生物炭添加提高漬水條件下番茄產量改善品質

邵光成，吳世清，房 凱，黃豆豆，姚懷柱

（1.河海大學農業工程學院，南京210098；2.宿遷市水務局，宿遷223800；3.奉化區錦屏街道辦事處，奉化315500；4.江蘇省農村水利科技發展中心，南京210029)

0 引言

番茄果實營養豐富、美味可口，是中國廣泛種植的作物[1]。中國南方地區因氣候濕熱多雨，地上水網密集，地下水埋深普遍偏高，加之排水系統不健全或運行管理制度不恰當，往往造成作物生育期內遭受漬水脅迫，使產量降低、品質下降[2-3]。番茄屬半耐旱不耐漬作物，漬水脅迫對產量和品質影響顯著[4]。Moriyama 等[5]進行巴氏滅菌土壤盆栽試驗后發現，漬水情況下好氧微生物進一步消耗氧氣，是番茄幼苗生長受限的主要因素。Shao 等[6]通過番茄避雨栽培試驗得出，番茄花后漬水脅迫會造成葉片光合速率、蒸騰速率降低，氣孔導度減小，果實產量下降。袁敏等[7]發現，番茄花后漬水會使果實外觀品質下降，營養物質含量減少。Jackson 等[8]的研究顯示番茄植株的根莖在土壤氧氣含量較低時會產生乙烯，不利于根系通氣組織呼吸，影響作物生長[9]。

避雨栽培是南方地區番茄生產的主要栽培形式，連作障礙不僅造成了番茄產量和品質的下降，還影響果實的安全性。近年來，國內外一些研究發現，生物炭添加一方面可以通過吸附根系分泌物中的化感物質來緩解分泌物的毒害作用，另一方面可提高土壤孔隙度，維持團聚體穩定，延長水分在土壤中的滲濾路徑和時間，從而起到提高田間持水量，降低作物漬害的作用[10]。已有大量研究證明耕作土壤添加生物炭可有效提升速效鉀、有效磷含量[11-12]，減少氮元素的淋失，提高氮元素的利用率[13-14]，從而實現作物產量大幅提升[15-16]。劉園等[17]認為土壤物理性狀的改善可能是作物增產的重要原因。生物炭使土壤環境發生變化，影響作物光合產物的形成、分配以及作物需水量等決定作物生長發育的基本條件，從而可能影響作物的產量、品質和水分利用效率。現有研究和實踐多集中在常規無逆境水分脅迫狀況下生物炭如何改良土壤、增產減排和改善土壤環境等內容[18]，而對于南方避雨環境漬水脅迫情況下生物炭添加對番茄產量及品質的作用效應研究較少。本研究借助土柱試驗，探討避雨環境漬水脅迫下添加生物炭對番茄品質、產量和水分利用效率的影響，篩選出生物炭適宜的添加量，旨在為南方避雨栽培番茄抗漬調優提供科學依據。

1 材料與方法

1.1試驗場地與材料

本試驗于2017 年3—8 月在河海大學節水園區的試驗場地內進行（31°57'N，118°50'E）。試驗采取土柱試驗，試驗裝置如圖1 所示，試驗供試土壤為黏壤土，平均容重為1.44 g/cm3田間持水量為31.5%（體積含水率），pH值為7.2，速效氮27.65 mg/kg，速效磷12.5 mg/kg，砂粒（＞0.02～2 mm）、粉粒（＞0.002～0.02 mm）、黏粒（0～0.002 mm）體積分數分別為29.4%、41.7%、28.9%。所用生物炭為秸稈生物炭，制備條件為溫度550～600 ℃，碳化時間4～6 h，容重0.19 g/cm3，比表面積9 m2/g，總孔隙度67.0%，通氣孔隙度12.9%，持水孔隙度61.1%，pH值為10.2，固定碳650 g/kg，速效磷10.2 g/kg，速效鉀55.7 g/kg。表層30 cm含生物炭土壤采取人工拌合的方式模擬旋耕機拌合過程。馬氏瓶通過軟管給土柱供水以控制不同地下水條件。試驗選取番茄品種為“金粉低架王”，于4月6日選取長勢良好且一致的幼苗移栽至土柱中。

圖1 試驗土柱結構圖Fig.1 Test soil column structure diagram

1.2 試驗設計與方法

試驗共設5 個處理，包括無生物炭、地下水位-80 cm的常規處理，無生物炭的漬水處理和3 種生物炭添加處理。為簡化試驗處理，借鑒王璞[19]的研究成果在生物炭質量分數為0～10%之間存在對土壤水力參數影響的綜合最優值，參照其試驗梯度設計，確定生物炭添加量（質量分數）梯度為3%（134 t/hm2）、5%（227 t/hm2）和10%（480 t/hm2），其中生物炭含量為生物炭質量占總質量的百分比。每個處理設3次重復，具體試驗方案設計如表1所示。根據傳統的生育期劃分方法，將番茄整個生育期劃分為苗期（4 月6 日—5 月10 日），開花坐果期（5 月10日—6月8日）和成熟采摘期（6月8日—7月19日）。

表1 避雨栽培番茄土柱試驗方案設計Table 1 Design of experiment of tomato under rain-shelter cultivation

1.3 測定項目及計算方法

本試驗采用避雨栽培，土壤水量平衡計算中不考慮降雨量，故作物需水量可用馬氏瓶水位變化與灌水量之和進行折算，用式（1）計算作物水分利用效率。

式中WUE 為作物水分利用效率（kg/m3）；Ya為作物經濟產量（kg/hm3）；ETa為作物實際需水量（mm）。

在番茄采摘期分3 個階段對每株番茄進行果實取樣，每次取樣均從植株上、中、下3個部位隨機摘取3個果實。用電子臺秤稱取單果質量，排水法測定單果體積，公式計算得果實密度。選取形態適宜、無病蟲害的成熟果實，用游標卡尺測定果實的最大縱徑和最大橫徑，以此計算果形指數。采用SP60 色差儀（X-RITE, Incorporated.M I, USA）在果身四周隨機選取3 個點測定顏色空間坐標L*、a*、b*，取3 點平均值，用式（2）計算番茄果色指數（tomato color index，TCI）。

果實硬度用GY-3果實硬度計（艾普計量儀器有限公司，精度±0.1）測定；采用ATC手持折光儀（北京萬成北增精密儀器有限公司，型號WZ-108）測量番茄心室汁液的可溶性固形物百分含量[20]；用蒽酮比色法測定可溶性糖；用NaOH滴定法[20]測定可滴定酸含量；通過2,6-二氯靛酚滴定法[20]測定維生素C。采用式（3）計算糖酸比。

待果實成熟后，每次均從各番茄植株的上、中、下部隨機選取1 個果實，測定果實單果質量、單果體積及果實密度等指標，并累積稱取各植株的單果質量，由此計算每個處理的果實產量。

1.4 生物炭對番茄影響的綜合性評價

為更好地量化不同處理下番茄的綜合表現，采用主客觀結合的綜合評價方法[21]以番茄品質、產量和水分利用效率為指標對番茄進行評價。歸一化處理采用正相關型指標公式，采用主成分分析法對番茄內、外部品質指標進行化簡，利用層次分析法確定主觀權重，熵權法確定客觀權重，最終評價結果按越大越優進行排名。

1.5 數據處理

用Excle2016 處理試驗數據，并用Origin9.0 作圖，對各處理結果運用SPSS22.0 進行方差分析、顯著性分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭施加對產量和水分利用效率的影響

由表2 可以發現，相對于T1 處理，T2 漬水處理的需水量顯著減少26.3%，這是由于地下水埋深越淺，地下水面以上土壤含水率愈高，土壤含水率過高會使番茄根系處于缺氧狀態，呼吸作用減弱進而影響到根系吸水，造成需水量的減少。在漬水環境下添加較高含量生物炭有提高產量的效果，而需水量變化情況與生物炭施加量呈負相關關系，且3種生物炭施加量處理均對番茄需水量產生影響，其中T5 處理較T2產量顯著增加56.7%；水分利用效率提高120.2%；較T1水分利用效率提高109.7%。這可能是由于生物炭的加入改善了土壤的團粒結構，提高了孔隙度[22]，緩解了對根系的漬害脅迫。同時，添加生物炭后土壤保水能力增強，棵間蒸發減弱，需水量總體減少。水分利用效率的變化與產量呈現大致相同的趨勢，生物炭施加量越多水分利用效率越高，這與李昌見等[23]的研究結果相符。

表2 不同生物炭處理下番茄產量及水分利用效率Table 2 Tomato yield and water use efficiency under different biochar treatments

2.2 生物炭施加對番茄品質的影響

2.2.1 對外觀品質的影響

本研究選取可反映果實的果形、表面特征、大小和果色指數作為番茄外觀品質評價指標（表3）。與常規處理（T1）相比，T2漬水處理除果形指數外，單果質量、單果體積和果色指數未呈現顯著差異。添加生物炭后，單果質量、單果體積和果色指數的提高效果也不顯著，說明漬水脅迫下添加生物炭對番茄外觀品質影響效果不明顯。

表3 不同生物炭處理及漬水脅迫的避雨栽培番茄果實外觀品質參數Table 3 Appearance quality parameters of tomato fruits under different treatments and waterlogging stress

2.2.2 對營養品質的影響

不同生物炭添加量對番茄果實營養品質的影響如表4所示。T2相對于常規無漬水處理，其可溶性糖、可溶性固形物和有機酸含量分別顯著降低了24.1%、18.1%、30%（P＜0.05），而對維生素C及糖酸比影響并不顯著（P＞0.05）。漬水環境添加生物炭后，部分營養品質指標含量隨施加量的增加而升高，這與曹雪娜等[24]的結論相一致；其中10%生物炭添加量的T5處理除糖酸比外，其可溶性糖、可溶性固形物、有機酸、維生素C含量均與無生物炭添加的T2處理存在顯著差異，分別提高了28.5%、13.1%、45.7%和14.0%（P＜0.05）。

表4 不同生物炭處理及漬水脅迫的避雨栽培番茄果實營養品質參數Table 4 Nutrition quality parameters of tomato fruits under different biochar treatments and waterlogging stress

2.2.3 對儲運品質的影響

番茄果實的硬度決定了其運輸和儲存過程中的耐儲性[25]。圖2 為番茄成熟采摘期后分5 次采摘的不同處理條件下果實的硬度情況。總體上，果實硬度隨時間推移呈現先增大后減小的規律，第1 次采摘時硬度最小，第3 次采摘硬度最高，最后果實硬度略有下降，這可能是由于番茄成熟初期，植株整體處于營養生長最大值時期，葉面積指數大，遮蔽了大量陽光同時繁茂的枝葉不利于空氣流通，生殖生長受到抑制，果實硬度較小；隨著番茄的生殖生長逐漸占據主導地位，果實硬度隨之變大，到后期葉片逐漸枯萎，生殖生長也慢慢停止，果實硬度又有所下降。相比于T1 處理，漬水脅迫下，番茄果實硬度顯著下降，施加生物炭后，番茄硬度隨生物炭添加量的增多而增大。

2.2.4 番茄內部品質及外部品質主成分分析

圖2 不同生物炭施加緩解漬水脅迫對果實硬度的影響Fig. 2 Effects of biochar application on fruit hardness to alleviate waterlogging stress

為綜合評價番茄品質，本研究取單果質量、單果體積、果形指數、果色指數、果實硬度、可溶性糖、可溶性固形物、有機酸、維生素C和糖酸比10個評價指標進行主成分分析。將10項指標分成內部品質指標（可溶性糖、可溶性固形物、有機酸、維生素C、糖酸比）和外部品質指標（單果質量、單果體積、果形指數、果色指數、果實硬度）。對內部品質和外部品質分別進行主成分分析，評價得分越高，品質越好。主成分分析所得結果如表5和表6所示。2項分析結果中顯示，前3 個主成分的累積貢獻率分別約為95.0%、90.9%，滿足大于85%的條件，說明可用前3 個主成分體現所有指標的主要信息，表達公式見式（4）～式（9）。由表6可知，內部品質T5處理得分最高，T1處理得分第2；外部品質T1處理最高，T5處理得分第2，主成分得分隨生物炭施加量的增多而升高。

內部品質主成分的表達式為

式中X1～X5分別代表可溶性糖、可溶性固形物、有機酸、維生素C、糖酸比的標準化數據。

表5 內、外部品質主成分的特征值、貢獻率和累積貢獻率Table 5 Eigenvalue,contribution rate and cumulative contribution rate of internal and external quality principal components

表6 不同處理的番茄內、外部品質評價結果Table 6 Evaluation results of internal and external quality of tomato under different treatments

外部品質的主成分表達式為

式中X21～X25分別代表單果質量、單果體積、果形指數、果色指數、果實硬度的標準化數據。

2.3 番茄品質、產量、水分利用效率綜合評價

本研究從優質、節水和高產3 個方面出發，選取內部品質綜合主成分、外部品質綜合主成分、產量、水分利用效率4 項作為評價指標，利用綜合評價模型進行評價。最終綜合評價發現，10%生物炭添加處理（T5）最優，無生物炭添加的漬水脅迫處理（T2）最劣，評價過程及結果見式（10）～式（11）及表7～表9。

參考方燕等[26]的層次分析法研究方法進行主觀權重計算。利用標準化數據，通過專家打分，對內部品質綜合主成分（B1）、外部品質綜合主成分（B2）、產量（B3）、水分利用效率（B4）4個指標進行兩兩比較，可構造判斷矩陣A為

表7 番茄綜合評價原始數據Table 7 Original data of tomato comprehensive evaluation

表8 番茄綜合評價權重Table 8 Weight of tomato comprehensive evaluation

表9 各處理綜合評價結果及排序Table 9 Comprehensive evaluation results and ranking of each treatment

式中aij為指標Bi比Bj重要程度的隸屬度，aij越大，Bi比Bj越重要。

最終計算主觀權重為w'=（0.55,0.27,0.12,0.06），一致性比例CR=0.0557 ＜0.1，滿足一致性要求。

參照羅軍剛等[21]的熵權法進行客觀權重的計算確定客觀權重為w'=(0.29,0.29,0.24,0.19)

為使評價指標權重更科學，評價結果更可靠，既要考慮主觀權重的經驗性隨機性，也要考慮客觀權重的真實性格式化，采用下式進行綜合權重計算：

3 討論

漬水脅迫是造成南方地區作物減產的一個重要原因，已有研究表明漬水脅迫時作物因土壤氧氣不足，呼吸受到抑制，產生并累計乙醇、丙酮酸等有毒物質，影響到植株正常生長。此外，土壤礦質養分轉化利用及酶的活性受到影響，植株對土壤養分吸收利用效率低，正常生理過程受到阻礙[2]。本試驗研究發現，番茄在地下水埋深-40 cm 時受到漬水脅迫會造成品質下降，而在耕層土壤添加生物炭后，產量增加，可溶性糖、可溶性固形物、有機酸和維生素C等評價果實優劣的指標獲得提升。這與程琳等[27]在研究漬害脅迫對西瓜產量及品質影響中得到結果相同。

研究結果表明在土壤中適量施加生物炭可使番茄增產[23]，但大多停留于研究非漬水脅迫條件下生物炭的增產效果。本試驗表明，生物炭在番茄受漬條件下可提高產量及水分利用效率，相對于單純漬水脅迫處理可增產56.7%，水分利用效率提高120.2%；與未受漬水影響的T1 處理相比最高可提高水分利用109.7%。其可能原因為：1）生物炭多孔結構增大土壤孔隙度[28]，增加土壤氧氣含量，有助于植物根系及土壤微生物的呼吸作用，減少有毒物質的產生；2）生物炭的高表面積使得表層土壤保水性提高[29]，減少深層滲漏，削弱棵間蒸騰，提高了水分利用效率，從而促進作物生長發育，有利于作物增產；3）土壤碳素含量因添加生物炭獲得提升，微生物對土壤碳氮比進行調節的同時也提高了無機狀態氮含量[30]，有助于提高番茄產量[31]。

生物炭可起到提升果實品質的作用[24]。根據趙守才等[32]的研究，適量施加鉀肥對提高番茄產量，增加單果質量作用顯著；鉀肥與磷肥配施可提高番茄可溶性糖含量，降低總酸含量，提高維生素C 含量[33]。施用高鉀復合肥的番茄果實可溶性固形物及果實硬度均較高[34]。本試驗所用生物炭速效磷、速效鉀量分別為質量分數分別為10.2 和55.65 g/kg，在作為含鉀、磷豐富的外源有機質的同時，其對銨根離子及磷酸根離子的強吸附能力也提高了土壤肥力，使番茄營養品質獲得提升。本研究表明，相比T2處理，所有生物炭處理均使果形指數及有機酸含量顯著提高，提升率在17.1%～45.7%不等，T4、T5 處理對可溶性固形物影響顯著，提升程度約8.6%～13.1%，T5 處理的可溶性糖、維生素C及果實硬度等品質指標，均存在一定幅度的提升，符合前人的研究規律。同時，生物炭減少水分、養分淋失[35]，加之疏松多孔的特性使土壤微生物活性顯著提高[29]，酶促反應增強[36]，輔助改善土壤環境，水分及養分利用效率均獲得提升，有助于實現番茄的優質高產。

試驗設計生物炭梯度對應大田施用量為134、227、480 t/hm2，遠高于已有研究的最優添加量[37-38]，但試驗結果顯示產量品質等指標隨添加量增多而升高，未出現峰值。產生差異的原因可能是處理方式及添加深度或土壤條件的不同，已有研究的處理未涉及黏壤土地下水位過高的情況。試驗結果顯示在漬水脅迫條件下10%添加量尚未發揮生物炭的最大效用，如需探求最優添加量或進行推廣尚需進一步研究。

4 結論

1）在本試驗條件下漬水脅迫降低了番茄作物需水量，但對產量及水分利用效率影響不顯著，而漬水環境生物炭添加有助于提高番茄產量和水分利用效率，且在地下水位-40 cm，添加量0～10%范圍內施加量越多，作用效果越明顯。

2） 漬水脅迫造成了番茄果實營養品質的下降，而漬水脅迫情況下添加生物炭可以改善果實品質，雖然生物炭添加對外觀品質影響不顯著，但對營養品質指標中的可溶性糖、可溶性固形物、有機酸和維生素C存在顯著影響。

3）主成分分析發現，無漬水脅迫處理的外部指標主成分最高，而漬水脅迫下10%生物炭添加處理的內部指標主成分最大。通過對番茄的內部品質、外部品質、產量和水分利用效率4 項指標進行綜合評價發現，10%生物炭添加處理最優，無生物炭添加的漬水脅迫處理最劣，即在地下水埋深-40 cm 情況下，施加10%的生物炭可實現番茄的抗漬調優高效生產。