评估沼气浆液和生物炭作为化学肥料部分替代品对温室番茄生长、根系特性和产量的影响：一种最小数据集方法

《Frontiers in Plant Science》：Evaluating the effects of biogas slurry and biochar as a partial substitute for chemical fertilizers on greenhouse tomato growth, root traits, and yield: a minimum data set approach

提高温室番茄产量与品质的有机无机肥料替代方案研究。采用生物气污泥（25%-100%）与生物炭协同替代化肥，在等量N-P?O?-K?O输入条件下，发现BS75+C（75%污泥+生物炭）显著促进株高（提升30.3%-36.2%）、茎粗（最高达18.8mm）和根活力（增幅达187.7%），其生长质量指数（GQI）最高（0.669），与产量呈极显著正相关（R2=0.9）。经济分析表明BS25（25%污泥替代）成本效益最优（672,361元/公顷）。MDS系统验证有效，关键驱动因子为根活力（β=0.369）、茎粗（β=0.559）和根冠比（RBR）。研究为干旱半干旱地区设施农业可持续管理提供新范式。

　　在现代农业实践中，温室蔬菜种植已成为提高作物产量与质量的重要手段，尤其在水资源匮乏的干旱和半干旱地区。然而，长期以来，温室番茄种植中过度依赖化学肥料的使用，导致土壤质量下降、作物生长受限以及环境问题频发。为了应对这些问题，研究人员开始探索有机肥料与改良材料的替代方案，以实现更可持续的土壤管理策略。本文的研究聚焦于一种结合生物气肥和生物炭的施肥替代方法，旨在评估其对温室番茄生长质量、产量及土壤肥力的影响，并进一步探讨其在实际生产中的经济可行性。

生物气肥是一种在厌氧条件下通过生物质分解产生的有机液体，富含可溶性氮、磷、钾等营养元素，同时还含有多种微生物代谢产物。研究表明，生物气肥能够改善土壤结构，提高土壤肥力，从而促进作物的生长。然而，由于其含水量高、营养浓度较低，如何有效提高其在作物根系区域的养分与水分保持能力，成为应用过程中的一大挑战。相比之下，生物炭是一种由生物质在缺氧条件下高温热解生成的高碳含量固体材料，具有多孔结构、良好的稳定性及较强的吸附能力。生物炭的使用不仅能够提高番茄产量，还能改善土壤理化性质，促进根系发育，从而增强作物对养分和水分的吸收效率。

本研究通过设置不同比例的生物气肥替代化学肥料，并结合生物炭的使用，系统评估了其对温室番茄生长质量与产量的影响。实验采用随机完全区组设计，设置六种生物气肥替代比例（BS25、BS50、BS75、BS100）及其对应的生物炭组合处理（BS25+C、BS50+C、BS75+C、BS100+C），以及传统施肥（CF）和仅使用化学肥料（FR）作为对照。实验过程中，所有处理均保持相同的氮、磷、钾总输入量和灌溉条件，以确保实验结果的可比性。实验还涵盖了从幼苗期到果实成熟期的整个生长周期，并通过多次测量和统计分析，全面评估了各项生长指标的变化趋势。

研究结果表明，在所有处理中，BS75+C（即生物气肥替代75%的化学肥料并加入生物炭）对番茄植株高度、茎粗和根系活力的提升最为显著。尤其是在开花期，根系活力显著增强，达到358.94 μg g?1 h?1（春季）和355.42 μg g?1 h?1（秋季），这表明该处理在促进根系生长方面具有显著优势。此外，叶片面积（LA）、比叶面积（SLA）、叶面积比（LAR）以及叶面积指数（LAI）在整个生长周期内呈现出持续上升的趋势，其中BS75+C在果实成熟期表现尤为突出。这些数据表明，生物气肥与生物炭的组合使用能够有效改善番茄的生长条件，提高其对环境变化的适应能力。

在生物量分配方面，BS75+C在开花和结果阶段表现出显著的差异。根系生物量比（RBR）、茎生物量比（SBR）和叶生物量比（LBR）均显著高于其他处理，说明该处理能够更有效地将资源分配至植物的各个部位，从而提高整体生长质量。同时，根系与地上部分的生物量比（RSR）也表现出显著差异，表明该处理在促进根系发育方面具有明显优势。通过生长质量指数（GQI）的计算，BS75+C的GQI值达到0.669，显著高于其他处理，且与番茄产量呈高度正相关（P < 0.05）。这一发现不仅验证了GQI在评估作物生长质量方面的有效性，也揭示了在控制养分和灌溉条件下，如何通过优化生物气肥和生物炭的组合比例，实现更高的产量和更好的生长质量。

在经济性方面，BS25（生物气肥替代25%的化学肥料）虽然对生长质量的提升不如BS75+C显著，但其经济收益最高，达到672,361.04元/公顷。这表明在当前的生产条件下，适度使用生物气肥并减少化学肥料的投入，能够在保证产量的同时，降低生产成本，实现更高的经济效益。相比之下，BS75+C虽然在产量和生长质量方面表现优异，但由于生物炭的高成本，其净收益仍低于BS25。因此，在选择最佳的施肥策略时，需要综合考虑生长质量提升与经济收益之间的平衡。

研究还采用了路径分析方法，以揭示影响GQI的主要因素。结果表明，根系活力（RA）、茎粗（SD）和根系生物量比（RBR）是影响GQI的关键因素。其中，茎粗对GQI的直接影响最为显著（Beta = 0.559），其次是根系活力（Beta = 0.369），而根系生物量比主要通过间接途径影响GQI的形成。这一发现为优化温室番茄的生长质量提供了理论依据，即通过提高茎粗和根系活力，可以有效提升作物的整体生长质量。

此外，研究还探讨了不同处理对土壤理化性质的影响。例如，生物气肥的加入不仅能够改善土壤的结构，还能提高土壤的持水能力与养分保持能力。生物炭的使用则进一步增强了土壤的缓冲能力，提高了土壤中养分的可用性，从而促进作物对养分的吸收。然而，过量使用生物气肥可能导致土壤中氮、磷、钾的不平衡，进而影响作物的生长表现。因此，研究强调了合理控制生物气肥和生物炭的使用比例，以实现最佳的土壤肥力和作物生长效果。

本研究的创新点在于，通过结合生物气肥和生物炭的使用，不仅优化了施肥策略，还建立了基于最小数据集（MDS）的生长质量评估模型。该模型能够有效捕捉到生长质量的关键指标，为后续的农业生产决策提供了科学依据。同时，研究还验证了MDS评估系统的可靠性，表明其能够准确反映作物的生长质量，并为不同处理下的生长质量评估提供了一种高效、简洁的方法。

在温室环境下，由于温度、湿度和光照条件的可控性，生物气肥和生物炭的组合使用能够更有效地改善土壤环境，提高作物的生长效率。特别是在干旱和半干旱地区，这种组合策略可以有效缓解水资源短缺的问题，同时提升土壤肥力，从而实现更高的产量和更好的作物品质。此外，研究还发现，生物气肥和生物炭的协同作用不仅体现在养分的供应上，还在于其对土壤微生物群落的调节作用，这有助于维持土壤生态系统的稳定性，促进作物的健康生长。

综上所述，本研究的结果表明，BS75+C处理在温室番茄的生长质量与产量提升方面表现最为突出，是一种可持续且高效的土壤管理策略。然而，在实际生产中，BS25处理由于其较低的投入成本和较高的经济收益，可能更适合当前的生产条件。因此，研究建议在不同生产条件下，根据具体需求选择适当的生物气肥与生物炭的组合比例，以实现最佳的经济效益与生态效益。这一研究不仅为温室番茄的可持续发展提供了理论支持，也为其他作物的有机-无机肥替代策略提供了参考。