不同類型土壤上施用生物炭對烤煙氮鉀養(yǎng)分積累的影響

李彩斌，張久權(quán)，何 軼

（1貴州省煙草公司畢節(jié)市公司，貴州畢節(jié) 551700；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東青島 266101）

0 引言

長期以來，煙草一直是貴州省的一種重要經(jīng)濟作物，是當?shù)刎毨мr(nóng)民的重要收入來源。烤煙養(yǎng)分管理中，N素供應(yīng)和調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要的作用，與煙葉前期的旺盛生長、后期的及時成熟落黃，煙堿含量控制，糖堿比等化學(xué)協(xié)調(diào)性的優(yōu)化等都有密切關(guān)系[1]。煙葉K含量對煙葉的燃燒性影響極大。目前中國煙葉的K含量普遍偏低，需要采取有效措施，提高煙葉K含量。近年來，人們發(fā)現(xiàn)土壤中施用生物炭能帶來很多益處[2-8]。例如，生物炭可以增加土壤有機碳含量[2-4]和土壤活性有機碳含量[5]，增加酸性土壤pH[6]，提高土壤有效N供應(yīng)能力[6-7]，增加土壤有效N含量[8-9]，增加土壤有效K 含量[6]。因此，弄清生物炭用量對烤煙N、K 養(yǎng)分積累的影響，以及這些影響在不同土壤類型間是否一致，具有重要意義。趙彥敏等[10]的研究表明，施用生物炭可以明顯增加土壤微生物活性，提高土壤肥力。徐孟澤等[11]報道，生物炭基肥能提高生菜的品質(zhì)，降低硝酸鹽含量15.38%～22.38%。LIU等[12]的研究結(jié)果表明，生物炭的施用可提高土壤有效K含量高達66.6%。而土壤中有效K 和堿解N 含量的增加，能提高土壤對這2 種養(yǎng)分的供應(yīng)能力，從而提高作物的產(chǎn)量和收獲物質(zhì)量，此在前人的研究中得到了證實[5,13-14]。N、K 營養(yǎng)對烤煙生長具有很大的影響，K含量越高，煙葉質(zhì)量越好，在煙田施用生物炭可提高烤煙產(chǎn)、質(zhì)量[15]。學(xué)者們也研究了施用生物炭對作物根系的影響，發(fā)現(xiàn)生物炭能增加烤煙根系長度和根尖數(shù)量[16-17]，促進大豆細根的伸長和增長[18]。然而，以往的研究結(jié)論并不完全一致，在生物炭對土壤養(yǎng)分的有效性方面及作物含量和積累積累量等方面存在很大差異[19]，尤其對其形成機理和影響因素，人們還沒有達成共識。例如，DAI 等[20]報道，作物生產(chǎn)對生物炭施用的反應(yīng)差異高達-31.8%～974%。在N素供應(yīng)方面，QIAN等[21]報道，施用花生殼和稻草生物炭后，稻田土壤中的有效N含量沒有增加，反而降低。HANGS 等[22]也發(fā)現(xiàn)生物炭的施用有時對土壤有效N 無影響，但有時會降低土壤有效N 的含量。因此，為了進一步探究生物炭的施用對烤煙生長及N、K 養(yǎng)分積累積累的影響，筆者開展了本試驗，試圖弄清其影響因素，探討其機理，以期為生物炭在煙田中的大面積推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計與材料

試驗于2018 年在貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)何田科技園（海拔1532 m，105°09'E、27°22'N）進行。采用盆栽試驗，完全隨機排列。處理設(shè)計為2 因素（土壤類型、生物炭用量）3重復(fù)全因子組合設(shè)計。土壤類型為3水平（黃壤、黃棕壤、石灰土），生物炭用量設(shè)5個水平（0%、0.1%、1%、2.5%、5%，按炭/風(fēng)干土重量比計算，相當于0、1.25、12.5、31.3、62.5 t/hm2大田用量）。共45盆，采用50 cm×50 cm（高×直徑）加厚黑色塑料盆，底部開孔漏水。此3 種土壤為貴州煙區(qū)典型的土壤類型，采集0～20 cm 耕層，時間為煙田烤煙翻耕移栽前。黃壤取自大方縣黃泥塘鎮(zhèn)黃泥村（海拔1312 m，N 27.47071°，E 106.27142°）；黃棕壤取自威寧縣小海鎮(zhèn)松棵村（海拔2098 m，N 26.97762°，E 104.15459°）；石灰土取自黔西縣綠化鎮(zhèn)灣箐村（海拔1246 m，N 27.05287°，E 105.72459°）。生物炭由位于威寧縣的金葉豐農(nóng)業(yè)技術(shù)公司生物炭廠提供，是在380°C 條件下對煙梗進行低氧碳化制作生產(chǎn)的。

1.2 試驗實施與取樣

所有土壤風(fēng)干后過1 cm篩，每盆稱風(fēng)干土29 kg，與事先計算好的生物炭用量和煙草專用肥(N:P2O5:K2O=9:13:22；0.42 g/kg)進行充分混合后裝盆，煙草專用肥用量所有處理相同。5 月8 日移栽，烤煙品種為‘云煙87’，每盆1 株。移栽時按田間持水量（3 種土壤統(tǒng)一為28%）的70%澆去離子水，移栽后視干旱情況定期澆去離子水，其他管理參考烤煙當?shù)厣a(chǎn)方案進行。烤煙移栽70 d（7 月18 日）后收獲所有煙株，按根、莖、葉3 部位分別烘干和稱重。對所有盆中的土壤進行破壞性取樣，混勻后取樣測定土壤肥力指標。

1.3 樣品檢測

土壤和生物炭檢測方法參見文獻[23]。植株樣品全N采用濃硫酸消煮，F(xiàn)OSS分析儀器公司生產(chǎn)的全自動凱氏定N 儀進行測定。全K 采用濃硫酸消煮，稀釋10 倍后用英國Sherdwood 公司的M410 火焰光度計進行測定。煙株全N、全K含量用烘干基表示，積累積累量根據(jù)全N、全K含量和煙株各部位質(zhì)量計算，用每株烤煙各部位所含的全N、全K總質(zhì)量(μg)表示。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SAS（SAS公司，美國）9.4軟件廣義線性混合模型(generalized linear mixed models)的Glimmix 程序[24-25]，按2因素3重復(fù)完全隨機設(shè)計進行方差分析，其中重復(fù)為隨機效應(yīng)，土壤類型和生物炭用量為固定效應(yīng)。采用該模型進行方差分析時，不要求因變量為正態(tài)分布[25]。當土壤類型×生物炭用量間的交互作用顯著時，采用LSMESTIMATE進行某種土壤類型下各生物炭用量，以及某一生物炭用量下各土壤類型間的多重比較[26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤和生物炭的主要性狀

3種土壤的pH和相關(guān)養(yǎng)分含量見表1～2。石灰土由于所處的地理位置等原因，長期受到淋溶，土壤已經(jīng)變?yōu)橹行浴｜S壤和黃棕壤為弱堿性。土壤中有效N主要為硝態(tài)N，其含量黃壤最高，石灰土最低。有效K含量黃壤最高，其余2 種土壤含量差別不大。生物炭為堿性，pH 9.50。K含量高，為6.12 g/kg。陽離子交換量(CEC)高，為110.0 cmol/kg，具有吸附大量K+、NH4+等陽離子的潛力。

表1 供試土壤的基本性狀

表2 供試生物炭的基本性狀

2.2 生物炭用量對烤煙生長和根系特征的影響

煙株干重結(jié)果見表3。在3種土壤類型上，莖干重均隨生物炭用量的增加而顯著增加。當生物炭用量為5%時，莖干重達最高值。3 種土壤平均，5%生物炭用量莖干重是對照的1.72倍，增加71.66%。

表3 土壤類型和生物炭用量對烤煙生物量的影響（均值±SE） g/株

葉干重、根干重、冠根比3 個指標土壤×生物炭用量交互作用顯著(P＜0.05)，說明生物炭不同用量對此3種指標的影響，在3種土壤類型間有一定差異。具體來看，黃壤上生物炭用量對葉片干重沒有顯著差異；而在石灰土上，生物炭用量0.1%和1.0%，1.0%和2.5%間葉片干重差異不顯著；黃棕壤上生物炭不同用量間差異最為明顯。冠根比黃壤上各生物炭用量間差異最為明顯；而黃棕壤上生物炭用量間無顯著差異。3 種土壤上，隨著生物炭用量的增加，葉片和根干重均增加。與對照相比，5%生物炭用量的葉干重在黃壤、石灰土、黃棕壤上的增加量分別為96%、103%、64%；根干重分別增加192%、182%、71%。增加的幅度根干重比葉干重要大，說明生物炭的施用更能促進根系的發(fā)育。總之，烤煙干重隨生物炭用量的增加而增加，根干重增加最為明顯，葉片、根干重增加效果在3種土壤類型間存在差異。在所有的處理中，石灰土+5.0%生物炭用量的處理，莖、葉、根生物量值最高；黃棕壤+0.1%生物炭的處理，冠根比最小，根系占比最高。

烤煙根系特征結(jié)果見表4。所有根系指標，土壤類型×生物炭用量交互作用不顯著，因此，我們僅需要考察土壤和生物炭用量的主效應(yīng)。隨著生物炭用量的增加，根體積有一定增加，但顯著性較弱(P＝0.07)；側(cè)根數(shù)量有極顯著增加。黃壤、石灰土、黃棕壤上施用5.0%生物炭的處理比不施生物炭的處理，烤煙側(cè)根數(shù)每株分別增加17.0、30.7、20.3 個，增加幅度分別為150.0%、137.4%、67.1%。3 種土壤平均，施用生物炭0.1%、1.0%、2.5%、5.0%，側(cè)根數(shù)量分別比對照增加了6.33、10.33、16.00、22.67 個，增加幅度分別達29.68%、48.43%、75.01、106.28%。總之，生物炭能促進根系發(fā)育，主要是通過增加側(cè)根數(shù)量來體現(xiàn)。

2.3 生物炭用量對煙株N含量和積累積累量的影響

烤煙根系、煙莖含N 量土壤類型×生物炭用量交互作用顯著（表5），根系含N 量隨生物炭用量的增加而降低。黃壤、石灰土、黃棕壤上根系含N量生物炭用量為5%的處理比對照分別降低了40%、45%、35%（表5）。煙莖的變化趨勢與根系類似，也是隨生物炭用量的增加，N 含量顯著降低。葉片N 含量隨生物炭用量的增加而降低（表5），3 種土壤類型平均，施用生物炭0.1%、1.0%、2.5%、5.0%的處理，葉片N 含量分別比對照減少了2.28、3.29、4.16、5.80 mg/kg，降低幅度分別達8.14%、11.74%、14.85%、20.70%。總之，隨著生物炭用量的增加，烤煙根、莖、葉N含量降低，這種影響在不同土壤類型間有一定差異。

表5 土壤類型和生物炭用量對煙株N含量的影響（均值±SE） mg/kg

烤煙根系、莖、葉、整株、冠根比的N積累積累量土壤類型×生物炭用量交互作用都達到了顯著或極顯著水平（表6）。與對照相比，黃壤上施用生物炭0.1%和1.0%，根系N 積累積累量顯著增加46.7%和75.7%，但進一步提高生物炭用量，根系N積累積累量不再增加；石灰土、黃棕壤上分別施0.1%生物炭后，根系N 積累積累量分別顯著增加64.8%、14.32%，進一步提高生物炭用量，根系N 積累量不再增加。煙莖N 積累量變化趨勢與根系一致，在黃壤上生物炭用量超過1.0%時，N積累量不再增加；在石灰土、黃棕壤上生物炭用量超過0.1%時，N 積累量不再增加（表6）。葉片N 積累量也是隨生物炭用量的增加而提高，黃壤、石灰土、黃棕壤上當生物炭用量分別為1.0%、5.0%、2.5%時，葉片N積累量到達最高點。總之，隨著生物炭用量的增加，烤煙根、莖、葉、整株N積累量相應(yīng)增加，但達到N積累量最高點所需的生物炭施用量，各土壤類型間存在差異。

表6 土壤類型和生物炭用量對煙株N積累量的影響（均值±SE） μg/株

2.4 生物炭用量對煙株K含量和積累量的影響

烤煙根系K含量土壤類型×生物炭用量交互作用顯著（表7）。與對照相比，隨著生物炭用量的增加，黃壤上根系K 含量分別增加10.2%、16.3%、22.7%、41.5%；石灰土上分別增加22.3%、32.1%、37.7%、40.7%；黃棕壤上分別增加8.0%、22.4%、47.8%、59.91%。石灰土上，當生物炭用量超過1.0%時，根系K含量不再增加；而其余2種土壤上，K含量隨生物炭用量的增加持續(xù)增加，最高增加分別達40.7%和47.8%。

表7 土壤類型和生物炭用量對煙株K含量的影響（均值±SE） mg/kg

煙莖和葉片K 含量，土壤類型×生物炭用量交互作用不顯著（表7）。煙莖K含量隨生物炭用量的增加而增加，3種土壤平均，施用生物炭0.1%、1.0%、2.5%、5.0%的處理，煙莖K 含量分別比對照增加了5.0%、15.2%、10.7%、12.6%，增加主要出現(xiàn)在1%生物炭用量；煙葉K 含量分別比對照增加了12.4%、19.1%、26.4%、32.3%。總之，隨著生物炭用量的增加，根系和葉片K 含量不斷增加，最高增加量分別為47.8%和32.3%，根系增加最明顯。3種土壤間增加幅度存在一定差異。就處理組合來看，黃壤+5.0%生物炭處理的根系和葉片K含量最高；黃壤+1.0%生物炭處理的莖K含量最高。

烤煙根系K 積累量，土壤類型×生物炭用量交互作用達到了顯著水準（表8）。與對照相比，根系K 積累量均隨生物炭用量的增加而提高，但3 種土壤增加幅度不同。黃壤根系K 積累量分別顯著增加79.4%、144.1%、214.7%、311.8%；在石灰土上，根系K 積累量分別顯著增加146.7%、187.9%、211.2%、285.0%；在黃棕壤上，根系K 積累量分別顯著增加36.7%、60.7%、104.0%、172.7%。在黃壤上增加幅度最高，達311.8%，黃棕壤上最低，為172.7%。總之，施用生物炭0.1%到5%，能顯著提高烤煙根系K 的積累，在黃壤、石灰土、黃棕壤上最高可達311.8%、285.0%、172.7%。

表8 土壤類型和生物炭用量對煙株K積累量的影響（均值±SE） μg/株

煙莖和葉片K的積累量與K含量類似，土壤類型×生物炭用量交互作用不顯著（表8）。煙莖和煙葉K積累量均隨生物炭用量的增加而增加，3種土壤平均，施用生物炭0.1%、1.0%、2.5%、5.0%的處理，煙莖K 積累量分別比對照增加了28.4%、49.4%、58.2%、87.9%；煙葉K 積累量分別比對照增加了43.0%、68.9%、98.0%、144.7%。總之，隨著生物炭用量的增加，煙莖和葉片K積累量不斷增加，最高增加幅度分別為87.9%和144.7%，葉片增加幅度大于煙莖，這種增加效果不受土壤類型的影響。就處理組合來看，根、莖、葉、整株K積累量均是石灰土+5.0%生物炭處理的最高。

3 結(jié)論

黃壤、石灰土、黃棕壤上施用5.0%生物炭的處理比不施生物炭的處理，烤煙每株側(cè)根數(shù)分別增加17.0、30.7、20.3 個，增加幅度分別為150.0%、137.4%、67.1%。烤煙根、莖、葉、整株N 積累量隨生物炭用量的增加而增加，但達到N積累量最高點所需的生物炭施用量，各土壤間存在差異。根系和葉片K含量隨生物炭用量的增加不斷增加，最高增加量分別為47.8%和32.3%，根系增加最明顯。3種土壤間增加幅度存在一定差異。隨著生物炭用量的增加，烤煙根系、煙莖、葉片K 積累量不斷增加，最高分別為311.8%、87.9%、144.7%。總之，施用生物炭能促進烤煙側(cè)根發(fā)育，顯著提高N和K的積累量。

4 討論

本研究表明，隨著生物炭用量的增加，烤煙根、莖、葉中的N含量均逐漸降低（表5）；然而，N積累量卻逐漸升高（表6）。可能是因為生物炭的施用，促進了烤煙的生長和干物質(zhì)積累，雖然N積累量隨生物炭用量的增加而增加，但干物質(zhì)增加的程度更大，由于稀釋效應(yīng)，烤煙各部位N含量反而降低。施用生物炭能增加土壤有效N的供應(yīng)，提高植株N的積累量，已經(jīng)被前人的研究所證實[7]，他們發(fā)現(xiàn)施用生物炭后，土壤硝態(tài)N(NO-3-N)含量顯著提高。本研究中，土壤中的有效N主要為NO-3-N（表1），銨態(tài)N所占比例極低。另外，烤煙為喜NO-3-N 植物，NO-3-N 為其N 的主要積累形式[1]。生物炭表面含有豐富的帶負電荷的陰離子，如羧基(-COOH)和羥基(-OH)，他們對陽離子有較強的積累作用，但對帶負電的陰離子如NO-3，具有排斥作用[27]。因此，隨著生物炭用量的增加，土壤有效N含量（主要是NO-3-N）逐漸提高，烤煙能積累更多的N素。

隨著生物炭的提高，烤煙各部位，尤其是根系中K的含量和積累量均增加（表7～8），主要是因為土壤中有效K含量得到了提高。本研究發(fā)現(xiàn)，在黃壤上，當生物炭用量為1.0%、2.5%、5.0%時，土壤交換性K含量比對照分別增加41.5%、56.9%、115.9%；其他2種土壤當生物炭用量超過1.0%時，土壤交換性K含量也顯著增加。類似的結(jié)果也有報道，包括土柱實驗[28]、培養(yǎng)試驗[26]和長期定位田間試驗[29]。OREOLUWA 等[30]和MAHMOUD 等[31]也報道，在生物炭應(yīng)用后，土壤交換性K含量顯著增加。土壤有效K含量的增加歸因于生物炭表面特性，如較高的CEC（表2），它可以積累更多的K+，從而減少K+的淋溶損失。這種效應(yīng)在K含量更高時更為明顯。另外，烤煙主要通過根系積累K+，本研究證明，生物炭的施用能明顯促進根系的發(fā)育[16-18]，如王博等[16]報道，施用生物炭后，烤煙根系長度、根尖數(shù)、根系表面積、根系體積分別增加31.1%、31.7%、56.0%、35.1%；吉貴鋒等[17]報道，施用生物炭提高了根系活力和總根尖數(shù)；陳懿等[32]發(fā)現(xiàn)施用生物炭可促進烤煙根系前期生長，提高根系體積和干質(zhì)量。與前人的結(jié)論相似，本研究表明，施用生物炭后，烤煙側(cè)根數(shù)量顯著增加（表4），此可能是煙株，尤其是根系中K積累量顯著增加的原因之一（表8）。另外，曹瑩等[33]發(fā)現(xiàn)，生物炭能減輕花生根系鎘的毒害，從而促進根直徑、側(cè)根數(shù)和根系生物量增加。而本研究在畢節(jié)進行，當?shù)赝寥乐墟k含量較高，生物炭能減輕土壤中鎘的有效性和烤煙對鎘的吸收[23]，從而促進烤煙根系生長。施用生物炭后，其表面的大量帶負電的離子會吸附土壤溶液中的K+，這部分被吸附的K+是否能被烤煙根系所積累，取決于生物炭表面對K+的吸附強度。目前相關(guān)研究還比較缺乏，值得開展進一步深入研究。