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外源碳部分替代草炭对基质性质和番茄生长的影响 马 慧 温吉晶 马和芳 王晓卓 宁夏大学农学院 宁夏银川 750021 摘要 为探究生物炭 纳米碳部分替代草炭对基质改良效果和番茄生长的影响 筛选出适宜的外源碳替代 量 开展了外源碳不同替代水平的基质袋栽培试验 结果表明 生物炭5 替代草炭基质有利于改善基质化学性 质 促进番茄植株生长和果实品质 产量的提高 纳米碳 10 替代草炭基质可以提高番茄的可溶性糖含量 有机 酸含量和基质的速效氮含量 有机质含量 通过田间表现和隶属函数分析对各处理的基质化学特性和番茄生长 状况进行综合评分得出 生物炭5 替代草炭基质得分最高 综合表现最佳 有利于设施番茄生长及产量的提高 关键词 栽培基质 番茄 生物炭 纳米碳 草炭 中图分类号 S641 2 文献标识码 A 文章编号 1007 5739 2023 02 0037 05 DOI 10 3969 j issn 1007 5739 2023 02 009 开放科学 资源服务 标识码 OSID Effects of Partial Replacement of Peat with Exogenous Carbon on Substrate Properties and Tomato Growth MA Hui WEN Jijing MA Hefang WANG Xiaozhuo School of Agriculture Ningxia University Yinchuan Ningxia 750021 Abstract In order to explore the effects of partial replacement of peat with biochar and nano carbon on substrate improvement and tomato growth and screen out the appropriate replacement amount of exogenous carbon substrate bag cultivation experiments with different levels of exogenous carbon replacement were carried out The results showed that the substrate of biochar replacing 5 peat could improve the chemical properties of the substrate promote the growth of tomato plants and improve the fruit quality and yield the substrate of nano carbon replacing 10 peat could improve the contents of soluble sugar and organic acid in tomato and the contents of available nitrogen and organic matter in substrate Through field performance and membership function analysis the comprehensive score of substrate chemical properties and tomato growth status of each treatment showed that the substrate of biochar replacing 5 peat had the highest score and the best comprehensive performance which was conducive to the growth and yield improvement of tomatoes in facilities Keywords culture substrate tomato biochar nano carbon peat 番茄是我国设施栽培面积最大的蔬菜产品 1 2 设施栽培生产方式带来高产量 高效益的同时 也存 在严重的连作障碍问题 基质栽培可有效解决连作 问题 3 但栽培基质常用的草炭 蛭石 珍珠岩等成分 比较单一 不能很好地满足蔬菜生长要求 4 研究表 明 一定配比的混合基质更有利于蔬菜的生长 5 而 且草炭是不可再生资源 大量开采和使用会导致草 炭资源耗竭 6 生物炭 BC 和纳米碳 CNTs 是近年 来受关注较多的土壤改良剂 7 其中 生物炭是生物 质在完全或部分缺氧条件下 经热解炭化而成的一 类固态高聚产物 8 生物炭有利于聚集水分 提高基 质的保水保肥能力 改良基质 为植物提供适宜的生 长环境 9 纳米技术是在纳米 10 9 10 7 m 尺度范围 内对物质进行改造 纳米碳是一种常见的纳米材料 基金项目 国家重点研发计划 园艺作物设施生产关键技 术 2019YFD1001900 设施园艺作物集约化 育苗及无土栽培关键技术 2019YFD1001901 作者简介 马慧 1994 女 宁夏吴忠人 硕士 研究方向 设施蔬菜栽培生理 通信作者 收稿日期 2022 04 18 现代农业科技 2023年第2期 园艺学 37 现代农业科技 2023年第2期园艺学 基质材料 pH值 EC值 mS cm 1 全氮含量 g kg 1 全磷含量 g kg 1 含碳量 容重 g cm 3 草炭 4 80 0 36 0 12 0 75 14 00 0 19 生物炭 9 67 1 37 0 46 0 56 23 15 纳米碳 9 88 2 36 0 57 0 35 91 84 表 1 基质材料的性质 将其应用于土壤中 对土壤结构 土壤元素迁移和化 学生物反应等有一定影响 10 11 目前 生物炭 纳米碳 添加多用于穴盘育苗基质试验 而在田间复配研究 番茄上的应用效果研究及基质改良效果试验等方面 报道不多 因此 本研究用生物炭 纳米碳等外源碳 按照等碳原则替换部分草炭 以基质袋培方式进行 田间试验 以期筛选出适宜的碳源添加种类及用量 在改良基质理化性质的同时尽可能减少草炭的用量 为节约资源 合理利用碳源 保护生态环境以及研发 适合用于设施番茄栽培的基质提供数据支撑 1 材料与方法 1 1 试验材料 供试番茄由武汉楚为生物科技股份有限公司提 供 品种为粉得力 属于无限生长型 中熟大粉红果 供试基质由山东商道科技股份有限公司提供 生物 炭和纳米碳由上海海诺炭业有限公司提供 基质材 料信息见表1 基质袋为 PE 膜基质袋 由宁夏大学 研发 体积为15 L 1 2 试验设计 以基质袋培方式进行番茄无土栽培试验 以商 品基质为对照 同时根据等碳原则 用生物炭 纳米 碳替代草炭基质中全碳的不同水平 5 和 10 作 为添加外源碳处理 共5 个处理 采用随机区组设 计 3 次重复 具体试验设计如下 商品基质对照 CKJ 即草炭基质 7 kg 生物炭 5 替代草炭处理 J5S 即草炭基质 6 914 kg 生物炭 0 086 kg 生物 炭 10 替代草炭处理 J10S 即草炭基质 6 830 kg 生物炭 0 170 kg 纳米碳 5 替代草炭处理 J5N 即 草炭基质 6 978 kg 纳米碳 0 022 kg 纳米碳 10 替 代草炭处理 J10N 即草炭基质 6 956 kg 纳米碳 0 044 kg 1 3 调查内容及方法 1 3 1 土壤养分特性的测定 采用五点取样法进行 取样 土样风干磨碎后过 1 mm 筛 用于土壤养分特 性的测定 土壤pH值采用电位计法测定 EC值采用 电导法测定 有机质含量采用重铬酸钾 硫酸氧化法 测定 全氮含量采用消化 半微量凯氏定氮法测定 速效氮含量采用流动分析仪测定 全磷含量采用 HClO 4 H 2 SO 4 消化 钼锑抗比色法测定 速效磷含 量采用 0 5 mol L NaHCO 3 浸提 钼锑抗比色法测 定 速效钾含量采用 1 mol L NH 4 AC 浸提 火焰光度 法测定 12 1 3 2 番茄植株生长指标测定 在番茄幼苗定植2周 后开始测定相关指标 选取有代表性的植株6株 测 定植株长势 包括株高 茎粗 连续测定5次 利用测 定的株高和茎粗计算株高相对生长率 RGR h 和茎体 积相对生长率 RGR d 计算公式如下 RGR h lnh 2 lnh 1 T 2 T 1 RGR d ln d 2 d 2 h 2 d 1 d 1 h 1 T 2 T 1 式中 h 1 d 1 和 h 2 d 2 分别代表在 T 1 和 T 2 时间的 株高和茎粗 13 1 3 3 番茄果实品质和产量的测定 在第三穗果实成 熟时 各小区随机选取大小和色泽基本相同的果实 用蒸馏水洗净后研磨至匀浆状态 将匀浆装瓶贮存 用于测定果实品质 V C 含量用钼蓝比色法测定 总可 溶性糖含量用蒽酮比色法测定 可溶性固形物含量 用 TD 45 手持式数显糖度计测定 硝酸盐含量用水 杨酸比色法测定 有机酸含量用酸碱滴定法测定 14 采收后用电子天平称量单果重和总重量 然后统计全 生育期内每个处理成熟番茄果实个数 记录不同处 理小区番茄产量 按照小区面积折算番茄公顷产量 1 4 数据处理 采用Excel 2016 作图 用 SPSS 21 0 进行单因素 方差分析 用 Duncan s 新复极差法 0 05 进行多 重比较 2 结果与分析 2 1 外源碳添加对番茄植株生长的影响 从图1 可以看出 生物炭部分替代草炭基质的 38 处理 V C mg 100 g 1 可溶性糖 可溶性固形物 Brix 有机酸 硝酸盐 mg kg 1 CKJ 8 74 0 49 c 3 87 0 13 c 6 53 0 12 bc 0 09 0 00 c 0 116 0 006 a J5S 15 78 1 36 a 4 79 0 02 b 7 40 0 15 a 0 21 0 02 ab 0 097 0 001 b J10S 14 48 1 72 ab 4 33 0 22 bc 6 77 0 03 b 0 18 0 01 b 0 118 0 005 a J5N 9 94 0 59 bc 4 12 0 15 c 6 27 0 03 c 0 19 0 01 b 0 113 0 002 a J10N 14 43 2 23 ab 5 44 0 29 a 6 77 0 03 b 0 24 0 01 a 0 109 0 011 a 表 2 不同处理对番茄果实品质的影响 注 同列不同小写字母表示差异显著 P 0 05 下同 75 000 15 000 30 000 45 000 60 000 0 CKJ J5NJ10SJ5S J10N 处理 果 实 产 量 k g h m 2 c a b b b 图 3 不同处理对番茄产量的影响 处理 J5S 和处理 J10S 番茄株高相对生长率均显著 高于 CKJ 提高幅度分别为 6 21 和 3 90 纳米碳 部分替代草炭基质的处理 J10N 番茄株高相对生长 率也显著高于 CKJ 提高幅度为 5 76 纳米碳部分 替代草炭基质的处理J5N与CKJ之间番茄株高相对 生长率无显著性差异 从图2 可以看出 生物炭部分替代草炭基质的 处理 J5S 和处理 J10S 番茄植株茎体积相对生长率 均高于CKJ 分别提高了6 20 和3 80 在纳米碳 部分替代草炭基质的处理中 处理 J10N番茄茎体积 相对生长率最高 较CKJ提高了3 43 处理 J5N 番 茄茎体积相对生长率最低 较CKJ降低了4 45 2 2 外源碳添加对番茄果实品质的影响 由表2可知 与CKJ相比 其他各处理番茄果实 V C 可溶性糖 可溶性固形物 除处理 J5N 外 有机 酸含量均显著增加 其中 处理J5S番茄果实V C 含量 和可溶性固形物含量最高 分别为 15 78 mg 100 g 和 7 40 Brix 显著高于CKJ 分别较CKJ增加了80 55 和 13 32 处理 J10N 番茄果实可溶性糖含量和有 机酸含量最高 分别为 5 44 和 0 24 显著高于 CKJ 分别较 CKJ 增加了 40 57 和 166 67 CKJ 番 0 03 0 01 0 02 0 CKJ J5NJ10SJ5S J10N b a a b a 株 高 相 对 生 长 率 c m d 1 处理 注 图柱上不同小写字母表示差异显著 P 0 05 下同 图 1 不同处理对番茄株高相对生长率的影响 0 03 0 01 0 02 0 茎 体 积 相 对 生 长 率 c m 3 d 1 0 04 0 05 CKJ J5NJ10SJ5S J10N 处理 ab a a b a 图 2 不同处理对番茄茎体积相对生长率的影响 茄果实 V C 含量 可溶性糖含量和有机酸含量最低 分别为 8 74 mg 100 g 3 87 和 0 09 硝酸盐含量 以 J10S 最高 为 0 118 mg kg 处理 J5S 硝酸盐含量 最低 为 0 097 mg kg 较 CKJ 低 16 38 差异显著 与其他处理差异也达显著水平 2 3 外源碳添加对番茄产量的影响 从图3可以看出 在生物炭部分替代草炭处理中 处理 J5S 番茄果实产量最高 达到 71 808 45 kg hm 2 显著高于其他处理 其中较 CKJ 增加 17 50 处理 J10S次之 番茄产量达到65 478 30 kg hm 2 较 CKJ 增加7 14 差异显著 在纳米碳部分替代草炭处理 中 处理 J5N 和处理 J10N 番茄产量均显著高于 CKJ 分别较CKJ提高了8 40 和10 84 2 4 外源碳添加对基质化学性质的影响 由表 3 可知 相对于 CKJ 其他各处理基质的 马 慧等 外源碳部分替代草炭对基质性质和番茄生长的影响 39 现代农业科技 2023年第2期园艺学 pH值增加 其中添加生物炭的处理 J5S 和处理 J10S pH 值增加显著 分别较 CKJ 高 4 87 和 6 82 速 效钾含量增加 其中处理 J5S 和处理 J10S 分别较 CKJ增加156 11 和84 67 EC值降低 其中 处理 J10S EC 值显著降低 较CKJ降低了31 98 全氮含 量显著降低 分别较 CKJ 降低了 6 03 12 93 24 14 和 18 10 全磷含量增加 分别较 CKJ 增加 了34 15 46 34 41 46 和24 39 处理J10S和 处理 J5N 速效氮含量显著降低 分别降低了 62 45 和 63 79 处理 J5S 和处理 J10N 与 CKJ 间无显著 性差异 有机质含量显著增加 分别较CKJ增加了 3 91 10 35 15 58 和27 86 2 5 综合评价 综合基质化学性质 果实品质和产量 植株长势 等指标进行主成分及隶属函数分析 由表4可知 各 处理综合得分为处理 J5S 处理 J10N 处理 J10S CKJ 处理J5N 说明生物炭5 替代草炭基质改良和 促进植株生长的效果最好 其次是纳米碳10 替代 草炭基质 纳米碳 5 替代草炭基质相比对照 CKJ 降低了综合排名 3 讨论与结论 3 1 讨论 作物的生长状况是评价基质质量和生产力的重 要指标之一 15 本研究表明 用外源碳生物炭 纳米 碳部分替代草炭基质对番茄植株株高相对生长率 茎体积相对生长率及产量均有一定影响 说明适量 添加生物炭和纳米碳能够改善番茄的生长状况 有 研究表明 生物炭的加入能够更好地调节番茄植株 的生长 6 纳米碳在萝卜 白菜 甘蓝 马铃薯等蔬菜 作物上应用均产生了明显的增产效果 16 均与本研 究结果一致 说明添加外源碳后有利于植株养分的 累积 从而促进植株生长 17 生物炭和纳米碳在自然条件下呈碱性 添加后 会影响基质的 pH 值 通常可使 pH 值增高 而且其 表面电荷和官能团结构有利于养分的保留 18 19 本研 究发现 用生物炭 纳米碳部分替代草炭能提高基质 pH值 速效钾含量 速效氮含量 全磷含量和有机质 含量 可能是外源碳通过提高基质对有机质 腐殖质 和矿物质等营养元素的保持能力 改变基质酸碱度 以及对有毒有害物质的吸附能力等方式 提高微生 物活性 促进植株对养分的吸收 20 本研究发现 与 草炭基质对照相比较 生物炭 纳米碳部分替代草炭 的各处理番茄V C 含量 可溶性糖含量 有机酸含量 可溶性固形物含量 除纳米碳 5 替代草炭处理外 均显著增加 以生物炭 5 替代草炭处理 V C 含量和 可溶性固形物含量最高 硝酸盐含量最低 品质指标 最佳 很可能是生物炭和纳米碳自身含有矿质养分 钾 钙 镁 硫 硅等 21 植株通过根系吸收后进入 体内 影响植株体内碳水化合物的合成与分配 进而 提高番茄果实的品质 此外 外源碳可以通过改变基 质结构改良基质 提高基质的持水能力 22 其丰富多 孔的结构 极强的吸附能力和抗氧化能力 有利于营 处理 pH值 EC值 mS cm 1 速效钾 mg kg 1 全氮 g kg 1 速效氮 mg kg 1 全磷 mg kg 1 有机质 g kg 1 CKJ 5 13 0 12 c 1 97 0 07 a 49 83 1 32 c 1 16 0 01 a 70 23 8 54 a 0 41 0 08 a 68 67 0 82 d J5S 5 38 0 02 ab 1 72 0 17 a 127 62 0 01 a 1 09 0 01 b 82 37 2 37 a 0 55 0 03 a 71 39 0 07 cd J10S 5 48 0 03 a 1 34 0 12 b 92 02 2 28 b 1 01 0 01 c 26 37 7 88 b 0 60 0 08 a 75 78 0 07 bc J5N 5 25 0 05 bc 1 87 0 05 a 52 47 0 02 c 0 88 0 01 e 25 43 2 69 b 0 58 0 06 a 79 37 0 34 b J10N 5 32 0 02 abc 1 72 0 02 a 51 15 3 49 c 0 95 0 01 d 86 10 6 12 a 0 51 0 05 a 87 80 3 04 a 表3 不同处理对基质化学性质的影响 处理 F1 F2 F3 F4 U1 U2 U3 U4 D 排序 CKJ 3 59 2 20 0 05 0 47 0 1 00 0 48 0 78 0 38 4 J5S 3 22 1 79 0 29 1 05 1 00 0 90 0 43 0 12 0 81 1 J10S 0 92 1 26 2 17 0 93 0 66 0 19 0 0 98 0 47 3 J5N 2 11 2 06 0 29 1 33 0 22 0 0 56 0 0 20 5 J10N 1 56 0 67 2 22 0 97 0 76 0 32 1 00 1 00 0 71 2 表4 不同处理隶属函数值 综合评价值及排序 注 F为主成分值 U为隶属函数值 D为综合指标 40 养物质和有益微生物聚集 为作物根系生长提供良 好的环境条件 23 24 从而促进作物生长和产量提高 综上所述 添加外源碳对基质性质 番茄植株生 长 果实品质和产量的影响因外源碳种类 添加量的 不同而有所差别 本研究发现 与单一草炭基质相 比 添加外源碳的各处理能够改良基质的养分 并具 有促进番茄生长的作用 低添加量的生物炭基质更 有利于作物生长 而高添加量的纳米碳基质能使番 茄果实品质提高 3 2 结论 1 与单一草炭基质相比 生物炭 5 10 替代 草炭和纳米碳10 替代草炭基质均提高了番茄株高 相对生长率和茎体积生长率 纳米碳10 替代草炭 处理茎体积相对生长率降低了4 45 2 与单一草炭基质相比较 生物炭 纳米碳替 代草炭基质的各处理番茄 V C 含量 可溶性糖含量 有机酸含量 可溶性固形物含量 除纳米碳 5 替代 草炭基质处理外 和产量等指标均增加 基质pH值 速效钾 全磷和有机质等含量也均增加 3 通过田间表现和隶属函数分析进行综合排 名得出 生物炭 5 替代草炭基质得分最高 综合表 现最佳 适宜番茄生长及产量的提高 4 参考文献 1 田永强 高丽红 设施番茄高品质栽培理论与技术 J 中 国蔬菜 2021 2 30 40 2 李天来 我国设施蔬菜科技与产业发展现状及趋势 J 中国农村科技 2016 5 75 77 3 郭世荣 孙锦 束胜 等 我国设施园艺概况及发展趋势 J 中国蔬菜 2012 18 1 14 4 赵伊扬 郭洪波 生物炭作为无土栽培基质的意义探 析 J 时代农机 2018 45 10 40 5 李树和 李猛 刘芳 等 菇渣和河沙配比对盆栽番茄生 长的影响 J 天津农学院学报 2014 21 1 35 38 6 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 J 长江蔬菜 2016 22 18 21 7 胡雯娟 刘海琴 张晋华 等 生物炭与纳米碳对模拟植 被缓冲带截留氮 磷污染物的影响研究 J 环境污染与 防治 2021 6 712 717 8 STEVEN ALEXANDER J ANDO T JORDAN P et al TNF regulatedmadcam 1expressioninpancreaticmicro vessel endothelium a 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22 陈温福 张伟明 孟军 生物炭与农业环境研究回顾与 展望 J 农业环境科学学报 2014 33 5 821 828 23 LLANG B LEHMANN J SOLOMON D et al Black carbon increases cation exchange capacity in soils J Soil Science Society of America Journal 2006 70 5 1719 1730 24 SCHMIDT M W I NOACK A G Black carbon in soils and sediments analysis distribution implications and current challenges J Global Biogeochemical Cycles 2000 14 3 777 793 马 慧等 外源碳部分替代草炭对基质性质和番茄生长的影响 41