生物炭對虧缺灌溉下溫室重壤土栽培番茄產量及品質的影響

杜兵杰,曹紅霞，潘小燕，張澤宇

(西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室， 陜西 楊凌 712100)

水分是作物生長發育必不可少的因素，缺水會影響番茄產量形成及物質積累[1-2]。但長期以來，溫室蔬菜栽培經常按照傳統的高水高肥經驗管理模式，雖然保證了產量，但使水分利用效率大大降低[3-4]，肥料的過量施用導致土壤富營養化、鹽堿化等問題[5]，還會加劇溫室氣體的排放[6-8]，從而限制設施農業的健康發展。

生物炭是由生物有機材料在缺氧或低氧條件下熱裂解的固體產物[9]，具有豐富的孔隙結構、巨大的比表面積且含有大量營養元素(C、N、P、K、Ca等)[10-12]。有研究表明，生物炭可以通過改變土壤結構來提高土壤持水能力[13-14]，促進作物生長，進而提高作物產量。勾芒芒等[15]研究發現砂壤土添加生物炭能提高土壤毛管持水量，進而促進番茄根系的發育和產量的提高；俞映倞等[16]發現在酸性土壤中添加生物炭能緩解土壤酸化趨勢，有效促進氮素的吸收轉化，從而有利于維持小白菜高產并改善小白菜品質；張愛平等[17]的研究結果表明，生物炭和氮肥配施可以顯著增加水稻籽粒產量，并隨生物炭用量(4 500～9 000 kg·hm-2)增加而增高。在澳大利亞半干旱土壤上作物也對生物炭和肥料相結合的盆栽試驗顯示出了積極的響應[18]。

目前對于生物炭的研究多集中在土壤肥力貧瘠或持水性差的土壤上，生物炭與肥料配施方向的研究也屢見不鮮，而生物炭與虧缺灌溉耦合對土壤肥力較好的重壤土下番茄產量及品質的影響鮮有研究。因此，探究不同生物炭添加量對虧缺灌溉下番茄產量及品質的影響，通過綜合評價方法確定在重壤土中添加生物炭的效果和可行性，可為生物炭在溫室重壤土番茄栽培應用提供理論方案與技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2019年4—8月在陜西楊凌西北農林科技大學旱區節水灌溉重點試驗站(34°20′N，108°24′E)內的溫室里進行，當地海拔高度為521 m。試驗期間試驗站的平均氣溫為21.25℃，年降雨量為653 mm，日照時數為812.5 h，平均風速為1.6 m·s-1。

試驗采用規格一致的塑料桶(口徑30 cm，底部直徑25 cm，高30 cm)，每桶裝14 kg干土，桶內放兩根PVC管，均勻打6個孔(d=2 cm)，用紗網纏住，用于灌水。桶底放有塑料托盤，防止水分損失。土壤表面鋪一層珍珠巖，避免土壤板結。以番茄品種巴寶麗為試材，供試土壤取自西北農林科技大學周邊0～20 cm耕作層，土壤質地為重壤土，容重為1.34 g·cm-3，田間持水量為23.9%(質量含水率)，pH值為7.83。試驗所用生物炭為蘋果木炭，購于陜西億鑫生物能源科技開發有限公司，制備溫度為450℃～480℃，炭化時間為8 h，pH值為9.28，容重為0.44 g·cm-3，總碳含量為724.11 g·kg-1，總氮含量為11.56 g·kg-1。

1.2 試驗設計

設置3個灌水梯度(充分灌溉W1：75%～85%θf；中度水分虧缺W2：55%～65%θf；重度水分虧缺W3：40%～50%θf)和3個生物炭添加水平(C0：不添加；C1：3%；C2：6%)(以占干土重百分比計)，共9個處理。即C0W1、C1W1、C2W1、C0W2、C1W2、C2W2、C0W3、C1W3、C2W3。每個處理重復15次，共計135桶。

土壤風干后過2 mm篩，與生物炭充分混合后沉淀1周。肥料施用量按照N、P、K折純量，分別為0.240、0.132、0.210 g·kg-1(按占干土重計)。磷肥一次性基施，氮肥和鉀肥按照基追比為1∶2的比例隨灌水施入，追肥分別在第一穗果和第二穗果的果實膨大期進行。番茄于4月10日定植，定植后立即灌水至田間持水量，緩苗10 d左右。之后每天8∶00、18∶00采用稱重法進行灌水。按照傳統劃分方法，將番茄生育期劃分為苗期(4月20日—5月3日)、開花坐果期(5月3日—6月25日)、成熟采摘期(6月25日—8月12日)，番茄四穗果后打頂，2019年8月12日拉秧。

1.3 測定指標

品質：在果實成熟盛期，分別對一、二、三穗果進行品質測定，取3次測定的平均值。選擇成熟度、大小一致，色澤相似，表面光滑的5個番茄，采摘后立即用水清洗，吸水紙吸水后測定番茄的外觀品質(硬度、果形指數、果色指數)和營養品質(VC、番茄紅素、可溶性固形物、可溶性糖、有機酸)，重復5次取平均值。

外觀品質：硬度用FHR-5型果實硬度計測量；游標卡尺測量番茄橫徑和縱徑，通過公式(1)計算果型指數。

(1)

用SP60色差儀在番茄周身平均選6個點測定顏色空間坐標L*、a*、b*，測定3組取平均值，用(2)式計算果色指數。

(2)

營養品質：可溶性固形物用IR200S手持式糖度計測定；番茄紅素用EV300PC型紫外-可見分光光度計法測定；VC用鉬藍比色法測定；可溶性糖用硫酸-蒽酮比色法測定；有機酸用0.1 mol·L-1NaOH滴定法測定。

產量：在果實成熟期，隨機選擇3株，每次采摘用精度為0.01 g的電子秤稱量并記錄，通過種植密度計算最終產量。

灌溉水利用效率：根據番茄產量和累積灌溉水量計算灌溉水利用效率。

(3)

1.4 生物炭對不同灌水水平下番茄產量和品質影響的綜合分析

為綜合評價生物炭對番茄產量和品質的影響，通過Excel將各番茄品質指標標準化，用主成分分析的方法選出能代表番茄品質信息的綜合主成分，基于品質綜合主成分、產量及灌溉水利用效率，采用秩和比法對各處理進行綜合排名，選出最優處理。

1.5 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2010進行整理，采用SPSS 21.0進行方差分析、主成分分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭添加量與灌溉水平對番茄產量及灌溉水利用效率的影響

由表1可知，虧缺灌溉降低了番茄的產量，與C0W1相比，C0W2、C0W3處理的產量分別降低了13.79%、53.95%， C0W3與C0W1相比差異達極顯著水平(P<0.01)。在充分灌溉下添加生物炭能提高番茄的產量和灌溉水利用效率，與C0W1處理相比，C1W1處理的番茄產量和灌溉水利用效率分別提高了22.05%(P<0.05)、28.62%(P<0.05)，C2W1處理產量及灌溉水利用效率分別提高了12.32%(P>0.05)、24.57%(P<0.05)；而在虧缺灌溉下低生物炭添加量處理顯著降低了番茄產量和灌溉水利用效率，高添加量顯著提高了灌溉水利用效率，而對產量無顯著影響。在各灌水處理下添加生物炭均顯著降低了灌水量，在各灌溉水平下與不添加生物炭相比，C1W1、C2W1、C1W2、C2W2、C1W3、C2W3的灌水量分別減少了8.5%、14.09%、18.81%、26.29%、15.13%、13.87%。

表1 不同生物炭添加量和灌溉水平對番茄產量、灌水量及灌溉水利用效率的影響

2.2 生物炭添加量與灌溉水平對番茄品質的影響

2.2.1 對番茄外觀品質的影響 以果實硬度、果型指數、果色指數作為番茄的外觀品質指標，不同生物炭添加量與灌溉水平對番茄外觀品質的影響如表2所示?？傮w來看，灌溉對果實硬度、果型指數影響顯著，生物炭及二者交互作用僅對果型指數影響顯著。在不添加生物炭的條件下，果實硬度、果色指數均隨水分虧缺程度的增加而減小，果型指數則相反。與C0W1處理相比，C0W3的果實硬度降低了17.99%(P<0.05)、果型指數提高了17.56%(P<0.05)，而對果色指數影響不顯著(P>0.05)。除了在重度水分虧缺下，其他各灌溉水平下添加生物炭對果實硬度、果型指數、果色指數均無顯著性影響。其中C1W3、C2W3處理的果型指數與C0W3相比分別提高了15.1%(P<0.05)、19.79%(P<0.05)，C2W3處理的果色指數較C0W3相比提高了11.51%(P<0.05)，而對果實硬度的影響不顯著(P>0.05)。

2.2.2 對番茄營養品質的影響 表3為生物炭添加量和灌溉水平對VC、番茄紅素、可溶性固形物、有機酸、糖酸比等營養品質的影響?？傮w來看，灌溉對番茄紅素、可溶性固形物、糖酸比影響顯著，生物炭對VC、番茄紅素、可溶性固形物影響顯著，二者交互作用對所有營養品質指標影響均顯著。由表3可知，在充分灌溉下添加生物炭對VC、番茄紅素、有機酸、糖酸比均無顯著影響，但可溶性固形物含量減少了6.38%～17.66%(P<0.05)，而在虧缺灌溉下添加生物炭顯著提高了VC含量(C1W2處理除外)和可溶性固形物含量，但對番茄紅素(C2W2處理除外)、有機酸和糖酸比無顯著影響。其中與C0W2處理相比，C2W2處理的VC含量增加了29.78%(P<0.05)，番茄紅素含量減少了30.62%(P<0.05)。

表2 生物炭添加量和灌水水平對番茄外觀品質的影響

2.3 番茄綜合品質的主成分分析

為評估分析添加生物炭對不同灌溉水平下番茄綜合品質的影響，選取外觀品質(硬度、果型指數、果色指數、單果重)、營養品質(VC、番茄紅素、可溶性固形物、有機酸、糖酸比)等指標進行主成分分析，最后得出綜合主成分進行排名。排名越靠前，番茄的綜合品質越好。

各成分的特征值和方差貢獻率如表4所示，前3個主成分的方差貢獻率分別為40.235%、32.187%、16.22%，累積貢獻率達88.642%，為獲取到主要信息并且減少指標數量，一般將累積方差貢獻率大于85%的成分作為主成分進行綜合評價，故可以用前3個主成分代表番茄的綜合品質。

前3個主成分與各評價參數的成分荷載矩陣見表5。由各自主成分荷載向量除以各自主成分特征值的算術平方根，得到各主成分的特征向量。主成分1、2、3的函數表達式見式(4)～(6)。

C1=0.46X1-0.158X2+0.325X3+0.361X4

-0.491X5+0.201X6+0.441X7-0.225X8

(4)

C2=-0.236X1+0.542X2+0.219X3+0.178X4

+0.112X5+0.554X6+0.232X7+0.445X8

(5)

C3=-0.097X1+0.24X2-0.523X3+0.538X4

+0.307X5-0.097X6+0.304X7-0.417X8

(6)

式中,X1～X8分別表示硬度、果型指數、果色指數、VC、番茄紅素、可溶性固形物、有機酸、糖酸比的標準化數據。

由式(4)～(6)可計算出各處理的主成分，以主成分的方差貢獻率為權重，用(7)式計算各處理的綜合主成分(Y)并排名，結果如表6所示。

Y=η1C1+η2C2+η3C3

(7)

式中,η1、η2、η3分別為40.235%、32.187%、16.22%。

不同處理的番茄品質綜合主成分及排名結果(表6)表明，C2W3處理的綜合主成分最高，C1W3處理次之，分別為0.89、0.793，相比C0W3處理增加了197.79%和186.89%。C2W2處理排名第三，較C0W2處理增加了298.32%，而C1W1、C2W1處理較C0W1有所降低。說明在虧缺灌溉下添加生物炭能改善番茄的綜合品質。

表3 生物炭添加量和灌溉水平對番茄營養品質的影響

表4 番茄品質主成分的特征值、方差貢獻率及累計貢獻率

表5 番茄品質主成分與番茄品質指標的成分荷載矩陣

表6 不同處理的番茄品質綜合主成分及排名

2.4 番茄品質綜合主成分代表性檢驗

為驗證番茄品質綜合主成分對各品質指標的代表性，采用非參數檢驗K-S方法進行正態檢驗，選擇95%的置信區間，結果顯示顯著性P<0.05，說明品質綜合主成分服從正態分布，具有良好的代表性，可用品質綜合主成分代表所有的品質指標。

2.5 番茄綜合品質、產量、灌溉水利用效率的綜合評價

虧缺灌溉能提高番茄的品質，但同時伴隨著產量的降低。以番茄品質綜合主成分、產量及灌溉水利用效率為評價指標，用秩和比法(RSR)進行綜合評價。

對品質綜合主成分、產量及灌溉水利用效率進行排秩(R)，僅以秩R進行計算，認為3個指標高優，按升序排秩，最小值排為1。將各指標的R值相加，得到ΣR，ΣR值最大者最優。按下式計算RSR值：

(8)

式中，m為指標個數，為3；n為參加排序的單位數，為9。

RSR值越接近于1，說明綜合評價結果越優。各處理的RSR值及排序結果如表7所示，結果表明，C1W1處理最優，其次為C2W1，C0W1與C2W2處理并列第三。由表中數據可以看出，添加生物炭能提高各灌水處理下番茄綜合排名(C1W2除外)。

表7 各處理3項指標的秩R及排序結果

3 討 論

有研究表明在土壤中添加生物炭能夠提高作物產量[19-22]。本研究發現，生物炭兩種添加量在充分灌溉下均能提高番茄產量，相對于無生物炭添加的C0W1處理分別可增產22.05%、12.32%，且分別節水8.42%、13.99%；而在虧缺灌溉下添加生物炭均降低了番茄產量，與無生物炭添加相比，C1W2、C1W3處理產量降低了24.78%、39.62%(P<0.05)。充分灌溉下添加生物炭顯著提高了灌溉水利用效率，而虧缺灌溉下低生物炭添加量下的灌溉水利用效率顯著低于其他處理，這是因為雖然添加生物炭的灌水量有所降低，但相應的產量也大幅下降，從而導致灌溉水利用效率并沒有提高。生物炭對產量及灌水量的影響機制可能有以下幾種：(1)由于生物炭本身的多孔結構，改變了土壤的孔隙分布，增加了土壤的微孔孔隙率，從而促進根系的生長，有利于提高產量。而在虧缺灌溉下，由于生物炭巨大的比表面積，對于水分的吸附作用更強，導致根系吸水速率小于植株蒸騰速率，從而抑制了干物質的積累；(2)生物炭含有豐富的營養物質，特別是碳含量極其豐富。添加到土壤后改變了C/N，從而影響了微生物的調節作用，進而影響產量；(3)生物炭自身帶入到土壤中豐富的養分(氮、磷、鉀、鈣、鎂等)提高了土壤溶液濃度，在虧缺灌溉下導致番茄根系難以吸收水分和養分；(4)在土壤水分一定時，添加生物炭提高了土壤水吸力，且隨著生物炭添加量增加，土壤水吸力同步增加[23]。說明添加生物炭增加了土壤的持水能力，減少了無效的土壤蒸發，因此灌水量隨著生物炭添加量的增加逐漸減小。

研究表明添加生物炭能提高果實品質[24-27]。本研究發現在虧缺灌溉條件下添加生物炭果實硬度、果型指數、果色指數均有一定幅度的提升，與C0W3處理相比，C1W3、C2W3處理的果型指數提高了15.10%～19.19%(P<0.05)，VC、可溶性固形物分別增加了40.40%、8.21%～18.73%，C2W3處理的果色指數提高了11.51%(P<0.05)。充分灌溉下添加生物炭顯著降低了可溶性固形物含量，對番茄外觀品質無顯著性影響，與Bonetti等[28]的研究結果一致。本研究中在充分灌溉條件下添加生物炭對番茄品質無顯著影響，可能是在生育后期由于植株蒸騰耗水量增多，導致植株的營養生長優先于生殖生長，而未向果實營養積累。

通過主成分分析及秩和比法綜合評價發現，在各灌水水平下添加生物炭均能優化番茄的綜合排名，其中C1W1處理最優，C2W1次之，C0W3處理最劣。出現這種情況的原因可能是因為虧缺灌溉雖然提高了番茄的綜合品質，但產量有所下降，灌溉水利用效率未顯著提升，而添加生物炭并沒有彌補水分虧缺對產量的影響。值得注意的是，秩和比法評價結果顯示，C2W2處理的綜合排名與C0W1處理并列第三，說明在中度水分虧缺下添加6%生物炭能達到充分灌溉的效果，這可為生物炭在水資源緊缺、無法實現充分灌溉的重壤土地區，確保番茄的優質穩產實施提供了理論依據。

4 結 論

1)虧缺灌溉顯著降低了番茄產量、累積灌水量，使果實硬度、果色指數、VC、可溶性固形物、有機酸含量顯著降低，而果型指數、番茄紅素則呈現增加的趨勢，灌溉水利用效率在重度虧缺下顯著降低。

2)充分灌溉條件下添加生物炭可提高番茄產量和可溶性固形物含量，而在虧缺灌溉條件下添加生物炭不利于增產，但有利于外觀品質、VC、可溶性固形物的提升。

3)各灌水處理下添加生物炭均能提高番茄的綜合排名。充分灌溉下3%添加量的影響效果優于6%添加量，而虧缺灌溉下6%添加量的效果更好，但最佳添加量仍需進一步研究。