生物炭與氮肥減量配施對烤煙生長及土壤酶活性的影響

劉 領，王艷芳，宋久洋，周俊學，王小東，陳明燦*

(1.河南科技大學 農(nóng)學院，河南 洛陽 471003； 2.洛陽市煙草公司，河南 洛陽 471000)

生物炭與氮肥減量配施對烤煙生長及土壤酶活性的影響

劉 領1，王艷芳1，宋久洋1，周俊學2，王小東1，陳明燦1*

(1.河南科技大學 農(nóng)學院，河南 洛陽 471003； 2.洛陽市煙草公司，河南 洛陽 471000)

通過盆栽試驗研究了生物炭與氮肥減量配施(CK：常規(guī)施氮量；T1：常規(guī)施氮量+生物炭；T2：90%常規(guī)施氮量+生物炭；T3：80%常規(guī)施氮量+生物炭；T4：70%常規(guī)施氮量+生物炭)對烤煙生長及土壤酶活性的影響，以期為生物炭輸入條件下烤煙的氮肥運籌提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，與CK相比，在常規(guī)施氮量條件下添加生物炭顯著增加了煙葉葉綠素a+b和類胡蘿卜素的含量，顯著提高了煙株根系活力及土壤酶活性，促進了烤煙的生長；在生物炭添加條件下，減少常規(guī)施氮量的10%～20%并沒有顯著影響煙株生長及煙葉葉綠素a+b含量、類胡蘿卜素含量、凈光合速率，且更有利于提高土壤酶活性、煙株根系活力和根冠比。建議在生物炭輸入條件下適量減少氮肥施用量，這樣更有利于提高煙田氮肥利用效率，保障煙區(qū)健康發(fā)展。

生物炭； 氮肥減量施用； 烤煙； 根系活力； 凈光合速率； 土壤酶活性

煙草作為我國主要的經(jīng)濟作物之一，在國民經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位。目前，煙草在我國的常年種植面積約100萬hm2[1]。隨著我國化肥工業(yè)的發(fā)展和煙葉的連年種植，人們在煙葉生產(chǎn)中不斷投入大量的化肥，在獲得煙葉產(chǎn)量提高的同時，煙區(qū)土壤有機質(zhì)含量下降、土壤結(jié)構(gòu)和微生物生態(tài)環(huán)境惡化、煙葉病害加重、煙葉品質(zhì)降低等問題已逐漸凸顯[2-3]。在目前的烤煙生產(chǎn)中，氮肥施用過量的現(xiàn)象較為普遍。氮素供應過多，一方面造成煙葉生長后期貪青晚熟，烘烤性能差，烤后煙葉品質(zhì)低劣；另一方面還造成煙田氮素營養(yǎng)流失，肥料利用率低，影響煙區(qū)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展[4-5]。

生物炭是指農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)材料在缺氧條件下高溫裂解形成的一種固體產(chǎn)物[6]。由于其特殊的理化特性，近年來在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的應用研究逐漸增多，在消除土壤污染、改善土壤性能、提高肥料利用效率、增強農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)力方面具有潛在的應用前景[7-9]。目前，關于生物炭在烤煙上的應用研究主要集中于其對烤煙生長及烤后煙葉產(chǎn)量、品質(zhì)的影響方面，且多數(shù)研究聚焦在其添加量和添加方式方面[10-13]。有關生物炭與肥料的互作效應及其對土壤酶活性影響的報道比較缺乏。為此，開展了生物炭與氮肥減量配施對烤煙生長及土壤酶活性影響的研究，旨在進一步探明生物炭在烤煙生產(chǎn)中的生態(tài)學效應，為生物炭輸入條件下烤煙的氮肥運籌提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2013年在河南科技大學開元校區(qū)農(nóng)場進行。盆栽試驗用土為農(nóng)場0～20 cm耕層土壤，經(jīng)自然風干后過篩，土壤質(zhì)地為紅黏土，土壤有機質(zhì)含量為15.1 g/kg，速效氮含量為82.2 mg/kg，速效磷含量為8.39 mg/kg，速效鉀含量為128.5 mg/kg，pH值為7.54。每盆裝土25 kg，煙草專用復合肥(N∶P2O5∶K2O=10∶12∶18)、過磷酸鈣(含P2O517%)、硫酸鉀(含K2O 50%)及生物炭與土壤充分混勻后裝入塑料盆中，盆上口徑為36 cm，底直徑為30 cm，高為40 cm。供試烤煙(NicotianatabacumL.)品種為豫煙6號；生物炭為河南商丘三利新能源有限公司提供的花生殼高溫炭化后產(chǎn)品。

1.2 試驗設計

試驗共設5個處理，即CK：100%常規(guī)施氮量；T1：100%常規(guī)施氮量+生物炭；T2：90%常規(guī)施氮量+生物炭；T3：80%常規(guī)施氮量+生物炭；T4：70%常規(guī)施氮量+生物炭。每個處理15盆，共計75盆，完全隨機排列。常規(guī)施氮量指每盆添加純氮5 g，氮肥來源為煙草專用復合肥;生物炭添加量為每盆180 g；所有處理的磷、鉀肥用量相同，T2、T3、T4三個處理磷、鉀肥的差值分別采用過磷酸鈣、硫酸鉀來補充。煙苗于5月6日移栽入盆中，每盆栽煙1株，煙苗栽入盆中后深埋于土壤中，按田間行株距(行距120 cm、株距50 cm)進行隨機排列，煙苗定期定量澆水，按當?shù)責熑~栽培技術進行管理。

1.3 測定項目及方法

于煙株旺盛生長期(移栽后60 d)，分別測定各處理煙株的株高、最大葉面積、葉片數(shù)、莖圍、根冠比、根系活力、葉綠素含量、類胡蘿卜素含量、凈光合速率及根際土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性。最大葉面積=最大葉長×最大葉寬×0.634 5，根冠比=(根系干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量)×100%。根系活力采用改良的氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定[14]。葉綠素和類胡蘿卜素含量采用分光光度法測定[15]。在8:00—18:00采用Li-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)測定功能葉(倒數(shù)第6位葉)的凈光合速率，Li-6400儀器使用開放式氣路，內(nèi)置光源，光強為1 500 μmol/(m2·s)。土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007、SPSS 16.0和DPS 6.55進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭與氮肥減量配施對烤煙生物學性狀的影響

由表1可知，T1處理烤煙的株高、葉片數(shù)、最大葉面積、莖圍、根冠比均最大，且除葉片數(shù)外，其他指標均與CK差異顯著，表明常規(guī)施氮量條件下添加生物炭有利于煙株根系的發(fā)育，促進煙株地上部分的快速生長。與CK相比，在生物炭添加條件下各減量施氮處理的烤煙株高、葉片數(shù)、最大葉面積和莖圍均不同程度下降，但僅T4處理與CK差異顯著，表明在生物炭輸入條件下減少氮肥施用量的10%～20%未對烤煙生長造成顯著影響，這可能與生物炭能夠保肥增效、提高氮肥利用率有關；在生物炭添加條件下各減量施氮處理的根冠比均增加，表明生物炭在改良土壤結(jié)構(gòu)、促進煙株根系發(fā)育方面具有較大潛力。

表1 生物炭與氮肥減量配施對烤煙生物學性狀的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 生物炭與氮肥減量配施對烤煙葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響

由表2可知，葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量均以T1處理最高，顯著高于CK。與CK相比，在生物炭添加條件下各減量施氮處理烤煙的葉綠素a+b含量均降低，但僅有T4處理與CK差異顯著；在生物炭添加條件下各減量施氮處理烤煙的類胡蘿卜素含量也呈減少趨勢，但處理間差異均不顯著。綜上，在生物炭輸入條件下減少氮肥施用量的10%～20%并未顯著影響煙葉中光合色素的合成，這也可能與生物炭具有較強的養(yǎng)分持留作用有關。

表2 生物炭與氮肥減量配施對烤煙葉綠素和類胡蘿卜素含量的影響 mg/g

2.3 生物炭與氮肥減量配施對烤煙凈光合速率的影響

由圖1可知，各處理烤煙的凈光合速率日變化曲線表現(xiàn)一致，均呈M形雙峰曲線。各處理均在10:00凈光合速率達到最大值，其后凈光合速率逐漸下降；在14:00時凈光合速率達到一個低谷，此時由于外界氣溫較高，蒸騰速率加快，導致葉片部分氣孔關閉，從而使煙草葉片產(chǎn)生“午休”現(xiàn)象；16:00時凈光合速率又有所增高，此后逐漸下降，到18:00時凈光合速率達到最小值。各處理烤煙凈光合速率平均值表現(xiàn)為T2>T3>T1>CK>T4，由方差分析可知，T4處理與CK差異顯著(P<0.05)，T1、T2和T3處理與CK差異不顯著(P>0.05)，表明在生物炭輸入條件下減少氮肥施用量的10%～20%未對旺長期烤煙凈光合速率產(chǎn)生顯著影響。

圖1 生物炭與氮肥減量配施對烤煙凈光合速率的影響

2.4 生物炭與氮肥減量配施對烤煙根系活力的影響

由圖2可知，與CK相比，添加生物炭處理的根系活力均顯著增加，T1處理最高，T2處理次之，其次為T3、T4處理，分別比CK增加31.7%、26.2%、23.6%、22.1%。表明，添加生物炭對煙株根系生長具有較大的促進作用，且在生物炭添加條件下適量減少氮肥施用量時煙株根系仍具有較強的活力，這可能與生物炭能夠疏松土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤微生態(tài)環(huán)境，進而提高根系活力有關。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同圖2 生物炭與氮肥減量配施對烤煙根系活力的影響

2.5 生物炭與氮肥減量配施對烤煙根際土壤酶活性的影響

土壤酶作為土壤中活躍的有機成分之一，在土壤養(yǎng)分循環(huán)以及植物生長所需養(yǎng)分的供給過程中起到重要作用。由圖3可知，與CK相比，在生物炭添加條件下不同施氮量處理土壤脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶的活性均有不同程度的增加，表明生物炭輸入對改善土壤微生態(tài)環(huán)境，促進土壤酶活性具有重要作用。其中，土壤脲酶活性表現(xiàn)為T2>T1>T3>T4>CK，T1、T2、T3處理均與CK差異顯著；土壤過氧化氫酶活性表現(xiàn)為T2>T4>T1>T3>CK，T2、T4處理與CK差異顯著；土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)為T3>T1>T2>T4>CK， T3、T1處理與CK差異顯著。表明在生物炭添加條件下，減量施氮10%有益于提高土壤脲酶和過氧化氫酶的活性，減量施氮20%更有益于提高土壤蔗糖酶的活性。

3 結(jié)論與討論

土壤酶是土壤中活躍的有機成分之一，其活性高低反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的動態(tài)，對協(xié)調(diào)土壤生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮平衡，維持土壤健康及在植物生長所需養(yǎng)分的供給過程中起到重要作用。土壤脲酶直接參與土壤中含氮有機化合物的轉(zhuǎn)化，提高氮的生物有效性，其活性強度常被用來表征土壤氮素供應狀況。過氧化氫酶直接參與生物呼吸過程的物質(zhì)代謝，解除在呼吸過程中產(chǎn)生的對活細胞有害的過氧化氫，其活性強度常用來表征土壤氧化強度。蔗糖酶直接參與土壤碳循環(huán)，改善土壤碳素營養(yǎng)狀況，常用來表征土壤碳素營養(yǎng)狀況[25]。生物炭的特殊結(jié)構(gòu)及其吸附性能決定了其對土壤酶作用的復雜性。一方面由于生物炭對反應底物的吸附，有利于酶促反應，進而提高土壤酶活性；另一方面由于生物炭對酶分子的吸附，保護了酶促反應的結(jié)合位點，從而抑制了酶促反應的進行[26]。陳心想等[27]研究表明，施用生物炭可顯著提高土壤脲酶、過氧化氫酶和玉米收獲后堿性磷酸酶活性，但對蔗糖酶和小麥季堿性磷酸酶活性影響不顯著。王麗淵等[28]研究表明，生物炭抑制根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性，但這種抑制作用隨著生育期的推進而逐漸減小，施加生物炭可以提高烤煙生育后期過氧化氫酶活性，且土壤過氧化氫酶活性隨著生物炭添加量的增加而提高。馮愛青等[29]研究表明，施用控釋肥及添加生物炭可提高土壤脲酶活性，抑制土壤脫氫酶和中性磷酸酶活性，對土壤過氧化氫酶活性沒有顯著影響。本研究表明，與CK相比，在生物炭添加條件下不同施氮量處理土壤脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶的活性均有不同程度的增加，這可能與生物炭輸入改善了植煙土壤通氣狀況和微生物環(huán)境，提高土壤碳氮比，增強土壤的生物化學反應，促進物質(zhì)循環(huán)，進而提高土壤酶活性有關[30]。本研究還表明，在生物炭添加條件下適量減少氮肥施用量并沒有顯著影響植煙土壤酶活性，而且減量施氮10%更有益于提高土壤脲酶和過氧化氫酶的活性，減量施氮20%更益于提高土壤蔗糖酶的活性。這可能與生物炭能夠為微生物提供碳源，作為肥料載體具有較強的養(yǎng)分持留和緩釋效應有關[7,22]。

綜上所述，本研究表明施用生物炭能夠提高植煙土壤酶活性，對烤煙的生長具有積極的促進效應；相比于常規(guī)施氮量，生物炭輸入條件下減量施氮10%～20%并沒有顯著影響烤煙的生長。鑒于目前我國煙區(qū)煙葉生產(chǎn)中化學肥料長期過量投入帶來的負面效應，建議在生物炭輸入條件下減少氮肥施用量的10%～20%，這樣更有利于提高煙田肥料的利用效率，從而保障煙區(qū)持續(xù)健康發(fā)展。

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Effects of Biochar Addition Combined with Reducing Nitrogen Application Rate on Growth of Flue-cured Tobacco and Soil Enzyme Activities

LIU Ling1,WANG Yanfang1,SONG Jiuyang1,ZHOU Junxue2,WANG Xiaodong1,CHEN Mingcan1*

(1.School of Agriculture,Henan University of Science & Technology,Luoyang 471003,China; 2.Luoyang Tobacco Company,Luoyang 471000,China)

A pot experiment was conducted to investigate the influences of biochar addition combined with reducing nitrogen application rate (CK:conventional nitrogen application rate;T1:conventional nitrogen application rate combined with biochar;T2:90% conventional nitrogen application rate combined with biochar;T3:80% conventional nitrogen application rate combined with biochar;T4:70% conventional nitrogen application rate combined with biochar) on growth of flue-cured tobacco and soil enzyme activities,so as to provide theoretical basis for nitrogen application rate under biochar addition condition.The results showed that compared with CK,the treatment of conventional nitrogen application rate combined with biochar significantly increased the contents of tobacco chlorophyll and carotenoid,significantly enhanced tobacco root activity and soil enzyme activities,and promoted the growth of tobacco;the treatments of biochar addition combined with 10%—20% reducing nitrogen application rate were benificial to improve the soil enzyme activities,tobacco root activity and root-shoot ratio when compared with the control.This research suggested that reducing nitrogen application rate was beneficial to improve nitrogen use efficiency and guarantee the healthy development of tobacco production area under biochar addition condition.

biochar; reducing nitrogen application rate; flue-cured tobacco; root activity; net photosynthesis rate; soil enzyme activities

2015-09-10

國家自然科學基金項目(31200332)；河南科技大學人才基金項目(09001597)；河南科技大學青年科學基金項目(2012QN004)；河南省煙草公司項目(M201307)

劉 領(1978-)，男，河南項城人，副教授，博士，主要從事作物生理生態(tài)研究。E-mail：liulinghenan@126.com

*通訊作者：陳明燦(1963-)，男，河南汝州人，教授，主要從事作物高產(chǎn)栽培技術與理論研究。E-mail：cmcan@126.com

S56.2；S143.1；S511

A

1004-3268(2016)02-0062-05