产[20]。不同生物炭类型对不同土壤类型上的不同作物的影响也不同，增产效应也不尽相同，故其量-效关系需要在不同研究中进行考证。在本研究中，施用12 t/hm2生物炭可提高青椒叶片的光合能力进而促进产量的提高，具有较好的应用潜力。

4 结 论

通过生物炭对温室青椒生长生理、产量及水分利用效率的试验研究，结果表明，施用生物炭促进了青椒的生长，显著提高了青椒株高，对青椒茎粗无显著影响；生物炭处理显著提高开花坐果期和结果期青椒叶片的SPAD、Pn、Tr和Gs。生物炭显著提高青椒产量和水分利用效率。施用生物炭通过显著提高青椒叶片的SPAD和Pn，从而达到增产的目标。由此，生物炭的施用可作为温室青椒一种有效的增产手段，应在辽宁中部地区青椒生产实践中应用和推广。