生物炭施用对滨海盐碱地番茄生长与耗水规律的影响

果才佳，Gamareldawla H D Agbna，佘冬立

（河海大学农业科学与工程学院，南京210098）

0 引 言

土壤盐渍化问题始终是关系到我国农业可持续发展和环境质量改善的战略问题。我国境内大量的盐渍土地具有改良应用的价值，是潜在的耕地资源［1］，其对粮食安全的支撑作用是不可忽视的。随着人口不断增长，要满足对粮食等农产品的巨大需求，全面高效利用沿海盐碱地是重要措施之一；但同时，养分缺乏和盐胁迫严重制约了沿海土壤生产力［2］。因此，减轻盐胁迫、提高土壤肥力水平、提升土壤环境生态服务功能、大幅提高盐碱地的农业生产效率，是滨海盐碱地土地资源开发利用的重要基础［3］。

生物炭指在低氧环境中热解生物有机物质（生物质），通过裂解生成的高度芳香化、富含碳素的多孔固体颗粒物质。生物炭作为一种改良土壤养分循环、有机物分解的土壤调理剂愈发受到关注［4］。已有研究表明，生物炭因其良好的多孔特性及其稳定的生物学特性，施入土壤后可显著调节土壤环境，在提高土壤肥力和增加作物产量等方面具有重要作用［5］。生物炭的施用可降低土壤容重、促进团聚体形成、增大土壤孔隙度、通气性和水分渗透性，从而增加土壤盐分的淋溶和改碱［6］。因此，目前相关研究已经明确了生物炭作为土壤改良剂增加土壤肥力和促进植物生长的诸多效应，并认识到施用生物炭减轻作物盐分胁迫的潜力等；然而，关于生物炭作为土壤改良剂缓解滨海高盐分胁迫条件下作物对水分利用效率的研究还有待深入。本研究通过番茄盆栽实验，明确不同生物炭添加量对滨海盐碱土番茄生长与耗水规律影响，探索生物炭对滨海盐碱土壤改良效果，评估盐碱土壤施用生物炭对番茄产量、水分利用效率和果实品质的影响。研究结果可为滨海盐碱地区盐渍土改良技术提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

供试土样取至江苏省东台市沿海条子泥垦区（32°33'N，121°07' E），东近黄海。该区土壤为典型海涂围垦区盐碱土，2012年围垦。试验土壤类型以砂土、粉砂土为主，土壤砂粒（0.2～0.02 mm）含量为83.05%，粉粒（0.02～0.002 mm）含量为13.27%，黏粒（＜0.002 mm）含量为3.68%；有机质含量为5.21 g/kg；EC1∶5为5.9 dS/m。

试验于2015年4月19日至8月18日河海大学节水科技园区温室大棚中进行（31°86'N，118°60'E）。该地区以亚热带湿润气候为主，年平均降水量为1 021.3 mm，年平均蒸发量900 mm，年平均气温15.7 ℃，年无霜期237 d，年均日照时间为2 212.8 h。本试验所用生物炭是河南三利新能源公司生产的商用小麦秸秆生物质炭，由350～550 ℃热裂解炭化制得。该生物炭pH 为9.9，电导率为1.0 dS/m，有机碳为467.2 g/kg，全氮含量为5.9 g/kg，容重为0.69 g/cm3，总孔隙度为62.5%。

1.2 试验方案

试验采用单因素随机区组设计，设置5 个生物炭添加量处理，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，每个处理3 个重复。采用盆口直径30 cm，盆底直径25 cm 和高42 cm 的塑料盆开展盆栽试验，每个塑料盆填土21 kg。根据当地农民的建议，按照120 kg/hm2的施肥量施用复合肥［NPK（15∶15∶15）］。在将番茄植株移栽到每盆之前两天，用水均匀浇灌盆栽区域土壤，使土壤处于田间持水量，待土壤稳定后播种。耗水量基于参考蒸发蒸腾法［7］，每2 天称量盆重，确定作物在一定水分条件下土壤实际消耗的水量。通常包括植物实际蒸腾耗水，以及因蒸发或下层渗漏损耗的水分，并根据作物耗水量，平均每三天或在必要时（取决于生长阶段，天气和土壤条件）对番茄进行灌溉，持续到收获阶段结束。

1.3 测定项目与方法

番茄生育期划分为4 个阶段，即苗期与建成期（27 d）、营养生长期（31 d）、开花与果实发育期（34 d）、果实成熟与收获期（24 d）［8］。在番茄生育不同阶段测定植株生长和生理参数［即株高、叶面积、叶片相对含水量（LRWC）、植物鲜重（FPW）、植物干重（DPW）］，采用便携式激光叶面积仪（CI-203，CID Inc，USA）测定番茄植株叶面积。在每个生育期，采集各处理番茄植株叶片，采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP）测定植株叶片钠（Na），钙（Ca）和钾（K）的含量。果实成熟与收获期测定番茄产量与果实品质参数，包括果实含水量（FWC）、总可溶性固形物（TSS）、果形指数（FSI）和颜色指数（CI）［9］。试验期间，测定番茄耗水量是基于一定区域面积和土体深度在某一时段内的水量平衡，间接测定总蒸散量，计算水分利用效率（WUE）：番茄产量与生育期总耗水量的比值与灌溉用水效率。每隔两天，采用烘干法测定土壤含水量，分别采用pH 计和DDS-307 电导率仪（上海精密科学仪器有限公司，上海）测定土壤pH 值和电导率（土水比1∶5）［10］。

1.4 数据处理与分析

使用MSTATC 的统计软件包对每个变量的数据集进行分析（Fischer 1990）。当F值显著时，采用单向方差分析（ANOVA），然后进行LSD检验，p＜0.05。

2 结果与分析

2.1 番茄生长和生物量响应

作物生长情况能够反映土壤改良的综合效应，株高和叶面积是反映番茄生长发育的重要指标［11］。在添加不同量生物炭处理下，番茄高度和叶面积的变化如表1所示。

由表1 可知，株高和叶面积随生物炭添加量增加而显著升高（p＜0.01）。与对照组相比，试验组的番茄株高分别增长了6.35%、16.19%、34.43%和52.66%，其中B5 处理地上部分株高最高，达到了74.5 cm。添加生物炭处理相比对照组植株叶面积增加了1.51%、18.79%、35.34和49.43%，最高值是B5处理，单株叶面积达到了3268 cm2。

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

表1 中给出了收获时测得的地上生物量，番茄新鲜植物重量（FPW）和干燥植物重量（DPW）均随着生物炭添加量的增加而显著增加（p＜0.05），对照组CK处理的最小FPW和DPW值（分别为195.17 g和109.53 g），最大的FPW和DPW值由B5处理（分别为288.3 g和173.78 g）产生，比CK高出47.72%和58.66%。生物炭添加量从B2依次增加到B5提高了植物的生物量。

生物炭添加处理对植株叶片相对含水量（LRWC）具有显著影响，B5处理LRWC最高为91.82%，而在CK处理获得最低值为87.70%。番茄株高、叶面积、地上部分的干鲜重和叶片相对含水量均表现为随生物炭添加量增加而显著升高，仅B2处理下与对照组比较无显著差异，表明生物炭浓度施用到一定程度时，对作物生长表现为积极的促进作用。

2.2 产量和果实品质反应

不同生物炭添加量处理对番茄果实产量具有显著影响（p＜0.01），如表2 所示，番茄产量随着生物炭添加量的增加而增加，单株产量变化范围为358.7～764.8 g，平均值为526.88 t/hm2，CK处理产量最低，而B5 处理获得最高产量，CK 和B2 处理之间未观察到显著差异（p＞0.05）。

表2 番茄产量和果实品质对不同生物炭施用处理的响应Tab.2 Response of tomato yield and fruit quality to the biochar applications

从表2 中数据可以看出，生物炭处理对单株果实的数量也有显著影响（p＜0.01），随生物炭添加，番茄果实单果重呈上升趋势，相对于对照组，分别提高单果质量达11.11%、66.67%、100%和111.11%。不同生物炭添加量处理之间的果实含水量（FWC）值存在显著差异（p＜0.05），随着生物炭施用量的增加，FWC显著增加（p＜0.05），FWC从CK 处理的90.08%增加到B5 处理的93.38%。随着生物炭施用量的增加，番茄果实品质参数总可溶性固形物、果实形态指数和颜色指数均略有增加，但未达到显著水平。

2.3 耗水量、水分利用效率与灌溉用水效率

添加生物炭对番茄植株的耗水量具有显著影响（p＜0.05）（图1）。与对照处理（CK）相比，在B5、B4、B3 处理下添加生物炭分别显著降低了番茄的耗水率；B2处理下番茄耗水量与对照组相比无显著差异。

图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

图2显示了生物炭处理对水分利用效率（WUE）的影响。与对照（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处理比对照提高49.71%，在生物炭处理B4 和B5 中获得水分利用效率最高值（15.19 和15.69 kg/m3）；在CK 和B2 处理中分别记录了最低的WUE值（10.48 和11.35 kg/m3），CK和B2处理之间未观察到显著差异。

图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）同样受到生物炭处理的显著影响（图3），番茄IWUE随着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之间，在CK处理下IWUE值最低，而B5处理值最高；CK和B2处理之间IWUE值差异不显著。

2.4 不同生物炭处理下叶片营养

生物炭自身含有一定数量的N、P、K 养分和一些促进作物生长发育的微量元素，也可通过增加如Na+、K+、Mg2+、Ca2+等土壤阳离子交换量来减少土壤中活性铝等有毒元素对作物生长的不利影响［12］。表3 为不同生物炭处理下叶片营养元素（Na+，K+和Ca2+）离子浓度和K+/Na+比。与较低生物炭施用量相比，在较高施用量的土壤上，叶片Na+积累的减少，Ca2+，K+浓度的增加以及叶片中K+/Na+比例的增加也可能有助于提高番茄产量。作物生长减缓的主要原因可能是根系中的NaCl 对Ca2+和K+等矿质营养物质的吸收抑制作用［13］。因此，增加K+/Na+比例和减少Na+积累以及改善蒸腾作用可能是抵抗盐分胁迫的机制，并且有助于植物生长和提高番茄产量［14］。

表3 在不同生物炭处理下，番茄叶片营养（K+，Ca2+和Na+）浓度和K+/Na+比例Tab.3 Tomato leaves nutrition（K+，Ca2+and Na+）concentration and K+/Na+ration under different biochar treatments

3 讨 论

生物炭在改善土壤物理和化学特性、促进农作物生长和提高农作物产量等方面发挥了重要作用［15］。统计分析表明，在滨海土壤中添加生物碳对土壤水分含量有显著的增效作用。同时，生物炭因丰富微孔结构对肥水的吸持作用为微生物的生存繁衍提供了良好的栖息环境［16］。表1显示了施用生物炭对番茄生长及其生物量的影响。统计分析表明，在沿海土壤中添加生物炭对番茄植株有积极的影响。生物炭处理（B5、B4 和B3）的产量明显高于B2 和CK 处理。添加生物炭提高土壤的持水能力，通过稀释作用降低离子毒性和对作物的渗透胁迫［17］。在营养不良，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，如酸碱度、孔隙度、容重、含水率等，特别提高了土壤中速效养分含量可供植物吸收利用，优化作物生长环境促进作物生长［18］。同时，通过施用生物炭，增加植株体内K+/Na+比例和减少Na+积累以及改善蒸腾作用可能是抵抗盐分胁迫的机制，并且有助于植物生长和提高番茄产量。

生物炭改良滨海盐碱土对番茄水分利用效率（WUE）和灌溉水利用效率（IWUE）有显著影响。添加生物炭的处理显著减少了水分消耗并增加了番茄产量，从而显著提高了作物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积，增加了土壤透气性和透水性，从而可以降低作物生长的耗水量［19］。对照中未施用生物炭改良剂的番茄植株的WUE和IWUE分别为10.48 和18.18 kg/m3，而施用生物炭B5 的WUE和IWUE值分别为15.69 和15.27 kg/m3。在当前的研究中，有证据表明，添加生物炭可以缓解沿海土壤高盐分对作物生长的胁迫，从而提高产量，提高水分利用效率和灌溉水利用效率［20］。

4 结 论

通过盆栽试验，研究了生物炭施用对滨海盐碱土番茄生长与耗水规律的影响。从试验的结果可以看出，添加生物炭显著改善了番茄的生长性能。生物炭施用对番茄生长正效应主要归因于生物炭的施用显著增加了土壤有机质、提高土壤导水率和含水量来降低渗透胁迫、降低植物钠离子浓度和盐离子毒害等。生物炭施用对滨海盐碱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显著的改善作用。通过研究表明，生物炭的施用可能是提高沿海地区农作物生产力的有效途径。