生物炭不同施用量对烤烟养分与土壤理化性质的影响

2023-06-14李彩斌蒋寿安刘青丽李志宏张云贵罗贞宝蒋雨洲

贵州农业科学 2023年6期

李彩斌,蒋寿安,刘青丽*,李志宏,张云贵,何轶,罗贞宝,蒋雨洲,,3

(1.贵州省烟草公司毕节市公司,贵州毕节 551700;2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081;3.黑龙江八一农垦大学,黑龙江大庆 163391)

0 引言

【研究意义】烤烟的养分吸收是决定烤烟优质高产的影响因素之一[1]。土壤是作物生长的基础,土壤的理化性质影响作物养分的吸收利用。长期大量施用化肥引发土壤板结、酸化、盐化、营养失衡和C/N失调等问题[2],导致土壤环境质量日益下降[3]。良好的土壤质量是保证作物产量和品质的前提,近年来,烤烟生产连作障碍突出[4],土壤理化性质变差,土壤板结、酸化和肥力降低等现象在一定程度上严重制约烤烟的产业发展[5-6]。土壤改良技术研究有利于保障土壤的可持续利用。因此,研究生物炭不同施用量对烤烟养分吸收与土壤理化性质的影响具有重要意义。【前人研究进展】生物炭具有高孔隙度和比表面积大的特点,有利于提高土壤孔隙度,降低土壤容重,改善土壤结构,提高土壤pH和改善土壤微生物环境,是良好的土壤改良剂[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质,增加土壤肥力,提高作物产量。韩晓日等[11]研究发现,长期施用生物炭可促进氮肥利用率。夏桂敏等[12]研究指出,施用10 t/hm2生物炭可明显提高表层土壤有效磷含量和植株磷素积累量。李影等[13]研究发现,生物炭配施有机菌肥可促进烤烟田间生长发育,提高烟叶的两糖和钾含量。【研究切入点】近年来,有关生物炭的研究主要集中于其用量、长期累积效应对土壤理化性质或烤烟养分吸收的影响,有关利用生物炭改良土壤对烤烟养分吸收特征和土壤理化性质的影响研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】探究生物炭不同施用量对烤烟养分吸收特征和土壤理化性质的影响,以期为烤烟优质栽培和土壤质量改善提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在贵州省毕节市威宁县黑石科技园进行,地处104°02′E、26°47′N,属亚热带湿润季风气候,年均气温13℃,年平均降雨量917 mm。供试土壤为黄棕壤,pH 5.4、总有机碳12.2 g/kg、有效钾196.4 mg/kg、全氮0.9 g/kg、全磷1.1 g/kg。

1.2 试验材料

1.2.1 烤烟供试烤烟品种为云烟87,由毕节市烟草公司提供。

1.2.2 肥料烟秆生物炭(pH 9.2、碳48.3%、氢3.9%、氧31.4%、氮1.5%、全磷2.4 g/kg、全钾24.4 g/kg、有效钾16.2 g/kg、比表面积1.5 m2/g、总孔隙体积0.007 5 cm3/g、平均孔直径20.3 nm),由贵州金叶丰农业科技有限公司生产;烟草专用基肥(8-10-20)、过磷酸钙(0-12-0)、硫酸钾(0-0-50)、烟草专用提苗肥(15-8-7)和烟草专用追肥(13-0-26),均由毕节市烟草公司提供。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计试验采用单因素随机区组设计,设3个处理：CK,常规施用化肥;T1,常规施用化肥+烟秆生物炭5 t/hm2;T2,常规施用化肥+烟秆生物炭40 t/hm2。3次重复,共9个小区,小区面积74.8 m2。

于2018年5月3日采用撒施方式一次性投入生物炭,并与耕层土壤迅速旋耕混合均匀后起垄待栽,之后不再施加生物炭,均为不同用量生物炭的后效观测试验。于2020年4月26日移栽烤烟,每小区植烟120株,行距110 cm,株距55 cm,小区间设置保护行。基肥种类及用量：烟草专用基肥525.0 kg/hm2、过磷酸钙288.0 kg/hm2、硫酸钾79.5 kg/hm2;追肥种类及用量：烟草专用提苗肥37.5 kg/hm2、烟草专用追肥300.0 kg/hm2。肥料总养分投入量为N 90.0 kg/hm2、P2O590.0 kg/hm2、K2O 225.0 kg/hm2。基肥于烤烟移栽前窝施,移栽后30 d结合中耕培土撒施追肥,田间管理按当地优质烤烟栽培管理模式进行。

1.3.2 调查项目及方法

1) 土壤理化性质测定。各处理分别于施肥前和采收后取样,各小区均取距离烟株15 cm处的烟畦纵切面土壤(厚度2 cm)混合样,3次重复,去除杂物后用灭菌自封袋密封保存。参照鲁如坤[14]的方法测定土壤化学成分,用湿筛法[15]测定土壤水稳性团聚体。

2) 植株养分含量测定。于烤烟成熟期各小区选取长势均匀一致的植株1株,以根茎为中心,将垄方向55 cm、垂直方向60 cm、深20 cm的土层全部挖出,通过水洗及高密度网过滤,收集烤烟根系,并将每株烤烟分别按根、茎、叶分类后逐批置于烘箱中,105 ℃杀青30 min,70 ℃烘干至恒重,测定其干重;植株样品经浓硫酸消煮后,分别采用凯氏定氮仪、钼锑抗比色法和火焰原子吸收法[14]测定根、茎、叶的氮、磷和钾含量。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2010和SPSS 21.0对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理烤烟的养分积累特征

2.1.1 氮(N) 不同处理烤烟对养分的吸收累积存在差异。由表1可知,CK、T1和T2整株烤烟氮素积累量分别为29.66 mg/plot、30.89 mg/plot和19.16 mg/plot,以T1最高,T2最低;与CK比,T1提高4.16%,T2降低35.39%。烤烟根、茎和叶部位的氮素累积量分别为3.26～5.55 mg/plot、3.77～5.67 mg/plot和12.13～19.66 mg/plot,根和叶部位以T1最高,T2最低;与CK比,T1提高19.55%和5.31%,T2降低29.87%和35.05%。其中,各处理烤烟根部和茎部的氮素累积量均呈显著性差异;T1烤烟叶部和整株的氮素累积量显著高于T2。因此,T1可较好地促进烤烟各器官对氮素的吸收累积。

表1 不同处理烤烟的氮素积累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整株烤烟磷素积累量分别为438.24 mg/plot、469.11 mg/plot和315.99 mg/plot,以T1最高,T2最低;与CK比,T1提高7.04%,T2降低27.90%。烤烟根、茎和叶部位的磷素累积量分别为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;与CK比,T1提高11.89%、4.52%和6.56%,T2降低43.93%、14.15%和27.84%。各处理烤烟根部的磷素累积量均呈显著性差异;T1烤烟叶、茎部和整株的磷素累积量均显著高于T2。表明,T1可有效促进烤烟各器官对磷素的吸收累积。

表2 不同处理烤烟的磷素积累Table 2 Phosphorus accumulation of flue-cured tobacco plants under different treatments mg/plot

2.1.3 钾(K) 由表3可知,CK、T1和T2整株烤烟钾素积累量分别为468.15 mg/plot、582.85 mg/plot和341.80 mg/plot,以T1最高,T2最低;与CK比,T1提高24.50%,T2降低27.00%。烤烟根、茎和叶部位的钾素累积量分别为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;与CK比,T1提高31.90%、37.64%和19.10%,T2降低36.92%、13.57%和29.94%。各处理烤烟根、茎、叶部位和整株的钾素累积量均呈显著性差异。表明,烤烟各器官对钾素的吸收累积以T1效果最好。

表3 不同处理烤烟的钾素积累Table 3 Potassium accumulation of flue-cured tobacco under different treatments mg/plot

2.2 不同处理植烟土壤团聚体的分布特征

从表4看出,不同施肥处理植烟土壤团聚体各粒级含量不同。[0.25,2) mm和[2,+∞) mm粒级的土壤团聚体含量分别为32.27%～46.49%和6.05%～8.99%,均随生物炭施用量增加而降低,T2处理[0.25,2) mm粒级(中粒级)的显著低于CK,T1和T2处理[2,+∞) mm粒级(大粒级)的均显著低于CK;[0,0.25) mm粒级(小粒级)的土壤团聚体含量为44.52%～61.67%,随生物炭施用量增加而增加,以T2最高,CK最低,各处理间均呈显著性差异。其中,T1土壤小粒级(50.91%)和中大粒级(49.09%)团聚体占比各约50%,表明,适量施用生物炭(T1)有利于土壤团聚体的合理分布。

表4 不同处理植烟土壤团聚体的分布特征Table 4 Distribution characteristics of aggregates with different size in flue-cured tobacco growing soils under different treatments %

2.3 不同处理植烟土壤的养分特征

从表5看出,不同施肥处理对植烟土壤的理化性质影响不同。pH 0.60～0.65,土壤呈酸性;有机质2.29～2.82 g/kg,依次为T2>T1>CK;全氮0.12%～0.13%,依次为T2>T1=CK;全磷0.09%～0.11%,依次为CK>T1>T2;全钾1.13%～1.49%,依次为T2>T1>CK;碱解氮12.46%～13.90%,依次为T1>CK>T2;有效磷3.88%～4.94%,依次为T2>T1>CK;速效钾29.46%～74.06%,依次为T2>T1>CK。其中,T2的有机质、全钾、有效磷和速效钾均显著高于T1和CK,全磷和碱解氮均显著低于T1和CK。整体看,随生物炭施用量增加,植烟土壤的有机质、全氮、全钾、有效磷和速效钾含量均呈增加趋势,全磷含量随生物炭用量增加而降低,碱解氮含量变化规律不明显。因此,适量施用生物炭有利于改善植烟土壤的理化性质。

表5 不同处理植烟土壤的养分特征Table 5 Nutrient characteristics of flue-cured tobacco growing soils under different treatments

2.4 烟株养分与土壤团聚体及理化性质的相关性

从表6看出,烟株的N、P、K与[0,0.25) mm粒级土壤团聚体、有机质、全N、全K、有效P、速效K和pH均呈负相关关系,其中,烟株N、P与[0,0.25) mm粒级土壤团聚体、有机质呈极显著负相关关系,相关系数分别为—0.84、—0.89和—0.94、—0.97;烟株N、P、K与全N、全K呈极显著负相关关系,相关系数分别为—0.98、—1.00、—0.88和—0.96、—0.99、—0.84;烟株K与[0,0.25) mm粒级土壤团聚体和有机质呈显著负相关关系,相关系数分别为—0.64和—0.79。烟株N、P与[0.25,2) mm粒级土壤团聚体呈极显著正相关关系,相关系数分别为0.91和0.94,与土壤团聚体平均重量直径呈显著正相关关系,相关系数分别为0.62和0.69;烟株N与全P呈显著正相关关系,相关系数为0.75;烟株K与[0.25,2) mm粒级土壤团聚体和全P呈显著正相关关系,相关系数分别为0.74和0.52;烟株N、P、K与碱解氮呈极显著正相关关系,相关系数分别为0.99、1.00和0.90。可看出,烤烟植株N、P、K与土壤团聚体及养分含量关系密切。

表6 烟株养分积累量与土壤团聚体及土壤理化性质的相关系数Table 6 Correlation coefficients between nutrients accumulation amount,physico-chemical property and soil aggregate of flue-cured tobacco plants

3 讨论

生物炭含有K、Na、Ca和Mg等矿质元素,能促进植物生长和土壤养分循环[15-18]。王大凤等[19]研究表明,施用生物炭1%～2%种植糯玉米和甜高粱,均能促进氮素的吸收积累。研究表明,生物炭不同施用量烤烟对氮、磷和钾的吸收积累存在差异,均以烟秆生物炭5 t/hm2处理最佳,整株烤烟氮、磷和钾积累量分别较CK提高4.16%、7.04%和24.50%;随着生物炭施用量增加,烟秆生物炭40 t/hm2处理烤烟对氮、磷和钾的吸收积累量降低,分别较CK降低35.39%、27.90%和27.00%,与郑琴等[20]的研究结果相似。研究还指出,生物炭不同施用量的烤烟茎部氮素含量低于CK,可能原因是土壤中增加了碳源,微生物通过消耗土壤氮源来补充碳氮比,而氮素在植物体内移动性较强,导致在库(茎)积累的氮素向源转移。

生物质炭具有复杂的孔隙结构,能改良土壤理化性质,针对作物-土壤体系看,存在上限量,适当地施用生物炭有利于提高农田土壤肥力[21],当生物炭用量较低时,施用生物炭能提高土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量和土壤微生物数量[22-24]等,从而可促进烤烟生长;当生物炭用量过大时,土壤微生物种类数量、土壤微生物量碳和土壤微生物商降低[25-26],土壤代谢活性降低,进而影响烤烟的正常生长发育。因此,适量施用生物炭可改善土壤理化性质,促进作物-土壤体系的协调发展。土壤的团粒结构可体现土壤的肥沃程度,团粒结构多可调节土壤的紧实度、孔隙度、水、肥、气和热等。有研究指出,生物质炭可改良土壤理化性质,提高土壤肥力,促进植物养分吸收利用[27-28]。研究表明,随着生物炭施用量增加,土壤水稳性团聚体[0,0.25) mm粒级含量增加,可能是由于生物炭具有复杂的孔隙结构,可增加土壤孔隙度,降低土壤容重[29],农田土壤投入生物炭后,导致小粒径的土壤团聚体含量增加;烟秆生物炭5 t/hm2处理有利于土壤团聚体的合理分布,从而改善植烟土壤的理化性质。相关性分析结果显示,烤烟养分(氮、磷、钾)积累量与土壤团聚体粒级分布及土壤理化性质密切相关。因此,构建农田良好的耕层结构,有利于促进植物养分的高效利用,但关于如何调控介导植物根系的构建,从而影响植物养分吸收利用的相关机理仍需进一步探究。