高陽，邵光成*，陳昌仁，徐雯，劉正軍，黃豆豆

(1. 河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2. 洪澤湖水利工程管理處，江蘇 洪澤 223100； 3. 江北新區(qū)管理委員會(huì)生態(tài)環(huán)境和水務(wù)局，江蘇 浦口 210043； 4. 淮安區(qū)水利局，江蘇 淮安 223200； 5. 奉化區(qū)錦屏街道辦事處，浙江 奉化 315500)

中國南方地區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降雨豐沛且主要集中在夏季，經(jīng)常發(fā)生連續(xù)或多次降雨，再加上該地區(qū)土壤質(zhì)地黏重、通透性差，易造成地下水持續(xù)高水位，如果排水系統(tǒng)運(yùn)行不完善或管理不當(dāng)，往往會(huì)因地下水位過高而使作物受到漬害脅迫[1-2].因此探索合理的方法來緩解漬害脅迫對(duì)南方地區(qū)作物優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)具有重要意義.

生物炭是生物質(zhì)原料在缺氧或絕氧環(huán)境中經(jīng)氣化或熱裂解而形成的富碳固態(tài)產(chǎn)物，具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積及其表面豐富的有機(jī)官能團(tuán)等特性[3].鑒于這些獨(dú)特的理化性質(zhì)，使其施入土壤后，起到提高土壤孔隙率、降低土壤容重和密度、促進(jìn)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定等作用[4].因此，施用生物炭可能成為緩解作物漬害脅迫的方法.

JAHAN等[5]發(fā)現(xiàn)水分缺乏條件下，施用生物炭可改善大豆生理、形態(tài)特征，從而增加其產(chǎn)量；ELSHAIKH等[6]利用生物炭緩解鹽脅迫，提高土壤生產(chǎn)力.但對(duì)于生物炭能否緩解漬害脅迫以改善作物生殖生長(zhǎng)狀況，進(jìn)而影響其生產(chǎn)的相關(guān)研究尚比較缺乏.文中通過開展土柱試驗(yàn)，揭示漬害條件下番茄形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)對(duì)不同生物炭處理的響應(yīng)規(guī)律，探索生物炭對(duì)番茄生長(zhǎng)發(fā)育及其產(chǎn)量和水分利用效率的影響，為綜合評(píng)價(jià)施用生物炭能否作為緩解作物漬害脅迫的方法做定量評(píng)估，從而確定其經(jīng)濟(jì)合理的施用量.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用番茄品種為“金粉低架王”，整個(gè)生育期劃分為苗期、開花坐果期和成熟采摘期.試驗(yàn)所用生物炭為秸稈生物炭，在熱解溫度550～600 ℃、碳化時(shí)間4～6 h的條件下制成，其含碳量為63.4%，生物炭灰分含量為20.18%，比表面積為33.2 m2/g，pH為10.

1.2 試驗(yàn)區(qū)基本情況

試驗(yàn)區(qū)位于河海大學(xué)節(jié)水園區(qū)內(nèi)(118°50′E，31°57′N)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15.7 ℃，最高氣溫40.4 ℃，最低氣溫-13.3 ℃，平均年日照時(shí)數(shù)為2 017.2 h，年蒸發(fā)量為1 472.5 mm，相對(duì)濕度75%，平均風(fēng)速2.3 m/s，無霜期平均長(zhǎng)達(dá)224 d.試驗(yàn)區(qū)雨水資源豐富，日雨量≥0.1 mm的年雨日有117.8 d，日最大降水量為299.0 mm，年均降水量為1 072.9 mm，但從時(shí)間上，降雨年內(nèi)分配不均，多集中在汛期(5—9月).

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年2—8月進(jìn)行，2017年2月25日在溫室大棚中覆膜育苗，4月6日選取長(zhǎng)勢(shì)良好且一致的幼苗移栽至土柱中.為保證幼苗成活率，每個(gè)土柱中各灌一次水，且灌水量相同，同時(shí)施等量且適量的復(fù)合肥.

試驗(yàn)所用土柱高120 cm、內(nèi)徑30 cm、壁厚5 mm，設(shè)置3個(gè)排水孔.底部先裝有15 cm的細(xì)砂墊層，用于連接地下水觀測(cè)管和排水；然后往土柱中裝入95 cm黏壤土層，0-30 cm黏壤土層內(nèi)摻有不同含量生物炭.將土柱分層壓實(shí)，通過馬氏瓶軟管給土柱供水來模擬達(dá)到漬害水平的地下水位(-40 cm)，如圖1所示.

圖1 土柱及馬氏瓶結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)共設(shè)4種處理，包括無生物炭的對(duì)照處理(CK)、3種生物炭處理(T2，T3，T4：生物炭含量分別為3%，5%和10%)，每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)土柱.

1.4 觀測(cè)內(nèi)容與測(cè)定方法

土柱地下水位達(dá)到漬害水平(-40 cm)48 h后，在各土柱20 cm深處，用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重γ.

全生育期內(nèi)，每隔4 d或5 d測(cè)定一次各土柱內(nèi)番茄植株的株高、莖粗以及葉片橫縱徑，用米尺統(tǒng)一量取其株高HP，用游標(biāo)卡尺測(cè)定莖粗DS，選取各處理相同位置某一葉片用米尺測(cè)定橫縱徑，采用LAI-2000冠層分析儀(LICOR，USA)定期觀測(cè)其番茄葉面積指數(shù)LAI；選擇晴朗無云天氣，在2017年6月9日上午9:00—10:00從各重復(fù)植株上中下部選取3片生長(zhǎng)健康且完全展開的葉，用OS-30P便攜式葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定初始熒光Fo、最大熒光Fm和可變熒光Fv.

果實(shí)采摘結(jié)束后，對(duì)各植株所有的單果質(zhì)量進(jìn)行稱重，累積得到各土柱內(nèi)番茄的果實(shí)產(chǎn)量Ya；待果實(shí)收獲完畢，將每個(gè)重復(fù)根部挖出并盡量保持根系完整，選取分光光度計(jì)用TTC法測(cè)定番茄根系活力AR；待根洗凈后，應(yīng)用Win-RHIZO根系形態(tài)分析系統(tǒng)，用雙面光源掃描儀掃描根系，數(shù)字化處理得到的根系圖片，測(cè)量計(jì)算出總根長(zhǎng)LTR、根表面積ARS、根體積VR和根尖數(shù)NRT等根系形態(tài)指標(biāo)；用剪刀將根、莖、葉分開，分別裝入干燥的檔案袋中，置于105 ℃烘箱內(nèi)烘干消毒2 h，再調(diào)至80 ℃烘24 h至恒重，稱量各部分干質(zhì)量，測(cè)定每個(gè)重復(fù)的地上部干質(zhì)量WAD、根干質(zhì)量WRD、總干物質(zhì)量WTD和根冠比RRS等指標(biāo).

在番茄全生育期內(nèi)，每隔4 d測(cè)定1次各土柱的土壤含水量，當(dāng)土壤含水量低于田間持水量的70%時(shí)，進(jìn)行灌水，灌水上限為田間持水量，灌水量計(jì)算公式為

I=H×γ×(θc-θ)，

(1)

式中：I為灌水量，mm；H為土層高度，cm；γ為土壤容重，g/cm3；θc為田間持水量；θ為灌水前土壤含水量.

測(cè)定每個(gè)馬氏瓶初始讀數(shù)后，在每次灌水前記錄其讀數(shù)，以便計(jì)算地下水補(bǔ)給量，即維持-40 cm的地下水位所需水量，地下水補(bǔ)給量計(jì)算公式為

G=a×(D1-D)/A，

(2)

式中：G為灌水量，mm；a為馬氏瓶瓶底面積，cm2；D1為上次灌水前馬氏瓶讀數(shù)，mm；D為灌水前馬氏瓶讀數(shù)，mm；A為土柱底面積，cm2.

由于研究對(duì)象為南方避雨栽培番茄，故只考慮將作物實(shí)際耗水量作為水分投入、作物產(chǎn)量作為產(chǎn)出時(shí)的水分利用效率，作物水分利用效率計(jì)算公式為

WUE=Ya/ETa，

(3)

式中：WUE為作物水分利用效率，kg/m3；Ya為作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg/hm2；ETa為作物實(shí)際耗水量，即灌水量和地下水補(bǔ)給量之和，mm.

1.5 數(shù)據(jù)處理

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2007處理，并采用Origin 9.0進(jìn)行作圖，運(yùn)用SPSS 22.0對(duì)各處理結(jié)果進(jìn)行顯著性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤容重的影響

如圖2所示，南方地區(qū)土壤黏重，容重γ較大，文中未經(jīng)生物炭處理的土壤容重達(dá)到1.44 g/cm3.生物炭處理下土壤容重均小于對(duì)照處理，分別下降了1.4%，11.8%和13.9%.其中，當(dāng)生物炭施用量為5%和10%時(shí)，土壤容重較對(duì)照處理差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這表明生物炭可以降低土壤容重，改良南方地區(qū)較為黏重的土壤，但這兩個(gè)處理之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

圖2 不同生物炭處理對(duì)土壤容重的影響

2.2 生物炭對(duì)番茄形態(tài)指標(biāo)的影響

不同處理下番茄各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)變化見圖3，表1和表2，其中n為移栽后的天數(shù).漬害條件下，番茄各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)均隨生物炭施加量增多而增大，其中根尖數(shù)在生物炭施加量達(dá)到最大時(shí)，反而略有下降，較處理T3下降了8‰.方差分析發(fā)現(xiàn)生物炭對(duì)番茄根尖數(shù)、根冠比影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，各處理間無明顯差異；較對(duì)照處理，總根長(zhǎng)僅在10%的生物炭施加量下顯著增加，其增幅達(dá)到50%，其余各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)在生物炭施用量達(dá)到5%之后均顯著增加，且生物炭施加量較高的兩個(gè)處理之間差異并不明顯.生物炭對(duì)番茄根干質(zhì)量、總干物質(zhì)量影響顯著，僅施用3%生物炭，兩者較對(duì)照處理的差異即達(dá)到顯著性水平，分別增加了0.11,2.37 g/株.

圖3 不同生物炭處理番茄株高、莖粗和葉面積指數(shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化

表1 不同生物炭處理對(duì)番茄根系形態(tài)的影響

表2 不同生物炭處理對(duì)番茄生物量的影響

2.3 生物炭對(duì)番茄生理指標(biāo)的影響

由圖4可知，施用生物炭條件下，各處理差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，番茄根系活力較對(duì)照處理均有增加，其增幅依次為4.6%，20.2%和31.5%，其中處理T2的增幅并不明顯.表3中可變熒光Fv、最大熒光Fm及其比值也隨著生物炭施用量的增加而逐漸增大，初始熒光Fo卻逐漸減小，但不同處理的各項(xiàng)熒光參數(shù)值之間也沒有顯著的差異，方差分析結(jié)果也表明生物炭對(duì)番茄葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響并不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

圖4 不同生物炭處理對(duì)番茄根系活力的影響

表3 不同生物炭處理對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.4 生物炭對(duì)番茄的產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由表4可知，番茄耗水量和產(chǎn)量對(duì)生物炭的響應(yīng)規(guī)律相反，根據(jù)WUE的構(gòu)成因素，番茄產(chǎn)量隨著生物炭施用量的增多而增加，而耗水量逐漸減小，因此WUE從小到大依次為CK，T2，T3，T4.生物炭添加對(duì)番茄耗水量影響顯著，3種生物炭處理下番茄耗水量均小于對(duì)照處理，其中處理T4耗水量最少，較對(duì)照處理減少了28.7%.而與對(duì)照相比，當(dāng)生物炭施加量達(dá)到10%時(shí)，番茄產(chǎn)量和WUE分別增加了56.7%，120.6%，兩者的差異才達(dá)到顯著性水平，但3種生物炭處理間差異并不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.不過方差分析結(jié)果表明，漬害條件下，生物炭添加對(duì)番茄水分利用效率影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而產(chǎn)量受生物炭的影響并不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

表4 不同生物炭處理下番茄產(chǎn)量及水分利用效率

3 討 論

3.1 施用生物炭對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

南方地區(qū)土壤質(zhì)地黏重、通透性差，在降雨豐富的夏季易造成地下水持續(xù)高水位，導(dǎo)致作物受漬減產(chǎn).因此，對(duì)南方地區(qū)土壤進(jìn)行改良，改善其通氣、透水性能，有助于降低作物漬害脅迫減產(chǎn).生物炭因其多孔結(jié)構(gòu)而具有提高土壤孔隙度、降低土壤容重的作用.本研究的結(jié)果也證明，5%的生物炭施用量可顯著降低土壤容重，較對(duì)照處理下降11.8%，與GITHINJI[4]研究結(jié)果一致.當(dāng)施用量達(dá)到10%時(shí)，土壤容重進(jìn)一步降低.因此生物炭作為一種優(yōu)良的土壤改良劑，具有緩解南方地區(qū)作物漬害脅迫的潛力.

3.2 施用生物炭對(duì)番茄根系的影響

漬害脅迫會(huì)帶來根系缺氧、活力下降等問題，弱化根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，從而抑制根系生長(zhǎng)[7].張偉明等[8]發(fā)現(xiàn)生物炭施入土壤后，水稻生育前期根系體積、鮮質(zhì)量和活力明顯提高，生長(zhǎng)后期根系衰老在一定程度上得到延緩.其原因歸于生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和極強(qiáng)的吸附性能，從而降低土壤容重，改善土壤排水能力，為根系生長(zhǎng)發(fā)育提供良好的生態(tài)環(huán)境，有利于根系深扎.文中研究結(jié)果也表明，5%的生物炭施用量顯著降低土壤容重.因此，該處理下番茄根表面積、根體積、根干質(zhì)量和根系活力顯著高于對(duì)照，而總根長(zhǎng)與對(duì)照差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這可能是因?yàn)椋戏降貐^(qū)土壤質(zhì)地較為黏重，番茄根系難以向下深扎.

3.3 施用生物炭對(duì)番茄地上部的影響

株高、莖粗和葉面積指數(shù)是衡量作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子，漬害脅迫往往抑制作物正常的生長(zhǎng)發(fā)育，造成植株變矮、莖粗變細(xì)和葉面積指數(shù)下降.勾芒芒等[9]開展的盆栽試驗(yàn)表明，施用適量的生物炭有利于番茄株高和莖粗的增長(zhǎng)，4%的施用量下最為顯著，而施用量達(dá)到6%時(shí)番茄株高和莖粗與對(duì)照差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.而本研究中，漬害條件下，番茄株高、莖粗和葉面積指數(shù)均隨生物炭施加量增多而增大，與對(duì)照相比，10%生物炭施用量下，兩者差異均達(dá)到顯著性水平，這可能與地下水位、土壤質(zhì)地以及生物炭類型有關(guān).不過，本試驗(yàn)結(jié)果表明，生物炭施用量較高的兩個(gè)處理(T3，T4)莖粗、葉面積指數(shù)差異并不明顯.

葉片是番茄進(jìn)行光合作用的主要器官，漬水脅迫會(huì)導(dǎo)致植物葉片光合反應(yīng)中心失活或遭到破壞[10]，進(jìn)而降低葉面積.本研究中，隨著生物炭施加量增多，可變熒光Fv、最大熒光Fm及其比值均逐漸增大，初始熒光Fo逐漸減小，這表明生物炭對(duì)番茄葉片有積極作用，可以緩解漬害對(duì)葉片光合中心的破壞程度.這與葉面積指數(shù)對(duì)生物炭的響應(yīng)規(guī)律相一致，也進(jìn)一步證實(shí)生物炭有助于提高番茄的耐漬能力.

3.4 施用生物炭對(duì)產(chǎn)量及水分利用效率的影響

漬水對(duì)根系的傷害使葉片加速衰老，影響光合作用、干物質(zhì)分配等生理過程，從而削弱植株光合產(chǎn)物的累積量，最終造成作物減產(chǎn)[11].已有研究表明，適量生物炭能優(yōu)化番茄根系形態(tài)，顯著提高番茄產(chǎn)量[9].本試驗(yàn)結(jié)果也表明，施用生物炭顯著提高根表面積、根體積、根干質(zhì)量和根系活力.因此，生物炭處理下番茄產(chǎn)量均高于對(duì)照，但可能因?yàn)闈n水嚴(yán)重，生物炭對(duì)番茄產(chǎn)量影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.由于生物炭能夠有效抑制表層土壤水分蒸發(fā)，促進(jìn)土壤聚集水分，進(jìn)而減少土壤水的損失，因此，隨著生物炭施加量的增多，番茄耗水量顯著減少.根據(jù)WUE的構(gòu)成因素，文中番茄產(chǎn)量隨著生物炭施用量的增多而增加，而耗水量逐漸減小，這使得番茄水分利用效率大幅度增加，5%的生物炭施用量下WUE幾乎達(dá)到對(duì)照處理的2倍，與AKHTAR等[12]研究發(fā)現(xiàn)生物炭可以增加產(chǎn)量對(duì)水分消耗的比例，從而提高作物水分利用效率的結(jié)果相同.

4 結(jié) 論

生物炭處理下土壤物理性質(zhì)、番茄各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)的變化表明，南方地區(qū)土壤中施加生物炭，具有降低土壤容重、促進(jìn)作物生長(zhǎng)等作用.生物炭對(duì)漬害條件下番茄產(chǎn)量和水分利用效率的影響，進(jìn)一步證實(shí)施用生物炭可成為緩解南方地區(qū)作物漬害脅迫的方法.文中對(duì)生物炭施用量進(jìn)行定量評(píng)估，結(jié)果表明，當(dāng)生物炭施用量達(dá)到5%時(shí)，土壤容重顯著降低，較對(duì)照處理下降了11.8%，株高、莖粗、葉面積指數(shù)、根表面積、根體積、地上部干質(zhì)量、根干質(zhì)量、總干物質(zhì)量和根系活力等形態(tài)指標(biāo)、生理指標(biāo)均顯著增加，產(chǎn)量提高34.3%，WUE近似對(duì)照處理的2倍.生物炭施加量增至10%時(shí)，土壤容重進(jìn)一步降低，較5%的生物炭施加量降低0.03 g/cm3，植株生長(zhǎng)發(fā)育更加良好，產(chǎn)量和WUE分別提高16.7%，24.6%，但兩者差異不顯著.因此，5%的生物炭施用量較為經(jīng)濟(jì)合理，適于實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用.