生物炭基質對番茄幼苗生長及光合特性的影響

朱優矯 李文慶 田曉飛

生物炭基質對番茄幼苗生長及光合特性的影響

朱優矯 李文慶 田曉飛

為了探討生物炭作為蔬菜育苗基質的可行性，采用穴盤育苗研究了不同基質（草炭、堆肥、蛭石、生物炭、生物炭+堆肥、生物炭+草炭）對番茄幼苗生物性狀、光合特性及養分吸收的影響。試驗結果表明，生物炭作為基質單獨施用可以明顯提高番茄幼苗株高、莖粗和光合速率；生物炭+堆肥以及生物炭+草炭配施在干物質積累和壯苗指數方面，比生物炭、堆肥差，但比草炭和蛭石效果好；生物炭+堆肥配施可以提高番茄的蒸騰速率與根系活力，分別比其他處理高3.73%～ 45.35%和3.55%～172.50%；生物炭+草炭配施能夠改善番茄葉片早期SPAD值。

李其友 男，武漢市農業科學技術研究院作物科學研究所所長、高級工程師，全國瓜菜工廠化育苗產業技術創新戰略聯盟理事長、湖北省園藝學會理事、湖北省西甜瓜協會理事、中國蔬菜協會種苗分會理事。引進、消化、吸收美國speeding公司工廠化穴盤育苗技術，促進了武漢地區蘆筍結構調整和小型禮品西瓜產業化發展，將穴盤育苗發展成了企業集群，嫁接、育苗技術走在全國前列。參與農業部公益性行業農業科研專項《設施農業高效育苗標準化生產工藝與配套設備研究與示范》，主持省市4項科研項目，取得2項發明專利、6項實用新型專利、發表論文10余篇，主編《西瓜、甜瓜設施栽培》一書。獲得湖北省科技進步一等獎、三等獎，農業部豐收二等獎、武漢市科技進步二等獎，曾被評為湖北省第六屆優秀科技副縣長，2014年被湖北日報傳媒集團聯合省發改委、科技廳、農業廳評為2012-2013“湖北三農杰出人物”。

因鹽分積累、養分比例失調、土壤生態系統被破壞等問題而導致的土傳病害是保護地蔬菜栽培存在的突出問題[1～5]。土傳病害的發生會導致蔬菜產量降低、品質下降，成為制約蔬菜保護地栽培可持續發展的重要因素。無土栽培是指不用土壤而采用固體基質或單獨用營養液栽培作物，其能為植物提供穩定協調的水肥條件，實現養分和水分的同步按需供應，因而能最大限度地滿足作物對水肥的需求，是一種高產的蔬菜栽培方式[6～9]。另外，該栽培方式也使滅菌更加容易，方便控制病害，因此近年來各種形式的無土栽培興起。但傳統無土栽培基質如草炭、蛭石與珍珠巖等皆為不可再生資源，隨著開采量的加大會面臨資源枯竭問題，因此探討其他可替代的基質十分必要。

生物炭是由生物質在缺氧條件下經熱裂解炭化而成的一類以單質碳為主的黑色固體物質[10～12]，其疏松多孔，保水性能良好，其中的碳又具有極低的礦化率，因而能固定大氣中的碳素[13～18]。將生物炭用于無土栽培，不僅可解決傳統基質不足的問題，還可以緩解溫室效應。近年來開始將生物炭作為基質添加料施用（比例不超過50%），而將生物炭單獨作為基質的研究尚未見報道，本研究將生物炭單獨作為基質施用，并與其他基質作比較，以期為以后的基質配方研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試生物炭以花生殼為原料制備而成，裂解溫度350℃，裂解時間2 h。供試蛭石、草炭和有機堆肥均為市場購得，其基本理化性質如表1所示。

表1 試驗用基質的基本理化性質

供試育苗穴盤為32穴黑色塑料長方形穴盤，穴孔深58 mm，上口徑53 mm×53 mm，下口徑27 mm× 27 mm，單穴容積約110 mL。所用營養液為霍格蘭和阿農通用營養液配方。

1.2 試驗設計

試驗共設6個處理，基質配方如下：草炭（CT）；堆肥（DF）；蛭石（ZS）；生物炭（BC）；50%生物炭+ 50%堆肥 （BCDF）；50%生物炭+50%草炭（BCCT）。各處理每隔3 d澆灌1次營養液，每次澆灌20 mL。每個處理重復6次，各處理隨機排列。

1.3 測定項目與方法

①基質理化性質測定 將水與基質按體積比5∶1浸提，然后離心30 min取上清液，測定其pH值和電導率（EC值）。pH值用pH計測定，電導率用電導率儀測定。全氮、全磷含量采用H2O2-H2SO4消煮流動注射儀測定，全鉀含量采用火焰光度計測定。

②植株生物性狀指標測定 于2015年5月10日播種，5月17日出苗，出苗10 d后定期測定株高、莖粗和葉綠素含量。株高采用直尺測量；莖粗采用游標卡尺測量；葉綠素含量 （SPAD值）采用SPAD-502葉綠素儀測定，統一選擇從上往下第4片展開葉測定，每片葉測定5次并取其平均值。

③植株光合指標測定 在番茄播種后第50天用便攜式光合儀測定最大葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間 CO2濃度（Ci）與蒸騰速率（E）。測定時使用開放式氣路，內置光源光強為1 000 μmol·s-1·m-2。每片葉片測定5次并取其平均值。

④植株養分吸收指標測定 定植前（2015年7月3日）分2次取樣，分別用于測定根系活力與根、地上部干物質質量，并計算壯苗指數和根冠比，其中壯苗指數=（莖粗/株高+根干質量/地上部干質量）×全株干質量，根冠比=根干質量/地上部干質量。根系活力采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測定；將植株在105℃殺青30 min后，70℃烘干稱重，測定其生物量；植株全氮、全磷、全鉀含量測定方法同1.3①。

1.4 數據與處理

采用SAS 8.2統計分析軟件進行ANOVA方差分析及鄧肯氏差異顯著性檢驗，并用 Microsoft Excel 2007軟件作圖。

圖1 不同處理番茄幼苗株高

圖2 定植前不同處理番茄幼苗莖粗

2 結果與分析

2.1 生物炭基質對番茄幼苗長勢的影響

①對番茄幼苗株高的影響 生物炭明顯提高了番茄株高（圖1）。播種后第21天時，各處理長勢基本一致，蛭石處理株高略低。隨著番茄幼苗生長，生物炭單施漸顯優勢，播種后第51天時，生物炭單施處理幼苗株高最高，較草炭、堆肥、蛭石分別高17.39%、37.30%、40.88%；在養分管理基本一致的情況下，生物炭+堆肥配施以及生物炭+草炭配施均比堆肥、草炭單施番茄植株高，這說明生物炭的加入能改善番茄的株高，更好地調節番茄植株的生長。

②對番茄幼苗莖粗的影響 生物炭對番茄莖粗也有一定的促進作用（圖2）。生物炭單施處理的莖粗最高，與草炭、堆肥單施處理相比差異不明顯，比蛭石處理高8.47%。生物炭與其他基質配施的莖粗基本一致，差異不明顯，這表明生物炭單施對番茄莖粗有一定的促進作用，但與其他基質配施相比則促進作用不明顯。

表2 番茄幼苗干物質積累、根冠比和壯苗指數

③對番茄幼苗壯苗指數、干物質積累和根冠比的影響 施用生物炭能夠提高番茄幼苗的壯苗指數（表2）。生物炭單施處理番茄壯苗指數較蛭石單施處理高194.34%，且差異顯著，而與草炭單施及堆肥單施處理則差異不顯著。

施用生物炭能夠促進番茄干物質總量的積累。生物炭單施處理較蛭石單施高62.94%，且差異達顯著水平，但與草炭單施、蛭石單施相比均無顯著差異。生物炭+草炭、生物炭+堆肥的干物質總量比生物炭、堆肥單施低。番茄地上部干物質總量以及根干物質總量的趨勢與番茄全株干物質總量基本相同，這表明生物炭對番茄植株地上部分與地下部分具有相同的影響。

生物炭的施用能夠提高番茄植株的根冠比。生物炭單施處理番茄根冠比比蛭石單施處理高107.69%，且差異達顯著水平，但與其他處理相比差異均未達顯著水平。生物炭+堆肥配施和生物炭+草炭配施接近，兩者與其他處理相比差異均不顯著。這表明生物炭的施用能夠使番茄根系發達，有利于為植株生長供應充足的水分與養分。

表3 不同處理番茄幼苗葉片SPAD值

表4 不同處理番茄幼苗的光合指數

圖3 定植前不同處理番茄根系活力

2.2 生物炭基質對番茄葉片光合特性的影響

①對番茄葉片葉綠素含量的影響 葉綠素含量是反映植物葉片光合能力及植株健康狀態的主要指標[19]。研究結果表明，生物炭對番茄幼苗葉片葉綠素含量有一定的影響 （表3），播種后第21天時，生物炭+堆肥配施處理葉片 SPAD值最低（41.97），其次為生物炭單施處理（42.77），葉綠素含量最高的是生物炭+草炭配施處理（55.00）。隨著生長時間的延長，各處理幼苗葉片趨于成熟，到51 d時各處理間均無顯著差異。在番茄整個幼苗生長期，葉片SPAD值均以生物炭+草炭配施處理最高，這表明生物炭與草炭配施更能促進番茄幼苗的生長，更利于番茄葉片早期光合作用和干物質積累。

②對番茄葉片光合指標的影響 光合作用是植物生長和物質積累的基礎，對植物生長發育具有重要意義[19]。葉片光合速率以生物炭單施處理最高，其次為生物炭與堆肥配施處理，生物炭與草炭配施處理最低（表4）。不同處理間葉片氣孔導度均無顯著差異。生物炭與堆肥配施處理葉片胞間CO2濃度最低，說明生物炭與堆肥配施能夠將胞間CO2更多地用于光合作用。生物炭和生物炭與堆肥配施處理蒸騰速率較高，較蛭石以外的其他處理增加22.34%～96.85%，表明生物炭能夠更好地促進番茄苗期葉片生長，提高其蒸騰速率。

2.3 生物炭基質對番茄根系活力的影響

生物炭單施處理的根系活力比草炭和蛭石處理分別高113.82%和72.64%，但卻比堆肥處理低18.75%，與三者的差異均達顯著水平（圖3）。各處理中以生物炭與堆肥配施的根系活力最高，分別比草炭、蛭石和生物炭高172.50%、120.02%和27.44%，差異明顯；生物炭與草炭配施的根系活力較低，分別比堆肥和生物炭低56.70%和46.95%，且差異明顯。這表明生物炭與堆肥配施可以提高番茄根系活力，促進番茄的根系生長，而生物炭+草炭配施對番茄根系活力具有抑制作用。

3 結論

生物炭作為基質單獨施用，可以明顯提高番茄幼苗株高和光合速率，分別比草炭、堆肥、蛭石處理高17.39%～40.88%和10.12%～20.74%；生物炭+堆肥配施能有效提高番茄葉蒸騰速率，分別比草炭、堆肥、蛭石處理高22.34%、36.16%和2.34%；生物炭+草炭配施明顯改善了番茄葉片SPAD值，在整個番茄幼苗期均保持最高水平。因此，生物炭無論單施還是與其他基質配施都有與其他基質相似甚至更好的維持番茄幼苗生長的效果。

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10.3865/j.issn.1001-3547.2016.22.009

山東省發展計劃項目（2013GNC11309）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2014BAD16B02）

朱優矯，土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東農業大學資源與環境學院，271018，

電話：15552830729，E-mail：zyj00111@163.com

田曉飛，土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東農業大學資源與環境學院

李文慶，通信作者，土肥資源高效利用國家工程實驗室，山

資源與環境學院，E-mail：wqli@sdau.edu.cn

2016-04-26