减氮配施生物炭调理剂对甘蔗苗生长和土壤养分的影响

张赛 陈杭 胡朝华 袁照年

(福建农林大学国家甘蔗工程技术研究中心，福建 福州 350002)

在我国南方农田作物栽培过程中，以高产为目的的过量施肥、偏施氮肥的现象非常普遍，导致农田土壤不断退化，肥料损失日益严重。甘蔗是我国南方重要的经济作物，由于甘蔗生长周期长、需肥量大，加之蔗区土壤肥力较差，长年甘蔗连作和不合理施肥导致蔗田土壤有机质不断减少、氮肥大量损失。近年来，生物炭及其相关技术在农业和环境研究领域备受关注。生物炭在农业土壤改良、作物增产和温室气体减排等方面具有广阔的应用前景。研究表明，将生物炭添加到农田中，不仅可提高土壤有机碳含量，还能提高土壤养分利用效率、增加农作物产量、缓解农业面源污染趋势[1-4]。作为一种功能化土壤改良剂，生物炭独特的结构和性质使其能够改善土壤理化性质和养分资源的利用效率，尤其是在作物连作土壤改良和培肥地力中具有重要的应用潜力。生物炭土壤改良剂通常采用成本低廉的农业有机废弃物作为原料，具有原料收集方便、可再生、可普遍推广，以及绿色环保等优点。本文通过盆栽试验研究氮肥减量配施生物炭调理剂对甘蔗苗生长及其根系土壤养分的影响，旨在为我国连作农田土壤改良与氮肥减施增效提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试甘蔗品种为南方蔗区主栽品种“新台糖22号”。供试土壤为甘蔗连作年限20a以上的蔗田土壤，土壤pH值6.5，有机碳含量7.41g·kg-1，全氮含量0.69g·kg-1，C/N为10.7，碱解氮含量62.45mg·kg-1，有效磷含量35.43mg·kg-1，速效钾含量34.00mg·kg-1。试验所用生物炭调理剂从市场上购买，pH值8.43，全碳含量88.1g·kg-1。

1.2 试验设置

试验设置3个处理，分为不施氮对照(CK)、正常施氮(CNF)、氮肥减量配施生物炭调理剂(RNBC)，每个试验处理设置4个重复。CNF是模拟田间氮肥正常施用量；RNBC处理中氮肥用量比正常施用量减少25%，并配施1%生物炭调理剂。各处理中磷钾肥施用量相同。所有试验处理都采用统一的塑料桶，桶高30cm，上口直径20cm，底直径15cm，桶底留有4个排水小孔。每桶放置等量的供试土壤，按一定比例将土壤、肥料和生物炭调理剂充分混匀后装入桶中。

试验于2019年5月开始。每桶移栽供试甘蔗幼苗3株，定期浇水，保持桶内土壤水分含量最大持水量约60%。试验结束之后进行采样，各处理随机选取3桶，分别采集地上部和地下部样品，用于蔗苗生物量、碳氮全量等指标分析。把桶中的土全部倒出并收集根系，带回实验室进行根系扫描和生物量的测定。测定前，将各处理的土样充分混匀，风干之后，将风干土用于土壤pH、碳氮全量、养分等指标的测定。

1.3 测定项目与方法

将各处理蔗苗植株的根、茎、叶样品分离收集，测定植株不同组织重量和根系性状指标。将蔗苗根系放在清水中冲洗干净，使用根系扫描仪(EPson ExPression 12000XL)在300dPi下进行扫描，然后在WinRHIZO根系分析软件下分析不同处理下蔗苗的根系长度、根表面积、根径等指标。植株和土壤中碳氮全量使用元素分析仪(Vario MAX cube)进行测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用钼锑抗比色法测定，速效钾采用乙酸铵-火焰光度法测定。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel和SPSS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭调理剂对甘蔗苗生物学特性的影响

2.1.1 农艺性状

如图1所示，氮肥减量配施生物炭调理剂对蔗苗生物量有积极的调节作用。减氮配施生物炭调理剂处理总生物量比CK增加了59.5%，与CNF相比增加了25.0%。施氮处理中蔗苗茎叶生物量呈明显增加趋势，CNF和RNBC处理与CK相比均呈显著差异(P<0.05)，分别增加55.0%、65.8%。与CK相比，CNF处理中蔗苗根生物量下降了23.6%，而RNBC处理与CNF相比增加了32.0%。

图1 减氮配施生物炭调理剂对甘蔗苗生物量的影响

施氮处理显著增加蔗苗株高，正常施氮、减氮配施生物炭调理剂处理中蔗苗株高与不施氮相比分别增加34.8%、35.7%；与正常施氮相比，减氮配施生物炭调理剂处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对照最高，在施氮处理中呈下降趋势，与对照相比，正常施氮和减氮配施生物炭调理剂处理均显著下降(P<0.05)。

2.1.2 植株碳氮含量变化

如图2所示，氮肥减量配施生物炭调理剂对蔗苗植株有机碳和全氮含量均有明显上调效应。RNBC处理中植株有机碳含量最高，CNF处理次之，CK最低。与CK相比，CNF和RNBC处理中有机碳含量分别增加4.55%、5.87%。蔗苗植株全氮含量在6.5～14.6g·kg-1，RNBC处理最高，CNF和RNBC处理分别比CK增加51.6%、55.7%，与CNF相比，RNBC处理的全氮含量也增加了8.47%。各处理植株C/N比值范围在26.9～56.5，施氮和减氮配施生物炭调理剂处理的碳氮比与对照相比均呈明显下调趋势。以上结果说明，减氮配施生物炭调理剂能改善蔗苗植株的氮素营养状况，促进蔗苗地上部分的生长。

图2 减氮配施生物炭调理剂对甘蔗苗植株碳氮含量的影响

2.1.3 根系性状

如图3所示，减氮配施生物炭调理剂对蔗苗根长和表面积有正向调控效应，对根径和根体积的变化具有一定的调节作用。与CK相比，CNF、RNBC处理中蔗苗根长分别增加了35.9%、39.5%。施氮处理显著增加蔗苗根系表面积，减氮配施生物炭调理剂处理进一步提高了蔗苗根表面积。与CK相比，CNF、RNBC处理的根表面积分别增加了7.3%、17.3%。蔗苗根径在各处理中差异不显著，施氮处理中根径略有减小，减氮配施生物炭调理剂处理中根径有所增大，与CNF相比，RNBC处理的根径增加了28.9%。各处理中，蔗苗根体积变化不显著，CNF比CK有所下降，RNBC处理比RNF略有上升。

图3 减氮配施生物炭调理剂对甘蔗苗根系性状的影响

2.2 氮肥减量配施生物炭调理剂对根系土壤性状的影响

如图4所示，氮肥减量配施生物炭调理剂处理中蔗苗根系土壤有机碳和全氮含量均明显增加。RNBC处理的有机碳含量最高，比CNF处理增加12.4%，CNF与CK相比有所下降。减氮配施生物炭调理剂处理中土壤全氮含量最高，与CNF相比增加了10.1%。据测算，蔗苗根系土壤C/N比值范围在12.3～13.0，施氮处理中的C/N比与不施氮对照相比均有所下调。

图4 减氮配施生物炭调理剂对甘蔗苗根系土壤有机碳和全氮含量的影响

氮肥减量配施生物炭基调理剂处理对蔗苗根系土壤速效养分含量产生不同的影响(图5)。RNBC处理中碱解氮含量最高，CNF处理次之，CK最低。与CNF相比，RNBC处理中碱解氮含量增加了7.72%。施氮处理显著增加了蔗苗根系土壤速效磷含量，CNF和RNBC处理与CK相比分别增加36.2%和38.5%，与CNF相比，RNBC处理中速效磷含量也增加了3.5%。蔗苗根系土壤速效钾含量在18.0～23.3mg·kg-1，各处理之间差异不明显。

图5 减氮配施生物炭调理剂对甘蔗苗根系土壤速效养分含量的影响

3 小结与讨论

从甘蔗苗生物量和根冠比等农艺性状的调查结果可以看出，氮肥减量并配施生物炭调理剂对蔗苗地上部分和地下部分的生长均具有积极的调节作用。这与前人的研究结果相互印证，如，葛春辉等研究表明配施生物炭可以提高玉米生物量[5]，闫新伟等研究表明生物炭促进花生根系生长[6]，刘成等研究表明施用生物质炭具有增产效应[7]。土壤性状分析结果说明，减氮配施生物炭调理剂处理对甘蔗苗根系土壤有机碳、全氮、碱解氮和速效磷含量有显著的改良效果。施入生物炭调理剂不仅增加了土壤有机碳，还提高了土壤氮素营养和植物可利用性，促进了肥料氮的吸收利用和蔗苗生长。郑琴等和文登鸿等的研究结果也有相关类似的结论[8,9]。然而，由于本次试验周期较短，施用生物炭调理剂对植蔗土壤的改良效应在短期内难以全面体现出来，有关不同生育期甘蔗生长和产量性状的调控效应仍需今后进一步研究。