生物炭對不同地下水位番茄需水規(guī)律與產(chǎn)量的影響

邵光成 高 陽 林 潔 劉正軍 黃豆豆

(1.河海大學農(nóng)業(yè)工程學院， 南京 210098； 2.江寧區(qū)水務(wù)局， 南京 211100； 3.淮安區(qū)水利局， 淮安 223200；4.奉化區(qū)錦屏街道辦事處， 寧波 315500)

0 引言

地下水是南方作物耗水的重要來源，對作物需水規(guī)律及生長發(fā)育起著重要作用[1]。SOPPE等[2]借助稱重式蒸滲儀研究發(fā)現(xiàn)，當?shù)叵滤裆畋３衷?.5 m時，地下水補給量占紅花日耗水量比例達到40%。大量研究表明，小麥產(chǎn)量和地下水埋深之間存在一定線性關(guān)系，當?shù)叵滤裆钚∮? m時，小麥可獲得較高產(chǎn)量[3]。而KAHLOWN等[4]研究發(fā)現(xiàn)，地下水埋深由3.0 m降至0.5 m時，地下水利用量(地下水補給量占作物耗水量的比例)達到峰值，而玉米產(chǎn)量降至1 t/hm2以下。地下水位過淺會使作物遭受漬害脅迫，對作物生理功能產(chǎn)生負面影響，甚至導致作物死亡[5]。由于季風氣候影響，中國南方地區(qū)經(jīng)常連續(xù)降雨或多次降雨，造成地下水持續(xù)高水位，導致作物受漬減產(chǎn)。因此，南方地區(qū)防治漬害的關(guān)鍵在于控制地下水位。

目前，南方避雨栽培區(qū)應對漬害脅迫的措施主要是農(nóng)田排水，尤其是暗管排水[6]。但現(xiàn)有排水方式成本較高，需要持續(xù)投入和維護，如果排水系統(tǒng)運行和管理不完善，往往使作物受到不同程度漬害脅迫[7]。暗管排水在加快地下水回落的同時，也加劇了土壤養(yǎng)分流失[8]。漬后補施肥料和施用生長調(diào)節(jié)劑也是常用的應對辦法，但是該方法不僅增加成本，而且易造成農(nóng)田面源污染[9]。在實際生產(chǎn)中，探索低成本、綠色生態(tài)的新方法對南方地區(qū)作物優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)具有重要意義。

生物炭是指雜草、秸稈等廢棄生物質(zhì)在缺氧或絕氧環(huán)境中，經(jīng)熱解炭化形成的富碳固態(tài)產(chǎn)物[10]。其豐富孔隙和較大比表面積[11-12]能夠提高土壤孔隙率，降低容重和密度[13]，促進團聚體穩(wěn)定[14]，有利于提高土壤持水量，減少土壤氮素損失，為作物生長提供良好環(huán)境[15-17]。因此，土壤中添加生物炭在農(nóng)業(yè)上具有很高應用價值和環(huán)境效益。目前，有關(guān)生物炭研究主要集中在土壤改良、作物增產(chǎn)、溫室氣體減排和調(diào)控土壤微環(huán)境等方面[18-20]。而對不同地下水位下施加生物炭如何影響番茄生長、能否緩解地下水位過高造成的漬害脅迫等相關(guān)研究尚比較缺乏。本研究通過土柱試驗，系統(tǒng)分析施加生物炭對不同地下水位作物產(chǎn)量及水分利用效率的影響，探討施加生物炭緩解作物漬害脅迫可能性，為避雨環(huán)境農(nóng)田地下水位管理提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試番茄品種為“金粉低架王”，按照傳統(tǒng)生育期劃分，將番茄整個生育期劃分為苗期(4月6日—5月9日)、開花坐果期(5月10日—6月7日)和成熟采摘期(6月8日—7月19日)。試驗使用生物炭為秸稈生物炭，熱解溫度550～600℃，碳化時間4～6 h，容重0.19 g/cm3，比表面積9 m2/g，總孔隙度67.03%，通氣孔隙度12.87%，持水孔隙度61.10%，pH值為10.24，固定碳、速效磷、速效鉀質(zhì)量比分別為650、10.2、55.65 g/kg。

1.2 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于河海大學水利部節(jié)水園區(qū)(北緯31°57′，東經(jīng)118°50′)，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，降水豐沛，多年平均降雨量為1 061.1 mm(東山站，1931—2017年)，最大年降雨量為2 015.2 mm，最大日降雨量為302.2 mm，但降雨量年內(nèi)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過60%。試驗區(qū)年平均氣溫15℃，最高氣溫43℃，最低氣溫-14℃，年平均日照時數(shù)為2 146 h，多年平均蒸發(fā)量為950.1 mm，平均風速3.5 m/s，平均無霜期為231 d。

1.3 試驗設(shè)計

試驗于2017年2—8月進行，2017年2月25日在溫室內(nèi)覆膜育苗，4月6日選取長勢一致的良好幼苗移栽至土柱中，種植密度約為14 000株/hm2。同時在0～30 cm土層內(nèi)施用復合肥(N、P2O5、K2O比例為15∶15∶15)400 kg/hm2，移栽后，每個土柱中各灌一次水，且灌水量相同，以保證幼苗成活率。

試驗所用土柱高120 cm、內(nèi)徑30 cm、壁厚5 mm，從下往上依次裝入細砂和粘壤土，分層壓實。其中，細砂墊層高15 cm，與地下水觀測管相連；粘壤土層高95 cm，土壤平均容重1.44 g/cm3，田間持水量31.5%(體積含水率)，pH值為7.2，速效氮質(zhì)量比27.65 mg/kg，速效磷質(zhì)量比12.5 mg/kg，砂粒(粒徑0.02～2 mm)、粉粒(粒徑0.002～0.02 mm)、黏粒(粒徑0～0.002 mm)體積分數(shù)分別為29.4%、41.7%、28.9%。0～30 cm粘壤土層內(nèi)摻有不同含量生物炭，距土面40、60、80 cm各設(shè)一排水孔，不同地下水位條件通過馬氏瓶軟管給土柱供水來控制，如圖1所示。

圖1 土柱及馬氏瓶示意圖Fig.1 Schematic of soil column and Marriotte bottle1.金屬閘門 2.馬氏瓶 3.塑料閥門 4.細砂墊層 5.粘壤土層 6.地下水觀測管 7.摻有不同含量生物炭的粘壤土

試驗設(shè)10個處理，無生物炭和地下水位控制的對照處理(CK)、2個生物炭處理(生物炭含量分別為5%和10%)和3個地下水位處理(地下水位分別為-40、-60、-80 cm)，每個處理重復3次，具體試驗方案設(shè)計如表1所示。

1.4 觀測內(nèi)容與測定方法

在番茄全生育期內(nèi)，每隔4 d測定一次土壤含水率，當土壤含水率低于70%田間持水量時，灌水至田間持水量，每次灌水前記錄馬氏瓶讀數(shù)，馬氏瓶讀數(shù)差值即為地下水補給量。番茄開花坐果期和成熟采摘期兩次灌水后，利用FJA-4型氧化還原電位去極化法自動測定系統(tǒng)測定灌水后5 d內(nèi)土壤氧化還原電位值。

表1 避雨栽培番茄土柱試驗方案設(shè)計Tab.1 Design of soil column experiment of tomato under rain shelter cultivation

本次試驗中番茄為避雨栽培，因此在土壤水量平衡計算中不考慮降雨量，只考慮灌水量、地下水補給量和土壤計劃濕潤層儲水量，其中灌水量通過量杯進行計量，地下水補給量以馬氏瓶水位變化量進行折算，因此作物水分利用效率計算公式為

定理 1 假設(shè){1,2,…,N}為一個等級群體,其中1是全局領(lǐng)導者并以恒定的速度運動。對任意t>0,若其中σ=max σi(i=1,2,…,N),則系統(tǒng)(1)可以達到群集運動。

WUE=Ya/ETa

(1)

式中WUE——作物水分利用效率，kg/m3

Ya——作物經(jīng)濟產(chǎn)量，t/hm2

ETa——作物實際耗水量，mm

果實成熟后，對各植株所有單果質(zhì)量進行稱量，累加得到每個處理果實產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007處理試驗數(shù)據(jù)，并用Origin 9.0作圖，對各處理結(jié)果運用SPSS 22.0進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對番茄需水規(guī)律的影響

從表2可以看出，在整個生育階段內(nèi)，各處理日均耗水量呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律：苗期較低，開花坐果期達到最大，成熟采摘期有所降低，這是由于番茄生長發(fā)育特點和外界環(huán)境綜合影響所導致[21]。番茄總耗水量以無生物炭、無地下水的對照處理(CK)最大，達到315.58 mm，且與其他處理(T2～T10)存在顯著差異。從苗期到成熟采摘期，施加等量生物炭，不同地下水位處理間番茄耗水量差異顯著；而對于不同生物炭含量，耗水量由小到大均為G40、G60、G80?？梢娫谏锾亢肯嗤闆r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階段日均耗水量Tab.2 Water consumption and average daily water consumption during whole growth period of tomato

注：表中數(shù)據(jù)為每個處理3次重復的平均值，同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

不同地下水位條件下番茄耗水量對生物炭施加量響應規(guī)律一致，其由大到小表現(xiàn)為B0、B5、B10。對于不同地下水位，各生物炭處理對番茄耗水量影響存在差異，本研究發(fā)現(xiàn)生物炭保水作用隨地下水位降低而有所削弱。在地下水位為-40 cm時，與B0處理相比，B5處理耗水量減少24.1%，B10處理耗水量減少28.7%；當?shù)叵滤幌陆抵?80 cm時，在生物炭施加量由0增加至10%過程中，番茄耗水量減少幅度變小。

2.2 不同處理對地下水補給量的影響

不同處理番茄全生育期及各生育階段內(nèi)地下水補給量與地下水利用量見表3。在相同生物炭施加量條件下，地下水位越淺，其地下水補給量越大，地下水利用量也越大，由大到小表現(xiàn)為G40、G60、G80，其中G40處理與其余兩個處理之間有顯著差異，而地下水位較低的兩個處理(G60、G80)之間總體上差異并不明顯。這是因為地下水位過高，使得土壤含水率一直較高，導致灌水量較少。

從生物炭施加量上看，全生育期內(nèi)，當?shù)叵滤粸?40 cm時，生物炭施加量從0增加至10%，地下水利用量從14.78%逐漸增加至26.89%，增幅達到81.9%，地下水利用量隨生物炭施加量增大而增大，當?shù)叵滤幌陆抵?80 cm時，B10處理地下水利用量較B0處理增加26.8%。這與前面生物炭保水作用隨地下水位下降而有所削弱的結(jié)論一致。

表3 番茄全生育期及各生育階段地下水補給量Tab.3 Increment of groundwater during whole growth period of tomato

圖2 番茄開花坐果期灌水后土壤氧化還原電位的動態(tài)變化曲線Fig.2 Dynamic changing curves of soil Eh after irrigation in blossoming and bearing fruits stage of tomato

圖3 番茄成熟采摘期灌水后土壤氧化還原電位的動態(tài)變化曲線Fig.3 Dynamic changing curves of soil Eh after irrigation in fruit maturation stage of tomato

2.3 土壤氧化還原電位的動態(tài)變化

由圖2和圖3可見，番茄開花坐果期和成熟采摘期兩次灌水后各處理土壤氧化還原電位動態(tài)變化基本一致，在每次灌水后土壤氧化還原電位會明顯下降，灌水后第2天達到最小，不久又逐漸上升，恢復至正常水平。這是因為灌水后土壤含水率較高，處于還原狀態(tài)，而番茄開花坐果期和成熟采摘期生長旺盛，蒸發(fā)蒸騰作用強烈，需水強度和蒸發(fā)強度大，土壤含水率下降得很快。由此可知，避雨栽培番茄根際土壤氧化還原電位受土壤含水率影響較大。

未添加生物炭時，土壤氧化還原電位對地下水位響應由小到大表現(xiàn)為G40、G60、G80，如圖2a、2c、3a、3c所示，土壤氧化還原電位由小到大依次為T2、T3、T4，可見地下水位對土壤氧化還原電位的影響是通過改變土壤含水率來實現(xiàn)。從生物炭施加量來看，在地下水位為-40 cm條件下，開花坐果期與成熟采摘期土壤氧化還原電位變化趨勢一致，由小到大表現(xiàn)為B0、B5、B10。由此表明，施用生物炭有助于改善土壤通氣性能，生物炭含量越大，土壤通氣性越好，土壤氧化還原電位也越大。

2.4 不同處理對番茄產(chǎn)量與水分利用效率的影響

不同處理對番茄產(chǎn)量及水分利用效率的影響如表4所示。方差分析發(fā)現(xiàn)，地下水位和生物炭添加對番茄產(chǎn)量影響均顯著，而地下水位對水分利用效率影響不顯著。對于不同生物炭施加量而言，番茄產(chǎn)量隨地下水埋深增大而增加，其中T7、T9和T10處理產(chǎn)量均顯著高于對照處理。相同地下水位下，產(chǎn)量隨生物炭添加量增多而增加，與對照相比，地下水位調(diào)控下T2和T3處理產(chǎn)量雖均出現(xiàn)明顯下降，但差異不顯著；在地下水位為-40 cm時，B5和B10處理均明顯高于B0處理，而且B10與B0處理之間出現(xiàn)顯著差異， 施加生物炭的6種處理水分利用效率較對照均出現(xiàn)顯著增加，但5%生物炭施加量條件下各處理間差異不顯著。在無生物炭施加情況下，地下水位從-40 cm下降至-80 cm時，WUE由小到大表現(xiàn)為G40、G60、G80，上述結(jié)果表明，地下水位過高，會導致作物遭受漬害脅迫，致使作物產(chǎn)量減少和水分利用效率降低。生物炭施加量增至10%時，相同地下水位處理，其WUE均大于無生物炭添加處理。從地下水位和生物炭交互作用上看，番茄產(chǎn)量及水分利用效率受其影響不顯著。

表4 不同生物炭及地下水位處理下番茄產(chǎn)量與水分利用效率Tab.4 Yield and water use efficiency of tomato under different biochar and groundwater table treatments

注：*表示在0.05水平差異顯著。

3 討論

3.1 地下水位對番茄需水規(guī)律及產(chǎn)量的影響

地下水位是作物生長發(fā)育重要因素，地下水位過深不利于植物從地下水中補充水分[22]。HUO等[23]利用HYDRUS-1D模擬地下水位持續(xù)穩(wěn)定下降，發(fā)現(xiàn)當?shù)叵滤裆顝? m增加到4 m時，補給量明顯減少，而當?shù)叵滤裆畲笥谧畲笳舭l(fā)深度時，補給量保持穩(wěn)定。本試驗結(jié)果表明，地下水補給量隨地下水位上升而逐漸增大，地下水利用量也與地下水位呈正相關(guān)，這與KARIMOV等[24]通過HYDRUS-1D數(shù)值模擬結(jié)果相一致。YANG等[25]認為，地下水位過度下降必然增加從地下水中吸收水分難度，減少作物對地下水利用，從而對作物生長及其從土壤中吸收養(yǎng)分產(chǎn)生不利影響。因此，由于水分供應不足，地下水過深會惡化植物生長環(huán)境，降低作物產(chǎn)量[26]。而淺層地下水在為作物提供更多所需水分同時，也可能由于土壤通氣不良而使作物生長環(huán)境惡化[27-28]。淺層地下水可使作物根系生長缺氧而受抑制，影響作物生理過程，降低干物質(zhì)積累[29-31]。本研究中，隨地下水位上升，土壤氧化還原電位逐漸減小，番茄耗水量和產(chǎn)量也逐漸下降。其中，地下水位為-40 cm時，番茄受到一定程度漬害脅迫，不施加生物炭條件下，地下水位為-40 cm時，番茄減產(chǎn)最多，較對照處理減產(chǎn)28.6%，耗水量最少，土壤氧化還原電位最低。因此，地下水位過深或過淺都不利于作物生長[32-33]。GHAMARNIA等[34]對小麥進行試驗研究發(fā)現(xiàn)，存在一個最優(yōu)地下水埋深，使得小麥產(chǎn)量和地下水利用效率達到峰值。HUO等[35]也發(fā)現(xiàn)，正常灌溉條件下，小麥產(chǎn)量隨地下水位下降先增加后減少，在地下水埋深為2.0 m時達到最大。本研究地下水位處理受場地因素限制設(shè)計較少，后續(xù)需針對地下水埋深開展研究，以便進一步明確最優(yōu)地下水埋深。

3.2 生物炭對番茄需水規(guī)律及產(chǎn)量的影響

大量研究認為生物炭具有節(jié)水增產(chǎn)作用[36-38]。本研究設(shè)計兩種生物炭施用量(5%、10%)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物炭施用后，番茄全生育期耗水量減少，產(chǎn)量增加，水分利用效率提高。而且隨生物炭施用量增加，耗水量逐漸減小，產(chǎn)量和水分利用效率逐漸增加，與XIAO等[39]2013年田間試驗結(jié)果相一致。當?shù)叵滤裆羁刂圃?0 cm和60 cm時，10%生物炭施加量下，G40和G60處理產(chǎn)量均高于對照處理，表明生物炭添加能夠緩解作物受漬而造成的減產(chǎn)。其原因可能在于生物炭可以改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤通氣、透水性能，有利于作物根系發(fā)育[40]。本研究中，地下水位為-40 cm時，5%生物炭施加量下，土壤氧化還原電位和番茄產(chǎn)量分別提高6.4%和34.3%，且生物炭施加量越大，土壤氧化還原電位越大，從而反映出生物炭可以改善土壤通氣性能。此外，生物炭本身含有一定量養(yǎng)分，施入土壤后，提高土壤養(yǎng)分含量[41]；另外，生物炭具有巨大比表面積和較強吸附性能，能夠吸附土壤中滯留養(yǎng)分，減少土壤養(yǎng)分淋溶[42]。番茄耗水量減少主要是由于生物炭復雜孔隙結(jié)構(gòu)和較強吸附性能，可以增強土壤持水能力，有效抑制表層土壤水分蒸發(fā)，從而減少土壤水損失[43]。也有研究發(fā)現(xiàn)過量生物炭反而會增加作物耗水量，減少產(chǎn)量和水分利用效率[44-46]。但張新學等[47]研究不同栽培模式下生物炭對馬鈴薯耗水量影響，得到相反結(jié)論，馬鈴薯耗水量隨生物炭施用量先增加后減少。劉超等[48]在寒地黑土區(qū)進行生物炭試驗發(fā)現(xiàn)，施加適量生物炭可以提高玉米日耗水量和全生育期耗水量。而張妙[49]指出在黃綿土上施加生物炭，玉米地上生物量、籽粒質(zhì)量、穗粒數(shù)和水分利用效率顯著降低。LIU等[50]研究表明，在酸性土壤中生物炭對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率均有不利影響。因此，生物炭節(jié)水增產(chǎn)作用要依據(jù)土壤質(zhì)地、作物種類和生物炭施用量等因素綜合考慮。此外，目前生物炭節(jié)水效應研究多集中于“節(jié)流”[15,43,46]，而本文從“開源”出發(fā)，探究生物炭能否提高作物對地下水利用效率，研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭可以提高地下水補給量，而且地下水補給量隨生物炭施加量增大而增大。地下水補給量增加，降低灌溉需求，使得灌水量減少[4]，在實際生產(chǎn)中，對節(jié)約農(nóng)業(yè)用水具有重要意義。

3.3 生物炭對不同地下水位下番茄的影響

已有研究表明生物炭可以緩解作物漬害脅迫[51]，本研究發(fā)現(xiàn)，當?shù)叵滤粸?40 cm時，與B0處理相比，B10處理產(chǎn)量和水分利用效率分別提高56.7%和120.6%，而當?shù)叵滤粸?60 cm時，B10處理產(chǎn)量和水分利用效率增幅變?yōu)?1.7%和75.9%。對于不同地下水位，生物炭對番茄需水規(guī)律影響也存在差異。地下水位由-40 cm降至-80 cm，B10處理耗水量較B0處理減幅由28.7%降至7.9%，地下水利用量增幅由81.9%降至26.8%。因此漬害脅迫越嚴重，生物炭緩解作物漬害脅迫作用越強，節(jié)水效應越顯著。不過，與對照相比， -40 cm地下水位和10%生物炭施加量組合(T8處理)節(jié)水效果最顯著，但產(chǎn)量增加并不顯著，而-80 cm地下水位和10%生物炭施加量組合(T10處理)產(chǎn)量增加顯著，但節(jié)水效果并不顯著。因此，適宜地下水位和適當生物炭施加量組合最為經(jīng)濟合理。本研究中，T7處理為最佳組合，與對照相比，各項指標差異顯著，耗水量減少11.4%，產(chǎn)量和水分利用效率分別增加38.7%、56.6%。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施加與否，WUE對地下水位響應規(guī)律略有不同。未添加生物炭時，番茄水分利用效率隨地下水位下降而增加。而在生物炭添加情況下，WUE由大到小表現(xiàn)為G40、G60、G80，這可能是因為當?shù)叵滤裆钶^淺時，上層土壤中生物炭可吸收一部分水分，而表層土壤水分蒸發(fā)時，生物炭可釋放之前吸收水分，使土壤水分總體達到一個相對平衡狀態(tài)，進而提高番茄水分利用效率，該問題需要通過對番茄生育期內(nèi)土壤含水率監(jiān)測作進一步試驗研究論證。

4 結(jié)論

(1)適宜地下水位有助于提高作物產(chǎn)量和水分利用效率。地下水位越淺，地下水補給量占作物耗水量比例越大，作物受到漬害脅迫越嚴重，導致番茄產(chǎn)量減少、水分利用效率降低。地下水位為-40 cm時，番茄漬害脅迫較嚴重，其產(chǎn)量較對照處理減少28.6%，而-80 cm地下水位下，番茄產(chǎn)量增加2.59 t/hm2，水分利用效率提高3.71 kg/m3。

(2)施加生物炭可以緩解作物漬害脅迫，抑制作物耗水量，增加地下水利用量。地下水埋深為40 cm時，施加5%生物炭可使土壤氧化還原電位和產(chǎn)量增加，分別提高6.4%和34.3%。相同地下水位條件下，B10處理耗水量最少，地下水利用量最大，產(chǎn)量和水分利用效率最高，分別為155.75 mm、26.89%、156.77 t/hm2和100.99 kg/m3。

(3)相同生物炭施加量下，地下水位越淺，生物炭節(jié)水增產(chǎn)效應越顯著。但地下水位和生物炭互作效應對番茄產(chǎn)量及水分利用效率影響均不顯著。-80 cm地下水位和5%生物炭施加量組合最為適宜，與對照相比，各項指標差異顯著，耗水量減少11.4%，產(chǎn)量和水分利用效率分別增加38.7%、56.6%。