生物炭對遼寧中部地區(qū)溫室青椒生理特性及產(chǎn)量的影響

邰恩博，張更元

(1.遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003；2.沈陽市水務(wù)事務(wù)服務(wù)與行政執(zhí)法中心，遼寧 沈陽 110015)

生物炭是生物質(zhì)在無氧或限氧條件下高溫裂解(<700 ℃)而得到的一種富含碳的有機物質(zhì)[1]。生物炭因其獨特的結(jié)構(gòu)而被廣泛認為是一種能改善農(nóng)田水土狀況和提高作物產(chǎn)量的有效農(nóng)業(yè)技術(shù)措施[2]。生物炭具有豐富的孔隙、較大的比表面積和較強的吸附能力，使其施用在土壤中能夠通過改變土壤物理和化學(xué)性質(zhì)來提高土壤肥力，從而實現(xiàn)作物增產(chǎn)[3-4]。光合作用是影響作物新陳代謝和發(fā)育的最重要的生理過程，其與作物產(chǎn)量直接相關(guān)[5]。研究表明，生物炭的施用可顯著提高作物的葉綠素含量和光合速率，從而實現(xiàn)作物的增產(chǎn)[6-7]。

我國青椒栽培面積和生產(chǎn)量均位于世界前列[8]，但我國人口眾多，對栽培蔬菜的需求量大，設(shè)施青椒作為我國主要栽培蔬菜之一，如何提高其產(chǎn)量仍然是主要問題。目前有關(guān)青椒的研究大多集中在灌溉方式、灌溉量及肥料施用量，提高青椒光合能力，實現(xiàn)增產(chǎn)方面的研究[9-11]，而有關(guān)在溫室大棚條件下，施用土壤改良劑生物炭對青椒生理方面的影響研究還較少，因此，本研究通過探究生物炭對遼寧中部地區(qū)溫室青椒生理特性、產(chǎn)量及水分利用效率的影響，揭示施用生物炭引起產(chǎn)量和水分利用效率差異的原因，以期為生物炭應(yīng)用在溫室青椒生產(chǎn)上提供可借鑒的技術(shù)與方法。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019年在遼寧省水利灌溉中心試驗站5號日光溫室大棚中進行，地理位置為北緯42°8′59″、東經(jīng)120°30′44″。該地區(qū)為平原地帶，氣候特征屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。供試作物為青椒，供試土壤為黏壤土，pH為7，容重1.35 g/cm3，土壤飽和體積含水率為42.30%，全氮1.11 g/kg，堿解氮75.40 mg/kg，速效鉀107.00 mg/kg，速效磷18.40 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

采用單因素試驗設(shè)計，設(shè)置未施生物炭(B0)和施生物炭(12 t/hm2，B12)2個處理，設(shè)3次重復(fù)，共6個小區(qū)。青椒于2月19日移栽，7月9日收獲。大壟雙行種植，壟底距1.2 m，壟臺高15.0 cm，行距0.5 m，株距0.45 m，壟長7.0 m。采用膜下滴灌灌溉方式，定植前在壟中心鋪設(shè)滴灌帶，滴頭間距為30.0 cm，滴頭設(shè)計流量為1.38 L/h，每個小區(qū)安裝水表以記錄灌水量。各生育期的灌水量見表1。其他管理方式按常規(guī)進行。

表1 青椒不同生育期灌水次數(shù)和灌水量

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生長指標

每個小區(qū)選取長勢一致的青椒植株10株，每隔10天利用鋼尺測定株高，利用游標卡尺測定莖粗。

1.3.2 測定 SPAD

在青椒的各生育期，選擇晴朗無云的天氣，在各小區(qū)中心位置隨機選取3株青椒植株最上部一片完全展開葉片，于上午9:00采用SPAD-502型葉綠素儀測定葉片SPAD值。

1.3.3 光合參數(shù)

于不同生育期，選擇晴朗無云的天氣，在每個小區(qū)中心位置隨機選取3株青椒植株最上部一片完全展開葉片，于上午10:00—11:00利用LI-6400便攜式光合儀測定植株最上部完全展開葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)。

1.3.4 產(chǎn)量及水分利用效率

果實成熟后，每個小區(qū)的產(chǎn)量單打單收，利用電子秤測定各小區(qū)的青椒產(chǎn)量。水分利用效率為產(chǎn)量/全生育期耗水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對青椒生長性狀的影響

2.1.1 生物炭對青椒全生育期株高動態(tài)變化的影響

由圖1可知，B0和B12處理下青椒株高隨著生育期的推進表現(xiàn)為先快速增長后逐漸趨于穩(wěn)定。在苗期(3月1日)和開花坐果期(3月12日、3月23日和4月3日)，施入生物炭處理并沒有表現(xiàn)出其優(yōu)勢，B0和B12處理的株高無顯著差異。4月25日—5月28日，可以明顯看到青椒株高動態(tài)曲線的斜率高于其他時間。6月8日后，青椒株高增長速率趨于平穩(wěn)。進入結(jié)果期后，生物炭處理表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，B12處理的株高顯著高于B0處理，且這種顯著差異效果持續(xù)到生育期結(jié)束。從最終的株高表現(xiàn)來看，B12處理的株高較B0處理顯著提高了15.9%。由此可見，施入生物炭能在青椒生長后期對其生長具有一定的促進效應(yīng)。

圖1 生物炭對青椒全生育期株高動態(tài)變化的影響

2.1.2 生物炭對青椒全生育期莖粗動態(tài)變化的影響

各處理下青椒全生育期的莖粗動態(tài)變化見圖2。全生育期莖粗變化表現(xiàn)出與株高變化相似的趨勢。苗期，B12處理的莖粗略低于B0處理。開花坐果期后，B12處理的莖粗雖在數(shù)值上逐漸高于B0處理，但并未達到顯著性水平。

圖2 生物炭對青椒全生育期莖粗動態(tài)變化的影響

2.2 生物炭對青椒生理特性的影響

2.2.1 生物炭對青椒葉片SPAD的影響

葉綠素是作物光合作用過程的重要光合色素，葉片的SPAD值通常用來表征葉綠素含量。由表2可知，兩個處理下的SPAD值隨生育期的推進而升高，均在結(jié)果期達到最大值，分別為58.13和62.61。在苗期，B0和B12處理的SPAD值無明顯差異。開花坐果期，B12處理的SPAD值較B0處理顯著提高了5.1%。結(jié)果期，與B0處理相比，B12處理顯著提高了7.7%的SPAD值?？梢?，生物炭的施用可提高青椒關(guān)鍵生育期葉片葉綠素含量，從而為此時期光合能力的提高提供了基礎(chǔ)。

2.2.2 生物炭對青椒葉片光合參數(shù)的影響

兩個處理下的Pn在結(jié)果期達到最高值，分別為19.88 μmol/(m2·s)和22.92 μmol/(m2·s)。由表2可知，苗期時B0和B12處理的Pn無顯著差異。開花坐果期和結(jié)果期，B12處理的Pn較B0處理分別顯著提高了16.7%和15.3%。各生育期Tr變化同凈光合速率相一致。B0和B12處理的Tr在苗期未表現(xiàn)出顯著性的差異。開花坐果期和結(jié)果期，兩個處理間的差異達到顯著性水平，B12處理的Tr較B0處理分別顯著提高了24.5%(開花坐果期)和27.7%(結(jié)果期)。

表2 生物炭對青椒葉片生理特性的影響

在開花坐果期和結(jié)果期，B12處理表現(xiàn)出較高的凈光合速率和蒸騰速率，有利于提高光合效率和促進光合產(chǎn)物的形成，從而促進產(chǎn)量的提高。B0和B12處理的Gs在苗期未表現(xiàn)出顯著性的差異。同樣，于開花坐果期和結(jié)果期兩個處理間的差異達到顯著性水平。B12處理的Gs較B0處理分別顯著提高了23.5%(開花坐果期)和30.6%(結(jié)果期)。由上可以看出，青椒產(chǎn)量的提高是由于在青椒生長關(guān)鍵期間(開花坐果期和結(jié)果期)生物炭處理提高了SPAD值，從而延長青椒葉片的功能期，使其在產(chǎn)量形成的關(guān)鍵期保持較高的光合速率，最終實現(xiàn)產(chǎn)量的增加。

2.3 生物炭對青椒產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由圖3可知，兩個處理間的青椒產(chǎn)量差異顯著。施用生物炭顯著提高了青椒產(chǎn)量，B12處理的產(chǎn)量為49.35 t/hm2，較B0處理顯著提高了22.9%。產(chǎn)量提高的同時水分利用效率也隨之增高，B12處理的水分利用效率顯著高于B0處理，提高幅度為22.9%。因此，施用生物炭可顯著提高青椒產(chǎn)量和水分利用效率。

圖3 不同處理的青椒產(chǎn)量和水分利用效率

2.4 生理指標與產(chǎn)量的相關(guān)性分析

SPAD值和Pn是影響青椒產(chǎn)量的重要影響因素，為了闡明青椒葉片SPAD、Pn、Tr和Gs與其產(chǎn)量的相關(guān)性，將不同生育期測得的生理指標與產(chǎn)量進行了相關(guān)分析。從表3可以看出，苗期青椒葉片的SPAD、Pn、Tr和Gs與產(chǎn)量均無顯著相關(guān)性。開花坐果期，SPAD和Gs與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為0.71和0.58，但相關(guān)性未達到顯著性相關(guān)，Pn和Tr與產(chǎn)量表現(xiàn)出顯著相關(guān)(P<0.05)。結(jié)果期，SPAD和Pn與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)均為0.84，且相關(guān)性達到顯著水平(P<0.05)，Tr和Gs與產(chǎn)量的相關(guān)性未達到顯著性水平。

表3 不同生育期的生理指標與產(chǎn)量的相關(guān)分析

3 討 論

生物炭由于其結(jié)構(gòu)特征和自身獨特的理化性質(zhì)，可調(diào)控和改善土壤水分和養(yǎng)分狀況，從而促進作物生長[12]。生物炭的正效應(yīng)是由于其本身含碳量高、具有大量微孔結(jié)構(gòu)和表面含氧官能團等結(jié)構(gòu)特征，能夠吸附土壤中的水分和養(yǎng)分，在作物生育后期土壤水分和養(yǎng)分供應(yīng)不足時，會釋放水分和養(yǎng)分以供作物生長所需[13]。本研究表明，生物炭施用對青椒生長起到顯著促進作用，但在苗期時，生物炭并未表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，到了開花坐果期后，生物炭處理的青椒株高開始呈現(xiàn)出較為明顯的增長，且這種促進作用持續(xù)到生育期結(jié)束，這與王巖等[14]的研究結(jié)果相似。葉綠素含量是反應(yīng)作物光合能力和氮素狀況的重要指標[15]。本研究中，生物炭處理顯著提高青椒葉片開花坐果期和結(jié)果期SPAD值，這可能由于生物炭對氮的吸附作用促進了植株體對氮素的吸收利用，進而促進葉綠素的合成。提高作物關(guān)鍵生育期的凈光合速率是實現(xiàn)作物增產(chǎn)的重要途徑。本試驗中，生物炭處理的青椒葉片凈光合速率較不施生物炭處理顯著提高16.7%(開花坐果期)和15.3%(結(jié)果期)。施用生物炭處理青椒葉片在開花坐果期和結(jié)果期的SPAD、Pn、Tr和Gs都保持在較高的水平，合成更多的“源”，生產(chǎn)更多的光合產(chǎn)物，為產(chǎn)量的增加提供保證。這從相關(guān)分析結(jié)果中也可看到，結(jié)果期的SPAD與產(chǎn)量，開花坐果期和結(jié)果期的Pn與產(chǎn)量，均表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.84、0.83和0.84。該關(guān)系較為直觀地闡明了青椒葉片的光合能力對產(chǎn)量的決定作用。

生物炭對不同作物的增產(chǎn)效應(yīng)已得到了廣泛的驗證，如研究表明，施用生物炭可使玉米產(chǎn)量和水分利用效率增加91%～139%，花生產(chǎn)量增加23%[16-18]。前人研究表明，生物炭施用量超過10 t/hm2，可以使作物產(chǎn)量提高約20%[19]。在本研究中，生物炭施用量為12 t/hm2，其產(chǎn)量較不施生物炭處理相比顯著提高了22.9%。產(chǎn)量提高的同時，生物炭處理的水分利用效率也隨之提高，施生物炭處理的水分利用效率較不施生物炭處理顯著提高了22.9%。但亦有研究表明生物炭的施用對作物產(chǎn)量影響不明顯或造成減產(chǎn)[20]。不同生物炭類型對不同土壤類型上的不同作物的影響也不同，增產(chǎn)效應(yīng)也不盡相同，故其量-效關(guān)系需要在不同研究中進行考證。在本研究中，施用12 t/hm2生物炭可提高青椒葉片的光合能力進而促進產(chǎn)量的提高，具有較好的應(yīng)用潛力。

4 結(jié) 論

通過生物炭對溫室青椒生長生理、產(chǎn)量及水分利用效率的試驗研究，結(jié)果表明，施用生物炭促進了青椒的生長，顯著提高了青椒株高，對青椒莖粗無顯著影響；生物炭處理顯著提高開花坐果期和結(jié)果期青椒葉片的SPAD、Pn、Tr和Gs。生物炭顯著提高青椒產(chǎn)量和水分利用效率。施用生物炭通過顯著提高青椒葉片的SPAD和Pn，從而達到增產(chǎn)的目標。由此，生物炭的施用可作為溫室青椒一種有效的增產(chǎn)手段，應(yīng)在遼寧中部地區(qū)青椒生產(chǎn)實踐中應(yīng)用和推廣。