矿物生物炭对戈壁沙培番茄根际微环境、生长及产量的影响

2024-10-25任成梁张国龙柴秀娟何翔陈婷院海英

中国瓜菜 2024年10期

摘要：为探究矿物生物炭在戈壁日光温室沙化土壤改良应用中的作用机制，在常规施肥的基础上，通过设置不同水平矿物生物炭（0、375、750、1500和3000 kg·hm-2）试验处理，研究其对番茄根际微生物、土壤养分以及番茄生长和产量的影响。结果表明，增施矿物生物炭可使黄沙土pH略微下降，当矿物生物炭施入量为3000 kg·hm-2时，土壤pH较不施矿物生物炭的对照显著降低；当矿物生物炭施入量为750 kg·hm-2时，土壤速效钾含量较对照显著提高71.45%；当矿物生物炭施入量为1500 kg·hm-2时，土壤有机质含量较对照显著提高18.54%；当矿物生物炭施入量为3000 kg·hm-2时，土壤有效磷含量较对照显著提高26.07%；当矿物生物炭施入量为750 kg·hm-2时，番茄根际细菌、放线菌和真菌数量分别较对照显著增加82.51%、63.75%和363.30%；番茄叶面积、株幅、根冠比和果实可溶性固形物含量均随着生物炭施入量的增加不断增大，而产量随着矿物生物炭增加呈先升高后降低的趋势，当矿物生物炭施入量为1500 kg·hm-2时，番茄单株产量达到最高，为8.06 kg。综上，矿物生物炭用量1500 kg·hm-2处理对戈壁日光温室沙化土壤改良及番茄产量提升等综合效果最佳。

关键词：矿物生物炭；戈壁日光温室；沙培番茄；根际微环境；生长；产量

中图分类号：S641.2 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2024）10-088-05

收稿日期：2024-03-13；修回日期：2024-09-24

基金项目：甘肃省第二批陇原青年英才（WWS2023001）；甘肃省青年科技基金计划项目（22JR5RH1032）

作者简介：任成梁，男，高级农艺师，主要从事农业科研及示范推广工作。E-mail：rcl2219985@163.com

通信作者：张国龙，男，高级农艺师，主要从事设施农业新技术的研究与示范推广工作。E-mail：wws_zgl@163.com

Effects of mineral biochar on rhizosphere microenvironment， growth， and yield of tomato in Gobi desert sand

REN Chengliang1， ZHANG Guolong1， CHAI Xiujuan2， HE Xiang1， CHEN Ting1， YUAN Haiying1

TEdd4vnNi2oaxhPWqpReYgU1SCx6oI0Ev6UML+vQzW0=

（1. Wuwei Academy of Agricultural Sciences ， Wuwei 733000， Gansu， China; 2. Wuwei City Agricultural Product Quality and Safety Supervision and Management Station， Wuwei 733000， Gansu， China）

Abstract： In order to explore the mechanism of mineral biochar in improving desertification soil in Gobi solar greenhouse， different levels of mineral biochar （0， 375， 750， 1500 and 3000 kg·hm-2）were set up for experimental treatment on the basis of conventional fertilization to study their effections on tomato rhizosphere microorganisms， soil nutrients， and tomato growth and yield. The results showed that the application of mineral biochar could slightly reduce the pH of yellow sandy soil， and when the application amount of mineral biochar reached 3000 kg·hm-2， the soil pH was significantly lower than the control group without mineral biochar. When the application amount of mineral biochar reached 750 kg·hm-2， the content of available potassium in soil increased significantly by 71.45%. When the application amount of mineral biochar reached 1500 kg·hm-2， the content of organic matter in soil increased significantly by 18.54%. When the application amount of mineral biochar reached 3000 kg·hm-2， the content of available phosphorus in soil increased significantly by 26.07%. When the application amount of mineral biochar reached 750 kg·hm-2， the number of bacteria， actinomycetes and fungi in tomato rhizosphere increased significantly by 82.51%， 63.75% and 363.30%， respectively. The leaf area， plant width， root-shoot ratio and fruit soluble solids content increased with the increase of biochar application， while the yield index first increased and then decreased. When the application amount of mineral biochar reached 1500 kg·hm-2， the tomato yield per plant reached the maximum of 8.06 kg. To sum up， the treatment with mineral biochar at the dosage of 1500 kg·hm-2 has the best comprehensive effect on improving desertification soil and increasing tomato yield in Gobi solar greenhouse.

Key words： Mineral biochar; Gobi desert sunlight greenhouse; Sand-cultivated tomato; Rhizosphere microenvironment; Growth; Yield

戈壁农业是指在戈壁滩、沙化地、滩涂地等不适宜耕作的闲置土地上，以现代设施农业科技为载体，发展设施蔬菜及瓜果等特色农产品的一种新型农业发展业态[1]。近年来，甘肃省立足戈壁荒漠面积大、光热资源充足、昼夜温差大等资源禀赋，大力发展“戈壁”设施农业，取得了较好的综合效益。古浪县黄花滩移民区属典型的沙化戈壁，近几年累计建成日光温室8000多座[2]，新建日光温室土壤多为砂壤或绵砂，土壤熟化程度低、肥力差、保水保肥性能差，成为制约戈壁设施农作物产量和品质提升的主要因素[3]。

矿物生物炭是指油页岩半焦废弃物在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物。与普通生物炭不同的是，矿物生物炭除炭成分外，还含有大量的硅酸盐矿物，是一种以无机矿物和碳元素组成的复合材料[4-5]。矿物生物炭不仅含有多种矿质营养元素，如钾、铁、钙、硅、镁、硒等，而且其微细孔结构具有强大的吸附力，容易聚集营养物质和有益微生物。因此，近年来通过添加矿物制备矿物生物炭用于土壤改良的相关研究越来越多[6-12]。然而，很少有人将矿物生物炭结合普通化肥应用在戈壁沙化土壤的改良中。因此，笔者针对古浪县戈壁日光温室土壤沙化严重、熟化程度低、保水保肥能力差等系列问题，利用不同用量的矿物生物炭配施普通化肥开展试验，通过探究矿物生物炭对日光温室沙培番茄生长和根际微环境的影响，以期为矿物生物炭在戈壁日光温室沙化土壤中的改良与应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2022年9月至2023年3月在甘肃省武威市古浪县西靖镇“千亩戈壁农业产业园”日光温室进行，该区域属温带大陆性气候，夏季干旱少雨，冬季寒冷干燥，年平均温度6.6 ℃，年平均降水量200 mm，年平均蒸发量2807 mm，全年光照时数2852 h，平均无霜期142 d，是典型的干旱荒漠化区域。本试验供试日光温室土壤为纯黄沙，保水保肥能力差、养分含量低，上茬作物为辣椒，经测定其pH 8.47，有机质含量（w，后同）12.35 g·kg-1，全氮含量0.89 g·kg-1，有效磷含量142.45 mg·kg-1，速效钾含量468.40 mg·kg-1。

1.2 材料

供试矿物生物炭由甘肃绿锦环保功能材料技术有限公司提供，其中矿物质含量≥70%，生物炭含量≥20%，pH 8.3，有机质含量275.17 g·kg-1，全氮含量4.92 g·kg-1，有效磷含量5.35 mg·kg-1，速效钾含量62.09 mg·kg-1；供试普通化肥为尿素（N含量为46%）、磷酸二铵（N含量为18%，P2O5含量为46%）、硫酸钾（K2O含量为50%）；供试番茄品种为寿光德尔农业科技有限公司选育的德龙218。

1.3 试验设计

本试验于2022年9月16日定植，2023年3月10日拉秧。按照矿物生物炭不同用量设5个处理，每个处理3次重复，试验采用随机区组设计，小区面积为16.8 m2（2.4 m×7.0 m），每个小区之间设1.2 m隔离带。在日光温室进行常规施肥（尿素、磷酸二铵和硫酸钾折合成纯养分N-P2O5-K2O为150-300-150 kg·hm-2作基肥）的基础上，将矿物生物炭依次按照0（CK）、375（T1）、750（T2）、1500（T3）和3000 kg·hm-2（T4）的用量作为基肥一次性增施。本试验采用膜下滴灌技术，垄宽80 cm、垄间距40 cm，番茄行距60 cm、株距45 cm；所有处理在番茄全生育期共追肥6次，除在番茄第1穗果进入膨大期随水追施N-P2O5-K2O养分含量为15-8-21的高钾型水溶肥225 kg·hm-2，其余5次均追施N-P2O5-K2O养分含量为20-20-20的平衡型水溶肥，每次150 kg·hm-2。其他管理同当地常规栽培。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 番茄生长指标测定在番茄植株打顶前每个处理随机选择3株，利用卷尺测定株高和株幅，利用游标卡尺测量茎粗（在距地面1 cm处量取，精度为0.05 mm），采用CI-202便携式叶面积仪测定植株叶面积；并在番茄拉秧前，每个处理选择3株进行挖根采样，带回实验室测定根冠比。根冠比=地下部干质量/地上部干质量。

1.4.2 番茄产量及品质指标测定在番茄整个收获时期，每个处理定点选择10株，持续进行跟踪测产，并记录番茄采收个数和果穗数；在最后一次测产后每个处理选择3个着色均匀的果实，利用爱拓PAL-1便携式测糖仪测量番茄可溶性固形物含量。

1.4.3 根际土壤养分测定在试验棚选定后，随机选择3个样点采集土壤，测定pH及有机质、全氮、有效磷和速效钾初始含量。在番茄拉秧前，每个处理选择3株分别采集根际土壤，装入无菌自封袋中，加冰袋带回实验室保存，用于土壤养分的测定和微生物备测。参照《土壤农业化学分析方法》[13]测定土壤指标，其中采用电位法测定pH，采用重铬酸钾容量法测定有机质含量，采用自动定氮仪法测定全氮含量，采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定有效磷含量，采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾含量。

1.4.4 根际微生物测定在番茄定植前分别测定不同处理20～50 cm土壤中微生物（细菌、真菌、放线菌）数量；在番茄收获后，再次测定不同处理下番茄植株根际土壤微生物数量。本试验采用牛肉膏蛋白胨琼脂平板表面涂布法培养细菌，采用码钉氏培养基平板表面涂布法培养真菌，采用高氏一号培养基平板表面涂布法培养放线菌。三大类微生物分离计数采用沈萍等[14]的方法计算，结果以每克土壤中菌落数（CFU）表示。

1.5 数据处理

采用Microsoft EXCEL 2016软件进行试验数据整理和分析，使用SPSS 23.0统计软件进行方差分析和显著性检验（多重比较采用Duncan法）。

2 结果与分析

2.1 不同量矿物生物炭对番茄根际土壤养分含量的影响

从表1可以看出，随着矿物生物炭在黄沙土壤中施入量的增加，土壤pH均略有下降，当矿物生物炭施入量为3000 kg·hm-2（T4处理）时，土壤pH较CK显著下降5.93%；而土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量随着矿物生物炭施入量的增加均呈升高趋势，除土壤全氮含量增幅不显著外，在矿物生物炭施入量达到一定数量后，有机质、有效磷和速效钾含量均不同程度较CK显著提高。当矿物生物炭施入量为750 kg·hm-2时，速效钾含量较CK显著提高71.45%；当矿物生物炭施入量为1500 kg·hm-2时，有机质含量较CK显著提高18.54%；当矿物生物炭施入量为3000 kg·hm-2时，有效磷含量较CK显著提高26.07%。由此可见，在不施矿物生物炭的情况下，与定植前相比，除速效钾含量有所下降外，土壤pH及有机质、全氮和有效磷含量均有所提高；而增施矿物生物炭达到一定数量时，有明显降低黄沙土壤pH和提升土壤养分含量的作用。

2.2 不同量矿物生物炭对番茄根际微生物数量的影响

从表2可以看出，戈壁日光温室沙培番茄一个生产周期后，在不施矿物生物炭的条件下，番茄根际土壤中三大类微生物（细菌、放线菌、真菌）数量虽然均略有增加，但与番茄定植前微生物数量相比差异不大；而增施矿物生物炭的试验处理，番茄根际土壤中三大类微生物数量较定植前均显著增加，并随着矿物生物炭的增加微生物增长率呈现先升后降再升的变化趋势；当矿物生物炭施入量为750 kg·hm-2时，番茄根际土壤三大类微生物数量的增长率最大，细菌、放线菌、真菌数量较番茄定植前数量分别显著增加82.51%、63.75%和363.30%，尤其真菌数量提升异常明显。由此可见，增施矿物生物炭可以显著提高沙培番茄根际土壤中细菌、放线菌和真菌的数量。

2.3 不同量矿物生物炭对番茄生长指标的影响

从表3可以看出，增施矿物生物炭可以增大番茄株高和茎粗，但与CK相比，差异不显著。然而，当矿物生物炭施入量为750 kg·hm-2以上时，番茄株幅较CK显著增加；当矿物生物炭施入量为1500 kg·hm-2以上时，番茄叶面积和根冠比较CK显著增加；并且番茄株幅、叶面积和根冠比随着矿物生物炭用量的增加而不断增大，其中T4处理均最大，较CK分别显著增加21.14%、30.20%和33.33%。由此可见，增施矿物生物炭可以增大沙培番茄叶面积，从而促使番茄株幅增大；而番茄根冠比随着矿物生物炭用量的增加而增大，说明矿物生物炭对番茄根系生长的促进作用大于对植株的影响。

2.4 不同量矿物生物炭对番茄产量的影响

从表4可以看出，沙培番茄果穗数随矿物生物炭施入量的增加而增多，当矿物生物炭用量为750 kg·hm-2以上时，果穗数较CK显著增多；增施矿物生物炭对番茄单果质量和单株产量均有不同程度的提升作用，当矿物生物炭用量为1500 kg·hm-2时，番茄单果质量和单株产量较CK增加最大，单果质量为179.43 g、单株产量为8.06 kg，分别比CK显著增加49.35%、70.40%；继续增施矿物生物炭，番茄单果质量和单株产量均有所下降。番茄果实可溶性固形物含量随着矿物生物炭数量的增加而不断提高，最大较CK显著提高26.60%。由此可见，适量增施矿物生物炭不仅可以提高沙培番茄产量，还可以提高番茄可溶性固形物含量，改善番茄适口性。

3 讨论与结论

高静等[15]通过整合分析各类生物炭对土壤pH的调节作用，结果表明，不同类型的生物炭均有利于提高土壤pH，尤其对强酸性土壤的影响更明显。然而本研究在黄沙土壤中增施矿物生物炭，黄沙土壤的pH略有下降，当矿物生物炭施入量为3000 kg·hm-2时，土壤pH较CK显著下降；这一结果与前人结论相悖，但是与张雯等[16]的研究结论一致，推测这种差异可能是因为沙壤土本身呈碱性，矿物生物炭与土壤微环境在短期内还未形成充足的有机酸来中和黄沙土碱性，而前人大多数研究是以酸性土壤为研究基础。同时，本研究还表明，增施矿物生物炭还可以不同程度地提高黄沙土壤中有机质、有效磷和速效钾等养分含量，具有提升土壤肥力的作用，这与前人的研究结果一致[17]。究其原因，一方面矿物生物炭表面富含官能团，能够有效吸附土壤养分；另一方面矿物生物炭本身含有植物所需要的养分和矿物质，一定程度上有利于提高黄沙土壤的养分含量。

土壤微生物是植物生长可利用养分的一个重要来源，细菌在土壤有机物和无机物转化过程中起重要作用，而真菌在土壤碳素和能源循环过程中起巨大作用[18]，因此，调节土壤微生物对促进作物植株生长和根系发育具有决定性作用。笔者在本研究中发现，将矿物生物炭施入黄沙土壤一个生产周期后，沙培番茄根际土壤中细菌、放线菌和真菌三大类微生物数量较定植前土壤中数量均显著增加，尤其真菌数量的提升异常显著，这一结论与Luchet等[19]、Lehmann等[20]提出的生物炭不仅可以有效改善土壤理化性质，并可以明显改变土壤微生物群落的研究结果一致。这可能是因为矿物生物炭丰富的表面官能团对土壤pH和养分环境的影响，间接改变了土壤微生物结构和群落，尤其真菌对土壤pH异常敏感[21]。

笔者研究发现，矿物生物炭可以促进番茄根系发育，增大番茄株幅和叶面积，分析原因应该是矿物生物炭丰富的表面结构，既可以促进番茄根际养分吸收，又可以丰富番茄根际微生物数量，提高土壤养分含量，间接地促进番茄产量增加，这与前人的研究结论相符[22]。当矿物生物炭施入量为1500 kg·hm-2时，番茄单果质量和单株产量较CK显著增加，单果质量最大为179.43 g，单株产量最高为8.06 kg；当持续增加矿物生物炭施入量时，番茄单果质量和单株产量均有所下降。由此可见，在日光温室黄沙土壤常规施肥的基础上，适量增施矿物生物炭有利于促进番茄植株生长，并提高番茄产量。

郑健等[23]采用Meta-analysis法整合大量公开文献并进行分析，结果表明，增施生物炭可以显著提高番茄可溶性糖含量6.7%和可溶性固形物含量10.7%。本研究结果与其相似，矿物生物炭的施入明显提高了沙培番茄的果实可溶性固形物含量，并随着矿物生物炭施用量的增加呈升高趋势。分析其原因，一方面矿物生物炭本身含有丰富的矿物微量元素，有利于番茄可溶性固形物含量提高；另一方面矿物生物炭显著提高土壤中速效钾含量，间接提高了番茄果实可溶性固形物含量。

综上所述，向戈壁日光温室黄沙土壤中增施矿物生物炭1500 kg·hm-2时，番茄产量达到最高，同时可以降低土壤pH，显著改善土壤养分环境，丰富番茄根际微生物数量。由此可见，矿物生物炭作为一种新兴的土壤改良剂，具有比表面积大、微孔结构丰富和表面官能团集聚的特点，在增强土壤肥力、提高土壤质量、改善土壤微生物环境和促进植物生长等方面具有重要的作用。

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