改革开放以来，随着人民生活水平逐步提高以及农业产业结构不断调整和升级，设施蔬菜产业迅猛发展。截至2016年，我国蔬菜种植面积达2 233万hm2[1]，其中，设施蔬菜种植面积达370万hm2，年产量2.5亿t，占全国蔬菜总产量的34%[2]。设施蔬菜生产解决了反季节蔬菜供应不足的难题，在提高人民生活品质的同时也带动了经济的发展。然而，设施蔬菜生产中，氮肥过量施用现象较为普遍，进而导致了十分严重的生态环境问题。
氮素是植物生长所必需的大量营养元素，故氮肥合理施用是农业生产中的关键因素之一。由于设施蔬菜生长周期短，对水分和养分的需求量大、强度高，为了提高蔬菜产量，菜农往往盲目采用大水大肥的种植模式，每年氮肥投入量高达1 900～3 600 kg/hm2，是蔬菜作物吸收量的3～5倍[3-4]，导致肥料利用率降低[5-6]，土壤硝态氮大量积累及淋失[7]，危害土壤与水体健康。此外，北方下沉式大棚富含有机质的表土缺失，加之高温高湿的环境条件，导致表层土壤有机质矿化快和积累慢，进而导致土壤缓冲容量小、土壤保水保肥能力差[8]。土壤有机质含量是土壤肥力和作物产量的重要决定因子之一，其含量高低与土壤稳定性、肥力状况和健康程度密切相关[9]。一般认为，土壤有机质含量低于34 g/kg，土壤质量下降的潜在风险加大[10]。目前，我国设施蔬菜主产区0～20 cm土层土壤有机质平均含量为27 g/kg[11]，导致土壤保水保肥和缓冲能力下降，土壤健康状况堪忧。
解决设施蔬菜生产中大水大肥问题的关键是如何快速提高菜田土壤有机质含量，增强土壤的缓冲容量和潜在供肥能力，以满足设施蔬菜对水肥需求量大和强度高的特点。作物残留物还田是增加土壤有机质含量的有效措施之一。然而，蔬菜残茬直接还田，一方面可能造成土传病害大量扩散；另一方面，设施大棚高温高湿的环境条件，增加了土壤微生物活性，易导致有机质矿化快和积累慢等问题[12-13]。生物炭是在限氧或隔绝氧气的环境条件下，通过高温裂解和炭化产生的有机物质[14]，具有含碳量高、疏松多孔、表面积大、吸附性强和稳定性高等特点[15-16]，而且生产工艺相对简单，原材料来源广泛，价格低廉，使生物炭广泛应用于农业生产成为可能[17]。生物炭在增加土壤碳储量的同时也有助于改良土壤理化性状和提高土壤肥力，从而达到作物增产的效果，因此受到广泛关注。然而，如何更加合理地施用生物炭，仍是目前值得深入探究的问题。针对上述设施菜田过量施氮的现状和生物炭的特性，本研究将探究施用生物炭能否缓解因过量施氮对番茄生长造成的负面影响，为科学施肥和蔬菜生产的可持续发展提供有效依据。
1 材料和方法
1.1 试验设计与管理
供试土壤采自北京市大兴区礼贤镇河北头村下沉式设施大棚，棚龄8年，已连续6年种植番茄。供试土壤基本理化性状见表1。
表1 土壤理化性状
Tab. 1 The soil physical and chemical properties
砂粒/%Sand粉粒/%Silt黏粒/%Clay容重/(g/cm3)Bulk density最大田间持水量/(g/g)Water holding capacitypH有机质/(g/kg)Soil organic matter无机氮/(mg/kg)Available nitrogen content75.2±0.3122.4±0.272.4±0.051.08±0.050.41±0.028.2±0.0319.1±0.49121±18
注：土壤颗粒粒径分组采用国际制，砂粒20～2 000 μm、粉粒2～20 μm、黏粒<2 μm。无机氮：
和
Note： The particle size of soil is grouped by international system, sand 20-2 000 μm, silt 2-20 μm, clay<2 μm.Mineral nitrogen: NO3-and 
于2017年5月16日，采集上述大棚0～30 cm表层土壤约500 kg，自然风干，过5 mm筛，充分混匀后，用于后续盆栽试验。于2017年5月22日-7月21日，在中国农业大学日光温室内进行盆栽试验。本试验为二因素三水平完全随机区组设计。3个施氮量分别为100，200，400 mg/kg，3个施碳量分别为0，2.5，5.0 g/kg，共9个处理，每个处理重复6次，共54盆。另设置8个辅助盆钵，其中2个盆钵不施肥，不种植番茄，用于监测试验期间日均土面蒸发量(每3 d称1次质量)；剩余6个盆钵每盆施氮200 mg/kg，种植1株番茄，分别于定植后第30，45，60天采样(每次采集2盆)，测定地上部鲜质量，用于校正灌溉量。
供试番茄品种为佳粉5号，苗龄40 d。每盆装风干土6.5 kg，定植一株番茄幼苗。所用氮肥品种为尿素，其中40%作为基肥，其余60%在定植后25 d追施。生物炭含碳量为55%，来自辽宁金和福农业开发有限公司。此外，所有处理均基施P2O5 100 mg/kg和K2O 400 mg/kg。除定植后浇定植水至田间最大持水量的90%外，试验期间采用称质量法控制土壤含水量在田间最大持水量的75%左右。定植后20 d内每5 d称质量1次，20～40 d隔天称质量1次，40～60 d每周称1次，并根据未种植的空白盆钵土面日均蒸发量，计算并校正每次灌溉水量，记录灌溉水量和土面日蒸发量，用于计算累积灌溉水量和土面日蒸发量。
1.2 样品采集与测定
定植后60 d，将番茄植株自土壤表面剪断，用剪刀将植株的茎、叶和果实分开，分别装入已经标记好的信封中，称量并记录鲜质量。在105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒质量，称量并记录茎、叶和果实干质量。其中，氮肥利用效率(NUE，nitrogen use efficiency)和水分利用效率(WUE，water use efficiency)计算公式：
氮肥利用效率
水分利用效率
1.3 数据处理
运用SAS 9.2进行二因素方差分析，在0.05水平下，应用Duncan检验进行差异显著性分析。使用Sigmaplot 12.5进行相关图表绘制。
2 结果与分析
2.1 施氮量与施碳量二因素方差分析
二因素方差分析结果表明，不同施氮量处理的番茄茎叶干质量、氮肥利用效率和累积灌溉量差异显著(表2)；不同施碳处理，除茎干质量和氮肥利用效率外，其他参数均达显著水平。此外，氮肥和生物炭对上述参数的影响，均不存在显著交互作用(表2)。
表2 氮肥和生物炭施用量对番茄茎、叶、果干质量、水氮利用效率和累积灌溉量影响的二因素方差分析
Tab.2 Two factor variance analysis of the effect of different nitrogen and biochar application rate on the dry weight of tomato leaf, stem and fruit,nitrogen and water use efficiency and accumulative irrigation amount
项目Item干质量/g Dry weight总干质量Total dry weight茎Stem叶Leaf果Fruit水分利用效率/(g/g)WUE氮肥利用效率/(g/L)NUE累积灌溉量/LCumulative irrigation氮肥(N) Nitrogen2.52ns6.97∗∗9.48∗∗∗1.40ns0.91ns42.32∗∗∗11.81∗∗∗生物炭(C) Biochar3.83∗1.33ns5.96∗∗3.27∗4.44∗1.36ns7.03∗∗N×C0.61ns1.43ns0.95ns0.53ns0.56ns0.21ns0.76ns
注：***.P≤0.001；**.P≤0.01；*.P≤0.05；ns.差异不显著。
Note：***, **,*.Represents a significant difference at levels 0.001, 0.01, and 0.05, respectively; ns.Not significant.
2.2 氮肥施用量对番茄茎、叶、果干质量和水氮利用效率的影响
与中低施氮量相比，高施氮量(400 mg/kg)处理显著降低番茄茎、叶干质量，平均降幅分别为13%(11%～16%)、10%(10%～11%)，说明过量施用氮肥抑制了番茄茎叶的生长。中低施氮量间，茎叶干质量差异不显著(图1-A-B)；果实干质量随施氮量的增加呈现逐渐降低的趋势，但处理间差异不显著(图1-C)。
不同字母表示在5%水平差异显著(P<0.05)。图2-4同。
Values by a different letter are significantly different on 5% level (P<0.05). The same as Fig.2-4.
图1 氮肥施用量对番茄茎、叶、果干质量的影响
Fig.1 Effect of application rates of nitrogen on the leaf, stem, and fruit dry weight of tomato
随着施氮量的增加，氮肥利用效率显著降低(图2-A)。施氮量从低到高，氮肥利用效率分别为483，215，128 g/g，高氮处理氮肥利用效率比低氮处理降低了73.5%；另外，水分利用效率随施氮量的增加呈现下降趋势，但差异不显著(图2-B)。总之，过量施用氮肥不仅抑制了番茄生长，而且还导致资源利用效率降低。实际生产中，大量氮肥通过淋洗而损失，浪费资源的同时还对地下水造成污染。因此，适当减少氮肥施用量有利于蔬菜生产的可持续健康发展。
2.3 生物炭施用量对番茄茎、叶、果干质量和水氮利用效率的影响
施用生物炭对番茄茎干质量无显著影响(图3-A)。与不施用生物炭处理相比，施用生物炭显著提高了番茄叶干质量和果干质量，平均增幅分别为10.4%和14.9%(图3-B-C)，说明生物炭的施用减缓了因过量施氮所造成的抑制番茄植株生长的现象。
图2 氮肥施用量对番茄氮肥和水分利用效率的影响
Fig.2 Effect of application rates of nitrogen on the nitrogen and water use efficiency of tomato
图3 生物炭施用量对番茄茎、叶、果干质量的影响
Fig.3 Effect of application rates of biochar on the leaf, stem, and fruit dry weight of tomato
与不施用生物炭相比，添加生物炭提高了氮肥利用效率，其中，高施碳处理比不施碳处理提高了12%，达281 g/g；低施碳处理比不施碳处理提高了21%，达319 g/g(图4-A)，说明施用生物炭显著提高了番茄植株对氮肥的利用能力。高施碳量处理(5.0 g/kg)氮肥利用效率低于低施碳量处理(2.5 g/kg)，但差异不显著(图4-A)。与不施用生物炭相比，低施碳量处理水分利用效率显著提高了42.3%，达21 g/L；高施碳量处理水分利用效率为18 g/L，比对照处理高25.3%(图4-B)，生物炭的施用显著促进了番茄植株对水分的吸收利用。施用生物炭的2个处理之间水分利用效率不存在显著差异，但低施碳量处理比高施碳量处理增加了13.6%(图4-B)。总之，生物炭的施用缓解了高氮对番茄生长的抑制作用，促进了番茄植株对氮和水分的吸收利用，从而提高了氮肥利用效率和水分利用效率。
图4 生物炭施用量对番茄氮肥和水分利用效率的影响
Fig.4 Effect of application rates of biochar on the nitrogen and water use efficiency of tomato
2.4 水分消耗量与茎、叶、果干质量相关性分析
氮肥和生物炭施用量对累积灌溉量的影响差异显著。定植后60 d，低施氮量(100 mg/kg)、中施氮量(200 mg/kg)和高施氮量(400 mg/kg)处理的累积灌溉量分别为16.5，15.8，13.1 L(图5-A)。定植后20 d内，由于番茄植株处于缓苗期和幼苗生长期，各处理间植株生长无显著差异，所以各施氮处理间累积灌溉量差异不显著。定植20 d之后，施氮处理对番茄植株的影响逐渐显现，由于高氮处理抑制了植株生长，导致植株生长矮小，降低了植株生长对水分的需求量，所以高氮处理累积灌溉量逐渐低于中低氮处理。定植后60 d，高氮处理累积灌溉量显著低于中低氮处理，其中，中氮和低氮处理累积灌溉量不存在显著差异(图5-A)。
定植60 d时，不施用生物炭、低施碳量(2.5 g/kg)和高施碳量(5.0 g/kg)处理的累积灌溉量分别为13.6，16.1，16.0 L(图5-B)。与氮肥处理类似，定植后20 d内，生物炭不同施用量对累积灌溉量的影响不显著；定植20 d之后，施用生物炭处理的累积灌溉量逐渐高于不施用生物炭处理，随着植株生长，对水分的需求也不断增大，所以处理间累积灌溉量差异逐渐加大(图5-B)。此外，番茄茎叶果总干质量与累积灌溉量之间，呈极显著正相关关系，决定系数达0.837 1。上述正相关关系表明，随着茎叶果总干质量增加，累积灌溉水量逐渐加大(图6)。
图5 氮肥(A)和生物炭施用量(B)对累积灌溉量的影响
Fig.5 Cumulative amount of irrigation affected by application rates of nitrogen(A) and biochar(B)
施氮量为100，200，400 mg/kg，施碳量为0，2.5，5.0 g/kg。
Nitrogen application rates are 100，200，400 mg/kg, carbon application rates are 0,2.5,5.0 g/kg.
图6 累积灌溉量与番茄茎、叶、果总干质量之间的相关性分析(n=54)
Fig.6 Correlation between total dry weight of tomato and cumulative amount of irrigation (n=54)
3 结论与讨论
氮素是植物生长必需的大量营养元素之一，氮肥施用量是否合理将决定蔬菜产量高低与品质优劣[18]。本试验结果表明，在氮素背景值较高的设施菜田土壤上继续施用大量氮肥，随着施氮量的增加，植株总生物量和各器官干质量均显著下降，氮肥利用效率显著降低，水分利用效率呈下降趋势。在农业生产中，农户普遍施用尿素作为植物生长所需的氮源，尿素快速水解产生大量
离子，短期内在土壤中大量积累[19]，可能造成氨中毒，对植株根系产生毒害作用，进而抑制根系对土壤养分的吸收和利用，导致植株叶面积降低、植株矮小[20-21]。叶面积与植物光合作用密切相关，叶面积降低可能导致叶片同化能力减弱，水氮利用效率降低。
本试验结果表明，适量施用生物炭，显著增加番茄地上部生物量，有效地缓解了高氮抑制番茄生长的现象。生物炭疏松多孔、比表面积大，具有稳定性高和吸附性强等特点[13-14]，对土壤中的具有一定的固持和吸附作用，降低了土壤中的浓度，进而缓解了因施氮过多可能产生的氨毒症状[22]。生物炭施入土壤后，有效改善了土壤理化性状，提高了土壤通气性，同时提高了土壤导水性和保水性[23]，有利于植物根系生长，提高根系对水分和养分的吸收能力，进而提高水氮利用效率。生物炭性质稳定，其对土壤有机质的提高具有长期性，短期的盆栽试验并不能显著提高土壤有机质含量[24-25]；不同类型土壤施用生物炭对土壤有机质的矿化可能存在正激发效应或负激发效应，取决于生物炭的种类和土壤性状[26-27]。其次，生物炭施用量影响其作用效果的发挥，进而影响土壤有机质的矿化速率与矿化程度，进而影响植物体生长[28-30]。本试验结果表明，与不施生物炭相比，生物炭的施用提高了番茄果实干质量和水氮利用效率，这与此前文献报道的结果基本一致[31]。
累积灌溉量反映了植物对水分的消耗，与光合产物的累积量呈显著正相关关系。高施氮量处理的累积灌溉水量显著低于低施氮量处理，间接反映了番茄生长可能遭受高氮的抑制作用[21]；施用适量的生物炭，则可以缓解高氮对番茄生长的抑制作用，从而促进番茄生长[13-14]。田间条件下，上述试验结果的再现性如何，还有待进一步验证。
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