不同類型土壤上施用生物炭對烤煙氮鉀養分積累的影響

李彩斌，張久權，何 軼

（1貴州省煙草公司畢節市公司，貴州畢節 551700；2中國農業科學院煙草研究所，山東青島 266101）

0 引言

長期以來，煙草一直是貴州省的一種重要經濟作物，是當地貧困農民的重要收入來源。烤煙養分管理中，N素供應和調節起著至關重要的作用，與煙葉前期的旺盛生長、后期的及時成熟落黃，煙堿含量控制，糖堿比等化學協調性的優化等都有密切關系[1]。煙葉K含量對煙葉的燃燒性影響極大。目前中國煙葉的K含量普遍偏低，需要采取有效措施，提高煙葉K含量。近年來，人們發現土壤中施用生物炭能帶來很多益處[2-8]。例如，生物炭可以增加土壤有機碳含量[2-4]和土壤活性有機碳含量[5]，增加酸性土壤pH[6]，提高土壤有效N供應能力[6-7]，增加土壤有效N含量[8-9]，增加土壤有效K 含量[6]。因此，弄清生物炭用量對烤煙N、K 養分積累的影響，以及這些影響在不同土壤類型間是否一致，具有重要意義。趙彥敏等[10]的研究表明，施用生物炭可以明顯增加土壤微生物活性，提高土壤肥力。徐孟澤等[11]報道，生物炭基肥能提高生菜的品質，降低硝酸鹽含量15.38%～22.38%。LIU等[12]的研究結果表明，生物炭的施用可提高土壤有效K含量高達66.6%。而土壤中有效K 和堿解N 含量的增加，能提高土壤對這2 種養分的供應能力，從而提高作物的產量和收獲物質量，此在前人的研究中得到了證實[5,13-14]。N、K 營養對烤煙生長具有很大的影響，K含量越高，煙葉質量越好，在煙田施用生物炭可提高烤煙產、質量[15]。學者們也研究了施用生物炭對作物根系的影響，發現生物炭能增加烤煙根系長度和根尖數量[16-17]，促進大豆細根的伸長和增長[18]。然而，以往的研究結論并不完全一致，在生物炭對土壤養分的有效性方面及作物含量和積累積累量等方面存在很大差異[19]，尤其對其形成機理和影響因素，人們還沒有達成共識。例如，DAI 等[20]報道，作物生產對生物炭施用的反應差異高達-31.8%～974%。在N素供應方面，QIAN等[21]報道，施用花生殼和稻草生物炭后，稻田土壤中的有效N含量沒有增加，反而降低。HANGS 等[22]也發現生物炭的施用有時對土壤有效N 無影響，但有時會降低土壤有效N 的含量。因此，為了進一步探究生物炭的施用對烤煙生長及N、K 養分積累積累的影響，筆者開展了本試驗，試圖弄清其影響因素，探討其機理，以期為生物炭在煙田中的大面積推廣應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計與材料

試驗于2018 年在貴州省畢節市七星關區何田科技園（海拔1532 m，105°09'E、27°22'N）進行。采用盆栽試驗，完全隨機排列。處理設計為2 因素（土壤類型、生物炭用量）3重復全因子組合設計。土壤類型為3水平（黃壤、黃棕壤、石灰土），生物炭用量設5個水平（0%、0.1%、1%、2.5%、5%，按炭/風干土重量比計算，相當于0、1.25、12.5、31.3、62.5 t/hm2大田用量）。共45盆，采用50 cm×50 cm（高×直徑）加厚黑色塑料盆，底部開孔漏水。此3 種土壤為貴州煙區典型的土壤類型，采集0～20 cm 耕層，時間為煙田烤煙翻耕移栽前。黃壤取自大方縣黃泥塘鎮黃泥村（海拔1312 m，N 27.47071°，E 106.27142°）；黃棕壤取自威寧縣小海鎮松棵村（海拔2098 m，N 26.97762°，E 104.15459°）；石灰土取自黔西縣綠化鎮灣箐村（海拔1246 m，N 27.05287°，E 105.72459°）。生物炭由位于威寧縣的金葉豐農業技術公司生物炭廠提供，是在380°C 條件下對煙梗進行低氧碳化制作生產的。

1.2 試驗實施與取樣

所有土壤風干后過1 cm篩，每盆稱風干土29 kg，與事先計算好的生物炭用量和煙草專用肥(N:P2O5:K2O=9:13:22；0.42 g/kg)進行充分混合后裝盆，煙草專用肥用量所有處理相同。5 月8 日移栽，烤煙品種為‘云煙87’，每盆1 株。移栽時按田間持水量（3 種土壤統一為28%）的70%澆去離子水，移栽后視干旱情況定期澆去離子水，其他管理參考烤煙當地生產方案進行。烤煙移栽70 d（7 月18 日）后收獲所有煙株，按根、莖、葉3 部位分別烘干和稱重。對所有盆中的土壤進行破壞性取樣，混勻后取樣測定土壤肥力指標。

1.3 樣品檢測

土壤和生物炭檢測方法參見文獻[23]。植株樣品全N采用濃硫酸消煮，FOSS分析儀器公司生產的全自動凱氏定N 儀進行測定。全K 采用濃硫酸消煮，稀釋10 倍后用英國Sherdwood 公司的M410 火焰光度計進行測定。煙株全N、全K含量用烘干基表示，積累積累量根據全N、全K含量和煙株各部位質量計算，用每株烤煙各部位所含的全N、全K總質量(μg)表示。

1.4 統計分析

采用SAS（SAS公司，美國）9.4軟件廣義線性混合模型(generalized linear mixed models)的Glimmix 程序[24-25]，按2因素3重復完全隨機設計進行方差分析，其中重復為隨機效應，土壤類型和生物炭用量為固定效應。采用該模型進行方差分析時，不要求因變量為正態分布[25]。當土壤類型×生物炭用量間的交互作用顯著時，采用LSMESTIMATE進行某種土壤類型下各生物炭用量，以及某一生物炭用量下各土壤類型間的多重比較[26]。

2 結果與分析

2.1 土壤和生物炭的主要性狀

3種土壤的pH和相關養分含量見表1～2。石灰土由于所處的地理位置等原因，長期受到淋溶，土壤已經變為中性。黃壤和黃棕壤為弱堿性。土壤中有效N主要為硝態N，其含量黃壤最高，石灰土最低。有效K含量黃壤最高，其余2 種土壤含量差別不大。生物炭為堿性，pH 9.50。K含量高，為6.12 g/kg。陽離子交換量(CEC)高，為110.0 cmol/kg，具有吸附大量K+、NH4+等陽離子的潛力。

表1 供試土壤的基本性狀

表2 供試生物炭的基本性狀

2.2 生物炭用量對烤煙生長和根系特征的影響

煙株干重結果見表3。在3種土壤類型上，莖干重均隨生物炭用量的增加而顯著增加。當生物炭用量為5%時，莖干重達最高值。3 種土壤平均，5%生物炭用量莖干重是對照的1.72倍，增加71.66%。

表3 土壤類型和生物炭用量對烤煙生物量的影響（均值±SE） g/株

葉干重、根干重、冠根比3 個指標土壤×生物炭用量交互作用顯著(P＜0.05)，說明生物炭不同用量對此3種指標的影響，在3種土壤類型間有一定差異。具體來看，黃壤上生物炭用量對葉片干重沒有顯著差異；而在石灰土上，生物炭用量0.1%和1.0%，1.0%和2.5%間葉片干重差異不顯著；黃棕壤上生物炭不同用量間差異最為明顯。冠根比黃壤上各生物炭用量間差異最為明顯；而黃棕壤上生物炭用量間無顯著差異。3 種土壤上，隨著生物炭用量的增加，葉片和根干重均增加。與對照相比，5%生物炭用量的葉干重在黃壤、石灰土、黃棕壤上的增加量分別為96%、103%、64%；根干重分別增加192%、182%、71%。增加的幅度根干重比葉干重要大，說明生物炭的施用更能促進根系的發育。總之，烤煙干重隨生物炭用量的增加而增加，根干重增加最為明顯，葉片、根干重增加效果在3種土壤類型間存在差異。在所有的處理中，石灰土+5.0%生物炭用量的處理，莖、葉、根生物量值最高；黃棕壤+0.1%生物炭的處理，冠根比最小，根系占比最高。

烤煙根系特征結果見表4。所有根系指標，土壤類型×生物炭用量交互作用不顯著，因此，我們僅需要考察土壤和生物炭用量的主效應。隨著生物炭用量的增加，根體積有一定增加，但顯著性較弱(P＝0.07)；側根數量有極顯著增加。黃壤、石灰土、黃棕壤上施用5.0%生物炭的處理比不施生物炭的處理，烤煙側根數每株分別增加17.0、30.7、20.3 個，增加幅度分別為150.0%、137.4%、67.1%。3 種土壤平均，施用生物炭0.1%、1.0%、2.5%、5.0%，側根數量分別比對照增加了6.33、10.33、16.00、22.67 個，增加幅度分別達29.68%、48.43%、75.01、106.28%。總之，生物炭能促進根系發育，主要是通過增加側根數量來體現。

2.3 生物炭用量對煙株N含量和積累積累量的影響

烤煙根系、煙莖含N 量土壤類型×生物炭用量交互作用顯著（表5），根系含N 量隨生物炭用量的增加而降低。黃壤、石灰土、黃棕壤上根系含N量生物炭用量為5%的處理比對照分別降低了40%、45%、35%（表5）。煙莖的變化趨勢與根系類似，也是隨生物炭用量的增加，N 含量顯著降低。葉片N 含量隨生物炭用量的增加而降低（表5），3 種土壤類型平均，施用生物炭0.1%、1.0%、2.5%、5.0%的處理，葉片N 含量分別比對照減少了2.28、3.29、4.16、5.80 mg/kg，降低幅度分別達8.14%、11.74%、14.85%、20.70%。總之，隨著生物炭用量的增加，烤煙根、莖、葉N含量降低，這種影響在不同土壤類型間有一定差異。

表5 土壤類型和生物炭用量對煙株N含量的影響（均值±SE） mg/kg

烤煙根系、莖、葉、整株、冠根比的N積累積累量土壤類型×生物炭用量交互作用都達到了顯著或極顯著水平（表6）。與對照相比，黃壤上施用生物炭0.1%和1.0%，根系N 積累積累量顯著增加46.7%和75.7%，但進一步提高生物炭用量，根系N積累積累量不再增加；石灰土、黃棕壤上分別施0.1%生物炭后，根系N 積累積累量分別顯著增加64.8%、14.32%，進一步提高生物炭用量，根系N 積累量不再增加。煙莖N 積累量變化趨勢與根系一致，在黃壤上生物炭用量超過1.0%時，N積累量不再增加；在石灰土、黃棕壤上生物炭用量超過0.1%時，N 積累量不再增加（表6）。葉片N 積累量也是隨生物炭用量的增加而提高，黃壤、石灰土、黃棕壤上當生物炭用量分別為1.0%、5.0%、2.5%時，葉片N積累量到達最高點。總之，隨著生物炭用量的增加，烤煙根、莖、葉、整株N積累量相應增加，但達到N積累量最高點所需的生物炭施用量，各土壤類型間存在差異。

表6 土壤類型和生物炭用量對煙株N積累量的影響（均值±SE） μg/株

2.4 生物炭用量對煙株K含量和積累量的影響

烤煙根系K含量土壤類型×生物炭用量交互作用顯著（表7）。與對照相比，隨著生物炭用量的增加，黃壤上根系K 含量分別增加10.2%、16.3%、22.7%、41.5%；石灰土上分別增加22.3%、32.1%、37.7%、40.7%；黃棕壤上分別增加8.0%、22.4%、47.8%、59.91%。石灰土上，當生物炭用量超過1.0%時，根系K含量不再增加；而其余2種土壤上，K含量隨生物炭用量的增加持續增加，最高增加分別達40.7%和47.8%。

表7 土壤類型和生物炭用量對煙株K含量的影響（均值±SE） mg/kg

煙莖和葉片K 含量，土壤類型×生物炭用量交互作用不顯著（表7）。煙莖K含量隨生物炭用量的增加而增加，3種土壤平均，施用生物炭0.1%、1.0%、2.5%、5.0%的處理，煙莖K 含量分別比對照增加了5.0%、15.2%、10.7%、12.6%，增加主要出現在1%生物炭用量；煙葉K 含量分別比對照增加了12.4%、19.1%、26.4%、32.3%。總之，隨著生物炭用量的增加，根系和葉片K 含量不斷增加，最高增加量分別為47.8%和32.3%，根系增加最明顯。3種土壤間增加幅度存在一定差異。就處理組合來看，黃壤+5.0%生物炭處理的根系和葉片K含量最高；黃壤+1.0%生物炭處理的莖K含量最高。

烤煙根系K 積累量，土壤類型×生物炭用量交互作用達到了顯著水準（表8）。與對照相比，根系K 積累量均隨生物炭用量的增加而提高，但3 種土壤增加幅度不同。黃壤根系K 積累量分別顯著增加79.4%、144.1%、214.7%、311.8%；在石灰土上，根系K 積累量分別顯著增加146.7%、187.9%、211.2%、285.0%；在黃棕壤上，根系K 積累量分別顯著增加36.7%、60.7%、104.0%、172.7%。在黃壤上增加幅度最高，達311.8%，黃棕壤上最低，為172.7%。總之，施用生物炭0.1%到5%，能顯著提高烤煙根系K 的積累，在黃壤、石灰土、黃棕壤上最高可達311.8%、285.0%、172.7%。

表8 土壤類型和生物炭用量對煙株K積累量的影響（均值±SE） μg/株

煙莖和葉片K的積累量與K含量類似，土壤類型×生物炭用量交互作用不顯著（表8）。煙莖和煙葉K積累量均隨生物炭用量的增加而增加，3種土壤平均，施用生物炭0.1%、1.0%、2.5%、5.0%的處理，煙莖K 積累量分別比對照增加了28.4%、49.4%、58.2%、87.9%；煙葉K 積累量分別比對照增加了43.0%、68.9%、98.0%、144.7%。總之，隨著生物炭用量的增加，煙莖和葉片K積累量不斷增加，最高增加幅度分別為87.9%和144.7%，葉片增加幅度大于煙莖，這種增加效果不受土壤類型的影響。就處理組合來看，根、莖、葉、整株K積累量均是石灰土+5.0%生物炭處理的最高。

3 結論

黃壤、石灰土、黃棕壤上施用5.0%生物炭的處理比不施生物炭的處理，烤煙每株側根數分別增加17.0、30.7、20.3 個，增加幅度分別為150.0%、137.4%、67.1%。烤煙根、莖、葉、整株N 積累量隨生物炭用量的增加而增加，但達到N積累量最高點所需的生物炭施用量，各土壤間存在差異。根系和葉片K含量隨生物炭用量的增加不斷增加，最高增加量分別為47.8%和32.3%，根系增加最明顯。3種土壤間增加幅度存在一定差異。隨著生物炭用量的增加，烤煙根系、煙莖、葉片K 積累量不斷增加，最高分別為311.8%、87.9%、144.7%。總之，施用生物炭能促進烤煙側根發育，顯著提高N和K的積累量。

4 討論

本研究表明，隨著生物炭用量的增加，烤煙根、莖、葉中的N含量均逐漸降低（表5）；然而，N積累量卻逐漸升高（表6）。可能是因為生物炭的施用，促進了烤煙的生長和干物質積累，雖然N積累量隨生物炭用量的增加而增加，但干物質增加的程度更大，由于稀釋效應，烤煙各部位N含量反而降低。施用生物炭能增加土壤有效N的供應，提高植株N的積累量，已經被前人的研究所證實[7]，他們發現施用生物炭后，土壤硝態N(NO-3-N)含量顯著提高。本研究中，土壤中的有效N主要為NO-3-N（表1），銨態N所占比例極低。另外，烤煙為喜NO-3-N 植物，NO-3-N 為其N 的主要積累形式[1]。生物炭表面含有豐富的帶負電荷的陰離子，如羧基(-COOH)和羥基(-OH)，他們對陽離子有較強的積累作用，但對帶負電的陰離子如NO-3，具有排斥作用[27]。因此，隨著生物炭用量的增加，土壤有效N含量（主要是NO-3-N）逐漸提高，烤煙能積累更多的N素。

隨著生物炭的提高，烤煙各部位，尤其是根系中K的含量和積累量均增加（表7～8），主要是因為土壤中有效K含量得到了提高。本研究發現，在黃壤上，當生物炭用量為1.0%、2.5%、5.0%時，土壤交換性K含量比對照分別增加41.5%、56.9%、115.9%；其他2種土壤當生物炭用量超過1.0%時，土壤交換性K含量也顯著增加。類似的結果也有報道，包括土柱實驗[28]、培養試驗[26]和長期定位田間試驗[29]。OREOLUWA 等[30]和MAHMOUD 等[31]也報道，在生物炭應用后，土壤交換性K含量顯著增加。土壤有效K含量的增加歸因于生物炭表面特性，如較高的CEC（表2），它可以積累更多的K+，從而減少K+的淋溶損失。這種效應在K含量更高時更為明顯。另外，烤煙主要通過根系積累K+，本研究證明，生物炭的施用能明顯促進根系的發育[16-18]，如王博等[16]報道，施用生物炭后，烤煙根系長度、根尖數、根系表面積、根系體積分別增加31.1%、31.7%、56.0%、35.1%；吉貴鋒等[17]報道，施用生物炭提高了根系活力和總根尖數；陳懿等[32]發現施用生物炭可促進烤煙根系前期生長，提高根系體積和干質量。與前人的結論相似，本研究表明，施用生物炭后，烤煙側根數量顯著增加（表4），此可能是煙株，尤其是根系中K積累量顯著增加的原因之一（表8）。另外，曹瑩等[33]發現，生物炭能減輕花生根系鎘的毒害，從而促進根直徑、側根數和根系生物量增加。而本研究在畢節進行，當地土壤中鎘含量較高，生物炭能減輕土壤中鎘的有效性和烤煙對鎘的吸收[23]，從而促進烤煙根系生長。施用生物炭后，其表面的大量帶負電的離子會吸附土壤溶液中的K+，這部分被吸附的K+是否能被烤煙根系所積累，取決于生物炭表面對K+的吸附強度。目前相關研究還比較缺乏，值得開展進一步深入研究。