生物炭对不同地下水位番茄需水规律与产量的影响

邵光成 高 阳 林 洁 刘正军 黄豆豆

(1.河海大学农业工程学院， 南京 210098； 2.江宁区水务局， 南京 211100； 3.淮安区水利局， 淮安 223200；4.奉化区锦屏街道办事处， 宁波 315500)

0 引言

地下水是南方作物耗水的重要来源，对作物需水规律及生长发育起着重要作用[1]。SOPPE等[2]借助称重式蒸渗仪研究发现，当地下水埋深保持在1.5 m时，地下水补给量占红花日耗水量比例达到40%。大量研究表明，小麦产量和地下水埋深之间存在一定线性关系，当地下水埋深小于1 m时，小麦可获得较高产量[3]。而KAHLOWN等[4]研究发现，地下水埋深由3.0 m降至0.5 m时，地下水利用量(地下水补给量占作物耗水量的比例)达到峰值，而玉米产量降至1 t/hm2以下。地下水位过浅会使作物遭受渍害胁迫，对作物生理功能产生负面影响，甚至导致作物死亡[5]。由于季风气候影响，中国南方地区经常连续降雨或多次降雨，造成地下水持续高水位，导致作物受渍减产。因此，南方地区防治渍害的关键在于控制地下水位。

目前，南方避雨栽培区应对渍害胁迫的措施主要是农田排水，尤其是暗管排水[6]。但现有排水方式成本较高，需要持续投入和维护，如果排水系统运行和管理不完善，往往使作物受到不同程度渍害胁迫[7]。暗管排水在加快地下水回落的同时，也加剧了土壤养分流失[8]。渍后补施肥料和施用生长调节剂也是常用的应对办法，但是该方法不仅增加成本，而且易造成农田面源污染[9]。在实际生产中，探索低成本、绿色生态的新方法对南方地区作物优质高效生产具有重要意义。

生物炭是指杂草、秸秆等废弃生物质在缺氧或绝氧环境中，经热解炭化形成的富碳固态产物[10]。其丰富孔隙和较大比表面积[11-12]能够提高土壤孔隙率，降低容重和密度[13]，促进团聚体稳定[14]，有利于提高土壤持水量，减少土壤氮素损失，为作物生长提供良好环境[15-17]。因此，土壤中添加生物炭在农业上具有很高应用价值和环境效益。目前，有关生物炭研究主要集中在土壤改良、作物增产、温室气体减排和调控土壤微环境等方面[18-20]。而对不同地下水位下施加生物炭如何影响番茄生长、能否缓解地下水位过高造成的渍害胁迫等相关研究尚比较缺乏。本研究通过土柱试验，系统分析施加生物炭对不同地下水位作物产量及水分利用效率的影响，探讨施加生物炭缓解作物渍害胁迫可能性，为避雨环境农田地下水位管理提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试番茄品种为“金粉低架王”，按照传统生育期划分，将番茄整个生育期划分为苗期(4月6日—5月9日)、开花坐果期(5月10日—6月7日)和成熟采摘期(6月8日—7月19日)。试验使用生物炭为秸秆生物炭，热解温度550～600℃，碳化时间4～6 h，容重0.19 g/cm3，比表面积9 m2/g，总孔隙度67.03%，通气孔隙度12.87%，持水孔隙度61.10%，pH值为10.24，固定碳、速效磷、速效钾质量比分别为650、10.2、55.65 g/kg。

1.2 试验区概况

试验区位于河海大学水利部节水园区(北纬31°57′，东经118°50′)，属亚热带季风气候区，降水丰沛，多年平均降雨量为1 061.1 mm(东山站，1931—2017年)，最大年降雨量为2 015.2 mm，最大日降雨量为302.2 mm，但降雨量年内分配不均，多集中在汛期。汛期多年平均降雨量638.7 mm，占年平均降雨量百分比超过60%。试验区年平均气温15℃，最高气温43℃，最低气温-14℃，年平均日照时数为2 146 h，多年平均蒸发量为950.1 mm，平均风速3.5 m/s，平均无霜期为231 d。

1.3 试验设计

试验于2017年2—8月进行，2017年2月25日在温室内覆膜育苗，4月6日选取长势一致的良好幼苗移栽至土柱中，种植密度约为14 000株/hm2。同时在0～30 cm土层内施用复合肥(N、P2O5、K2O比例为15∶15∶15)400 kg/hm2，移栽后，每个土柱中各灌一次水，且灌水量相同，以保证幼苗成活率。

试验所用土柱高120 cm、内径30 cm、壁厚5 mm，从下往上依次装入细砂和粘壤土，分层压实。其中，细砂垫层高15 cm，与地下水观测管相连；粘壤土层高95 cm，土壤平均容重1.44 g/cm3，田间持水量31.5%(体积含水率)，pH值为7.2，速效氮质量比27.65 mg/kg，速效磷质量比12.5 mg/kg，砂粒(粒径0.02～2 mm)、粉粒(粒径0.002～0.02 mm)、黏粒(粒径0～0.002 mm)体积分数分别为29.4%、41.7%、28.9%。0～30 cm粘壤土层内掺有不同含量生物炭，距土面40、60、80 cm各设一排水孔，不同地下水位条件通过马氏瓶软管给土柱供水来控制，如图1所示。

图1 土柱及马氏瓶示意图Fig.1 Schematic of soil column and Marriotte bottle1.金属闸门 2.马氏瓶 3.塑料阀门 4.细砂垫层 5.粘壤土层 6.地下水观测管 7.掺有不同含量生物炭的粘壤土

试验设10个处理，无生物炭和地下水位控制的对照处理(CK)、2个生物炭处理(生物炭含量分别为5%和10%)和3个地下水位处理(地下水位分别为-40、-60、-80 cm)，每个处理重复3次，具体试验方案设计如表1所示。

1.4 观测内容与测定方法

在番茄全生育期内，每隔4 d测定一次土壤含水率，当土壤含水率低于70%田间持水量时，灌水至田间持水量，每次灌水前记录马氏瓶读数，马氏瓶读数差值即为地下水补给量。番茄开花坐果期和成熟采摘期两次灌水后，利用FJA-4型氧化还原电位去极化法自动测定系统测定灌水后5 d内土壤氧化还原电位值。

表1 避雨栽培番茄土柱试验方案设计Tab.1 Design of soil column experiment of tomato under rain shelter cultivation

本次试验中番茄为避雨栽培，因此在土壤水量平衡计算中不考虑降雨量，只考虑灌水量、地下水补给量和土壤计划湿润层储水量，其中灌水量通过量杯进行计量，地下水补给量以马氏瓶水位变化量进行折算，因此作物水分利用效率计算公式为

定理 1 假设{1,2,…,N}为一个等级群体,其中1是全局领导者并以恒定的速度运动。对任意t>0,若其中σ=max σi(i=1,2,…,N),则系统(1)可以达到群集运动。

WUE=Ya/ETa

(1)

式中WUE——作物水分利用效率，kg/m3

Ya——作物经济产量，t/hm2

ETa——作物实际耗水量，mm

果实成熟后，对各植株所有单果质量进行称量，累加得到每个处理果实产量。

1.5 数据处理

采用Excel 2007处理试验数据，并用Origin 9.0作图，对各处理结果运用SPSS 22.0进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对番茄需水规律的影响

从表2可以看出，在整个生育阶段内，各处理日均耗水量呈现出先增大后减小的变化规律：苗期较低，开花坐果期达到最大，成熟采摘期有所降低，这是由于番茄生长发育特点和外界环境综合影响所导致[21]。番茄总耗水量以无生物炭、无地下水的对照处理(CK)最大，达到315.58 mm，且与其他处理(T2～T10)存在显著差异。从苗期到成熟采摘期，施加等量生物炭，不同地下水位处理间番茄耗水量差异显著；而对于不同生物炭含量，耗水量由小到大均为G40、G60、G80。可见在生物炭含量相同情况下，地下水位越高番茄需水量越小。

表2 番茄全生育期耗水量及各生育阶段日均耗水量Tab.2 Water consumption and average daily water consumption during whole growth period of tomato

注：表中数据为每个处理3次重复的平均值，同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

不同地下水位条件下番茄耗水量对生物炭施加量响应规律一致，其由大到小表现为B0、B5、B10。对于不同地下水位，各生物炭处理对番茄耗水量影响存在差异，本研究发现生物炭保水作用随地下水位降低而有所削弱。在地下水位为-40 cm时，与B0处理相比，B5处理耗水量减少24.1%，B10处理耗水量减少28.7%；当地下水位下降至-80 cm时，在生物炭施加量由0增加至10%过程中，番茄耗水量减少幅度变小。

2.2 不同处理对地下水补给量的影响

不同处理番茄全生育期及各生育阶段内地下水补给量与地下水利用量见表3。在相同生物炭施加量条件下，地下水位越浅，其地下水补给量越大，地下水利用量也越大，由大到小表现为G40、G60、G80，其中G40处理与其余两个处理之间有显著差异，而地下水位较低的两个处理(G60、G80)之间总体上差异并不明显。这是因为地下水位过高，使得土壤含水率一直较高，导致灌水量较少。

从生物炭施加量上看，全生育期内，当地下水位为-40 cm时，生物炭施加量从0增加至10%，地下水利用量从14.78%逐渐增加至26.89%，增幅达到81.9%，地下水利用量随生物炭施加量增大而增大，当地下水位下降至-80 cm时，B10处理地下水利用量较B0处理增加26.8%。这与前面生物炭保水作用随地下水位下降而有所削弱的结论一致。

表3 番茄全生育期及各生育阶段地下水补给量Tab.3 Increment of groundwater during whole growth period of tomato

图2 番茄开花坐果期灌水后土壤氧化还原电位的动态变化曲线Fig.2 Dynamic changing curves of soil Eh after irrigation in blossoming and bearing fruits stage of tomato

图3 番茄成熟采摘期灌水后土壤氧化还原电位的动态变化曲线Fig.3 Dynamic changing curves of soil Eh after irrigation in fruit maturation stage of tomato

2.3 土壤氧化还原电位的动态变化

由图2和图3可见，番茄开花坐果期和成熟采摘期两次灌水后各处理土壤氧化还原电位动态变化基本一致，在每次灌水后土壤氧化还原电位会明显下降，灌水后第2天达到最小，不久又逐渐上升，恢复至正常水平。这是因为灌水后土壤含水率较高，处于还原状态，而番茄开花坐果期和成熟采摘期生长旺盛，蒸发蒸腾作用强烈，需水强度和蒸发强度大，土壤含水率下降得很快。由此可知，避雨栽培番茄根际土壤氧化还原电位受土壤含水率影响较大。

未添加生物炭时，土壤氧化还原电位对地下水位响应由小到大表现为G40、G60、G80，如图2a、2c、3a、3c所示，土壤氧化还原电位由小到大依次为T2、T3、T4，可见地下水位对土壤氧化还原电位的影响是通过改变土壤含水率来实现。从生物炭施加量来看，在地下水位为-40 cm条件下，开花坐果期与成熟采摘期土壤氧化还原电位变化趋势一致，由小到大表现为B0、B5、B10。由此表明，施用生物炭有助于改善土壤通气性能，生物炭含量越大，土壤通气性越好，土壤氧化还原电位也越大。

2.4 不同处理对番茄产量与水分利用效率的影响

不同处理对番茄产量及水分利用效率的影响如表4所示。方差分析发现，地下水位和生物炭添加对番茄产量影响均显著，而地下水位对水分利用效率影响不显著。对于不同生物炭施加量而言，番茄产量随地下水埋深增大而增加，其中T7、T9和T10处理产量均显著高于对照处理。相同地下水位下，产量随生物炭添加量增多而增加，与对照相比，地下水位调控下T2和T3处理产量虽均出现明显下降，但差异不显著；在地下水位为-40 cm时，B5和B10处理均明显高于B0处理，而且B10与B0处理之间出现显著差异， 施加生物炭的6种处理水分利用效率较对照均出现显著增加，但5%生物炭施加量条件下各处理间差异不显著。在无生物炭施加情况下，地下水位从-40 cm下降至-80 cm时，WUE由小到大表现为G40、G60、G80，上述结果表明，地下水位过高，会导致作物遭受渍害胁迫，致使作物产量减少和水分利用效率降低。生物炭施加量增至10%时，相同地下水位处理，其WUE均大于无生物炭添加处理。从地下水位和生物炭交互作用上看，番茄产量及水分利用效率受其影响不显著。

表4 不同生物炭及地下水位处理下番茄产量与水分利用效率Tab.4 Yield and water use efficiency of tomato under different biochar and groundwater table treatments

注：*表示在0.05水平差异显著。

3 讨论

3.1 地下水位对番茄需水规律及产量的影响

地下水位是作物生长发育重要因素，地下水位过深不利于植物从地下水中补充水分[22]。HUO等[23]利用HYDRUS-1D模拟地下水位持续稳定下降，发现当地下水埋深从1 m增加到4 m时，补给量明显减少，而当地下水埋深大于最大蒸发深度时，补给量保持稳定。本试验结果表明，地下水补给量随地下水位上升而逐渐增大，地下水利用量也与地下水位呈正相关，这与KARIMOV等[24]通过HYDRUS-1D数值模拟结果相一致。YANG等[25]认为，地下水位过度下降必然增加从地下水中吸收水分难度，减少作物对地下水利用，从而对作物生长及其从土壤中吸收养分产生不利影响。因此，由于水分供应不足，地下水过深会恶化植物生长环境，降低作物产量[26]。而浅层地下水在为作物提供更多所需水分同时，也可能由于土壤通气不良而使作物生长环境恶化[27-28]。浅层地下水可使作物根系生长缺氧而受抑制，影响作物生理过程，降低干物质积累[29-31]。本研究中，随地下水位上升，土壤氧化还原电位逐渐减小，番茄耗水量和产量也逐渐下降。其中，地下水位为-40 cm时，番茄受到一定程度渍害胁迫，不施加生物炭条件下，地下水位为-40 cm时，番茄减产最多，较对照处理减产28.6%，耗水量最少，土壤氧化还原电位最低。因此，地下水位过深或过浅都不利于作物生长[32-33]。GHAMARNIA等[34]对小麦进行试验研究发现，存在一个最优地下水埋深，使得小麦产量和地下水利用效率达到峰值。HUO等[35]也发现，正常灌溉条件下，小麦产量随地下水位下降先增加后减少，在地下水埋深为2.0 m时达到最大。本研究地下水位处理受场地因素限制设计较少，后续需针对地下水埋深开展研究，以便进一步明确最优地下水埋深。

3.2 生物炭对番茄需水规律及产量的影响

大量研究认为生物炭具有节水增产作用[36-38]。本研究设计两种生物炭施用量(5%、10%)，结果发现生物炭施用后，番茄全生育期耗水量减少，产量增加，水分利用效率提高。而且随生物炭施用量增加，耗水量逐渐减小，产量和水分利用效率逐渐增加，与XIAO等[39]2013年田间试验结果相一致。当地下水埋深控制在40 cm和60 cm时，10%生物炭施加量下，G40和G60处理产量均高于对照处理，表明生物炭添加能够缓解作物受渍而造成的减产。其原因可能在于生物炭可以改善土壤理化性质，增加土壤通气、透水性能，有利于作物根系发育[40]。本研究中，地下水位为-40 cm时，5%生物炭施加量下，土壤氧化还原电位和番茄产量分别提高6.4%和34.3%，且生物炭施加量越大，土壤氧化还原电位越大，从而反映出生物炭可以改善土壤通气性能。此外，生物炭本身含有一定量养分，施入土壤后，提高土壤养分含量[41]；另外，生物炭具有巨大比表面积和较强吸附性能，能够吸附土壤中滞留养分，减少土壤养分淋溶[42]。番茄耗水量减少主要是由于生物炭复杂孔隙结构和较强吸附性能，可以增强土壤持水能力，有效抑制表层土壤水分蒸发，从而减少土壤水损失[43]。也有研究发现过量生物炭反而会增加作物耗水量，减少产量和水分利用效率[44-46]。但张新学等[47]研究不同栽培模式下生物炭对马铃薯耗水量影响，得到相反结论，马铃薯耗水量随生物炭施用量先增加后减少。刘超等[48]在寒地黑土区进行生物炭试验发现，施加适量生物炭可以提高玉米日耗水量和全生育期耗水量。而张妙[49]指出在黄绵土上施加生物炭，玉米地上生物量、籽粒质量、穗粒数和水分利用效率显著降低。LIU等[50]研究表明，在酸性土壤中生物炭对马铃薯产量和水分利用效率均有不利影响。因此，生物炭节水增产作用要依据土壤质地、作物种类和生物炭施用量等因素综合考虑。此外，目前生物炭节水效应研究多集中于“节流”[15,43,46]，而本文从“开源”出发，探究生物炭能否提高作物对地下水利用效率，研究发现施用生物炭可以提高地下水补给量，而且地下水补给量随生物炭施加量增大而增大。地下水补给量增加，降低灌溉需求，使得灌水量减少[4]，在实际生产中，对节约农业用水具有重要意义。

3.3 生物炭对不同地下水位下番茄的影响

已有研究表明生物炭可以缓解作物渍害胁迫[51]，本研究发现，当地下水位为-40 cm时，与B0处理相比，B10处理产量和水分利用效率分别提高56.7%和120.6%，而当地下水位为-60 cm时，B10处理产量和水分利用效率增幅变为41.7%和75.9%。对于不同地下水位，生物炭对番茄需水规律影响也存在差异。地下水位由-40 cm降至-80 cm，B10处理耗水量较B0处理减幅由28.7%降至7.9%，地下水利用量增幅由81.9%降至26.8%。因此渍害胁迫越严重，生物炭缓解作物渍害胁迫作用越强，节水效应越显著。不过，与对照相比， -40 cm地下水位和10%生物炭施加量组合(T8处理)节水效果最显著，但产量增加并不显著，而-80 cm地下水位和10%生物炭施加量组合(T10处理)产量增加显著，但节水效果并不显著。因此，适宜地下水位和适当生物炭施加量组合最为经济合理。本研究中，T7处理为最佳组合，与对照相比，各项指标差异显著，耗水量减少11.4%，产量和水分利用效率分别增加38.7%、56.6%。

此外，本研究发现，生物炭施加与否，WUE对地下水位响应规律略有不同。未添加生物炭时，番茄水分利用效率随地下水位下降而增加。而在生物炭添加情况下，WUE由大到小表现为G40、G60、G80，这可能是因为当地下水埋深较浅时，上层土壤中生物炭可吸收一部分水分，而表层土壤水分蒸发时，生物炭可释放之前吸收水分，使土壤水分总体达到一个相对平衡状态，进而提高番茄水分利用效率，该问题需要通过对番茄生育期内土壤含水率监测作进一步试验研究论证。

4 结论

(1)适宜地下水位有助于提高作物产量和水分利用效率。地下水位越浅，地下水补给量占作物耗水量比例越大，作物受到渍害胁迫越严重，导致番茄产量减少、水分利用效率降低。地下水位为-40 cm时，番茄渍害胁迫较严重，其产量较对照处理减少28.6%，而-80 cm地下水位下，番茄产量增加2.59 t/hm2，水分利用效率提高3.71 kg/m3。

(2)施加生物炭可以缓解作物渍害胁迫，抑制作物耗水量，增加地下水利用量。地下水埋深为40 cm时，施加5%生物炭可使土壤氧化还原电位和产量增加，分别提高6.4%和34.3%。相同地下水位条件下，B10处理耗水量最少，地下水利用量最大，产量和水分利用效率最高，分别为155.75 mm、26.89%、156.77 t/hm2和100.99 kg/m3。

(3)相同生物炭施加量下，地下水位越浅，生物炭节水增产效应越显著。但地下水位和生物炭互作效应对番茄产量及水分利用效率影响均不显著。-80 cm地下水位和5%生物炭施加量组合最为适宜，与对照相比，各项指标差异显著，耗水量减少11.4%，产量和水分利用效率分别增加38.7%、56.6%。