不同类型土壤上施用生物炭对烤烟氮钾养分积累的影响

李彩斌，张久权，何 轶

（1贵州省烟草公司毕节市公司，贵州毕节 551700；2中国农业科学院烟草研究所，山东青岛 266101）

0 引言

长期以来，烟草一直是贵州省的一种重要经济作物，是当地贫困农民的重要收入来源。烤烟养分管理中，N素供应和调节起着至关重要的作用，与烟叶前期的旺盛生长、后期的及时成熟落黄，烟碱含量控制，糖碱比等化学协调性的优化等都有密切关系[1]。烟叶K含量对烟叶的燃烧性影响极大。目前中国烟叶的K含量普遍偏低，需要采取有效措施，提高烟叶K含量。近年来，人们发现土壤中施用生物炭能带来很多益处[2-8]。例如，生物炭可以增加土壤有机碳含量[2-4]和土壤活性有机碳含量[5]，增加酸性土壤pH[6]，提高土壤有效N供应能力[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，弄清生物炭用量对烤烟N、K 养分积累的影响，以及这些影响在不同土壤类型间是否一致，具有重要意义。赵彦敏等[10]的研究表明，施用生物炭可以明显增加土壤微生物活性，提高土壤肥力。徐孟泽等[11]报道，生物炭基肥能提高生菜的品质，降低硝酸盐含量15.38%～22.38%。LIU等[12]的研究结果表明，生物炭的施用可提高土壤有效K含量高达66.6%。而土壤中有效K 和碱解N 含量的增加，能提高土壤对这2 种养分的供应能力，从而提高作物的产量和收获物质量，此在前人的研究中得到了证实[5,13-14]。N、K 营养对烤烟生长具有很大的影响，K含量越高，烟叶质量越好，在烟田施用生物炭可提高烤烟产、质量[15]。学者们也研究了施用生物炭对作物根系的影响，发现生物炭能增加烤烟根系长度和根尖数量[16-17]，促进大豆细根的伸长和增长[18]。然而，以往的研究结论并不完全一致，在生物炭对土壤养分的有效性方面及作物含量和积累积累量等方面存在很大差异[19]，尤其对其形成机理和影响因素，人们还没有达成共识。例如，DAI 等[20]报道，作物生产对生物炭施用的反应差异高达-31.8%～974%。在N素供应方面，QIAN等[21]报道，施用花生壳和稻草生物炭后，稻田土壤中的有效N含量没有增加，反而降低。HANGS 等[22]也发现生物炭的施用有时对土壤有效N 无影响，但有时会降低土壤有效N 的含量。因此，为了进一步探究生物炭的施用对烤烟生长及N、K 养分积累积累的影响，笔者开展了本试验，试图弄清其影响因素，探讨其机理，以期为生物炭在烟田中的大面积推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计与材料

试验于2018 年在贵州省毕节市七星关区何田科技园（海拔1532 m，105°09'E、27°22'N）进行。采用盆栽试验，完全随机排列。处理设计为2 因素（土壤类型、生物炭用量）3重复全因子组合设计。土壤类型为3水平（黄壤、黄棕壤、石灰土），生物炭用量设5个水平（0%、0.1%、1%、2.5%、5%，按炭/风干土重量比计算，相当于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×直径）加厚黑色塑料盆，底部开孔漏水。此3 种土壤为贵州烟区典型的土壤类型，采集0～20 cm 耕层，时间为烟田烤烟翻耕移栽前。黄壤取自大方县黄泥塘镇黄泥村（海拔1312 m，N 27.47071°，E 106.27142°）；黄棕壤取自威宁县小海镇松棵村（海拔2098 m，N 26.97762°，E 104.15459°）；石灰土取自黔西县绿化镇湾箐村（海拔1246 m，N 27.05287°，E 105.72459°）。生物炭由位于威宁县的金叶丰农业技术公司生物炭厂提供，是在380°C 条件下对烟梗进行低氧碳化制作生产的。

1.2 试验实施与取样

所有土壤风干后过1 cm筛，每盆称风干土29 kg，与事先计算好的生物炭用量和烟草专用肥(N:P2O5:K2O=9:13:22；0.42 g/kg)进行充分混合后装盆，烟草专用肥用量所有处理相同。5 月8 日移栽，烤烟品种为‘云烟87’，每盆1 株。移栽时按田间持水量（3 种土壤统一为28%）的70%浇去离子水，移栽后视干旱情况定期浇去离子水，其他管理参考烤烟当地生产方案进行。烤烟移栽70 d（7 月18 日）后收获所有烟株，按根、茎、叶3 部位分别烘干和称重。对所有盆中的土壤进行破坏性取样，混匀后取样测定土壤肥力指标。

1.3 样品检测

土壤和生物炭检测方法参见文献[23]。植株样品全N采用浓硫酸消煮，FOSS分析仪器公司生产的全自动凯氏定N 仪进行测定。全K 采用浓硫酸消煮，稀释10 倍后用英国Sherdwood 公司的M410 火焰光度计进行测定。烟株全N、全K含量用烘干基表示，积累积累量根据全N、全K含量和烟株各部位质量计算，用每株烤烟各部位所含的全N、全K总质量(μg)表示。

1.4 统计分析

采用SAS（SAS公司，美国）9.4软件广义线性混合模型(generalized linear mixed models)的Glimmix 程序[24-25]，按2因素3重复完全随机设计进行方差分析，其中重复为随机效应，土壤类型和生物炭用量为固定效应。采用该模型进行方差分析时，不要求因变量为正态分布[25]。当土壤类型×生物炭用量间的交互作用显著时，采用LSMESTIMATE进行某种土壤类型下各生物炭用量，以及某一生物炭用量下各土壤类型间的多重比较[26]。

2 结果与分析

2.1 土壤和生物炭的主要性状

3种土壤的pH和相关养分含量见表1～2。石灰土由于所处的地理位置等原因，长期受到淋溶，土壤已经变为中性。黄壤和黄棕壤为弱碱性。土壤中有效N主要为硝态N，其含量黄壤最高，石灰土最低。有效K含量黄壤最高，其余2 种土壤含量差别不大。生物炭为碱性，pH 9.50。K含量高，为6.12 g/kg。阳离子交换量(CEC)高，为110.0 cmol/kg，具有吸附大量K+、NH4+等阳离子的潜力。

表1 供试土壤的基本性状

表2 供试生物炭的基本性状

2.2 生物炭用量对烤烟生长和根系特征的影响

烟株干重结果见表3。在3种土壤类型上，茎干重均随生物炭用量的增加而显著增加。当生物炭用量为5%时，茎干重达最高值。3 种土壤平均，5%生物炭用量茎干重是对照的1.72倍，增加71.66%。

表3 土壤类型和生物炭用量对烤烟生物量的影响（均值±SE） g/株

叶干重、根干重、冠根比3 个指标土壤×生物炭用量交互作用显著(P＜0.05)，说明生物炭不同用量对此3种指标的影响，在3种土壤类型间有一定差异。具体来看，黄壤上生物炭用量对叶片干重没有显著差异；而在石灰土上，生物炭用量0.1%和1.0%，1.0%和2.5%间叶片干重差异不显著；黄棕壤上生物炭不同用量间差异最为明显。冠根比黄壤上各生物炭用量间差异最为明显；而黄棕壤上生物炭用量间无显著差异。3 种土壤上，随着生物炭用量的增加，叶片和根干重均增加。与对照相比，5%生物炭用量的叶干重在黄壤、石灰土、黄棕壤上的增加量分别为96%、103%、64%；根干重分别增加192%、182%、71%。增加的幅度根干重比叶干重要大，说明生物炭的施用更能促进根系的发育。总之，烤烟干重随生物炭用量的增加而增加，根干重增加最为明显，叶片、根干重增加效果在3种土壤类型间存在差异。在所有的处理中，石灰土+5.0%生物炭用量的处理，茎、叶、根生物量值最高；黄棕壤+0.1%生物炭的处理，冠根比最小，根系占比最高。

烤烟根系特征结果见表4。所有根系指标，土壤类型×生物炭用量交互作用不显著，因此，我们仅需要考察土壤和生物炭用量的主效应。随着生物炭用量的增加，根体积有一定增加，但显著性较弱(P＝0.07)；侧根数量有极显著增加。黄壤、石灰土、黄棕壤上施用5.0%生物炭的处理比不施生物炭的处理，烤烟侧根数每株分别增加17.0、30.7、20.3 个，增加幅度分别为150.0%、137.4%、67.1%。3 种土壤平均，施用生物炭0.1%、1.0%、2.5%、5.0%，侧根数量分别比对照增加了6.33、10.33、16.00、22.67 个，增加幅度分别达29.68%、48.43%、75.01、106.28%。总之，生物炭能促进根系发育，主要是通过增加侧根数量来体现。

2.3 生物炭用量对烟株N含量和积累积累量的影响

烤烟根系、烟茎含N 量土壤类型×生物炭用量交互作用显著（表5），根系含N 量随生物炭用量的增加而降低。黄壤、石灰土、黄棕壤上根系含N量生物炭用量为5%的处理比对照分别降低了40%、45%、35%（表5）。烟茎的变化趋势与根系类似，也是随生物炭用量的增加，N 含量显著降低。叶片N 含量随生物炭用量的增加而降低（表5），3 种土壤类型平均，施用生物炭0.1%、1.0%、2.5%、5.0%的处理，叶片N 含量分别比对照减少了2.28、3.29、4.16、5.80 mg/kg，降低幅度分别达8.14%、11.74%、14.85%、20.70%。总之，随着生物炭用量的增加，烤烟根、茎、叶N含量降低，这种影响在不同土壤类型间有一定差异。

表5 土壤类型和生物炭用量对烟株N含量的影响（均值±SE） mg/kg

烤烟根系、茎、叶、整株、冠根比的N积累积累量土壤类型×生物炭用量交互作用都达到了显著或极显著水平（表6）。与对照相比，黄壤上施用生物炭0.1%和1.0%，根系N 积累积累量显著增加46.7%和75.7%，但进一步提高生物炭用量，根系N积累积累量不再增加；石灰土、黄棕壤上分别施0.1%生物炭后，根系N 积累积累量分别显著增加64.8%、14.32%，进一步提高生物炭用量，根系N 积累量不再增加。烟茎N 积累量变化趋势与根系一致，在黄壤上生物炭用量超过1.0%时，N积累量不再增加；在石灰土、黄棕壤上生物炭用量超过0.1%时，N 积累量不再增加（表6）。叶片N 积累量也是随生物炭用量的增加而提高，黄壤、石灰土、黄棕壤上当生物炭用量分别为1.0%、5.0%、2.5%时，叶片N积累量到达最高点。总之，随着生物炭用量的增加，烤烟根、茎、叶、整株N积累量相应增加，但达到N积累量最高点所需的生物炭施用量，各土壤类型间存在差异。

表6 土壤类型和生物炭用量对烟株N积累量的影响（均值±SE） μg/株

2.4 生物炭用量对烟株K含量和积累量的影响

烤烟根系K含量土壤类型×生物炭用量交互作用显著（表7）。与对照相比，随着生物炭用量的增加，黄壤上根系K 含量分别增加10.2%、16.3%、22.7%、41.5%；石灰土上分别增加22.3%、32.1%、37.7%、40.7%；黄棕壤上分别增加8.0%、22.4%、47.8%、59.91%。石灰土上，当生物炭用量超过1.0%时，根系K含量不再增加；而其余2种土壤上，K含量随生物炭用量的增加持续增加，最高增加分别达40.7%和47.8%。

表7 土壤类型和生物炭用量对烟株K含量的影响（均值±SE） mg/kg

烟茎和叶片K 含量，土壤类型×生物炭用量交互作用不显著（表7）。烟茎K含量随生物炭用量的增加而增加，3种土壤平均，施用生物炭0.1%、1.0%、2.5%、5.0%的处理，烟茎K 含量分别比对照增加了5.0%、15.2%、10.7%、12.6%，增加主要出现在1%生物炭用量；烟叶K 含量分别比对照增加了12.4%、19.1%、26.4%、32.3%。总之，随着生物炭用量的增加，根系和叶片K 含量不断增加，最高增加量分别为47.8%和32.3%，根系增加最明显。3种土壤间增加幅度存在一定差异。就处理组合来看，黄壤+5.0%生物炭处理的根系和叶片K含量最高；黄壤+1.0%生物炭处理的茎K含量最高。

烤烟根系K 积累量，土壤类型×生物炭用量交互作用达到了显著水准（表8）。与对照相比，根系K 积累量均随生物炭用量的增加而提高，但3 种土壤增加幅度不同。黄壤根系K 积累量分别显著增加79.4%、144.1%、214.7%、311.8%；在石灰土上，根系K 积累量分别显著增加146.7%、187.9%、211.2%、285.0%；在黄棕壤上，根系K 积累量分别显著增加36.7%、60.7%、104.0%、172.7%。在黄壤上增加幅度最高，达311.8%，黄棕壤上最低，为172.7%。总之，施用生物炭0.1%到5%，能显著提高烤烟根系K 的积累，在黄壤、石灰土、黄棕壤上最高可达311.8%、285.0%、172.7%。

表8 土壤类型和生物炭用量对烟株K积累量的影响（均值±SE） μg/株

烟茎和叶片K的积累量与K含量类似，土壤类型×生物炭用量交互作用不显著（表8）。烟茎和烟叶K积累量均随生物炭用量的增加而增加，3种土壤平均，施用生物炭0.1%、1.0%、2.5%、5.0%的处理，烟茎K 积累量分别比对照增加了28.4%、49.4%、58.2%、87.9%；烟叶K 积累量分别比对照增加了43.0%、68.9%、98.0%、144.7%。总之，随着生物炭用量的增加，烟茎和叶片K积累量不断增加，最高增加幅度分别为87.9%和144.7%，叶片增加幅度大于烟茎，这种增加效果不受土壤类型的影响。就处理组合来看，根、茎、叶、整株K积累量均是石灰土+5.0%生物炭处理的最高。

3 结论

黄壤、石灰土、黄棕壤上施用5.0%生物炭的处理比不施生物炭的处理，烤烟每株侧根数分别增加17.0、30.7、20.3 个，增加幅度分别为150.0%、137.4%、67.1%。烤烟根、茎、叶、整株N 积累量随生物炭用量的增加而增加，但达到N积累量最高点所需的生物炭施用量，各土壤间存在差异。根系和叶片K含量随生物炭用量的增加不断增加，最高增加量分别为47.8%和32.3%，根系增加最明显。3种土壤间增加幅度存在一定差异。随着生物炭用量的增加，烤烟根系、烟茎、叶片K 积累量不断增加，最高分别为311.8%、87.9%、144.7%。总之，施用生物炭能促进烤烟侧根发育，显著提高N和K的积累量。

4 讨论

本研究表明，随着生物炭用量的增加，烤烟根、茎、叶中的N含量均逐渐降低（表5）；然而，N积累量却逐渐升高（表6）。可能是因为生物炭的施用，促进了烤烟的生长和干物质积累，虽然N积累量随生物炭用量的增加而增加，但干物质增加的程度更大，由于稀释效应，烤烟各部位N含量反而降低。施用生物炭能增加土壤有效N的供应，提高植株N的积累量，已经被前人的研究所证实[7]，他们发现施用生物炭后，土壤硝态N(NO-3-N)含量显著提高。本研究中，土壤中的有效N主要为NO-3-N（表1），铵态N所占比例极低。另外，烤烟为喜NO-3-N 植物，NO-3-N 为其N 的主要积累形式[1]。生物炭表面含有丰富的带负电荷的阴离子，如羧基(-COOH)和羟基(-OH)，他们对阳离子有较强的积累作用，但对带负电的阴离子如NO-3，具有排斥作用[27]。因此，随着生物炭用量的增加，土壤有效N含量（主要是NO-3-N）逐渐提高，烤烟能积累更多的N素。

随着生物炭的提高，烤烟各部位，尤其是根系中K的含量和积累量均增加（表7～8），主要是因为土壤中有效K含量得到了提高。本研究发现，在黄壤上，当生物炭用量为1.0%、2.5%、5.0%时，土壤交换性K含量比对照分别增加41.5%、56.9%、115.9%；其他2种土壤当生物炭用量超过1.0%时，土壤交换性K含量也显著增加。类似的结果也有报道，包括土柱实验[28]、培养试验[26]和长期定位田间试验[29]。OREOLUWA 等[30]和MAHMOUD 等[31]也报道，在生物炭应用后，土壤交换性K含量显著增加。土壤有效K含量的增加归因于生物炭表面特性，如较高的CEC（表2），它可以积累更多的K+，从而减少K+的淋溶损失。这种效应在K含量更高时更为明显。另外，烤烟主要通过根系积累K+，本研究证明，生物炭的施用能明显促进根系的发育[16-18]，如王博等[16]报道，施用生物炭后，烤烟根系长度、根尖数、根系表面积、根系体积分别增加31.1%、31.7%、56.0%、35.1%；吉贵锋等[17]报道，施用生物炭提高了根系活力和总根尖数；陈懿等[32]发现施用生物炭可促进烤烟根系前期生长，提高根系体积和干质量。与前人的结论相似，本研究表明，施用生物炭后，烤烟侧根数量显著增加（表4），此可能是烟株，尤其是根系中K积累量显著增加的原因之一（表8）。另外，曹莹等[33]发现，生物炭能减轻花生根系镉的毒害，从而促进根直径、侧根数和根系生物量增加。而本研究在毕节进行，当地土壤中镉含量较高，生物炭能减轻土壤中镉的有效性和烤烟对镉的吸收[23]，从而促进烤烟根系生长。施用生物炭后，其表面的大量带负电的离子会吸附土壤溶液中的K+，这部分被吸附的K+是否能被烤烟根系所积累，取决于生物炭表面对K+的吸附强度。目前相关研究还比较缺乏，值得开展进一步深入研究。