安明遠(yuǎn)， 申佳麗， 張文文， 馬 鴻， 尹 翠， 曹云娥

（寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

番茄（Lycopersicon esculentum）是我國主要的設(shè)施蔬菜之一，具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。寧夏的番茄種植區(qū)域較廣，全區(qū)平均每年種植番茄約8 105.3 hm2[2]。常規(guī)設(shè)施內(nèi)土壤由于常年不經(jīng)自然雨水的淋洗，土壤鹽分積累、養(yǎng)分失調(diào)、土傳病害加重，導(dǎo)致番茄產(chǎn)量降低，品質(zhì)變差[3]，而采用無土栽培是解決此類問題常用的措施之一。目前，番茄無土栽培常用的基質(zhì)多數(shù)是以泥炭為主，混合蛭石和珍珠巖等[4]。泥炭是濕地條件下植物殘?bào)w不完全碳化所形成的產(chǎn)物，其屬于不可再生資源且儲(chǔ)量分布不均，對泥炭的過度開采會(huì)嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境[5]。因此，找尋更為環(huán)保的泥炭替代物是無土栽培技術(shù)革新的關(guān)鍵。

蚯蚓糞是一種常見的有機(jī)肥料和新型無土栽培基質(zhì)，其價(jià)格低廉，原材料來源廣泛，具有良好的通氣性和保水性，同時(shí)蚯蚓糞也包含多種有益微生物和植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)[6]。研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓糞富含氮、磷、鉀元素，可以促進(jìn)作物根系生長，顯著緩解連作障礙[7]，提高作物品質(zhì)[8-9]。生物炭是由生物殘?bào)w在無氧或者少氧條件下通過高溫（＜700 ℃）慢熱解方法制備產(chǎn)生的一種穩(wěn)定、含碳量高的固態(tài)多孔，狀物質(zhì)[10]。其結(jié)構(gòu)疏松多孔，呈弱堿性，有較強(qiáng)的吸附性。研究表明，添加生物炭可提高基質(zhì)酶活性和有機(jī)質(zhì)[6]及全氮含量[11]，減少養(yǎng)分淋失[12]，提高作物產(chǎn)量[13]和果實(shí)營養(yǎng)品質(zhì)[14]。生物炭通過增加基質(zhì)中溶解有機(jī)碳的含量，形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體，從而提升基質(zhì)保肥保水性能[15]。

本試驗(yàn)使用蚯蚓糞為基質(zhì)袋培番茄，以不同施用量生物炭代替蚯蚓糞中的總碳，研究生物炭對蚯蚓糞基質(zhì)袋培番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以期為寧夏地區(qū)番茄高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)無土栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2021 年在寧夏賀蘭縣寧夏園藝產(chǎn)業(yè)園（106．33 °E、38．58 °N）東西向?qū)幭亩展鉁厥疫M(jìn)行。該基地為國家級(jí)農(nóng)業(yè)示范園區(qū)。當(dāng)?shù)責(zé)o霜期為160～170 d，屬中溫帶干旱氣候區(qū)，具有典型的大陸性氣候特點(diǎn)。

試驗(yàn)采用基質(zhì)袋培，基質(zhì)為蚯蚓糞?；|(zhì)袋長40 cm、寬30 cm、高15 cm，體積為18 000 cm3，每個(gè)基質(zhì)袋中裝入蚯蚓糞15 kg，蚯蚓糞w（碳）=23%，每袋蚯蚓糞中m（碳）為15 kg×23%=3．45 kg。

供試番茄品種為粉得利，定植苗來源于寧夏天緣種業(yè)有限公司。該品種長勢旺盛，抗病性強(qiáng)，坐果率高；果實(shí)大，長圓形，整齊美觀；果臍和果肩小，無裂紋；肉厚質(zhì)沙，果實(shí)堅(jiān)硬，極耐貯藏運(yùn)輸。生物炭選用上海海諾炭業(yè)有限公司生產(chǎn)的10 μm 生物炭，w（碳）=95%，密度為0．37 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。以生物炭不同添加比例為自變量，設(shè)置4 個(gè)施用量梯度：用生物炭替代蚯蚓糞中2%總碳（T1，每袋總質(zhì)量14．773 kg）、用生物炭替代蚯蚓糞中5%總碳（T2，每袋總質(zhì)量14．432 kg）、用生物炭替代蚯蚓糞中7%總碳（T3，每袋總質(zhì)量14．204 kg）、用生物炭替代蚯蚓糞中10%總碳（T4，每袋總質(zhì)量13．863 kg），以不施用生物炭為對照（CK，每袋總質(zhì)量15．000 kg）。每處理設(shè)置5次重復(fù)。

1.3 生理指標(biāo)的測定

1.3.1株高和莖粗 定植后30 d，每2 周測定1 次株高（子葉節(jié)以下1 cm 處）、莖粗。每次在每處理各重復(fù)試驗(yàn)小區(qū)取2 株進(jìn)行測定，取其平均值。共測試4 次，以測得的株高和莖粗計(jì)算株高相對生長率（Rh）和莖粗相對生長率（Rd）[16]，計(jì)算方法如下:

式中，h1、d1和h2、d2分別代表在時(shí)間t1和t2的株高和莖粗。

1.3.2基質(zhì)理化指標(biāo) 在番茄盛果期取基質(zhì)樣。使用取土器（直徑5 cm、長20 cm）取番茄根系處基質(zhì)，風(fēng)干后過36 目篩，用于測定蚯蚓糞基質(zhì)理化性狀和酶活性。分別采用H2SO4催化劑消煮-凱氏定氮法測定全氮、飽和K2SO4浸提-凱氏定氮法測定速效氮、0．5 mol/L 碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷、乙酸銨溶液浸提-火焰光度法測定速效鉀、重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定有機(jī)質(zhì)、磷酸苯二鈉比色法測定磷酸酶、苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定脲酶、3，5-二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶、高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶[17]。

1.3.3果實(shí)產(chǎn)量 在成熟期采收果實(shí)，記錄不同處理小區(qū)番茄產(chǎn)量，按照小區(qū)面積折合每公頃產(chǎn)量。

1.3.4果實(shí)品質(zhì) 于盛果期在每個(gè)處理小區(qū)隨機(jī)選取5～6 個(gè)果實(shí)，測定其常規(guī)品質(zhì)，分別采用蒽酮比色法測定可溶性糖、鉬藍(lán)比色法測定維生素C、NaOH 滴定法測定有機(jī)酸、水楊酸法測定硝酸鹽，使用糖度計(jì)測定可溶性固形物[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2021 對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)，使用Origin 2021 制圖，利用SPSS 26．0 進(jìn)行單因素方差分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施用量生物炭對蚯蚓糞基質(zhì)理化性質(zhì)和酶活性的影響

2.1.1不同施用量生物炭對蚯蚓糞基質(zhì)養(yǎng)分的影響由表1 可知，施用生物炭對基質(zhì)養(yǎng)分產(chǎn)生了顯著影響。隨著生物炭施用量的增加，基質(zhì)pH 持續(xù)升高，基質(zhì)中全氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比持續(xù)增長；速效氮和速效磷質(zhì)量比先增大后減小，T2 處理的值均最大。與CK 相比，T1—T4 處理的全氮質(zhì)量比分別增加6．16%、8．22%、9．59%、9．59%，速效氮質(zhì)量比分別增加57．45%、58．94%、49．96%、40．36%，速效磷 質(zhì) 量 比 分 別 增 加51．02%、53．78%、52．84%、51．58%，速效鉀質(zhì)量比分別增加30．43%、39．13%、41．90%、19．37% ， 有 機(jī) 質(zhì) 質(zhì) 量 比 分 別 增 加197．16%、273．20%、307．01%、340．79%。

表1 不同施用量生物炭對基質(zhì)養(yǎng)分的影響

2.1.2不同施用量生物炭對蚯蚓糞基質(zhì)酶活性的影響由表2 可知，施用生物炭顯著影響了基質(zhì)中酶的活性。隨著生物炭施用量的增加，基質(zhì)中脲酶活性呈先升高后降低趨勢，T3 處理的脲酶活性最大，蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性均呈增大趨勢。與CK 相比，T1—T4 處理的脲酶活性分別增大13．69%、1．58%、37．55%、4．46%，蔗糖酶活性分別增大4．69%、11．84%、12．74%、15．56%，堿性 磷 酸酶 活 性 分 別增 大6．67%、24．00%、40．95%、53．52%，過氧化氫酶活性分別增大0．68%、2．72%、4．08%、4．76%。

表2 不同施用量生物炭對基質(zhì)酶活性的影響

2.2 不同施用量生物炭對番茄植株生物量、果實(shí)產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)的影響

2.2.1不同施用量生物炭對番茄生長的影響 由表3 可知，各處理株高的相對生長速率和莖粗相對生長速率均有所增大，但各處理間無顯著差異。

表3 不同施用量生物炭對番茄植株株高及莖粗相對生長率的影響cm（/cm·d）

由圖1 可知，施用生物炭增大了番茄植株地上部和地下部干物質(zhì)量，隨著生物炭施用量的增加，地上部和地下部干物質(zhì)量均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。與CK 相比，T1—T4 處理的植株總生物量分別增加7.78%、12.53%、7.47%、4.12%，其中T2 處理的地下部干物質(zhì)量和總生物量最大。

圖1 不同施用量生物炭對番茄植株生物量積累的影響

2.2.2不同施用量生物炭對番茄產(chǎn)量的影響 由圖2 可知，添加生物炭可顯著增加番茄產(chǎn)量。T1—T4處理的產(chǎn)量均顯著高于CK，較CK 增長34.49%、44.08%、32.93%、23.34%，其中T2 處理的產(chǎn)量最高，為177 343.43 kg/hm2。

圖2 不同施用量生物炭對番茄產(chǎn)量的影響

2.2.3不同施用量生物炭對番茄品質(zhì)的影響 由圖3 可知，施用生物炭增加了番茄果實(shí)中維生素C、有機(jī)酸、可溶性固形物和可溶性糖的含量，提高了番茄品質(zhì)。隨著生物炭施用量的增加，果實(shí)中維生素C 質(zhì)量比呈持續(xù)增大趨勢，可溶性固形物和可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先增大后減小趨勢，但均高于CK。與對照相比，T1—T4 處理的維生素C 質(zhì)量比分別增加8.11%、19.97%、25.57%和48.63%，有機(jī)酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加4.77%、3.97%、10.90%和9.99%，可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加11.42%、14.58%、9.63%和6.88%，可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加19.24%、25.31%、19.58%和13.92%。

圖3 不同施用量生物炭對番茄品質(zhì)的影響

3 討論與結(jié)論

有研究表明，適量的生物炭可促進(jìn)作物生長[18]和干物質(zhì)積累[19]，其較大的表面積和吸附性還能提高土壤吸附養(yǎng)分的能力及保水性[20]，影響主根生長[21]，提高土壤pH 和有機(jī)質(zhì)含量[22]，進(jìn)而促進(jìn)作物生長，增加產(chǎn)量[23]。Lévesque 等[24]研究認(rèn)為，生物炭通過增加土壤養(yǎng)分含量對番茄果實(shí)品質(zhì)進(jìn)行調(diào)控。馬嘉偉等[25]通過試驗(yàn)得出，生物炭通過促進(jìn)作物根系生長和活力，增強(qiáng)作物對養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而影響作物體內(nèi)碳水化合物的合成與分配，提高作物品質(zhì)。

本試驗(yàn)表明，施用生物炭能顯著增加番茄植株干物質(zhì)量。原因可能是生物炭通過促進(jìn)生長素分泌增強(qiáng)植物細(xì)胞擴(kuò)增，使細(xì)胞壁松弛，從而促進(jìn)生物量累積[26]。蚯蚓糞基質(zhì)含有較高的氮、磷、鉀、鈣、鎂等利于植物吸收的養(yǎng)分，同時(shí)還含有可調(diào)節(jié)植物生長的激素和腐殖酸等[27]，生物炭可能提高了某些微生物活性和番茄根系活力，促進(jìn)了基質(zhì)中養(yǎng)分的釋放，改善了番茄根圈理化性質(zhì)并促進(jìn)了根部的營養(yǎng)吸收，使得番茄產(chǎn)量提高，果實(shí)中維生素C、可溶性固形物[28]、有機(jī)酸、可溶性糖含量增加。然而，生物炭對作物的增產(chǎn)效應(yīng)存在峰值[28]，施用過量的生物炭會(huì)影響基質(zhì)pH，導(dǎo)致基質(zhì)中氮素流失，降低氮素利用效率[29-30]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物炭顯著提高了基質(zhì)pH，T3、T4 處理的速效氮和速效磷質(zhì)量比降低，使番茄根系可吸收利用的養(yǎng)分減少。這可能是T3 和T4 處理產(chǎn)量及果實(shí)糖分含量低于T2 處理（但均高于CK 處理[31]）的直接原因。也可能是因?yàn)榇罅可锾繉?dǎo)致基質(zhì)中溶解有機(jī)碳增加，促使微生物與作物競爭基質(zhì)中的氮素，而生物炭對NO3--N 含量又存在極顯著負(fù)影響[32]。因此，生物炭通過調(diào)節(jié)基質(zhì)養(yǎng)分循環(huán)影響番茄產(chǎn)量。本試驗(yàn)得出，施用生物炭顯著增加了番茄果實(shí)有機(jī)酸含量，這與前人研究的結(jié)果[33-34]不一致；但也有研究表明，植物根系遭受脅迫時(shí)植株會(huì)分泌低分子量的有機(jī)酸[35]，施用高比例生物炭可能對番茄植株造成一定脅迫，使果實(shí)有機(jī)酸含量顯著增加。施用生物炭還顯著提高了基質(zhì)中有機(jī)質(zhì)的含量，這既為基質(zhì)微生物提供能源，增加其數(shù)量，增加酶的分泌[36]，生物炭較大的比表面積還可以吸附更多酶促反應(yīng)底物[37]，增加酶結(jié)合位點(diǎn)，提高酶活性。

綜上所述，生物炭通過調(diào)控基質(zhì)中養(yǎng)分含量實(shí)現(xiàn)番茄產(chǎn)量增長和果實(shí)品質(zhì)提升。當(dāng)生物炭施用量代替蚯蚓糞基質(zhì)中5%的總碳時(shí)，番茄產(chǎn)量最高，品質(zhì)最優(yōu)。