生物质炭施用对烤烟生长及光合特性的影响

宋久洋，刘 领，陈明灿，李友军，暴秀丽

（河南科技大学农学院，河南 洛阳 471003）

生物质炭施用对烤烟生长及光合特性的影响

宋久洋，刘 领，陈明灿，李友军，暴秀丽

（河南科技大学农学院，河南 洛阳 471003）

在豫西丘陵旱作区，通过田间试验研究了生物质炭施用对烤烟生长及光合特性的影响。研究结果表明：与常规施肥相比，生物质炭施用能够增加烟株根际土壤含水量，提高烟株根系活力、菌根侵染率及根冠比，改善烟株叶片的光合性能，促进中后期烟株地上部分的生长。从生物质炭的施用量来看，高量生物质炭处理土壤保水效应最优，中量生物质炭处理更有利于烟株的生长。在豫西烟区烤烟生产中，建议生物质炭穴施的添加剂量为600 kg·hm－2。

生物质炭；烤烟；根系活力；菌根侵染率；根冠比；光合特性

0 引言

生物质炭是指生物有机材料（小薪柴、农作物秸秆、杂草、粪便等生物质）在缺氧及低氧环境中通过高温裂解后的固体产物，碳含量极高［1］。生物质炭已被认为是大气CO2的重要储库，生物质炭化还田可能成为人类应对全球气候变化的一条重要途径［2］。由于生物质炭体小多孔，通气和透水性能良好，吸气、吸水能力极强，具有超强的持留养分的功能［3］。近年来，生物质炭在农业生态系统中的应用研究逐渐增多，在消除土壤污染、改善土壤性能、提高农业系统的生产力方面表现出潜在的应用前景［4］。然而，目前关于生物质炭的研究主要集中在温室盆栽试验，生物质炭在田间的环境和作物效应及其施用技术（施用量及施用方式）尚不十分明确，存在较大争议，限制了生物质炭在农业生产中的大规模应用［5］。烟草是豫西丘陵旱作区重要的经济作物之一。水资源贫乏，降雨量少，土壤瘠薄，保水保肥性能差成为制约豫西烟区烟叶生产的重要因子，而且常年的烟叶生产也造成了烟区土壤结构和土壤微生物生态环境恶化，致使烟叶产量低而不稳［6－7］。目前，生物质炭在烟草生产中的生态效应报道较少。烟株的根系生长状况及其光合性能是影响烟叶产量和品质的重要指标。为此，作者在豫西旱作区开展了生物质炭施用对烟株生长及光合性能影响的研究，旨在进一步丰富生物质炭的生态学效应，为加快农业废弃物的综合利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2012年在洛阳市宜阳县樊村进行（湖北中烟烟叶示范基地）。供试土壤质地为红黏土，有机质含量（质量分数）为1.28%，碱解氮58.6 mg·kg－1，速效磷10.8 mg·kg－1，速效钾138.7 mg· kg－1，pH值为8.1；烤烟（Nicotiana tabacum L.）品种为秦烟96；生物质炭材料为河南商丘三利新能源有限公司提供的花生壳高温炭化后产品。

1.2 试验设计

试验共设4个处理：（1）CK：常规施肥；（2）T1：常规施肥＋低量生物质炭（施加量300 kg·hm－2）；（3）T2：常规施肥＋中量生物质炭（施加量600 kg·hm－2）；（4）T3：常规施肥＋高量生物质炭（施加量900 kg·hm－2）。试验设3个重复，共12个小区，每小区面积为60 m2，完全随机区组排列。

常规施肥肥料为芝麻饼肥、烟草专用复合肥［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）＝15∶15∶15］和硫酸钾。芝麻饼肥施用量450 kg·hm－2，于烟叶起垄前全部作为基肥施用；烟草专用复合肥、硫酸钾施用量为300 kg·hm－2和180 kg·hm－2，两者作为基肥于起垄施用各自总质量的70%，移栽时穴施各自总质量的30%。生物质炭材料按照设定的添加量在烟苗移栽时与30%（质量分数）的烟草专用复合肥、硫酸钾充分混匀穴施于烟株根部。烟苗于5月3日移栽，行距1.2 m，株距0.5 m。其他田间管理措施与当地优质烟栽培技术规程相同。

1.3 测定项目与方法

于烟株生长至团棵期（移栽后30 d），旺长期（移栽后60 d），第1次打顶期（移栽后80 d），每小区选择有代表性的烟株20株，分别测定烟株的株高、最大叶面积［最大叶长×最大叶宽×修正系数（0.634 5）］；每小区取代表性烟株5株，分离根系和地上部分，先于烘箱中105℃杀青30 min，然后70℃烘干至恒重，分别称取干物质重，计算根冠比：

根冠比＝（根系干质量／地上部干质量）。

根系活力采用改良的氯化三苯基四氮唑（TTC）法测定［8］；丛枝菌根真菌（AMF）侵染率采用酸性品红染色，方格十字交叉法测定，菌根侵染率＝（侵染根段的交叉点数／检测根段的总交叉点数）×100%。

于烟株生长至团棵期、旺长期和打顶期，每小区选择代表性烟株10株，采用TRIME-PICO TDR便携式土壤水分测量仪测定烟株根围20 cm处的土壤含水量。

于烟株生长至旺长期和打顶期，每小区选择代表性烟株5株，利用Li-6400便携式光合测定系统，在9：00～11：00测定功能盛期叶（倒数第6位叶）的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr），每张叶片测定3次取其平均值。Li-6400仪器使用开放式气路，内置光源，光强为1 500 μmol／（m2·s）。

2 结果与分析

2.1 生物质炭施用对烟株生物学性状的影响

表1为生物质炭施用对烟株生物学性状的影响。由表1可知：在烟株生长至团棵期，烟株的根冠比随着生物质炭施加量的增加表现出先升高后降低的趋势，以T2处理最高；相比于CK处理，3种生物质炭添加量均不同程度地提高了烟株的根冠比，其中T1和T2处理与对照相比达到了显著差异（P＜0.05）。对于团棵期烟株株高和最大叶面积而言，各处理间没有表现出显著差异。在烟株生长至旺长期和打顶期，烟株的根冠比、株高及最大叶面积均表现出随着生物质炭施用量的增加先升高而后降低的趋势，以T2处理最优，且与对照相比差异显著（P＜0.05）。这表明适量的生物质炭穴施（600 kg· hm－2）有利于培育烟株整个生育期发达的根系，促进烟株中后期地上部分的快速生长。

表1 生物质炭施用对烟株生物学性状的影响

2.2 生物质炭施用对烟株根系活力和菌根侵染率的影响

图1为生物质炭施用对烟株根系活力和菌根侵染率的影响。由图1可知：在烟株生长发育的3个关键时期（团棵期、旺长期和打顶期），随着生物质炭施用量的增加，根系活力和丛枝菌根真菌侵染率均表现出先升高而后降低的趋势。相比于对照，生物质炭不同施用量对根系活力和菌根侵染率均具有显著的提升效应（P＜0.05），各处理根系活力和菌根侵染率的大小顺序为T2＞T1＞T3＞CK，以T2处理最优。这表明适宜的生物质炭添加量有利于增强烟株根系性能。

2.3 生物质炭施用对烟株叶片光合特性的影响

图2为生物质炭施用对烟株叶片光合特性的影响。由图2a～图2c可知：在烟株旺长期和打顶期，随着生物质炭施用量的增加，叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）均表现出先升高而后降低的趋势。相比于对照，生物质炭不同施用量对Pn、Gs、Tr这3个指标均具有不同程度地提升，处理间大小顺序为T2＞T1＞T3＞CK，其中，中、低量生物质炭处理T2和T1较对照处理均达到了显著水平（P＜0.05）。由图2d可知：胞间CO2浓度（Ci）与叶片的净光合速率（Pn）呈现出负相关关系，生物质炭的施用均不同程度地降低了胞间CO2浓度，处理间大小顺序为T2＜T1＜T3＜CK。这表明适量的生物质炭施用能够改善烟株叶片的光合性能。

图1 生物质炭施用对烟株根系活力和菌根侵染率的影响

图2 生物质炭施用对烟株叶片光合特性的影响

2.4 生物质炭施用对烟株根际土壤含水量的影响

图3为生物质炭施用对烟株根际土壤含水量的影响。由图3可知：在烟株生长发育的3个关键时期（团棵期、旺长期和打顶期），随着生物质炭施用量的增加，烟株根际20 cm耕层的土壤含水量表现出逐渐增加的趋势。相比于对照处理，生物质炭不同施用量对根际土壤含水量均具有不同程度地提高，处理间大小顺序为T3＞T2＞T1＞CK，其中，T3和T2较对照处理均达到了显著差异（P＜0.05）。这表明生物质炭施用在旱区土壤蓄水保墒方面具有积极的作用。

图3 生物质炭施用对烟株根际土壤含水量的影响

3 讨论

水分是烟草生产的重要生态因子之一，土壤水分状况对烟株的生长发育和产量有较大影响。豫西多属丘陵坡地，水资源贫乏，降雨量少，致使烟叶产量低而不稳，探索行之有效的烟叶旱作栽培技术，对保障烟区可持续发展具有重要意义。前人的研究表明：将生物炭作为土壤改良剂施入土壤，可吸附更多的水分，提高土壤养分吸持量和持水容量，尤其是氧化后的生物质炭可提高砂质土壤的持水量，改善土壤持水能力［9］。本研究也表明：相比于对照处理，在烟株生长发育的3个关键时期（团棵期、旺长期和打顶期），施用不同量的生物质炭均不同程度提高了烟株根际土壤含水量（见图3），其中，旺长期高量生物质炭处理（T3）较对照土壤含水量提高了12.4%，表明生物炭在旱作区应用具有较强的土壤蓄水保墒的能力。这可能与生物质炭具有较大比表面积、复杂的孔隙结构和极强的吸附性能有关［10］。

根系是活跃的吸收器官和合成器官，根的生长情况和活力水平影响地上部的营养状况及产量水平。根系活力、菌根侵染率及根冠比是反映根系发育状况的重要指标。本研究结果表明：相比于对照处理，生物质炭施用能够改善烟株根系的生长发育状况，在烟株生长发育的3个关键时期对烟株根系活力、菌根侵染率和根冠比均具有显著的提升作用（见表1和图2）。前人的研究表明：生物质炭施用能够改良土壤结构，降低土壤容重，增加土壤的透气性和团聚性［11］；生物质炭孔隙能够贮存水分和养分，为土壤微生物栖息生活提供优越的天然微环境，进而增加土壤微生物数量及活性［12］；丛枝菌根真菌能够将菌丝生长到生物质炭表面及孔隙内，并在那里吸取营养和水分，产生孢子，有利于孢子萌发和生长，生物质炭对菌根真菌有特别促进作用［13］。可见，生物质炭施用后烟株根系活力、菌根侵染率和根冠比的提高，可能与生物质炭对土壤结构及烟株根际微环境的改善有关。

叶片的光合性能及其地上部分的生长状况直接影响烟叶产量和品质的形成。本研究表明：在烟株旺长期和打顶期，相比于对照处理，生物质炭施用降低了叶片胞间CO2浓度（Ci），提高叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr），增加了烟株的株高和最大叶面积（见图2和表1）。表明生物质炭施用能够通过提升叶片对胞间CO2的同化能力，从而有效地改善烟株叶片的光合性能，进而增强烟株地上部分的生长。文献［14］研究也表明了不同秸秆炭处理能够促进水稻的生长，提高水稻光合速率，增加水稻产量。生物质炭促进作物地上部分的生长发育及产量的提升可能由两种途径介导：（1）生物质炭本身含有一定量的矿质养分，可增加土壤中矿质养分含量，如磷、钾、钙、镁及氮素，在养分贫瘠土壤及沙质土壤上生物质炭的养分补充效应较为明显［15］；（2）生物质炭多孔结构和较强的吸附性能，不仅为土壤微生物的良好栖息环境，而且具有较强的养分持留功能。生物质炭能够通过减少水溶性营养离子的溶解迁移避免营养元素的淋失，并在土壤中持续而缓慢地释放，相当于营养元素的缓释载体，从而达到保持肥力的效果［16］。

生物质炭的用量也会影响作物生长，生物质炭用量较低的时候会促进植物生长，相反，用量过高时则会抑制其生长。文献［17］研究表明：在肥力水平较高的土壤中，高量施用生物质炭（200 g·kg－1）可导致土壤微生物生物量下降，对黑麦草的生长产生轻微的抑制作用。文献［18］研究生物质炭施加对王草的影响，结果表明王草产量与生物质炭施加量呈显著正相关，在王草栽培过程中，可通过增施生物质炭，达到优质高产的目的。可见，生物质炭对作物生长的影响作用可能与其施用方式和供试土壤的性质有关。本文的研究表明：随着生物质炭施用量的增加，除土壤含水量外，烟株的株高、叶面积、根冠比、根系活力、菌根侵染率及净光合速率均表现为先升高后降低的趋势，以T2处理最优（见表1和图1～图3）。可能与生物质炭矿质养分含量低及高量的生物质炭施用后提高了土壤的pH值，从而降低了土壤中磷和某些微量元素的有效性有关［19］。综上所述，在豫西旱作区增施适量的生物质炭（600 kg·hm－2）有利于培育烟株发达的根系，改善烟株的光合性能，促进烟株中后期地上部分的快速生长。

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S572

A

1672－6871（2014）04－0068－05

国家自然科学基金项目（31200332）；河南科技大学人才基金项目（09001597）；河南科技大学青年科学基金项目（2012QN004）；大学生研究训练计划（SRTP）重点基金项目（2012224）

宋久洋（1986－），男，河南舞钢人，硕士生；刘 领（1978－），男，河南项城人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事农业生理生态研究.

2013－10－31