亏缺灌溉下温室番茄生长生理指标对生物炭的响应

杜兵杰，曹红霞，裴书瑶，张泽宇，李曼宁

（西北农林科技大学 水利与建筑工程学院/旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌712100）

0 引 言

【研究意义】温室番茄是西北地区广泛种植的蔬菜，其对土壤水分极为敏感，过高或过低的灌水量均会影响番茄的生长发育进程[1]。过度的水分亏缺会对植株光合能力产生不可逆的负面影响[2]，适当的亏缺灌溉则可以提高植株抗旱性和生理活跃程度[3]。生物炭广义上认为是由常见的生物有机材料在低氧条件下热裂解产生的富碳产物，比如木材、有机肥或者农林废弃物等，解决了秸秆、木材等的焚烧问题，不仅让闲置的有机材料实现农用价值，还降低了因农林废弃物焚烧带来的大气污染危害。且其营养元素极其丰富，已成为提高农业生态系统对水分和养分胁迫恢复能力的可行工具[4]。【研究进展】有研究发现施用生物炭可以减弱冲积型盐化潮土上冬小麦开花期和灌浆期的光合“午休”现象，增强光合性能和潜力[5]；在保墒性能逐渐降低的温室连坐土壤上生物炭能明显促进番茄的生理活动，且高生物炭施用量可以改善水分胁迫对秋茬番茄净光合速率的不利影响[6]。叶绿素荧光可以迅速地、灵敏地、无损伤地反映植物的光合进程，现已被广泛应用于作物抗逆、产量预测、表型分析等研究领域。张进红等[7]发现在砂壤土上施加0.5%生物炭能降低苜蓿叶片光反应中心的关闭程度，改善苜蓿叶片PSⅡ（光系统Ⅱ）受体电子传递链性能，增强叶片的光合性能，但随着用量的增加，生物炭对苜蓿叶片光合性能的影响减弱。植物的生理代谢过程会因短时间的干旱发生改变以适应逆境，作物通过调节体内渗透物质量和提高抗氧化系统活跃程度来减轻干旱的危害。有研究表明施用适量的生物炭能增强玉米植株抗氧化系统活力，显著提高幼苗抗氧化酶活性，降低植株体内过氧化物产生速率[8]。而Salar[9]的研究发现添加生物炭后大豆叶片和根系中丙二醛（MDA）和过氧化氢（H2O2）量显著降低，渗透物质的积累也减少，尤其是20%生物炭施用下，幼苗超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性均降低，认为生物炭处理对大豆幼苗的氧化胁迫有一定的保护作用。植株地上部干物质量和水分利用效率可以作为反映作物生长状况的重要指标。Claudia I 等[10]通过盆栽试验发现施用生物炭后黎麦的生物量和叶面积均显著增加；Zainul 等[11]发现，生物炭或生物炭加堆肥处理增加了芦苇植株净光合速率和地上部和根系的生物量，水分利用效率也更高；而Giovambattista 等[12]通过对油桃树木的研究发现生物炭对油桃树的生长并无显著影响，表明多年生农业生态系统可能不会立即对生物炭的应用作出响应。【切入点】前人对于生物炭在改良重金属污染土壤、砂性粗质土壤及肥力贫瘠土壤上作物生长方面已做了大量研究，而生物炭的类型、粒径大小、土壤质地、作物类型、气候条件等均是影响生物炭效应的主要因素[13]。因此，不同地域、不同土壤类型和水分条件下生物炭产生的效果可能不同。【拟解决的关键问题】结合西北地区半干旱的气候条件与水资源利用情况，本文探究在亏缺灌溉下温室番茄生理指标对生物炭的响应，以期为生物炭在西北地区非充分灌溉农业上的适用性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2019年4—8月在陕西省杨凌示范区旱区农业水土工程教育部重点实验室（34°20′N，108°04′E）的温室内进行。该温室坐北朝南，长、宽、高分别为36.0、10.3 m 和4.0 m。试验期间的气象数据由试验站的气象站提供（表1）。

表1 番茄全生育期气象数据Table 1 Meteorological data during the whole growth period of tomato

试验采用桶栽方式进行，塑料桶口径30 cm，底部直径25 cm，高30 cm。试验用土取自周边农田0～20 cm 表层，土壤的田间持水率（θf）为23.9%，体积质量为1.34 g/cm3，pH 为7.83，土壤质地为重壤土，风干后过2 mm 筛备用。生物炭购于陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司，原料为废弃苹果枝条，制备温度为450～480 ℃，炭化时间为8 h。供试番茄品种为“巴宝莉”。

1.2 试验设计

试验设置灌溉和生物炭2 个因素，其中灌溉设置3个水平：充分灌溉I1（75%θf～85%θf）、中度水分亏缺I2（55%θf～65%θf）、重度水分亏缺I3（40%θf～50%θf）和3 个生物炭添加量：B0（0）、B1（3%）、B2（6%）（按照生物炭占风干土壤干质量添加），共9 个处理，每个处理重复15 次，共计135 桶。试验方案见表2。

表2 试验方案Table 2 Test scheme

每桶装入14 kg 干土，将生物炭按照相应比例与土壤充分混合后装入桶中，自然沉淀7 d，使生物炭颗粒与土壤充分混合。番茄在四叶一心时（2019年4月10日）定植，定植后立即灌水至田间持水率，缓苗10 d 后进行水分处理。采用称质量法在试验期间每天08:00 和17:00 进行灌水，当土壤含水率达到灌水下限时进行补水并记录灌水量。按照传统方法将番茄的生育期划分为定植后4月20日进入苗期，5月3日进入开花坐果期，6月25日进入成熟采摘期，8月12日拉秧。

1.3 测定项目与方法

1）光合指标

随机选择3 株挂牌标记，在番茄开花坐果期（5月11日和6月15日）、成熟采摘期（7月10日），选择植株顶部第3 节位完全展开的叶片进行测量。采用Li-6800 便携式光合仪在晴天早晨09:00—11:00 测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）。

2）叶绿素荧光参数

测定时间同光合指标。采用FluorCam 便携式叶绿素荧光成像仪（Handy FluorCam）测定挂牌标记植株的叶绿素荧光参数。对叶片进行暗适应处理20 min后，测定初始荧光（F0）、暗适应下最大荧光（Fm）、光适应下最大荧光（Fm＇）、稳态荧光（Ft），由此计算非光化学淬灭系数（NPQ）和光化学淬灭系数（qP），计算式为：

3）抗氧化酶活性

在番茄开花坐果期（5月12日和6月16日）、成熟采摘期（7月11日）取成熟叶片，将所取叶片放入锡箔纸袋后立即放入液氮进行保存，待所有植物样采取完毕后放入超低温冰箱（-85 ℃）冷冻保存。采用氮蓝四唑光还原法测定番茄叶片的超氧化物歧化酶（SOD）活性；紫外吸收法测定过氧化氢酶（CAT）活性；过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚比色法测定。

4）植株地上部干物质和水分利用效率

在番茄拉秧时（8月10日），每个处理随机选3株去除地下部分后，迅速称量植株叶片、茎、果实鲜质量。将地上部器官分别装袋放入烘箱，在105 ℃下杀青1 h，75 ℃下烘干至恒质量，称量各组织器官的干质量并记录最终地上部干物质量。最终地上部干物质与试验期间总的灌水量的比值即为长期水分利用效率（WUEL），以每升水生成的干物质来表示，单位为g/L，计算式为：

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2010 进行数据整理，采用DPS和SPSS21.0 进行统计学分析，OriginPro9.0 进行绘图。

2 结果与分析

2.1 灌溉和生物炭对光合作用的影响

表3 为生物炭和灌溉对不同时期番茄叶片光合作用的影响。灌溉对番茄3 个生育阶段的叶片净光合速率（Pn）（成熟采摘期除外）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）的影响一直呈显著、极显著水平，且在相同生物炭施用量下，开花坐果前、后期的Gs和Tr均随着灌水量的减少逐渐降低；I2 水平下的Pn与I1相比无显著差异，但I3 水平下Pn显著低于I1 水平，说明过低的灌水量不利于叶片的光合进程；随着生育期推进，到成熟采摘期平均施炭量下不同灌溉水平下的光合参数无显著差异。生物炭对Pn和Tr仅在开花坐果前期有极显著影响，对Gs在3 个生育阶段的影响均达显著水平。不同生物炭施用量在各灌水水平下产生的效应不同：在I1 水平下，开花坐果前、后期Pn、Gs、Tr均随生物炭的施用而降低；成熟采摘期B1 处理和B2 处理的Tr显著高于B0 处理，而生物炭处理的Gs和Pn与B0 处理相比无显著差异。在I2和I3 水平下，开花坐果前期Pn随生物炭的施用呈先减后增的趋势，成熟采摘后期变化趋势与之相反；除个别处理，开花坐果前、后期和成熟采摘期I3 水平下B2 处理的Tr显著低于B0 处理，生物炭处理下Gs的3 个生育阶段均低于无生物炭处理。生物炭和灌溉交互作用对Pn、Tr的影响（除开花坐果后期）均达极显著水平，对Gs只在开花坐果前期有极显著影响。

表3 不同灌溉和生物炭处理下番茄叶片光合特性Table 3 The photosynthesis characteristics of tomato leaf under different irrigation and biochar treatments

2.2 灌溉和生物炭对叶绿素荧光参数的影响

通过叶绿素荧光估算光合强度（光化学反应），关键要确定叶绿素荧光光化学淬灭（qP）和非光化学淬灭（NPQ）过程。由表4 可知，灌溉对NPQ的影响除开花坐果后期外均达显著水平，对qP的影响从开花坐果后期开始达极显著水平，且在相同生物炭施用量下，开花坐果前期NPQ随灌水量的减少呈现先增后减的趋势，开花坐果后期和成熟采摘期随灌水量的减少而逐渐降低；qP在开花坐果前、后期均随着灌水量的减少逐渐降低，说明灌水量不足时会降低PSⅡ反应中心的开放程度，进而减小电子传递效率和光化学反应比例。随着灌水胁迫的进行，在成熟采摘期qP随灌水量的减少而逐渐增大。生物炭对NPQ、qP只在成熟采摘期有极显著影响。在相同灌溉水平下，开花坐果前、后期生物炭处理间NPQ、qP无显著差异（I1B1 除外），而在成熟采摘期I1 水平下NPQ、qP随生物炭的施用而显著降低，说明充分灌溉下生物炭处理降低PSⅡ系统的开放程度及叶片热耗散能力，而亏缺灌溉下生物炭对PSⅡ系统的影响与施用量有关：B1 处理下NPQ显著降低，B2 处理下NPQ显著增大；qP在B1 处理和B2 处理下均显著增大。表明亏缺灌溉下B1 处理能增大PSⅡ反应中心开放程度，同时减小用于热耗散的比例，从而提高光合比例。灌溉和生物炭交互作用对开花坐果后期荧光参数存在显著的影响，另外2 个时期均存在极显著影响。

表4 不同灌溉和生物炭处理下番茄叶片叶绿素荧光参数Table 4 The chlorophyll fluorescence of tomato leaf under different irrigation and biochar treatments

2.3 灌溉和生物炭对叶片抗氧化酶活性的影响

由表5 可知，随着生育期推进和灌水胁迫的进行，成熟采摘期3 种抗氧化酶活性均高于开花坐果前期。在番茄监测生育阶段，灌溉对SOD、POD、CAT 影响极显著，且在相同生物炭施用量下，3 种抗氧化酶活性均随着灌水量的减少而增大。生物炭对SOD、POD、CAT 影响极显著，在相同灌溉水平下，生物炭处理下抗氧化酶活性均显著增大，且除个别处理，3种抗氧化酶活性均在B1 处理下达到最大值；灌溉和生物炭二者的交互作用对POD 和CAT 均有极显著影响，对SOD 的影响随着生育期推进由极显著到显著，到成熟采摘前期无显著影响。

表5 不同灌溉和生物炭处理下番茄叶片抗氧化酶活性Table 5 The antioxidant enzyme activities of tomato leaf under different irrigation and biochar treatments

2.4 灌溉和生物炭对地上部干物质和长期水分利用效率的影响

灌溉对地上部干物质和水分利用效率（WUEL）的影响均达显著水平，但生物炭、二者交互作用仅对水分利用效率有极显著影响，对地上部干物质影响不显著（表6）。在相同生物炭施用量下，地上部干物质随灌水量的减少逐渐减小，各生物炭水平下I3 处理的地上部干物质均显著低于I1 处理；WUEL在B0 和B1 水平下随着灌水量的减少呈先减后增的趋势，而B2 水平下变化趋势正好相反。在不同灌溉水平下生物炭不同施用量的效应不一致。在I1 水平下，地上部干物质和WUEL均在生物炭处理下显著降低，而在I2（I3）水平下，生物炭处理间地上部干物质无显著差异，WUEL在B1 和B2 处理下显著增加。

表6 不同处理下地上部干物质及长期水分利用效率Table 6 The aboveground dry matter and water use efficiency under different treatments

2.5 干物质积累关键期各生理指标的相关分析

利用番茄生长关键期（开花坐果后期、成熟采摘期）数据，对各生理指标进行相关分析。由表7 可知，在开花坐果后期，光合指标（Pn、Gs、Tr）与叶绿素荧光参数NPQ呈极显著正相关关系，与qP呈极显著负相关关系，与抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT）呈极显著负相关关系；抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT）与NPQ呈极显著负相关关系，与qP呈极显著正相关关系。而到成熟采摘期，光合指标与NPQ呈极显著负相关关系，而（Gs除外）与qP呈显著正相关关系；Pn与SOD 呈极显著负相关关系；Tr与SOD、POD呈极显著正相关关系，与CAT 相关性不显著。其余指标间相关关系与开花坐果后期基本一致。

表7 各生理指标的相关关系Table 7 Correlation of physiological indexes

2.6 生理指标对番茄地上部干物质的影响

根据前文相关性的分析，基于逐步回归分析将开花坐果后期、成熟采摘期的光合指标（Pn、Gs、Tr）、荧光参数（NPQ、qP）、抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT）视为自变量X1—X8，地上部干物质视为因变量Y进行通径分析，结果见表8—表9。

结果表明（表8），开花坐果后期超氧化物歧化酶（X6）和蒸腾速率（X3）的直接通径系数最大，对地上部干物质产生的直接影响最大，而净光合速率（X1）的直接通径系数和决策系数均为负数，与实际生产事实矛盾，这是因为通径系数不仅取决于净光合速率与地上部干物质相关系数，还与其余生理指标的相关系数有关，不能孤立看通径系数。SOD 对地上部干物质有直接正影响，说明SOD 活性越高时，植株抗氧化系统的防御能力越强，有利于地上部干物质积累。由表7 可知，Pn主要通过SOD 和Tr对地上部干物质产生间接影响，且Pn通过SOD 对干物质产生影响的间接通径系数为负数（-1.202），说明二者存在一定竞争关系。SOD 对地上部干物质的决策系数绝对值大于Pn，因此，在实际灌水生产中，当Pn和SOD不能同时达到最优时，应优先考虑缓解水分胁迫程度，保证植株光合生理进程。

表8 开花坐果后期番茄生理指标与地上部干物质的通径分析Table 8 Path analysis of physiological indexes and shoot dry matter of tomato in late flowering and fruiting stage

由表9 可知，到成熟采摘期，非光化学淬灭（X4）和气孔导度（X2）对地上部干物质产生的直接影响最大，说明到番茄生长后期，植株的地上部干物质量直接取决于气孔因素和叶片热耗散能力，而过氧化氢酶（X8）和气孔导度（X2）的决策系数最大，且二者之间存在极显著负相关关系（表7），即当灌水不足时CAT 活性增加而Gs降低，从而导致地上部干物质量降低。Gs对地上部干物质的决策系数大于CAT，因此在实际灌水生产中，应优先考虑增加叶片气孔导度来促进地上部干物质积累。

表9 成熟采摘期番茄生理指标与地上部干物质的通径分析Table 9 Path analysis of physiological indexes and shoot dry matter of tomato in fruit maturation stage

3 讨论

光合作用是叶片截获光能，将光能转化为化学能，进而合成干物质的重要生理过程，90%以上的干物质是由光合作用转化而来的[14]。受干旱胁迫的植物会降低气孔导度，以避免蒸腾作用造成水分的大量损失，从而限制光合速率[15]。合理的设置灌水量不仅可以保证作物的生长发育，还能提高植株长期水分利用效率，而生物炭可以通过影响土壤持水能力[16]，进而影响植株对水分的吸收和光合作用强弱。在本研究中，随着生育期推进植株的耐旱性逐渐增强，中度亏缺灌溉下净光合速率在成熟采摘前期与充分灌溉相比无显著差异，而重度亏缺灌溉下除个别处理外，光合作用受到显著抑制，表明适当的水分亏缺不会对净光合速率产生不可逆的影响；除成熟采摘前期，生物炭在充分灌溉下均对净光合速率产生显著抑制效应，而在重度亏缺灌溉下生长关键期的净光合速率在生物炭3%施用量下得到显著提高，这可能是因为生物炭添加改变了土壤的孔隙分布[17]，导致充分灌溉下土壤孔隙被孔隙水和小粒径的生物炭所充满，致使根系难以延展，从而无法吸收更多的养分与水分，降低了叶片的光合能力[18]。而亏缺灌溉下生物炭的施用能提高土壤孔隙度来维持更多水分[19]，且能提供大量N、P、K 营养元素，但与此同时生物炭对土壤水的吸力受土壤水分的影响[20]。因此，叶片的净光合速率受灌溉和生物炭共同制约。也有研究表明在各灌水水平下生物炭的施用均能增加净光合速率[21]，产生这种差异的原因可能与土壤质地和生物炭类型有关。气孔导度的变化与净光合速率变化基本一致。蒸腾速率能体现植株对水分吸收与利用的能力，是反映不利环境的重要指标[22]。在本研究中，充分灌溉下生物炭处理的蒸腾速率在成熟采摘期显著增大，而与此同时净光合速率却呈降低趋势，可能是因为生物炭促进了番茄的早熟，此阶段的光合物质合成减弱，主要通过作物蒸腾进行水分消耗。在亏缺灌溉下植株为防止叶片失水而大量关闭气孔，生物炭处理下的叶片厚度增大，气孔阻力也随之增加，能显著降低生育前期作物的蒸腾速率，保证植株的生长发育[23]。

叶绿素荧光动态与光反应中的电子传递过程密切相关。研究表明，随着水分胁迫的进行，亏缺灌溉下非光化学淬灭系数（NPQ）会显著降低[24]，说明缺水会降低叶片活力和潜在光化学能力，抑制作物将过剩光能以热耗散形式消耗的能力，从而影响植株正常生长。这与本研究结论一致。在本研究中，无生物炭施用时重度亏缺灌溉下叶绿素荧光光化学淬灭（qP）显著降低，中度亏缺下无显著差异，表明过低的灌水量会导致PSⅡ反应中心开放程度降低，影响电子受体的传递速率。生物炭对荧光参数的影响随生育期推进差异逐渐显著。由于植株的早熟，充分灌溉下生物炭处理的光化学淬灭和非光化学淬灭系数在成熟采摘期均显著降低；而亏缺灌溉下生物炭6%施用量在成熟采摘期（生长关键期）能显著增大PSⅡ中心的开放比例及电子传递活性，同时提高了PSⅡ天线色素吸收的光能以热形式耗散比例，提高植株的热耗散能力。说明在适当的水分胁迫下施用生物炭可以提高PSⅡ反应中心的开放比例，提高植株耐高温性能和潜在光化学能力，这与陈盈等研究结论一致[25]。

研究表明超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）这3 种保护性酶能相互协调并有效清除活性氧自由基以减轻干旱对植物的伤害[26]。在本研究中，亏缺灌溉下叶片的SOD、POD、CAT 活性显著增大，且POD、CAT 活性对水分胁迫更为敏感。同时随着干旱胁迫时间的延长，POD、CAT 的增加幅度增大，表明植株体内过氧化氢的大量产生使叶片POD、CAT 活性随之增加，催化、加速过氧化氢分解成水和氧气以减少过氧化氢对植株的危害。赵铁民等[8]发现适量的生物炭施用能显著提高玉米幼苗抗氧化酶活性，增强抗氧化系统活力，降低植株体内过氧化物产生速率，这与本研究结果一致。而Salar 等[9]的研究发现生物炭处理下大豆叶片和根系的抗氧化酶活性均呈降低趋势。在本研究中，充分灌溉和亏缺灌溉下施用生物炭均能提高叶片抗氧化酶活性。且相同灌水水平下抗氧化酶活性均在生物炭B1 处理下达到最大值，说明适量的生物炭施用更能提高叶片抗氧化系统的防御能力，减小干旱胁迫对植株的危害。

生物炭的施用量、类型和土壤质地均会影响生物炭的效应，从而对干物质累积产生不同的影响。Haider等[27]的研究结果表明玉米地上部干物质量在40%或70%田间持水率时表现出相同的趋势，均随着生物炭施用量的增加而增大，与对照相比有显著性差异。而在本研究中充分灌溉（75%θf～85%θf）下生物炭处理的地上部干物质和水分利用效率显著降低，亏缺灌溉（55%θf～65%θf和40%θf～50%θf）下地上部干物质在生物炭处理下有轻微提升，但差异未达显著水平，而水分利用效率显著增大。这种差异可能是因为土壤质地和生物炭类型不同造成的，具体原因需要进一步研究。地上部干物质量受光合速率、叶片活力等多种指标共同影响，而灌水量的差异必然会对植株的光合能力和抗氧化系统活性产生影响。本研究发现，在干物质积累关键期各生理指标对地上部干物质均有显著影响，其中叶片抗氧化酶（SOD 和POD）、净光合速率和气孔导度对地上部干物质积累起决定性作用，在实际生产中应在保证作物正常生长和稳产的前提下进行适当的亏缺灌溉，提高植株长期水分利用效率。

4 结论

1）适当的水分亏缺不会影响番茄生长关键期的光合能力和荧光特性，抗氧化酶活性得到显著提高，但最终地上部干物质量显著降低。充分灌溉下施用生物炭对叶片生理进程产生一定抑制，导致地上部干物质和水分利用效率显著降低；亏缺灌溉下生物炭处理对叶片光合生理活动和地上部干物质积累无显著影响，水分利用效率显著提高。

2）在干物质累积关键期，所有生理指标对地上部干物质均有显著影响。抗氧化酶活性（SOD 和CAT）、净光合速率和气孔导度对地上部干物质积累起决定性作用，在此阶段降低水分胁迫程度从而提高植株光合生理活动是促进地上部干物质积累的有效途径；各监测生理指标间显著相关，其余生理指标通过决定性指标对地上部干物质产生间接影响。

3）与I2B0 处理（55%θf～65%θf和无生物炭施用）相比，I2B2 处理（50%θf～65%θf和生物炭6%施用量）的地上部干物质和水分利用效率分别提高了6.1%（P>0.05）、30.9%（P<0.05），是西北番茄栽培无适宜的灌溉和生物炭施用组合。