高 林，王 瑞，張繼光，黎 根，孟貴星，姜 芳，陳國(guó)權(quán)，申國(guó)明*

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生物炭與化肥混施對(duì)烤煙氮磷鉀吸收累積的影響

高 林1，王 瑞2，張繼光1，黎 根3，孟貴星2，姜 芳2，陳國(guó)權(quán)2，申國(guó)明1*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266101；2.湖北省煙草公司恩施州公司，湖北恩施 445000；3.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，武漢430051）

為了明確生物炭對(duì)烤煙生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)調(diào)控作用，以水稻秸稈生物炭為材料，通過(guò)田間試驗(yàn)，研究了生物炭與化肥混施后烤煙氮磷鉀養(yǎng)分的吸收累積特征。結(jié)果表明，在烤煙團(tuán)棵期，隨著生物炭用量的增加，根中氮和鉀含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而磷的含量變化不大。至烤煙平頂期，生物炭用量3000 kg/hm2的煙株根、莖和葉的氮和鉀含量均最高，施用生物炭也能夠增加平頂期煙株根中磷含量，但莖和葉中磷含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中生物炭用量3000 kg/hm2的煙株莖和葉中磷含量最低。煙株根中氮的累積量隨著生物炭用量增加呈下降趨勢(shì)，但在高生物炭用量下（3000 kg/hm2）煙株莖以及葉中氮的累積量最高。施用生物炭降低了烤煙根、莖和葉中磷的累積量，但能夠增加烤煙對(duì)鉀素的累積，隨著生物炭用量的增加，莖、葉以及全株的鉀累積量均呈上升趨勢(shì)。綜合分析，生物炭與化肥混施能夠在一定程度上促進(jìn)烤煙對(duì)氮和鉀養(yǎng)分的吸收利用，但降低了磷在烤煙中的累積。

生物炭；烤煙；氮磷鉀；吸收；累積

長(zhǎng)期以來(lái)，煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大量投入化肥，由于不合理的施用方式以及煙區(qū)土壤、氣候等生態(tài)條件的限制，肥料利用率普遍較低，大量的肥料滲流、淋洗，造成資源浪費(fèi)并污染地下水源，嚴(yán)重影響著生態(tài)環(huán)境安全[1-3]。因此，如何減少化肥投入，提高煙草對(duì)肥料養(yǎng)分的利用效率，是煙草生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。生物炭是生物質(zhì)在無(wú)氧或低氧環(huán)境條件下經(jīng)高溫裂解后得到的固態(tài)物質(zhì)，其具有較大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)[4-5]。近年來(lái)，由于生物炭自身的優(yōu)良特性，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用日益受到重視[6-7]。生物炭施用到土壤中可作為載體吸持部分肥料養(yǎng)分，提高養(yǎng)分的生物有效性，進(jìn)而提高作物對(duì)養(yǎng)分的吸收效率[8-11]。已有研究表明，生物炭與化肥配施是一種較好的減肥增效技術(shù)措施，生物炭能夠明顯改善作物肥效，促進(jìn)作物增產(chǎn)[12]。生物炭與肥料混合施用，消除了生物炭自身養(yǎng)分含量低的缺陷，其吸附特性又賦予肥料養(yǎng)分緩釋性能，生物炭與肥料形成了互補(bǔ)與協(xié)同的關(guān)系，提高了肥料利用效率[13]。目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)生物炭的研究尚處于起步階段，生物炭在煙草上的應(yīng)用還相對(duì)較少，且以往研究多集中于生物炭作為土壤改良劑對(duì)土壤性質(zhì)的影響方面。本文通過(guò)設(shè)置田間試驗(yàn)，研究了生物炭與化肥混施對(duì)烤煙氮磷鉀養(yǎng)分吸收累積的影響，以期能夠揭示生物炭對(duì)烤煙養(yǎng)分調(diào)控的作用，為今后生物炭在烤煙生產(chǎn)上的進(jìn)一步應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 基本情況

試驗(yàn)于2015年4月至9月在湖北省恩施市“清江源”現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)科技園區(qū)茅壩槽村（30°21′N(xiāo)，109°27′E）進(jìn)行。該區(qū)域海拔1230.0 m，試驗(yàn)田土壤類(lèi)型為黃棕壤，耕層土壤pH 6.88，有機(jī)質(zhì)含量23.98 g/kg, 堿解氮含量147.87 mg/kg，速效磷含量34.70 mg/kg，速效鉀含量188.81 mg/kg。

供試烤煙品種為云煙87。生物炭由水稻秸稈炭化而成，其pH為9.20，總碳為630 g/kg，總氮為13.5 g/kg，全磷為4.50 g/kg，全鉀為21.5 g/kg。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)生物炭用量共設(shè)計(jì)4個(gè)處理，分別為：0 kg/hm2（CK），750 kg/hm2（T1），1500 kg/hm2（T2）和3000 kg/hm2（T3）。每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)田共12個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為100 m2，栽煙150株。

按照小區(qū)面積計(jì)算出每個(gè)處理的生物炭用量，將生物炭與化學(xué)肥料混合后作為基肥一次性施入土壤。對(duì)照不添加生物炭。

試驗(yàn)田按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥方式統(tǒng)一進(jìn)行施肥，各處理所用肥料用量保持一致，純氮用量為120 kg/hm2，(N):(P2O5):(K2O)=1:1.5:3，70%的氮肥和鉀肥及100%磷肥施于底肥，30%氮肥和鉀肥用于移栽后30 d左右結(jié)合培土進(jìn)行追肥。各處理煙苗采用井窖式移栽方式統(tǒng)一進(jìn)行移栽，其他田間管理措施均按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.3 樣品采集

分別在烤煙生長(zhǎng)團(tuán)棵期、旺長(zhǎng)期、現(xiàn)蕾期和平頂期，在每個(gè)處理小區(qū)內(nèi)選擇代表性煙株1株，用鐵鍬將其連根挖出，具體方法如下：先用鐵鍬分別在選定的煙株周?chē)鷥芍隉熀蛢尚袩熣写怪鄙钔谥粮得芗瘜由疃?，然后挖去樣方四周的土壤，再水平鏟起土樣和整個(gè)煙株。帶回實(shí)驗(yàn)室用淘洗的方法進(jìn)行根土分離，將挖取的煙株根系浸在盛有清水的桶中，不斷攪動(dòng)，反復(fù)清洗去除泥水，直至根土分離，隨后將煙株分開(kāi)根、莖、葉在105 ℃殺青15 min，60 ℃下烘干，烘干后進(jìn)行稱(chēng)重，統(tǒng)一磨樣后保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 樣品檢測(cè)

取處理好的根、莖、葉樣品測(cè)定全量氮磷鉀含量，全氮用凱氏定氮法，全鉀用硫酸-雙氧水消煮-火焰光度法，全磷用硫酸-雙氧水消煮-釩鉬黃比色法測(cè)定[14]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007軟件和DPS7.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié) 果

2.1 生物學(xué)產(chǎn)量分析

如表1所示，在煙株生長(zhǎng)團(tuán)棵期，施用生物炭處理的煙株根、莖、葉等器官發(fā)育均較好，3個(gè)不同生物炭用量煙株的根、莖、葉的干物質(zhì)量均高于對(duì)照。在煙株生長(zhǎng)后期，與對(duì)照處理相比，生物炭用量較高處理，煙株的根、莖、葉干物質(zhì)量反而出現(xiàn)了一定的下降趨勢(shì)。綜合分析，施用生物炭750 kg/hm2（T1處理）的煙株生物學(xué)產(chǎn)量表現(xiàn)較好，對(duì)烤煙的生長(zhǎng)發(fā)育起到了一定的促進(jìn)作用，提高了煙株根、莖和葉的發(fā)育程度。

2.2 烤煙不同器官氮磷鉀含量分析

2.2.1 氮含量 如表2所示，在整個(gè)生育期內(nèi)，各處理煙株根和莖中氮含量呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，葉中的氮含量在旺長(zhǎng)期最高，在煙株生長(zhǎng)后期呈下降趨勢(shì)。隨著生物炭用量的增加團(tuán)棵期煙株根中氮的含量下降，進(jìn)入旺長(zhǎng)期后具有一定的上升趨勢(shì)。在烤煙生長(zhǎng)的不同時(shí)期，高用量的生物炭（3000 kg/hm2）均增加了煙株莖中氮的含量，在平頂期T3處理（3000 kg/hm2生物炭）的煙株根、莖和葉中的氮含量均表現(xiàn)最高，顯著高于對(duì)照處理。

2.2.2 磷含量 如表3所示，煙株根系中磷含量隨著烤煙的生長(zhǎng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，施用生物炭后增加了生長(zhǎng)后期煙株根系中磷的含量；在烤煙生長(zhǎng)前期施用生物炭增加了煙株莖中磷含量，且隨著生物炭用量的增加煙株莖中磷的含量也呈現(xiàn)一定的增加趨勢(shì)。但在平頂期，施用生物炭后煙株莖中磷含量呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，3個(gè)生物炭處理的煙株莖中磷含量均顯著低于對(duì)照（CK)；在烤煙生長(zhǎng)期間葉片中磷含量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，至烤煙生長(zhǎng)平頂期施用生物炭的煙株葉片中磷含量顯著低于對(duì)照，且隨著生物炭用量的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

2.2.3 鉀含量 如表4所示，煙株根中鉀的含量隨著烤煙的生長(zhǎng)總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在團(tuán)棵期施用生物炭處理煙株根中鉀含量下降，進(jìn)入旺長(zhǎng)期逐漸呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；施用生物炭后能夠增加煙株莖中鉀含量，在烤煙平頂期隨著生物炭用量的增加，煙株莖中鉀的含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；在團(tuán)棵期各處理煙株葉片中鉀的含量差異不大，進(jìn)入旺長(zhǎng)期施用生物炭提高了煙株葉片鉀含量，在烤煙平頂期隨著生物炭用量的增加，煙株葉片中鉀含量也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，并且在高生物炭用量（3000 kg/hm2）下煙株根、莖和葉片中的鉀含量均顯著高于對(duì)照。

表 1 不同處理煙株根、莖、葉干物質(zhì)量

注：同列小寫(xiě)字母不同表示在0.05水平下差異顯著，下同。

表2 不同生育期各處理烤煙根、莖、葉中氮含量

表3 不同生育期各處理烤煙根、莖、葉中磷含量

2.3 烤煙不同器官氮磷鉀累積量分析

如表5所示，隨著生物炭用量的增加煙株根系氮累積量呈下降趨勢(shì)，在T3生物炭用量下（3000 kg/hm2）莖、葉片以及全株中氮的累積量最高，與其他處理的差異達(dá)顯著水平，施用一定量的生物炭促進(jìn)了煙株對(duì)氮素的累積；各處理煙株中磷的含量均較低，與對(duì)照相比，施用生物炭后降低了煙株各器官以及全株的磷累積量，在高生物炭用量下煙株磷累積量達(dá)最低水平；施用生物炭能夠促進(jìn)煙株對(duì)鉀素的累積，隨著生物炭用量的增加莖、葉以及全株的鉀累積量均呈上升趨勢(shì)，顯著高于對(duì)照，但在高生物炭用量下煙株根系中的鉀累積量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

表4 不同生育期各處理烤煙根、莖、葉中鉀含量

表5 不同處理烤煙平頂期氮磷鉀的累積量

3 討 論

生物炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)以及較大的比表面積，同時(shí)含有作物所需的營(yíng)養(yǎng)元素，因此施用到土壤中的生物炭可以增加對(duì)養(yǎng)分的吸持能力，提高養(yǎng)分的吸收利用效率[15-16]。Asai等[17]研究表明，將生物炭與其他肥料配合施用到土壤中后，能夠明顯改善植物對(duì)N、P、K化學(xué)肥料的反應(yīng)。彭輝輝等[18]研究表明，與單施化肥處理相比，生物炭與化肥配施可進(jìn)一步增加春玉米地上部養(yǎng)分的累積量?？等辗宓萚19]分析了生物炭基肥料對(duì)小麥養(yǎng)分吸收的影響，施用生物炭基肥料均促進(jìn)小麥植株對(duì)養(yǎng)分的吸收。本研究表明，生物炭與肥料混施后在煙株生長(zhǎng)后期增加了根、莖、葉各器官的氮鉀含量，施用生物炭能夠促進(jìn)煙株對(duì)氮素和鉀素的累積，這與前人的研究結(jié)果基本一致[17-19]。

生物炭對(duì)NO3–和NH4+具有較強(qiáng)的吸附能力[20]，生物炭施入土壤后能夠?qū)Φ鼐哂幸欢ǖ某至糇饔肹21]。本研究中生物炭（3000 kg/hm2）與肥料混合施用后，煙株莖、葉片以及全株中的氮吸收累積量均表現(xiàn)最高，施用一定量的生物炭能夠促進(jìn)煙株對(duì)氮素的累積。氮素是對(duì)烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量影響最大、最敏感的營(yíng)養(yǎng)元素，在目前的烤煙生產(chǎn)中，氮肥過(guò)量施用的現(xiàn)象較為普遍[22]，因此在施用生物炭的條件下，可以適當(dāng)減少氮肥的投入，有利于提高肥料的利用效率，促進(jìn)煙葉生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。生物炭中鉀的有效性較高，施用生物炭對(duì)土壤的速效鉀含量具有較大的影響，能夠促進(jìn)作物對(duì)鉀素的吸收[23-24]。王耀鋒等[25]研究指出，施用生物炭后提高了水稻秸稈鉀素養(yǎng)分的累積，鄭瑞倫等[26]指出，添加生物炭后，苜蓿體內(nèi)的鉀含量顯著增加45.7%。劉世杰等[27]認(rèn)為，在一定生物炭用量范圍內(nèi)，玉米對(duì)鉀的吸收量隨著生物炭用量的增加而增加。在本研究中得到了相同的結(jié)論，施用生物炭對(duì)促進(jìn)煙株鉀素的累積效果明顯，隨著生物炭用量的增加煙株莖、葉以及全株的鉀累積量均呈上升趨勢(shì)。目前，施用生物炭對(duì)磷素的影響研究結(jié)論不盡相同，有研究指出，生物炭施入土壤后，能夠促使有效磷低的土壤中閉蓄態(tài)磷轉(zhuǎn)化為有效態(tài)磷，直接增加土壤中有效磷含量[28]。同時(shí)，生物炭經(jīng)高溫?zé)峤夂?，其自身部分穩(wěn)定態(tài)磷被激活，轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈶B(tài)磷，可以供作物吸收利用[29]。但生物炭在不同類(lèi)型土壤中對(duì)外源磷的有效性轉(zhuǎn)化影響差異較明顯。隨著生物炭施用量增大，紅壤中有效磷的增加量顯著，而潮褐土和潮土中的有效磷含量明顯降低[30]。YAN等[31]研究表明，施用生物炭更加劇了植物磷素的缺乏，在本研究中，隨著生物炭用量的增加煙株磷的累積量也呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。這可能與生物炭能吸附固定土壤的磷素有關(guān)，同時(shí)生物炭和化肥配施提高了土壤pH值，可能降低了磷和某些微量元素的有效性，不利于作物對(duì)磷素的吸收[32]。綜合而言，目前多數(shù)研究普遍認(rèn)為施用生物炭可以提高養(yǎng)分的吸收利用效率，但生物炭對(duì)作物吸收累積營(yíng)養(yǎng)元素的影響受到不同的土壤類(lèi)型、生物炭類(lèi)型以及作物種類(lèi)等多種因素的制約，在不同環(huán)境條件下，生物炭在提高土壤肥力和促進(jìn)作物生長(zhǎng)等方面的研究結(jié)果也存在著一定的差異。因此今后還需要根據(jù)不同土壤的限制因子以及作物營(yíng)養(yǎng)吸收特性，選擇合適的生物炭開(kāi)展相關(guān)研究，尤其是針對(duì)施用生物炭與肥料效應(yīng)的機(jī)理研究方面目前還相對(duì)缺乏，需要進(jìn)一步探索生物炭與營(yíng)養(yǎng)元素的相互作用，為今后生物炭的合理利用奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

在烤煙生長(zhǎng)前期施用生物炭能夠促進(jìn)煙株生長(zhǎng)發(fā)育，至生長(zhǎng)后期在高用量（3000 kg/hm2）生物炭的施用情況下，煙株各器官的干物質(zhì)重呈現(xiàn)了下降趨勢(shì)。施用生物炭能夠增加烤煙生長(zhǎng)后期根、莖、葉各器官的氮和鉀含量，但在烤煙生長(zhǎng)前期施用生物炭煙株根中的氮和鉀含量呈現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)。施用生物炭增加了烤煙生長(zhǎng)后期煙株根系中磷的含量，但煙株葉和莖中的磷含量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。施用生物炭促進(jìn)了平頂期烤煙氮素和鉀素的累積，在高生物炭用量下（3000 kg/hm2）煙株體內(nèi)氮和鉀的累積量最大，但在根系中的氮累積量最小。施用生物炭降低了煙株體內(nèi)磷的累積量，隨著生物炭用量的增加煙株磷的累積量呈下降趨勢(shì)。

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Effects of Mixed Application of Biochar and Chemical Fertilizers on Uptake and Accumulation of Nitrogen, Phosphorus and Potassium in Flue-cured Tobacco

GAO Lin1, WANG Rui2, ZHANG Jiguang1, LI Gen3, MENG Guixing2, JIANG Fang2, CHEN Guoquan2,SHEN Guoming1*

（1. Tobacco Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Qingdao 266101, China; 2. Enshi Tobacco Company of Hubei Province, Enshi, Hubei 445000, China; 3. China Tobacco Hubei Industrial Co., Ltd., Wuhan 430051, China）

In order to determine the effects of biochar on nutrition regulation of flue-cured tobacco, uptake and accumulation of nitrogen, phosphorus and potassium in flue-cured tobacco with mixed application of rice straw biochar and chemical fertilizers was studied through field experiments. The results showed that nitrogen and potassium contents in root showed a decreasing trend with the increasing amount of biochar at the resettling stage of flue-cured tobacco, but the phosphorus content in root had little change. Nitrogen and potassium contents in root, stem and leaf of flue-cured tobacco were the highest with biochar application amount of 3000 kg/ha at the topping stage. Biochar could also increase phosphorus content in roots of flue-cured tobacco at the topping stage, but phosphorus contents in stem and leaf were decreased. Phosphorus content in stem and leaf of flue-cured tobacco were the lowest with biochar application amount of 3000 kg/ha at the topping stage. The accumulation amount of nitrogen in root decreased with the increasing application amount of biochar. The accumulation of nitrogen in stem and leaf with biochar application amount of 3000 kg/ha was the highest. The accumulation of phosphorus in root, stem and leaf decreased with the application of biochar, but the accumulation of potassium increased. The accumulation of potassium in tobacco plant showed an increasing trend with the increasing application amount of biochar. In conclusion, the mixed application of biochar and chemical fertilizers could promote the absorption and utilization of nitrogen and potassium in flue-cured tobacco, but the accumulation of phosphorus was decreased.

biochar; flue-cured tobacco; nitrogen, phosphorus and potassium; uptake; accumulation

S572.062

1007-5119（2017）02-0019-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2017.02.004

中國(guó)煙草總公司科技重點(diǎn)項(xiàng)目“‘清江源’生態(tài)富硒特色煙葉生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”（110201202014）

高 林（1980-），男，副研究員，主要從事煙田生態(tài)與煙草資源利用研究工作。E-mail：gaolin@caas.cn

，E-mail：shenguoming@caas.cn

2016-08-05

2017-02-10