生物炭与化肥混施对烤烟氮磷钾吸收累积的影响

高 林，王 瑞，张继光，黎 根，孟贵星，姜 芳，陈国权，申国明*



生物炭与化肥混施对烤烟氮磷钾吸收累积的影响

高 林1，王 瑞2，张继光1，黎 根3，孟贵星2，姜 芳2，陈国权2，申国明1*

（1.中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101；2.湖北省烟草公司恩施州公司，湖北恩施 445000；3.湖北中烟工业有限责任公司，武汉430051）

为了明确生物炭对烤烟生长的营养调控作用，以水稻秸秆生物炭为材料，通过田间试验，研究了生物炭与化肥混施后烤烟氮磷钾养分的吸收累积特征。结果表明，在烤烟团棵期，随着生物炭用量的增加，根中氮和钾含量呈现下降趋势，而磷的含量变化不大。至烤烟平顶期，生物炭用量3000 kg/hm2的烟株根、茎和叶的氮和钾含量均最高，施用生物炭也能够增加平顶期烟株根中磷含量，但茎和叶中磷含量呈现下降趋势，其中生物炭用量3000 kg/hm2的烟株茎和叶中磷含量最低。烟株根中氮的累积量随着生物炭用量增加呈下降趋势，但在高生物炭用量下（3000 kg/hm2）烟株茎以及叶中氮的累积量最高。施用生物炭降低了烤烟根、茎和叶中磷的累积量，但能够增加烤烟对钾素的累积，随着生物炭用量的增加，茎、叶以及全株的钾累积量均呈上升趋势。综合分析，生物炭与化肥混施能够在一定程度上促进烤烟对氮和钾养分的吸收利用，但降低了磷在烤烟中的累积。

生物炭；烤烟；氮磷钾；吸收；累积

长期以来，烟草农业生产大量投入化肥，由于不合理的施用方式以及烟区土壤、气候等生态条件的限制，肥料利用率普遍较低，大量的肥料渗流、淋洗，造成资源浪费并污染地下水源，严重影响着生态环境安全[1-3]。因此，如何减少化肥投入，提高烟草对肥料养分的利用效率，是烟草生产可持续发展亟待解决的关键问题。生物炭是生物质在无氧或低氧环境条件下经高温裂解后得到的固态物质，其具有较大的比表面积和发达的孔隙结构[4-5]。近年来，由于生物炭自身的优良特性，其在农业生产上的应用日益受到重视[6-7]。生物炭施用到土壤中可作为载体吸持部分肥料养分，提高养分的生物有效性，进而提高作物对养分的吸收效率[8-11]。已有研究表明，生物炭与化肥配施是一种较好的减肥增效技术措施，生物炭能够明显改善作物肥效，促进作物增产[12]。生物炭与肥料混合施用，消除了生物炭自身养分含量低的缺陷，其吸附特性又赋予肥料养分缓释性能，生物炭与肥料形成了互补与协同的关系，提高了肥料利用效率[13]。目前，国内有关生物炭的研究尚处于起步阶段，生物炭在烟草上的应用还相对较少，且以往研究多集中于生物炭作为土壤改良剂对土壤性质的影响方面。本文通过设置田间试验，研究了生物炭与化肥混施对烤烟氮磷钾养分吸收累积的影响，以期能够揭示生物炭对烤烟养分调控的作用，为今后生物炭在烤烟生产上的进一步应用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 基本情况

试验于2015年4月至9月在湖北省恩施市“清江源”现代烟草农业科技园区茅坝槽村（30°21′N，109°27′E）进行。该区域海拔1230.0 m，试验田土壤类型为黄棕壤，耕层土壤pH 6.88，有机质含量23.98 g/kg, 碱解氮含量147.87 mg/kg，速效磷含量34.70 mg/kg，速效钾含量188.81 mg/kg。

供试烤烟品种为云烟87。生物炭由水稻秸秆炭化而成，其pH为9.20，总碳为630 g/kg，总氮为13.5 g/kg，全磷为4.50 g/kg，全钾为21.5 g/kg。

1.2 试验方法

根据生物炭用量共设计4个处理，分别为：0 kg/hm2（CK），750 kg/hm2（T1），1500 kg/hm2（T2）和3000 kg/hm2（T3）。每个处理3次重复，试验田共12个小区，随机区组排列，小区面积为100 m2，栽烟150株。

按照小区面积计算出每个处理的生物炭用量，将生物炭与化学肥料混合后作为基肥一次性施入土壤。对照不添加生物炭。

试验田按照当地常规施肥方式统一进行施肥，各处理所用肥料用量保持一致，纯氮用量为120 kg/hm2，(N):(P2O5):(K2O)=1:1.5:3，70%的氮肥和钾肥及100%磷肥施于底肥，30%氮肥和钾肥用于移栽后30 d左右结合培土进行追肥。各处理烟苗采用井窖式移栽方式统一进行移栽，其他田间管理措施均按照当地优质烟叶生产技术标准进行。

1.3 样品采集

分别在烤烟生长团棵期、旺长期、现蕾期和平顶期，在每个处理小区内选择代表性烟株1株，用铁锹将其连根挖出，具体方法如下：先用铁锹分别在选定的烟株周围两株烟和两行烟正中垂直深挖至根系密集层深度，然后挖去样方四周的土壤，再水平铲起土样和整个烟株。带回实验室用淘洗的方法进行根土分离，将挖取的烟株根系浸在盛有清水的桶中，不断搅动，反复清洗去除泥水，直至根土分离，随后将烟株分开根、茎、叶在105 ℃杀青15 min，60 ℃下烘干，烘干后进行称重，统一磨样后保存备用。

1.4 样品检测

取处理好的根、茎、叶样品测定全量氮磷钾含量，全氮用凯氏定氮法，全钾用硫酸-双氧水消煮-火焰光度法，全磷用硫酸-双氧水消煮-钒钼黄比色法测定[14]。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2007软件和DPS7.05数据处理系统对数据进行统计分析。

2 结 果

2.1 生物学产量分析

如表1所示，在烟株生长团棵期，施用生物炭处理的烟株根、茎、叶等器官发育均较好，3个不同生物炭用量烟株的根、茎、叶的干物质量均高于对照。在烟株生长后期，与对照处理相比，生物炭用量较高处理，烟株的根、茎、叶干物质量反而出现了一定的下降趋势。综合分析，施用生物炭750 kg/hm2（T1处理）的烟株生物学产量表现较好，对烤烟的生长发育起到了一定的促进作用，提高了烟株根、茎和叶的发育程度。

2.2 烤烟不同器官氮磷钾含量分析

2.2.1 氮含量 如表2所示，在整个生育期内，各处理烟株根和茎中氮含量呈现明显下降趋势，叶中的氮含量在旺长期最高，在烟株生长后期呈下降趋势。随着生物炭用量的增加团棵期烟株根中氮的含量下降，进入旺长期后具有一定的上升趋势。在烤烟生长的不同时期，高用量的生物炭（3000 kg/hm2）均增加了烟株茎中氮的含量，在平顶期T3处理（3000 kg/hm2生物炭）的烟株根、茎和叶中的氮含量均表现最高，显著高于对照处理。

2.2.2 磷含量 如表3所示，烟株根系中磷含量随着烤烟的生长呈现上升趋势，施用生物炭后增加了生长后期烟株根系中磷的含量；在烤烟生长前期施用生物炭增加了烟株茎中磷含量，且随着生物炭用量的增加烟株茎中磷的含量也呈现一定的增加趋势。但在平顶期，施用生物炭后烟株茎中磷含量呈现出降低的趋势，3个生物炭处理的烟株茎中磷含量均显著低于对照（CK)；在烤烟生长期间叶片中磷含量整体呈现下降趋势，至烤烟生长平顶期施用生物炭的烟株叶片中磷含量显著低于对照，且随着生物炭用量的增加呈现下降的趋势。

2.2.3 钾含量 如表4所示，烟株根中钾的含量随着烤烟的生长总体呈现下降趋势，在团棵期施用生物炭处理烟株根中钾含量下降，进入旺长期逐渐呈现增加趋势；施用生物炭后能够增加烟株茎中钾含量，在烤烟平顶期随着生物炭用量的增加，烟株茎中钾的含量呈现上升趋势；在团棵期各处理烟株叶片中钾的含量差异不大，进入旺长期施用生物炭提高了烟株叶片钾含量，在烤烟平顶期随着生物炭用量的增加，烟株叶片中钾含量也呈现出上升趋势，并且在高生物炭用量（3000 kg/hm2）下烟株根、茎和叶片中的钾含量均显著高于对照。

表 1 不同处理烟株根、茎、叶干物质量

注：同列小写字母不同表示在0.05水平下差异显著，下同。

表2 不同生育期各处理烤烟根、茎、叶中氮含量

表3 不同生育期各处理烤烟根、茎、叶中磷含量

2.3 烤烟不同器官氮磷钾累积量分析

如表5所示，随着生物炭用量的增加烟株根系氮累积量呈下降趋势，在T3生物炭用量下（3000 kg/hm2）茎、叶片以及全株中氮的累积量最高，与其他处理的差异达显著水平，施用一定量的生物炭促进了烟株对氮素的累积；各处理烟株中磷的含量均较低，与对照相比，施用生物炭后降低了烟株各器官以及全株的磷累积量，在高生物炭用量下烟株磷累积量达最低水平；施用生物炭能够促进烟株对钾素的累积，随着生物炭用量的增加茎、叶以及全株的钾累积量均呈上升趋势，显著高于对照，但在高生物炭用量下烟株根系中的钾累积量呈现下降趋势。

表4 不同生育期各处理烤烟根、茎、叶中钾含量

表5 不同处理烤烟平顶期氮磷钾的累积量

3 讨 论

生物炭具有发达的孔隙结构以及较大的比表面积，同时含有作物所需的营养元素，因此施用到土壤中的生物炭可以增加对养分的吸持能力，提高养分的吸收利用效率[15-16]。Asai等[17]研究表明，将生物炭与其他肥料配合施用到土壤中后，能够明显改善植物对N、P、K化学肥料的反应。彭辉辉等[18]研究表明，与单施化肥处理相比，生物炭与化肥配施可进一步增加春玉米地上部养分的累积量。康日峰等[19]分析了生物炭基肥料对小麦养分吸收的影响，施用生物炭基肥料均促进小麦植株对养分的吸收。本研究表明，生物炭与肥料混施后在烟株生长后期增加了根、茎、叶各器官的氮钾含量，施用生物炭能够促进烟株对氮素和钾素的累积，这与前人的研究结果基本一致[17-19]。

生物炭对NO3–和NH4+具有较强的吸附能力[20]，生物炭施入土壤后能够对氮素具有一定的持留作用[21]。本研究中生物炭（3000 kg/hm2）与肥料混合施用后，烟株茎、叶片以及全株中的氮吸收累积量均表现最高，施用一定量的生物炭能够促进烟株对氮素的累积。氮素是对烤烟产量和质量影响最大、最敏感的营养元素，在目前的烤烟生产中，氮肥过量施用的现象较为普遍[22]，因此在施用生物炭的条件下，可以适当减少氮肥的投入，有利于提高肥料的利用效率，促进烟叶生产的可持续发展。生物炭中钾的有效性较高，施用生物炭对土壤的速效钾含量具有较大的影响，能够促进作物对钾素的吸收[23-24]。王耀锋等[25]研究指出，施用生物炭后提高了水稻秸秆钾素养分的累积，郑瑞伦等[26]指出，添加生物炭后，苜蓿体内的钾含量显著增加45.7%。刘世杰等[27]认为，在一定生物炭用量范围内，玉米对钾的吸收量随着生物炭用量的增加而增加。在本研究中得到了相同的结论，施用生物炭对促进烟株钾素的累积效果明显，随着生物炭用量的增加烟株茎、叶以及全株的钾累积量均呈上升趋势。目前，施用生物炭对磷素的影响研究结论不尽相同，有研究指出，生物炭施入土壤后，能够促使有效磷低的土壤中闭蓄态磷转化为有效态磷，直接增加土壤中有效磷含量[28]。同时，生物炭经高温热解后，其自身部分稳定态磷被激活，转变为溶解态磷，可以供作物吸收利用[29]。但生物炭在不同类型土壤中对外源磷的有效性转化影响差异较明显。随着生物炭施用量增大，红壤中有效磷的增加量显著，而潮褐土和潮土中的有效磷含量明显降低[30]。YAN等[31]研究表明，施用生物炭更加剧了植物磷素的缺乏，在本研究中，随着生物炭用量的增加烟株磷的累积量也呈现出下降趋势。这可能与生物炭能吸附固定土壤的磷素有关，同时生物炭和化肥配施提高了土壤pH值，可能降低了磷和某些微量元素的有效性，不利于作物对磷素的吸收[32]。综合而言，目前多数研究普遍认为施用生物炭可以提高养分的吸收利用效率，但生物炭对作物吸收累积营养元素的影响受到不同的土壤类型、生物炭类型以及作物种类等多种因素的制约，在不同环境条件下，生物炭在提高土壤肥力和促进作物生长等方面的研究结果也存在着一定的差异。因此今后还需要根据不同土壤的限制因子以及作物营养吸收特性，选择合适的生物炭开展相关研究，尤其是针对施用生物炭与肥料效应的机理研究方面目前还相对缺乏，需要进一步探索生物炭与营养元素的相互作用，为今后生物炭的合理利用奠定基础。

4 结 论

在烤烟生长前期施用生物炭能够促进烟株生长发育，至生长后期在高用量（3000 kg/hm2）生物炭的施用情况下，烟株各器官的干物质重呈现了下降趋势。施用生物炭能够增加烤烟生长后期根、茎、叶各器官的氮和钾含量，但在烤烟生长前期施用生物炭烟株根中的氮和钾含量呈现出一定的下降趋势。施用生物炭增加了烤烟生长后期烟株根系中磷的含量，但烟株叶和茎中的磷含量呈现明显的下降趋势。施用生物炭促进了平顶期烤烟氮素和钾素的累积，在高生物炭用量下（3000 kg/hm2）烟株体内氮和钾的累积量最大，但在根系中的氮累积量最小。施用生物炭降低了烟株体内磷的累积量，随着生物炭用量的增加烟株磷的累积量呈下降趋势。

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Effects of Mixed Application of Biochar and Chemical Fertilizers on Uptake and Accumulation of Nitrogen, Phosphorus and Potassium in Flue-cured Tobacco

GAO Lin1, WANG Rui2, ZHANG Jiguang1, LI Gen3, MENG Guixing2, JIANG Fang2, CHEN Guoquan2,SHEN Guoming1*

（1. Tobacco Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Qingdao 266101, China; 2. Enshi Tobacco Company of Hubei Province, Enshi, Hubei 445000, China; 3. China Tobacco Hubei Industrial Co., Ltd., Wuhan 430051, China）

In order to determine the effects of biochar on nutrition regulation of flue-cured tobacco, uptake and accumulation of nitrogen, phosphorus and potassium in flue-cured tobacco with mixed application of rice straw biochar and chemical fertilizers was studied through field experiments. The results showed that nitrogen and potassium contents in root showed a decreasing trend with the increasing amount of biochar at the resettling stage of flue-cured tobacco, but the phosphorus content in root had little change. Nitrogen and potassium contents in root, stem and leaf of flue-cured tobacco were the highest with biochar application amount of 3000 kg/ha at the topping stage. Biochar could also increase phosphorus content in roots of flue-cured tobacco at the topping stage, but phosphorus contents in stem and leaf were decreased. Phosphorus content in stem and leaf of flue-cured tobacco were the lowest with biochar application amount of 3000 kg/ha at the topping stage. The accumulation amount of nitrogen in root decreased with the increasing application amount of biochar. The accumulation of nitrogen in stem and leaf with biochar application amount of 3000 kg/ha was the highest. The accumulation of phosphorus in root, stem and leaf decreased with the application of biochar, but the accumulation of potassium increased. The accumulation of potassium in tobacco plant showed an increasing trend with the increasing application amount of biochar. In conclusion, the mixed application of biochar and chemical fertilizers could promote the absorption and utilization of nitrogen and potassium in flue-cured tobacco, but the accumulation of phosphorus was decreased.

biochar; flue-cured tobacco; nitrogen, phosphorus and potassium; uptake; accumulation

S572.062

1007-5119（2017）02-0019-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2017.02.004

中国烟草总公司科技重点项目“‘清江源’生态富硒特色烟叶生产关键技术研究与应用”（110201202014）

高 林（1980-），男，副研究员，主要从事烟田生态与烟草资源利用研究工作。E-mail：gaolin@caas.cn

，E-mail：shenguoming@caas.cn

2016-08-05

2017-02-10