紅壤區(qū)施用稻草源生物炭對煙葉鉀含量的影響

柳開樓 胡惠文 葉會財(cái) 胡秋萍 胡志華 黃慶海 李大明 余喜初

摘? 要? 在紅壤區(qū)，土壤鉀素缺乏嚴(yán)重限制了煙草的需鉀能力和品質(zhì)提升。本研究以稻草源的生物炭為切入點(diǎn)，分別在水稻土和旱地紅壤上設(shè)不施鉀肥（CK）、化學(xué)鉀肥（FK）、60%化學(xué)鉀肥配施40%的稻草鉀肥（60% FK+40% SK）、60%化學(xué)鉀肥配施40%的生物炭鉀肥（60% FK+40% BK）等4個(gè)處理，分析烤煙產(chǎn)量和煙葉鉀素含量以及土壤速效鉀含量。結(jié)果表明，與CK和FK相比，60% FK+40% SK和60% FK+40% BK處理可以顯著提高煙葉產(chǎn)量和煙葉鉀含量，且水稻土明顯高于旱地紅壤。在所有處理中，均呈現(xiàn)出60% FK+40% BK處理的增幅最高。與CK相比，水稻土上60% FK+40% BK、60% FK+40% SK和FK處理的土壤速效鉀含量分別增加了48.43%、40.88%和11.95%，旱地紅壤上的增幅分別為29.63%、22.96%和20.00%。進(jìn)一步分析表明，土壤速效鉀含量與煙葉鉀含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（p<0.05）。通過擬合方程發(fā)現(xiàn)，盆栽試驗(yàn)條件下，水稻土和旱地紅壤的速效鉀含量增加10 mg/kg，煙葉鉀含量可以增加0.12%，但還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，在紅壤地區(qū)，施用稻草源的生物炭可以替代40%的化學(xué)鉀肥，且可以保證煙葉產(chǎn)量和提高煙葉鉀含量。

關(guān)鍵詞? 稻草;生物炭;土壤速效鉀;烤煙;紅壤中圖分類號? S143.3; S572 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼? A

DOI10.3969/j.issn.1000-2561.2018.12.004

在南方丘陵區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，雖然煙草種植的比重不高，但由于具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其在農(nóng)業(yè)產(chǎn)值提升和促進(jìn)農(nóng)民增收中占有重要的一席之地^[1]。但是，煙草種植對土壤肥力消耗較大（吸鉀能力強(qiáng)、地上部分連年帶走）^[2]，再加上該地區(qū)的紅壤鉀素有效性偏低^[3]，因此，煙草種植極易加速該地區(qū)的土壤鉀素耗竭。盡管由于秸稈還田的大力推廣，該地區(qū)土壤的鉀素匱缺現(xiàn)象有所緩解，特別是水田上^[4-5];然而，土壤鉀素降低仍然是限制該地區(qū)烤煙品質(zhì)提升^[6]和煙農(nóng)植煙積極性的重要因素之一。

稻草是主要的農(nóng)業(yè)廢棄物，有研究表明，稻草還田可以補(bǔ)充土壤鉀素，從而緩解水稻土的鉀素耗竭^[4-5]，然而，雙季稻種植模式中的早稻草還田存在腐解緩慢、影響晚稻秧苗生長等問題，從而嚴(yán)重制約了該地區(qū)稻草的循環(huán)利用^[7-8]。但是，在旱地紅壤上進(jìn)行稻草覆蓋還田可以顯著提高土壤有機(jī)碳含量，且可以顯著阻控水土流失^[9-10]。同時(shí)，稻草覆蓋還可以提高旱地紅壤保墑和抗旱能力，從而提高作物產(chǎn)量^[11-12]，然而，由于運(yùn)輸成本等因素的制約，稻草異地還田也不能完全解決該區(qū)域內(nèi)稻草的循環(huán)利用。

大量研究表明，將稻草進(jìn)行高溫厭氧裂解制備成生物炭是解決稻草循環(huán)利用的關(guān)鍵技術(shù)之一^[13]。趙殿峰等^[14]和高林等^[15]研究表明，稻草源的生物炭還田可以顯著提高土壤肥力和烤煙產(chǎn)量。同時(shí)，由于生物炭具有較高的比表面積和較強(qiáng)的活性^[16]，其可以顯著提升土壤的速效氮磷鉀含量，有研究表明，生物黑炭施用可以在化肥減施的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)^[17-18]。然而，對于喜鉀的煙草，稻草及生物炭的施用對于化肥鉀的替代效果還鮮有報(bào)道。因此，本研究以稻草源的生物炭為切入點(diǎn)，利用南方丘陵區(qū)的典型土壤類型

（水稻土和旱地紅壤），探討煙草種植中稻草和生物炭對化學(xué)鉀肥（硫酸鉀）的替代效果，以期為該區(qū)域的煙草化學(xué)鉀肥替代技術(shù)提供理論依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2017年進(jìn)行，試驗(yàn)地位于江西省進(jìn)賢縣江西省紅壤研究所內(nèi)（116°17?60?E、28°35?24?N），地處中亞熱帶，年均氣溫18.1 ℃，≥10 ℃積溫6 480 ℃，年降雨量1 537 mm，年蒸發(fā)量1 150 mm，無霜期約為289 d，年日照時(shí)數(shù)1 950 h。試驗(yàn)地土壤為水稻土和旱地紅壤。土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用兩因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，分別在水稻土和旱地紅壤上各設(shè)4個(gè)處理：不施鉀肥（CK）、化學(xué)鉀肥（FK）、60%化學(xué)鉀肥配施40%的稻草鉀肥（60% FK+40% SK）、60%化學(xué)鉀肥配施40%的生物炭鉀肥（60% FK+40% BK），所有處理均施用相同用量的化學(xué)氮磷肥。每個(gè)處理4次重復(fù)，盆栽土壤為15 kg，煙草品種為云煙87，每盆栽1穴煙苗。各處理具體的肥料用量按照田間試驗(yàn)的3倍換算成每株煙草的施肥量，具體的肥料用量根據(jù)大田常規(guī)用量（N、P₂O₅和K₂O分別為120、135、360 kg/hm²）換算，盆栽施肥量見表2。其中生物質(zhì)炭原料是水稻秸稈。采用連續(xù)立式生物質(zhì)炭化爐生產(chǎn)，炭化溫度為450 ℃，生物質(zhì)材料35%的轉(zhuǎn)化為生物炭。生產(chǎn)的生物炭過5 mm篩備用，生物炭的pH 10.4，有機(jī)碳467.0 g/kg，全氮5.90 g/kg，全磷1.50 g/kg，全鉀29.50 g/kg。稻草含有機(jī)碳421 g/kg，全氮8.70 g/kg，全磷1.52 g/kg和全鉀22.72 g/kg。

化學(xué)鉀肥種類為硫酸鉀（K₂O含量為50%）、

氮肥為尿素（N含量為46%）、磷肥為鈣鎂磷肥（P₂O₅含量為12.5%）。氮、磷、鉀肥施用方法按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣施用，移栽時(shí)將全部的稻草（風(fēng)干稻草，為更好的模擬田間稻草還田情況，將全部稻草剪成5 cm左右）、生物炭、磷肥、70%的氮肥和70%的鉀肥與土壤混勻，剩余氮肥和鉀肥在煙草移栽30 d時(shí)追施。其他栽培管理措施同常規(guī)大田。

1.3? 測定指標(biāo)與數(shù)據(jù)處理

1.3.1? 烤煙產(chǎn)量和煙葉鉀素含量? 成熟期整株采取，煙葉采集后先用自來水洗凈，再用蒸餾水潤洗，然后用吸水紙擦干，裝入紙袋 ，在105 ℃下殺青0.5 h，再將溫度降至75 ℃烘干至恒重并粉碎裝袋待測。植株全鉀含量采用H₂SO₄-H₂O₂消化-火焰光度計(jì)法進(jìn)行測定。

1.3.2? 土壤速效鉀含量? 在煙草采收后采集土壤，風(fēng)干過篩后，采用四硼酸鈉法分析土壤速效鉀含量^[19]。

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2003軟件進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)分析采用SAS 9.1軟件進(jìn)行，顯著性檢驗(yàn)采用Duncan多重比較方法（p<0.05），圖采用Origin 8.1軟件進(jìn)行繪制。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 不同鉀肥對煙葉產(chǎn)量的影響

稻草及生物炭配施化學(xué)鉀肥可以顯著提高煙葉產(chǎn)量（圖1），且水稻土上的煙葉產(chǎn)量（30.51 g/pot）明顯高于旱地紅壤（26.70 g/pot）。在水稻土和旱地紅壤上，各處理間均呈現(xiàn)出60% FK+40% BK> 60% FK+40% SK>FK>CK。與CK相比，水稻土上60% FK+40% BK、60% FK+40% SK和FK處理的煙葉產(chǎn)量分別增加了118.14%、73.34%和33.84%，旱地紅壤上的增幅分別為179.05%、139.10%和64.18%。且均以60% FK+40% BK處理增幅最高。

2.2? 不同鉀肥對煙葉鉀含量的影響

鉀含量的高低是評判煙葉質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，且鉀含量越高，煙葉質(zhì)量越好。鉀肥種類可以顯著影響煙葉的鉀含量（圖2）。與煙葉產(chǎn)量的趨勢一致，各處理水稻土的煙葉鉀含量均值

不同小寫字母表示水稻土上各處理間存在顯著差異（p<0.05），不同大寫字母表示旱地紅壤上各處理間存在顯著差異（p<0.05）。

Different lower letters mean significance among all treatments （p<0.05） for paddy soil. Different capital letters mean significance among all treatments for upland red soil （p<0.05）.

（3.16%）也高于旱地紅壤的煙葉鉀含量均值（2.88%）。與CK相比，水稻土上60% FK+40% BK、60% FK+ 40% SK和FK處理的煙葉鉀含量分別增加了84.05%、60.75%和27.94%，旱地紅壤上的增幅分別為84.44%、67.09%和36.48%。且60% FK+40% BK和60% FK+40% SK處理的煙葉鉀含量顯著高于FK處理。

2.3? 不同鉀肥對土壤速效鉀含量的影響

施用鉀肥可以顯著提高土壤速效鉀含量，且各處理水稻土的速效鉀含量均值（249.06 mg/kg）明顯高于旱地紅壤（199.38 mg/kg）（表3）。與CK相比，水稻土上60% FK+40% BK、60% FK+40% SK和FK處理的土壤速效鉀分別增加了48.43%、40.88%和11.95%，旱地紅壤上的增幅分別為29.63%、22.96%和20.00%。

2.4? 煙葉鉀含量與土壤鉀素的量化關(guān)系

在秸稈和生物炭施用下，土壤速效鉀含量與煙葉鉀含量均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖3），且二者的關(guān)系在水稻土和旱地紅壤上均可以用線性方程進(jìn)行擬合（p<0.05）。進(jìn)一步通過擬合方程發(fā)現(xiàn)，水稻土和旱地紅壤的速效鉀含量增加10 mg/kg時(shí)，煙葉鉀含量可以增加0.12%。

3? 討論

在南方丘陵區(qū)，水稻土上煙葉的產(chǎn)量和鉀含量明顯高于旱地紅壤，這主要與土壤本身的性質(zhì)有關(guān)。該地區(qū)的旱地紅壤大多分布在緩坡和陡坡

上，而該地區(qū)雨季導(dǎo)致的水土流失也是旱地紅壤肥力下降的主要原因^[20-21];水稻土則主要分布在低丘和河谷盆地等，再加上長期的灌水和秸稈、根茬還田等養(yǎng)分輸入，從而導(dǎo)致水稻土的肥力明顯高于旱地紅壤。前人的研究也表明，水稻土的肥力明顯高于旱地紅壤^[22-25]。

與不可再生的化學(xué)鉀肥資源不同，秸稈和生物質(zhì)炭均來源于農(nóng)業(yè)廢棄物，這些鉀肥資源的合理施用對于緩解化學(xué)鉀肥耗竭具有重要意義。本研究表明，稻草源的生物炭可以顯著提高煙葉的產(chǎn)量和土壤速效鉀及煙葉鉀含量，且提升幅度明顯高于稻草直接還田處理。這主要是因?yàn)樯锾吭黾油寥烙袡C(jī)質(zhì)含量，改良了土壤通氣性，改善了土壤微生物活性^[26]，進(jìn)而改善了煙葉生長環(huán)境。同時(shí)，在鉀肥相等的情況下，稻草源的生物炭帶入了大量的有機(jī)質(zhì)和氮磷養(yǎng)分，這對于土壤肥力提升和煙草的養(yǎng)分需求也起到了十分重要的作用。簡敏菲等^[16]研究表明，生物炭具有比表面大、吸附性強(qiáng)等特性，可以活化土壤中的速效養(yǎng)分，同時(shí)，大量的生物炭還可以顯著提升作物的根系活力^[27-28]，這對于煙苗的早生快發(fā)至關(guān)重要。因此，本研究的盆栽試驗(yàn)表明，稻草生物炭可以替代40%的化學(xué)鉀肥，但是其在田間條件下的應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步研究。

與傳統(tǒng)的醋酸銨浸提方法相比，四硼酸鈉法是目前速效鉀測定中與作物鉀素生物有效性密切相關(guān)的指標(biāo)^[29-31]。在本研究中，運(yùn)用四硼酸鈉法測定的土壤速效鉀含量與煙葉鉀含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。在水稻土和旱地紅壤上，其速效鉀含量增加10 mg/kg時(shí)，煙葉鉀含量可以增加0.12%，這對于指導(dǎo)該地區(qū)的煙葉鉀素提升具有重要的指導(dǎo)意義。但是，由于生物質(zhì)炭的制備原料和水稻秸稈的養(yǎng)分存在差異，以及本研究結(jié)果來源于盆栽試驗(yàn)，因此，有關(guān)生物炭和秸稈還田下土壤速效鉀與煙葉鉀含量的量化關(guān)系還有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

4? 結(jié)論

在南方丘陵區(qū)，水稻土上煙葉的產(chǎn)量和鉀含量明顯高于旱地紅壤。與化學(xué)鉀肥相比，稻草和生物炭的煙葉產(chǎn)量和煙葉含鉀量也顯著提升，且可以替代煙草種植中40%的化學(xué)鉀肥。同時(shí)，秸稈和生物炭施用可以通過調(diào)控土壤速效鉀含量顯著提升煙葉鉀水平。

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