水分调控及生物炭对柑橘土壤和叶片养分的影响

徐文,冯雅婷,朱士江*,张明博,谭学军,赵迎新

(1. 三峡大学水利与环境学院,湖北 宜昌 443002; 2. 三峡库区生态环境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002; 3. 吉林水利电力职业学院水利学院,吉林 长春 130117; 4. 宜昌市东风渠灌区管理局,湖北 宜昌 443000)

柑橘是世界第一大水果,主要分布在北纬30°和南纬30°之间,其中中国是柑橘主要生产大国之一[1].据国家统计局统计,自2007年以来,中国柑橘种植面积和产量一直稳居世界第一[2];柑橘种植面积从1990年的106.12万hm2发展到2021年的278.86万hm2,总产量从1990年的485.49万t发展到2021年的5 399.1万t,增长了10倍多[3].柑橘是宜昌市种植面积最大、经济地位最重要的果树.随着柑橘种植面积和产量大幅提升,生产投入和资源消耗过量现象也日益突出.例如,通过投入化肥和农药以提高产量并产生依赖性,过度使用化肥,降低了化肥和农药的使用效率[4].同时,许多地方还存在由于栽培管理不当等多方面的原因,造成柑橘果实大小不均、肉质不优、口感欠佳和风味不足等现象,导致柑橘品质不高[5],直接影响着柑橘产业的健康长远发展.

柑橘果实品质与土壤和叶片养分状况有着密切关系,例如土壤铵态氮和速效钾含量显著影响果皮亮度和果实可滴定酸含量,而叶片养分则反映树体营养和土壤养分的利用效率[6-7].生物炭在“节水、减氮、增产、提质”的生产方案上被认为是一种行之有效的土壤改良剂.基于生物炭自身多孔、吸附能力强的特性,已有大量学者将生物炭与化肥相结合,以研究生物炭对土壤肥力的保持效果,其作用已通过试验在小麦、玉米、水稻等作物上得到证实[8-10],但目前针对柑橘配施生物炭的相关研究并不多.N,P,K作为表现土壤肥力的3种主要元素,也是土壤肥力的主要研究对象.同样,在柑橘叶片中,N,P,K也是3种主要的无机营养元素,氮素参与氨基酸、核酸、叶绿素等化合物的生产过程,影响柑橘的发芽、抽梢、开花及结果,磷素含量影响着细胞分裂与代谢,钾素含量与蛋白质、碳水化合物及叶绿素的形成密切相关[11-12].水作为土壤和叶片中溶质运移和养分输送的载体,在成熟叶片养分的转移、运输与储存过程中起着积极的作用,同时也反映着当前作物对外界水分条件的养分储存与分配策略.因此,研究不同水分管理条件下,混施生物炭对柑橘根区土壤和叶片的养分状况是十分有必要的.文中在不同水分管理条件下,探讨不同生物炭施加水平对柑橘根区土壤和叶片养分的影响,以期为鄂西地区柑橘种植管理提供理论依据和技术支撑.

1 试验与方法

1.1 试验地概况

试验于2019—2020年在湖北省宜昌市秭归县郭家坝镇楚王井村柑橘试验园进行.试验柑橘品种为红肉脐橙,试验区为黄壤土,砂粒、黏粒和粉粒的比例为6∶3∶1,土壤容重约为1.44 g/cm3,pH为6.67,属于微酸性土壤,田间持水量和饱和质量含水率分别为32.18%和45.79%.

1.2 试验设计

试验选取20年生的长势大小均一、个体差异性较小的柑橘树,安装模拟湿润灌溉的灌水设施,即在柑橘树悬挂灌水袋,袋口下端连接采用可控制流速的输液管,该输液管直接连接到根区土壤,以达到减少蒸发、提高灌溉水利用效率的目的.基于以往研究揭示的柑橘生育期需水规律[13-14],试验设置3种水分管理模式:W1(全生育期均为雨养模式,仅在严重缺水的情况下补充水分,即当地水分管理水平);W2(在果实膨大期开始灌水,每周灌水量为3 L,转色期每周灌水量为1 L,果实成熟前1个月停止灌水,其余生育期均为雨养模式);W3(在果实膨大期开始灌水,每周灌水量为9 L,转色期每周灌水量为3 L,果实成熟前1个月停止灌水,其余生育期均为雨养模式).设置了5种生物炭施加水平B0,B1,B2,B3和B4,其生物炭质量比分别为0,40,80,120,160 g/kg,以每kg干土施加生物炭的量计,即分别对应炭土比为0,4%,8%,12%和16%.在选取的试验柑橘树滴水线处,挖1条长80 cm、宽30 cm、深40 cm的环沟,将生物炭与土混合均匀后施入,并将土回填.试验共设置了9个处理T1—T9,具体试验方案见表1(Bc为生物炭施加量),每个处理包含3棵长势均一、个性差异较小的柑橘树,试验小区尺寸约为3 m×10 m,共选取了27棵柑橘树,试验处肥药管理按当地标准进行.所有处理均采用标准农艺措施,例如修剪、环剥、喷洒杀虫剂和杂草控制等.各处理间除土壤水分管理模式和施加生物炭量不一致外,其他处理均相同.

表1 试验不同处理组合表

生物炭施加量计算公式为

(1)

式中:Bci为第i模式生物炭施加量,kg/棵;A为试验小区面积,m2;Hi为柑橘根系层深度,取60 cm;γ为土壤容重,由前期试验得出,取1.44 g/cm3;Bi为生物炭施加等级,g/kg.

1.3 指标测定及方法

1.3.1 土壤样品采集及测定

土壤样品采用5点法取样,采集于果实成熟期(2019年12月3日和2020年12月7日,取两年平均值进行分析),深度为柑橘根系分布层10～60 cm,同时将同一处理下的多点样品充分混合,并捡去枯枝、落叶、石块等,为土壤养分测定提供待测土样.试验采用纳氏比色法测铵态氮,钼兰比色法测有效磷,四苯硼钠比浊法测速效钾[15-17].

1.3.2 叶片样品采集及测定

在每年试验周期结束时,从田间采集新鲜的柑橘叶片,每个处理在东南西北4个方向上各取10片中叶(避免采集新叶与老叶),用干布擦净并裁剪成2 cm×2 cm的方块,在研钵中捣碎至组织液,稀释100倍(体积),完成待测液的制备,测定方法与土壤氮磷钾的测定方法相同.

1.3.3 数据处理

采用Excel 2010对数据预处理、作图及回归拟合,采用Spss对数据进行线性回归显著性分析.

2 试验结果与分析

2.1 3种水分管理条件下不同施炭量对土壤氮、磷、钾的影响

图1为3种水分管理条件下5种生物炭施加量对土壤铵态氮、有效磷、速效钾含量的影响,图中σm为土壤养分质量比、ωm为生物炭炭土比.

图1 3种水分管理条件下生物炭与土壤养分关系

可以看出,3种水分管理条件的3种土壤养分质量比总体上均随着生物炭施加量增加而增加;对各水分管理条件下的铵态氮、有效磷和速效钾的质量比与生物炭施加量进行拟合,拟合曲线如图1所示,拟合优度均较高,拟合结果显示,铵态氮、有效磷、速效钾与生物炭炭土比之间分别呈对数、二次多项式、三次多项式关系.

在3种水分管理条件下,不同施炭处理的土壤养分质量比σm,以及炭土比为4%,8%,12%和16%的土壤养分质量比分别相对于ωm为0,4%,8%和12%的相对变化情况RC如表2所示.由表可见,随着生物炭施加量增加,水分管理条件W1和W2下铵态氮质量比均呈现增长趋势,在ωm为16%时达到峰值,但增长速率逐渐减缓;水分管理条件W3下铵态氮质量比的增长速率也逐渐减缓,但在ωm为16%时出现小幅度下降,峰值出现在ωm为12%时.

由表2还可见,3种水分管理条件下有效磷质量比呈逐渐增长的趋势,在生物炭炭土比ωm为16%时达到峰值,但增长速率逐渐减缓,且ωm为8%时的增长速率较4%时大幅减小;3种水分管理条件下速效钾质量比先增大,在生物炭炭土比ωm为8%时的增长速率较4%时大幅减小,而后在12%时有所提升,并在ωm为12%时达到峰值,随后在ωm为16%时呈减小趋势.

表2 3种水分管理条件下不同施炭处理养分质量比及相对变化情况

综上可知,少量施加生物炭(ωm为4%)对养分质量比的提升效果最为显著,尤其是对有效磷和速效钾质量比的提升,但随着施炭量增加,对铵态氮和有效磷质量比的提升效果逐渐减弱,铵态氮质量比甚至在高水(W3)高炭土比(ωm为16%)的情况下出现减小的趋势,而速效钾质量比在ωm为12%时还有较大幅度的提升,并达到峰值.随灌水量增大,各施炭处理下土壤中铵态氮、有效磷、速效钾的质量比大多呈下降趋势,仅W3灌水条件下炭土比为12%时的铵态氮质量比较W2有所上升;同时,各施炭处理下土壤中铵态氮、有效磷、速效钾质量比的增速随灌水量的增大也有所降低.

对3种水分管理条件下施炭量和土壤养分质量比进行显著性分析,结果见表3,可以看出在水分管理条件W1下,生物炭施加量与土壤有效磷、速效钾质量比呈显著正相关(P<0.05),与铵态氮质量比呈极显著正相关(P<0.01);在水分管理条件W2和W3下,施加生物炭量与土壤速效钾质量比呈显著正相关(P<0.05),与铵态氮、有效磷质量比呈极显著正相关(P<0.01).上述结果表明生物炭对土壤肥力的提升有显著作用,在水分管理条件W1下,生物炭对铵态氮质量比的提升最为显著;在W2下,生物炭对铵态氮和有效磷质量比的提升都十分显著;在W3下,生物炭对有效磷质量比的提升最为显著.

表3 3种水分管理条件下施炭量和土壤养分质量比显著性分析

2.2 3种水分管理条件下不同施炭量对叶片氮、磷、钾的影响

表4为在3种水分管理条件下,不同施炭处理叶片养分质量比θm及ωm为4%,8%,12%和16%的叶片养分质量比分别相对于ωm为0,4%,8%和12%的相对变化情况RC;图2为3种水分管理条件下叶片氮素、磷素和钾素质量比随施炭量的变化曲线.综合表4、图2可以看出,水分管理条件W1和W2下叶片氮素质量比随施炭量增大而逐渐降低,且下降速率逐渐加快,在ωm为12%时达到最低值,随后有一定幅度的上升,但较ωm为0时仍为下降趋势;在W3下叶片氮素质量比随施炭量增大而持续下降,下降速度逐渐加快,在ωm为12%时虽未表现出上升趋势,但下降速率仍有所减缓;3种水分管理条件下叶片磷素质量比随施炭量增加呈先降低趋势,下降速度逐渐加快,并在ωm为8%时达到最低值,随后逐渐上升,上升速率逐渐加快;3种水分管理条件下叶片钾素质量比随施炭量增加呈先降低趋势,下降速度逐渐加快,并在ωm为8%时达到最低值,随后逐渐上升,在ωm达到12%后上升速率逐渐减缓,趋于稳定.

综合上述分析可以看出,在生物炭达到一定施加量时,3种水分管理条件下叶片钾素、氮素的变化水平均将逐渐趋于饱和;随灌水量增加,各施炭水平下叶片氮素和磷素质量比均有所下降,灌水量对叶片钾素质量比的影响规律并不明显.

表4 3种水分管理条件下不同施炭处理养分质量比及相对变化情况

图2 3种水分管理条件下生物炭与叶片养分的关系

对3种水分管理条件的施炭量和叶片养分质量比进行显著性分析,结果见表5,可以看出,水分管理条件W1下柑橘叶片氮素质量比与生物炭施加量呈显著负相关关系(P<0.05),W2和W3下的柑橘叶片氮素质量比与生物炭施加量呈极显著负相关关系(P<0.01).叶片磷素和钾素在3种水分管理条件下与生物炭施加量的相关性均不具有统计学意义.

表5 3种水分管理条件下施炭量和叶片养分质量比显著性分析

3 讨 论

比较了3种水分管理条件下5种施炭水平对土壤和叶片养分的影响,结果表明,少量施加生物炭(ωm为4%)对土壤养分含量的提升效果最为显著,而随着施炭量增加,对土壤铵态氮和有效磷质量比的提升效果逐渐减弱,但速效钾质量比在ωm为12%时还有较大幅度的提升.王成己等[18]研究表明生物炭可以通过引入自身养分、提供孔隙结构为微生物提供住所等多方面以提高土壤的保肥性能,但研究并未对高炭土比对土壤养分提升速率的影响加以考虑,相关研究还有待进一步深入.随灌水量的增大,各施炭处理下土壤中铵态氮、有效磷、速效钾的含量大多呈下降趋势,同时,土壤中铵态氮、有效磷、速效钾含量的增速也有所降低.结合李天琦[19]在土壤养分运移方面的相关研究结论可以认为,在同一施炭量作用下,灌水量越大,土壤养分及溶质的运移效果越明显,但随着施炭量增大,水分对土壤养分运移能力降低,在ωm为12%时,铵态氮的涨幅出现不降反涨的趋势,这表明此时生物炭的施加对土壤养分的保持能力大于灌溉水对土壤养分及溶质的运移能力.

如图2所示,柑橘叶片氮、磷、钾素质量比随生物炭施加量增多而显著降低(P<0.05),这与蒋惠等[20]对生物炭与砂糖桔叶片的分析中结论一致,由于生物炭的施加,提高了土壤养分与肥力,增强了根系的生长和发育,从而提升了柑橘树吸收养分的效率;叶片作为储存与提供果实生长所需营养物质的载体,对于果实生长的生物量需求增大,出现光合作用产生的碳水化合物增多以及叶片养分转移现象,故使叶片养分出现稀释效应,导致叶片氮、磷、钾素含量减少,表明施加生物炭以及调节水分管理条件并不会抑制柑橘的正常生长,而是加强了叶片养分运移的能力,对柑橘的生长、代谢效率起到促进作用,并且水分处理W3与W1之间的差异性最大,说明本试验水分管理条件W3下柑橘叶片对养分的重吸收效果最为明显.而在张玲等[21]分析生物炭施加对苹果叶片养分的影响时发现,生物炭的施加在不同程度上提升了苹果叶片的养分,这与对柑橘的研究结果完全相反,有关生物炭对不同类型果树叶片养分影响原理的差异还有待进一步研究.

本次试验的土壤养分质量比根据鲁剑巍等[22]划分的《湖北省柑橘园土壤养分分级标准》作为评价柑橘土壤养分状况的依据,当有效磷质量比大于80 mg/kg,速效钾质量比大于200 mg/kg时,表明土壤磷、钾含量总体在肥沃与过量之间.铵态氮的丰缺指标由土壤养分速测通用丰缺参考指标得到:大于60 mg/kg为极高,在(40,60] mg/kg为高,(20,40] mg/kg为中,(10,20] mg/kg为低,低于10 mg/kg为极低.试验空白对照组铵态氮质量比为42.87 mg/kg,有效磷质量比为106.30 mg/kg,速效钾质量比为284.20 mg/kg,根据上述划分标准可知,试验地柑橘园土壤氮、磷、钾含量总体在肥沃与过量之间,这与当地化肥施加水平有关,应适当调整化肥施加,减少复合肥(氮15%,磷15%,钾15%)的使用.

4 结 论

以20年生脐橙为试验对象,于2019—2020年连续2 a 在湖北秭归县柑橘园试验站开展大田试验,研究了3种水分管理模式下5种生物炭施加量对柑橘根区土壤与叶片氮磷钾质量比的影响,主要结论如下:

1) 3种水分管理条件下土壤铵态氮、有效磷、速效钾含量均随生物炭施加量增大而增大,但生物炭对土壤肥力的提升有限,其增长速率随施炭量增大而逐渐减小;土壤养分运移现象随灌水量增大而越明显,但伴随生物炭施加量增加,可显著降低部分土壤养分运移,表明在生物炭施加量达到一定水平后,其对土壤养分的保持能力将大于灌溉水对土壤养分及溶质的运移能力.

2) 相同水分管理条件下,柑橘叶片氮、磷、钾含量随生物炭施加量增大呈非线性降低趋势;在炭土比为12%和16%处理下,叶片氮、磷、钾素的下限趋于稳定,表明生物炭增强了柑橘养分吸收效率,从而导致叶片出现养分稀释现象;相同施炭量条件下,叶片氮素含量随灌水量增大而显著降低(P<0.05),而叶片磷素虽随着灌水量增大而减小,但变化程度基本维持稳定,叶片钾素含量则无显著变化;在3种水分管理条件下,水分管理条件W3对柑橘叶片养分的重吸收效果最显著.