減氮配施生物炭調理劑對甘蔗苗生長和土壤養分的影響

張賽 陳杭 胡朝華 袁照年

(福建農林大學國家甘蔗工程技術研究中心，福建 福州 350002)

在我國南方農田作物栽培過程中，以高產為目的的過量施肥、偏施氮肥的現象非常普遍，導致農田土壤不斷退化，肥料損失日益嚴重。甘蔗是我國南方重要的經濟作物，由于甘蔗生長周期長、需肥量大，加之蔗區土壤肥力較差，長年甘蔗連作和不合理施肥導致蔗田土壤有機質不斷減少、氮肥大量損失。近年來，生物炭及其相關技術在農業和環境研究領域備受關注。生物炭在農業土壤改良、作物增產和溫室氣體減排等方面具有廣闊的應用前景。研究表明，將生物炭添加到農田中，不僅可提高土壤有機碳含量，還能提高土壤養分利用效率、增加農作物產量、緩解農業面源污染趨勢[1-4]。作為一種功能化土壤改良劑，生物炭獨特的結構和性質使其能夠改善土壤理化性質和養分資源的利用效率，尤其是在作物連作土壤改良和培肥地力中具有重要的應用潛力。生物炭土壤改良劑通常采用成本低廉的農業有機廢棄物作為原料，具有原料收集方便、可再生、可普遍推廣，以及綠色環保等優點。本文通過盆栽試驗研究氮肥減量配施生物炭調理劑對甘蔗苗生長及其根系土壤養分的影響，旨在為我國連作農田土壤改良與氮肥減施增效提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試甘蔗品種為南方蔗區主栽品種“新臺糖22號”。供試土壤為甘蔗連作年限20a以上的蔗田土壤，土壤pH值6.5，有機碳含量7.41g·kg-1，全氮含量0.69g·kg-1，C/N為10.7，堿解氮含量62.45mg·kg-1，有效磷含量35.43mg·kg-1，速效鉀含量34.00mg·kg-1。試驗所用生物炭調理劑從市場上購買，pH值8.43，全碳含量88.1g·kg-1。

1.2 試驗設置

試驗設置3個處理，分為不施氮對照(CK)、正常施氮(CNF)、氮肥減量配施生物炭調理劑(RNBC)，每個試驗處理設置4個重復。CNF是模擬田間氮肥正常施用量；RNBC處理中氮肥用量比正常施用量減少25%，并配施1%生物炭調理劑。各處理中磷鉀肥施用量相同。所有試驗處理都采用統一的塑料桶，桶高30cm，上口直徑20cm，底直徑15cm，桶底留有4個排水小孔。每桶放置等量的供試土壤，按一定比例將土壤、肥料和生物炭調理劑充分混勻后裝入桶中。

試驗于2019年5月開始。每桶移栽供試甘蔗幼苗3株，定期澆水，保持桶內土壤水分含量最大持水量約60%。試驗結束之后進行采樣，各處理隨機選取3桶，分別采集地上部和地下部樣品，用于蔗苗生物量、碳氮全量等指標分析。把桶中的土全部倒出并收集根系，帶回實驗室進行根系掃描和生物量的測定。測定前，將各處理的土樣充分混勻，風干之后，將風干土用于土壤pH、碳氮全量、養分等指標的測定。

1.3 測定項目與方法

將各處理蔗苗植株的根、莖、葉樣品分離收集，測定植株不同組織重量和根系性狀指標。將蔗苗根系放在清水中沖洗干凈，使用根系掃描儀(EPson ExPression 12000XL)在300dPi下進行掃描，然后在WinRHIZO根系分析軟件下分析不同處理下蔗苗的根系長度、根表面積、根徑等指標。植株和土壤中碳氮全量使用元素分析儀(Vario MAX cube)進行測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，有效磷采用鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用乙酸銨-火焰光度法測定。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel和SPSS軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 生物炭調理劑對甘蔗苗生物學特性的影響

2.1.1 農藝性狀

如圖1所示，氮肥減量配施生物炭調理劑對蔗苗生物量有積極的調節作用。減氮配施生物炭調理劑處理總生物量比CK增加了59.5%，與CNF相比增加了25.0%。施氮處理中蔗苗莖葉生物量呈明顯增加趨勢，CNF和RNBC處理與CK相比均呈顯著差異(P<0.05)，分別增加55.0%、65.8%。與CK相比，CNF處理中蔗苗根生物量下降了23.6%，而RNBC處理與CNF相比增加了32.0%。

圖1 減氮配施生物炭調理劑對甘蔗苗生物量的影響

施氮處理顯著增加蔗苗株高，正常施氮、減氮配施生物炭調理劑處理中蔗苗株高與不施氮相比分別增加34.8%、35.7%；與正常施氮相比，減氮配施生物炭調理劑處理的蔗苗株高也有所增加，增加幅度1.4%。蔗苗根冠比以不施氮的對照最高，在施氮處理中呈下降趨勢，與對照相比，正常施氮和減氮配施生物炭調理劑處理均顯著下降(P<0.05)。

2.1.2 植株碳氮含量變化

如圖2所示，氮肥減量配施生物炭調理劑對蔗苗植株有機碳和全氮含量均有明顯上調效應。RNBC處理中植株有機碳含量最高，CNF處理次之，CK最低。與CK相比，CNF和RNBC處理中有機碳含量分別增加4.55%、5.87%。蔗苗植株全氮含量在6.5～14.6g·kg-1，RNBC處理最高，CNF和RNBC處理分別比CK增加51.6%、55.7%，與CNF相比，RNBC處理的全氮含量也增加了8.47%。各處理植株C/N比值范圍在26.9～56.5，施氮和減氮配施生物炭調理劑處理的碳氮比與對照相比均呈明顯下調趨勢。以上結果說明，減氮配施生物炭調理劑能改善蔗苗植株的氮素營養狀況，促進蔗苗地上部分的生長。

圖2 減氮配施生物炭調理劑對甘蔗苗植株碳氮含量的影響

2.1.3 根系性狀

如圖3所示，減氮配施生物炭調理劑對蔗苗根長和表面積有正向調控效應，對根徑和根體積的變化具有一定的調節作用。與CK相比，CNF、RNBC處理中蔗苗根長分別增加了35.9%、39.5%。施氮處理顯著增加蔗苗根系表面積，減氮配施生物炭調理劑處理進一步提高了蔗苗根表面積。與CK相比，CNF、RNBC處理的根表面積分別增加了7.3%、17.3%。蔗苗根徑在各處理中差異不顯著，施氮處理中根徑略有減小，減氮配施生物炭調理劑處理中根徑有所增大，與CNF相比，RNBC處理的根徑增加了28.9%。各處理中，蔗苗根體積變化不顯著，CNF比CK有所下降，RNBC處理比RNF略有上升。

圖3 減氮配施生物炭調理劑對甘蔗苗根系性狀的影響

2.2 氮肥減量配施生物炭調理劑對根系土壤性狀的影響

如圖4所示，氮肥減量配施生物炭調理劑處理中蔗苗根系土壤有機碳和全氮含量均明顯增加。RNBC處理的有機碳含量最高，比CNF處理增加12.4%，CNF與CK相比有所下降。減氮配施生物炭調理劑處理中土壤全氮含量最高，與CNF相比增加了10.1%。據測算，蔗苗根系土壤C/N比值范圍在12.3～13.0，施氮處理中的C/N比與不施氮對照相比均有所下調。

圖4 減氮配施生物炭調理劑對甘蔗苗根系土壤有機碳和全氮含量的影響

氮肥減量配施生物炭基調理劑處理對蔗苗根系土壤速效養分含量產生不同的影響(圖5)。RNBC處理中堿解氮含量最高，CNF處理次之，CK最低。與CNF相比，RNBC處理中堿解氮含量增加了7.72%。施氮處理顯著增加了蔗苗根系土壤速效磷含量，CNF和RNBC處理與CK相比分別增加36.2%和38.5%，與CNF相比，RNBC處理中速效磷含量也增加了3.5%。蔗苗根系土壤速效鉀含量在18.0～23.3mg·kg-1，各處理之間差異不明顯。

圖5 減氮配施生物炭調理劑對甘蔗苗根系土壤速效養分含量的影響

3 小結與討論

從甘蔗苗生物量和根冠比等農藝性狀的調查結果可以看出，氮肥減量并配施生物炭調理劑對蔗苗地上部分和地下部分的生長均具有積極的調節作用。這與前人的研究結果相互印證，如，葛春輝等研究表明配施生物炭可以提高玉米生物量[5]，閆新偉等研究表明生物炭促進花生根系生長[6]，劉成等研究表明施用生物質炭具有增產效應[7]。土壤性狀分析結果說明，減氮配施生物炭調理劑處理對甘蔗苗根系土壤有機碳、全氮、堿解氮和速效磷含量有顯著的改良效果。施入生物炭調理劑不僅增加了土壤有機碳，還提高了土壤氮素營養和植物可利用性，促進了肥料氮的吸收利用和蔗苗生長。鄭琴等和文登鴻等的研究結果也有相關類似的結論[8,9]。然而，由于本次試驗周期較短，施用生物炭調理劑對植蔗土壤的改良效應在短期內難以全面體現出來，有關不同生育期甘蔗生長和產量性狀的調控效應仍需今后進一步研究。