生物炭和灌水量对土壤保水性及温室番茄生理特性的影响

李欣雨，张川*，闫浩芳，AKHLAQ Muhammad，李岚兰，张文程，王纪章

(1. 江苏大学农业工程学院，江苏 镇江 212013； 2. 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

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现代农业的发展模式中最主要的是设施农业，对农业资源利用率的提高具有关键性作用[1].中国设施农业种植面积截至2017年世界排名第一，为2.10×106hm2[2].被世界公认最广种植范围之一的番茄在中国当前种植面积约为1.25×106hm2[3].目前，可以提高番茄产量的改良方法有很多，包括冲洗、施肥和使用化学试剂等[4-6].生物炭是一种具有绿色、安全且高效等特性的土壤改良剂[7]，对节水灌溉和粮食增产增质具有重要意义.

生物炭通过其独特的物理性质能够不同程度地改良土壤，这是通过对土壤系统的影响[8-9].而土壤系统物理特性的改变是通过土壤中生物炭的使用，从而改变了土壤结构、体表面积和孔隙度等因素[10-11].LAIRD等[12]研究发现在土壤中添加生物炭耕作3 a后，土壤耕作层的容重明显减小，且土壤容重随生物炭施用量增加而逐渐减小.土壤水分利用效率的提高可以促进农作物生长和增产，主要通过生物炭改变土壤物理因素，提高土壤水分利用效率[13].马丽等[14]研究表明在土壤中添加一定量的生物炭可以提高草莓的光合能力.AKHTAR等[15]研究发现生物炭能够提高盆栽番茄产量，研究是在沙壤土用亏缺灌水的方式灌溉.在改良农田水土环境和农作物增加产量等方面，生物炭的应用研究取得了一定的成果，在更进一步研究生物炭不同施用量的处理中，灌水量是具有影响作物生长和产量的重要因素.

综上，为了研究生物炭和灌水量对土壤物理性质、作物生长生理特性及产量的影响，文中以温室番茄为研究对象，设置不同生物炭施用量和灌水量共9组处理，探讨生物炭施用量与灌水量对土壤、番茄生长及生理特性的影响.研究成果可为改善土壤质量以及提高作物用水效率，提供参考依据.

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

在Venlo型智能温室内进行研究试验，试验地位于江苏省镇江市(119°25′E，32°11′N；海拔为23 m)，试验所用温室屋脊呈南北走向，长度为20 m，天沟高达3.8 m，檐高为4.4 m，跨度为6.4 m，用4 mm厚的浮法玻璃作为覆盖材料.温度高时打开东北两侧窗进行通风，温室内日均温度为28.6 ℃，最高温度为40 ℃.温室内的试验土壤类型属于黏土.

1.2 试验设计

试验选取目前苏南地区主要栽培的番茄品种“合作906”，采用土槽种植，土槽长0.60 m，宽0.65 m，深0.30 m.每个土槽种植2行，共54株；灌溉采用根部滴灌的灌水方式(滴头间距30 cm，流量为1.0 L/h).灌水参考依据采用20 cm标准蒸发皿，灌水时间为水面蒸发量(Ep)累计达到20±2 mm时进行[16].2018年3月2日—7月16日，共136 d为番茄完整生育期.

番茄于2018年3月2日播种，播种后26 d移栽，在移栽前施底肥高浓度硫酸钾型复合材料，苗期和开花坐果期分别追加一次1 000 mL水溶性肥料，番茄种植密度为5.13株/m2.

试验设置3个生物炭施用量处理：B0(0 kg/m2)，B1(2.5 kg/m2)，B2(5.0 kg/m2).施用方法是将生物炭撒在土壤表面再进行搅拌，其理化性质：pH为10.35；土壤有机碳SOC、总氮、全磷、全钾质量比分别为467.20，5.90，14.43，11.50 g/kg；土壤阳离子交换量CEC为21.7 cmol/kg.

每个生物炭施用量设置3个灌水量水平：充分灌溉T1(1.4Ep)、中度亏缺T2(1.2Ep)、重度亏缺T3(1.0Ep)，每个水平设置3次重复，如图1所示.番茄整个生育期的灌水量：灌溉水平T1，T2，T3分别为481.97，401.98，328.75 mm.

图1 灌水量和生物炭试验布置图

1.3 试验观测

1.3.1 土壤物理性质

在番茄苗期灌水之前取土样，除去浮土在耕层10 cm处用环刀取土，每个处理3次重复，将土样用土壤三相仪(DIK-1150，Japan)测定土壤容重和孔隙度.土壤体积含水率的测定是将2个土壤水分传感器(Stevens Hydro Probe Ⅱ，USA)布置在相同处理条件下土槽外的土壤中，由CR1000数据采集系统(Campbell，USA)每1 h自动采集.

1.3.2 生长指标

在番茄整个生育期内，对每个处理选取长势良好、无病害植株隔10 d测量1次株高和茎粗.番茄茎基部到尖端的距离即为株高，茎秆基部的直径即为茎粗，分别采用卷尺和游标卡尺进行测量.果实成熟后分批采收，每个果实用电子天平进行称重并记录，用于计算产量.

1.3.3 番茄生理指标

番茄叶片的气孔导度和光合速率采用GFS-3000光合测量仪(WALZ，Germany)在成熟采摘期内晴朗无云的天气进行测定.随机测定9组处理长势良好无病害的番茄旗叶以下第3片功能叶中部位置，取叶片测量3次的平均值，8:00—17:00为生理指标的观测时间，测定1次间隔时间为1 h.

1.3.4 数据处理与分析

试验采用SPSS 16进行统计分析，试验数据分析采用双因素方差分析法.当显著性水平P<0.05时，确定平均值的显著性差异是利用最小显著性差异检验.

2 结果与分析

2.1 生物炭和灌水量对土壤容重和孔隙度的影响

不同生物炭施用量和灌水量处理下土壤容重ρ和孔隙度δ的变化情况如图2所示.

图2 生物炭和灌水量对土壤容重和孔隙度的影响

随着生物炭施用量增加，不同灌水量下土壤容重均逐渐减小、孔隙度增大，其中处理B2T1下土壤容重最小为0.974 g/cm3，相比B0T2降低14.79%.生物炭施用量处理B1和B2较B0在不同灌水量下容重依次降低了7.3%和15.6%(T1)，13.8%和16.6%(T2)，2.5%和6.5%(T3)；孔隙度依次增加了4.9%和9.5%(T1)，8.8%和10.5%(T2)，1.9%和3.4%(T3).

因为多孔性结构是生物炭的固有属性，数量较多且不同形状的微孔不仅增加生物炭的比表面积，而且增加土壤孔隙度、降低土壤容重和改善土壤结构，从而提高土壤的通气性和持水能力.

表1为生物炭施用量和灌水量对土壤容重和孔隙度的方差分析.由表统计分析结果表明，灌水量对土壤容重和孔隙度的影响不具有统计学意义，而生物炭对土壤容重和孔隙度的影响具有统计学意义(P<0.05)，生物炭施用量和灌水量的交互作用对其容重和孔隙度的影响不具有统计学意义.

表1 生物炭施用量和灌水量对土壤容重和孔隙度的方差分析

2.2 生物炭对土壤体积含水率的影响

在番茄移栽前，对不同生物炭处理的土壤进行灌水，使其达到饱和状态.图3为不同生物炭施用量处理下土壤体积含水率ε的变化过程线，图中t为时间.到达峰值的3组生物炭处理对应体积含水率均在灌溉2 d后，土壤体积含水率峰值越高表示生物炭施用量越多，即按处理排序由大到小为B2，B1，B0，对应的饱和含水量分别为74.2%，64.0%和42.1%.随后峰值逐步开始降低，处理B1和B2的退水系数ζ在灌溉后3～6 d较大，对应为0.047和0.054，下降的速度越快表明数值越大，数值最小的B0为0.006； B0和B1的退水系数在6～30 d时相等为0.006，退水系数下降速度相对较慢且基本保持一致，退水系数为0.017的处理B2，与前6 d下降速率相比有所减缓，但比处理 B0和B1下降的速率仍大.

由以上分析表明，添加生物炭能够增加土壤最大含水率.与B0相比，处理B1和B2使土壤最大含水率分别增大为21.9%和32.1%，但其短时期内的保水性随着施用量越大而越差.原因是添加生物炭改变土壤中的孔隙度和团聚程度，由此增大了土壤比表面积，土面蒸发速度随着土壤比表面积增大而加快，变化也越明显，再加试验前的翻地使土壤松散减弱了其持水能力.因此，土壤短时期的保水性由于添加生物炭而较差；土壤保水性好并不是生物炭的大量添加，在生物炭改良土壤方面，其长时期有较强持水能力得益于适量生物炭的添加.

图3 土壤体积含水率与生物炭的响应关系

2.3 生物炭和灌水量对生长指标及产量的影响

表2为生物炭施用量和灌水量对番茄株高h和茎粗d的影响.番茄的株高和茎粗采用增幅计算，即整个生育期内第1次和最后1次测量的差.在3种生物炭施用量处理下，随着灌水量增加，株高呈明显的上升趋势.随着生物炭施用量增加，番茄株高在灌水量水平T1下先减小后增大且增幅较小，在T2下逐渐增大，在T3下先增大后减小.在处理B1和B2下，随着灌水量减少，株高和茎粗明显降低(P<0.05)，而B0不施生物炭在T3下相比T2的番茄株高增加0.3%；在B2下，随着灌水量增加，番茄茎粗呈现先增大后减小的趋势.

表2 生物炭和灌水量对番茄株高和茎粗的影响

不同生物炭施用量处理下，番茄产量均随灌水量增加呈显著增加的趋势(P<0.05).图4为生物炭和灌水量对番茄产量Y的影响.由图可知，不同生物炭施用量在不同灌水量下对番茄产量的影响存在一定的差异，在灌水量水平T1下，处理B2的产量最大，较B0提高了30.92%.在灌水量T3下，B1和B2的产量相比B0分别增加了83.69%和176.60%，其中处理 B2T1番茄的产量与对照组相比最大增幅为631.15%，是B0T1的1.31倍，而B0T1的产量是B0T3的11.73倍.

图4 生物炭和灌水量对番茄产量的影响

表3为灌水量和生物炭对番茄株高、茎粗及产量的方差分析.

表3 灌水量和生物炭对番茄株高、茎粗及产量的方差分析

从方差分析可得生物炭对株高和茎粗的影响不具有统计学意义(P>0.05)，生物炭施用量对株高和茎粗的影响远小于灌水量对其的影响.由此表明，灌水量在两者交互影响中是影响株高和茎粗的主要因素，远远大于生物炭对其的影响，两者交互作用对番茄株高和茎粗的影响具有统计学意义(P<0.01)；生物炭对番茄产量没有显著影响，生物炭处理和灌水量水平的交互对番茄产量的影响具有统计学意义(P<0.05).

2.4 生物炭和灌水量对叶片生理指标的影响

图5和图6是番茄成熟采摘期灌水量和生物炭对叶片光合速率Pn和气孔导度Gs当日的变化规律(图中是成熟采摘期日变化的番茄叶片生理指标).成熟采摘期下，不同生物炭施用量中灌溉水平T1和T2的叶片气孔导度日变化呈现双峰型(如图5a和5b)；在T3下，气孔导度的峰值无明显变化规律(如图5c所示).而灌水量水平T1和T3的气孔导度依次在11:00和14:00达到峰值且11:00远大于14:00，叶片气孔导度随着温室内气温升高而增大，两峰之间约12:00的叶片气孔导度出现明显下降趋势，该现象是因为太阳辐射和温度达到当日最大值，多数叶片进行自身保护而关闭气孔，以防植株严重失水从而使气孔导度迅速下降而使光合速率降低，由此“光合午休”现象出现.11:00时番茄叶片光合速率对应处理B0，B1和B2的峰值按灌溉水平排序从大到小依次为T1，T2，T3，这个规律的呈现是由于土壤中水分减少使番茄叶片面积减小、气孔开度下降和水势升高，从而降低了作物的光合速率.番茄叶片的光合速率在水平T1时，第1个峰值按处理排序从大到小依次为B2，B1，B0；水平T2和T3下，按处理排序从大到小依次为B0，B1，B2.由以上分析表明，在充分灌溉下施用生物炭对叶片的光合速率有促进作用，在中度和重度水分亏缺下对叶片的光合速率有抑制作用且与施用量变化趋势一致.试验中，所有处理当日光合速率和气孔导度变化具有同一趋势.相比处理B0，番茄叶片当日平均光合速率在水平T1下的B1和B2依次高11.4%和54.8%，T2下依次高3.2%和低13.9%，T3下低16.7%和50.6%.

图5 灌水量和生物炭处理的番茄叶片气孔导度日变化规律

图6 灌水量和生物炭处理的番茄叶片光合速率日变化规律

3 讨 论

适量应用生物炭能够增大土壤孔隙度，使容重减小，进一步改变结构，从而提高土壤的最大含水率，以此促进农作物生长发育并增产增质.而农作物的生长发育离不开土壤水，灌水量和非适量生物炭的结合应用均会抑制番茄的生长，从而使产量受到一定的影响[17].现有相关研究成果表明，土壤在不同灌水量下生物炭施用量越多土质越松散，其容重越小相应的孔隙度越大，促使土壤的持水和导水性变强，提高了番茄生长发育和产量[18].文中研究发现不同灌水量下生物炭的应用有效地降低了土壤容重、增大了其孔隙度，有效提高了土壤的含水率，这与现有研究结论保持一致[19-20].短时期的容重与灌水量响应关系不显著，但处理B2的土壤容重在生物炭和灌水量交互作用中的降幅最大.

农作物长势是否良好的主要衡量指标包括茎粗和株高，作物营养吸收是否充足取决于茎秆粗壮的反映[21].现有研究结果发现，番茄茎粗和株高在不同生育期随着灌水量增加而显著增加[21-22].文中研究的充分灌溉中不同生物炭处理对作物株高的生长没有促进作用；在中度亏缺下对番茄株高的生长有促进作用；重度亏缺中没有明显响应.现有研究和文中研究的结论存在一些差异[23]，3组处理B0，B1和B2的番茄株高在全生育期都有显著差异，且番茄茎粗也以较快的速度随着生物炭施用量增加而增加.由于灌水制度不同，可能导致文中研究与该结论存在一定的差异[19].

生物炭和灌水量不同对作物生长发育产生的影响各异，终将在各处理间作物产量中有所反映.目前相关研究结果显示，与灌水量充足的处理相比，各亏缺灌水处理降低番茄产量15.52%～51.99%[2,24-25].相关研究的各结果表明灌水量不同程度地影响番茄产量.本研究中，每个生物炭施用量相同的处理下，T1的番茄产量远远大于T2和T3的.出现番茄产量有明显影响的现象可能是水肥互作所致，在整个生育期内对番茄各生长阶段的施肥量相同，水平T1的灌水量比T2和T3的相对较多，所以T2和T3相对T1的作物营养吸收与利用较少[26-27].AGBNA等[19]的结果与文中研究结论存在差异，其研究发现通过生物炭对土壤的改良从而改善了作物的生长环境，因此番茄果实鲜质量显著增加.

外界能量和物质合成对作物自身需求利用物质的生理过程称为光合作用，而亏缺灌水不利于作物叶片进行光合作用从而影响光合速率[28].文中试验研究结果表明，处理B0，B1和B2的番茄叶片光合速率在水平T1下，11:00时出现的峰值按处理排序由大到小依次为B2，B1，B0；在T2和T3的峰值按处理排序由大到小依次为B0，B1，B2.这是因为中午温度升高同时土壤含水量减少导致番茄叶片关闭部分气孔，部分气孔关闭增大了气孔密度、叶片厚度和气孔阻力，最后降低了作物的蒸腾速率[29].而在土壤中应用生物炭增大了其孔隙度从而提高土壤含水率，为番茄的生长发育运输水分，从而使叶片气孔关闭程度以及其对番茄光合速率的抑制作用减弱[30].

4 结 论

1) 土壤中适当添加生物炭可以有效地增加土壤的保水性，处理B1和B2相对B0可以增大土壤最大含水率为21.9%和32.1%，降低土壤容重2.5%～16.6%，增加土壤孔隙度1.9%～10.5%.

2) 生物炭施用量和灌水量增加，对番茄作物生长和果实产量有促进和提高作用.处理B2T1下产量与B0T2相比，最大增幅为631.15%，是B0T1的1.31倍；处理B0T1下的番茄产量是B0T3的11.73倍.

3) 生物炭施用量在充分灌水和中度亏缺的处理下均有效提高了叶片气孔导度和光合速率，处理B1和B2的生物炭施用量处理分别提高番茄叶片的光合速率为11.4%和54.8%，而在重度亏缺的条件下，B1和B2生物炭的施用抑制了番茄叶片的光合速率，为16.7%和50.6%.