生物炭配施菌肥对植烟土壤养分和可溶性有机碳氮光谱特征的影响

李 影，李 斌，柳东阳，姜桂英，申凤敏，刘世亮

(1.河南农业大学 资源与环境学院，河南 郑州 450002；2.河南省农业厅中药材生产技术服务中心,河南 郑州 450008； 3.河南农业大学 农学院，河南 郑州 450002)

烟草是我国重要的经济作物，土壤肥力及施肥方式是影响烟叶产量和品质的重要因素之一[1-2]。近年来，烟农种植烤烟时单一施用化肥，导致土壤酸化、板结，土壤生物活性降低，难以供应土壤与烟株之间的养分平衡，烟株的抗病性下降[3-5]。针对烟草栽培生产中的问题，施肥措施的改良对优质烟叶的生产具有重要意义。有机菌肥作为一种新型肥料，不仅可以为烟草生长提供必要的营养元素，同时也能改善植烟土壤的物理化学性质，为烟草提供适宜的生长环境[6-7]。生物炭是一种土壤改良剂，可以提高土壤肥力，稳定土壤有机碳库，还可以延缓肥料在土壤中的养分释放，与其他无机有机肥料配合施用能够提高作物产量[8-10]。很多学者开展了对有机菌肥及生物炭的研究。杨盼盼等[11]研究表明，菌肥与化肥配施能够有效提高土壤中有机质含量，显著提高土壤中碱解氮、速效磷和速效钾的含量。也有研究表明，有机物料的施用对土壤中的可溶性有机碳、氮及其比值具有显著影响，其影响效应既与有机物料本身性质和组成有关，也与土壤肥力水平有关[12]。张弘等[13]研究表明，增施生物炭显著降低0～20 cm以下土壤氮素含量，提高植烟土壤对氮素的固定能力。同时有研究发现，施用生物炭能够提升土壤全碳、土壤可溶性碳含量和土壤碳库管理指数，对土壤改良效果明显，但过量的生物炭也会造成烟叶品质的下降[14]。高嵩涓[15]研究发现，施用绿肥可提高土壤可溶性有机质(DOM)的腐殖化程度，增加芳香族化合物的含量。但目前在生物炭改良土壤的基础上加入微生物菌种，有机菌肥与生物炭配施在烟草上的应用尚未见报道。本研究以豫中植烟土壤为基础，选用典型有机菌肥、有机菌肥配施生物炭及生物炭菌肥几种不同的施肥方式施入植烟土壤中，研究对土壤养分含量的影响，为豫中烟区有机菌肥及生物炭的合理施用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料与设计

本试验于2017年4月在河南省许昌市进行，选择当地主栽品种中烟100。试验地土壤类型为潮土，试验前土壤基础养分含量为：全氮0.90 g/kg，有机质14.46 g/kg，碱解氮57.97 mg/kg，速效磷18.78 mg/kg和速效钾86.91 mg/kg。供试生物炭由稻壳炭化而成，有机碳含量527.2 g/kg，全氮含量9.8 g/kg，速效磷含量89.2 mg/kg，全钾含量9.72 g/kg。

试验为大田小区试验，采用随机区组排列。在施用化肥基础上设7个处理，分别为CK(不施有机肥，烟农习惯施肥)；T1(施生物炭)；T2(施有机菌肥)；T3(施生物炭菌肥)；T4(施50%生物炭+50%有机菌肥)；T5(60%有机菌肥+施40%生物炭)；T6(40%有机菌肥+施60%生物炭)；每个处理有机肥施用量1 500 kg/hm2；每个处理基肥撒施复合肥525 kg/hm2(N∶P2O5∶K2O=10∶10∶20)；试验所用生物炭、有机菌肥、生物炭菌肥均为河南金汇科技公司生产，其养分含量见表1。烟苗于5月2日进行移栽，按1.22 m的行距和0.50 m的株距进行种植，6月2日(团棵培土期)追肥复合肥225 kg/hm2，8月25日采收完毕。小区周边设2行保护行，其他按当地优质烤烟规范化栽培管理方式进行。

表1 各有机肥养分含量Tab.1 The nutrient content of organic manure

1.2 项目与方法

在烟苗移栽后30，60，90 d，每个处理选取长势一致的烟株3棵，在烟茎基部周围的中点作为取样点，随机用土钻进行0～20 cm层次取样，充分混匀。鲜土样的一部分置于冰箱中保存用于测定硝态氮、铵态氮含量，可溶性碳、氮含量。剩余土样风干处理后用于土壤常规化学成分的测定。

土壤有机质采用重铬酸钾氧化法[16]；碱解氮采用碱解扩散法[16]；全氮采用凯氏定氮法[16]；硝态氮、铵态氮采用流动分析仪(Auto Analyzer3)法[16]；速效磷采用钒钼蓝比色法[16]；速效钾采用火焰光度计法[16]；土壤可溶性碳、氮含量采用浸提-TOC仪法[17]：土壤鲜样采用去离子水浸提法，取10 g鲜土于离心管中，加去离子水20 mL，振荡30 min，离心10 min(4 000 r/min)，用0.45 μm滤膜过滤(真空抽滤)滤液即为土壤可溶性碳、氮待测液。土壤可溶性碳、氮待测液采用multiN/C3100分析仪测定。

DOC紫外光谱特性分析：使用UV-1800紫外可见分光光度计测定紫外可见吸光值，检测待测液在波长250，254，365 nm处的吸光值来分析其芳香化程度(SUVA)和E2/E3值。其中，250 nm波长的吸收值(Special Ultraviolet-Visible Absorption，SUVA)用于计算芳香性指数(Aromaticity index，AI),它能够反映 DOC 溶液中芳香化合物含量的高低[18]。250，365 nm处的吸收值用于计算E2/E3，它可以反映DOC的平均分子质量[18]。其计算公式如下。

SUVA=(UV254/DOC)×100，

E2/ E3=UV250/ UV365。

1.3 数据处理

使用SPSS 20.0软件，采用Duncan法比较不同处理间各种指标之间的差异；使用OriginPro 8.5进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤养分含量的影响

图1-A所示，土壤全氮含量在整个生育期呈略微下降趋势，移栽后30 d，各处理土壤氮含量显著高于CK处理，60 d时，T2处理和T5处理显著高于CK、T1、T3和T4处理。90 d时，T2(最高1.12 g/kg)、T3和T4处理土壤氮含量显著高于其他各处理，总体来看，T2处理在移栽60 d后土壤氮含量高于其他处理。

图1-B显示，各处理碱解氮含量与全氮含量变化趋势一致，即随移栽后时间呈下降趋势。30 d时各处理碱解氮含量最高，T2和T5处理显著高于CK、T1和T4处理。60 d时各处理碱解氮含量表现为T5≈T4≈T3>T2>T1≈T6≈CK，且T5和T4处理显著高于CK、T1、T2和T6处理。90 d时，T2处理显著高于CK、T4和T6处理。整体来看，T2和T5处理对土壤碱解氮含量有一定促进作用。

图中小写字母不同表示5%差异显著水平。图2-5同。The different letters mean significantly different at the 0.05 level. The same as Fig.2-5.

由图1-C、D可知，铵态氮和硝态氮含量移栽后60 d以前含量较高，成熟期后显著下降，T5处理的硝态氮含量在整个生育期均很高(60 d最高达到66.09 mg/kg)，显著提高了硝态氮含量，T3处理和T2处理则分别提高了30 d和60 d的铵态氮含量。说明增施复方有机菌肥(T2处理)、生物炭菌肥(T3处理)和60%有机菌肥+40%生物炭(T5处理)3种有机肥可提高土壤速效氮含量。

2.1.1 不同处理对土壤速效磷、钾含量的影响 图2-A显示，各处理土壤速效磷含量随移栽后时间推移呈先升高后下降趋势。烟草移栽后30 d，T2和T3处理的土壤速效磷含量显著高于其他处理，60 d时，T5处理的土壤速效磷含量最高，达30.77 mg/kg，并显著高于其他处理。90 d时土壤速效磷含量降到最低，T2、T3和T5处理显著高于其他处理。整体来看，T2和T3处理提高了前期和后期土壤速效磷含量，T5处理则提高了烟草移栽60 d后的土壤速效磷含量。

图2-B所示，在30,90 d时，各处理速效钾含量表现为T5处理显著高于CK、T1、T3、T4和T6处理，但30 d时与T2处理差异不显著。到60 d时，T2处理的速效钾含量与CK相比提高了16.4%，且显著高于其他处理。移栽60 d后烟株对钾元素需求量增多，所以到后期土壤速效钾含量下降。总体来看，T2和T5处理显著提高了土壤速效钾含量。

图2 不同处理移栽后不同时间土壤速效磷钾含量变化Fig.2 The content of soil available phosphorus and potassium change in different days after transplanting under different treatments

2.1.2 不同处理对土壤有机质含量的影响 由图3可知，30 d和90 d时各处理有机质含量无显著差异，各处理有机质含量在60 d时略有升高，T4处理有机质含量最高且显著高于CK和T5处理，且T1、T3和T6处理均显著高于CK处理。说明施用生物炭、生物炭菌肥、有机菌肥和生物炭配施均促进了烟草移栽60 d后土壤养分的释放，烟株吸收营养后到成熟期有机质含量又会下降。

图3 不同处理移栽后不同时间土壤有机质含量变化Fig.3 The change of content of soil organic matter in different days after transplanting under different treatments

2.2 不同处理对土壤可溶性有机碳、氮含量的影响

由图4-A所示，土壤可溶性有机碳(DOC)含量随移栽后时间呈先升高后下降的趋势。移栽后30 d，T3处理显著高于CK、T2、T5和T6，且与T1和T4差异不显著；60 d时，T1和T3处理显著高于其他处理；到90 d时，T3处理显著高于其他处理，总体来看，T1和T3处理显著增加了土壤可溶性碳含量，说明生物炭和生物炭菌肥有机碳含量较高，促进了可溶性有机碳含量的增加。

图4-B显示，土壤可溶性有机氮(DON)含量随移栽后时间呈先上升后下降的趋势。移栽后30 d和90 d，T2处理的可溶性有机氮含量均显著高于其他处理，其中90 d达到57.09 mg/kg；60 d时，T5处理的可溶性有机氮含量显著高于其他处理,达到97.98 mg/kg。说明施用有机菌肥有利用土壤氮素的释放，而适量的生物炭减少了氮素的淋失，因此，施用有机菌肥以及施用60%有机菌肥配施40%生物炭(T5处理)可显著提高土壤可溶性有机氮含量。

图4 不同处理移栽后不同时间土壤可溶性有机碳、氮含量变化Fig.4 The change of soil dissolved organic carbon/nitrogen content in different days after transplanting under different treatments

2.3 不同处理对DOC/SOC和DON/TN变化特征的影响

图5-A显示，各处理的DOC/SOC比值随移栽后天数呈先升高后下降的趋势。T3处理的DOC/SOC比值在整个生育期均最高，在30 d和60 d时，T3处理均显著高于CK、T4、T5和T6处理达到8.31 mg/g。T1处理60 d的DOC/SOC比值也显著高于CK、T4、T5和T6处理，但与T3处理之间差异不显著。说明施用生物炭和生物炭菌肥中有机碳含量较高，有利于提高DOC/SOC的比值，从而提高了土壤可溶性有机碳比例。

由图5-B可知，DON/TN的比值随移栽后天数呈先升高后下降的趋势，与DOC/SOC比值变化相似。T2处理的DON/TN在30 d时显著高于其他处理，但与T5处理差异不显著，到60 d时，T5处理则显著高于其他处理。90 d时，T2、T5和T6处理显著高于其他处理且相互差异不显著。从整个生育期来看，T2和T5处理显著提高了DON/TN的比值，说明有机菌肥和生物炭能够促进土壤可溶性有机氮含量提高，有机菌肥及60%有机菌肥配施40%生物炭可提高土壤可溶性有机氮的比例。

图5 不同处理移栽后不同时间DOC/SOC和DON/TN的变化特征Fig.5 The change characteristics of soil DOC/SOC and DON/TN in different days after transplanting under different treatments

2.4 不同处理对成熟期植烟土壤可溶性有机质光学特性的影响

由表2可知，不同处理对成熟期植烟土壤DOC芳香化指数的影响表现为T1和T2处理差异不显著，但显著高于其他处理。T3、T4、T5、T6处理E2/E3值显著高于CK、T1、T2处理。各处理芳香化指数与E2/E3值呈相反的趋势，其中T1处理的芳香化指数与各处理相比最高，但E2/E3值与各处理相比最低。说明施用生物炭菌肥及菌肥与生物炭配施降低了成熟期土壤DOC的芳香化程度，提高了有机质小分子含量。

表2 不同处理移栽后90 d植烟土壤可溶性有机质紫外光谱特性Tab.2 The UV spectral characteristics of soil dissolved organic matter after tobacco transplanted 90 d under different treatments

3 结论与讨论

烟草是一种对氮素比较敏感同时又需求量较高的植物，土壤是一个巨大的氮库，但氮素含量与地区差异及施肥制度都有很大的关系。有研究表明，施用生物炭可以提高土壤全氮和碱解氮含量[19]。也有研究表明，生物炭中的活性炭源可以促进土壤中硝态氮和铵态氮的释放，提高土壤氮含量；但是另一方面，施用过量生物炭可能会导致土壤碳氮比过高，造成土壤中有效氮的生物固定，又会造成缺氮现象[20]。本研究结果显示，施用生物炭处理(T1处理)的土壤全氮含量在30 d时高于CK，但60 d以后与对照并无明显差异，且其碱解氮含量与其他有机肥处理相比并无明显优势。这说明生物炭虽然可促进生长前期土壤氮素的释放，但过量生物炭会造成土壤中有效氮固定，造成后期缺氮现象。而施用有机菌肥(T2处理)显著提高了土壤全氮含量，60%有机菌肥配施40%生物炭的处理(T5处理)则显著提高了碱解氮含量，这说明与菌肥配施的生物炭比例最小更有利于提高土壤氮含量。铵态氮和硝态氮是植物可直接吸收利用的氮素，有研究发现施用生物炭可使硝态氮累计淋失总量减少3%[21]。本试验结果表明，施用生物炭的处理及不同比例有机菌肥与生物炭配施的处理土壤硝态氮含量明显高于其他处理，有机菌肥处理对提高土壤硝态氮含量效果并不显著，这可能是因为硝态氮的淋失作用，而生物炭与生物炭菌肥处理成熟期前的硝态氮含量虽然显著高于CK，但有机菌肥配施生物炭的处理则显著提高了土壤硝态氮含量，其中以60%的有机菌肥配施40%的生物炭效果最好，这说明菌肥与生物炭配施一方面可以为土壤提高氮素，另一方面则减少了氮素的淋失。研究表明，铵态氮在土壤中的淋失较少，因此认为，生物炭对铵态氮淋失影响很小[22]。梁利宝等[23]研究发现，有机菌肥与化肥配施对提高土壤铵态氮含量效果显著。本研究中，T2处理(有机菌肥处理)显著提高了旺长期土壤铵态氮含量，从而验证了前人的研究结果。

赵殿峰等[24]研究发现，施用生物炭可显著提高土壤有机质、速效磷含量，且速效磷含量随生物炭的施用量的增加呈先升高后降低的趋势。王涛等[25]研究发现，在黄瓜连作土壤上施用微生物菌肥，能有效提高土壤速效磷、钾含量。本研究中，生物炭菌肥提高了烟草生长前期和后期土壤速效磷含量，有机菌肥及60%有机菌肥配施40%生物炭对提高土壤速效磷和速效钾含量效果显著，说明有机菌肥和生物炭菌肥中的微生物促进了土壤难溶性磷的释放，所以效果优于生物炭处理。有机菌肥及有机菌肥与生物炭配比施用时有机菌肥含量较多时则更有利于磷、钾的释放，这也进一步印证了前人的研究。

可溶性有机碳、氮是土壤碳氮储存库中最活跃的组分，是植物生长可利用养分的重要来源，其含量的高低是土壤微生物对有机物分解与利用的综合反映[26]。杨双剑[27]研究表明，有机施肥模式显著提高了烟株生长各期土壤中DOC、TOC及烟株生长中后期土壤DON和TON含量，改善了土壤碳氮平衡及土壤理化性状，且土壤中有机碳、氮组分及其比值的动态变化与优质烟叶土壤养分供应规律基本一致。这与本试验结果中各有机肥处理DOC和DON含量都是呈先升高后降低的趋势相一致。叶协锋等[14]研究发现，施用生物炭后，土壤中的有机碳可能被激发，而增加了有机碳的矿化速率，增加了土壤中的有机碳含量。这与本研究结果一致，本研究发现，施用生物炭和生物炭菌肥的处理显著提高了土壤可溶性碳含量，生物炭菌肥处理的烟株整个生育期的可溶性有机碳含量均达到最高，说明生物炭菌肥中所含的微生物不仅有利于提高可溶性碳含量，还有利于后期的稳定持久。虽然土壤可溶性有机氮占土壤总有机氮很小一部分，但可溶性有机氮在土壤氮素循环和作物氮素吸收利用发面具有重要作用[28]。可溶性有机氮是微生物生长过程中具有的重要作用的氮源[29]，微生物与可溶性有机氮的同化作用，会导致可溶性有机氮含量的降低[30]。本试验中各处理在30 d时，可溶性有机氮含量较低，这说明此时微生物的大量繁殖同化了土壤中的可溶性有机氮，而有机菌肥处理则在整个生育期均提高了可溶性有机氮含量，且DON/TN比值较高，说明有机菌肥中的有机氮含量较高，对后期有机氮含量的稳定持久也有一定作用。60%的有机菌肥配施40%的生物炭处理烟株旺长期时土壤可溶性有机氮含量最高，说明生物炭提高了土壤有机碳含量[31]，为微生物的生长提供了大量的能源物质，减少了微生物与土壤争氮，同时有利于有机菌肥可溶性有机氮的释放。DOC/SOC的比值可以反映土壤中活性有机碳的强度[17]。生物炭和生物炭菌肥的DOC/SOC的比值较高，这也进一步印证了生物炭和生物炭菌肥均对提高土壤可溶性有机碳含量有作用。外源有机物料的输入改变了土壤中有机碳氮的组成及平衡，进而影响土壤的理化性状，促进土壤肥力提高。

SUVA254的大小可以反映土壤有机质的腐殖化程度，SUVA254值越大，则腐殖化程度越高；E2/E3值的大小与土壤有机质的芳香性及分子质量的大小呈反比关系，该值越大则DOM 的芳香性及分子量越小[15]。有研究表明，微生物活动是影响DOC复合物产量和化学组成的关键因素[32]。李鸣晓等[33]研究表明，堆肥的施用，E2/E3值呈下降趋势，但在堆肥结束时该值又突然增大。本研究中，生物炭菌肥及菌肥与生物炭配施降低了烟草成熟期土壤DOC的芳香化程度，提高了有机质小分子含量。说明到烟草生长后期，生物炭菌肥及菌肥与生物炭配施的处理中土壤微生物活动增强，促进了对有机质大分子分解，增加了对有机质小分子的利用。生物炭菌肥或生物炭与菌肥配施时对烟草成熟期植烟土壤有机质大分子的分解与利用效果优于单施生物炭或有机菌肥，这可能与生物炭的物理结构性质和微生物菌种的加入有关。

综合不同有机肥处理对植烟土壤养分及可溶性碳氮含量的影响发现，有机菌肥、生物炭菌肥和60%有机菌肥配施40%生物炭对提高土壤氮素、土壤速效磷含量效果显著。而有机菌肥及60%有机菌肥配施40%生物炭处理显著提高了土壤速效钾及土壤可溶性氮含量。生物炭及生物炭菌肥施用可明显提高土壤可溶性碳含量。总体来说，在豫中烟区，施用有机菌肥及60%有机菌肥配施40%生物炭对植烟土壤肥力提高有一定效果。