生物炭与氮肥减量配施对烤烟生长及土壤酶活性的影响

刘 领，王艳芳，宋久洋，周俊学，王小东，陈明灿*

(1.河南科技大学 农学院，河南 洛阳 471003； 2.洛阳市烟草公司，河南 洛阳 471000)

生物炭与氮肥减量配施对烤烟生长及土壤酶活性的影响

刘 领1，王艳芳1，宋久洋1，周俊学2，王小东1，陈明灿1*

(1.河南科技大学 农学院，河南 洛阳 471003； 2.洛阳市烟草公司，河南 洛阳 471000)

通过盆栽试验研究了生物炭与氮肥减量配施(CK：常规施氮量；T1：常规施氮量+生物炭；T2：90%常规施氮量+生物炭；T3：80%常规施氮量+生物炭；T4：70%常规施氮量+生物炭)对烤烟生长及土壤酶活性的影响，以期为生物炭输入条件下烤烟的氮肥运筹提供理论依据。结果表明，与CK相比，在常规施氮量条件下添加生物炭显著增加了烟叶叶绿素a+b和类胡萝卜素的含量，显著提高了烟株根系活力及土壤酶活性，促进了烤烟的生长；在生物炭添加条件下，减少常规施氮量的10%～20%并没有显著影响烟株生长及烟叶叶绿素a+b含量、类胡萝卜素含量、净光合速率，且更有利于提高土壤酶活性、烟株根系活力和根冠比。建议在生物炭输入条件下适量减少氮肥施用量，这样更有利于提高烟田氮肥利用效率，保障烟区健康发展。

生物炭； 氮肥减量施用； 烤烟； 根系活力； 净光合速率； 土壤酶活性

烟草作为我国主要的经济作物之一，在国民经济发展中占有举足轻重的地位。目前，烟草在我国的常年种植面积约100万hm2[1]。随着我国化肥工业的发展和烟叶的连年种植，人们在烟叶生产中不断投入大量的化肥，在获得烟叶产量提高的同时，烟区土壤有机质含量下降、土壤结构和微生物生态环境恶化、烟叶病害加重、烟叶品质降低等问题已逐渐凸显[2-3]。在目前的烤烟生产中，氮肥施用过量的现象较为普遍。氮素供应过多，一方面造成烟叶生长后期贪青晚熟，烘烤性能差，烤后烟叶品质低劣；另一方面还造成烟田氮素营养流失，肥料利用率低，影响烟区生态环境和可持续发展[4-5]。

生物炭是指农林废弃物等生物质材料在缺氧条件下高温裂解形成的一种固体产物[6]。由于其特殊的理化特性，近年来在农业生态系统中的应用研究逐渐增多，在消除土壤污染、改善土壤性能、提高肥料利用效率、增强农业系统生产力方面具有潜在的应用前景[7-9]。目前，关于生物炭在烤烟上的应用研究主要集中于其对烤烟生长及烤后烟叶产量、品质的影响方面，且多数研究聚焦在其添加量和添加方式方面[10-13]。有关生物炭与肥料的互作效应及其对土壤酶活性影响的报道比较缺乏。为此，开展了生物炭与氮肥减量配施对烤烟生长及土壤酶活性影响的研究，旨在进一步探明生物炭在烤烟生产中的生态学效应，为生物炭输入条件下烤烟的氮肥运筹提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2013年在河南科技大学开元校区农场进行。盆栽试验用土为农场0～20 cm耕层土壤，经自然风干后过筛，土壤质地为红黏土，土壤有机质含量为15.1 g/kg，速效氮含量为82.2 mg/kg，速效磷含量为8.39 mg/kg，速效钾含量为128.5 mg/kg，pH值为7.54。每盆装土25 kg，烟草专用复合肥(N∶P2O5∶K2O=10∶12∶18)、过磷酸钙(含P2O517%)、硫酸钾(含K2O 50%)及生物炭与土壤充分混匀后装入塑料盆中，盆上口径为36 cm，底直径为30 cm，高为40 cm。供试烤烟(NicotianatabacumL.)品种为豫烟6号；生物炭为河南商丘三利新能源有限公司提供的花生壳高温炭化后产品。

1.2 试验设计

试验共设5个处理，即CK：100%常规施氮量；T1：100%常规施氮量+生物炭；T2：90%常规施氮量+生物炭；T3：80%常规施氮量+生物炭；T4：70%常规施氮量+生物炭。每个处理15盆，共计75盆，完全随机排列。常规施氮量指每盆添加纯氮5 g，氮肥来源为烟草专用复合肥;生物炭添加量为每盆180 g；所有处理的磷、钾肥用量相同，T2、T3、T4三个处理磷、钾肥的差值分别采用过磷酸钙、硫酸钾来补充。烟苗于5月6日移栽入盆中，每盆栽烟1株，烟苗栽入盆中后深埋于土壤中，按田间行株距(行距120 cm、株距50 cm)进行随机排列，烟苗定期定量浇水，按当地烟叶栽培技术进行管理。

1.3 测定项目及方法

于烟株旺盛生长期(移栽后60 d)，分别测定各处理烟株的株高、最大叶面积、叶片数、茎围、根冠比、根系活力、叶绿素含量、类胡萝卜素含量、净光合速率及根际土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性。最大叶面积=最大叶长×最大叶宽×0.634 5，根冠比=(根系干质量/地上部干质量)×100%。根系活力采用改良的氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定[14]。叶绿素和类胡萝卜素含量采用分光光度法测定[15]。在8:00—18:00采用Li-6400便携式光合作用测定系统测定功能叶(倒数第6位叶)的净光合速率，Li-6400仪器使用开放式气路，内置光源，光强为1 500 μmol/(m2·s)。土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[16]。

1.4 数据处理和分析

试验数据采用Excel 2007、SPSS 16.0和DPS 6.55进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭与氮肥减量配施对烤烟生物学性状的影响

由表1可知，T1处理烤烟的株高、叶片数、最大叶面积、茎围、根冠比均最大，且除叶片数外，其他指标均与CK差异显著，表明常规施氮量条件下添加生物炭有利于烟株根系的发育，促进烟株地上部分的快速生长。与CK相比，在生物炭添加条件下各减量施氮处理的烤烟株高、叶片数、最大叶面积和茎围均不同程度下降，但仅T4处理与CK差异显著，表明在生物炭输入条件下减少氮肥施用量的10%～20%未对烤烟生长造成显著影响，这可能与生物炭能够保肥增效、提高氮肥利用率有关；在生物炭添加条件下各减量施氮处理的根冠比均增加，表明生物炭在改良土壤结构、促进烟株根系发育方面具有较大潜力。

表1 生物炭与氮肥减量配施对烤烟生物学性状的影响

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.2 生物炭与氮肥减量配施对烤烟叶绿素和类胡萝卜素含量的影响

由表2可知，叶绿素a+b和类胡萝卜素含量均以T1处理最高，显著高于CK。与CK相比，在生物炭添加条件下各减量施氮处理烤烟的叶绿素a+b含量均降低，但仅有T4处理与CK差异显著；在生物炭添加条件下各减量施氮处理烤烟的类胡萝卜素含量也呈减少趋势，但处理间差异均不显著。综上，在生物炭输入条件下减少氮肥施用量的10%～20%并未显著影响烟叶中光合色素的合成，这也可能与生物炭具有较强的养分持留作用有关。

表2 生物炭与氮肥减量配施对烤烟叶绿素和类胡萝卜素含量的影响 mg/g

2.3 生物炭与氮肥减量配施对烤烟净光合速率的影响

由图1可知，各处理烤烟的净光合速率日变化曲线表现一致，均呈M形双峰曲线。各处理均在10:00净光合速率达到最大值，其后净光合速率逐渐下降；在14:00时净光合速率达到一个低谷，此时由于外界气温较高，蒸腾速率加快，导致叶片部分气孔关闭，从而使烟草叶片产生“午休”现象；16:00时净光合速率又有所增高，此后逐渐下降，到18:00时净光合速率达到最小值。各处理烤烟净光合速率平均值表现为T2>T3>T1>CK>T4，由方差分析可知，T4处理与CK差异显著(P<0.05)，T1、T2和T3处理与CK差异不显著(P>0.05)，表明在生物炭输入条件下减少氮肥施用量的10%～20%未对旺长期烤烟净光合速率产生显著影响。

图1 生物炭与氮肥减量配施对烤烟净光合速率的影响

2.4 生物炭与氮肥减量配施对烤烟根系活力的影响

由图2可知，与CK相比，添加生物炭处理的根系活力均显著增加，T1处理最高，T2处理次之，其次为T3、T4处理，分别比CK增加31.7%、26.2%、23.6%、22.1%。表明，添加生物炭对烟株根系生长具有较大的促进作用，且在生物炭添加条件下适量减少氮肥施用量时烟株根系仍具有较强的活力，这可能与生物炭能够疏松土壤结构，改善土壤微生态环境，进而提高根系活力有关。

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同图2 生物炭与氮肥减量配施对烤烟根系活力的影响

2.5 生物炭与氮肥减量配施对烤烟根际土壤酶活性的影响

土壤酶作为土壤中活跃的有机成分之一，在土壤养分循环以及植物生长所需养分的供给过程中起到重要作用。由图3可知，与CK相比，在生物炭添加条件下不同施氮量处理土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶的活性均有不同程度的增加，表明生物炭输入对改善土壤微生态环境，促进土壤酶活性具有重要作用。其中，土壤脲酶活性表现为T2>T1>T3>T4>CK，T1、T2、T3处理均与CK差异显著；土壤过氧化氢酶活性表现为T2>T4>T1>T3>CK，T2、T4处理与CK差异显著；土壤蔗糖酶活性表现为T3>T1>T2>T4>CK， T3、T1处理与CK差异显著。表明在生物炭添加条件下，减量施氮10%有益于提高土壤脲酶和过氧化氢酶的活性，减量施氮20%更有益于提高土壤蔗糖酶的活性。

3 结论与讨论

土壤酶是土壤中活跃的有机成分之一，其活性高低反映了土壤养分转化的动态，对协调土壤生态系统的碳、氮平衡，维持土壤健康及在植物生长所需养分的供给过程中起到重要作用。土壤脲酶直接参与土壤中含氮有机化合物的转化，提高氮的生物有效性，其活性强度常被用来表征土壤氮素供应状况。过氧化氢酶直接参与生物呼吸过程的物质代谢，解除在呼吸过程中产生的对活细胞有害的过氧化氢，其活性强度常用来表征土壤氧化强度。蔗糖酶直接参与土壤碳循环，改善土壤碳素营养状况，常用来表征土壤碳素营养状况[25]。生物炭的特殊结构及其吸附性能决定了其对土壤酶作用的复杂性。一方面由于生物炭对反应底物的吸附，有利于酶促反应，进而提高土壤酶活性；另一方面由于生物炭对酶分子的吸附，保护了酶促反应的结合位点，从而抑制了酶促反应的进行[26]。陈心想等[27]研究表明，施用生物炭可显著提高土壤脲酶、过氧化氢酶和玉米收获后碱性磷酸酶活性，但对蔗糖酶和小麦季碱性磷酸酶活性影响不显著。王丽渊等[28]研究表明，生物炭抑制根际土壤转化酶活性，但这种抑制作用随着生育期的推进而逐渐减小，施加生物炭可以提高烤烟生育后期过氧化氢酶活性，且土壤过氧化氢酶活性随着生物炭添加量的增加而提高。冯爱青等[29]研究表明，施用控释肥及添加生物炭可提高土壤脲酶活性，抑制土壤脱氢酶和中性磷酸酶活性，对土壤过氧化氢酶活性没有显著影响。本研究表明，与CK相比，在生物炭添加条件下不同施氮量处理土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶的活性均有不同程度的增加，这可能与生物炭输入改善了植烟土壤通气状况和微生物环境，提高土壤碳氮比，增强土壤的生物化学反应，促进物质循环，进而提高土壤酶活性有关[30]。本研究还表明，在生物炭添加条件下适量减少氮肥施用量并没有显著影响植烟土壤酶活性，而且减量施氮10%更有益于提高土壤脲酶和过氧化氢酶的活性，减量施氮20%更益于提高土壤蔗糖酶的活性。这可能与生物炭能够为微生物提供碳源，作为肥料载体具有较强的养分持留和缓释效应有关[7,22]。

综上所述，本研究表明施用生物炭能够提高植烟土壤酶活性，对烤烟的生长具有积极的促进效应；相比于常规施氮量，生物炭输入条件下减量施氮10%～20%并没有显著影响烤烟的生长。鉴于目前我国烟区烟叶生产中化学肥料长期过量投入带来的负面效应，建议在生物炭输入条件下减少氮肥施用量的10%～20%，这样更有利于提高烟田肥料的利用效率，从而保障烟区持续健康发展。

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Effects of Biochar Addition Combined with Reducing Nitrogen Application Rate on Growth of Flue-cured Tobacco and Soil Enzyme Activities

LIU Ling1,WANG Yanfang1,SONG Jiuyang1,ZHOU Junxue2,WANG Xiaodong1,CHEN Mingcan1*

(1.School of Agriculture,Henan University of Science & Technology,Luoyang 471003,China; 2.Luoyang Tobacco Company,Luoyang 471000,China)

A pot experiment was conducted to investigate the influences of biochar addition combined with reducing nitrogen application rate (CK:conventional nitrogen application rate;T1:conventional nitrogen application rate combined with biochar;T2:90% conventional nitrogen application rate combined with biochar;T3:80% conventional nitrogen application rate combined with biochar;T4:70% conventional nitrogen application rate combined with biochar) on growth of flue-cured tobacco and soil enzyme activities,so as to provide theoretical basis for nitrogen application rate under biochar addition condition.The results showed that compared with CK,the treatment of conventional nitrogen application rate combined with biochar significantly increased the contents of tobacco chlorophyll and carotenoid,significantly enhanced tobacco root activity and soil enzyme activities,and promoted the growth of tobacco;the treatments of biochar addition combined with 10%—20% reducing nitrogen application rate were benificial to improve the soil enzyme activities,tobacco root activity and root-shoot ratio when compared with the control.This research suggested that reducing nitrogen application rate was beneficial to improve nitrogen use efficiency and guarantee the healthy development of tobacco production area under biochar addition condition.

biochar; reducing nitrogen application rate; flue-cured tobacco; root activity; net photosynthesis rate; soil enzyme activities

2015-09-10

国家自然科学基金项目(31200332)；河南科技大学人才基金项目(09001597)；河南科技大学青年科学基金项目(2012QN004)；河南省烟草公司项目(M201307)

刘 领(1978-)，男，河南项城人，副教授，博士，主要从事作物生理生态研究。E-mail：liulinghenan@126.com

*通讯作者：陈明灿(1963-)，男，河南汝州人，教授，主要从事作物高产栽培技术与理论研究。E-mail：cmcan@126.com

S56.2；S143.1；S511

A

1004-3268(2016)02-0062-05