生物炭不同施用量對烤煙養分與土壤理化性質的影響

李彩斌,蔣壽安,劉青麗*,李志宏,張云貴,何 軼,羅貞寶,蔣雨洲,,3

(1.貴州省煙草公司 畢節市公司,貴州 畢節 551700;2.中國農業科學院 農業資源與農業區劃研究所,北京 100081;3.黑龍江八一農墾大學,黑龍江 大慶 163391)

0 引言

【研究意義】烤煙的養分吸收是決定烤煙優質高產的影響因素之一[1]。土壤是作物生長的基礎,土壤的理化性質影響作物養分的吸收利用。長期大量施用化肥引發土壤板結、酸化、鹽化、營養失衡和C/N失調等問題[2],導致土壤環境質量日益下降[3]。良好的土壤質量是保證作物產量和品質的前提,近年來,烤煙生產連作障礙突出[4],土壤理化性質變差,土壤板結、酸化和肥力降低等現象在一定程度上嚴重制約烤煙的產業發展[5-6]。土壤改良技術研究有利于保障土壤的可持續利用。因此,研究生物炭不同施用量對烤煙養分吸收與土壤理化性質的影響具有重要意義。【前人研究進展】生物炭具有高孔隙度和比表面積大的特點,有利于提高土壤孔隙度,降低土壤容重,改善土壤結構,提高土壤pH和改善土壤微生物環境,是良好的土壤改良劑[7-8]。CUI等[9-10]研究表明,施用生物炭可有效改良土壤理化性質,增加土壤肥力,提高作物產量。韓曉日等[11]研究發現,長期施用生物炭可促進氮肥利用率。夏桂敏等[12]研究指出,施用10 t/hm2生物炭可明顯提高表層土壤有效磷含量和植株磷素積累量。李影等[13]研究發現,生物炭配施有機菌肥可促進烤煙田間生長發育,提高煙葉的兩糖和鉀含量。【研究切入點】近年來,有關生物炭的研究主要集中于其用量、長期累積效應對土壤理化性質或烤煙養分吸收的影響,有關利用生物炭改良土壤對烤煙養分吸收特征和土壤理化性質的影響研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】探究生物炭不同施用量對烤煙養分吸收特征和土壤理化性質的影響,以期為烤煙優質栽培和土壤質量改善提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在貴州省畢節市威寧縣黑石科技園進行,地處104°02′E、26°47′N,屬亞熱帶濕潤季風氣候,年均氣溫13℃,年平均降雨量917 mm。供試土壤為黃棕壤,pH 5.4、總有機碳12.2 g/kg、有效鉀196.4 mg/kg、全氮0.9 g/kg、全磷1.1 g/kg。

1.2 試驗材料

1.2.1 烤煙 供試烤煙品種為云煙87,由畢節市煙草公司提供。

1.2.2 肥料 煙稈生物炭(pH 9.2、碳48.3%、氫3.9%、氧31.4%、氮1.5%、全磷2.4 g/kg、全鉀24.4 g/kg、有效鉀16.2 g/kg、比表面積1.5 m2/g、總孔隙體積0.007 5 cm3/g、平均孔直徑20.3 nm),由貴州金葉豐農業科技有限公司生產;煙草專用基肥(8-10-20)、過磷酸鈣(0-12-0)、硫酸鉀(0-0-50)、煙草專用提苗肥(15-8-7)和煙草專用追肥(13-0-26),均由畢節市煙草公司提供。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 試驗采用單因素隨機區組設計,設3個處理：CK,常規施用化肥;T1,常規施用化肥+煙稈生物炭5 t/hm2;T2,常規施用化肥+煙稈生物炭40 t/hm2。3次重復,共9個小區,小區面積74.8 m2。

于2018年5月3日采用撒施方式一次性投入生物炭,并與耕層土壤迅速旋耕混合均勻后起壟待栽,之后不再施加生物炭,均為不同用量生物炭的后效觀測試驗。于2020年4月26日移栽烤煙,每小區植煙120株,行距110 cm,株距55 cm,小區間設置保護行。基肥種類及用量：煙草專用基肥525.0 kg/hm2、過磷酸鈣288.0 kg/hm2、硫酸鉀79.5 kg/hm2;追肥種類及用量：煙草專用提苗肥37.5 kg/hm2、煙草專用追肥300.0 kg/hm2。肥料總養分投入量為N 90.0 kg/hm2、P2O590.0 kg/hm2、K2O 225.0 kg/hm2。基肥于烤煙移栽前窩施,移栽后30 d結合中耕培土撒施追肥,田間管理按當地優質烤煙栽培管理模式進行。

1.3.2 調查項目及方法

1) 土壤理化性質測定。各處理分別于施肥前和采收后取樣,各小區均取距離煙株15 cm處的煙畦縱切面土壤(厚度2 cm)混合樣,3次重復,去除雜物后用滅菌自封袋密封保存。參照魯如坤[14]的方法測定土壤化學成分,用濕篩法[15]測定土壤水穩性團聚體。

2) 植株養分含量測定。于烤煙成熟期各小區選取長勢均勻一致的植株1株,以根莖為中心,將壟方向55 cm、垂直方向60 cm、深20 cm的土層全部挖出,通過水洗及高密度網過濾,收集烤煙根系,并將每株烤煙分別按根、莖、葉分類后逐批置于烘箱中,105 ℃殺青30 min,70 ℃烘干至恒重,測定其干重;植株樣品經濃硫酸消煮后,分別采用凱氏定氮儀、鉬銻抗比色法和火焰原子吸收法[14]測定根、莖、葉的氮、磷和鉀含量。

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2010和SPSS 21.0對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理烤煙的養分積累特征

2.1.1 氮(N) 不同處理烤煙對養分的吸收累積存在差異。由表1可知,CK、T1和T2整株烤煙氮素積累量分別為29.66 mg/plot、30.89 mg/plot和19.16 mg/plot,以T1最高,T2最低;與CK比,T1提高4.16%,T2降低35.39%。烤煙根、莖和葉部位的氮素累積量分別為3.26～5.55 mg/plot、3.77～5.67 mg/plot和12.13～19.66 mg/plot,根和葉部位以T1最高,T2最低;與CK比,T1提高19.55%和5.31%,T2降低29.87%和35.05%。其中,各處理烤煙根部和莖部的氮素累積量均呈顯著性差異;T1烤煙葉部和整株的氮素累積量顯著高于T2。因此,T1可較好地促進烤煙各器官對氮素的吸收累積。

表1 不同處理烤煙的氮素積累Table 1 Nitrogen accumulation of flue-cured tobacco plants under different treatments mg/plot

2.1.2 磷(P) 由表2可知,CK、T1和T2整株烤煙磷素積累量分別為438.24 mg/plot、469.11 mg/plot和315.99 mg/plot,以T1最高,T2最低;與CK比,T1提高7.04%,T2降低27.90%。烤煙根、莖和葉部位的磷素累積量分別為39.89～79.60 mg/plot、70.21～85.47 mg/plot和205.89～304.04 mg/plot,均以T1最高,T2最低;與CK比,T1提高11.89%、4.52%和6.56%,T2降低43.93%、14.15%和27.84%。各處理烤煙根部的磷素累積量均呈顯著性差異;T1烤煙葉、莖部和整株的磷素累積量均顯著高于T2。表明,T1可有效促進烤煙各器官對磷素的吸收累積。

表2 不同處理烤煙的磷素積累Table 2 Phosphorus accumulation of flue-cured tobacco plants under different treatments mg/plot

2.1.3 鉀(K) 由表3可知,CK、T1和T2整株烤煙鉀素積累量分別為468.15 mg/plot、582.85 mg/plot和341.80 mg/plot,以T1最高,T2最低;與CK比,T1提高24.50%,T2降低27.00%。烤煙根、莖和葉部位的鉀素累積量分別為29.32～61.31 mg/plot、90.02～143.35 mg/plot和222.46～378.18 mg/plot,均以T1最高,T2最低;與CK比,T1提高31.90%、37.64%和19.10%,T2降低36.92%、13.57%和29.94%。各處理烤煙根、莖、葉部位和整株的鉀素累積量均呈顯著性差異。表明,烤煙各器官對鉀素的吸收累積以T1效果最好。

表3 不同處理烤煙的鉀素積累Table 3 Potassium accumulation of flue-cured tobacco under different treatments mg/plot

2.2 不同處理植煙土壤團聚體的分布特征

從表4看出,不同施肥處理植煙土壤團聚體各粒級含量不同。[0.25,2) mm和[2,+∞) mm粒級的土壤團聚體含量分別為32.27%～46.49%和6.05%～8.99%,均隨生物炭施用量增加而降低,T2處理[0.25,2) mm粒級(中粒級)的顯著低于CK,T1和T2處理[2,+∞) mm粒級(大粒級)的均顯著低于CK;[0,0.25) mm粒級(小粒級)的土壤團聚體含量為44.52%～61.67%,隨生物炭施用量增加而增加,以T2最高,CK最低,各處理間均呈顯著性差異。其中,T1土壤小粒級(50.91%)和中大粒級(49.09%)團聚體占比各約50%,表明,適量施用生物炭(T1)有利于土壤團聚體的合理分布。

表4 不同處理植煙土壤團聚體的分布特征Table 4 Distribution characteristics of aggregates with different size in flue-cured tobacco growing soils under different treatments %

2.3 不同處理植煙土壤的養分特征

從表5看出,不同施肥處理對植煙土壤的理化性質影響不同。pH 0.60～0.65,土壤呈酸性;有機質2.29～2.82 g/kg,依次為T2>T1>CK;全氮0.12%～0.13%,依次為T2>T1=CK;全磷0.09%～0.11%,依次為CK>T1>T2;全鉀1.13%～1.49%,依次為T2>T1>CK;堿解氮12.46%～13.90%,依次為T1>CK>T2;有效磷3.88%～4.94%,依次為T2>T1>CK;速效鉀29.46%～74.06%,依次為T2>T1>CK。其中,T2的有機質、全鉀、有效磷和速效鉀均顯著高于T1和CK,全磷和堿解氮均顯著低于T1和CK。整體看,隨生物炭施用量增加,植煙土壤的有機質、全氮、全鉀、有效磷和速效鉀含量均呈增加趨勢,全磷含量隨生物炭用量增加而降低,堿解氮含量變化規律不明顯。因此,適量施用生物炭有利于改善植煙土壤的理化性質。

表5 不同處理植煙土壤的養分特征Table 5 Nutrient characteristics of flue-cured tobacco growing soils under different treatments

2.4 煙株養分與土壤團聚體及理化性質的相關性

從表6看出,煙株的N、P、K與[0,0.25) mm粒級土壤團聚體、有機質、全N、全K、有效P、速效K和pH均呈負相關關系,其中,煙株N、P與[0,0.25) mm粒級土壤團聚體、有機質呈極顯著負相關關系,相關系數分別為—0.84、—0.89和—0.94、—0.97;煙株N、P、K與全N、全K呈極顯著負相關關系,相關系數分別為—0.98、—1.00、—0.88和—0.96、—0.99、—0.84;煙株K與[0,0.25) mm粒級土壤團聚體和有機質呈顯著負相關關系,相關系數分別為—0.64和—0.79。煙株N、P與[0.25,2) mm粒級土壤團聚體呈極顯著正相關關系,相關系數分別為0.91和0.94,與土壤團聚體平均重量直徑呈顯著正相關關系,相關系數分別為0.62和0.69;煙株N與全P呈顯著正相關關系,相關系數為0.75;煙株K與[0.25,2) mm粒級土壤團聚體和全P呈顯著正相關關系,相關系數分別為0.74和0.52;煙株N、P、K與堿解氮呈極顯著正相關關系,相關系數分別為0.99、1.00和0.90。可看出,烤煙植株N、P、K與土壤團聚體及養分含量關系密切。

表6 煙株養分積累量與土壤團聚體及土壤理化性質的相關系數Table 6 Correlation coefficients between nutrients accumulation amount,physico-chemical property and soil aggregate of flue-cured tobacco plants

3 討論

生物炭含有K、Na、Ca和Mg等礦質元素,能促進植物生長和土壤養分循環[15-18]。王大鳳等[19]研究表明,施用生物炭1%～2%種植糯玉米和甜高粱,均能促進氮素的吸收積累。研究表明,生物炭不同施用量烤煙對氮、磷和鉀的吸收積累存在差異,均以煙稈生物炭5 t/hm2處理最佳,整株烤煙氮、磷和鉀積累量分別較CK提高4.16%、7.04%和24.50%;隨著生物炭施用量增加,煙稈生物炭40 t/hm2處理烤煙對氮、磷和鉀的吸收積累量降低,分別較CK降低35.39%、27.90%和27.00%,與鄭琴等[20]的研究結果相似。研究還指出,生物炭不同施用量的烤煙莖部氮素含量低于CK,可能原因是土壤中增加了碳源,微生物通過消耗土壤氮源來補充碳氮比,而氮素在植物體內移動性較強,導致在庫(莖)積累的氮素向源轉移。

生物質炭具有復雜的孔隙結構,能改良土壤理化性質,針對作物-土壤體系看,存在上限量,適當地施用生物炭有利于提高農田土壤肥力[21],當生物炭用量較低時,施用生物炭能提高土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量和土壤微生物數量[22-24]等,從而可促進烤煙生長;當生物炭用量過大時,土壤微生物種類數量、土壤微生物量碳和土壤微生物商降低[25-26],土壤代謝活性降低,進而影響烤煙的正常生長發育。因此,適量施用生物炭可改善土壤理化性質,促進作物-土壤體系的協調發展。土壤的團粒結構可體現土壤的肥沃程度,團粒結構多可調節土壤的緊實度、孔隙度、水、肥、氣和熱等。有研究指出,生物質炭可改良土壤理化性質,提高土壤肥力,促進植物養分吸收利用[27-28]。研究表明,隨著生物炭施用量增加,土壤水穩性團聚體[0,0.25) mm粒級含量增加,可能是由于生物炭具有復雜的孔隙結構,可增加土壤孔隙度,降低土壤容重[29],農田土壤投入生物炭后,導致小粒徑的土壤團聚體含量增加;煙稈生物炭5 t/hm2處理有利于土壤團聚體的合理分布,從而改善植煙土壤的理化性質。相關性分析結果顯示,烤煙養分(氮、磷、鉀)積累量與土壤團聚體粒級分布及土壤理化性質密切相關。因此,構建農田良好的耕層結構,有利于促進植物養分的高效利用,但關于如何調控介導植物根系的構建,從而影響植物養分吸收利用的相關機理仍需進一步探究。

4 結論

通過長期定位施肥試驗發現,烤煙生長以常規施用化肥+煙稈生物炭5 t/hm2方式最佳,可提高植煙土壤地力,改良土壤環境,促進土壤團聚體的合理分布及烤煙對養分的吸收積累。