有機營養液灌溉下發酵秸稈添加生物炭對番茄生長和品質影響

曹行行，楊官凱，祁瑞雪，武育芳，張雪艷

（寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021）

玉米秸稈是一種高有機質且極具營養價值的材料，富含纖維素、半纖維素和非淀粉大分子等營養物質，以及氮、磷、鉀等植物生長所必要的元素［1］。玉米秸稈可再生、低成本，與麥秸相比，它自身分解效率更高，后期致病菌更少，所得堆肥產品基本無害化［2］。玉米秸稈堆肥后作為栽培基質相對草炭栽培可提高蔬菜產量和品質［3-4］，同時秸稈堆肥也可以改善基質肥力，增加基質微生物數量［5］。生物炭具有較大的孔隙度、比表面積和大量的官能團，可調控土壤或基質物理性狀，通過增加保水能力、養分交換能力和改善土壤結構來促進土壤或基質健康。基質添加生物炭可顯著提高作物生產力［6］、品質和產量［7］，研究表明，與不施炭處理相比，基質添加生物炭能提高孔隙度2.83%～5.56%，降低容重1.89%～3.62%，增加全碳240.1%～457.3%、全氮50.0%～96.6%、有效磷19.6%～61.4%、速效鉀186.3%～383.2%［8-9］。因此基質是否添加生物炭將顯著改變基質栽培下的作物生長。

目前設施園藝水肥一體化中應用的營養液仍是以化學肥料為主的無機營養液。化肥大量施用造成了土壤鹽漬化、板結，作物品質、產量下降，并能引起重金屬元素（如砷、汞、鉛等）增加［10］，對農業可持續性構成了重大威脅。研究表明，有機營養液中不僅含有作物所需的大量元素及微量元素，同時也含有抗生素、類激素等次生代謝產物及一些有益微生物和腐植酸，可以有效地改善土壤狀況，提高土壤肥力，進而促進作物的生長發育［11］，有機營養液還可以提高產品品質，同時有較好的生物防治和環保作用［12］。有機營養液灌溉既減少了化肥的施用，又環保無污染。因此，減少化肥施用對保障農業可持續性發展具有重要意義［13］。

本試驗以玉米秸稈堆肥、玉米秸稈堆肥+生物炭作為栽培基質，并設計有機和無機營養液灌溉，系統分析其對番茄植株生長、果實產量與品質的影響，探究秸稈堆肥添加生物炭對番茄植株生長和果實品質的影響，并探究有機營養液灌溉是否可在保持番茄植株生長以及維持產量基礎上，改善果實品質，從而替代無機營養液，研究結果將為未來設施蔬菜高質量及可持續性發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019 年9 月3 日至2020 年3 月10 日，在寧夏吳忠市國家農業科技園區C7 號日光溫室進行，位于中國西北部（38°33′75″N，106°38′54″E）。以發酵后的玉米秸稈塊進行栽培，發酵秸稈是玉米秸稈塊自然發酵49 d 后的產物。玉米秸稈來源于農戶自耕地，秸稈完全風干后切割成1 ～3 cm 均勻大小，用飼草液壓打捆機（YD-40 型，陜西，中國）打壓形成長65 cm、寬45 cm、高35 cm 的基質塊，秸稈塊首尾相連放在長寬高10 m×0.6 m×0.5 m 的槽子中。秸稈原位發酵開始時采用噴灌帶噴灑尿素（按照每1000 g 秸稈塊施入8.76 g 尿素），最初各處理保持在田間持水量的60%，每10 d 噴灌一次，連續噴灌3 次，整個過程沒有翻堆，發酵最高溫度是55.15℃，高溫持續11 d，發酵49 d 后的種子發芽指數為90.98%。

試驗栽培基質包括發酵秸稈塊，發酵秸稈+生物炭（質量比4∶1）為栽培基質，秸稈和生物炭具體特性見表1，分別采用有機營養液和無機營養液灌溉。具體處理為發酵秸稈+無機營養液灌溉（SI）、發酵秸稈+有機營養液灌溉（SO）、發酵秸稈+生物炭+無機營養液灌溉（SBI）和發酵秸稈+生物炭+有機營養液灌溉（SBO）。無機營養液為易溶于水的固體肥料配制而成，有機營養液是以黃腐酸鉀和L-丙氨酸等有機物為主直接配制而成，有機和無機營養液的具體配方見表2。使用前按番茄不同生育階段所需氮、磷、鉀不同比例先配制成母液，加入儲肥灌，最后通過滴灌管道至番茄根部，磷礦粉通過基肥施用。試驗選擇“安特萊斯”番茄品種，采用雙行種植，行距70 cm，株距40 cm，小區面積6 m2，每個處理3 個重復，采用完全隨機區組排列，處理間設置1 個保護行，所有處理統一水分管理。

表1 原始材料理化性質

生物炭（沙粒）是玉米秸稈經炭化450℃高溫煅燒而得到，購買于泰安精農生物科技有限公司。無機肥料成分K2SO4、（NH4）2SO4、KH2P04和Ca（NO3）2·4H2O（純度≥99%）購買于上海永通化工有限公司。有機肥料成分L-丙氨酸（N：10%、P：5%）購買于陜西楓丹百麗生物科技有限 公 司， 黃 腐 酸 鉀（N：3.58%、P：0.2%、K：10.1%）購買于濟南意和旺化工科技有限公司，魚蛋白購買于舟山豐宇三立海洋生物肥料有限公司。

1.2 取樣和測定方法

定植4 周后，每個處理選6 株代表植株，做好標記，分別在前期（定植后28 d）、中期（定植后49 d）和拉秧期（定植后63 d）測定植株長勢。利用鋼制卷尺從番茄莖基部到黃瓜生長點進行株高的測定，利用游標卡尺在距地面1 m 處測定莖粗。拉秧期，每個處理選代表植株8 株，分開地上部和地下部測定鮮重，經過105℃殺青后，在75℃烘干測定地上和地下部干重。記錄全生育期不同處理番茄產量，并折合成公頃產量。

在盛果期，每個處理選代表植株5 株，于晴天09：00 ～11：00 用美國LI-6800 便攜式光合儀測定葉片光合特性；同樣的葉片暗適應20 min 以上，避開葉脈，用美國PAM-OS5p 便攜式葉綠素儀測定葉片熒光參數。

在盛果期，每個處理選代表性果實5 個，測定單果重，用烘干法測定果實含水量，用數顯式游標卡尺測定果實橫縱徑，并計算果型指數，用GY-4測定果實硬度，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量，采用酸堿中和滴定法測定有機酸含量，采用鉬藍比色法測定維生素C 含量，采用TD-45 數字折光儀測定可溶性固形物含量［14-15］。

表2 有機營養液和無機營養液配方

1.3 數據分析

采用Excel 2010 和SPSS 20.0 對試驗數據進行統計與分析。采用單因素Duncan 法在0.05 水平進行顯著性分析，使用Origin 2018 制作數據圖。

2 結果與分析

2.1 不同營養液灌溉對不同基質下番茄植株長勢和生物量累積的影響

由圖1 可知，在番茄生長前期，相對SI，其他處理增加株高，生長中期，SBI和SBO處理相對SI和SO處理顯著增加株高，且SI和SO處理間無顯著差異；生長后期各處理間無顯著差異。生長前期和中期，各處理間莖粗無顯著差異，生長后期，SI處理相對其他處理莖粗顯著增加，其他處理間無顯著差異。

從圖2 可知，相同的栽培基質條件下（純秸稈塊或秸稈塊+生物炭），有機和無機營養液對地上部干鮮重無顯著影響，但發酵秸稈塊添加生物炭條件下不同營養液灌溉相對純秸稈塊對植株地上部和地下部干鮮重有一定影響。SO與SI間地上部鮮重差異不顯著，SBO和SBI處理顯著高于SI處理；SBO和SBI處理地下部鮮重顯著高于SO和S1處理；SBO處理相比于SI處理地上部與地下部鮮重分別增加了39.97%和44.26%。干重與鮮重有相似的處理間差異，且地上和地下部干重有相似的顯著差異。SBO和SO處理間地上部干重差異顯著，且SBO處理顯著高于S0處理；SBO處理地下部干重最高，且顯著高于SO處理，SBO處理相比于SI處理地上部干重與地下部干重分別增加了20.52%和40.15%。

圖1 不同營養液灌溉對不同基質下植株長勢的影響

圖2 不同營養液灌溉對不同基質下番茄植株生物量的影響

圖3 不同營養液灌溉對不同基質下番茄葉片光合參數的影響

2.2 不同營養液灌溉對不同基質下番茄葉片光合和熒光參數的影響

從圖3 可以看出，相同栽培基質下，有機和無機營養液灌溉對植株氣孔導度、蒸騰速率和胞間二氧化碳濃度無顯著影響，但對凈光合速率有顯著影響，且秸稈塊添加生物炭相對純秸稈塊處理顯著增加凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率。SBI處理凈光合速率顯著高于SBO、SI和SO處理，相比于SI處理增加了78.01%，SBO處理氣孔導度和蒸騰速率最高，分別顯著高于SI和SO處理，相比于SI處理分別增加了112.87%和74.08%，SO處理胞間二氧化碳濃度最高，與SBO和SI處理無顯著差異，且顯著高于SBI。

由圖4 可知，不同發酵秸稈塊栽培基質和營養液灌溉對初始熒光、PSⅡ潛在活性、PSⅡ最大光化學效率無顯著影響；SBO、SBI和SI處理電子傳遞效率差異不顯著，但SBO處理電子傳遞效率高于SO處理。

2.3 不同營養液灌溉對不同基質下番茄果實性狀和品質的影響

從圖5 可以看出，在果實收獲前期，不同栽培塊基質和營養液灌溉對果實單果重和果型指數無顯著影響；相同栽培基質下，有機營養液相對無機營養液顯著降低果實硬度，相對發酵秸稈塊栽培，添加生物炭處理下無機營養液處理顯著增加果實硬度；發酵秸稈塊添加生物炭增加果實含水量，且SBO處理果實含水量最高，顯著高于SO處理。

圖4 不同營養液灌溉對不同基質下番茄葉片熒光參數的影響

圖5 不同營養液灌溉對不同基質下番茄果實特性影響

在果實收獲中期，各處理間果實單果重、果型指數和果實含水率無顯著差異；發酵秸稈塊栽培下，有機營養液相對無機營養液灌溉降低果實硬度，而有機或無機營養液灌溉對添加生物炭的發酵秸稈塊栽培番茄果實硬度無顯著影響。

在果實收獲后期，不同栽培塊基質和營養液灌溉對果實單果重無顯著影響；發酵秸稈塊添加生物炭相對發酵秸稈塊栽培增加果型指數，相同栽培基質條件下，有機營養液灌溉相對無機營養液灌溉增加果型指數，且SBO果型指數最高；相對發酵秸稈塊，其添加生物炭顯著降低果實硬度，且相同栽培基質下，不同營養液灌溉間無顯著差異；SBO果實含水量最高，顯著高于SO處理。

由表2 可知，相比純發酵秸稈塊栽培，添加生物炭有機或無機營養液灌溉下均在一定程度上降低了果實維生素C 含量，降低了果實可溶性糖含量；相同栽培基質條件下，有機營養液灌溉相對無機營養液灌溉顯著降低果實有機酸含量，增加果實糖酸比，且SBO處理的果實有機酸含量最低，顯著低于SI、SO、SBI處理，與對照SI處理相比降低了31.25%，可溶性固形物增加了4.3%。SO相比SI顯著增加果實糖酸比，SBO處理相比SBI顯著增加果實糖酸比。與對照SI處理相比，SBI處理的維生素C、有機酸和糖酸比并沒有顯著變化，但可溶性糖和可溶性固形物含量顯著下降；SO處理的可溶性糖和可溶性固形物含量并沒有顯著變化，有機酸含量有所下降，而維生素C 和糖酸比則顯著上升。

表2 不同營養液灌溉對不同基質下番茄果實品質的影響

2.4 不同營養液灌溉對不同基質下番茄產量的影響

從圖6 可以看出，發酵秸稈塊添加生物炭處理相對純秸稈塊處理可以增加番茄產量，且在同樣的栽培基質條件下，有機營養液灌溉相對無機營養液灌溉增加了番茄產量，在純發酵秸稈塊栽培下未達到顯著差異，在發酵秸稈塊田間生物炭條件下增產較多，其中SBO產量最高、依次是SBI、SO和SI。相對SI處理，SBI增加番茄產量4.17%，SBO增加番茄產量11.19%。

圖6 不同營養液灌溉對不同基質下番茄產量的影響

2.5 PCA 分析

對本試驗中番茄的各生長指標、葉片光合熒光參數、果實性狀、品質和果實產量進行PCA 分析，結果如圖7 所示。主成分1（PC1）和主成分2（PC2）分別解釋差異的63.31%和31.44%，即總變異的94.75%。Vc、SS、FWC、PH、SFW、FSI、Fv/Fo、Fv/Fm、FY、Pn、AFW、ADW、UFW、UDW、SD、Gs、Tr 和FWC 在PC1 上有較高的權重，Ci、SAR、TSS、FO和OA 在PC2 上有較高的權重。在PC1 上，SBI和SBO與SO與SI顯著分開，在PC2 上，SO和SBO與SBI和SI顯著分開。對所有因子進行綜合評分表明，發酵秸稈塊添加生物炭處理顯著高于純發酵秸稈塊處理，且發酵秸稈塊添加生物炭栽培條件下，有機營養液灌溉相對無機營養液灌溉顯著增加綜合得分，具體SBO處理得分最高（0.84），其次是SBI處理（0.07），SO處理得分最低（-0.54）。

圖7 番茄植株參數主成分分析和綜合得分

3 討論

當今農業生產實踐中，不論是大田作物還是溫室作物，綠色、高質量可持續是主要發展趨勢，但往往綠色、高質量生產總是帶來產量的降低，因此如何達到綠色、可持續生產，但又不降低產量，維持經濟效益將對發展設施蔬菜高質量可持續生產具有重大意義。

3.1 相同營養液灌溉下生物炭與秸稈基質栽培下對番茄生長的影響

本試驗研究表明，發酵秸稈添加生物炭相比純秸稈增加番茄產量，且發酵秸稈+生物炭基質栽培下，有機營養液灌溉相對于無機營養灌溉顯著增加番茄產量。與純秸稈栽培相比，添加生物炭顯著增加株高（圖1）、地上部和地下部干鮮重（圖2）、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度（圖3）。這可能是因生物炭相對秸稈塊具有較低的EC 值，較高的全量養分含量，且添加生物炭降低了玉米秸稈碳氮比，有利于秸稈養分釋放［6，16］，同時生物炭能促進植物嫩葉和根中生長素等物質合成以及植物細胞的擴增與細胞壁松弛等，從而提高水分與營養物質的吸收，促進植株新陳代謝與生長［17］，從而促進株高和生物量累積。相比秸稈栽培，秸稈添加生物炭顯著降低了果實硬度、可溶性糖含量、可溶性固形物。可溶性糖含量和可溶性固形物的降低可能是因為局部生物炭密度的不均勻。研究表明過量生物炭能夠降低土壤酶和微生物的活性［18］，進而擾亂了根系環境，不利于水分和養分的吸收進而影響了可溶性糖和可溶性固形物含量。

3.2 相同栽培基質下有機營養液灌溉對番茄生長的影響

相同栽培基質條件下，有機營養液相對于無機營養液對株高、莖粗（圖1）、地上部和地下部干鮮重（圖2）、氣孔導度、蒸騰速率（圖3）、初始熒光、PSⅡ潛在活性、PSⅡ最大光化學效率（圖4）、果實單果重（圖5）無顯著差異。SBO相比SI，增加株高、地上部和地下部干鮮重、氣孔導度、蒸騰速率效果最顯著。這與Lester 等［19］所研究的由于有機肥料中無機養分（氮和磷）的緩慢釋放而導致養分的生物有效性與植物吸收之間的不匹配，尤其是在生長高峰期的氮，從而導致生長緩慢并不一致。這是因為黃腐酸鉀中除了含有豐富的腐植酸和鉀元素外，還有一些微量元素和豐富的游離氨基酸，這些可調節開放氣孔，提升光合作用［20］。有機營養液相對無機營養液番茄的果實含水率和果型指數都有所提高（圖5），相反，果實硬度有所下降，這說明使用全有機營養液灌溉后番茄商品性更好。但由于硬度的下降，給運輸方面造成了一定的難度。有機營養液還降低了果實的有機酸含量，增加了糖酸比和可溶性固形物，且SBO增加番茄產量11.19%，口感更佳。這與辛鑫等［21］研究一致，因為有機營養液中含有豐富的氨基酸，而氨基酸分子的直接吸收或利用可以提高番茄中可溶性蛋白與可溶性固形物的質量分數［22］，并且有機營養液中同時含有其他對品質有利的生物活性物質。

3.3 基質和營養液灌溉對番茄生長的綜合影響

主成分分析表明，發酵秸稈添加生物炭處理相對純秸稈塊處理在PC1 上顯著分開，在PC2 上，有機與無機營養液灌溉顯著分開，且SBO處理有最高的綜合得分。有研究表明，生物炭和肥料混施增效與二者的互補或協同作用有關［23］。一方面，生物炭雖然可以向土壤提供鉀和磷等一些養分，但其自身的養分釋放對作物的直接肥效作用是有限的，肥料的加入彌補了其自身養分不足的缺陷，二者混施也可抵消因生物炭對土壤營養物的吸附對作物生產產生的負面影響。另一方面，生物炭添加不能改變植物的資源配置［24］，而肥料投入能夠減少植物地下部的資源配置，從而形成對土壤-生物炭-化肥-根系復合系統產生深遠影響［25］。因此可以推斷出生物炭的添加和全有機營養液灌溉二者之間起到了類似的互作協同促進效果，共同促進了植株的生長和養分的分配。

3.4 秸稈基質有機營養液灌溉栽培技術市場前景與可行性

目前有機營養液開發多集中在堆肥浸提液以及有機物料發酵液制備方面，但由于浸提工藝和有機物料來源不明確，影響了有機營養液標準化制備和管理，在一定程度上限制了有機營養液的應用。本研究有機營養液利用水溶性有機物料按照番茄不同生育期需肥特性配置，不再添加任何化學肥料，能夠滿足番茄生長需求，并改善果實品質，可滿足人們對農產品由量到質的需求變化，且本有機營養液制備與管理原料明確，有利于標準化制備和管理，因此具有較廣的應用潛力。

4 結論

綜合表明，生物炭添加與全有機營養液灌溉配合施用可提高番茄光合作用，進而促進番茄植株生長、生物量的積累，還可增加番茄的產量、改善果實性狀和品質，提升其商品性和經濟價值。說明有機營養液施肥可完全替代無機施肥，從而減少化肥施用，實現化肥“零”施用，本研究對設施蔬菜高質量可持續性發展具有重要意義。