碳基土壤調理劑對昭通冷涼山區植煙黃壤培肥改良研究

王 熾，李枝武，倪 明，閆 輝，陳興位*，宋鵬飛，付 斌，趙新梅

(1.云南省農業科學院農業環境資源研究所，云南 昆明 650205；2.云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南 昆明 650231)

【研究意義】昭通市位于云貴高原與四川盆地結合部，具有典型的高原山地地形地貌特征，冷涼山區土壤以黃壤和黃棕壤為主[1]。冷涼山區黃壤偏酸性，質地較粘重，結構差，土壤基礎地力不高，供肥能力差[2-3]。加之低溫冷害，作物生育期長，土壤養分供應能力差，致使農作物的農學及經濟效益受損失[4-5]。為此，有效改善土壤生態及提高土壤養分供應能力具有重要的理論和實踐意義。【前人研究進展】近年來，功能性碳源材料在農業土壤上的應用已有廣泛研究。研究表明，碳源材料能夠提高土壤有機質含量，改善土壤固氮保肥能力，減少氮磷養分淋溶流失，提高土壤養分供給的持續性和穩定性[6-7]。李瀚[8]、蘇倩[9]等研究表明，生物碳源能提高土壤微生物活性，對土壤養分的循環轉化具有促進作用。烤煙(NicotianatabacumL.)是昭通山區農業的特色經濟作物。近年來，由于長期施用化肥，有機肥投入少，導致土壤C/N失衡，養分利用率不高[10]，加之烤煙根系分布較淺，易造成生理性養分不足，影響了作物的產量和品質提升。目前，關于碳源材料在熱區低肥力土壤改良、蔬菜地高肥力土壤調理等方面都有較好的效果[11]。【本研究切入點】碳源材料在冷涼山區低肥力土壤的應用鮮見報道，能否利用碳基土壤調理劑解決土壤培肥的問題，提高養分利用率，進而實現作物提質增效亟待研究。【擬解決的關鍵問題】研究不同碳基調理劑對昭通冷涼山區黃壤理化性狀、烤煙養分含量及吸收量的影響，綜合評價碳基土壤調理劑的施用效果，為冷涼山區黃壤的培肥改良提供理論依據。

表1 試驗點土壤理化性狀

1 材料與方法

1.1 試驗區域

試驗點位于云南省昭通市昭陽區守望鄉水井灣村，地處東經103°43′40″，北緯27°15′46″，海拔1984 m。試驗區域屬暖溫帶高原季風立體氣候，年平均氣溫12.6 ℃，1月平均氣溫2.0 ℃，7月平均氣溫19.8 ℃，極端最低氣溫-13.3 ℃，極端最高氣溫33.5 ℃，年平均日照1900 h，年平均降雨量760 mm。試驗地供試土壤為冷涼山區黃壤，理化性狀見表1。

1.2 試驗設計

田間試驗設5個處理3次重復。空白處理(CK0)，不施任何肥料；對照處理(CK1)，化肥+商品有機肥；T1處理，化肥+碳基調理劑I；T2處理，化肥+碳基調理劑II；T3處理，化肥+碳基調理劑III。碳基調理劑利用不同植物秸稈粉碎后厭氧半發酵制作而成，后摻混化肥及固體粘結劑，利用平磨式擠壓造粒機，造成2～3 cm圓柱狀顆粒。供試3種碳基調理劑的基礎性質見表2。

1.3 供試作物、施肥和田間管理

供試烤煙品種為云煙116。移栽方式為膜下小苗移栽，移栽規格：株距55 cm，墑距115 cm，墑高35 cm，種植密度：15 000株·hm-2。

施肥量為氮肥(N)100 kg·hm-2，磷肥(P2O5)125 kg·hm-2，鉀肥(K2O)308 kg·hm-2。其中，基肥為商品有機肥或碳基調理劑2025 kg·hm-2、煙草專用復合肥(11-15-23)825 kg·hm-2，追肥為移栽后15 d追施硝酸鉀75 kg·hm-2，移栽后50 d施用硫酸鉀165 kg·hm-2。施肥方法，調理劑、有機肥和復合肥采用環施，硝酸鉀、硫酸鉀采用兌水澆施。

試驗小區處理除施肥處理不同，其余烤煙種植品種、栽培管理、覆膜方式均相同，煙苗移栽時間:2018年4月25日，第1次采烤時間:2018年7月26日，最后1次采烤時間：2018年9月5日。

1.3.1 土壤采集及檢測 試驗開展前，對整個試驗地塊用5點采樣法，采集0～20 cm耕層土壤，四分法混勻后作為基礎土壤。烤煙生長階段，各處理小區5點采樣法，在煙株中間用土鉆采集0～20 cm耕層土壤，四分法制成混合土樣。土壤理化指標檢測用pH用玻璃電極法；有機質用重鉻酸鉀氧化法；全氮用凱氏定氮法；水解性氮用堿解擴散法；有效磷用鉬銻抗比色法；速效鉀用火焰光度法。

表2 試驗材料基礎性質

1.3.2 植株采集及檢測 在烤煙各生育期采集不同處理具有代表性的3株烤煙，各部位(根、莖、葉)分開，105 ℃殺青30 min后于80 ℃烘干稱重，測定生物量。樣品粉碎后保存，測定不同部位氮、磷、鉀含量。植株養分指標檢測：氮用凱氏定氮法；磷用釩鉬黃比色法；鉀用火焰光度法。

1.4 數據分析

試驗數據利用EXCEL軟件進行處理，采用SPSS 18.0數據處理軟件進行單因素方差分析，采用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 碳基調理劑對植煙土壤pH的影響

由圖1可見，隨著烤煙生長，各處理土壤pH值呈現升高趨勢，且在旺長期和打頂期，施用碳基調理劑的T1、T2、T3處理土壤pH值較CK0和CK1處理提高明顯，在終烤期各處理土壤pH值變化趨于平穩。表明添加碳源材料在烤煙旺長期和打頂期能提升土壤pH值，增加土壤的緩沖性能，鄧小華、李集勤等的研究有相同結果[12-13]。

2.2 碳基調理劑對植煙土壤有機質的影響

由圖2可見，烤煙生育期內，處理T1、T2、T3的土壤有機質含量明顯高于處理CK0和CK1，土壤有機質含量T1>T2>T3>CK1>CK0，終烤期T1、T2、T3的土壤有機質含量分別比CK1提高了52.31 %、43.61 %和30.18 %。表明碳基調理劑能夠增加土壤有機質含量，從而提高土壤養分調控能力，滿足烤煙生長需求。

2.3 碳基調理劑對植煙土壤氮素的影響

由圖3可見，在烤煙生育期內，土壤的水解性氮含量處理T1、T2、T3明顯高于處理CK0和CK1，其中處理T1的水解氮含量最高且保持小幅度升高，處理T2水解氮含量持續穩定升高，處理T3水解氮含量變化幅度不大，終烤期T1、T2、T3土壤的水解氮含量分別比CK1提高了29.3 %、26.7 %、10.7 %。表明T1碳基調理劑的供氮能力強；T2碳基調理劑的前期供氮能力弱，后期受環境(雨水和溫度)和根系生長的影響下，供氮能力大幅提高，較符合烤煙需肥規律；T3碳基調理劑對土壤氮素供應的緩沖能力弱，在烤煙生育期土壤水解氮含量差異不明顯。

2.4 碳基調理劑對植煙土壤磷、鉀的影響

由圖4可見，烤煙生長期內土壤有效磷含量明顯升高，相同施磷量條件下，旺長期土壤有效磷含量T3>T2>T1>CK1>CK0，打頂期處理T1，T2土壤有效磷含量與CK1差異不明顯，T3有效磷含量最低，終烤期處理T1、T2與CK1有效磷差異不明顯，T3有效磷含量最高。施用碳基調理劑對土壤磷具有活化作用，旺長期明顯提高土壤有效磷含量，但隨著時間延長，對磷素的活化效應減弱。烤煙生育期內土壤速效鉀含量明顯高于基礎土壤，旺長期處理T2、T3速效鉀含量高于其他處理，打頂期處理T1、T2、T3與CK0、CK1相當，終烤期處理T1、T2、T3高于處理CK1。碳基調理劑施入土壤后有利于形成土壤有機無機膠體，有助于吸附和保持土壤鉀離子。3種碳基調劑中，T2、T3在旺長期能使土壤磷和鉀維持在較高水平。

2.5 碳基調理劑對植煙養分含量及吸收量的影響

在烤煙收獲期采集具代表性的整株烤煙，對比不同處理對烤煙各部位養分含量的影響。結果表明，處理T1、T2、T3的煙株根、莖、葉氮含量比CK0分別提高17.92 %～25.73 %、80.49 %～135.98 %和45.52 %～68.68 %，處理T1、T2、T3根中氮含量比常規處理CK1分別降低6.1 %、3.2 %、6.2 %；莖中氮含量T3比CK1提高17.2 %，T1和T2分別比CK1降低10.4 %、2.3 %；葉中氮含量T1比CK1低6.9 %，T2和T3比CK1高8.8 %、6.6 %。可以看出碳基調理劑的前期供氮能力略低于常規處理，后期持續性的供氮能力變強，其中T2碳基調理劑的供氮效果較好。處理T1、T2、T3的煙株根、莖、葉磷含量比CK0分別提高7.75 %～20.45 %、30.33 %～64.44 %和10.87 %～20.34 %。與CK1相比，碳基調理劑處理根、莖、葉中磷含量差異均不明顯。處理T1、T2、T3的煙株根、莖和葉中鉀含量與CK0差異不明顯，比CK1常規處理略低。

養分吸收量對烤煙的生長發育具有重要影響。由圖6可見，碳基調理劑處理與常規處理的煙株氮吸收總量：T2>T3>CK1>T1>CK0，處理T1、T2、T3的根、莖和葉的氮吸收量分別占總吸氮量的12.24 %～21.40 %、14.53 %～27.91 %和59.85 %～64.06 %。T2處理的烤煙莖和葉的吸氮量占比高于CK1，根的吸氮量占比低于CK1。碳基調理劑后期持續性的供氮能力強于常規處理CK1，能有效提高烤煙葉片對氮的吸收利用，其中T2碳基調理劑的供氮效果較好。各處理煙株磷吸收總量：T1>CK1>T3>T2>CK0，各處理的根、莖和葉的磷吸收量分別占總吸磷量的16.43 %～27.37 %、16.73 %～42.01 %和37.44 %～55.90 %，碳基調理劑處理能有效提高莖磷吸收的比例。煙株鉀吸收總量：CK1>T3>T1>T2>CK0，這可能與常規施肥施用更多的鉀肥有關，處理T1、T2、T3的根、莖和葉的鉀吸收量分別占總吸鉀量的9.07 %～18.05 %、17.18 %～42.18 %和44.86 %～67.41 %。

表3 不同時期烤煙生物量與土壤養分含量的相關系數

表4 烤煙不同部位生物量與烤煙養分含量、養分吸收量的相關系數

2.6 烤煙生物量與土壤養分含量、烤煙養分含量及烤煙養分吸收量的相關性

烤煙不同部位生物量與土壤養分含量的相關性分析(表3)表明，打頂期烤煙根生物量與水解性氮和有效磷之間呈顯著正相關(P<0.05)，烤煙葉生物量與水解性氮和有效磷之間呈極顯著正相關(P<0.01)，烤煙莖生物量與水解性氮、有效磷和速效鉀呈負相關。表明打頂期土壤養分供給對煙葉的生長發育具有重要作用，影響煙葉的養分吸收和產量的形成。

煙葉不同部位生物量與其養分含量、養分吸收量的相關性分析(表4)表明，烤煙根的生物量與根的氮含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與根的磷含量、氮吸收量和磷吸收量呈顯著正相關(P<0.05)。烤煙葉的生物量與葉的氮含量、磷含量、鉀吸收量呈顯著正相關(P<0.05)，與葉的氮、磷吸收量呈極顯著正相關(P<0.01)。說明烤煙根與葉的生物量與其養分含量和養分吸收量密切相關，從而影響烤煙的產量。

3 討 論

冷涼山區低溫冷涼，酸性土壤抑制微生物的生長量和活性，造成營養元素有效性降低。施用碳基調理劑后，通過提高土壤堿基飽和度、消耗土壤質子等作用提高土壤pH值[14]，土壤微生物種群和數量發生改變。同時碳基調理劑的施用增加了土壤有機質含量，為微生物的生長繁殖提供能源，“激發”了土壤有機氮的礦化分解[15-16]。碳基調理劑中富碳物質其表面較高的離子交換量和活躍的羧基、羥基等官能團，提高了土壤對肥料中的銨態氮和硝態氮的吸附能力，減少了氮素損失，從而增強氮的有效性[17-20]。施用碳基調理劑的土壤水解性氮含量比常規施肥(CK1)在旺長期和終烤期分別提高了6.45 %～35.50 %和10.67 %～29.34 %，其中T2的持續效果最好。說明碳基調理劑都有培肥土壤的作用，但其原料及配比會影響土壤調理效果[21]。

碳基調理劑施入土壤后不僅礦化自身的有機磷，還產生多種有機酸，通過絡合、溶解、還原等作用活化土壤中難溶解性磷，并且通過自身的陰離子交換作用降低土壤對磷的固持[22-25]，從而增加了土壤有效磷含量，提高土壤磷活性[26]。本研究碳基調理劑T2、T3能有效提高旺長期土壤有效磷含量，施用碳基調理劑對土壤磷的“激活效應”隨著時間的推延，磷的活化效應逐步減弱，這可能與土壤通氣狀況、水分含量、溫度變化、微生物活性等影響土壤磷轉化的因素密切相關[27-29]。

研究表明，作物的提質增產不僅表現在氮的供給，而且更重要的體現在碳氮的耦合作用。據劉昱研究，水田和旱地的土壤碳氮輸入量之間存在顯著的正相關關系[30-31]。土壤施用碳基調理劑在作物生長前期具有調節土壤氮素供應強度，影響作物各部位的氮含量水平分配；在作物生長中后期具有維持土壤氮供應的持續性，影響作物的吸氮量和生物量。相同施氮量條件下，烤煙根與葉的生物量與其養分含量和養分吸收量密切相關，施用碳基調理劑的烤煙葉的氮含量和吸氮量要高于常規施肥，施用碳基調理的烤煙根的氮含量水平要低于常規施肥，這有助于煙葉的養分吸收和產量的形成。

4 結 論

冷涼山區黃壤條件下，施用碳基調理劑能提升土壤pH值和有機質含量，調節土壤養分的供給。施用碳基調理劑能減少土壤氮素的淋溶損失，土壤氮的供給持續且穩定，有效提高煙株根系、煙葉的氮含量和吸收量，提高氮肥利用率，對煙葉產質量的提升有顯著作用。綜合來看，昭通地區黃壤肥力較低，T2碳基調理劑供氮持續性更好，在烤煙生長的中后期能穩定持續供應氮素，提高烤煙葉片對氮的吸收利用，有利于煙葉產質量的形成。