生物炭基质对番茄幼苗生长及光合特性的影响

朱优矫 李文庆 田晓飞

生物炭基质对番茄幼苗生长及光合特性的影响

朱优矫 李文庆 田晓飞

为了探讨生物炭作为蔬菜育苗基质的可行性，采用穴盘育苗研究了不同基质（草炭、堆肥、蛭石、生物炭、生物炭+堆肥、生物炭+草炭）对番茄幼苗生物性状、光合特性及养分吸收的影响。试验结果表明，生物炭作为基质单独施用可以明显提高番茄幼苗株高、茎粗和光合速率；生物炭+堆肥以及生物炭+草炭配施在干物质积累和壮苗指数方面，比生物炭、堆肥差，但比草炭和蛭石效果好；生物炭+堆肥配施可以提高番茄的蒸腾速率与根系活力，分别比其他处理高3.73%～ 45.35%和3.55%～172.50%；生物炭+草炭配施能够改善番茄叶片早期SPAD值。

李其友 男，武汉市农业科学技术研究院作物科学研究所所长、高级工程师，全国瓜菜工厂化育苗产业技术创新战略联盟理事长、湖北省园艺学会理事、湖北省西甜瓜协会理事、中国蔬菜协会种苗分会理事。引进、消化、吸收美国speeding公司工厂化穴盘育苗技术，促进了武汉地区芦笋结构调整和小型礼品西瓜产业化发展，将穴盘育苗发展成了企业集群，嫁接、育苗技术走在全国前列。参与农业部公益性行业农业科研专项《设施农业高效育苗标准化生产工艺与配套设备研究与示范》，主持省市4项科研项目，取得2项发明专利、6项实用新型专利、发表论文10余篇，主编《西瓜、甜瓜设施栽培》一书。获得湖北省科技进步一等奖、三等奖，农业部丰收二等奖、武汉市科技进步二等奖，曾被评为湖北省第六届优秀科技副县长，2014年被湖北日报传媒集团联合省发改委、科技厅、农业厅评为2012-2013“湖北三农杰出人物”。

因盐分积累、养分比例失调、土壤生态系统被破坏等问题而导致的土传病害是保护地蔬菜栽培存在的突出问题[1～5]。土传病害的发生会导致蔬菜产量降低、品质下降，成为制约蔬菜保护地栽培可持续发展的重要因素。无土栽培是指不用土壤而采用固体基质或单独用营养液栽培作物，其能为植物提供稳定协调的水肥条件，实现养分和水分的同步按需供应，因而能最大限度地满足作物对水肥的需求，是一种高产的蔬菜栽培方式[6～9]。另外，该栽培方式也使灭菌更加容易，方便控制病害，因此近年来各种形式的无土栽培兴起。但传统无土栽培基质如草炭、蛭石与珍珠岩等皆为不可再生资源，随着开采量的加大会面临资源枯竭问题，因此探讨其他可替代的基质十分必要。

生物炭是由生物质在缺氧条件下经热裂解炭化而成的一类以单质碳为主的黑色固体物质[10～12]，其疏松多孔，保水性能良好，其中的碳又具有极低的矿化率，因而能固定大气中的碳素[13～18]。将生物炭用于无土栽培，不仅可解决传统基质不足的问题，还可以缓解温室效应。近年来开始将生物炭作为基质添加料施用（比例不超过50%），而将生物炭单独作为基质的研究尚未见报道，本研究将生物炭单独作为基质施用，并与其他基质作比较，以期为以后的基质配方研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试生物炭以花生壳为原料制备而成，裂解温度350℃，裂解时间2 h。供试蛭石、草炭和有机堆肥均为市场购得，其基本理化性质如表1所示。

表1 试验用基质的基本理化性质

供试育苗穴盘为32穴黑色塑料长方形穴盘，穴孔深58 mm，上口径53 mm×53 mm，下口径27 mm× 27 mm，单穴容积约110 mL。所用营养液为霍格兰和阿农通用营养液配方。

1.2 试验设计

试验共设6个处理，基质配方如下：草炭（CT）；堆肥（DF）；蛭石（ZS）；生物炭（BC）；50%生物炭+ 50%堆肥 （BCDF）；50%生物炭+50%草炭（BCCT）。各处理每隔3 d浇灌1次营养液，每次浇灌20 mL。每个处理重复6次，各处理随机排列。

1.3 测定项目与方法

①基质理化性质测定 将水与基质按体积比5∶1浸提，然后离心30 min取上清液，测定其pH值和电导率（EC值）。pH值用pH计测定，电导率用电导率仪测定。全氮、全磷含量采用H2O2-H2SO4消煮流动注射仪测定，全钾含量采用火焰光度计测定。

②植株生物性状指标测定 于2015年5月10日播种，5月17日出苗，出苗10 d后定期测定株高、茎粗和叶绿素含量。株高采用直尺测量；茎粗采用游标卡尺测量；叶绿素含量 （SPAD值）采用SPAD-502叶绿素仪测定，统一选择从上往下第4片展开叶测定，每片叶测定5次并取其平均值。

③植株光合指标测定 在番茄播种后第50天用便携式光合仪测定最大叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间 CO2浓度（Ci）与蒸腾速率（E）。测定时使用开放式气路，内置光源光强为1 000 μmol·s-1·m-2。每片叶片测定5次并取其平均值。

④植株养分吸收指标测定 定植前（2015年7月3日）分2次取样，分别用于测定根系活力与根、地上部干物质质量，并计算壮苗指数和根冠比，其中壮苗指数=（茎粗/株高+根干质量/地上部干质量）×全株干质量，根冠比=根干质量/地上部干质量。根系活力采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法测定；将植株在105℃杀青30 min后，70℃烘干称重，测定其生物量；植株全氮、全磷、全钾含量测定方法同1.3①。

1.4 数据与处理

采用SAS 8.2统计分析软件进行ANOVA方差分析及邓肯氏差异显著性检验，并用 Microsoft Excel 2007软件作图。

图1 不同处理番茄幼苗株高

图2 定植前不同处理番茄幼苗茎粗

2 结果与分析

2.1 生物炭基质对番茄幼苗长势的影响

①对番茄幼苗株高的影响 生物炭明显提高了番茄株高（图1）。播种后第21天时，各处理长势基本一致，蛭石处理株高略低。随着番茄幼苗生长，生物炭单施渐显优势，播种后第51天时，生物炭单施处理幼苗株高最高，较草炭、堆肥、蛭石分别高17.39%、37.30%、40.88%；在养分管理基本一致的情况下，生物炭+堆肥配施以及生物炭+草炭配施均比堆肥、草炭单施番茄植株高，这说明生物炭的加入能改善番茄的株高，更好地调节番茄植株的生长。

②对番茄幼苗茎粗的影响 生物炭对番茄茎粗也有一定的促进作用（图2）。生物炭单施处理的茎粗最高，与草炭、堆肥单施处理相比差异不明显，比蛭石处理高8.47%。生物炭与其他基质配施的茎粗基本一致，差异不明显，这表明生物炭单施对番茄茎粗有一定的促进作用，但与其他基质配施相比则促进作用不明显。

表2 番茄幼苗干物质积累、根冠比和壮苗指数

③对番茄幼苗壮苗指数、干物质积累和根冠比的影响 施用生物炭能够提高番茄幼苗的壮苗指数（表2）。生物炭单施处理番茄壮苗指数较蛭石单施处理高194.34%，且差异显著，而与草炭单施及堆肥单施处理则差异不显著。

施用生物炭能够促进番茄干物质总量的积累。生物炭单施处理较蛭石单施高62.94%，且差异达显著水平，但与草炭单施、蛭石单施相比均无显著差异。生物炭+草炭、生物炭+堆肥的干物质总量比生物炭、堆肥单施低。番茄地上部干物质总量以及根干物质总量的趋势与番茄全株干物质总量基本相同，这表明生物炭对番茄植株地上部分与地下部分具有相同的影响。

生物炭的施用能够提高番茄植株的根冠比。生物炭单施处理番茄根冠比比蛭石单施处理高107.69%，且差异达显著水平，但与其他处理相比差异均未达显著水平。生物炭+堆肥配施和生物炭+草炭配施接近，两者与其他处理相比差异均不显著。这表明生物炭的施用能够使番茄根系发达，有利于为植株生长供应充足的水分与养分。

表3 不同处理番茄幼苗叶片SPAD值

表4 不同处理番茄幼苗的光合指数

图3 定植前不同处理番茄根系活力

2.2 生物炭基质对番茄叶片光合特性的影响

①对番茄叶片叶绿素含量的影响 叶绿素含量是反映植物叶片光合能力及植株健康状态的主要指标[19]。研究结果表明，生物炭对番茄幼苗叶片叶绿素含量有一定的影响 （表3），播种后第21天时，生物炭+堆肥配施处理叶片 SPAD值最低（41.97），其次为生物炭单施处理（42.77），叶绿素含量最高的是生物炭+草炭配施处理（55.00）。随着生长时间的延长，各处理幼苗叶片趋于成熟，到51 d时各处理间均无显著差异。在番茄整个幼苗生长期，叶片SPAD值均以生物炭+草炭配施处理最高，这表明生物炭与草炭配施更能促进番茄幼苗的生长，更利于番茄叶片早期光合作用和干物质积累。

②对番茄叶片光合指标的影响 光合作用是植物生长和物质积累的基础，对植物生长发育具有重要意义[19]。叶片光合速率以生物炭单施处理最高，其次为生物炭与堆肥配施处理，生物炭与草炭配施处理最低（表4）。不同处理间叶片气孔导度均无显著差异。生物炭与堆肥配施处理叶片胞间CO2浓度最低，说明生物炭与堆肥配施能够将胞间CO2更多地用于光合作用。生物炭和生物炭与堆肥配施处理蒸腾速率较高，较蛭石以外的其他处理增加22.34%～96.85%，表明生物炭能够更好地促进番茄苗期叶片生长，提高其蒸腾速率。

2.3 生物炭基质对番茄根系活力的影响

生物炭单施处理的根系活力比草炭和蛭石处理分别高113.82%和72.64%，但却比堆肥处理低18.75%，与三者的差异均达显著水平（图3）。各处理中以生物炭与堆肥配施的根系活力最高，分别比草炭、蛭石和生物炭高172.50%、120.02%和27.44%，差异明显；生物炭与草炭配施的根系活力较低，分别比堆肥和生物炭低56.70%和46.95%，且差异明显。这表明生物炭与堆肥配施可以提高番茄根系活力，促进番茄的根系生长，而生物炭+草炭配施对番茄根系活力具有抑制作用。

3 结论

生物炭作为基质单独施用，可以明显提高番茄幼苗株高和光合速率，分别比草炭、堆肥、蛭石处理高17.39%～40.88%和10.12%～20.74%；生物炭+堆肥配施能有效提高番茄叶蒸腾速率，分别比草炭、堆肥、蛭石处理高22.34%、36.16%和2.34%；生物炭+草炭配施明显改善了番茄叶片SPAD值，在整个番茄幼苗期均保持最高水平。因此，生物炭无论单施还是与其他基质配施都有与其他基质相似甚至更好的维持番茄幼苗生长的效果。

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10.3865/j.issn.1001-3547.2016.22.009

山东省发展计划项目（2013GNC11309）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2014BAD16B02）

朱优矫，土肥资源高效利用国家工程实验室，山东农业大学资源与环境学院，271018，

电话：15552830729，E-mail：zyj00111@163.com

田晓飞，土肥资源高效利用国家工程实验室，山东农业大学资源与环境学院

李文庆，通信作者，土肥资源高效利用国家工程实验室，山

资源与环境学院，E-mail：wqli@sdau.edu.cn

2016-04-26