何曉冰， 毛 娟， 王曉強， 許躍奇， 張 凱， 常 棟

(河南省煙草公司 平頂山市公司， 河南 平頂山 467000)

生物炭是農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在缺氧或低氧條件下熱裂解形成的穩(wěn)定富碳產(chǎn)物[1]。由于其特殊的物理結(jié)構(gòu)和功能特性，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上可發(fā)揮良好的作用[2]。以生物炭為載體，與其他類型肥料混合制成的生物炭基肥，可彌補生物炭有效養(yǎng)分含量低的不足，同時可改善土壤狀況，提高作物對養(yǎng)分的吸收利用及其品質(zhì)[3-4]?？等辗宓萚5]通過盆栽試驗表明，生物炭基肥可顯著提高小麥對氮和磷的吸收利用率。馬莉等[6]研究表明，不同溫度熱解制備的生物炭均對小麥生長有促進作用，并且小麥地上部的干物質(zhì)重量也有顯著提高。葛少華等[7]研究報道，增施生物炭減少化肥氮可提高烤煙對氮素的吸收利用率。劉卉等[8]研究表明，施用較低水平生物炭可促進烤煙前期的生長發(fā)育和化學(xué)成分的協(xié)調(diào)。高林等[9]研究表明，生物炭與化肥混施可一定程度上促進氮素和鉀素養(yǎng)分的吸收利用，但磷素的積累呈下降狀態(tài)?？緹煾晌镔|(zhì)的積累和養(yǎng)分吸收是煙株生長發(fā)育的重要指標，了解烤煙生長過程中干物質(zhì)和養(yǎng)分的動態(tài)變化規(guī)律，有助于生產(chǎn)上采取有效措施調(diào)控烤煙的生長發(fā)育，提高其產(chǎn)質(zhì)量。MOUSTAKAS等[10-12]對烤煙干物質(zhì)積累和養(yǎng)分吸收方面已進行了研究報道。鮮見生物炭基肥不同用量對烤煙干物質(zhì)和養(yǎng)分積累影響的研究報道。為此，采用大田試驗方法，以河南省郟縣主栽品種中煙100為研究對象，利用Logistic模型研究不同生物炭基肥用量下烤煙干物質(zhì)積累和氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收的動態(tài)變化規(guī)律，以期為烤煙生產(chǎn)上科學(xué)施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2017年在河南省郟縣茨芭鎮(zhèn)進行(東經(jīng)113.08°，北緯34.07°)，海拔224 m，主要種植作物為煙草，屬暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫14.6℃，≥10℃年活動積溫4 734.9℃，無霜期220 d左右，年平均日照時數(shù)2 232 h，日照率50%。年平均降雨量680 mm，7-9月降雨量占全年的70%左右，屬丘陵干熱少雨區(qū)，高溫期與多雨期同步。土壤類型為壤土，其有機質(zhì)含量18.9 g/kg，堿解氮62.8 mg/kg，速效磷20.4 mg/kg，速效鉀170.4 mg/kg，pH 7.12。

1.2 材料

1.2.1 烤煙 供試品種為中煙100，來源于青島中煙種子有限責任公司。

1.2.2 肥料 化肥(N∶P2O5∶K2O 為8∶12∶20)，湖北香青化肥有限公司生產(chǎn)的煙草專用復(fù)合肥；生物炭基肥(生物炭種類為秸稈炭，有機質(zhì)60%，全氮2.5%，全磷0.56%，全鉀3.4%，pH 7.7)，河南寶融生物科技有限公司生產(chǎn)。

1.3 方法

1.3.1 試驗設(shè)計 采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)4個處理：對照(CK)，施用純化肥；T1，化肥+0.9 t/hm2生物炭基肥；T2，化肥+1.5 t/hm2生物炭基肥；T3，化肥+2.1 t/hm2生物炭基肥；3次重復(fù)。小區(qū)面積約130 m2，所有處理的化肥氮素用量均為52.5 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O施用比例為1∶1∶3.5，生物炭基肥全部用作基肥條施。大田管理按照平頂山市煙葉生產(chǎn)管理標準體系相關(guān)操作規(guī)程進行。

1.3.2 樣品采集與測定 各處理自移栽后30 d起，每隔15 d選取3棵代表性煙株，分部位于105℃殺青15 min，并在65℃烘干至恒重，分別記錄烤煙根、莖、葉的干物質(zhì)重量，粉碎過60目篩，保存?zhèn)溆谩？偟?，參照文獻[13]的方法，采用AA3型連續(xù)流動分析儀測定；總磷和總鉀，參照文獻[14]的方法，經(jīng)稀硝酸浸提后，采用ICP-OES測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)收集后，利用Origin 9.0進行Logistic非線性方程擬合并估算參數(shù)a、b和c。煙株氮、磷、鉀的積累利用干物質(zhì)重與相對應(yīng)的養(yǎng)分含量相乘獲得，以g/m2表示。Logistic方程是描述干物質(zhì)積累量隨時間的增加而增大，且向潛在最大值漸進的一組曲線；干物質(zhì)積累速率方程就是Logistic方程的一階導(dǎo)數(shù)。其數(shù)學(xué)表達式如下。

式中，y是指在移栽后不同時間(x，d)烤煙干物質(zhì)積累或養(yǎng)分積累的量，e為自然常數(shù)，a、b和c為模型參數(shù)，a表征烤煙潛在最大干物質(zhì)量(g/m2)，b表征與干物質(zhì)積累量有關(guān)的阻滯系數(shù)，c表征干物質(zhì)的增長率(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理烤煙干物質(zhì)積累量的變化

經(jīng)對烤煙干物質(zhì)積累動態(tài)進行曲線擬合，得出其不同處理參數(shù)的變化，各處理模型決定系數(shù)均在0.99以上，擬合程度較好，模擬值與實測值的相關(guān)性達極顯著水平(表1)。從圖1看出，T1、T2和T3分別在移栽后66 d、68 d和67 d烤煙干物質(zhì)積累達最大積累速率，分別為11.98 g/(m2·d)、12.61 g/(m2·d)和11.28 g/(m2·d)；CK在移栽后61 d達最大積累速率，為10.55 g/(m2·d)。表明，增施生物炭基肥后，烤煙干物質(zhì)最大積累速率均增大，最大速率出現(xiàn)時間較CK推后。CK快速增長期為移栽后的47～75 d，期間干物質(zhì)積累量為256.97 g/m2，占全生育期總積累量的58.15%；T1、T2和T3快速增長期分別為移栽后的52～81 d、53～82 d和50～85 d，干物質(zhì)積累量分別為300.88 g/m2、319.50 g/m2和351.22 g/m2，分別占全生育期總積累量的58.34%、58.42%和59.08%。增施高用量生物炭基肥烤煙快速增長期的持續(xù)時間延長，此階段干物質(zhì)的積累量增加，但其所占煙株干物質(zhì)總積累量的比例變化不大。

表1生物炭基肥不同用量烤煙干物質(zhì)積累模型的特征參數(shù)

Table 1 Characteristic parameters of dry matter accumulation model for flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

處理Treatment參數(shù) Parameterabc決定系數(shù)R2Determination coefficientCK443.57 333.93 0.0950.996 2 ??T1519.37 449.40 0.0920.995 9 ??T2551.51 491.52 0.0910.994 9 ??T3606.26 149.92 0.0740.998 4 ??

注：**表示差異極顯著(P<0.01)，下同。

Note:** indicates significance of difference atP<0.01 level. The same below.

圖1生物炭基肥不同用量烤煙干物質(zhì)積累量與積累速率的變化

Fig.1 Variation of dry matter accumulation and accumulation rate of flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

2.2 不同處理烤煙氮素積累量的變化

經(jīng)對烤煙氮素積累動態(tài)進行曲線擬合，得出其不同處理參數(shù)的變化，各處理模型決定系數(shù)均在0.99以上，擬合程度較好，模擬值與實測值的相關(guān)性達極顯著水平(表2)。從圖2看出，T1、T2和T3分別在移栽后62 d、63 d和59 d烤煙氮素積累達最大積累速率，分別為0.19 g/(m2·d)、0.20 g/(m2·d)和0.21 g/(m2·d)；CK在移栽后61 d達最大積累速率，為0.15 g/(m2·d)。表明增施生物炭基肥后，烤煙氮素最大積累速率均增大，最大速率出現(xiàn)時間T3較CK早，T1和T2較CK略晚。CK快速增長期為移栽后的40～83 d，期間氮素積累量為5.67 g/m2，占全生育期總積累量的59.47%；T1、T2和T3快速增長期分別為移栽后的44～80 d、43～83 d和41～77 d，氮素積累量分別為6.05 g/m2、6.82 g/m2和6.82 g/m2，分別占全生育期總積累量的58.72%、59.20%和58.60%。增施生物炭基肥烤煙氮素快速增長期的持續(xù)時間較CK縮短，此階段氮素的積累量較CK增加。

表2生物炭基肥不同用量烤煙氮素積累模型的特征參數(shù)

Table 2 Characteristic parameters of N accumulation model for flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

處理Treatment參數(shù) Parameterabc決定系數(shù)R2Determination coefficientCK9.7945.110.0620.997 8 ??T110.4497.620.0740.991 2 ??T211.7767.760.0670.998 9 ??T311.7772.400.0730.990 7 ??

圖2生物炭基肥不同用量烤煙氮素積累量與積累速率的變化

Fig.2 Variation of N accumulation and accumulation rate of flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

2.3 不同處理烤煙磷素積累量的變化

經(jīng)對烤煙磷素積累動態(tài)進行曲線擬合，得出其不同處理參數(shù)的變化，各處理模型決定系數(shù)均在0.99以上，擬合程度較好，模擬值與實測值的相關(guān)性達極顯著水平(表3)。從圖3看出，T1、T2和T3分別在移栽后63 d、67 d和64 d烤煙磷素積累達最大積累速率，分別為0.009 1 g/(m2·d)、0.011 0 g/(m2·d)和0.012 1 g/(m2·d)；CK在移栽后61 d達最大積累速率，為0.008 8 g/(m2·d)。表明增施生物炭基肥后，烤煙磷素最大積累速率均增大，最大速率出現(xiàn)時間較CK推后。CK快速增長期為移栽后的42～80 d，期間磷素積累量為0.29 g/m2，占全生育期總積累量的58.87%；T1、T2和T3快速增長期分別為移栽后的44～82 d、47～86 d和45～83 d，磷素積累量分別為0.31 g/m2、0.38 g/m2和0.40 g/m2，分別占全生育期總積累量的59.09%、59.56%和59.05%。增施生物炭基肥烤煙磷素快速增長期的持續(xù)時間與CK接近，低用量生物炭基肥(T1)對于煙株磷素積累沒有明顯提升效果。

表3生物炭基肥不同用量烤煙磷素積累模型的特征參數(shù)

Table 3 Characteristic parameters of P accumulation model for flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

處理Treatment參數(shù) Parameterabc決定系數(shù)R2Determination coefficientCK0.5072.190.0700.984 9 ??T10.5378.910.0690.997 3 ??T20.6687.210.0670.994 9 ??T30.6985.940.0700.998 6 ??

圖3生物炭基肥不同用量烤煙磷素積累量與積累速率的變化

Fig.3 Variation of P accumulation and accumulation rate of flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

2.4 不同生物炭基肥用量下烤煙鉀素積累變化規(guī)律

經(jīng)對烤煙鉀素積累動態(tài)進行曲線擬合，得出其不同處理參數(shù)的變化，各處理模型決定系數(shù)均在0.99以上，擬合程度較好，模擬值與實測值的相關(guān)性達極顯著水平(表4)。從圖4看出，T1、T2和T3分別在移栽后57 d、64 d和61 d烤煙鉀素積累達最大積累速率，分別為0.10 g/(m2·d)、0.12 g/(m2·d)和0.14 g/(m2·d)；CK在移栽后60 d達最大積累速率，為0.08 g/(m2·d)。表明增施生物炭基肥后，烤煙鉀素最大積累速率均增大。

表4生物炭基肥不同用量烤煙鉀素積累模型的特征參數(shù)

Table 4 Characteristic parameters of K accumulation model for flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

處理Treatment參數(shù) Parameterabc決定系數(shù)R2Determination coefficientCK5.76 23.84 0.053 0.990 8 ??T16.02 38.49 0.064 0.999 0 ??T27.72 57.70 0.064 0.993 3 ??T37.74 72.70 0.070 0.993 3 ??

圖4生物炭基肥不同用量烤煙鉀素積累量與積累速率的變化

Fig.4 Variation of K accumulation and accumulation rate of flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

最大速率出現(xiàn)時間T1最早，為57 d；T2最晚，為64 d；T2和T3較CK推后。CK快速增長期為移栽后的35～85 d，期間鉀素積累量為3.34 g/m2，占全生育期總積累量的60.41%；T1、T2和T3快速增長期分別為移栽后的44～82 d、47～86 d和45～83 d，鉀素積累量分別為3.48 g/m2、4.47 g/m2和4.48 g/m2，分別占全生育期總積累量的58.92%、59.52%和58.87%。增施生物炭基肥烤煙鉀素快速增長期的持續(xù)時間均較CK短。

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，施用生物炭基肥煙株干物質(zhì)積累和氮磷鉀的吸收明顯增加，對煙葉內(nèi)在品質(zhì)的提升具有重要的意義。目前，多數(shù)研究結(jié)果表明，施用生物炭對作物的養(yǎng)分積累有一定的促進作用，但由于土壤類型和生物炭種類等不同，研究結(jié)果也存在一定的差異性。因此，今后應(yīng)深入研究生物炭對土壤改良的作用機理，為其合理施用提供科學(xué)依據(jù)。

干物質(zhì)積累是烤煙產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，不同栽培與施肥措施都會影響其干物質(zhì)和養(yǎng)分的積累，同時烤煙所需的各類養(yǎng)分對干物質(zhì)的形成影響較大。大量研究表明，適當添加生物炭能夠促進作物生長，提高作物產(chǎn)量[15-19]。彭輝輝等[20]報道，生物炭、有機肥和化肥三者混施可增加春玉米對養(yǎng)分的吸收和利用；趙殿峰[21]研究表明，施用適量生物炭前期烤煙的生長受到抑制，但旺長期以后烤煙的干物質(zhì)量提高。肖佳冰等[22]報道，施加生物炭600 kg/hm2和900 kg/hm2處理較不施加生物炭處理煙株的干物質(zhì)積累量提高。研究結(jié)果表明，隨著生物炭基肥用量的提高，干物質(zhì)積累量也隨之增加；此外，增施生物炭基肥延長了烤煙快速增長期的持續(xù)時間，增加了此階段干物質(zhì)的積累量?？赡苁鞘┯蒙锾靠纱龠M根系生長發(fā)育，從而提高植株對養(yǎng)分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，進而促進植株的生長發(fā)育[23]。

生物炭表面多孔、比表面積大，其特殊而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)對NO3-和NH4+具有較強的吸附能力，生產(chǎn)上常被用作土壤改良劑改善土壤性質(zhì)和減少氮素養(yǎng)分的淋溶損失[24]。武麗君等[25-26]研究表明，生物炭在提高氮肥利用率和降低氮肥損失上具有很好的效果。吳嘉楠等[27-28]在研究生物炭與氮肥配施對烤煙氮素分配的影響時發(fā)現(xiàn)，與不施用生物炭相比，生物炭與氮肥配施烤煙生長前期氮素流失減少，烤煙氮素的累積量提高。曲晶晶等[29]報道，水稻田施用小麥秸稈生物炭可顯著提高水稻對氮肥的利用率。樊鵬飛等[30]通過研究滴灌條件下施用生物炭對烤煙氮素的影響得出，施用生物炭氮肥利用率達68.01%，可明顯促進煙株對氮素的吸收效果。研究結(jié)果表明，施用生物炭基肥可促進煙株對氮素吸收利用，其生長后期的氮素積累量增加，與前人的研究結(jié)果基本一致。

磷是烤煙生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位的營養(yǎng)元素之一，其對煙株的能量代謝、碳水化合物代謝、氮代謝和有機物質(zhì)的運轉(zhuǎn)具有非常重要的作用[31]，煙株適宜的磷素含量對其正常生長發(fā)育尤其是煙葉品質(zhì)提高均具有一定的促進作用[32]。王衛(wèi)民等[33]報道，根區(qū)穴施0.2 kg/株的生物炭基肥可促進煙株根、莖和葉對磷素的吸收。陳懿等[34]對貴州植煙土壤施用生物炭基肥的研究也得出相同的結(jié)論，與常規(guī)施肥相比，施用生物炭基肥烤煙磷素的積累量提高。研究結(jié)果表明，低用量生物炭基肥對煙株磷素的積累影響不明顯，但高用量的生物炭基肥則有利于磷素的積累。與前人的研究結(jié)果相似。但是高林等[9]的研究結(jié)果則得出相反的結(jié)論，隨著生物炭用量的增加，煙株磷素的積累反而呈下降趨勢。

除氮素和磷素外，鉀素也是植物必需的營養(yǎng)元素之一，對烤煙的物質(zhì)和能量代謝有很重要的作用，顯著降低煙葉尼古丁的含量，同時鉀素對煙葉的香吃味和燃燒性具有積極作用。管恩娜等[35]報道，在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上增施生物質(zhì)炭可促進烤煙生長過程中對鉀元素的吸收。高林等[9]研究表明，生物炭與化肥混施煙葉的鉀含量有所提高。研究結(jié)果表明，隨著生物炭用量的提高，烤煙的鉀素積累量也隨之增加，與前人的研究結(jié)果一致。