烟秆生物质炭对连作植烟土壤养分及烟叶产质量的影响

2023-11-22白羽祥

西南农业学报 2023年9期

陈燕,贾孟,孔明,王娜,杜宇,周鹏,王戈,白羽祥

(1.云南农业大学烟草学院,昆明 650201;2.红云红河集团红河卷烟厂,云南弥勒 652300)

【研究意义】受烟草产业结构的调整和耕地资源短缺的制约,烤烟种植连作现象突出,全国各大烟区已出现不同程度的连作障碍[1]。烟草连作障碍不利于现代烟草产业的可持续发展[2],一方面会使植物生长受阻,产质量低下[3],另一方面会引起土壤退化,导致土壤养分含量和有机质质量下降[1]。因此,如何缓解烤烟连作障碍备受关注。【前人研究进展】在连作无法避免的情况下,土壤改良对维持土壤微生态平衡、缓解连作障碍发生具有重要作用。生物质炭是一种通过生物质热解获得的碳基固体,含有碳、氮、氢、钾和镁等植物生长所需养分,可改良土壤性状,提高肥力,增强作物对养分的吸收能力[4]。近年来,生物质炭因其体小多孔,透气性能良好,持水保肥能力强,已在生产上被成功应用[5-7]。有研究发现,施用生物炭可显著提高烤烟、辣椒等的产质量[7-9]。此外,施用油菜秸秆炭后,土壤有机质含量显著提高,重金属Pb含量下降[10]。生物质炭的性质取决于原料和热化学转化条件,原料不同则灰分含量有所差异,灰分中的碱性离子可改善土壤酸碱度[11]。灰分含量最高的是秸秆生物炭,可从秸秆中的10.4%增加到相应的生物炭中的34.2%[12]。中国每年产生大量烟秆废弃物,但由于处理方式大多以焚烧为主,不仅造成秸秆资源浪费,同时也对生态环境造成了严重影响。烟秆生物质炭来源于烟株,由于作物的同源性,其各种营养元素更利于被作物吸收[13],以烟秆炭化为生物质炭施入烟田不仅能有效利用烟秆资源还能提高烤烟产质量,符合中国大力发展绿色循环农业的方针政策[14]。熊佰炼等[15]研究表明,适量的辣椒秸秆生物质炭可提高易降解土壤有机碳库储量和土壤微生物量碳。也有研究表明烟秆生物炭能有效提高土壤促生菌的丰度,缓解烤烟连作障碍[16]。【本研究切入点】烟草连作后根系发育受到抑制,株高、茎围等农艺性状指标下降,烤后烟叶中总氮、烟碱含量偏高,产量、中上等烟比例下降。另外,连作会降低土壤pH,使土壤养分失调,细菌丰富度及多样性显著降低[16]。目前生物质炭已被广泛应用于农业各领域,并取得了较好的效果,但对烟秆生物质炭的应用潜力及其对土壤影响的相关研究较少。【拟解决的关键问题】本研究基于烟秆废弃物利用及其生物质炭应用的巨大潜力,通过研究不同生物质炭施用量下烤烟的经济性状,并分析土壤养分与有机质组分间的相关性,进一步明确生物质炭提高烤烟产质量的可能路径,以期为今后利用生物质炭缓解烤烟连作障碍提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年4—9月在云南省竹山镇(24°37′58″ N,103°7′51″ E)进行,海拔1650 m,土壤为已连作7年的红壤土,土地平坦,墒面向阳,排水良好,属亚热带高原季风气候。土壤基础理化性质为pH 6.44,有机质31.24 g/kg,全磷1.13 g/kg,全氮1.87 g/kg,速效钾286.5 mg/kg,碱解氮134.16 mg/kg,全钾21.45 g/kg,速效磷23.52 mg/kg。

1.2 供试材料

烟草专用复合肥由云南省烟草公司昆明市公司提供,生物质炭由云南农业大学烟草学院烟叶栽培与调制实验室提供。烤烟品种为红花大金元,采用漂浮育苗技术育苗,苗龄60 d,由云南省烟草公司昆明市公司提供。

1.3 试验设计与方法

烤烟于起垄前条施烟草专用复合肥[m(N)∶m(P2O5) ∶m(K2O)=12∶14∶24] 610 kg/hm2为基肥,于移栽前与生物质炭混匀后拌塘施入;烤烟苗于4月22日移栽。移栽后用烟草专用复合肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶0∶30]360 kg/hm2分3次追肥。试验采用随机区组设计,设置4 个处理,分别为处理A0(CK),施用生物质炭0 g/株;处理A1,施用生物质炭300 g/株;处理A2,施用生物质炭500 g/株;处理A3,施用生物质炭600 g/株,每处理3 次重复,共计12 个小区。每小区种植100 株,行株距为120 cm×50 cm。四周设保护行。同一处理同一穴施肥量一致,其他生产管理措施均按照当地优质烤烟规范化生产技术进行。

1.4 测定项目

1.4.1 烤烟经济性状调查根据国家分级标准分别对各处理烤烟分级、计产,并依据2020年昆明市公司烤烟收购价格计算均价、产值及统计中上等烟比例。

1.4.2 土壤理化性状测定采收完成后,通过抖动法收集根际土壤样品。采用电位法测定土壤pH,采用碱解扩散法测定土壤水解性氮,采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定速效磷含量,采用火焰光度法测定速效钾含量[17],采用硫酸重铬酸钾氧化法测定有机质含量。采用K2SO4-氯仿熏蒸法测定土壤微生物量碳含量,轻、重组有机质分别用(1.78 ± 0.02) g/cm3NaI(碘化钠) 、比重2.0 的ZnI2(碘化锌)分离组分,利用元素分析仪测定[18]。水溶性有机质和颗粒有机质采用水提取—震荡过滤后,再利用元素分析仪测定[19]。

1.5 数据统计与分析

采用软件SPSS 27.0 进行差异显著性、相关性及逐步回归分析,Excel 2017进行数据处理、作图。

2 结果与分析

2.1 烟秆生物质炭对烟叶产值量的影响

从表1可见,施用生物质炭显著影响烟叶产值量,各产值指标随生物质炭施用量增加均呈现先增加后降低的趋势,其中处理A2(500 g/株)产值量指标均最高,分别为62 779.2 元/hm2、1914.0 kg/hm2,说明在一定范围内施用生物质炭对提高烟叶产值量具有积极作用。

表1 生物质炭对烤烟产值量的影响

2.2 烟秆生物质炭对土壤养分的影响

从图1可见,施用烟秆生物质炭可提高土壤pH、有机质和微生物量碳含量,随烟秆生物质炭施用量的增加,3项指标均呈上升趋势,其中处理A2(500 g/株)pH和有机质含量最高,分别为6.52、34.45 g/kg;处理A3(500 g/株)微生物量碳含量最高,达84.27 mg/kg。说明烟秆生物质炭能调节土壤酸碱性,显著提高土壤有机质、微生物量碳的含量,改善土壤质量,缓解连作障碍。

图1 生物质炭对土壤pH、有机质、微生物量碳的影响Fig.1 Effects of biochar on soil pH, organic matter and microbial biomass carbon

从表2可见,施用生物质炭可提高烟叶采收后土壤的全氮、全钾、水解性氮含量;全氮含量随炭用量的增加而升高,而土壤全钾、水解性氮、有效磷和速效钾含量呈先升后降的趋势,其中处理A2具有最高值。说明适量的烟秆生物质炭能加速氮、磷和钾元素的转化,提高水解性氮、有效磷、速效钾含量。

表2 生物质炭对土壤养分的影响

2.3 烟秆生物质炭对土壤有机质组分的影响

由图2可看出,处理A0(CK)、A2、A3的粗颗粒有机质占比显著高于处理A1,处理A0(CK)、A2、A3间无显著差异;处理A2、A3的细颗粒有机质占比显著高于处理A0(CK),处理A2、A3间无显著差异;处理A2、A3的矿物结合有机质占比显著低于处理A0(CK)、A1;随炭用量的增加,矿物结合有机质占比呈先升高后降低趋势。说明较高含量的烟秆生物质炭可显著提高粗颗粒有机质和细颗粒有机质在土壤中的占比。

图2 烟秆生物质炭对颗粒有机质占比的影响Fig.2 Effect of tobacco stem biochar on the proportion of particulate organic matter

处理A1、处理A2、处理A3的轻组有机质(图3-a)和重组有机质(图3-b)含量均高于处理A0(CK),且随生物炭施用量的增加呈逐渐升高趋势;处理A1、处理A2、处理A3的热水溶性有机质(图3-c)含量均显著低于处理A0(CK),随生物质炭施用量的升高而下降,与轻组有机质呈相反趋势;冷水溶性有机质含量则随生物质炭的施用量先升后降。其中处理A1最高,为12.5 g/kg;处理A0(CK)次之,为11.25 g/kg;处理A2、处理A3最低,且两者间无显著差异。

图3 生物质炭对水溶性有机质的影响Fig.3 Effect of biochar on water-soluble organic matter

2.4 有机质组分与土壤养分的相关性分析

从图4可知,土壤pH、水解性氮(Hydrolytic nitrogen, HN)、速效钾(Available potassium, AK)、总氮(Total nitrogen, TN)、总磷(Total phosphorus, TP)和总钾(Total potassium, TK)含量与有机质组分间存在显著相关性。其中pH、HN、AK、TN与有机质(Organic matter, SOM)、微生物量碳(Microbial biomass carbon, MBC)、轻组有机质(Light group organic matter, LFOM)显著正相关,与热水溶性有机质(Hot water soluble organic matter, HDOM)、冷水溶性有机质(Cold water soluble organic matter, CDOM)、矿物结合有机质(Mineral bound organic matter, MOM)则呈显著负相关;TP与LFOM、重组有机质(Heavy fraction organic matter, HFOM)显著负相关,与HDOM显著正相关;TK与SOM、与LFOM、HFOM、细颗粒有机质(Fine particulate organic matter, FPOM)呈显著正相关。

AP.有效磷;CPOM.粗颗粒有机质;红色表示正相关,蓝色表示负相关,颜色程度越深,相关性越强。用*,**,***表示显著水平分别为0.01

将与养分含量相关的有机质组分作为自变量,以pH、HN、AK、TN、TP、 TK和SOM含量分别作为因变量进行逐步回归,得出回归方程(表3)。影响土壤pH和全钾含量的因素是细颗粒有机质,标准化系数分别为0.800、0.703,说明细颗粒有机质对土壤pH和全钾含量具有促进作用;影响土壤水解性氮的因素为热水溶性有机质,标准化系数为0.842,说明土壤热水溶性有机质含量对土壤水解性氮具有促进作用;影响土壤全氮、有机质的因素为微生物量碳含量,标准化系数为0.963、0.906,说明微生物量碳含量对全氮和有机质含量的促进作用较强。影响土壤速效钾、全磷的因素为冷水溶性有机质、热水溶性有机质,标准化系数为-0.839、0.611,说明土壤冷水溶性有机质对速效钾具有抑制作用,热水溶性有机质对全磷具有促进作用。

表3 土壤养分与有机质组分回归分析

3 讨论

土壤是作物生长的重要介质,与作物产量、质量密切相关。连作会导致土壤环境恶化[5],土壤质量下降,微生物结构改变[6],烟株抗病性降低等,从而使烤烟产质量下降。本试验中,施入烟秆生物质炭能显著提高烤烟产量及中上等烟比例,与前人研究结果相似,王成已等[7]研究表明,施用400 g/株的烟秆生物质炭可有效提高中上等烟比例,当施用量提高到800 g/株时,烤烟产量、产值及均价最高。刘新源等[8]研究表明,当花生壳生物炭施用量为2475 kg/hm2时,烤烟产量和产值分别比处理CK提高12.8%、13.54%。土壤检测结果表明,烟秆生物质炭可提高连作土壤的全钾、速效钾、水解性氮、全氮和有机质含量。有机质按粒径大小可分为粗颗粒有机质(>0.25 mm)、细颗粒有机质(0.053～0.25 mm)、矿物结合有机质(<0.053 mm)。粗、细颗粒有机质均以处理A2、A3含量最高,而矿物结合有机质以处理A1含量最高,说明少量生物质炭的施入有利于矿物结合有机质的提高,而随着生物质炭增加,对颗粒有机质提高明显。土壤活性有机质是指土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解利用、对植物养分供应有最直接作用的有机质,主要包括微生物量碳、轻组有机质、颗粒有机质、水溶性有机质[20]。其中微生物量碳是指土壤有机质的活体部分,分布在不同粒径的土壤颗粒及土壤团聚体中,反映土壤微生物种群总量大小[21]。本研究中,土壤活性有机质含量均高于对照处理,逐步回归分析表明,微生物量碳含量对有机质总量具有较强的促进作用。说明烟秆生物质炭以基肥形式一次性施入连作土壤能有效改善土壤微生态环境,提高养分含量,增加活性有机质的积累[22],达到固碳增产效果[23]。土壤热水溶性有机质主要由分子量较小且与团聚体稳定性相关的物质组成,易参与构成其他类型有机质。而轻组有机质则是由未分解或半分解的植物残体、微生物组成,不与无机矿物结合,具有不稳定性[24],与微生物量碳、土壤呼吸速率密切相关[18],可作为土壤质量尤其是有机质质量的指示剂[25]。在本研究中土壤热水溶性有机质含量随生物质炭施用量的升高而下降,轻组有机质则形成相反的趋势,这可能是由于两种有机质的组成成分不同所导致。由此说明烟秆生物质炭的施用改变了土壤有机质组成,从而提高有机质质量,改善土壤环境。

有研究表明,未连作植烟土壤中有效磷、水解性和有机质碳含量均显著高于连作土壤,而pH和速效钾含量无显著差异[26]。施用生物炭可提高土壤有机碳和速效钾含量,且随施用量的增加水解性和有效磷呈先升后降趋势[27],本研究也得出类似结论。同时逐步回归分析表明,细颗粒有机质、轻组有机质、热水溶性有机质、微生物量碳对土壤养分含量促进作用明显。说明生物质炭可改变有机质组成,促进氮、磷和钾的生物化学循环,有效调节土壤pH。此外,生物炭所含的有机质和无机离子也能为烟株提供少量的营养[28],因此烟秆生物质炭在一定程度上缓解连作障碍。

土壤养分与有机质组分间相关性分析表明,土壤有机质组分是一个相互关联且相互影响的整体[29],且与土壤养分之间存在显著相关性。王丰等[30]发现,植烟土壤有机质与水解性、全氮的偏相关性显著。邓小华等[22]研究表明,有机质与土壤水解性、全氮、有效磷呈显著正相关。本研究采用逐步回归分析表明,细颗粒有机质对pH、重组有机质对水解性氮、微生物量碳对全氮和有机质、热水溶性有机质对全磷具有促进作用。初步推测,烟秆生物质炭提高烤烟产质量的路径可能是生物质炭的施入提高有机质含量,改变有机质组分的占比结构,从而促进养分循环,提高土壤质量。