水-生物炭耦合对中国西南部干旱炎热地区露天种植冬季番茄的产量和品质的影响

《Scientia Horticulturae》：Effects of water–biochar coupling on the yield and quality of open-field winter tomatoes in the dry-hot regions of southwest China

该研究在云南元谋干热河谷地区，通过3种灌溉水平（W1:100% ETc, W2:80% ETc, W3:60% ETc）和4种生物炭施用量（B0:0 t·hm?2, B1:10 t·hm?2, B2:20 t·hm?2, B3:30 t·hm?2）设置12种水-炭耦合处理，系统分析其对番茄生长、土壤养分、产量及品质的影响。结果表明，W1B2（100% ETc, 20 t·hm?2生物炭）处理最优，较对照（W1B0）增产27.99%，番茄红素含量提高19.50%，水分利用效率提升28.04%。研究揭示了灌溉与生物炭协同增效机制，为干热区冬季番茄高效生产提供了理论支撑。

　　本研究旨在探讨在干热地区实现冬季番茄高效种植的最优灌溉与生物炭结合方式，以达到节水、增产和改善品质的目标。实验选择了在元谋地区广泛种植的番茄品种“ Geli ”，基于作物蒸腾蒸发量（ETc）设置了三种灌溉水平（W1: 100% ETc，W2: 80% ETc，W3: 60% ETc）和四种生物炭施用率（B0: 0 t·hm?2，B1: 10 t·hm?2，B2: 20 t·hm?2，B3: 30 t·hm?2），共设置了12种水-生物炭组合处理。通过系统分析这些处理对番茄生长、土壤与植物养分、产量、品质和水分利用效率的影响，研究结果表明，水-生物炭耦合显著改善了土壤养分状况，促进了植物生长发育，提高了果实产量、品质和水分利用效率。在生长过程中，W1B3处理的株高和茎粗分别比对照（CK, W1B0）增加了14.87%和5.47%。同时，在W3B2处理下，硝酸盐氮含量增加了2.92倍。综合考虑产量、品质和水分利用效率，推荐在西南地区干热区域采用W1B2处理（100% ETc，20 t·hm?2生物炭）。与CK相比，W1B2处理的产量、番茄红素含量和水分利用效率分别提高了27.99%、19.50%和28.04%。本研究为干热地区冬季番茄高效生产提供了理论依据。

### 1. 引言

番茄（*Solanum lycopersicum*）是世界上最重要的经济蔬菜之一，富含多种营养成分，包括维生素、番茄红素、有机酸和膳食纤维，深受消费者喜爱（Bertin and Génard 2018；Erba et al., 2013）。云南省干热谷地区是中国“南菜北运”和“西菜东调”重要的蔬菜生产基地，该地区的冬春番茄出口量显著，种植面积全年保持在8600 hm2以上，产量约占同期全国番茄产量的30%（Hou and Wang 2024）。然而，干热谷地区普遍存在的焚风效应对农业生产产生了显著影响。年蒸发量是降水量的4-6倍，季节性干旱频繁发生。长期的高密度种植加上粗放的水肥管理，导致了土壤连作障碍和肥力下降，严重影响了番茄的产量和品质，严重限制了当地农业的可持续发展（Zang et al., 2024）。

精准灌溉作为一种高效的用水技术，可以通过科学调控灌溉量和频率，满足作物的水分需要，从而显著提高水分利用效率和作物品质（Tripodi et al., 2025）。生物炭作为一种环保的土壤改良剂，因其保水、保肥和改善土壤结构的能力，已在农业中广泛应用，并在农业生态系统中发挥着越来越重要的作用（Chen et al., 2023；Marcińczyk and Oleszczuk 2022）。生物炭的应用可以增强土壤的物理和化学性质，促进根系生长，提高作物对养分的吸收效率，从而增强作物的抗逆性和产量（Leng and Huang 2018；Mayilswamy et al., 2023；Zhao et al., 2024）。此外，水调节和生物炭改良在提高作物生产效率方面具有潜在的协同效应。整合水调控与生物炭应用的“水-生物炭耦合”管理模式，在改善土壤生态环境、提高水肥利用效率和促进健康作物生长方面展现了良好的前景（Altaf et al., 2022；Zhang et al., 2024）。近年来，研究已表明不同灌溉水平与生物炭的结合对番茄根际土壤微环境产生了显著影响（Cheng et al., 2025；Liu et al., 2025；Shi et al., 2024）。生物炭可以调节土壤微生物群落结构（Wang et al., 2021），促进土壤硝化作用并抑制反硝化作用，从而增加土壤硝酸盐氮含量，减少氮素损失，提高番茄的氮素利用效率（Yu et al., 2024；Alkharabsheh et al., 2021）。

关于养分管理，Zhao et al. (2022) 报告称，合理的施肥可以显著提高番茄产量，而过量施肥则会导致产量下降、水分利用效率降低和部分肥料生产力减少。此外，生物炭的应用可以改善土壤肥力，提高番茄果实的营养价值，包括可溶性糖、维生素C、番茄红素含量和果实颜色和风味（Guo et al., 2021）。Simiele et al. (2022) 进一步表明，在适当的生物炭-水分比例下，不同灌溉水平和生物炭的协同调控可以显著提高番茄单果重、可食率、果汁率、可溶性固形物、维生素C、有机酸和固酸比等关键质量指标。Adebajo et al. (2022) 表明，生物炭可以提高土壤养分供应，促进番茄根系发育，增强植物根系生长和养分吸收能力，从而显著提高株高、茎粗、叶面积、花数、果实产量和干物质积累。上述研究主要集中在西北部中国温带半干旱大陆性气候区、中国中部和西部半湿润大陆性季风气候区、地中海气候区和尼日利亚南部热带草原气候区。然而，由于各研究区域的环境条件差异显著，其研究结论在不同生态区的适用性仍受到限制。

目前，关于提高番茄生长、产量和品质的研究主要集中在温室或盆栽条件下生物炭对番茄生产的影响。相比之下，在中国西南部干旱炎热地区的开放田间条件下，系统研究水-生物炭耦合对番茄生长、产量和品质的影响仍较为缺乏。中国西南部干热谷地区具有典型的南亚干热季风气候特征，但关于水-生物炭耦合对番茄生产机制的研究仍然明显不足。因此，本研究具有新的研究价值，并与Simiele et al. (2022) 的研究在研究区域和生产条件方面存在显著差异。在干热谷地区，光热资源丰富，年平均气温较高，昼夜温差显著，冬春气候干燥少雨（Li et al., 2025）。这些因素为实现番茄及其他园艺作物的高产量和高品质提供了有利的生态条件。然而，由于当地水资源有限，土壤养分供应不足，高效水肥管理仍面临挑战。因此，研究不同灌溉水平和生物炭施用率对番茄产量、品质和水分利用效率的影响，对于促进干热地区的高效可持续生产具有重要意义。

本研究基于云南干热谷地区冬春番茄的滴灌和水肥一体化系统，设计了两因素完全随机区组实验，以评估不同灌溉水平和生物炭施用率的综合效应。迄今为止，中国西南部干旱炎热地区开放田间条件下，关于缺水灌溉与生物炭对番茄生产综合效应的系统评价仍较为缺乏。因此，本研究旨在填补这一研究空白：（1）系统评估土壤养分含量、植物养分含量、水分利用效率、番茄产量和果实品质；（2）分析不同土壤层养分含量、不同植物器官养分含量与番茄品质、产量和水分利用效率之间的相关性；（3）采用CRITIC-VIKOR方法全面评估不同水-生物炭组合对番茄品质、产量和水分利用效率的影响，识别最优组合。本研究可以为干热地区冬季番茄的高效生产提供理论依据。

### 2. 材料与方法

#### 2.1 实验地点

实验于2023年10月至2024年3月在云南省农业科学院热带生态农业研究所元谋县开展（25°41′N, 101°52′E）（Fig. 1）。该地区属于南亚典型的干热季风气候区，年平均温度为21.9°C，年平均降水量为634 mm。土壤的基本理化性质如下：pH值为7.48，容重为1.49 g·cm?3，田间持水量为0.21 cm3·cm?3，硝酸盐氮为8.66 mg·kg?1，铵态氮为6.14 mg·kg?1，速效磷为24.26 mg·kg?1，速效钾为187.79 mg·kg?1。

#### 2.2 实验设计

本实验选用的番茄品种为“Geli”，该品种由云南省元谋现代农业种子产业科技园区提供，并在元谋县广泛种植。“Geli”番茄果实颜色鲜艳，果实类型较大，果实香气浓郁，口感酸甜适中，抗病性强，运输性好。实验于2023年10月25日开始，于2024年3月20日收获，整个生长周期为148天。种植模式为“一膜两管两行”，地膜为1.4米的普通聚乙烯塑料膜，滴灌带埋于地膜下。两滴灌带间距为0.5米，番茄植株间距为0.45米，行间距为0.5米。灌溉量和生物炭量的施用率根据前人研究（Wu et al., 2022；He et al., 2024）和当地条件确定。以灌溉量和生物炭量为实验因素，田间试验设置了三种灌溉水平（W1: 100% ETc，W2: 80% ETc，W3: 60% ETc）和四种生物炭水平（B0: 0 t·hm?2，B1: 10 t·hm?2，B2: 20 t·hm?2，B3: 30 t·hm?2），共计12种处理。实验采用两因素完全随机区组设计，试验区面积为56 m2（5.6 m × 10 m）（Fig. 2）。

#### 2.3 指标与测定方法

##### 2.3.1 植物采样与分析

株高和茎粗测定：在每个实验区选取5株代表性植株，在每个生长阶段用卷尺和游标卡尺测量。干物质质量测定：在番茄成熟期，从不同水-生物炭处理中随机选取3株生长均匀的植株，将根、茎、叶和果实分开。将样品密封后，在烘箱中105°C加热30分钟，然后在80°C下干燥至恒重，以确定干物质含量。在番茄成熟期，将根、茎、叶和果实的干物质样品研磨过筛后，保存以供后续分析。根、茎、叶和果实的总含氮量通过凯氏定氮仪（Butch, K-360型）测定。根、茎、叶和果实的总磷含量通过钒钼黄吸收分光光度法测定。根、茎、叶和果实的总钾含量通过火焰光度法测定（Huang et al., 2023）。

##### 2.3.2 土壤采样与分析

在番茄成熟期，从每个实验小区的0-20 cm、20-40 cm和40-60 cm土壤层中采集土壤样品。对每层土壤的铵态氮、硝酸盐氮、速效磷和速效钾含量进行测定。铵态氮通过KCl提取-靛酚蓝比色法测定。硝酸盐氮通过紫外分光光度法测定（Zhang et al., 2024），而速效磷通过钼锑比色法测定。速效钾通过醋酸铵提取并采用火焰光度法测定（Tuo et al., 2025）。

##### 2.3.3 水分利用效率与肥料部分因子生产力计算

水分利用效率（WUE，kg·m?3）（Sun et al., 2024）如公式（1）所示：

$$
WUE = \frac{Y}{ETc}
$$

其中，Y为番茄产量，kg·hm?2；ETc为番茄整个生长周期的水分消耗，mm。

肥料部分因子生产力（PFP，kg·kg?1）（Wang et al., 2024）如公式（2）所示：

$$
PFP = \frac{Y}{F}
$$

其中，F为肥料总量，kg·hm?2。

##### 2.3.4 产量与品质测定

在番茄成熟期（3月），从每个处理组中随机选取3株生长均匀的番茄植株进行采样。通过电子天平（精度为0.01 g）称重计算每株番茄的平均产量，然后统计每块地的植株数量以计算番茄总产量。品质在番茄成熟期测定，从每个实验小区中选取3个成熟度相同的代表性番茄果实进行测定。番茄红素含量通过紫外分光光度法测定。维生素C含量通过2,6-二氯靛酚滴定法测定。番茄样品的可溶性固形物通过WAY-2S阿贝折光仪测定。总可溶性糖通过蒽酮比色法测定。总酸含量通过酸碱滴定法测定（Ma et al., 2025）。氨基酸含量通过邻苯二胺比色法测定（Chang et al., 2024）。

##### 2.3.5 CRITIC-VIKOR综合评价方法

为了全面评估各处理的优缺点，本研究采用了CRITIC-VIKOR综合决策方法。VIKOR方法由Opricovic提出，是一种典型的多属性决策方法。它通过衡量每个方案与理想方案的接近程度，综合考虑群体利益和个体遗憾，识别出最优妥协方案（Zhao et al., 2022）。CRITIC方法用于客观确定每个指标的权重，以减少主观加权带来的偏差（Li et al., 2022）。CRITIC-VIKOR方法有效地结合了CRITIC的客观加权，从而减少主观偏差。它使用VIKOR在冲突标准下寻找最优妥协方案，从而提供一个适用于复杂决策场景的全面和客观框架，确保决策过程的科学性和合理性。

1) 指标归一化处理：
$$
V_{ij} = \frac{x_{ij} - x_j \text{min}}{x_j \text{max} - x_j \text{min}}
$$
其中，$x_{ij}$ 表示第i个方案在第j个指标的原始值，$V_{ij}$ 表示第i个方案在第j个指标的归一化值，$x_j \text{min}$ 和 $x_j \text{max}$ 分别表示第j个指标的最小值和最大值。

2) 根据标准化决策矩阵，计算每个指标的正理想解（R?）和负理想解（R?）。其中：
$$
R? = (\text{max}_i x_{i1}, \text{max}_i x_{i2}, ..., \text{max}_i x_{ij})
$$
$$
R? = (\text{min}_i x_{i1}, \text{min}_i x_{i2}, ..., \text{min}_i x_{ij})
$$

3) 计算每个处理与正理想解和负理想解的距离的群体效益值（Si）：
$$
S_i = \sum W_{ij} \left( \frac{R_j? - V_{ij}}{R_j? - R_j?} \right)
$$
其中，$W_{ij}$ 是第j个指标的权重，由CRITIC方法确定。

4) 计算每个处理的个体遗憾值（$R_i$）：
$$
R_i = \text{max} \left\{ W_{ij} \left( \frac{R_j? - V_{ij}}{R_j? - R_j?} \right) \right\}
$$
其中，$R?$ 和 $R?$ 分别是 $V_{ij}$ 的每列最大值和最小值。

5) 计算综合指数（$Q_i$）：
$$
Q_i = \lambda \frac{S_i - S?}{S? - S?} + (1 - \lambda) \frac{R_i - R?}{R? - R?}
$$
其中，$Q_i$ 表示每个处理的效益比。$Q_i$ 值越小，处理越好。lambda 值代表决策者的策略权重，默认值为0.5。$S?$ 值和 $S?$ 值分别是 $S_i$ 值的最大值和最小值。$R?$ 和 $R?$ 值分别是 $R_i$ 值的最大值和最小值。

#### 2.8 数据分析

实验数据使用Excel 2020软件进行组织和计算。通过SPSS 26.0进行方差分析（ANOVA），包括双因素ANOVA。应用Duncan多重范围检验（P < 0.05）以确定各组间的显著性差异。植物生长数据和各器官养分含量的图表使用Origin 2021软件绘制。通过Pearson相关分析探讨不同研究参数之间的关系（P < 0.05）。相关热图使用R 4.3.2中的linkET包基于Pearson相关系数生成。最后，应用CRITIC-VIKOR方法全面评估不同处理下番茄的产量、品质和水分利用效率。

### 3. 结果

#### 3.1 水-生物炭耦合对番茄生长的影响

##### 3.1.1 水-生物炭耦合对番茄株高和茎粗的影响

水-生物炭耦合显著影响了番茄植株的株高和茎粗（P < 0.05）。不同灌溉和生物炭水平的相互作用显著影响了苗期和成熟期的株高（P < 0.05）（Fig. 3）。同时，茎粗没有显著的相互作用（P < 0.05）。W1B3处理在所有生长阶段均表现出最佳性能。成熟时，株高和茎粗分别达到155.98 cm和14.26 mm，比CK（W1B0）分别增加了14.87%和5.47%，表明生物炭在充足水分条件下（W1）的促生长效应更显著。苗期时，W3B3处理的株高最高（37.82 cm）。在果实膨大期，W2B3处理的茎粗最大（11.8 mm），比CK分别高53.74%和21.65%，表明即使在缺水灌溉条件下（W2、W3），高生物炭施用率（B3）也能缓解水分胁迫对植物生长的抑制，从而增强株高和茎粗。

##### 3.1.2 水-生物炭耦合对番茄干物质积累的影响

不同水-生物炭耦合处理对番茄在各生长阶段的干物质积累有显著影响（P < 0.05）。此外，灌溉和生物炭的相互作用在苗期和成熟期对干物质积累有显著影响（P < 0.05）（Table 1）。苗期时，当生物炭施用率保持不变，干物质积累随着灌溉量的减少而减少。W1B3处理的干物质积累最高（32.11 g），比CK和W3B3分别增加了24.75%和32.63%。在果实膨大期和成熟期，当灌溉量保持不变时，干物质积累随着生物炭施用率的增加而增加。果实膨大期，W1B3处理的干物质积累最高（319.89 g），比CK增加了36.59%。成熟期，W3B3处理的干物质积累最高（461.74 g），比CK和W3B1分别增加了21.34%和22.03%。结果表明，水-生物炭耦合对番茄干物质积累的影响具有阶段性特征。灌溉量主要影响番茄苗期的干物质积累，而生物炭的促进效应在果实膨大期及成熟期更为显著。

#### 3.2 水-生物炭耦合作用下的土壤养分变化

总体而言，所有处理均显著影响了土壤中的铵态氮、硝酸盐氮、速效磷和速效钾含量（P < 0.05）。各层土壤养分指标的峰值主要集中在W2B1、W3B1、W2B2和W3B2处理中。相比之下，不施用生物炭的处理土壤养分含量普遍较低（Table 2）。就土壤层分布而言，0-20 cm土壤层的养分含量普遍高于深层（20-40 cm和40-60 cm），表明灌溉和生物炭的影响主要集中在表层。在W3B2处理下，NO1达到最高值（16.18 mg·kg?1），比CK高2.92倍。在W3B1处理下，NH1和K1分别为6.23 mg·kg?1和522.54 mg·kg?1，分别是CK的4.71倍和1.83倍。W2B1处理的NO2和NH2分别为13.28 mg·kg?1和12.83 mg·kg?1，分别是CK的2.50倍和4.15倍。在W2B1处理下，NH3和P3分别为7.08 mg·kg?1（CK的2.10倍）及15.97 mg·kg?1（CK的5.91倍）。结果表明，中等生物炭施用（B1、B2）和缺水灌溉（W2、W3）可以促进土壤中各种养分的积累，而高生物炭（B3）可能抑制某些养分的增加。

#### 3.3 水-生物炭耦合对植物根、茎、叶和果实养分含量的影响

方差分析显示，水-生物炭耦合对番茄根、茎、叶和果实的总氮、总磷和总钾含量有显著影响（P < 0.001），并且具有显著的相互作用（P < 0.001）。本研究中，Nr、Ns、Nl和Nf分别表示根、茎、叶和果实的总氮含量；Pr、Ps、Pl和Pf分别表示根、茎、叶和果实的总磷含量；Kr、Ks、Kl和Kf分别表示根、茎、叶和果实的总钾含量。番茄植物各器官的养分含量总体趋势相似：当灌溉水平保持不变时，养分含量随生物炭施用率的增加而增加；当生物炭施用率保持不变时，养分含量随灌溉量的减少而增加（Fig. 4）。在W1B3处理下，Nl达到最高值（30.66 g·kg?1），比CK高72.34%。在W2B3处理下，Ns、Ps、Pl、Kl、Nf、Pf和Kf均显著高于其他处理。其中，Nf、Pf和Kf分别达到40.44 g·kg?1、6.46 g·kg?1和55.37 g·kg?1，分别比CK增加了17.90%、26.92%和4.00%。在W2B2处理下，Ps和Pl也显著高于其他处理，分别为4.53 g·kg?1和4.23 g·kg?1，分别是CK的3.04倍和0.95倍。Ks和Kl在W2B2处理下达到最高值，分别为51.38 g·kg?1和34.53 g·kg?1，比CK分别高32.08%和37.02%。在W3B3处理下，Pr达到最高值（2.58 g·kg?1），比CK高89.71%。总体而言，所有番茄器官中最高的养分含量主要出现在W2B3处理中，而没有生物炭施用的处理中养分积累普遍较低。这些发现表明，缺水灌溉（W2）和高生物炭施用（B3）可以显著提高番茄植株各器官的养分积累，特别是果实中的总氮、总磷和总钾含量，从而为产量和品质的提高提供坚实的营养基础。

#### 3.4 水-生物炭耦合对番茄产量、水分利用效率和肥料部分因子生产力的影响

水-生物炭耦合对番茄产量（Y）、水分利用效率（WUE）和肥料部分因子生产力（PFP）有显著影响（P < 0.05），并且灌溉和生物炭的相互作用也显著（P < 0.05）。当灌溉水平保持不变时，Y和PFP随生物炭施用率的增加而增加。当生物炭施用率保持不变时，WUE增加，Y和PFP随着灌溉量的减少而在降低，番茄在缺水灌溉（W3）下能更高效地利用灌溉水资源（Table 3）。W1B2的Y和PFP达到最大值，分别为153.29 t·hm?2和196.52 kg·kg?1，分别比CK高29.99%和27.79%，而W3B2的Y和PFP比W1B2分别低20.49%和20.48%。W3B3的WUE最高，为33.56 kg·m?3，比CK、W3B0和W1B3分别高81.30%、21.37%和59.96%。总体而言，缺水灌溉（W2、W3）降低了番茄产量，但适当施用生物炭可以在一定程度上缓解水分胁迫对产量的不利影响，提高水肥利用效率。

#### 3.5 水-生物炭耦合对番茄品质的影响

水-生物炭耦合对番茄红素、维生素C、可溶性固形物、可溶性糖、总酸、糖酸比和氨基酸含量有高度显著的影响（P < 0.01）。此外，灌溉和生物炭水平与每个品质指标之间有显著的相互作用（P < 0.05）（Table 4）。

在生物炭水平保持不变时，可溶性糖含量随灌溉量的增加显著提高，而番茄红素则随灌溉量的增加而减少（B2处理除外）。当灌溉水平保持不变时，增加生物炭施用率可提高可溶性固形物和可溶性糖含量。在相同灌溉水平下，生物炭对总酸含量（P > 0.05）没有显著影响，且数值保持稳定。本研究中，生物炭水平保持不变时，灌溉水平对糖酸比无显著影响。当灌溉水平保持不变时，生物炭在W1和W2水平下增加了糖酸比，但在W3水平下保持稳定。W1B3的糖酸比比CK提高了10.38%，W2B3比W2B0提高了9.54%。当灌溉水平保持不变时，增加生物炭施用率可提高W3和W2水平下的氨基酸含量，但在W1水平下，氨基酸含量下降。W1B1的氨基酸含量最高（2.87 mg·g?1），比CK和W3B1分别高2.5%和95.24%。维生素C和可溶性固形物含量在W2B1处理下达到最高值，分别为12.7 mg·100 g?1和5.4，分别比CK高67.11%和28.57%。在W3B2处理下，多个番茄品质指标达到最高值，表明该处理在品质提升方面具有显著优势。番茄红素、可溶性糖、总酸和糖酸比在W3B2处理下达到最大值，分别为107.27 mg·kg?1、1.49%、0.27%和5.46，分别比CK高38.99%、2.02%、3.85%和15.68%。总体而言，中等生物炭施用率（B1、B2）和缺水灌溉（W2、W3）可以显著提高番茄果实品质。

#### 3.6 基于CRITIC-VIKOR方法的番茄品质和产量评估

首先，使用CRITIC方法确定VIKOR方法中的指标权重。其中，番茄红素（36.14%）和产量（40.45%）具有最高的权重，其次是水分利用效率（15.17%）、维生素C（5.22%）、可溶性固形物（1.19%）、氨基酸（1.13%）、糖酸比（0.49%）、可溶性糖（0.19%）和总酸（0.02%）。基于VIKOR方法，对番茄果实品质参数、产量和水分利用效率进行了综合评估，计算了每个处理的效益比（Qi）值。Qi值越小，处理的综合品质、产量和水分利用效率越好。W1B2处理的Qi值最低，表现出最佳的整体性能。次优处理为W1B3（0.243），而W3B0处理的Qi值最高（0.930）（Table 5）。当灌溉量保持不变时，与不施用生物炭（B0）的处理相比，生物炭施用越多，Qi值越小。B2处理的Qi值显著低于B1和B3处理。当生物炭施用率保持不变时，完整灌溉处理下的Qi值小于缺水灌溉处理下的Qi值。研究结果表明，中等生物炭施用（B2）和充足灌溉（W1）可以显著提高产量和水分利用效率，并在一定程度上改善果实品质。相比之下，过量（B3）或不足（B0）的生物炭施用对番茄品质的改善效果有限，而缺水灌溉显著抑制了产量的提高。

#### 3.7 土壤和植物养分含量与番茄品质、产量和水分利用效率的相关性分析

为了分析土壤和植物养分含量与番茄品质、产量和水分利用效率之间的相互作用，以及它们与生物炭施用率和灌溉量的关系，本研究进行了Mantel检验和相关性分析。尽管分析涵盖了多个指标，但本文主要呈现了具有显著相关性和明显规律性的结果。P2（速效磷）与R（糖酸比）、S（可溶性糖）和WUE（水分利用效率）显著正相关。不同深度的土壤速效钾（K1、K2、K3）与R、S、VC（维生素C）、WUE和Y显著正相关，表明速效钾和速效磷在调节糖分积累和抗氧化物质合成方面起着重要作用。此外，生物炭施用率和灌溉量与番茄红素含量显著正相关（P < 0.001），进一步证实了水-生物炭耦合通过提高果实中关键养分如钾和磷的富集以及激活品质相关代谢途径，直接改善番茄品质。此外，本研究发现缺水灌溉降低了产量。然而，适当施用生物炭可以部分缓解水分胁迫对产量的不利影响，这与Almaroai and Eissa (2020) 和Lei et al. (2024) 的研究结果一致。这种效应可能归因于缺水条件下光合作用和干物质积累受限，而生物炭通过提高土壤保水能力和养分供应能力，抵消了这些负面影响（Ghanem et al., 2021；He et al., 2024；Zhang et al., 2024）。

在综合评估中，W1B2处理被确定为最佳方案，其在产量和维生素C含量方面显著优于其他处理，相应的策略权重分别为40.45%和5.22%。尽管该处理的水分利用效率相对较低，但其番茄红素含量在所有处理中排名第三，策略权重为36.14%，在整体综合评分中有效补偿了水分利用效率较低的不足。水分利用效率的权重仅为15.17%，对整体结果影响最小。W1B2处理显著提高了果实品质，同时保持了高产量，展示了其良好的实际应用潜力。未来的研究可以进一步探讨不同灌溉阈值和生物炭施用率下根际代谢物的分布和功能微生物群落的响应机制，以进一步提高水分利用效率，实现绿色高效的番茄生产，同时保持产量。

### 4. 讨论

在充足灌溉（W1）下，高生物炭施用率（B3）显著提高了株高和茎粗。在缺水灌溉（W2、W3）下，B3处理缓解了水分胁迫造成的抑制，表明生物炭在不同水分条件下持续改善了土壤结构和根系吸收能力。这些发现与Obadi et al. (2023)、Keabetswe et al. (2019) 和Singh et al. (2019) 的报告一致。这是因为生物炭可以有效改善土壤保水性，促进土壤中水稳性团聚体的形成（Zhang et al., 2020），降低土壤容重，减少水分损失，提高根系吸水能力，从而显著提高作物的水分利用效率（Simiele et al., 2022）。此外，生物炭还能缓解水分胁迫对株高和茎粗等生长参数的抑制作用。

干物质积累的主要因素在不同生长阶段有所变化：苗期主要依赖水分供应，而在果实膨大和成熟期，生物炭的作用更为显著。这一发现表明，植物对资源供应的敏感性在不同生长阶段有所不同。苗期主要依赖水分供应，而后期则主要依赖养分供应。这一观察与Agbna et al. (2017) 的研究结果一致。这是因为苗期的快速营养生长高度依赖于水分供应（Khokhar et al., 2025）。相比之下，果实膨大和成熟期，生物炭的多孔结构储存了养分，并提高了土壤中氮、磷和钾的可用性（Abdelghany et al., 2023）。这一过程促进了番茄植株对养分的吸收，从而增加了干物质的积累。此外，干物质积累的效率不仅受土壤水分和养分供应的影响（Zhang et al., 2024），还受到生物炭对氮代谢调控的影响。此外，生物炭可能通过改变根际微生物群落组成，间接提高氮素的同化效率（Cui et al., 2024）。

本研究发现，适当施用生物炭（B1、B2）与缺水灌溉（W2、W3）结合，可以促进土壤中各种养分的积累，而高生物炭施用（B3）可能抑制某些养分的提高。这一发现表明，生物炭施用存在最佳范围。这一观察与前人研究结论（Knoblauch et al., 2021）一致。可能的解释是，生物炭因其较大的比表面积和丰富的孔隙结构，具有良好的保水保肥能力。其高比表面积和亲水性官能团可以提高土壤持水能力，增加阳离子交换能力，减少养分淋失，提高养分可用性（Cheng et al., 2025）。此外，生物炭还能改善土壤结构，促进团聚体形成，为微生物群落提供栖息地，从而间接促进养分循环和土壤肥力的提高（Li et al., 2023）。然而，过量施用生物炭可能会抑制某些土壤酶活性，如脱氢酶和蛋白酶，从而限制有机质分解和养分转化，降低养分可用性（Gupta et al., 2024）。此外，中等缺水灌溉（W2）诱导了根系的适应性反应，提高了根系吸收能力，表现为水分和养分利用效率的提高（Du