生物炭對不同氮水平下植煙土壤碳氮轉化的影響

張 弘，李 影，張玉軍，朱金峰，姜桂英，劉世亮，申鳳敏，劉 芳

（1河南農業大學資源與環境學院，鄭州450002；2河南中煙工業有限責任公司洛陽卷煙廠，河南洛陽471000；3河南省漯河市煙草公司，河南漯河462000）

0 引言

煙草是中國重要的經濟作物，很多研究者對煙草及植煙土壤進行過相關研究[1-2]。氮素是對煙草產量和品質影響最大的敏感元素[3-4]。氮素在土壤中極易損失，利用率較低。而生物炭的施用可以改善土壤物理性狀，近年來有不少研究報道了生物炭或施氮量對植煙土壤理化性質的影響，例如陳山等[5]發現，梯度施用稻殼生物炭促進土壤有機碳以及氮的積累，土壤速效鉀和有機質的含量也隨生物炭施用量的增加而升高，但對土壤全磷、全鉀和速效磷的含量影響較小。張繼旭等[6]則認為土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均隨生物炭添加量的增加有不同程度的提高。尚杰等[7]也認為生物炭的施用可以提高土壤微生物量碳氮以及與土壤碳、氮、磷相關的酶活性，增加了土壤微生物量，改善了土壤中的生物環境。

氮素是煙草生長所需的敏感元素，許多研究者探究了氮肥施用量對植煙土壤養分的影響。例如李琰琰等[8]研究表明，土壤有機質、全氮、速效氮含量和脲酶活性隨施氮量的增加而增加，土壤蔗糖酶活性則呈先增加后降低的趨勢，土壤養分含量與土壤酶活性之間存在顯著的相關關系。牛靜等[9]研究發現土壤有機質、速效氮、速效磷、速效鉀含量和土壤蔗糖酶活性隨施氮量的增加而上升。楊馨逸等[10]也表示施用氮肥能夠顯著提高土壤微生物量碳和可溶性有機碳的含量，由此可見，生物炭與氮肥的施用對植煙土壤養分調控方面有較好的影響作用，但是當前圍繞烤煙的研究大多探究單一的施氮量或生物炭對烤煙的影響，在生物炭改良烤煙產量和品質的基礎上施用不同氮水平的研究很少，因此，在生物炭改良烤煙品質的基礎上研究施氮量對植煙土壤養分及碳氮轉化的影響具有重要的科學意義。

河南省作為中國優質濃香型煙葉產地，植煙土壤連作時間長，土壤結構遭到嚴重破壞，導致煙葉氮含量和煙堿含量普遍過高，從而影響煙葉品質，使典型濃香型風味淡化，因此需要通過增施高碳含量有機物料調節土壤C/N比，結合植煙土壤生物炭施用量最佳范圍為1200～1600 kg/hm2[11-12]。本研究采用大田試驗，在1600 kg/hm2生物炭施用量下，探索生物炭對植煙土壤養分含量的影響，并在此基礎上施用不同氮水平，以期為河南省植煙土壤在生物炭改良條件下篩選最佳施氮量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理設計

試驗于2016年在河南省臨潁縣大郭鎮進行，土壤類型為黃褐土。試驗地基本理化性狀為：有機質16.2 g/kg，堿解氮52.8mg/kg，速效磷20.89mg/kg，速效鉀159mg/kg，pH 7.74。試驗設5個處理，分別為：（1）不施生物炭和氮肥(CK)，（2）不施氮肥（N0)，（3）純氮用量為37.5 kg/hm2(N1)，（4）純氮用量為 52.5 kg/hm2(N2)；（5）純氮用量為67.5 kg/hm2(N3)，其中52.5 kg/hm2為當地煙農常用氮肥施用量，且該處理N:P2O5:K2O=1:1:3.5，其他處理的磷鉀肥用量與該處理相同，除CK外，其余處理在煙草移栽前增施生物炭1600 kg/hm2調節土壤碳氮比，每個處理重復3次，共設15個小區，每個小區面積為66.7 m2，小區為隨機排列。氮肥為尿素（含氮量45%），磷肥和鉀肥分別為過磷酸鈣（含P2O5量12%）和硫酸鉀（含K2O量50%）。每個處理的施肥量見表1，施肥方式為氮鉀肥基追比為7:3（70%的氮鉀肥做基肥，30%追肥），基肥采用25～30 cm寬度開溝雙條施肥，然后起壟。追肥于移栽37天后施用，追肥位置是煙行兩側最大葉葉尖所指位置（約距離煙株15～20 cm）。煙草品種為‘中煙100’。

表1 不同處理施肥量 kg/hm2

煙苗于2016年5月9日進行移栽，按1.22 m的行距和0.50 m的株距種植，并在2016年8月20日采收完畢。小區周邊種植2行煙草為保護行，其他按當地優質烤煙規范化栽培管理方式進行。

1.2 樣品的采集與測定

在煙苗移栽后30、60、90天，每個處理選取長勢一致的煙株3棵，在煙莖基部周圍的中點作為取樣點，隨機用土鉆采集0～20 cm土壤樣品充分混勻。土壤鮮樣一部分于4℃冰箱中保存，另一部分風干過篩測定常規理化性質。土壤脲酶采用靛酚藍比色法[13]，蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法[13]，土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化法[14]，堿解氮采用堿解擴散法[14]，速效磷采用鉬藍比色法[14]，速效鉀采用火焰光度計法[14]，微生物量碳采用氯仿熏蒸法[15]。

1.3 數據處理

使用DPS7.05軟件，采用Duncan新復極差法，比較不同處理間各種指標之間的差異；使用Excel 2010進行相關數據統計分析和制圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對植煙土壤酶活性的影響

脲酶是一種酰胺酶，其活性是影響土壤氮素的因素之一，可以表征土壤氮素轉化狀況。從圖1(A)可以看出，總體上各處理土壤脲酶活性在煙草整個生育期內呈先降低后升高的趨勢。在移栽后30天時除N1外其他處理之間土壤脲酶活性差異并不顯著。與CK相比，增施生物炭的N0處理土壤脲酶活性在煙草移栽后60天時顯著低于CK，但在移栽后90天時又顯著高于CK；而增施氮肥處理的土壤脲酶活性在移栽后60天時顯著低于CK，但在移栽后90天時土壤脲酶活性從高到低依次為N2＞N1＞N0＞CK＞N3，說明增施氮肥可以提高該時期土壤脲酶活性，但當氮肥施用量超過52.5 kg/hm2時，會大幅度抑制增長的趨勢。

土壤蔗糖酶能夠水解蔗糖成為被植株利用的葡萄糖和果糖，常用來表征土壤碳轉化狀況。從圖1(B)可以看出，在煙草整個生育期內，各處理土壤蔗糖酶活性在煙草移栽后60天以前，處于幅度較低的增長趨勢，但在移栽后90天時除N0處理外其他處理土壤蔗糖酶活性大幅度增加。另一方面，移栽后30天時增施生物炭和不同氮水平對蔗糖酶活性影響不顯著，而90天時則表現出氮肥處理顯著提升了土壤蔗糖酶活性。與CK相比，增施生物炭的N0處理土壤蔗糖酶活性只在移栽后60天時顯著高于CK，但在移栽后90天時顯著低于CK。增施氮肥在煙草移栽后90天時對土壤蔗糖酶活性的提高有著顯著的影響，但不同施氮量處理間差異不顯著。

圖1 不同處理移栽后不同天數植煙土壤脲酶(A)和蔗糖酶(B)活性

2.2 不同處理對植煙土壤速效氮磷鉀的影響

土壤堿解氮含量直接說明土壤的供氮強度。由圖2(A)可見，各處理堿解氮含量的變化趨勢為隨著移栽天數的推移而逐漸下降，且在移栽后30天時各處理堿解氮含量最高。施氮處理的堿解氮含量顯著高于對照，N3的堿解氮含量顯著高于其他處理，且在移栽后30天時，達到最高值261.86 mg/kg。說明增加施氮量能夠顯著提高植煙土壤堿解氮含量，提高土壤對植株的供氮能力。

從圖2(B)可以看出，各處理土壤速效磷含量隨烤煙移栽天數的增加保持較為穩定的趨勢；與CK相比，增施生物炭與不同水平的氮肥對土壤速效磷含量并無顯著影響，說明烤煙耕層土壤速效磷基本不受生物炭與氮肥調控。

圖2(C)顯示，隨烤煙生育期的延長，各處理的土壤速效鉀含量呈逐漸降低的趨勢；與CK相比，增施生物炭的N0對土壤速效鉀含量并無顯著影響，而增施氮肥的處理只在烤煙移栽后60天時提高了土壤速效鉀含量，隨后土壤速效鉀含量在烤煙移栽后90天時迅速降低，除N1處理外其他處理間無顯著差異。

2.3 不同處理對植煙土壤有機質的影響

從圖3可以看出，各處理的土壤有機質含量差異并不顯著，且在移栽后60天以前土壤有機質含量變化幅度很小，只在移栽后90天時有所降低，與CK相比，增施生物炭與氮肥對土壤有機質含量沒有顯著的影響。

2.4 不同處理對土壤微生物量碳和微生物熵的影響

土壤微生物量碳是指活的微生物體內所含有的碳素。從圖4(A)可以看出，各處理土壤微生物量碳隨烤煙生育期的延長表現出先上升后降低的趨勢。在烤煙移栽后60天時達到最大值，其中N3處理土壤微生物量碳最大為355.00 mg/kg。與CK相比，增施生物炭的N0處理土壤微生物量碳在烤煙移栽后60、90天時得到了顯著提高，說明生物炭對土壤微生物量碳的影響主要表現在烤煙生育中后期。而增施氮肥對土壤微生物量碳也有一定的提升作用，但并未表現出明顯的規律性。

土壤微生物熵是指土壤微生物量碳與土壤有機碳的比值。由圖4(B)可知，各處理土壤微生物熵的變化趨勢為先升高后降低，與土壤微生物量碳的變化趨勢一致。在烤煙移栽后60天時達到最大值，其中N2處理土壤微生物熵最高為3.01%。與CK相比，N0處理增施生物炭除在烤煙移栽后30天外，其余時期土壤微生物熵皆顯著高于CK，說明生物炭對土壤微生物熵的影響主要表現在烤煙移栽后30天以后。而增施氮肥的處理在烤煙生育中后期也提高了土壤微生物量碳熵，但并沒表現出明顯的規律性。

圖2 不同處理移栽后不同天數土壤堿解氮(A)、速效磷(B)和速效鉀(C)含量

圖3 不同處理移栽后不同天數土壤有機質含量

3 結論

在1600 kg/hm2生物炭改良植煙土壤的基礎上，配施不同量的氮肥可以顯著提高土壤碳氮代謝相關酶活性（脲酶、蔗糖酶），以及土壤堿解氮含量，提高烤煙生育中后期土壤微生物量碳和微生物熵，其中豫中煙田以生物炭配施67.5 kg/hm2的氮肥最有利于提高土壤養分含量。

4 討論

土壤中存在多種酶類，土壤酶活性的高低能夠反映相關土壤養分代謝的強弱。脲酶可以表征土壤氮素的狀況，蔗糖酶則可以表征土壤碳素的狀況。植煙土壤中施加生物炭可以提高脲酶和蔗糖酶的活性[16]。劉領等[17]通過盆栽試驗研究了生物炭與氮肥減量配施后發現，生物炭與氮肥配施有利于提高土壤酶活性。李琰琰等[8]研究發現0～40 cm土層土壤脲酶活性隨施氮量的增加而增加，蔗糖酶活性則隨施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢。牛靜等[9]也認為，土壤蔗糖酶活性會隨施氮量的增加而提高。本研究表明，生物炭可以提高煙草移栽后90天時土壤脲酶活性以及移栽后60天時土壤蔗糖酶活性，與前人研究結果相似，說明生物炭可以促進植煙土壤碳氮代謝相關酶活性。施氮量對土壤酶活性的影響主要表現在煙草移栽后90天時，氮肥可以提高土壤脲酶活性，但過高的氮肥施用量反而會抑制這種趨勢，而土壤蔗糖酶活性則在氮肥施用下得到顯著提高，這與李琰琰等[8]的研究結果有所不同，這可能是因為生物炭促進了土壤氮素代謝，過高的氮肥施用對土壤脲酶活性產生了抑制效果，這與嚴君等[18]的研究結果一致。

圖4 不同處理煙草移栽后不同天數土壤微生物量碳(A)、微生物量碳熵(B)

植煙土壤中速效養分的含量將直接影響烤煙對必需養分的吸收效率，進而影響煙株的生長發育。趙殿峰等[19]研究發現土壤速效氮和速效磷含量隨生物炭的施用量呈先升高后降低的趨勢。鄭加玉等[20]發現生物炭可以提高皖南植煙土壤堿解氮、速效磷和速效鉀的含量。牛靜等[9]探究發現土壤速效氮、速效磷和速效鉀含量隨施氮量的增加呈上升的趨勢。本研究結果表明，植煙土壤在生物炭改良作用下施用氮肥，土壤速效氮含量受氮肥施用量的影響較大，但土壤速效磷與速效鉀的含量則無顯著性變化，這可能是因為煙田土壤起壟后高于地表約20 cm，因此施用的肥料主要集中在20～40 cm土層，但測定土壤速效氮磷鉀含量的土樣是0～20 cm土層，所以導致生物炭與氮肥對土壤速效養分含量的影響并不顯著。

土壤有機質是土壤中多種養分的來源，土壤肥力的高低很大程度上取決于土壤有機質的含量，陳山等[5]通過植煙土壤中施用不同量的生物炭發現，生物炭提高了土壤有機質含量，并且有機質含量表現出隨生物炭用量增加而增加的趨勢。而施氮量對土壤有機質的影響則表現為氮肥對土壤有機質有一定的提升作用，李琰琰等[8]認為0～40 cm土層土壤有機質含量隨施氮量的增加而增加，牛靜等[9]也得出了相似的結果。本研究中生物炭與氮肥對土壤有機質含量的影響并不顯著，這與前人研究結果不同，這是因為試驗中生物炭的添加量遠低于陳山等研究設定的生物炭添加量。并且生物炭與氮肥在起壟之前施用于地表土壤，煙田土壤起壟后高于地表約20 cm，因此施用的氮肥主要集中在20～40 cm土層，但測定土壤有機質含量是0～20 cm土層的土樣，導致生物炭與氮肥對土壤有機質含量的影響并不顯著。而在土壤微生物方面，李靜靜等[21]認為生物炭配施氮肥能夠顯著提高烤煙生育后期植煙土壤微生物量碳，本研究也得出了相似的結論。