減氮條件下生物炭對烤煙根系發育及土壤微生物群落的影響

王 博，劉扣珠，任天寶，元 野，王歡歡，云 菲*，高衛鍇，劉國順

（1.河南農業大學煙草學院/河南省生物炭工程技術中心，河南 鄭州 450002；2.黑龍江省煙草公司牡丹江煙葉公司，黑龍江 牡丹江 157011；3.黑龍江省煙草公司牡丹江煙草科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150002；4.廣東中煙工業有限責任公司，廣東 廣州 510032）

生物炭是將木材、草、玉米稈或其他農作物廢棄物在無氧或者限氧狀態下，經過不高于700℃高溫裂解分離出油和可燃氣后剩余的被碳化的富碳固態產品［1］。具有豐富的含氧官能團如羧基、羥基、醛基等的生物炭能產生大量的表面負電荷，可與其發達的孔隙結構相互作用，賦予生物炭對水、土壤無機離子、極性和非極性化合物很強的吸附性能，其芳香化的結構特征及發達的孔隙結構和巨大的比表面積使其具有高度穩定性和很強的蓄集能力，使施用生物炭的土壤具有高效的保水保肥性能［2-3］。因此，生物炭被視為增加土壤碳截留和土壤保育的有效改良材料［4］。研究發現，長期施用生物炭能夠提高土壤C/N、土壤微生物數量與種類、土壤pH，增加土壤有效磷、有機碳和陽離子交換量等［5］，并且能夠改善土壤養分的生物有效性。另外，生物炭還能有效地吸附一些抑制微生物生長繁殖的化合物以減少對微生物的毒害，增加土壤中微生物的豐度［6］。張偉明等［7］發現，土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根長、根體積和根鮮重，提高水稻根系總吸收面積和活躍吸收面積。李程等［8］研究發現，生物炭可以促進黑麥草根系生長、增加生物量，促進其有機質積累。

在國內，生物炭對水稻和黑麥草的根系生長及產量的促進作用已經得到證實，關于生物炭對煙草生長的影響及作用機理的研究也已有相關報道，但生物炭對烤煙生長尤其是其根系生長的作用機理研究報道相對較少。牡丹江煙區是東北最為典型的植煙區域之一，是調味型煙葉的原料基地，目前存在化肥施用量大、土地養護意識不足等問題，致使土壤碳氮失衡，土壤碳庫指數降低［1］。基于生物炭的物理化學特性及牡丹江烤煙栽培營養管理的問題，開展減氮條件下不同生物炭用量試驗研究，并研究不同處理間煙株根系形態指標、根系活力以及土壤微生物數量的差異和變化規律，分析其對旺長期烤煙根系生長及土壤微生物的影響效果并探索作用機理，旨在為培育強大煙株根系，提升煙葉質量，為牡丹江煙區優質煙葉生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于黑龍江省牡丹江市寧安市牡丹江煙草科學研究所試驗場進行。試驗場位于東經128°02′～131°18′，北緯43°24′～45°59′，屬于高緯度大陸季風氣候，四季分明，氣候寒冷，雨熱同季。全年日照時間約2400 h，年平均氣溫6.1℃，無霜期140 d，年降水量約580 mm［9］。

1.2 供試材料

供試烤煙品種為“龍江911”（由牡丹江煙草科學研究所提供）；煙苗于2016 年5 月13 日移栽；供試土壤為暗棕壤，試驗土壤基本理化性質：土壤pH 為7.2，碳、氮、硫含量分別為1.371%、0.126%和0.073%，有機質含量為2.31%，堿解氮為89.55 mg/kg，有效磷為21.587 mg/kg，速效鉀為165.453 mg/kg。生物炭料原料為花生殼，炭化條件為380～400℃連續式炭化。生物炭料由河南省生物炭工程技術中心提供，基本理化指標如表1 所示。

表1 供試花生殼生物炭的主要理化指標

1.3 試驗設計與方法

該試驗設計有5 個處理，分別為CK、T1、T2、T3、T4。CK 為空白對照，T1～T4 處理在常規肥減施40%化肥氮（即施入4.5 kg/hm2）的基礎上，依次施加生物炭600、1200、1800、2400 kg/hm2。常規肥為煙草專用肥（N、P、K 分別為7%、10%、21%）、硫酸鉀（K2O 52%）、重過磷酸鈣（P2O542%）。對照試驗區施肥總量為氮42 kg/hm2，磷152 kg/hm2，鉀226 kg/hm2。

每個處理設3 個重復，面積0.06 hm2。生物炭料和常規肥作為基肥一次性施入植煙土壤，施肥方式為條施，保持田間持水量平衡15 d 后開始移栽，并于團棵時追施硫酸鉀150 kg/hm2，施肥方式為穴施。各處理的移栽方法、水肥管理、農事操作與非試驗田大田管理一致。

1.4 測定內容與方法

1.4.1 根系結構的測定

移栽30 d 后，在選定的樣株一側安裝直徑7 cm、長50 cm的透明微根管，根管與地面垂直，位于煙莖正東面，與煙莖距離約10 cm，地下埋深約45 cm，安裝前管口用密封蓋塞緊，并在管口外面包被一層不透光的黑色膠帶，防止光線、雜物、灰塵及水汽進入管內，以減小外界環境條件對根管內環境的影響。用CI-600 根系掃描分析儀進行掃描分析，所獲圖像規格為19.6 cm×21.6 cm，并用其軟件分析數據，通過函數計算得出數據結果，包括根系長度、根尖數、根系表面積、根系體積等。

1.4.2 根系活力的測定

采用TTC 法［10］測定根系活力，每個處理每個重復取3 株煙的完整根部作為測定樣品，要求清水洗凈，低溫儲藏，及時測定。

1.4.3 SPAD 值的測定

SPAD 值表示煙葉葉綠素的相對含量。分別在煙株團棵、旺長和成熟3 個時期使用SPAD-502PLUS 葉綠素分析儀，選擇田間各處理中長勢均勻一致的10 株樣株進行測定，記錄SPAD 值，測定面積為6 mm2（2 mm×3 mm）。

1.4.4 土壤微生物數量的測定

在煙株進入旺長期后采集0～20 cm 土層的新鮮土樣，每個小區采集5 個點混合樣（土樣為根際土，分別在小區4 個角和中間各取一株），進行3次取樣和測定，所用數據為3 次的平均值。土樣采集后過2 mm 篩，采用氯仿熏蒸浸提法［11］測定土壤微生物數量。

1.5 數據處理

使用Excel 2013 制作柱狀圖，采用SPSS 20.0對不同處理進行單因素方差分析，并用LSD 法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 生物炭料對旺長期烤煙根系形態指標的影響

圖1 為旺長期烤煙根系的各形態指標，與對照相比，各形態指標整體上不同程度提高，且生物炭料用量為T2（1200 kg/hm2）時，煙株根系長度、根尖數、根系表面積和根系體積有最大值。從整體趨勢來看，隨著生物炭料施入量的增加，各處理的根系形態指標數值呈現先增加再降低的趨勢。T2的根系長度高出對照組31.12%，與對照組呈現顯著性差異（P＜0.05）。施生物炭料600、1800、2400 kg/hm2的生物質炭處理與對照組無顯著性差異，但依次高出對照組17.44%、4.52%、0.24%。

T2的根尖數高出對照組31.66%，且顯著高于其他處理。T1、T3 和T4 分別高出對照組7.61%、27.7%、19.27%；T2的根系表面積高出對照組55.98%，與其他處理呈現顯著性差異。T1、T4 分別高出對照組18.52%、21.47%，T3（生物炭料1800 kg/hm2）的根系總表面積略低于對照組；T2的根系體積顯著高于對照組35.14%，T1 和T3 分別高出對照組8.42%和2.66%，但無顯著性差異，T4（生物炭料2400 kg/hm2）的根系體積略低于對照組。

2.2 生物炭料對旺長期烤煙根系活力的影響

根系活力數據（圖2）顯示，隨著生物炭料施用量的增加，各處理間根系活力呈先增加后降低的趨勢。生物炭料處理的根系活力均高于對照組，并且均與對照組呈顯著性差異；其中以T2（生物炭料1200 kg/hm2）的根系活力最高，顯著高于對照組78.57%及其他生物炭料處理；T1、T3 和T4的根系活力依次高出對照組28.57%、50%和50%。

2.3 生物炭料對旺長期烤煙SPAD 值的影響

SPAD 值表示煙葉葉綠素的相對含量。如圖3 所示，生物炭料處理的SPAD 值顯著高于對照組，且T2處理的SPAD 值相對較高，顯著高于T1，但與T3、T4無顯著性差異。T1、T2、T3 和T4 分別高出對照組14.08%、18.08%、17.14%和17.61%。

2.4 生物炭料對旺長期烤煙植煙土壤微生物數量的影響

由圖4 可知，隨著生物炭料施入量的增加，真菌和細菌數量在各處理間均呈現先增加再降低的趨勢，其中T2（生物炭料1200 kg/hm2）處理真菌和細菌數量較多，顯著高于對照組34.29%和34.17%，更為適宜；放線菌數量隨生物炭料施入量的增加無明顯變化趨勢，T1（生物炭料600 kg/hm2）處理放線菌數量較多，其他生物炭料處理的放線菌數量低于對照組。可能是因為在旺長階段，生物炭料所提供的養分和繁殖場所更適宜于土壤真菌和土壤細菌的生長繁殖，而對放線菌的影響不明顯。

2.5 根系形態指標、SPAD 值與土壤微生物的相關性分析

如表2 所示，土壤微生物與煙株的根系活力有極顯著正相關關系。真菌和細菌對煙株根尖數的影響達極顯著水平，對SPAD 值的影響達顯著水平。真菌和細菌與根系表面積呈負相關關系，其中真菌對根系表面積的影響達顯著水平。放線菌與煙株根系長度、根尖數和SPAD 值呈負相關關系，與根系表面積、根系體積和根系活力呈正相關關系。

表2 根系形態指標、SPAD 值與土壤微生物的相關性

3 結論與討論

煙草根系是煙株活躍的吸收器官與合成器官，能夠汲取土壤中的水分和礦質營養，并合成煙堿、氨基酸、酰胺和激素，然后運輸至莖葉中［12］，因此根系的發育對煙葉質量有重要影響。煙草植根于土壤中，良好的土壤環境條件有利于強化煙株根系的吸收機能，促進對植煙土壤養分的吸收利用。相關研究表明，施用生物炭料可優化土壤結構和通氣狀況，有利于根系的發育［7，13］和土壤呼吸［14］，有益于土壤微生物活動與養分轉化。生物質炭豐富的孔隙結構、高芳香化表面和對水肥的吸附作用為土壤微生物的棲息和繁衍提供良好的“微環境”和庇護所［15］。

在本試驗中，減氮條件下各生物炭料處理的根系形態指標和根系活力值均高于對照組，且在生物質炭施入量為1200 kg/hm2時的效果最好。可能是因為生物炭料施入土壤后，生物炭料比表面積、化學官能團、孔隙結構等特性使其具有較高的吸附性能，在修復土壤碳骨架的同時可以吸附土壤中大量的礦質營養元素，降低了土壤容重［16］，在一定程度上增加了養分的固持能力，減少了土壤中礦質養分的流失，增加了土壤養分含量，隨著土壤理化性質的改善，根系生長得到充足的養分和適宜的生長環境［17］，根系充分吸收利用土壤環境提供的養分，使根尖數量高出對照組31.66%，根系伸長31.12%，根系總表面積增加55.98%，根系體積增加35.14%，根系活力增強78.57%。

隨生物炭料施入量的增加，土壤真菌和細菌的數量顯著增加，且在生物炭料施入量為1200 和1800 kg/hm2時顯著高出對照組34.29%和37.14%。韓光明等［18］發現，當生物炭料施入菠菜農田后，菠菜根際微生物（細菌、真菌、放線菌）的數量顯著增加。可能是因為土壤微生物通過自身的生長發育將土壤中的營養固定在其體內，當微生物死亡之后其體內固定的營養元素會再次釋放出來，成為土壤中的活化養分，利于根系的吸收利用，使根系對土壤養分的利用率大大增強，完善根系的形態建設，良好的根系形態對提高根系活力有積極的促進作用。但土壤放線菌數量無明顯趨勢，可能因為生物炭料施入土壤后所引起的微生物響應非常復雜［19］，并且微生物生長具有各自特定的環境需求，因此，不同種類的微生物對生物炭料施用的響應具有多樣性［20］，可能導致土壤中微生物生物量各異的變化趨勢。

減氮條件下隨著生物炭料施入量的增加，根系形態指標和根系活力呈現先增加后降低的變化趨勢，說明生物炭料對根系的作用存在最優值，并非越高越好。可能是因為生物炭料的添加會改變土壤的容積密度，降低土壤容重［21］，增加孔隙度，影響土壤中的水分條件與空氣分布。生物炭料能夠吸附土壤中的氨氮、硝態氮、磷、鉀、鎂等不同形態存在的營養元素［22-23］。同時，施加生物炭料之后土壤的持水能力和供水能力得到提高，水溶性營養離子的溶解遷移就會減少，在這兩個機制的協同作用下土壤中營養元素的淋失得到了抑制，并保證其在土壤中持續而緩慢地釋放［24］，增強土壤微生物多樣性和土壤酶活進而提高養分的利用效率［25］。但若生物質炭過量施入，可能會引起養分形成團聚體，雖能固定保存，但卻不能在煙株需要時釋放，尤其在土壤持水能力增強的情況下，土壤濕度過高而粘重，所形成的團粒結構不利于營養成分的及時釋放，故而不能達到促進根系發育的最佳效果。