生物炭和氮肥施用量對番茄生長和水氮利用效率的影響

劉燕妮，呂昊峰，趙以銘，林 杉

(中國農業大學 資源與環境學院，北京 100193)

改革開放以來，隨著人民生活水平逐步提高以及農業產業結構不斷調整和升級，設施蔬菜產業迅猛發展。截至2016年，我國蔬菜種植面積達2 233萬hm2[1]，其中，設施蔬菜種植面積達370萬hm2，年產量2.5億t，占全國蔬菜總產量的34%[2]。設施蔬菜生產解決了反季節蔬菜供應不足的難題，在提高人民生活品質的同時也帶動了經濟的發展。然而，設施蔬菜生產中，氮肥過量施用現象較為普遍，進而導致了十分嚴重的生態環境問題。

氮素是植物生長所必需的大量營養元素，故氮肥合理施用是農業生產中的關鍵因素之一。由于設施蔬菜生長周期短，對水分和養分的需求量大、強度高，為了提高蔬菜產量，菜農往往盲目采用大水大肥的種植模式，每年氮肥投入量高達1 900～3 600 kg/hm2，是蔬菜作物吸收量的3～5倍[3-4]，導致肥料利用率降低[5-6]，土壤硝態氮大量積累及淋失[7]，危害土壤與水體健康。此外，北方下沉式大棚富含有機質的表土缺失，加之高溫高濕的環境條件，導致表層土壤有機質礦化快和積累慢，進而導致土壤緩沖容量小、土壤保水保肥能力差[8]。土壤有機質含量是土壤肥力和作物產量的重要決定因子之一，其含量高低與土壤穩定性、肥力狀況和健康程度密切相關[9]。一般認為，土壤有機質含量低于34 g/kg，土壤質量下降的潛在風險加大[10]。目前，我國設施蔬菜主產區0～20 cm土層土壤有機質平均含量為27 g/kg[11]，導致土壤保水保肥和緩沖能力下降，土壤健康狀況堪憂。

解決設施蔬菜生產中大水大肥問題的關鍵是如何快速提高菜田土壤有機質含量，增強土壤的緩沖容量和潛在供肥能力，以滿足設施蔬菜對水肥需求量大和強度高的特點。作物殘留物還田是增加土壤有機質含量的有效措施之一。然而，蔬菜殘茬直接還田，一方面可能造成土傳病害大量擴散；另一方面，設施大棚高溫高濕的環境條件，增加了土壤微生物活性，易導致有機質礦化快和積累慢等問題[12-13]。生物炭是在限氧或隔絕氧氣的環境條件下，通過高溫裂解和炭化產生的有機物質[14]，具有含碳量高、疏松多孔、表面積大、吸附性強和穩定性高等特點[15-16]，而且生產工藝相對簡單，原材料來源廣泛，價格低廉，使生物炭廣泛應用于農業生產成為可能[17]。生物炭在增加土壤碳儲量的同時也有助于改良土壤理化性狀和提高土壤肥力，從而達到作物增產的效果，因此受到廣泛關注。然而，如何更加合理地施用生物炭，仍是目前值得深入探究的問題。針對上述設施菜田過量施氮的現狀和生物炭的特性，本研究將探究施用生物炭能否緩解因過量施氮對番茄生長造成的負面影響，為科學施肥和蔬菜生產的可持續發展提供有效依據。

1 材料和方法

1.1 試驗設計與管理

供試土壤采自北京市大興區禮賢鎮河北頭村下沉式設施大棚，棚齡8年，已連續6年種植番茄。供試土壤基本理化性狀見表1。

表1 土壤理化性狀Tab. 1 The soil physical and chemical properties

于2017年5月16日，采集上述大棚0～30 cm表層土壤約500 kg，自然風干，過5 mm篩，充分混勻后，用于后續盆栽試驗。于2017年5月22日-7月21日，在中國農業大學日光溫室內進行盆栽試驗。本試驗為二因素三水平完全隨機區組設計。3個施氮量分別為100，200，400 mg/kg，3個施碳量分別為0，2.5，5.0 g/kg，共9個處理，每個處理重復6次，共54盆。另設置8個輔助盆缽，其中2個盆缽不施肥，不種植番茄，用于監測試驗期間日均土面蒸發量(每3 d稱1次質量)；剩余6個盆缽每盆施氮200 mg/kg，種植1株番茄，分別于定植后第30，45，60天采樣(每次采集2盆)，測定地上部鮮質量，用于校正灌溉量。

供試番茄品種為佳粉5號，苗齡40 d。每盆裝風干土6.5 kg，定植一株番茄幼苗。所用氮肥品種為尿素，其中40%作為基肥，其余60%在定植后25 d追施。生物炭含碳量為55%，來自遼寧金和福農業開發有限公司。此外，所有處理均基施P2O5100 mg/kg和K2O 400 mg/kg。除定植后澆定植水至田間最大持水量的90%外，試驗期間采用稱質量法控制土壤含水量在田間最大持水量的75%左右。定植后20 d內每5 d稱質量1次，20～40 d隔天稱質量1次，40～60 d每周稱1次，并根據未種植的空白盆缽土面日均蒸發量，計算并校正每次灌溉水量，記錄灌溉水量和土面日蒸發量，用于計算累積灌溉水量和土面日蒸發量。

1.2 樣品采集與測定

定植后60 d，將番茄植株自土壤表面剪斷，用剪刀將植株的莖、葉和果實分開，分別裝入已經標記好的信封中，稱量并記錄鮮質量。在105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒質量，稱量并記錄莖、葉和果實干質量。其中，氮肥利用效率(NUE，nitrogen use efficiency)和水分利用效率(WUE，water use efficiency)計算公式：

1.3 數據處理

運用SAS 9.2進行二因素方差分析，在0.05水平下，應用Duncan檢驗進行差異顯著性分析。使用Sigmaplot 12.5進行相關圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 施氮量與施碳量二因素方差分析

二因素方差分析結果表明，不同施氮量處理的番茄莖葉干質量、氮肥利用效率和累積灌溉量差異顯著(表2)；不同施碳處理，除莖干質量和氮肥利用效率外，其他參數均達顯著水平。此外，氮肥和生物炭對上述參數的影響，均不存在顯著交互作用(表2)。

表2 氮肥和生物炭施用量對番茄莖、葉、果干質量、水氮利用效率和累積灌溉量影響的二因素方差分析Tab.2 Two factor variance analysis of the effect of different nitrogen and biochar application rate on the dry weight of tomato leaf, stem and fruit,nitrogen and water use efficiency and accumulative irrigation amount

注：***.P≤0.001；**.P≤0.01；*.P≤0.05；ns.差異不顯著。

Note：***,**,*.Represents a significant difference at levels 0.001, 0.01, and 0.05, respectively; ns.Not significant.

2.2 氮肥施用量對番茄莖、葉、果干質量和水氮利用效率的影響

與中低施氮量相比，高施氮量(400 mg/kg)處理顯著降低番茄莖、葉干質量，平均降幅分別為13%(11%～16%)、10%(10%～11%)，說明過量施用氮肥抑制了番茄莖葉的生長。中低施氮量間，莖葉干質量差異不顯著(圖1-A-B)；果實干質量隨施氮量的增加呈現逐漸降低的趨勢，但處理間差異不顯著(圖1-C)。

不同字母表示在5%水平差異顯著(P<0.05)。圖2-4同。Values by a different letter are significantly different on 5% level (P<0.05). The same as Fig.2-4.

隨著施氮量的增加，氮肥利用效率顯著降低(圖2-A)。施氮量從低到高，氮肥利用效率分別為483，215，128 g/g，高氮處理氮肥利用效率比低氮處理降低了73.5%；另外，水分利用效率隨施氮量的增加呈現下降趨勢，但差異不顯著(圖2-B)。總之，過量施用氮肥不僅抑制了番茄生長，而且還導致資源利用效率降低。實際生產中，大量氮肥通過淋洗而損失，浪費資源的同時還對地下水造成污染。因此，適當減少氮肥施用量有利于蔬菜生產的可持續健康發展。

2.3 生物炭施用量對番茄莖、葉、果干質量和水氮利用效率的影響

施用生物炭對番茄莖干質量無顯著影響(圖3-A)。與不施用生物炭處理相比，施用生物炭顯著提高了番茄葉干質量和果干質量，平均增幅分別為10.4%和14.9%(圖3-B-C)，說明生物炭的施用減緩了因過量施氮所造成的抑制番茄植株生長的現象。

圖2 氮肥施用量對番茄氮肥和水分利用效率的影響Fig.2 Effect of application rates of nitrogen on the nitrogen and water use efficiency of tomato

圖3 生物炭施用量對番茄莖、葉、果干質量的影響Fig.3 Effect of application rates of biochar on the leaf, stem, and fruit dry weight of tomato

與不施用生物炭相比，添加生物炭提高了氮肥利用效率，其中，高施碳處理比不施碳處理提高了12%，達281 g/g；低施碳處理比不施碳處理提高了21%，達319 g/g(圖4-A)，說明施用生物炭顯著提高了番茄植株對氮肥的利用能力。高施碳量處理(5.0 g/kg)氮肥利用效率低于低施碳量處理(2.5 g/kg)，但差異不顯著(圖4-A)。與不施用生物炭相比，低施碳量處理水分利用效率顯著提高了42.3%，達21 g/L；高施碳量處理水分利用效率為18 g/L，比對照處理高25.3%(圖4-B)，生物炭的施用顯著促進了番茄植株對水分的吸收利用。施用生物炭的2個處理之間水分利用效率不存在顯著差異，但低施碳量處理比高施碳量處理增加了13.6%(圖4-B)。總之，生物炭的施用緩解了高氮對番茄生長的抑制作用，促進了番茄植株對氮和水分的吸收利用，從而提高了氮肥利用效率和水分利用效率。

圖4 生物炭施用量對番茄氮肥和水分利用效率的影響Fig.4 Effect of application rates of biochar on the nitrogen and water use efficiency of tomato

2.4 水分消耗量與莖、葉、果干質量相關性分析

氮肥和生物炭施用量對累積灌溉量的影響差異顯著。定植后60 d，低施氮量(100 mg/kg)、中施氮量(200 mg/kg)和高施氮量(400 mg/kg)處理的累積灌溉量分別為16.5，15.8，13.1 L(圖5-A)。定植后20 d內，由于番茄植株處于緩苗期和幼苗生長期，各處理間植株生長無顯著差異，所以各施氮處理間累積灌溉量差異不顯著。定植20 d之后，施氮處理對番茄植株的影響逐漸顯現，由于高氮處理抑制了植株生長，導致植株生長矮小，降低了植株生長對水分的需求量，所以高氮處理累積灌溉量逐漸低于中低氮處理。定植后60 d，高氮處理累積灌溉量顯著低于中低氮處理，其中，中氮和低氮處理累積灌溉量不存在顯著差異(圖5-A)。

定植60 d時，不施用生物炭、低施碳量(2.5 g/kg)和高施碳量(5.0 g/kg)處理的累積灌溉量分別為13.6，16.1，16.0 L(圖5-B)。與氮肥處理類似，定植后20 d內，生物炭不同施用量對累積灌溉量的影響不顯著；定植20 d之后，施用生物炭處理的累積灌溉量逐漸高于不施用生物炭處理，隨著植株生長，對水分的需求也不斷增大，所以處理間累積灌溉量差異逐漸加大(圖5-B)。此外，番茄莖葉果總干質量與累積灌溉量之間，呈極顯著正相關關系，決定系數達0.837 1。上述正相關關系表明，隨著莖葉果總干質量增加，累積灌溉水量逐漸加大(圖6)。

圖5 氮肥(A)和生物炭施用量(B)對累積灌溉量的影響Fig.5 Cumulative amount of irrigation affected by application rates of nitrogen(A) and biochar(B)

施氮量為100，200，400 mg/kg，施碳量為0，2.5，5.0 g/kg。Nitrogen application rates are 100，200，400 mg/kg, carbon application rates are 0,2.5,5.0 g/kg.

3 結論與討論

累積灌溉量反映了植物對水分的消耗，與光合產物的累積量呈顯著正相關關系。高施氮量處理的累積灌溉水量顯著低于低施氮量處理，間接反映了番茄生長可能遭受高氮的抑制作用[21]；施用適量的生物炭，則可以緩解高氮對番茄生長的抑制作用，從而促進番茄生長[13-14]。田間條件下，上述試驗結果的再現性如何，還有待進一步驗證。