湖南花垣烟区秸秆生物炭配施量对土壤pH及烤烟根系的影响

张明发 张 胜 滕 凯 陈前锋 田明慧江智敏 巢 进 菅攀锋 邓小华

（1湖南湘西州烟草公司生产技术中心，416000，湖南吉首；2浙江中烟工业有限责任公司，310009，浙江杭州；3湖南农业大学，410128，湖南长沙）

生物质在缺氧或无氧环境中经热裂解后产生的固体产物[1]含碳60%以上，一般显碱性，具有发达的孔隙、芳香烃和单质碳或具有类石墨结构，具有极强的吸附和抗氧化能力，能减缓土壤酸化，但人工撒施用量特别大，成本高[2]。土壤pH是影响N2O排放的重要因素之一，与根系生长关系密切，对根养分和水分吸收有一定的影响[3]；而根系形态及空间分布是影响养分吸收和pH的重要因素[4-5]。山区植烟土壤紫色土较多，长期单一的浅旋耕模式导致耕层变浅，根系垂直向下生长困难；而轮作周期短，周期内作物种类单一，导致连作障碍日益凸显；C/N低、“炭短板”问题突出等严重影响烤烟产质量。作物秸秆是农业生产的主要副产物，既是能源又是营养源，除部分用作饲料、燃料或造纸外，还有大约50%以上的秸秆未被合理应用。本试验通过秸秆生物炭与化肥经济配施来研究紫色土pH及根系生长规律，探索秸秆炭化后的必需大量元素的效应[6]，以构建山地烟田合理耕层，改良酸化植烟土壤环境，为生物炭在植烟土壤的改良与持续保育中提供经济可行的依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及试验材料

试验于2018-2020年在湖南花垣县道二烟草试验基地（海拔451m，109.40°E，28.11°N）进行。供试土壤为紫色土，pH 5.04，有机质10.45g/kg，碱解氮38.21mg/kg，速效磷9.76mg/kg，速效钾108.75mg/kg。其烤烟生产主要依靠天然降水和土壤自身蓄水，种植制度为一年一熟，品种为云烟87，大田行距1.2m，株距0.5m，种植密度16 500株/hm2，移栽时间均为每年4月27日左右。

试验用秸秆生物炭由湖南德班活性炭有限公司提供。其原料为玉米秸秆（30%）、油菜秸秆（25%)、水稻秸秆（25%）与无花果秸秆（20%），其加工后的成品理化性质为：pH 10.55，全碳含量39.92%，全氮含量1.69%，碳氮比23.62，比表面积1.089m2/g，容重0.21g/cm3，主要官能团为羟基、烷烃和酰胺基等。制备过程为秸秆田间采收后稍作风干，随即放入炭化炉，以（20±0.5）℃/min的速率升至炭化温度，保温一定时间后，随炉冷却至室温，将生物炭粉碎过筛，制备为0.25～1.00mm粒径备用。具体烧制参数见表1。

表1 供试生物炭各原料的制备参数及基本理化性状Table 1 The preparation parameters and basic physicochemical properties of biochar were tested cm

1.2 试验设计

本试验采用大田定位设计，试验设4个处理，CK：发酵菜籽饼肥（5.5-1-1.5）225kg/hm2，专用基肥（7.5-14-8）750kg/hm2，专用追肥（10-0-32）300kg/hm2，硫酸钾（0-0-50）300kg/hm2，提苗肥（20-9-0）75kg/hm2，均不含有机碳，N:P2O5:K2O=14.9:18.2:38.9；T1：CK+生物炭3000kg/hm2（7.7g/kg）；T2：CK+生物炭 3750kg/hm2（9.6g/kg）；T3：CK+生物炭 4500kg/hm2（11.6g/kg）。随机区组排列，重复3次，小区面积50.4m2，小区株数84株。其中生物炭有机炭含量39.92%，采用生物炭经济配施法，以自主研发的基肥施用与起垄系统为工具，即每年起垄前90%条施，10%于每年移栽前进行穴施。生物炭与基肥混合搅拌均匀后，按株距拉线用石灰标记移栽位置后，在标记点采用宽带条施90%基肥生物炭混合肥，起垄后移栽前按标记穴施剩下的10%基肥生物炭混合肥。其他按《2018年湘西自治州烤烟标准化生产技术方案》执行。

1.3 测定项目与方法

移栽当天及移栽后15～120d，每隔15d测定不同处理耕层土壤pH与水解性酸。采用乙酸钠交换法测定水解性酸，用pH计检测土壤pH[7]。使用剪刀剪去采样点位置处植物地上茎叶部分，然后使用环刀依次采取地表以下5、15、25和35cm深处的根―土复合体试样（每个深度位置制取4个环刀试验样品），分别代表地表以下 0～10、10～20、20～30和30～40cm的取样深度范围内的根土复合体试验样品。同理于每个小区对角线选3个样点用根钻（bi-partite根钻，直径8cm，长度15cm）取根系耕作层土壤水平方向土壤样品。

各小区选取具有代表性的烟株3株，于移栽后15d开始，每隔15d测烟株根干重。以主茎基部为原点，以距离主茎基部 0～10、10～20和 20～30、30～40cm位置分别从水平和垂直切出剖面根系，用流水将根冲洗干净，冲洗时在根系下面放置100目筛子以防止须根流失。在105℃杀青根系，然后70℃烘干至恒重。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS l7.0分别进行数据处理和多重比较，利用SAS进行简单相关分析及通径分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭不同用量对土壤水解性酸含量的影响

由图1可知，T2和T3处理的土壤水解性酸对比CK处理变化较大，T1处理变化不大。移栽后30d，T1和CK处理水解性酸含量大幅升高，增幅分别达到19.11%和20.00%，T2和T3处理水解性酸含量稍有减少，减幅分别为0.64%和1.28%，不同处理水解性酸表现为T3＜T2＜T1＜CK。移栽后60d各处理水解性酸含量均稍有减少，移栽后90d大幅升高，移栽后120d又稍有减少，移栽后60、90和120d不同处理土壤水解性酸含量均表现为CK＞T1＞T2＞T3。其中移栽后120d，T2与T3处理水解性酸含量相比于施用前分别降低1.92%和3.21%，而CK与T1处理分别升高20.33%和18.68%，但各处理间无显著差异。可见，T2和T3处理有降低土壤水解性酸含量的趋势。

图1 不同处理下土壤水解性酸的含量Fig.1 Content of hydrolytic acid of soil under different treatments

2.2 生物炭不同用量对土壤pH的影响

2.2.1 对烤烟不同时期耕层土壤pH的影响 图2显示，T1～T3处理均可提高土壤pH，而CK处理是降低的（下同），除移栽30d后，其他时间节点生物炭处理与CK处理差异均达到显著或极显著水平。随生物炭用量增加，土壤pH呈逐渐升高趋势，在移栽30d之内，生物炭用量与土壤pH有相似正相关的动态变化。在移栽60d后，T1～T3与CK处理的土壤pH差异开始达到极显著水平。可见，土壤pH随生物炭用量增加及移栽后生长时间延长而升高，其原因与试验土壤为酸性砂性紫色土及生物炭的调水调酸能力有关。

图2 各处理不同时期根际土壤pHFig.2 Rhizosphere soil pH of biochar treatments in different periods

2.2.2 对主根水平及垂直方向不同距离土壤pH的影响 由表2可知，垂直方向0～10cm的T1～T3处理土壤pH在移栽后45d内随着生物炭用量增加而升高，在移栽后30～45和90～105d有一个变化高值期；10～20cm的pH在移栽后60d内随着生物炭用量增加而升高，在移栽后60～75和90～105d有一个变化高峰期；20～30cm的pH移栽后60d内随着生物炭用量增加而升高，在移栽后75～90d有一个变化高峰期；30～40cm的pH在移栽后75d内随着生物炭用量增加而升高，在移栽后90～105d有一个变化高峰期；其他时期变化较小。说明T1～T3处理对不同垂直层次根系土壤pH的影响有时间效应规律，垂直层次越浅越敏感，响应时间越早，层次越深则响应越滞后。这与烤烟移栽前期根系较浅，与生物炭接触面积较少、距离较远有关。而烤烟打顶及成熟期根系衰老是90～105d各垂直层次根系pH变化较大的主要原因。

表2 垂直方向根系土壤pHTable 2 Rhizosphere soil pH distribution at different height in vertical direction

表3表明，水平方向上0～10cm处T1～T3处理的pH在移栽后呈直线升高，在移栽后60d内随着生物炭用量增加而升高；10～20cm处的pH随着生物炭用量增加而升高，在移栽后90d之前持续增加，90d之后下降，60～90d有一个变化高峰期；20～30cm处的pH在移栽后60d内随着生物炭用量增加而升高，在移栽后60～90d有一个变化高峰期；其他时期变化极小。同时，T1～T3处理在距离茎基部0～10cm的土层中的pH于移栽后一直上升，而其它层次却是阶段性升降。说明生物炭对烤烟水平方向上的根系土壤pH影响区域主要集中在距离茎基部0～10cm的土层中。

表3 水平方向根系土壤pHTable 3 Rhizosphere soil pH at different root layers in horizontal direction

2.3 生物炭不同用量对烤烟根系分布的影响

2.3.1 对根系垂直分布的影响 由图3和表4可知，0～10cm处的根系生物量随着移栽生长时间延长有逐渐降低的趋势，且随着生物炭用量增加有降低幅度减少的趋势。经数据分析拟合，其根系生物量变化可拟合成“S”型曲线，其中T3和T2处理曲线公式分别为y=0.0004x2–0.0739x+15.961（R2=0.3706）与 y=0.0006x2–0.1008x+16.594（R2=0.3723）。说明T2和T3处理与烤烟0～10cm根系生物量中等相关，能促进烤烟垂直方向0～10cm生长，但烤烟中后期由于中耕与打顶等人为操作使根系比重呈现几个高峰期（图3）。

图3 各处理不同时期在垂直0～10cm处根系的生物量变化Fig.3 Change in the biomass of 0-10cm away from stem in vertical direction under treatments in different periods

10～20cm的根系比重随着移栽生长时间延长有降低的趋势，且随着生物炭量增加有降低幅度提升的趋势（表4）。经数据分析拟合，其根系干重变化可拟合成幂函数曲线，其中T3和T2处理曲线公式分别为y=15.93x-0.0423（R2=0.1374）与y=17.995x-0.0544（R2=0.4146）。说明生物炭特别是T2和T3处理分别与烤烟10～20cm根系生物量呈弱或中等相关，其原因与中耕培土有关（图4）。

图4 各处理不同时期垂直10～20cm处根系的生物量变化Fig.4 Change in the biomass of 10-20cm away from stem in vertical direction under treatments in different periods

20～30cm的根系比重随着移栽生长时间延长有逐渐增加的趋势，且随着生物炭用量增加有上升的趋势（表4）。经数据分析拟合，其根系生物量变化可拟合成“S”型曲线，其中T3和T2处理曲线公式分别为y=-0.0002x2+0.0519x+10.026（R2=0.6468）与 y=-0.0002x2+0.0483x+9.8079（R2=0.8792）。说明生物炭T2和T3处理与烤烟20～30cm根系生物量强相关，能促进烤烟垂直方向20～30cm的根系生长（图5）。

图5 各处理不同时期在垂直20～30cm处根系的生物量变化Fig.5 Change in the biomass of 20-30cm away from stem in vertical direction under treatments in different periods

表4 垂直方向上根系占总根干重的比重Table 4 The proportion of root dry weight in the vertical direction to the total roots

30～40cm处根系比重随着移栽生长时间延长有逐渐增加的趋势，经方差分析，各处理有显著差异。说明施用生物炭对根系生长有一定影响（表4）。

综上所述，生物炭对垂直方向0～30cm处根系生长有一定促进作用，但对30～40cm处根系影响不大。添加生物炭不能改变烟草根系的总体分布（拟合曲线相同），但可以有效促进根系的生长。说明T2和T3处理能促进烤烟垂直方向0～30cm根系发育。

2.3.2 对根系水平分布的影响 由图6可知，水平方向上的烤烟根系主要集中分布在0～10cm处。此处的根系增长高峰期在移栽后30～45与90～105d，根干重随着生物炭用量增加而升高。在移栽30d内各处理根干重均较小，但45d后大幅增加，随着移栽生长时间延长逐渐升高，其中CK处理在60～90与105～120d基本上无变化，而生物炭处理根干重却有增加趋势，且与用量呈正相关。经数据统计分析，T1～T3与CK处理差异均达到显著或极显著水平。说明T2和T3处理能促进烤烟水平方向0～10cm根系生长。

HDPE管材运至施工现场后，管材卸车时，地面不应有石块等尖凸物并用废旧汽车轮胎铺垫，而后将管材逐根卸下，防止管材卸车时受伤。管材热熔焊接前应仔细检查待连接管材及管件，对严重划伤管材坚决不能使用，防止管道受压破损及以后使用中蠕变破坏。

图6 水平方向上茎基部0～30cm的根系干重Fig.6 Root dry weight in areas 0-30cm away from stem in horizontal direction

10～20cm处的根干重增长高峰期在移栽后45～60和75～90d，在移栽120d内根干重随移栽生长时间延长而升高，120d后基本无变化。在移栽45d内的根干重各处理均较小，但60d后大幅增加，随着移栽生长时间延长而逐渐升高；其中CK处理在75～120d基本上无变化，而生物炭处理根干重却有增加趋势，且与生物炭用量呈正相关。经数据统计分析，T1～T3与CK处理差异均达到显著或极显著水平。说明T2和T3处理能促进水平方向10～20cm根系生长。

20～30cm处的根干重增长高峰期在移栽后30～60和90～105d，在移栽60d内的根干重随着移栽生长时间延长而升高。在移栽30d内各处理烤烟几乎没有根系发生，45d后大幅增加，但此时各处理差别不大，60d后T1～T3处理间差别才开始明显，随着时间延长，根系干重有逐渐升高的趋势。其中CK处理在60～75和90～105d期间基本上无变化，除T3处理在60～90d期间基本上无变化与105～120d期间升高外，随着移栽生长时间延长（105d内）根系干重有逐渐升高的趋势，表现为T3＞T2＞T1＞CK，但在120d时均呈降低趋势。经数据统计分析，T1～T3与CK处理差异均达到显著或极显著水平。

综上所述，生物炭对水平方向0～10与10～20cm根系生长有一定促进作用，但对20～30cm层次根系影响不大。其原因一是与移栽后30d左右中耕培土有关，中耕培土后把部分生物炭从20～30cm翻到0～20cm层次并破坏了20～30cm的根系；二是中耕培土刺激了0～10cm大量须根产生，也是移栽30～45d后根系生长高峰出现的合理解释。同理，移栽60d后的根系生长高峰与打顶（促进下层根系的生长发育）有关，120d后的根系衰老对根系干重影响也较大。可见，T2和T3处理能促进水平方向0～20cm根系生长。

2.4 生物炭配施量与土壤pH、根干重的相关性分析

选取被生物炭影响较大的土壤层次（水平层次0～10、10～20cm，垂直层次 0～10、10～20、20～30cm），选取受生物炭影响较大的成熟之前生长阶段（移栽后45、60、75d）的数据，与土壤pH、根干重作简单相关分析，其系数如表5所示。各配施量移栽后45、60与75d与0～10cm水平层次pH呈极显著正相关，但与0～10cm水平层次根干重仅移栽后75d呈极显著正相关；各配施量移栽后45、60和75d与 0～10、10～20、20～30cm 垂直层次 pH均呈极显著正相关，但各配施量移栽后45、60和75d仅部分时期与垂直层次根干重呈显著或极显著正相关，其他无显著相关性。表明生物炭不同配施量对土壤pH、根干重的影响是不同的。

表5 生物炭用量与土壤pH、根干重的相关系数Table 5 Correlation factor between amount of biochar and soil pH value and dry weight of root

2.5 生物炭配施量与土壤pH、根干重的通径分析

将移栽后75d生长阶段与垂直层次（0～10、10～20、20～30cm）土壤pH、根干重进行通径分析，结果如表6所示。生物炭各配施量对土壤pH的直接作用及作用总和均高于根干重，表明生物炭配施量主要影响湖南花垣烤烟土壤pH。

表6 生物炭用量与土壤pH、根干重的通径分析Table 6 Path analysis of amount of biochar and soil pH value and dry weight of root

3 讨论

3.1 生物炭不同用量对根系生长的影响

本研究与上述研究结果不完全一致是有一定原因的。一是本研究中生物炭分2次施用，在不同土壤层次和不同时期均能供应碳营养，可以提高土壤有效磷的含量及植物对磷的吸收量[14]，提高土壤中钙、镁营养元素的可利用性及作物产量[15]；二是湘西自治州较多植烟土壤缺磷和镁，这也是本研究效果较好的原因；三是施用前生物炭与基肥混合并搅拌均匀可减轻土壤吸附力；四是在标记移栽处条施90%基肥生物炭混合物，生物炭的根系覆盖率高；五是穴施剩下的10%基肥生物炭混合物，调节了幼苗根际环境；六是采用自主研发的基肥施用与起垄系统（已获发明专利）施用基肥与生物碳，能使基肥、生物碳与烟垄各层次土壤充分混合均匀，克服了传统起垄仅把肥料两旁土向上推而肥料生物碳仍在垄底层的缺陷。

虽然有研究[16]表明，10t/hm2烟秆生物炭处理的烤烟根系形态生理特征指标最优，但过量的生物炭影响土壤呼吸速率[17]。故生产中选择经济适宜的生物炭种类、数量与施用方法具有重要意义。

3.2 生物炭不同用量对土壤pH的影响

生物炭对pH影响的时效性和空间分布不尽相同。高碱度的3000～3500kg/hm2用量的生物炭能够提高酸性土壤pH，影响根部水平方向0～15cm土壤pH[18-19]，与本研究稍有区别，原因可能是试验土壤为沙壤而土壤pH有差异，但本试验与张星等[20]、张雯等[21]、张祥等[22]和王梅勋等[23]的研究结果一致。

本研究与上述研究结果不完全一致的原因，一是生物炭在土壤中易被土壤吸附而不能移动，其对土壤pH的影响主要是通过与根系附近的土壤直接接触；二是试验土壤为酸性紫色土，而秸秆生物炭碱性强，降低了土壤水解性酸的含量，提高了根系附近的土壤pH，促进了根系的生长；三是与生物炭的调酸能力、调节C/N、土壤持水能力和吸附能力不无关系，进而调节土壤pH[9,23-25]。

4 结论

施用适宜用量的秸秆生物炭有降低烤烟土壤水解性酸的趋势，对垂直方向根系土壤pH的影响有时间效应规律，对水平方向上的影响区域主要集中在距离茎基部0～20cm的土层中，秸秆生物炭主要影响土壤pH，不能改变根系的总体分布，但促进其生长，特别是水平方向0～10cm、垂直方向0～10与20～30cm土层根系。在湖南花垣紫色土的秸秆生物炭经济适宜用量为3750～4500kg/hm2。

生物炭施用要依据目的、作物种类、土壤性状和成本等进行选择。生物炭适宜用量和施用时间及各层土壤与生物炭如何混匀是决定这一措施是否有效和能否推广应用的关键，仍需进一步研究。