生物炭对亏缺灌溉下温室重壤土栽培番茄产量及品质的影响

杜兵杰,曹红霞，潘小燕，张泽宇

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室， 陕西 杨凌 712100)

水分是作物生长发育必不可少的因素，缺水会影响番茄产量形成及物质积累[1-2]。但长期以来，温室蔬菜栽培经常按照传统的高水高肥经验管理模式，虽然保证了产量，但使水分利用效率大大降低[3-4]，肥料的过量施用导致土壤富营养化、盐碱化等问题[5]，还会加剧温室气体的排放[6-8]，从而限制设施农业的健康发展。

生物炭是由生物有机材料在缺氧或低氧条件下热裂解的固体产物[9]，具有丰富的孔隙结构、巨大的比表面积且含有大量营养元素(C、N、P、K、Ca等)[10-12]。有研究表明，生物炭可以通过改变土壤结构来提高土壤持水能力[13-14]，促进作物生长，进而提高作物产量。勾芒芒等[15]研究发现砂壤土添加生物炭能提高土壤毛管持水量，进而促进番茄根系的发育和产量的提高；俞映倞等[16]发现在酸性土壤中添加生物炭能缓解土壤酸化趋势，有效促进氮素的吸收转化，从而有利于维持小白菜高产并改善小白菜品质；张爱平等[17]的研究结果表明，生物炭和氮肥配施可以显著增加水稻籽粒产量，并随生物炭用量(4 500～9 000 kg·hm-2)增加而增高。在澳大利亚半干旱土壤上作物也对生物炭和肥料相结合的盆栽试验显示出了积极的响应[18]。

目前对于生物炭的研究多集中在土壤肥力贫瘠或持水性差的土壤上，生物炭与肥料配施方向的研究也屡见不鲜，而生物炭与亏缺灌溉耦合对土壤肥力较好的重壤土下番茄产量及品质的影响鲜有研究。因此，探究不同生物炭添加量对亏缺灌溉下番茄产量及品质的影响，通过综合评价方法确定在重壤土中添加生物炭的效果和可行性，可为生物炭在温室重壤土番茄栽培应用提供理论方案与技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2019年4—8月在陕西杨凌西北农林科技大学旱区节水灌溉重点试验站(34°20′N，108°24′E)内的温室里进行，当地海拔高度为521 m。试验期间试验站的平均气温为21.25℃，年降雨量为653 mm，日照时数为812.5 h，平均风速为1.6 m·s-1。

试验采用规格一致的塑料桶(口径30 cm，底部直径25 cm，高30 cm)，每桶装14 kg干土，桶内放两根PVC管，均匀打6个孔(d=2 cm)，用纱网缠住，用于灌水。桶底放有塑料托盘，防止水分损失。土壤表面铺一层珍珠岩，避免土壤板结。以番茄品种巴宝丽为试材，供试土壤取自西北农林科技大学周边0～20 cm耕作层，土壤质地为重壤土，容重为1.34 g·cm-3，田间持水量为23.9%(质量含水率)，pH值为7.83。试验所用生物炭为苹果木炭，购于陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司，制备温度为450℃～480℃，炭化时间为8 h，pH值为9.28，容重为0.44 g·cm-3，总碳含量为724.11 g·kg-1，总氮含量为11.56 g·kg-1。

1.2 试验设计

设置3个灌水梯度(充分灌溉W1：75%～85%θf；中度水分亏缺W2：55%～65%θf；重度水分亏缺W3：40%～50%θf)和3个生物炭添加水平(C0：不添加；C1：3%；C2：6%)(以占干土重百分比计)，共9个处理。即C0W1、C1W1、C2W1、C0W2、C1W2、C2W2、C0W3、C1W3、C2W3。每个处理重复15次，共计135桶。

土壤风干后过2 mm筛，与生物炭充分混合后沉淀1周。肥料施用量按照N、P、K折纯量，分别为0.240、0.132、0.210 g·kg-1(按占干土重计)。磷肥一次性基施，氮肥和钾肥按照基追比为1∶2的比例随灌水施入，追肥分别在第一穗果和第二穗果的果实膨大期进行。番茄于4月10日定植，定植后立即灌水至田间持水量，缓苗10 d左右。之后每天8∶00、18∶00采用称重法进行灌水。按照传统划分方法，将番茄生育期划分为苗期(4月20日—5月3日)、开花坐果期(5月3日—6月25日)、成熟采摘期(6月25日—8月12日)，番茄四穗果后打顶，2019年8月12日拉秧。

1.3 测定指标

品质：在果实成熟盛期，分别对一、二、三穗果进行品质测定，取3次测定的平均值。选择成熟度、大小一致，色泽相似，表面光滑的5个番茄，采摘后立即用水清洗，吸水纸吸水后测定番茄的外观品质(硬度、果形指数、果色指数)和营养品质(VC、番茄红素、可溶性固形物、可溶性糖、有机酸)，重复5次取平均值。

外观品质：硬度用FHR-5型果实硬度计测量；游标卡尺测量番茄横径和纵径，通过公式(1)计算果型指数。

(1)

用SP60色差仪在番茄周身平均选6个点测定颜色空间坐标L*、a*、b*，测定3组取平均值，用(2)式计算果色指数。

(2)

营养品质：可溶性固形物用IR200S手持式糖度计测定；番茄红素用EV300PC型紫外-可见分光光度计法测定；VC用钼蓝比色法测定；可溶性糖用硫酸-蒽酮比色法测定；有机酸用0.1 mol·L-1NaOH滴定法测定。

产量：在果实成熟期，随机选择3株，每次采摘用精度为0.01 g的电子秤称量并记录，通过种植密度计算最终产量。

灌溉水利用效率：根据番茄产量和累积灌溉水量计算灌溉水利用效率。

(3)

1.4 生物炭对不同灌水水平下番茄产量和品质影响的综合分析

为综合评价生物炭对番茄产量和品质的影响，通过Excel将各番茄品质指标标准化，用主成分分析的方法选出能代表番茄品质信息的综合主成分，基于品质综合主成分、产量及灌溉水利用效率，采用秩和比法对各处理进行综合排名，选出最优处理。

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2010进行整理，采用SPSS 21.0进行方差分析、主成分分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭添加量与灌溉水平对番茄产量及灌溉水利用效率的影响

由表1可知，亏缺灌溉降低了番茄的产量，与C0W1相比，C0W2、C0W3处理的产量分别降低了13.79%、53.95%， C0W3与C0W1相比差异达极显著水平(P<0.01)。在充分灌溉下添加生物炭能提高番茄的产量和灌溉水利用效率，与C0W1处理相比，C1W1处理的番茄产量和灌溉水利用效率分别提高了22.05%(P<0.05)、28.62%(P<0.05)，C2W1处理产量及灌溉水利用效率分别提高了12.32%(P>0.05)、24.57%(P<0.05)；而在亏缺灌溉下低生物炭添加量处理显著降低了番茄产量和灌溉水利用效率，高添加量显著提高了灌溉水利用效率，而对产量无显著影响。在各灌水处理下添加生物炭均显著降低了灌水量，在各灌溉水平下与不添加生物炭相比，C1W1、C2W1、C1W2、C2W2、C1W3、C2W3的灌水量分别减少了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对番茄产量、灌水量及灌溉水利用效率的影响

2.2 生物炭添加量与灌溉水平对番茄品质的影响

2.2.1 对番茄外观品质的影响 以果实硬度、果型指数、果色指数作为番茄的外观品质指标，不同生物炭添加量与灌溉水平对番茄外观品质的影响如表2所示。总体来看，灌溉对果实硬度、果型指数影响显著，生物炭及二者交互作用仅对果型指数影响显著。在不添加生物炭的条件下，果实硬度、果色指数均随水分亏缺程度的增加而减小，果型指数则相反。与C0W1处理相比，C0W3的果实硬度降低了17.99%(P<0.05)、果型指数提高了17.56%(P<0.05)，而对果色指数影响不显著(P>0.05)。除了在重度水分亏缺下，其他各灌溉水平下添加生物炭对果实硬度、果型指数、果色指数均无显著性影响。其中C1W3、C2W3处理的果型指数与C0W3相比分别提高了15.1%(P<0.05)、19.79%(P<0.05)，C2W3处理的果色指数较C0W3相比提高了11.51%(P<0.05)，而对果实硬度的影响不显著(P>0.05)。

2.2.2 对番茄营养品质的影响 表3为生物炭添加量和灌溉水平对VC、番茄红素、可溶性固形物、有机酸、糖酸比等营养品质的影响。总体来看，灌溉对番茄红素、可溶性固形物、糖酸比影响显著，生物炭对VC、番茄红素、可溶性固形物影响显著，二者交互作用对所有营养品质指标影响均显著。由表3可知，在充分灌溉下添加生物炭对VC、番茄红素、有机酸、糖酸比均无显著影响，但可溶性固形物含量减少了6.38%～17.66%(P<0.05)，而在亏缺灌溉下添加生物炭显著提高了VC含量(C1W2处理除外)和可溶性固形物含量，但对番茄红素(C2W2处理除外)、有机酸和糖酸比无显著影响。其中与C0W2处理相比，C2W2处理的VC含量增加了29.78%(P<0.05)，番茄红素含量减少了30.62%(P<0.05)。

表2 生物炭添加量和灌水水平对番茄外观品质的影响

2.3 番茄综合品质的主成分分析

为评估分析添加生物炭对不同灌溉水平下番茄综合品质的影响，选取外观品质(硬度、果型指数、果色指数、单果重)、营养品质(VC、番茄红素、可溶性固形物、有机酸、糖酸比)等指标进行主成分分析，最后得出综合主成分进行排名。排名越靠前，番茄的综合品质越好。

各成分的特征值和方差贡献率如表4所示，前3个主成分的方差贡献率分别为40.235%、32.187%、16.22%，累积贡献率达88.642%，为获取到主要信息并且减少指标数量，一般将累积方差贡献率大于85%的成分作为主成分进行综合评价，故可以用前3个主成分代表番茄的综合品质。

前3个主成分与各评价参数的成分荷载矩阵见表5。由各自主成分荷载向量除以各自主成分特征值的算术平方根，得到各主成分的特征向量。主成分1、2、3的函数表达式见式(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分别表示硬度、果型指数、果色指数、VC、番茄红素、可溶性固形物、有机酸、糖酸比的标准化数据。

由式(4)～(6)可计算出各处理的主成分，以主成分的方差贡献率为权重，用(7)式计算各处理的综合主成分(Y)并排名，结果如表6所示。

Y=η1C1+η2C2+η3C3

(7)

式中,η1、η2、η3分别为40.235%、32.187%、16.22%。

不同处理的番茄品质综合主成分及排名结果(表6)表明，C2W3处理的综合主成分最高，C1W3处理次之，分别为0.89、0.793，相比C0W3处理增加了197.79%和186.89%。C2W2处理排名第三，较C0W2处理增加了298.32%，而C1W1、C2W1处理较C0W1有所降低。说明在亏缺灌溉下添加生物炭能改善番茄的综合品质。

表3 生物炭添加量和灌溉水平对番茄营养品质的影响

表4 番茄品质主成分的特征值、方差贡献率及累计贡献率

表5 番茄品质主成分与番茄品质指标的成分荷载矩阵

表6 不同处理的番茄品质综合主成分及排名

2.4 番茄品质综合主成分代表性检验

为验证番茄品质综合主成分对各品质指标的代表性，采用非参数检验K-S方法进行正态检验，选择95%的置信区间，结果显示显著性P<0.05，说明品质综合主成分服从正态分布，具有良好的代表性，可用品质综合主成分代表所有的品质指标。

2.5 番茄综合品质、产量、灌溉水利用效率的综合评价

亏缺灌溉能提高番茄的品质，但同时伴随着产量的降低。以番茄品质综合主成分、产量及灌溉水利用效率为评价指标，用秩和比法(RSR)进行综合评价。

对品质综合主成分、产量及灌溉水利用效率进行排秩(R)，仅以秩R进行计算，认为3个指标高优，按升序排秩，最小值排为1。将各指标的R值相加，得到ΣR，ΣR值最大者最优。按下式计算RSR值：

(8)

式中，m为指标个数，为3；n为参加排序的单位数，为9。

RSR值越接近于1，说明综合评价结果越优。各处理的RSR值及排序结果如表7所示，结果表明，C1W1处理最优，其次为C2W1，C0W1与C2W2处理并列第三。由表中数据可以看出，添加生物炭能提高各灌水处理下番茄综合排名(C1W2除外)。

表7 各处理3项指标的秩R及排序结果

3 讨 论

有研究表明在土壤中添加生物炭能够提高作物产量[19-22]。本研究发现，生物炭两种添加量在充分灌溉下均能提高番茄产量，相对于无生物炭添加的C0W1处理分别可增产22.05%、12.32%，且分别节水8.42%、13.99%；而在亏缺灌溉下添加生物炭均降低了番茄产量，与无生物炭添加相比，C1W2、C1W3处理产量降低了24.78%、39.62%(P<0.05)。充分灌溉下添加生物炭显著提高了灌溉水利用效率，而亏缺灌溉下低生物炭添加量下的灌溉水利用效率显著低于其他处理，这是因为虽然添加生物炭的灌水量有所降低，但相应的产量也大幅下降，从而导致灌溉水利用效率并没有提高。生物炭对产量及灌水量的影响机制可能有以下几种：(1)由于生物炭本身的多孔结构，改变了土壤的孔隙分布，增加了土壤的微孔孔隙率，从而促进根系的生长，有利于提高产量。而在亏缺灌溉下，由于生物炭巨大的比表面积，对于水分的吸附作用更强，导致根系吸水速率小于植株蒸腾速率，从而抑制了干物质的积累；(2)生物炭含有丰富的营养物质，特别是碳含量极其丰富。添加到土壤后改变了C/N，从而影响了微生物的调节作用，进而影响产量；(3)生物炭自身带入到土壤中丰富的养分(氮、磷、钾、钙、镁等)提高了土壤溶液浓度，在亏缺灌溉下导致番茄根系难以吸收水分和养分；(4)在土壤水分一定时，添加生物炭提高了土壤水吸力，且随着生物炭添加量增加，土壤水吸力同步增加[23]。说明添加生物炭增加了土壤的持水能力，减少了无效的土壤蒸发，因此灌水量随着生物炭添加量的增加逐渐减小。

研究表明添加生物炭能提高果实品质[24-27]。本研究发现在亏缺灌溉条件下添加生物炭果实硬度、果型指数、果色指数均有一定幅度的提升，与C0W3处理相比，C1W3、C2W3处理的果型指数提高了15.10%～19.19%(P<0.05)，VC、可溶性固形物分别增加了40.40%、8.21%～18.73%，C2W3处理的果色指数提高了11.51%(P<0.05)。充分灌溉下添加生物炭显著降低了可溶性固形物含量，对番茄外观品质无显著性影响，与Bonetti等[28]的研究结果一致。本研究中在充分灌溉条件下添加生物炭对番茄品质无显著影响，可能是在生育后期由于植株蒸腾耗水量增多，导致植株的营养生长优先于生殖生长，而未向果实营养积累。

通过主成分分析及秩和比法综合评价发现，在各灌水水平下添加生物炭均能优化番茄的综合排名，其中C1W1处理最优，C2W1次之，C0W3处理最劣。出现这种情况的原因可能是因为亏缺灌溉虽然提高了番茄的综合品质，但产量有所下降，灌溉水利用效率未显著提升，而添加生物炭并没有弥补水分亏缺对产量的影响。值得注意的是，秩和比法评价结果显示，C2W2处理的综合排名与C0W1处理并列第三，说明在中度水分亏缺下添加6%生物炭能达到充分灌溉的效果，这可为生物炭在水资源紧缺、无法实现充分灌溉的重壤土地区，确保番茄的优质稳产实施提供了理论依据。

4 结 论

1)亏缺灌溉显著降低了番茄产量、累积灌水量，使果实硬度、果色指数、VC、可溶性固形物、有机酸含量显著降低，而果型指数、番茄红素则呈现增加的趋势，灌溉水利用效率在重度亏缺下显著降低。

2)充分灌溉条件下添加生物炭可提高番茄产量和可溶性固形物含量，而在亏缺灌溉条件下添加生物炭不利于增产，但有利于外观品质、VC、可溶性固形物的提升。

3)各灌水处理下添加生物炭均能提高番茄的综合排名。充分灌溉下3%添加量的影响效果优于6%添加量，而亏缺灌溉下6%添加量的效果更好，但最佳添加量仍需进一步研究。