蔬菜秸秆生物炭对日光温室黄瓜连作土壤性状及植株生长的影响

娄 洁，何明霞，李晓甜，陈晓璐，张大龙,3，魏 珉,3

（1.山东农业大学园艺科学与工程学院，山东泰安 271018；2.山东省菏泽市牡丹区农业农村局，山东菏泽 274000；3.农业农村部黄淮海设施农业工程科学观测实验站，山东泰安 271018）

设施蔬菜对我国蔬菜产品周年供应发挥了重要作用。实际生产中，种植者为了追求高产高效，经常在同一块土地上连续种植同一种蔬菜，导致连作障碍逐年加重，影响设施蔬菜产业可持续发展。生物炭是一种在氧气有限的条件下，通过生物质热化学转化获得的固体材料，具有pH值高、矿质营养丰富、表面孔隙结构多等特点，用作土壤改良剂可以降低土壤容重，缓解土壤酸化，提高土壤养分含量和酶活性，改善土壤微生物结构，促进作物生长，提高产量。但是，关于蔬菜秸秆生物炭改良土壤效果的研究报道较少。本研究开展了不同蔬菜秸秆生物炭改良日光温室黄瓜连作土壤效果研究，以期为蔬菜秸秆资源化利用和设施蔬菜土壤改良提供理论与技术依据。

1 材料和方法

1.1 试验场地和材料

试验于2022年2—5月在山东农业大学园艺试验站日光温室进行。供试黄瓜为‘鸿强新秀’/‘霸图430’嫁接苗，供试土壤为日光温室连续种植黄瓜5年以上的10～20 cm耕层土壤，供试生物炭分别为番茄秸秆生物炭(F)、甜椒秸秆生物炭(T)、茄子秸秆生物炭(Q)，由本实验室参考Yuan等方法制备，基础理化性质见表1。

表1 3种蔬菜秸秆生物炭的基础理化性质

1.2 试验设计

试验采用盆栽法，盆口直径15 cm、高12 cm。以未施生物炭的连作土壤为对照（CK），番茄、甜椒、茄子3种生物炭分别按照风干土壤质量的2.5%、5%、7.5%添加，编号分别记作F1、F2、F3，T1、T2、T3和Q1、Q2、Q3，每个处理重复3次，每次重复10盆。试验时，将生物炭粉碎，过10目筛，然后与连作土壤混匀，装入盆中，每盆总质量1 kg。2月28日定植二叶一心的黄瓜幼苗，每盆1株，生育期按照常规管理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤指标 定植后40 d，每重复取3盆，采用抖根法收集根际土壤，混匀，风干后过100目筛用于测定土壤性状。

测定土壤pH和EC（土壤电导率）值分别采用pH计和电位法，有机质含量采用重铬酸钾容量法-稀释热法，碱解氮含量采用碱扩散法，有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑钪比色法，速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法。测定土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法，脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法。

1.3.2 黄瓜生长和生理代谢指标 定植后40 d，每重复选取长势一致的黄瓜5株，测量生长和生理指标。

植株鲜质量在105℃烘箱中杀青15 min，75℃下烘干至恒质量后称干质量；根系构型用MRS-9600TFU2L根系扫描仪测定。

测定叶片叶绿素含量采用乙醇-丙酮混合浸泡比色法，测定超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑比色法，过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法，过氧化氢酶（CAT）活性采用过氧化氢分解量法。

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据处理和作图。利用SPSS 26.0软件进行数据统计分析，Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验（＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 蔬菜秸秆生物炭对黄瓜连作土壤性状的影响

2.1.1 土壤pH和EC值 与对照相比，添加蔬菜秸秆生物炭均显著提高了土壤的pH和EC值，且生物炭用量越大效果越明显（图1）。相同用量条件下，提高土壤pH值的效果为甜椒秸秆生物炭＞番茄秸秆生物炭＞茄子秸秆生物炭，提高土壤EC值的效果为甜椒秸秆生物炭＞茄子秸秆生物炭＞番茄秸秆生物炭。

图1 不同蔬菜秸秆生物炭对黄瓜土壤pH和EC的影响

2.1.2土壤养分含量 由表2可知，土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量均随着3种生物炭用量的增加而增加，7.5%用量下含量最高。相同用量条件下，番茄秸秆生物炭对碱解氮和速效磷的提高效果更明显，甜椒秸秆生物炭对有机质和速效钾的提高效果更明显。

表2 不同蔬菜秸秆生物炭对黄瓜连作土壤有机质和速效养分含量的影响

2.1.3 土壤酶活性 由表3可知，土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶活性均随3种生物炭用量的增加先增加后降低；相同用量条件下，提高蔗糖酶活性的效果为甜椒秸秆生物炭＞茄子秸秆生物炭＞番茄秸秆生物炭，提高过氧化氢酶和脲酶活性的效果为茄子秸秆生物炭＞甜椒秸秆生物炭＞番茄秸秆生物炭。5%用量甜椒秸秆生物炭提高土壤酶活性的效果最明显，蔗糖酶、过氧化氢酶和脲酶活性分别较对照提高165.92%、25.98%、20.41%，其次是5%用量茄子秸秆生物炭。

表3 不同蔬菜秸秆生物炭对黄瓜连作土壤酶活性的影响

2.2 蔬菜秸秆生物炭对连作黄瓜生长和生理代谢的影响

2.2.1 植株生长 由图2可知，黄瓜干物质量随3种秸秆生物炭用量的增加呈先升高后降低变化趋势，番茄秸秆生物炭在2.5%用量下、甜椒和茄子秸秆生物炭在5%用量下达到最大值。综合比较，甜椒秸秆生物炭在5%用量下促进连作黄瓜生长的效果最明显，干物质积累量较对照提高58.56%。

图2 不同蔬菜秸秆生物炭对连作黄瓜植株生长的影响

2.2.2 根系构型和根系活力 由表4可知，根平均直径、根系表面积和根系活力均随3种秸秆生物炭用量的增加呈先升高后降低变化，番茄秸秆生物炭在2.5%用量下、甜椒和茄子秸秆生物炭在5%用量下最大。与对照相比，施用5%甜椒秸秆生物炭使黄瓜根系活力增加53.74%。

表4 不同蔬菜秸秆生物炭对连作黄瓜根系构型参数和根系活力的影响

2.2.3叶片色素含量和光合参数 由表5可知，叶片色素含量、光合速率和蒸腾速率均随3种秸秆生物炭用量的增加先升高后降低，番茄秸秆生物炭在2.5%用量、甜椒和茄子秸秆生物炭在5%用量下最大。5%用量甜椒秸秆生物炭提高黄瓜叶片叶绿素、类胡萝卜素、净光合速率和蒸腾速率的效果最明显，分别较对照提高114.44%、57.14%、22.74%、29.81%。

表5 不同蔬菜秸秆生物炭对连作黄瓜叶片色素含量和光合特性的影响

2.2.4 叶片抗氧化酶活性 由图3可见，超氧化物 歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性均随着3种秸秆生物炭用量的增加先增加后降低，番茄秸秆生物炭在2.5%用量下、甜椒和茄子秸秆生物炭在5%用量下酶活性最强。甜椒秸秆生物炭5%用量下黄瓜叶片超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性活性最强，分别较对照提高51.52%、39.62%、327.03%。

图3 不同蔬菜秸秆生物炭对连作黄瓜叶片抗氧化酶活性的影响

3 结论与讨论

前人研究表明，生物炭呈碱性，含有丰富的矿质养分和孔隙结构，施到土壤中可以改善土壤理化性质，提高土壤酶活性，优化根系环境，促进作物生长。本研究表明，3种蔬菜秸秆生物炭均能够提高黄瓜连作土壤的pH和EC值，增加土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量，并且适宜用量的蔬菜秸秆生物炭可以显著促进连作黄瓜生长和代谢，增加干物质积累。不同用量条件下，2.5%番茄秸秆生物炭、5%甜椒和茄子秸秆生物炭改良黄瓜连作土壤的效果更佳；相同用量条件下，甜椒秸秆生物炭改良黄瓜连作土壤的效果更佳，原因可能与生物炭的结构及理化性质有关，具体有待于进一步深入研究。

综合本研究结果，甜椒秸秆生物炭按照土壤质量的5%施用改良黄瓜连作土壤的效果最佳。