生物炭用量對拱棚番茄產量和品質的影響

葉曉龍，馮 棣，2，張金磊，王志和，祝海燕，張敬敏，2

（1.濰坊科技學院賈思勰農學院 山東 壽光 262700； 2.山東省高校設施園藝重點試驗室 山東 壽光 262700）

設施栽培技術自引入以來，在我國政策鼓勵和科學引導下得到了高速發展。我國已是設施園藝產品第一生產國，全國設施栽培總面積已超過370 萬hm，占世界設施園藝總面積的80%以上。隨著人民生活水平的提高，大眾對蔬菜的需求已經不僅僅滿足于數量的充足，而是開始追求更加優良的品質。已有研究表明，合理施肥、適度干旱或鹽脅迫、合理補光，以及適量施入生物炭等都有利于蔬菜品質的提升。其中，關于生物炭對農業生產領域的影響是當前的研究熱點。生物炭（Biochar）是指由畜禽糞便、秸稈、花生殼、稻殼等農林廢棄物在缺氧或無氧環境下經過高溫裂解（通常低于700 ℃）得到的難溶的固體富碳產物。生物炭不僅具有強吸附能力，可用于修復土壤問題，還含有大量氮、磷、鉀、鈣、鎂等礦質營養元素，可使土壤肥力大幅度提升，可通過多方面改變植物根際生長環境。

在我國設施栽培蔬菜中，番茄的栽培面積居首位，達到81 萬hm。有研究表明，施入30 t·hm生物炭可改善櫻桃番茄果實營養品質且提高產量。吳偉健等試驗發現，施入生物炭可減少番茄對鎘元素的積累，顯著提高土壤中各種酶活性，通過改良土壤性質，從而提高了番茄的果實品質。郭麗麗通過大棚和盆栽番茄試驗結合的方式，表明了生物炭可促進土壤水穩性大團聚體的形成，增加土壤的保水保肥能力，提高土壤酶活性，改善葉片光合特性，從而促進番茄生長，提高番茄產量及品質，并給出了最佳用量為70 t·hm。吳玨等研究發現，施用生物炭可降低土壤容重，提升有機質含量，提高番茄產量及品質，但品質和產量最佳時施入量不同，分別為4、2 t·hm。李欣雨等報道了施加生物炭可有效增加土壤保水性和番茄產量，且在不同的灌水量處理下，生物炭作用的響應結果不同，二者共同影響著番茄產量及其生理特性。

綜上所述，在不同的設施環境和土壤條件下，設施番茄適宜的生物炭用量存在較大差異。目前拱棚（冷棚）在全國設施農業中的占比依然很大。由于拱棚生產的番茄生育期恰逢高溫發生時段，番茄品質不高，影響了產品價格，因此，探討拱棚條件下高品質番茄生產的栽培技術具有重要的實踐指導價值。為此，筆者以高品質番茄戴安娜為供試材料，探究不同生物炭用量對番茄生長、產量和品質的影響，以期探明拱棚高品質番茄提質生產的生物炭最佳施用量。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2021 年4—8 月在濰坊科技學院西南角拱棚內進行。供試番茄品種為戴安娜（由壽光市旺林農業發展有限公司提供），該品種是從韓國引進的雜交一代番茄新品種，屬早熟品種，無限生長類型，糖分等含量是普通番茄的2 倍多。生物炭由平頂山市綠之源活性炭有限公司提供，是以秸稈、木屑和果殼的混合物為原料，通過600 ℃的高溫熱解，粉碎為50～100 目的粉末。試驗土質為壤土，其與生物炭基本化學及養分狀況見表1。肥料使用“親土1 號”（N+PO+KO≥60%，20-20-20+TE）復合肥。

表1 供試土壤及生物炭基本化學及養分狀況

1.2 試驗設計

試驗采用單因素隨機區組設計，參考前人試驗中生物炭施用量水平和推薦用量，設置5 個生物炭施用量處理，分別為0、0.5、1.0、2.0 和4.0 kg·m，依次標記為CK、T1、T2、T3、T4。每個處理2 次重復，每個小區長3.0 m、寬1.2 m，小區內種植2 行番茄，行距60 cm，株距30 cm，共20 株。采用滴灌的方式進行灌水，番茄苗（4 葉1 心）移栽后鋪設滴灌帶，每個滴頭與番茄苗相對應，相距3 cm。在T1、T3 處理隨機選取2 個滴頭，在其正下方20 cm 處埋設負壓計監測土壤基質勢。當土壤基質勢低于-35 kPa 時灌水，灌水定額10 mm。每周保證隨水施肥1 次，若未到灌水下限，則將肥料隨1/3 定額灌溉水施入，復合肥每次施用1.1 g·株。在番茄果實生長至5 穗果后，對全部番茄進行打頂處理。將番茄生育期分為苗期、開花期、坐果期、快速成長期和成熟期，依據各個時期的需要進行除草、殺蟲、整枝、吊蔓、田間管理等。

1.3 測定項目與方法

設施內溫濕度的測定：采用標智GM1365 溫濕度記錄儀測定設施內空氣溫度和濕度，每1 h 記錄1 次。

株高及莖粗測定：于8 月15 日在每個處理隨機選取5 株番茄，分別采用卷尺和游標卡尺測量株高和莖粗。

干質量的測定：于8 月20 日在每個處理隨機選取4 株番茄，采集莖、葉后使用烘箱先在105 ℃殺青30 min，之后在75 ℃下烘干至恒質量，并用分析天平（0.001 g）稱量。

產量及其構成的測定：調查所有番茄植株每穗的坐果數，并于采摘期分批次采摘調查單果質量；計算獲得單株產量/kg=單果質量×果實個數。番茄產量/（t·hm）=小區植株數×單株產量/小區面積。

果實品質的測定：于成熟期在每個處理植株的第2、第3 穗選取大小和成熟度基本一致的果實10顆，每一顆切取1/4 放入榨汁機內制成待測樣品，3次重復。采用紫外-可見分光光度法測定番茄紅素含量；采用數顯折射計測定可溶性固形物含量；采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；采用酸堿滴定法測定有機酸含量；采用可溶性糖含量與有機酸含量之比計算糖酸比；采用2，6-二氯酚靛酚溶液滴定的方法測定維生素C 含量。

土壤EC 值和pH 值的測定：8 月20 日在每個小區隨機采集3 份0～20 cm 深度的土樣，風干后分別稱取10 g 土和50 mL 去離子水制成混合液，充分攪拌3 min 后采用電導率儀（上海儀電科學儀器股份有限公司的雷磁DDS-307A）和pH 計（雷磁PHS-2F）測量土壤EC 值和pH 值。

1.4 數據分析

采用MS-EXCEL 2019 和SPSS 26 進行數據分析與處理。

2 結果與分析

2.1 試驗期間設施內溫度、濕度的變化趨勢

試驗期間大棚內空氣溫濕度情況如圖1 所示。可見，棚內最高氣溫基本穩定，最低氣溫和平均氣溫呈先上升后趨于穩定的趨勢，隨時間推移晝夜溫差減小。棚內相對空氣濕度在6 月23 日前波動較大，隨后一直處于高穩狀態，日均相對空氣濕度呈遞增趨勢。

圖1 設施內空氣溫度（A）、相對空氣濕度（B）的變化趨勢

2.2 不同生物炭施處理對土壤EC值和pH值的影響

由圖2 可以看出，不同生物炭處理0～20 cm 土層土壤EC 值和pH 值差異均不顯著，且所有處理的土壤EC 值都處于較低水平，土壤pH 值呈弱堿性。

圖2 不同生物炭處理下0～20 cm 土層土壤EC 值（A）和pH 值（B）

2.3 生物炭施用量對番茄生長的影響

由圖3 可以看出，隨著生物炭施用量的增加，番茄株高整體呈上升趨勢，T3、T4 處理均與CK 差異顯著，較CK 分別提升7.07%和7.80%。番茄莖粗僅T4 處理顯著小于CK，其他處理間差異不顯著。番茄葉片干質量隨著生物炭施入量的增加而增加，與CK 相比，T1 和T2 無顯著增加，而T3 和T4 處理分別提高22.46%和52.99%，差異達到顯著水平。與CK 相比，莖干質量僅T4 處理顯著增加10.11%，其他處理差異不顯著。

圖3 不同生物炭用量下番茄的株高（A）、莖粗（B）及葉片干質量（C）和莖干質量（D）

2.4 不同生物炭處理對番茄產量及其構成的影響

由圖4 可以看出，隨著生物炭施入量的增加，單株果數呈現先增多后減少的趨勢；單果質量呈現先減小后增加的趨勢；番茄產量呈現出先增加后減少的趨勢。但單株果數、單果質量和產量指標在各處理之間差異不顯著。

圖4 不同生物炭用量下番茄的單株果數（A）、單果質量（B）和產量（C）

2.5 不同生物炭處理對番茄果實品質的影響

由圖5 可知，隨著土壤中生物炭施入量的增加，番茄果實中的可溶性糖含量呈先增大后減小的趨勢，與CK 相比，T1、T2 和T3 處理分別增加7.40%、43.09%和22.83%，而T4 處理減少了0.96%，表明大量生物炭施用并不利于可溶性糖的積累。施加生物炭處理的番茄有機酸含量均高于CK，T1、T2、T3 和T4 處理較CK 分別增加了20.00%、16.00%、12.00%、16.00%，其中T1、T2、T4 處理與CK 差異顯著。番茄糖酸比最大的為T2 處理，其后依次為T3＞CK＞T1＞T4。隨著生物炭施入量的增加，番茄可溶性固形物、維生素C、番茄紅素含量均呈先增加后減少的趨勢，均以T2 處理為最大。與CK 相比，T1、T2、T3 和T4 處理番茄可溶性固形物分別增加7.69%、7.69%、6.35%、1.92%；維生素C含量分別增加21.43%、44.64%、12.50%、-25.00%；番茄紅素含量分別增加1.46%、64.75%、26.97%、15.29%。可見，當生物炭施入量為1.0 kg·m（T2）時，除有機酸含量以外的品質指標都達到最高值，僅有機酸含量為次高值，且均顯著高于CK；當生物炭用量達到4.0 kg·m（T4）時，可溶性糖含量、糖酸比、維生素C 含量均低于CK。

圖5 不同生物炭處理下番茄的可溶性糖含量（A）、有機酸含量（B）、糖酸比（C）、可溶性固形物含量（D）、維生素C 含量（E）、番茄紅素紅素含量（F）

3 討論與結論

生物炭的pH 大多呈堿性，可與酸性土壤中的H發生締合反應，從而降低土壤的H濃度。本試驗中不同生物炭處理的0～20 cm 土層土壤EC 值和pH 值差異均不顯著。這是因為本試驗中土壤呈弱堿性，與生物炭的pH 值相差不大，所以生物炭對土壤pH 的影響并不明顯。此外，有報道稱生物炭有降低土壤含鹽量的作用，因為本試驗中生物炭含鹽量較低（0.36%），隨之帶入土壤中的量與土壤初始含量相比微乎其微，并且供試土壤本身處于低鹽環境（0.04%），不存在鹽漬化問題，所以生物炭用量未對土壤EC 值造成顯著影響。

本試驗結果表明，施用生物炭處理較對照促進了番茄株高的增加，這與張瑞花等的研究結果一致，其原因是生物炭的施用促進了根系生長，有利于吸收水分和養分，進而促進干物質的積累轉化。張瑞花等研究發現，施用1 kg·m生物炭會促進莖粗的增加，而本研究結果表明該處理下莖粗并無顯著變化。前人試驗結果表明過量的施入生物炭不利于莖粗的增加，與本試驗4.0 kg·m生物炭處理下莖粗減小的結果基本一致。本試驗結果表明，番茄產量在0～4.0 kg·m生物炭處理下無顯著變化，這與前人報道的施入生物炭會顯著提升作物產量的結論存在差異。這可能是因為生物炭對不同物種產量的增益存在差異。房彬等研究發現，生物炭可顯著提升油菜產量，但對玉米產量的提升并不顯著。

生物炭的施入對番茄品質有一定的影響，不同品質指標的作用效果也不同。本試驗結果表明，適量生物炭的施加可顯著提升番茄的營養品質，營養品質基本都遵循隨著生物炭施用量的增加，其含量呈現先增加后減少的趨勢，與前人試驗結果相似。可溶性糖、維生素C、可溶性固形物、番茄紅素含量和糖酸比等指標都在生物炭施入量1.0 kg·m時達到最大值，營養品質和口感都達到最佳。適量施入生物炭對植物有著顯著的增益效果，但過量施入可能會出現降低品質的現象。本試驗中施入量為4.0 kg·m時，可溶性糖含量、糖酸比、維生素C含量較對照都有不同程度的降低。不同的生物炭施入量與不同的作物之間的響應結果不盡相同，且生物炭種類、灌溉水平、施肥種類與方式、土壤性質等因素都與作物品質及產量有較強的相關性。故在作物栽培過程中需要多方面考慮，才能使生物炭的效益發揮出更大價值。

綜上所述，在試驗生物炭用量范圍內，生物炭未對0～20 cm 土層土壤EC 值、pH 值和番茄產量及其構成要素產生顯著影響。當生物炭施入量為1.0 kg·m時，番茄可溶性糖含量、糖酸比、可溶性固形物含量、維生素C 含量和番茄紅素含量等品質指標都達到最高值，有機酸含量達到次高值，且均顯著高于對照。因此，建議在開展拱棚番茄栽培時可施加1.0 kg·m生物炭，以提高品質。