有机营养液灌溉下发酵秸秆添加生物炭对番茄生长和品质影响

2022-04-08曹行行杨官凯祁瑞雪武育芳张雪艳

中国土壤与肥料 2022年2期

曹行行，杨官凯，祁瑞雪，武育芳，张雪艳

（宁夏大学农学院，宁夏银川 750021）

玉米秸秆是一种高有机质且极具营养价值的材料，富含纤维素、半纤维素和非淀粉大分子等营养物质，以及氮、磷、钾等植物生长所必要的元素［1］。玉米秸秆可再生、低成本，与麦秸相比，它自身分解效率更高，后期致病菌更少，所得堆肥产品基本无害化［2］。玉米秸秆堆肥后作为栽培基质相对草炭栽培可提高蔬菜产量和品质［3-4］，同时秸秆堆肥也可以改善基质肥力，增加基质微生物数量［5］。生物炭具有较大的孔隙度、比表面积和大量的官能团，可调控土壤或基质物理性状，通过增加保水能力、养分交换能力和改善土壤结构来促进土壤或基质健康。基质添加生物炭可显著提高作物生产力［6］、品质和产量［7］，研究表明，与不施炭处理相比，基质添加生物炭能提高孔隙度2.83%～5.56%，降低容重1.89%～3.62%，增加全碳240.1%～457.3%、全氮50.0%～96.6%、有效磷19.6%～61.4%、速效钾186.3%～383.2%［8-9］。因此基质是否添加生物炭将显著改变基质栽培下的作物生长。

目前设施园艺水肥一体化中应用的营养液仍是以化学肥料为主的无机营养液。化肥大量施用造成了土壤盐渍化、板结，作物品质、产量下降，并能引起重金属元素（如砷、汞、铅等）增加［10］，对农业可持续性构成了重大威胁。研究表明，有机营养液中不仅含有作物所需的大量元素及微量元素，同时也含有抗生素、类激素等次生代谢产物及一些有益微生物和腐植酸，可以有效地改善土壤状况，提高土壤肥力，进而促进作物的生长发育［11］，有机营养液还可以提高产品品质，同时有较好的生物防治和环保作用［12］。有机营养液灌溉既减少了化肥的施用，又环保无污染。因此，减少化肥施用对保障农业可持续性发展具有重要意义［13］。

本试验以玉米秸秆堆肥、玉米秸秆堆肥+生物炭作为栽培基质，并设计有机和无机营养液灌溉，系统分析其对番茄植株生长、果实产量与品质的影响，探究秸秆堆肥添加生物炭对番茄植株生长和果实品质的影响，并探究有机营养液灌溉是否可在保持番茄植株生长以及维持产量基础上，改善果实品质，从而替代无机营养液，研究结果将为未来设施蔬菜高质量及可持续性发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2019 年9 月3 日至2020 年3 月10 日，在宁夏吴忠市国家农业科技园区C7 号日光温室进行，位于中国西北部（38°33′75″N，106°38′54″E）。以发酵后的玉米秸秆块进行栽培，发酵秸秆是玉米秸秆块自然发酵49 d 后的产物。玉米秸秆来源于农户自耕地，秸秆完全风干后切割成1 ～3 cm 均匀大小，用饲草液压打捆机（YD-40 型，陕西，中国）打压形成长65 cm、宽45 cm、高35 cm 的基质块，秸秆块首尾相连放在长宽高10 m×0.6 m×0.5 m 的槽子中。秸秆原位发酵开始时采用喷灌带喷洒尿素（按照每1000 g 秸秆块施入8.76 g 尿素），最初各处理保持在田间持水量的60%，每10 d 喷灌一次，连续喷灌3 次，整个过程没有翻堆，发酵最高温度是55.15℃，高温持续11 d，发酵49 d 后的种子发芽指数为90.98%。

试验栽培基质包括发酵秸秆块，发酵秸秆+生物炭（质量比4∶1）为栽培基质，秸秆和生物炭具体特性见表1，分别采用有机营养液和无机营养液灌溉。具体处理为发酵秸秆+无机营养液灌溉（SI）、发酵秸秆+有机营养液灌溉（SO）、发酵秸秆+生物炭+无机营养液灌溉（SBI）和发酵秸秆+生物炭+有机营养液灌溉（SBO）。无机营养液为易溶于水的固体肥料配制而成，有机营养液是以黄腐酸钾和L-丙氨酸等有机物为主直接配制而成，有机和无机营养液的具体配方见表2。使用前按番茄不同生育阶段所需氮、磷、钾不同比例先配制成母液，加入储肥灌，最后通过滴灌管道至番茄根部，磷矿粉通过基肥施用。试验选择“安特莱斯”番茄品种，采用双行种植，行距70 cm，株距40 cm，小区面积6 m2，每个处理3 个重复，采用完全随机区组排列，处理间设置1 个保护行，所有处理统一水分管理。

表1 原始材料理化性质

生物炭（沙粒）是玉米秸秆经炭化450℃高温煅烧而得到，购买于泰安精农生物科技有限公司。无机肥料成分K2SO4、（NH4）2SO4、KH2P04和Ca（NO3）2·4H2O（纯度≥99%）购买于上海永通化工有限公司。有机肥料成分L-丙氨酸（N：10%、P：5%）购买于陕西枫丹百丽生物科技有限公司，黄腐酸钾（N：3.58%、P：0.2%、K：10.1%）购买于济南意和旺化工科技有限公司，鱼蛋白购买于舟山丰宇三立海洋生物肥料有限公司。

1.2 取样和测定方法

定植4 周后，每个处理选6 株代表植株，做好标记，分别在前期（定植后28 d）、中期（定植后49 d）和拉秧期（定植后63 d）测定植株长势。利用钢制卷尺从番茄茎基部到黄瓜生长点进行株高的测定，利用游标卡尺在距地面1 m 处测定茎粗。拉秧期，每个处理选代表植株8 株，分开地上部和地下部测定鲜重，经过105℃杀青后，在75℃烘干测定地上和地下部干重。记录全生育期不同处理番茄产量，并折合成公顷产量。

在盛果期，每个处理选代表植株5 株，于晴天09：00 ～11：00 用美国LI-6800 便携式光合仪测定叶片光合特性；同样的叶片暗适应20 min 以上，避开叶脉，用美国PAM-OS5p 便携式叶绿素仪测定叶片荧光参数。

在盛果期，每个处理选代表性果实5 个，测定单果重，用烘干法测定果实含水量，用数显式游标卡尺测定果实横纵径，并计算果型指数，用GY-4测定果实硬度，采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量，采用酸碱中和滴定法测定有机酸含量，采用钼蓝比色法测定维生素C 含量，采用TD-45 数字折光仪测定可溶性固形物含量［14-15］。

表2 有机营养液和无机营养液配方

1.3 数据分析

采用Excel 2010 和SPSS 20.0 对试验数据进行统计与分析。采用单因素Duncan 法在0.05 水平进行显著性分析，使用Origin 2018 制作数据图。

2 结果与分析

2.1 不同营养液灌溉对不同基质下番茄植株长势和生物量累积的影响

由图1 可知，在番茄生长前期，相对SI，其他处理增加株高，生长中期，SBI和SBO处理相对SI和SO处理显著增加株高，且SI和SO处理间无显著差异；生长后期各处理间无显著差异。生长前期和中期，各处理间茎粗无显著差异，生长后期，SI处理相对其他处理茎粗显著增加，其他处理间无显著差异。

从图2 可知，相同的栽培基质条件下（纯秸秆块或秸秆块+生物炭），有机和无机营养液对地上部干鲜重无显著影响，但发酵秸秆块添加生物炭条件下不同营养液灌溉相对纯秸秆块对植株地上部和地下部干鲜重有一定影响。SO与SI间地上部鲜重差异不显著，SBO和SBI处理显著高于SI处理；SBO和SBI处理地下部鲜重显著高于SO和S1处理；SBO处理相比于SI处理地上部与地下部鲜重分别增加了39.97%和44.26%。干重与鲜重有相似的处理间差异，且地上和地下部干重有相似的显著差异。SBO和SO处理间地上部干重差异显著，且SBO处理显著高于S0处理；SBO处理地下部干重最高，且显著高于SO处理，SBO处理相比于SI处理地上部干重与地下部干重分别增加了20.52%和40.15%。

图1 不同营养液灌溉对不同基质下植株长势的影响

图2 不同营养液灌溉对不同基质下番茄植株生物量的影响

图3 不同营养液灌溉对不同基质下番茄叶片光合参数的影响

2.2 不同营养液灌溉对不同基质下番茄叶片光合和荧光参数的影响

从图3 可以看出，相同栽培基质下，有机和无机营养液灌溉对植株气孔导度、蒸腾速率和胞间二氧化碳浓度无显著影响，但对净光合速率有显著影响，且秸秆块添加生物炭相对纯秸秆块处理显著增加净光合速率、气孔导度和蒸腾速率。SBI处理净光合速率显著高于SBO、SI和SO处理，相比于SI处理增加了78.01%，SBO处理气孔导度和蒸腾速率最高，分别显著高于SI和SO处理，相比于SI处理分别增加了112.87%和74.08%，SO处理胞间二氧化碳浓度最高，与SBO和SI处理无显著差异，且显著高于SBI。

由图4 可知，不同发酵秸秆块栽培基质和营养液灌溉对初始荧光、PSⅡ潜在活性、PSⅡ最大光化学效率无显著影响；SBO、SBI和SI处理电子传递效率差异不显著，但SBO处理电子传递效率高于SO处理。

2.3 不同营养液灌溉对不同基质下番茄果实性状和品质的影响

从图5 可以看出，在果实收获前期，不同栽培块基质和营养液灌溉对果实单果重和果型指数无显著影响；相同栽培基质下，有机营养液相对无机营养液显著降低果实硬度，相对发酵秸秆块栽培，添加生物炭处理下无机营养液处理显著增加果实硬度；发酵秸秆块添加生物炭增加果实含水量，且SBO处理果实含水量最高，显著高于SO处理。

图4 不同营养液灌溉对不同基质下番茄叶片荧光参数的影响

图5 不同营养液灌溉对不同基质下番茄果实特性影响

在果实收获中期，各处理间果实单果重、果型指数和果实含水率无显著差异；发酵秸秆块栽培下，有机营养液相对无机营养液灌溉降低果实硬度，而有机或无机营养液灌溉对添加生物炭的发酵秸秆块栽培番茄果实硬度无显著影响。

在果实收获后期，不同栽培块基质和营养液灌溉对果实单果重无显著影响；发酵秸秆块添加生物炭相对发酵秸秆块栽培增加果型指数，相同栽培基质条件下，有机营养液灌溉相对无机营养液灌溉增加果型指数，且SBO果型指数最高；相对发酵秸秆块，其添加生物炭显著降低果实硬度，且相同栽培基质下，不同营养液灌溉间无显著差异；SBO果实含水量最高，显著高于SO处理。

由表2 可知，相比纯发酵秸秆块栽培，添加生物炭有机或无机营养液灌溉下均在一定程度上降低了果实维生素C 含量，降低了果实可溶性糖含量；相同栽培基质条件下，有机营养液灌溉相对无机营养液灌溉显著降低果实有机酸含量，增加果实糖酸比，且SBO处理的果实有机酸含量最低，显著低于SI、SO、SBI处理，与对照SI处理相比降低了31.25%，可溶性固形物增加了4.3%。SO相比SI显著增加果实糖酸比，SBO处理相比SBI显著增加果实糖酸比。与对照SI处理相比，SBI处理的维生素C、有机酸和糖酸比并没有显著变化，但可溶性糖和可溶性固形物含量显著下降；SO处理的可溶性糖和可溶性固形物含量并没有显著变化，有机酸含量有所下降，而维生素C 和糖酸比则显著上升。

表2 不同营养液灌溉对不同基质下番茄果实品质的影响

2.4 不同营养液灌溉对不同基质下番茄产量的影响

从图6 可以看出，发酵秸秆块添加生物炭处理相对纯秸秆块处理可以增加番茄产量，且在同样的栽培基质条件下，有机营养液灌溉相对无机营养液灌溉增加了番茄产量，在纯发酵秸秆块栽培下未达到显著差异，在发酵秸秆块田间生物炭条件下增产较多，其中SBO产量最高、依次是SBI、SO和SI。相对SI处理，SBI增加番茄产量4.17%，SBO增加番茄产量11.19%。

图6 不同营养液灌溉对不同基质下番茄产量的影响

2.5 PCA 分析

对本试验中番茄的各生长指标、叶片光合荧光参数、果实性状、品质和果实产量进行PCA 分析，结果如图7 所示。主成分1（PC1）和主成分2（PC2）分别解释差异的63.31%和31.44%，即总变异的94.75%。Vc、SS、FWC、PH、SFW、FSI、Fv/Fo、Fv/Fm、FY、Pn、AFW、ADW、UFW、UDW、SD、Gs、Tr 和FWC 在PC1 上有较高的权重，Ci、SAR、TSS、FO和OA 在PC2 上有较高的权重。在PC1 上，SBI和SBO与SO与SI显著分开，在PC2 上，SO和SBO与SBI和SI显著分开。对所有因子进行综合评分表明，发酵秸秆块添加生物炭处理显著高于纯发酵秸秆块处理，且发酵秸秆块添加生物炭栽培条件下，有机营养液灌溉相对无机营养液灌溉显著增加综合得分，具体SBO处理得分最高（0.84），其次是SBI处理（0.07），SO处理得分最低（-0.54）。

图7 番茄植株参数主成分分析和综合得分

3 讨论

当今农业生产实践中，不论是大田作物还是温室作物，绿色、高质量可持续是主要发展趋势，但往往绿色、高质量生产总是带来产量的降低，因此如何达到绿色、可持续生产，但又不降低产量，维持经济效益将对发展设施蔬菜高质量可持续生产具有重大意义。

3.1 相同营养液灌溉下生物炭与秸秆基质栽培下对番茄生长的影响

本试验研究表明，发酵秸秆添加生物炭相比纯秸秆增加番茄产量，且发酵秸秆+生物炭基质栽培下，有机营养液灌溉相对于无机营养灌溉显著增加番茄产量。与纯秸秆栽培相比，添加生物炭显著增加株高（图1）、地上部和地下部干鲜重（图2）、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度（图3）。这可能是因生物炭相对秸秆块具有较低的EC 值，较高的全量养分含量，且添加生物炭降低了玉米秸秆碳氮比，有利于秸秆养分释放［6，16］，同时生物炭能促进植物嫩叶和根中生长素等物质合成以及植物细胞的扩增与细胞壁松弛等，从而提高水分与营养物质的吸收，促进植株新陈代谢与生长［17］，从而促进株高和生物量累积。相比秸秆栽培，秸秆添加生物炭显著降低了果实硬度、可溶性糖含量、可溶性固形物。可溶性糖含量和可溶性固形物的降低可能是因为局部生物炭密度的不均匀。研究表明过量生物炭能够降低土壤酶和微生物的活性［18］，进而扰乱了根系环境，不利于水分和养分的吸收进而影响了可溶性糖和可溶性固形物含量。

3.2 相同栽培基质下有机营养液灌溉对番茄生长的影响

相同栽培基质条件下，有机营养液相对于无机营养液对株高、茎粗（图1）、地上部和地下部干鲜重（图2）、气孔导度、蒸腾速率（图3）、初始荧光、PSⅡ潜在活性、PSⅡ最大光化学效率（图4）、果实单果重（图5）无显著差异。SBO相比SI，增加株高、地上部和地下部干鲜重、气孔导度、蒸腾速率效果最显著。这与Lester 等［19］所研究的由于有机肥料中无机养分（氮和磷）的缓慢释放而导致养分的生物有效性与植物吸收之间的不匹配，尤其是在生长高峰期的氮，从而导致生长缓慢并不一致。这是因为黄腐酸钾中除了含有丰富的腐植酸和钾元素外，还有一些微量元素和丰富的游离氨基酸，这些可调节开放气孔，提升光合作用［20］。有机营养液相对无机营养液番茄的果实含水率和果型指数都有所提高（图5），相反，果实硬度有所下降，这说明使用全有机营养液灌溉后番茄商品性更好。但由于硬度的下降，给运输方面造成了一定的难度。有机营养液还降低了果实的有机酸含量，增加了糖酸比和可溶性固形物，且SBO增加番茄产量11.19%，口感更佳。这与辛鑫等［21］研究一致，因为有机营养液中含有丰富的氨基酸，而氨基酸分子的直接吸收或利用可以提高番茄中可溶性蛋白与可溶性固形物的质量分数［22］，并且有机营养液中同时含有其他对品质有利的生物活性物质。

3.3 基质和营养液灌溉对番茄生长的综合影响

主成分分析表明，发酵秸秆添加生物炭处理相对纯秸秆块处理在PC1 上显著分开，在PC2 上，有机与无机营养液灌溉显著分开，且SBO处理有最高的综合得分。有研究表明，生物炭和肥料混施增效与二者的互补或协同作用有关［23］。一方面，生物炭虽然可以向土壤提供钾和磷等一些养分，但其自身的养分释放对作物的直接肥效作用是有限的，肥料的加入弥补了其自身养分不足的缺陷，二者混施也可抵消因生物炭对土壤营养物的吸附对作物生产产生的负面影响。另一方面，生物炭添加不能改变植物的资源配置［24］，而肥料投入能够减少植物地下部的资源配置，从而形成对土壤-生物炭-化肥-根系复合系统产生深远影响［25］。因此可以推断出生物炭的添加和全有机营养液灌溉二者之间起到了类似的互作协同促进效果，共同促进了植株的生长和养分的分配。

3.4 秸秆基质有机营养液灌溉栽培技术市场前景与可行性

目前有机营养液开发多集中在堆肥浸提液以及有机物料发酵液制备方面，但由于浸提工艺和有机物料来源不明确，影响了有机营养液标准化制备和管理，在一定程度上限制了有机营养液的应用。本研究有机营养液利用水溶性有机物料按照番茄不同生育期需肥特性配置，不再添加任何化学肥料，能够满足番茄生长需求，并改善果实品质，可满足人们对农产品由量到质的需求变化，且本有机营养液制备与管理原料明确，有利于标准化制备和管理，因此具有较广的应用潜力。