趙亞鵬，賈 輝，符云鵬*，何甜甜，王 靜，柳淵博，王維超

1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院 煙草行業(yè)煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州市金水區(qū)農(nóng)業(yè)路63號(hào) 450002 2.河南省煙草公司許昌市公司，河南省許昌市湖濱路43號(hào) 461000

土壤是植物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起著至關(guān)重要的作用［1］。近年來(lái)，我國(guó)已出現(xiàn)土壤退化現(xiàn)象，改變甚至破壞了土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，使土壤理化性狀變差，肥力下降，極大地削弱了土壤碳庫(kù)容量［2］。因此，如何高效地控制及治理土壤退化，恢復(fù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上面臨的重大課題。生物炭是生物質(zhì)在限氧條件下經(jīng)過(guò)熱裂解炭化形成的高度芳香化富含碳元素的產(chǎn)物，有良好的孔隙結(jié)構(gòu)和較大的比表面積［3-4］。有研究表明，生物炭能夠優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)，有效改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤陽(yáng)離子交換量［5］，使土壤對(duì)陽(yáng)離子的吸附能力增加，養(yǎng)分淋洗減少，有效養(yǎng)分含量提高，特別是對(duì)有機(jī)質(zhì)含量的提高具有顯著效果［6］；滴灌條件下增施生物炭可改善土壤品質(zhì)，提高氮肥利用率，減少化肥使用量［7］；連續(xù)多年施用生物炭可提高土壤總有機(jī)碳、游離態(tài)顆粒有機(jī)碳及閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳含量［8］；適量生物炭具有固碳減排效應(yīng)，但大量的生物炭施用則會(huì)增加土壤呼吸速率［9］。秸稈直接還田是利用秸稈資源的主要渠道，不僅能夠改善土壤通透性［10］，還可調(diào)節(jié)土壤氮素營(yíng)養(yǎng)，培肥地力，改良土壤，特別是在提高土壤碳庫(kù)質(zhì)量方面作用明顯［11］。研究表明，秸稈還田可活化土壤磷，減緩了土壤對(duì)磷的吸附與固定［12］，穩(wěn)定性磷經(jīng)持續(xù)礦化分解，土壤磷的有效性增加；秸稈配施化肥可以提高作物對(duì)土壤堿解氮、速效磷及速效鉀的吸收利用，促進(jìn)作物生長(zhǎng)［13］；秸稈還田可顯著增加連作棉田微生物量含量，有利于提高土壤質(zhì)量和生物活性，緩解連作的不利影響［14］；還有研究表明，秸稈覆蓋還田、翻壓還田和氨化秸稈翻壓還田均可平抑地溫，提高水分利用率，增加冬小麥產(chǎn)量［15］；但秸稈還田在改良土壤的同時(shí)也會(huì)造成病蟲(chóng)害加劇、有機(jī)酸積累及土壤呼吸速率增加等問(wèn)題，利弊共存［16-17］?？梢?jiàn)，生物炭和秸稈對(duì)土壤的改良效果各有利弊，而兩種物料配施還田是否可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，其機(jī)理尚不清楚。為此，在2017年試驗(yàn)基礎(chǔ)上［18］進(jìn)一步分析了等碳量的生物炭、腐熟小麥秸稈及二者配施對(duì)不同耕層土壤養(yǎng)分及碳庫(kù)各組分的影響，旨在為改良植煙土壤以及提升土壤碳庫(kù)容量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)置在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)許昌校區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科教園區(qū)（113°81′E，34°16′N(xiāo)）。研究區(qū)屬暖溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，雨熱同期，四季分明。年均氣溫15℃左右，年降水量700 mm，日照2 280 h，無(wú)霜期217 d。供試土壤為黃褐土，質(zhì)地中壤，肥力均勻，灌溉方便。定位試驗(yàn)于2015—2018年進(jìn)行，2015—2016年勻地，2017年種植煙草前測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)：pH 7.61，有機(jī)質(zhì)19.09 g/kg，堿解氮74.7 mg/kg，速效磷8.7 mg/kg，速效鉀114.5 mg/kg，水溶性氯24.8 mg/kg。2017年8月煙葉收獲后整地，冬季休閑，于2018年4月開(kāi)始第二年試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)常規(guī)化肥（CK）；生物炭+化肥（T1）；腐熟秸稈+化肥（T2）；生物炭+腐熟秸稈+化肥（T3）4個(gè)處理，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積0.02 hm2。兩年供試品種均為中煙100。2018年試驗(yàn)各小區(qū)施入N、P、K含量及T1、T2和T3處理施入的總碳量與2017年保持一致。各處理氮用量37.5 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶2∶5。T1、T2 和 T3 處理施入的總碳量為2.25 t/hm2。每年按照有機(jī)物料養(yǎng)分含量調(diào)節(jié)化肥施用量，即施肥方案中需去除有機(jī)物料中N、P、K含量，各處理養(yǎng)分總量與CK保持一致。2018年施肥方案見(jiàn)表1。

本試驗(yàn)中生物炭是將花生殼在400～450℃下低氧炭化30 min后，粉碎并過(guò)2 mm篩后獲得。其pH 8.76，含水率9.25%，比表面積1.089 m2/g，主要官能團(tuán)為烷烴、羥基和酰胺基等，由河南省生物炭技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室提供。養(yǎng)分含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：全碳 50.12%，全氮0.35%，全磷 1.02%，全鉀1.76%。腐熟小麥秸稈養(yǎng)分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：全碳37.1%，全氮 0.41%，全磷 0.76%，全鉀 0.93%。試驗(yàn)中所用的化肥為煙草專用復(fù)合肥（10%N、10%P2O5、20%K2O），硫酸鉀（50%K2O），過(guò)磷酸鈣（12%P2O5），硝酸鉀（13%N，46%K2O）。生物炭和腐熟秸稈于4月24日均勻撒施，通過(guò)翻耕施入耕層土壤。復(fù)合肥、過(guò)磷酸鈣作基肥在起壟前條施。煙苗于5月1日移栽，行、株距分別為120 cm和55 cm，硝酸鉀、硫酸鉀在移栽后30 d追施，按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行田間管理。

表1 不同處理的施肥量Tab.1 Fertilizer application rates in different treatments

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤樣品的采集

土壤樣品于移栽后100 d，每小區(qū)采用“ S”形取樣法取耕層土壤樣品，共5個(gè)采樣點(diǎn)。取樣時(shí)將取樣點(diǎn)（兩株煙之間）煙壟兩側(cè)各挖一個(gè)垂直剖面，煙壟中心土柱寬度約15 cm，將卷尺比對(duì)在土壤切斷面上，自上而下依次取0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm的土壤，即可得到不同深度土層的土樣，及時(shí)去除根系、石礫以及枯草等雜物，將各耕層不同取樣點(diǎn)土壤樣品混合均勻，一部分過(guò)2 mm篩后保存于4℃冰箱中，另一部分風(fēng)干并過(guò)0.85 mm和0.15 mm篩后備用。

1.3.2 土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定

采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮［19］；NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷［19］；NH4OAC浸提火焰光度法測(cè)定速效鉀［19］；重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）［19］。

1.3.3 土壤碳庫(kù)的測(cè)定

采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定有機(jī)碳［19］；333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測(cè)定易氧化有機(jī)碳［20］；水浴鍋加熱蒸干-重鉻酸鉀容量法測(cè)定可溶性有機(jī)碳［21］；氯仿熏蒸浸提法測(cè)定微生物生物量碳［22］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行數(shù)據(jù)間差異的顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

2.1.1 土壤堿解氮

由圖1可知，同一處理不同耕層土壤堿解氮含量無(wú)顯著差異；添加有機(jī)物料后，各處理土壤堿解氮含量較CK明顯降低，其中10～20 cm耕層T2和T3處理與CK間堿解氮含量差異達(dá)到顯著水平；20～30 cm耕層T1和T2處理土壤堿解氮含量顯著低于CK。添加有機(jī)物料的土壤堿解氮含量降低原因可能與化肥施用量減少，有機(jī)物料氮素礦化率相對(duì)較低，以及速效氮的釋放減少有關(guān)。

圖1 不同處理對(duì)植煙土壤堿解氮含量的影響Fig.1 Effects of different treatments on alkali-hydrolyzed nitrogen content in tobacco-planting soil

2.1.2 土壤速效磷

圖2表明，所有處理土壤速效磷含量均表現(xiàn)出隨土壤深度的增加而降低的趨勢(shì)。CK和T2處理0～10 cm耕層土壤速效磷含量顯著高于10～20 cm和20～30 cm耕層，T1和T3處理0～10 cm、10～20 cm耕層顯著高于20～30 cm耕層。與CK相比，生物炭、腐熟秸稈、生物炭+腐熟秸稈處理的0～30 cm耕層土壤速效磷含量分別提高11.06%～35.5%、14.39%～34.88%和16.06%～47.40%。其中，各處理10～20 cm耕層的土壤速效磷含量較CK顯著增加；T3處理0～10 cm耕層較CK顯著增加，10～20 cm耕層T3處理顯著高于T2處理。

圖2 不同處理對(duì)植煙土壤速效磷含量的影響Fig.2 Effects of different treatments on available phosphorus content in tobacco-planting soil

2.1.3 土壤速效鉀

由圖3可知，各處理土壤速效鉀含量均表現(xiàn)為隨耕層深度的增加而降低，所有處理0～10 cm耕層土壤速效鉀含量顯著高于10～20 cm耕層；除T3處理外，其余各處理10～20 cm耕層土壤速效鉀含量顯著高于20～30 cm耕層。添加有機(jī)物料后，0～30 cm耕層各處理速效鉀含量較CK明顯增加，其中0～10 cm、10～20 cm耕層各處理速效鉀含量顯著高于CK，且T3處理顯著高于T2和T1處理；20～30 cm耕層T3處理速效鉀含量也顯著高于CK和其他處理。說(shuō)明T3處理對(duì)提高各耕層土壤速效鉀含量效果最好。

圖3 不同處理對(duì)植煙土壤速效鉀含量的影響Fig.3 Effects of different treatments on available potassium content in tobacco-planting soil

2.1.4 土壤有機(jī)質(zhì)

由圖4可以看出，各處理不同耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為 10～20 cm＞0～10 cm＞20～30 cm。施用有機(jī)物料的3個(gè)處理在0～30 cm耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量較CK均有提高；其中0～10 cm耕層施用生物炭處理、生物炭+腐熟秸稈處理土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于CK；10～20 cm耕層，施用生物炭處理、生物炭+腐熟秸稈處理土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于CK和施用腐熟秸稈處理；20～30 cm耕層，施用生物炭處理土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他處理。說(shuō)明施用生物炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高效果最好，其次是生物炭與腐熟秸稈配施處理。

圖4 不同處理對(duì)植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.4 Effects of different treatments on organic matter content in tobacco-planting soil

2.2 不同處理對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)指標(biāo)的影響

2.2.1 土壤總有機(jī)碳（TOC）含量

土壤TOC是反映土壤肥力狀況的指標(biāo)之一，影響土壤的保肥供肥能力［23］。由表2可知，CK的TOC含量隨土壤深度增加呈下降趨勢(shì)，而施用有機(jī)物料的3個(gè)處理TOC含量隨土壤深度增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，說(shuō)明增施有機(jī)物料改變了土壤有機(jī)碳的空間分布。施用有機(jī)物料處理對(duì)不同耕層土壤TOC含量均有提高作用，0～10 cm耕層施用生物炭處理TOC含量顯著高于其他處理；10～20 cm耕層生物炭+腐熟秸稈處理土壤TOC含量顯著高于CK和腐熟秸稈處理；20～30 cm耕層生物炭+腐熟秸稈、單施腐熟秸稈處理土壤TOC含量顯著高于CK。說(shuō)明單施生物炭對(duì)土壤表層TOC含量增加效果最為明顯，而生物炭+秸稈處理對(duì)深層土壤TOC含量提高效果最好。

表2 不同處理對(duì)植煙土壤有機(jī)碳含量的影響①Tab.2 Effects of different treatments on organic carbon content in tobacco-planting soil （g·kg-1）

2.2.2 土壤易氧化有機(jī)碳（ROC）含量

ROC在土壤中移動(dòng)快、不穩(wěn)定、易于氧化和礦化，是土壤碳庫(kù)短期變化的指示因子［24］。由表3可知，與CK相比，施用有機(jī)物料處理對(duì)各耕層土壤ROC含量均有提高作用，但只有生物炭+腐熟秸稈處理的土壤ROC顯著高于CK。施用有機(jī)物料處理對(duì)不同耕層土壤ROC含量影響不顯著。

表3 不同處理對(duì)植煙土壤易氧化有機(jī)碳含量的影響Tab.3 Effects of different treatments on readily oxidized organic carbon content in tobacco-planting soil（g·kg-1）

2.2.3 土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）含量

土壤DOC具有一定的溶解性，在土壤中移動(dòng)較快、易分解，對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)起著重要的作用［25］。由表4可知，T3處理土壤DOC含量表現(xiàn)為10～20 cm＞0～10 cm＞20～30 cm，其他處理土壤DOC含量均表現(xiàn)為10～20 cm＞20～30 cm＞0～10 cm；與CK相比，0～30 cm耕層施用有機(jī)物料的3個(gè)處理土壤DOC含量均顯著提高，其中0～10 cm耕層土壤提高幅度最大，且生物炭+秸稈處理的效果最好，其次是施用秸稈處理。

表4 不同處理對(duì)植煙土壤可溶性有機(jī)碳含量的影響Tab.4 Effects of different treatments on dissolved organic carbon content in tobacco-planting soil （mg·kg-1）

2.2.4 土壤微生物量碳（MBC）含量

土壤MBC反映了微生物利用土壤碳源的能力，參與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的合成等生化過(guò)程，是有機(jī)物分解和礦化的動(dòng)力［26］。由表5可知，不同處理土壤MBC含量均隨土壤耕層的加深呈上升趨勢(shì)，各處理20～30 cm耕層土壤MBC含量較0～10 cm耕層顯著增加。各耕層土壤施用有機(jī)物料的3個(gè)處理MBC含量均顯著高于CK，表現(xiàn)為T(mén)3＞T2＞T1＞CK。

表5 不同處理對(duì)植煙土壤微生物量碳含量的影響Tab.5 Effects of different treatments on microbial biomass carbon content in tobacco-planting soil （mg·kg-1）

3 討論

作物生長(zhǎng)需要從土壤中汲取氮、磷、鉀等養(yǎng)分，而這些養(yǎng)分的供應(yīng)受自然因素和人為因素的影響，種植綠肥、輪作、施肥等是增加土壤養(yǎng)分、提高土壤肥力的重要措施［27-28］。本研究中發(fā)現(xiàn)，添加有機(jī)物料增加了土壤速效磷和速效鉀含量，而土壤堿解氮含量有所降低，這與譚慧等［29］的研究結(jié)果不一致，原因可能是有機(jī)物料處理時(shí)化肥施用量較少，有機(jī)物料經(jīng)礦化后才釋放無(wú)機(jī)N，延緩了肥效；另一方面有機(jī)物料改善了煙株根際環(huán)境，促進(jìn)了根系生長(zhǎng)發(fā)育［30］，使煙株對(duì)土壤氮素的吸收增多，且有機(jī)物料施入后微生物大量繁殖，其代謝活動(dòng)增強(qiáng)，土壤微生物氮素利用量增多［31］。本試驗(yàn)中添加生物炭和秸稈后0～10 cm和10～20 cm耕層土壤速效養(yǎng)分含量增加明顯，可能是因?yàn)橛袡C(jī)物料在翻壓過(guò)程中，大部分保留在土壤表層（0～20 cm）中，而較深層土壤則因物料保有量較少導(dǎo)致速效養(yǎng)分含量減少。

土壤碳庫(kù)是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的碳庫(kù)，而土壤有機(jī)碳庫(kù)的微小變化會(huì)影響土壤養(yǎng)分的存在狀態(tài)及土壤CO2排放量［32］。Lefroy 等［33］研究表明，土壤活性有機(jī)碳能反映土壤碳庫(kù)更新變化狀況，直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，是土壤養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力，能夠較快地反映因管理措施引起土壤碳庫(kù)的微小變化。本研究中發(fā)現(xiàn)，添加生物炭和腐熟秸稈的土壤有機(jī)質(zhì)及各碳庫(kù)組分含量均明顯增加，這是因?yàn)樯锾亢透旖斩挒楦惶疾牧?，將其施入土壤相?dāng)于直接向土壤中輸入外源有機(jī)質(zhì)，且外源碳施入是對(duì)土壤的巨大擾動(dòng)，活化了土壤潛在養(yǎng)分，刺激了土壤酶和微生物的代謝，其活性增加，代謝產(chǎn)物增多，腐熟秸稈活性炭和生物炭中脂族碳、氧化態(tài)碳部分被分解礦化［34］，使合成有機(jī)質(zhì)的量增加。韓瑋等［35］認(rèn)為生物炭能顯著增加土壤有機(jī)碳含量，而秸稈還田對(duì)土壤微生物生物量的提升效果更好，這與本研究結(jié)果一致，其原因是本試驗(yàn)中所用生物炭是在相對(duì)高溫條件下產(chǎn)生，裂解過(guò)程中氧化不完全進(jìn)而產(chǎn)生一部分小分子有機(jī)碳［36］，施入后直接增加TOC含量，但其非活性炭組分比例更高，生物炭表面含有高度濃縮的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，使其性質(zhì)更加穩(wěn)定，不易礦化分解［37］；而腐熟秸稈施入土壤后，為微生物提供可利用碳源較多［38］，促進(jìn)微生物繁殖，使其數(shù)量增多且活性提高，而微生物的活動(dòng)也會(huì)刺激土壤碳分解，進(jìn)一步降低土壤碳的穩(wěn)定性。除0～10 cm耕層有機(jī)碳含量外，混施處理各有機(jī)碳庫(kù)指標(biāo)均明顯高于單施有機(jī)物料處理，一方面有機(jī)物料含有較多碳元素，而生物炭和腐熟秸稈含有碳源種類(lèi)不同，混施后土壤碳含量及種類(lèi)增加，可為微生物提供更豐富的物質(zhì)和能量，且生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)可對(duì)微生物產(chǎn)生物理保護(hù)作用［39］，二者相輔相成，促進(jìn)微生物的活動(dòng)和繁殖，使其豐度和多樣性增加；另一方面生物炭和腐熟秸稈混施可促進(jìn)煙草根系生長(zhǎng)發(fā)育，根系分泌物增多也可增強(qiáng)根系分泌酶及微生物的活性，在酶類(lèi)和微生物的作用下有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化加快［40］，有利于有機(jī)物料碳的釋放，最終使土壤有機(jī)碳庫(kù)容量增加。

在本試驗(yàn)中，對(duì)照TOC含量隨土壤深度增加呈下降趨勢(shì)，而有機(jī)物料處理呈先上升后下降的趨勢(shì)，說(shuō)明增施有機(jī)物料改變了有機(jī)碳空間分布狀況，有提高10～30 cm耕層土壤有機(jī)碳含量的趨勢(shì)。各處理ROC和DOC含量10～20 cm土層均高于0～10 cm，這是因?yàn)榭緹煾抵饕植荚?0～20 cm耕層，此土層活性根總數(shù)最多且根系活力較強(qiáng)［41］，根系分泌物也相應(yīng)增多，促進(jìn)碳代謝酶及各類(lèi)微生物的生長(zhǎng)，有利于碳庫(kù)各組分分解轉(zhuǎn)化，且表層土壤因陽(yáng)光直射溫度較高，水分揮發(fā)后墑情降低，不利于微生物繁殖生存，導(dǎo)致表層各活性炭組分含量較低。本研究中還發(fā)現(xiàn)，所有處理MBC含量以20～30 cm土層含量最高，這與孟繁昊等［42］研究結(jié)果不一致，其原因需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

添加有機(jī)物料對(duì)土壤肥力的影響，因施入年限長(zhǎng)短、作物種類(lèi)、生物炭材料不同等原因表現(xiàn)出較大的差異，其作用機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究，而添加不同有機(jī)物料對(duì)植煙土壤碳庫(kù)容量動(dòng)態(tài)變化也有待長(zhǎng)期進(jìn)一步定位觀測(cè)。

4 結(jié)論

煙田連續(xù)2年施用有機(jī)物料后土壤速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量明顯增加；單施生物炭對(duì)有機(jī)質(zhì)和表層土壤TOC含量的增加最為顯著，而單施腐熟秸稈較單施生物炭更有利于提高土壤各活性炭組分含量；生物炭和腐熟秸稈混施土壤速效磷和有機(jī)質(zhì)含量介于生物炭和腐熟秸稈之間，速效鉀、TOC總量及各活性有機(jī)碳含量均高于單施生物炭和腐熟秸稈。生物炭和腐熟秸稈混施對(duì)土壤培肥效果最好，植煙土壤有機(jī)碳庫(kù)質(zhì)量明顯改善，更有利于保持土壤健康狀態(tài)，且有機(jī)物料對(duì)植煙土壤的作用效果主要集中在0～10 cm和10～20 cm耕層。