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生物炭改善大棚番茄水肥利用的效果及机理

郭丽丽  
【摘要】:不合理的水肥应用模式会导致水肥资源的严重浪费和环境污染,也会导致土壤肥力下降,影响农作物生长和产量。生物炭作为一种土壤改良剂,可以促进土壤有效养分转化,促进作物生长和提高作物产量。番茄营养丰富味道鲜美,深受人们喜爱,是广泛栽培的蔬菜之一。但生物炭对提高番茄水肥利用效率的影响及作用机制尚不明确。本研究采用大棚番茄试验和盆栽番茄试验相结合的方式,探讨了不同生物炭添加量对土壤性质、番茄生长生理状况、产量和品质的影响,揭示了生物炭对提高番茄水肥利用效率的内在作用机理,并取得如下主要结论。(1)生物炭促进土壤水稳性大团聚体的形成,增加根层土壤含水量,提高土壤保水保肥能力添加生物炭显著增加了土壤水稳性团聚体含量,提高了土壤的持水能力。当生物炭添加量大于10 t/hm~2时,土壤机械稳定性微团聚体易聚集形成机械稳定性大团聚体,显著促进土壤水稳性粗大团聚体含量的增加;生物炭对土壤水稳性小、微团聚体含量的影响较小;当生物炭添加量为30、50或者70 t/hm~2时,最有利于土壤团聚体的稳定性。土壤含水量随生物炭添加量的增加呈先增后减的趋势,当生物炭添加量为50t/hm~2时,土壤含水量最大。生物炭添加15d后对塿土pH值有很大影响。生物炭添加量为30~90 t/hm~2时,塿土pH值比对照处理增加了2.30%~9.55%,随着时间的延长,生物炭对塿土pH值的影响逐渐变小。生物炭处理的砂壤土pH值较对照处理显著提高了22.84%。添加生物炭显著增加土壤速效钾含量,提高了根区0~60cm土层速效氮含量,降低了70~100cm土层的速效氮含量。生物炭增强浅层土壤保水保肥能力,减少了土壤养分淋溶损失风险,提高氮素利用效率。(2)添加生物炭显著提高土壤酶活性,改变土壤微生物群落组成,提高土壤微生物量碳氮含量,促进土壤养分转化添加生物炭显著提高了土壤脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性,增加了土壤细菌、真菌、放线菌和硝化细菌数量,且均随着生物炭添加量的增加呈先增后减的趋势。生物炭对春夏茬番茄土壤酶活性的影响大于秋冬茬,且当生物炭添加量为30或50 t/hm~2时,土壤酶活性最大。生物炭对春夏茬番茄土壤微生物数量的影响大于秋冬茬,收获期的影响效果最显著。生物炭添加量为30或50 t/hm~2时,土壤细菌、真菌、放线菌和硝化细菌数量最大,反硝化细菌数量最小。生物炭添加量大于10t/hm~2时,显著增加了土壤微生物量碳(MBC)和土壤微生物量氮(MBN)含量,显著降低了微生物量碳氮比(MBC/N)。(3)添加生物炭显著改善番茄叶片光合特性,提高番茄木质汁液pH,不会影响番茄生理信号传导,提高番茄干物质累积添加生物炭显著提高了番茄不同生育阶段的叶片光合特性。总体上,生物炭添加量为30 t/hm~2时,叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素达到最大值,且分别较对照增加了18.81%、24.67%、18.38%和18.83%;添加生物炭显著提高了番茄叶片光合气体交换参数,随生物炭添加量的增加呈先升后降趋势,当生物炭添加量为50 t/hm~2时,叶片光合气体交换能力最强,比对照平均增加13.66%~39.43%。生物炭增加了土壤pH值,进而导致番茄木质部汁液pH值增加,但其不会促进脱落酸(ABA)信号由木质部向叶片进行传导,因此,在亏缺灌溉期间不会因诱导叶片气孔闭合而抑制番茄叶片光合气体交换,进而不会影响番茄的光合特性。(4)添加生物炭显著促进番茄植株生长,改善番茄品质,提高番茄产量和水肥利用效率生物炭加快了番茄的生长速度,番茄株高、茎粗、根系生长状况和干物质累积量均随生物炭增加呈先升后降的趋势,生物炭添加量为50 t/hm~2时,番茄株高、茎粗、根长和根表面积均最大,比对照增加7.33%~73.20%;生物炭添加量为30 t/hm~2时,根直径和根体积最大,分别比对照增加47.37%和57.99%。生物炭降低了番茄有机酸含量,提高了可溶性糖、糖酸比、番茄红素和维生素C(VC),生物炭添加量为50 t/hm~2时,可溶性糖和VC含量最大,分别比对照增加16.78%和28.78%;生物炭添加量为30 t/hm~2时,番茄糖酸比和番茄红素最大,分别比对照增加43.27%和23.37%。添加生物炭显著增加了番茄产量,提高了番茄水分利用效率(WUE)和氮肥偏生产力(PFP),且均随着生物炭添加量的增加呈先升后降趋势,当生物炭添加量为50 t/hm~2时,番茄产量、WUE和PFP达到最大值,分别比对照增加43.46%、45.33%和43.46%,番茄植株全氮、全磷和全钾含量也最大,分别比对照增加68.8%、71.12%和56.26%。生物炭提高了土壤对作物的水肥供应能力,尤其是提高了能被作物根系吸收利用的有效水量和有效肥量,可以通过添加生物炭实现降低作物灌水定额和施肥定额的目标。(5)综合分析土壤中添加生物炭的影响,并提出大棚较适宜的生物炭添加量生物炭主要通过改善土壤理化性质,土壤微生物活性、土壤结构,增加了土壤对作物的水分、养分供应能力,促进土壤养分转化;同时,由于生物炭通过增加植株耗水量和改善植株水分状况(叶水势和根系导水率),提高了番茄叶片光合气体交换能力,促进番茄植株对土壤养分的吸收利用及转运,增加了番茄干物质累积量,提高番茄的产量和水氮利用效率。本研究通过建立多维非线性回归模型,在综合考虑番茄优质高产、高经济效益、水肥资源高效利用和环境保护的基础上,提出了生物炭适宜添加量为30 t/hm~2、氮肥配施量为210 kg/hm~2的建议。


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