生物炭对蚯蚓粪基质袋培番茄产量和品质的影响
时间：2023-02-24 08:40:09 来源：千叶帆 本文已影响人
安明远， 申佳丽， 张文文， 马 鸿， 尹 翠， 曹云娥
（宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021）
番茄（Lycopersicon esculentum）是我国主要的设施蔬菜之一，具有高产、优质、抗逆性强等特点[1]。宁夏的番茄种植区域较广，全区平均每年种植番茄约8 105.3 hm2[2]。常规设施内土壤由于常年不经自然雨水的淋洗，土壤盐分积累、养分失调、土传病害加重，导致番茄产量降低，品质变差[3]，而采用无土栽培是解决此类问题常用的措施之一。目前，番茄无土栽培常用的基质多数是以泥炭为主，混合蛭石和珍珠岩等[4]。泥炭是湿地条件下植物残体不完全碳化所形成的产物，其属于不可再生资源且储量分布不均，对泥炭的过度开采会严重破坏生态环境[5]。因此，找寻更为环保的泥炭替代物是无土栽培技术革新的关键。
蚯蚓粪是一种常见的有机肥料和新型无土栽培基质，其价格低廉，原材料来源广泛，具有良好的通气性和保水性，同时蚯蚓粪也包含多种有益微生物和植物生长调节物质[6]。研究发现，蚯蚓粪富含氮、磷、钾元素，可以促进作物根系生长，显著缓解连作障碍[7]，提高作物品质[8-9]。生物炭是由生物残体在无氧或者少氧条件下通过高温（＜700 ℃）慢热解方法制备产生的一种稳定、含碳量高的固态多孔，状物质[10]。其结构疏松多孔，呈弱碱性，有较强的吸附性。研究表明，添加生物炭可提高基质酶活性和有机质[6]及全氮含量[11]，减少养分淋失[12]，提高作物产量[13]和果实营养品质[14]。生物炭通过增加基质中溶解有机碳的含量，形成水稳性团聚体，从而提升基质保肥保水性能[15]。
本试验使用蚯蚓粪为基质袋培番茄，以不同施用量生物炭代替蚯蚓粪中的总碳，研究生物炭对蚯蚓粪基质袋培番茄产量和品质的影响，以期为宁夏地区番茄高产、优质无土栽培提供理论依据。
1.1 试验材料
试验于2021 年在宁夏贺兰县宁夏园艺产业园（106．33 °E、38．58 °N）东西向宁夏二代日光温室进行。该基地为国家级农业示范园区。当地无霜期为160～170 d，属中温带干旱气候区，具有典型的大陆性气候特点。
试验采用基质袋培，基质为蚯蚓粪。基质袋长40 cm、宽30 cm、高15 cm，体积为18 000 cm3，每个基质袋中装入蚯蚓粪15 kg，蚯蚓粪w（碳）=23%，每袋蚯蚓粪中m（碳）为15 kg×23%=3．45 kg。
供试番茄品种为粉得利，定植苗来源于宁夏天缘种业有限公司。该品种长势旺盛，抗病性强，坐果率高；
果实大，长圆形，整齐美观；
果脐和果肩小，无裂纹；
肉厚质沙，果实坚硬，极耐贮藏运输。生物炭选用上海海诺炭业有限公司生产的10 μm 生物炭，w（碳）=95%，密度为0．37 g/cm3。
1.2 试验设计
试验为单因素随机区组设计。以生物炭不同添加比例为自变量，设置4 个施用量梯度：用生物炭替代蚯蚓粪中2%总碳（T1，每袋总质量14．773 kg）、用生物炭替代蚯蚓粪中5%总碳（T2，每袋总质量14．432 kg）、用生物炭替代蚯蚓粪中7%总碳（T3，每袋总质量14．204 kg）、用生物炭替代蚯蚓粪中10%总碳（T4，每袋总质量13．863 kg），以不施用生物炭为对照（CK，每袋总质量15．000 kg）。每处理设置5次重复。
1.3 生理指标的测定
1.3.1株高和茎粗 定植后30 d，每2 周测定1 次株高（子叶节以下1 cm 处）、茎粗。每次在每处理各重复试验小区取2 株进行测定，取其平均值。共测试4 次，以测得的株高和茎粗计算株高相对生长率（Rh）和茎粗相对生长率（Rd）[16]，计算方法如下:
式中，h1、d1和h2、d2分别代表在时间t1和t2的株高和茎粗。
1.3.2基质理化指标 在番茄盛果期取基质样。使用取土器（直径5 cm、长20 cm）取番茄根系处基质，风干后过36 目筛，用于测定蚯蚓粪基质理化性状和酶活性。分别采用H2SO4催化剂消煮-凯氏定氮法测定全氮、饱和K2SO4浸提-凯氏定氮法测定速效氮、0．5 mol/L 碳酸氢钠溶液浸提-钼锑抗比色法测定速效磷、乙酸铵溶液浸提-火焰光度法测定速效钾、重铬酸钾-硫酸氧化法测定有机质、磷酸苯二钠比色法测定磷酸酶、苯酚钠-次氯酸钠比色法测定脲酶、3，5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶、高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶[17]。
1.3.3果实产量 在成熟期采收果实，记录不同处理小区番茄产量，按照小区面积折合每公顷产量。
1.3.4果实品质 于盛果期在每个处理小区随机选取5～6 个果实，测定其常规品质，分别采用蒽酮比色法测定可溶性糖、钼蓝比色法测定维生素C、NaOH 滴定法测定有机酸、水杨酸法测定硝酸盐，使用糖度计测定可溶性固形物[17]。
1.4 数据处理
采用Excel 2021 对数据进行整理、统计，使用Origin 2021 制图，利用SPSS 26．0 进行单因素方差分析和主成分分析。
2.1 不同施用量生物炭对蚯蚓粪基质理化性质和酶活性的影响
2.1.1不同施用量生物炭对蚯蚓粪基质养分的影响由表1 可知，施用生物炭对基质养分产生了显著影响。随着生物炭施用量的增加，基质pH 持续升高，基质中全氮、速效钾和有机质质量比持续增长；
速效氮和速效磷质量比先增大后减小，T2 处理的值均最大。与CK 相比，T1—T4 处理的全氮质量比分别增加6．16%、8．22%、9．59%、9．59%，速效氮质量比分别增加57．45%、58．94%、49．96%、40．36%，速效磷 质 量 比 分 别 增 加51．02%、53．78%、52．84%、51．58%，速效钾质量比分别增加30．43%、39．13%、41．90%、19．37% ， 有 机 质 质 量 比 分 别 增 加197．16%、273．20%、307．01%、340．79%。
表1 不同施用量生物炭对基质养分的影响
2.1.2不同施用量生物炭对蚯蚓粪基质酶活性的影响由表2 可知，施用生物炭显著影响了基质中酶的活性。随着生物炭施用量的增加，基质中脲酶活性呈先升高后降低趋势，T3 处理的脲酶活性最大，蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性均呈增大趋势。与CK 相比，T1—T4 处理的脲酶活性分别增大13．69%、1．58%、37．55%、4．46%，蔗糖酶活性分别增大4．69%、11．84%、12．74%、15．56%，碱性 磷 酸酶 活 性 分 别增 大6．67%、24．00%、40．95%、53．52%，过氧化氢酶活性分别增大0．68%、2．72%、4．08%、4．76%。
表2 不同施用量生物炭对基质酶活性的影响
2.2 不同施用量生物炭对番茄植株生物量、果实产量和果实品质的影响
2.2.1不同施用量生物炭对番茄生长的影响 由表3 可知，各处理株高的相对生长速率和茎粗相对生长速率均有所增大，但各处理间无显著差异。
表3 不同施用量生物炭对番茄植株株高及茎粗相对生长率的影响cm（/cm·d）
由图1 可知，施用生物炭增大了番茄植株地上部和地下部干物质量，随着生物炭施用量的增加，地上部和地下部干物质量均呈现先增大后减小的趋势。与CK 相比，T1—T4 处理的植株总生物量分别增加7.78%、12.53%、7.47%、4.12%，其中T2 处理的地下部干物质量和总生物量最大。
图1 不同施用量生物炭对番茄植株生物量积累的影响
2.2.2不同施用量生物炭对番茄产量的影响 由图2 可知，添加生物炭可显著增加番茄产量。T1—T4处理的产量均显著高于CK，较CK 增长34.49%、44.08%、32.93%、23.34%，其中T2 处理的产量最高，为177 343.43 kg/hm2。
图2 不同施用量生物炭对番茄产量的影响
2.2.3不同施用量生物炭对番茄品质的影响 由图3 可知，施用生物炭增加了番茄果实中维生素C、有机酸、可溶性固形物和可溶性糖的含量，提高了番茄品质。随着生物炭施用量的增加，果实中维生素C 质量比呈持续增大趋势，可溶性固形物和可溶性糖质量分数呈先增大后减小趋势，但均高于CK。与对照相比，T1—T4 处理的维生素C 质量比分别增加8.11%、19.97%、25.57%和48.63%，有机酸质量分数分别增加4.77%、3.97%、10.90%和9.99%，可溶性固形物质量分数分别增加11.42%、14.58%、9.63%和6.88%，可溶性糖质量分数分别增加19.24%、25.31%、19.58%和13.92%。
图3 不同施用量生物炭对番茄品质的影响
有研究表明，适量的生物炭可促进作物生长[18]和干物质积累[19]，其较大的表面积和吸附性还能提高土壤吸附养分的能力及保水性[20]，影响主根生长[21]，提高土壤pH 和有机质含量[22]，进而促进作物生长，增加产量[23]。Lévesque 等[24]研究认为，生物炭通过增加土壤养分含量对番茄果实品质进行调控。马嘉伟等[25]通过试验得出，生物炭通过促进作物根系生长和活力，增强作物对养分的吸收，进而影响作物体内碳水化合物的合成与分配，提高作物品质。
本试验表明，施用生物炭能显著增加番茄植株干物质量。原因可能是生物炭通过促进生长素分泌增强植物细胞扩增，使细胞壁松弛，从而促进生物量累积[26]。蚯蚓粪基质含有较高的氮、磷、钾、钙、镁等利于植物吸收的养分，同时还含有可调节植物生长的激素和腐殖酸等[27]，生物炭可能提高了某些微生物活性和番茄根系活力，促进了基质中养分的释放，改善了番茄根圈理化性质并促进了根部的营养吸收，使得番茄产量提高，果实中维生素C、可溶性固形物[28]、有机酸、可溶性糖含量增加。然而，生物炭对作物的增产效应存在峰值[28]，施用过量的生物炭会影响基质pH，导致基质中氮素流失，降低氮素利用效率[29-30]。本试验结果表明，施用生物炭显著提高了基质pH，T3、T4 处理的速效氮和速效磷质量比降低，使番茄根系可吸收利用的养分减少。这可能是T3 和T4 处理产量及果实糖分含量低于T2 处理（但均高于CK 处理[31]）的直接原因。也可能是因为大量生物炭导致基质中溶解有机碳增加，促使微生物与作物竞争基质中的氮素，而生物炭对NO3--N 含量又存在极显著负影响[32]。因此，生物炭通过调节基质养分循环影响番茄产量。本试验得出，施用生物炭显著增加了番茄果实有机酸含量，这与前人研究的结果[33-34]不一致；
但也有研究表明，植物根系遭受胁迫时植株会分泌低分子量的有机酸[35]，施用高比例生物炭可能对番茄植株造成一定胁迫，使果实有机酸含量显著增加。施用生物炭还显著提高了基质中有机质的含量，这既为基质微生物提供能源，增加其数量，增加酶的分泌[36]，生物炭较大的比表面积还可以吸附更多酶促反应底物[37]，增加酶结合位点，提高酶活性。
综上所述，生物炭通过调控基质中养分含量实现番茄产量增长和果实品质提升。当生物炭施用量代替蚯蚓粪基质中5%的总碳时，番茄产量最高，品质最优。
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