滴灌減氮下生物炭基肥對植煙土壤無機氮組分含量的影響

樊鵬飛，劉文，任天寶，陳靜，劉英杰，王省偉，袁曉靜，劉國順

(1.河南農業(yè)大學煙草學院/河南省生物炭研究工程技術中心，河南 鄭州 450002；2.生物炭技術河南省工程實驗室，河南 鄭州 450002；3.河南省煙草公司鄭州市公司，河南 鄭州 450000；4.河南惠農土質保育研發(fā)有限公司，河南 登封 452470)

土壤是作物生長的基礎，是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中物質與能量交換的重要場所[1]。土壤氮素組成含量從根本上決定作物品質和產量的高低?；史市Э?，能較為直接地為植物生長提供所需營養(yǎng)，但是，化肥氮施用過多會導致土壤酸化、污染、通氣性變差、土質僵硬、深層土壤氮素殘留較多，引起土壤中養(yǎng)分比例失衡和土壤C/N值失調，同時植物的生產能力下降，導致煙農經濟效益受損。因此，減少化肥氮素的施用，增加土壤的氮素組成，提升煙葉質量，對烤煙的可持續(xù)生產具有重要的理論與實踐價值。

生物炭是由生物質在缺氧條件下經熱裂解形成的一類高含碳量的產物，具有較高的孔隙度和巨大的比表面積，能提高土壤的pH值、孔隙度及陽離子交換能力，改善土壤結構[2-3]。馮愛青等[4]研究表明，控釋肥及添加生物炭可以提高土壤氮素有效性，且添加生物炭可以提高土壤酶活性。葉協鋒等[5]研究表明，施用花生殼生物炭可以增加植煙土壤微生物量，且對土壤全碳和全氮含量的提升效果比較明顯。鄒春嬌等[6]研究表明，生物炭的添加對連作營養(yǎng)基質中的酶活性、微生物數量及群落結構有明顯的調節(jié)作用。生物炭基有機肥是以生物炭為主要原料的新型有機肥，它同時具有生物炭和有機肥的特性；滴灌施肥不僅能提高土壤有效氮的供應量，還可保持土壤良好的結構和水氣狀況，促進微生物旺盛生長，提高土壤的生物學活性[7]。近年來，關于生物炭基肥和滴灌研究是當前的熱點問題，但關于生物炭基肥與滴灌的綜合效應對土壤氮素組成和煙株生長影響的研究尚鮮見報道。

土壤氮是衡量和評價土壤品質和土壤可持續(xù)利用的關鍵指標[8]。豫西煙區(qū)生產季降雨量偏少，干旱現象日益成為烤煙生產過程中氮素高效利用的主要限制性因素之一。為此，以當地常規(guī)施肥模式為對照，在滴灌條件下重點分析生物炭基肥與化肥減氮配施對烤煙生長發(fā)育及土壤無機氮組分的影響，旨在探索滴灌條件下施用生物炭基肥及減少化肥氮對土壤氮素組成和煙株生長的影響規(guī)律，以尋求增加土壤氮素組成和促進煙株生長的有效途徑，為植煙土壤保育和氮肥高效利用技術應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點位于河南省登封市潁陽鎮(zhèn)劉寨村(112°76′E，34°41′N)。供試品種為豫煙10號，試驗地土壤理化性質如下：pH值為7.65、有機質為13.53 g·kg-1、速效氮為83.00 mg·kg-1、速效磷為13.44 mg·kg-1、速效鉀為112.37 mg·kg-1。供試生物炭基肥由河南惠農土質保育有限公司提供，主要原料有生物炭、腐殖質、礦物質等，其中生物炭25.0%，有機質含量50.21%，總養(yǎng)分5.02%(N 含量17.6 g·kg-1，P2O5含量11.5 g·kg-1，K2O含量21.1 g·kg-1)。

1.2 試驗設計

試驗共設5個處理，試驗設計如表1所示。本試驗中過磷酸鈣(有效P2O5，含量12.0%)作為磷肥，硫酸鉀(有效K2O含量51.0%)作為鉀肥；對照處理(CK)肥料施用量為N 30 kg·hm-2，P2O530 kg·hm-2，K2O 90 kg·hm-2，CK基追肥比例為7∶3，總施氮量為1 kg純氮素。與CK相比，滴灌處理小區(qū)化肥氮減少50%，磷肥、鉀肥用量與對照處理一致，移栽前將生物炭基肥一次性條施。滴灌試驗選用可溶性KNO3(K2O 含量44.50%，N含量13.50%)作為滴灌氮肥，其中滴灌基肥與追肥比例為4∶6，移栽前30%氮肥條施，移栽當天10%氮肥澆施，剩余氮肥從移栽后30 d開始每隔10 d以2∶3∶1的比例進行滴灌施入，移栽后60 d時僅進行滴灌，不再配肥。

表1 試驗設計Table 1 Experimental design

試驗采用隨機區(qū)組設計，各試驗小區(qū)長60 m，寬5.5 m，煙株種植行距為110 cm、株距為55 cm，每處理重復3次。5月10日移栽，田間管理按優(yōu)質煙葉生產技術規(guī)范進行。T1，T2，T3，T4處理施灌時間、灌水量完全一致。生物炭基肥的氮素不考慮在總氮素中。滴灌施肥方式采用容量壓差式，各小區(qū)均安裝水表用于灌水量的檢測和控制，在移栽后的30，40，50和60 d時的灌水量分別為97.14,144.21,55.05和85.18 m3·hm-2。

1.3 樣品采集與處理

采用S形取樣方法，在取樣路徑上選5個點位，分別取0～20 cm 耕層土壤樣品，每個點位做3次重復；移栽30 d后，各小區(qū)選取5株長勢良好的煙株進行標記掛牌，每隔15 d測定株高、莖圍、節(jié)間距、有效葉數、最大葉長葉寬。另外每隔15 d進行煙株樣品采集，每小區(qū)選取長勢正常3棵煙株。取回后立即在105 ℃條件下進行殺青處理(上海精其電熱恒溫鼓風干燥箱，型號：DHG-9033A)，燃后70 ℃烘干處理，并用分析天平稱取各部分干質量(賽多利斯分析天平，型號：BSA124S)；同時收集根際周圍土壤樣品部分鮮土過20目篩(0.90 mm)用于土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的測定(名稱：全自動化學分析儀 型號：Smartchem140)；剩余土壤風干用于堿解氮、全氮的測定(名稱:CNS元素分析儀型號:Vario Macro CUBE)。

1.4 測定項目及方法

采用凱氏蒸餾法測定土壤全氮[9]；紫外分光光度法測定硝態(tài)氮含量；靛酚藍比色法測定銨態(tài)氮；堿解氮利用堿解擴散法測定[10]；無機氮含量=硝態(tài)氮含量+銨態(tài)氮含量；葉面積=0.634 5×最大葉長×最大葉寬，葉面積指數(LAI)=單株葉面積×單位土地面積內株數÷單位土地面積。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數據初步整理和制成柱形圖，利用IBM SPSS statistics 22.0軟件對所有氮素組成數據和煙株生長數據進行方差分析，并用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 滴灌下施用生物炭基肥對土壤硝態(tài)氮的影響

由圖1可知，整個生育期內各試驗處理的土壤硝態(tài)氮含量基本呈現先上升后下降的趨勢。在移栽后30 d時，CK處理硝態(tài)氮含量不同程度地高于其他處理，且顯著高于T2，T3處理，這主要由于對照初始施氮量較高，煙苗前期處于伸根期，消耗營養(yǎng)物質較少，硝態(tài)氮含量相對較高；移栽后60 d，CK的硝態(tài)氮含量呈逐漸下降的趨勢，這是因為常規(guī)處理施入的硝態(tài)氮肥較多。隨著煙株和根系生長所吸收，以及淋溶損失致使土壤硝態(tài)氮含量逐漸下降；移栽后75 d，CK處理的硝態(tài)氮含量逐漸低于施用生物炭基肥的處理；與CK處理相比，添加生物炭基肥處理的硝態(tài)氮含量變化趨勢一致，但下降的時期比CK和T1晚；移栽后75 d時煙株進入成熟后期，CK的硝態(tài)氮含量最低，且顯著低于滴灌下施用生物炭基肥的處理，主要原因可能為在滴灌條件下，一方面由于施用的生物炭基肥中有機氮在微生物作用下通過硝化反應部分轉化硝態(tài)氮；另一方面，生物炭的多孔和吸附特性固持了部分硝態(tài)氮，減少硝態(tài)氮的流失。試驗結果表明，滴灌條件下，添加生物炭基肥減氮50%的情況下，有利于提高土壤硝態(tài)氮含量，滿足煙株的營養(yǎng)物質需求，且生物炭基肥中高添加量效果最好。

圖1 滴灌下施用生物炭基肥對土壤硝態(tài)氮的影響Fig.1 Effects of biochar based fertilizer on soil nitrate nitrogen under drip irrigation

2.2 滴灌下施用生物炭基肥對土壤銨態(tài)氮的影響

由圖2可知，在烤煙生育期內，各處理銨態(tài)氮含量整體呈現先上升后下降的趨勢，與土壤硝態(tài)氮含量相比，各處理的銨態(tài)氮變化幅度小于硝態(tài)氮。在大田生育期內，與T1相比，添加生物炭基肥可顯著提高移栽后45～90 d的銨態(tài)氮含量，且最高可提高39.57%；移栽后30 d，CK處理初始銨態(tài)氮含量較高，隨后隨著煙株的生長逐漸降低并趨于平緩；移栽后45～90 d，與CK相比，滴灌下施用生物炭基肥處理的銨態(tài)氮含量在各時期均能顯著提高，且最高可提高66.59%。這說明在施氮量減少50%的條件下通過滴灌下施用生物炭基肥能夠保證土壤銨態(tài)氮的供應，而本試驗中隨著生物炭基肥用量的增加，銨態(tài)氮含量呈遞增趨勢，以中高添加量的提高效果最好。

圖2 滴灌下施用生物炭基肥對土壤銨態(tài)氮的影響Fig.2 Effect of biochar based fertilizer on soil ammonium nitrogen under drip irrigation

2.3 滴灌下施用生物炭基肥對土壤無機氮的影響

由圖3可知，在烤煙生育期內，各處理間無機氮含量整體呈現先上升后下降的趨勢，基本上與硝態(tài)氮的變化趨勢一致；移栽后30 d，T2,T3,T4的無機氮含量顯著低于CK；移栽后45 d，T1,T2,T4的無機氮含量顯著低于CK，而T3的無機氮含量略高于CK。說明在減氮50%和滴灌的條件下，生物炭基肥施用量為1 200 kg·hm-2時可以滿足煙株旺長期時土壤氮素的供應量；移栽后60 d，CK處理與T2,T3和T4處理相比，土壤無機氮含量無顯著差異，表明減氮增施生物炭基肥后，土壤無機氮含量與常規(guī)施肥含量相當，都可滿足煙株氮素養(yǎng)分需求，即生物炭基肥在一定程度上減少了氮素損失，提高了其轉化利用效率；移栽后75 d，滴灌下施用生物炭基肥的處理無機氮含量顯著高于CK處理，且最高可提高59.4%；移栽后90 d，煙株進入成熟后期，土壤中無機氮含量隨著煙株的消耗其含量降低，各處理間差異較小，而T4處理的無機氮含量顯著較高可能是由于施用較多的生物炭基肥中的部分少量有機氮礦化轉化成部分的無機氮。就煙株大田生長期而言，無機氮變化規(guī)律表明，滴灌下施用生物炭基肥能提高煙株生長中后期的土壤無機氮含量，減氮50%的條件下滿足煙株的正常氮素生長需求。

圖3 滴灌下施用生物炭基肥對土壤無機氮的影響Fig.3 Effects of biochar based fertilizer on soil inorganic nitrogen under drip irrigation

2.4 滴灌下施用生物炭基肥對土壤全氮含量的影響

由圖4可知，在移栽初期，CK處理由于初始全氮含量高，因此顯著高于其他處理，隨后全氮含量隨煙株的生長發(fā)育其含量呈下降趨勢。移栽后30 d，T2,T3,T4的全氮含量均顯著高于T1處理；移栽后45 d除CK外的其他處理的全氮含量均達到最高，可能是由于此時煙株吸氮能力較弱及滴灌配施氮肥的施入；移栽后60 d，滴灌條件下，添加生物炭基肥處理的全氮含量均高于CK，表明增施生物炭基肥有利于提高土壤全氮含量；移栽后75 d，滴灌下施用生物炭基肥處理均顯著高于CK和T1，且與CK相比，土壤全氮最高可提高58.80%；煙草進入成熟期后，T1與CK的全氮含量無顯著差異。說明本試驗中減氮50%的條件下，滴灌施肥配合添加生物炭基肥可以提高土壤全氮含量，與對照不減氮肥處理其土壤總氮含量相當，可以滿足煙株后期的全氮含量影響需求，其中以中、高生物炭基肥添加量對全氮含量的提升效果最顯著。

圖4 滴灌下施用生物炭基肥對土壤全氮含量的影響Fig.4 Effect of biochar based fertilizer on soil total nitrogen content under drip irrigation

2.5 滴灌下施用生物炭基肥對土壤堿解氮含量的影響

堿解氮含量的大小直接反應土壤供氮強度的高低。由圖5可知，煙株生長整個生育期內，前期土壤中堿解氮含量的變化不顯著，成熟后期添加生物炭基肥處理與CK相比，其堿解氮含量下降幅度較小，含量相對較高。煙株移栽后30 d時，CK處理堿解氮含量較高，隨后呈下降趨勢，且從移栽后60 d開始，堿解氮含量顯著低于滴灌下施用生物炭基肥的各處理，且施用生物炭基肥的處理堿解氮含量最高可提高36.17%。說明在減氮50%的條件下，通過滴灌配施生物炭基肥的方式可有效滿足土壤速效氮的供應和煙株正常生長發(fā)育。整個煙株生育期內，添加生物炭基肥的處理均要高于T1處理，說明生物炭基肥的施入可以提高土壤堿解氮含量，隨著炭基肥用量的提高，土壤速效氮含量呈先增高后降低的趨勢。

圖5 滴灌下施用生物炭基肥對土壤堿解氮含量的影響Fig.5 Effect of biochar based fertilizer on soil alkali hydrolyzed nitrogen content under drip irrigation

2.6 滴灌下施用生物炭基肥對烤煙植株生長的影響

2.6.1 滴灌下施用生物炭基肥對煙株農藝性狀的影響 由表2可知，移栽后45～60 d，煙株處于旺長期，烤煙的株高、莖圍、節(jié)間距、葉間距迅速增加，后趨于穩(wěn)定。整個生育期內，滴灌下施用生物炭基肥的各處理的農藝性狀指標基本上均不同程度地高于對照處理，說明滴灌下施用生物炭基肥能夠促進煙株的生長；移栽后60 d，煙株生長進入旺長末期，此時煙株的各個農藝性狀基本趨于穩(wěn)定，此時與CK相比，T4處理可顯著提高株高和莖圍，T3處理可顯著提高節(jié)間距；移栽后60 d，與T1相比，T2，T3，T4處理的株高、莖圍、節(jié)間距、葉片數均不同程度的提高，其中株高可提高25.62%，煙株葉片數可提高5片左右。說明施用生物炭基肥可以促進煙株的生長發(fā)育，更有利于烤煙產量的提升。

表2 滴灌下施用生物炭基肥對煙株生長的影響Table 2 Effect of biochar based fertilizer on tobacco growth under drip irrigation cm

2.6.2 滴灌下施用生物炭基肥對煙株葉面積指數的影響 由圖6可知，在煙株生長期內整體上各處理葉面積指數呈先上升后下降的規(guī)律。移栽初期，各處理間葉面積指數規(guī)律不明顯；煙株進入成熟期后，滴灌下施用生物炭基肥的處理顯著高于T1和CK。說明減氮50%下，通過滴灌下施用生物炭基肥能提高葉面積指數。而較高的葉面積指數有利于旺長期營養(yǎng)的供應，有利于煙株的生長發(fā)育。煙株成熟后期，CK的葉面積指數低于其他處理，較低的葉面積指數可能無法協調煙葉后期的營養(yǎng)需求與養(yǎng)分供應的關系，不利于優(yōu)質煙葉的形成。本研究發(fā)現，移栽后45～90 d，T2，T3，T4的葉面積指數均高于T1。說明施用生物炭基肥能滿足整個生育期煙株對養(yǎng)分的需求，保證烤煙產量的提高。

圖6 滴灌下施用生物炭基肥對煙株葉面積指數的影響Fig.6 Effect of biochar based fertilizer on leaf area index of tobacco under drip irrigation

3 結論與討論

本研究發(fā)現，滴灌條件下添加生物炭基肥的處理的硝態(tài)氮含量呈先上升后下降的趨勢。與對照相比，生物炭基肥的施用有利于提升煙株生長成熟期土壤硝態(tài)氮含量，滿足減無機氮50%條件下煙株成熟期所需的氮素養(yǎng)分。究其原因可能表現在以下3個方面：一方面，由于在煙株移栽后30 d后每隔10 d要進行滴灌追肥，減少土壤中硝態(tài)氮的損失，進而提高了土壤的硝態(tài)氮含量；另一方面，因為生物質炭基肥中富含的生物質炭具有較大的比表面積，提高對陽離子的吸附能力[11]，增強對硝態(tài)氮養(yǎng)分的吸附性和固持能力，減少肥料中氮素的流失，延緩了硝態(tài)氮的淋失時間[12]；最后，也可能由于生物炭基肥提升了土壤微生物多樣性[18]，使得炭基肥中有機物料含有少量的有機氮或土壤中的銨態(tài)氮等在微生物作用下進行硝化反應后產生了一定量的硝態(tài)氮。與此同時，本研究結果表明，施入生物炭基肥后，硝態(tài)氮含量顯著提高，因為生物炭基肥同時具有生物炭和有機肥的特性，其施入后土壤孔隙度提高，通氣性得到改善，反硝化作用會受到抑制，從而硝態(tài)氮的損失減少[13]。CK處理的硝態(tài)氮含量先上升后下降，大量氮肥的投入會使硝態(tài)氮在土壤剖面中大量累積，而耕層硝態(tài)氮未及時被作物吸收，受到雨水的淋溶，向深層土壤移動最終移出作物根區(qū)[14]。施用生物炭基肥的處理由于具有一定的吸附性，減少土壤中的淋溶，即使化學氮肥減少50%條件下，仍可滿足煙株生長發(fā)育期土壤硝態(tài)氮的供應。

本研究結果表明，土壤銨態(tài)氮含量影響無機氮含量的高低，可以被植物直接吸收利用，也是評價土壤供氮能力的關鍵指標[15]。本研究發(fā)現，施用生物炭基肥能提高土壤銨態(tài)氮含量。這與周志紅等[16]等進行生物炭基肥生物炭基肥對土壤氮素淋失的抑制作用結果吻合。上述試驗結果表明，銨態(tài)氮的淋失量減少，且在總淋失量中所占的比例較小，銨態(tài)氮的淋失對生物炭施入的響應不顯著[16]。這與試驗中銨態(tài)氮對生物炭基肥的響應基本相似。說明在本試驗中生物炭基肥中生物質炭獨特的理化特性作用會改變土壤孔隙度，提高肥料和水分的滯留時間，降低流失速度，增強土壤對氮素的固持能力，而被生物炭基肥所吸附的銨態(tài)氮會根據土壤氮素的持有量而釋放，從而保證土壤銨態(tài)氮的供應[17]。移栽初期施用生物炭基肥處理的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、無機氮含量均小于T1處理，這是因為土壤氮礦化是無機氮的主要來源之一，而生物炭基肥為有機肥，養(yǎng)分釋放較為緩慢；且生物炭基肥中的生物炭在施入后微生物在短時間內需要適應，微生物對營養(yǎng)源的吸收受到抑制，從而降低了土壤氮礦化速率，其群落結構會發(fā)生變化[18]。

本研究發(fā)現，烤煙移栽后45～90 d，生物炭基肥對土壤氮礦化有激發(fā)效應，提高了土壤的無機氮含量。一方面是因為有機肥的養(yǎng)分會隨移栽期的推移而逐漸釋放，另一方面隨著微生物對環(huán)境的適應，微生物多樣性和功能微生物的數量增加促進了生物炭基肥的礦化[19]，且外源碳又為微生物提供了新的碳源，刺激了微生物的礦化作用[19]，從而提高土壤無機氮含量。此外，與常規(guī)施肥處理相比，在減氮50%的條件下，通過滴灌下施用生物炭基肥的方式土壤全氮最高可提高58.8%，通過這種配施方式保證了在減少化肥氮的同時，煙株能夠正常生長，主要原因是施用生物炭基肥能降低土壤容重，土壤通氣狀況會得到改善，從而抑制了氮素微生物的反硝化作用，減少了NOx的產生和釋放[21]；其次，生物炭基肥自身具有較強的吸附性可降低氮素淋失[21]，從而提高了土壤的全氮含量。本研究表明，適量生物炭基肥用量可以顯著促進有機養(yǎng)分的礦化，土壤堿解氮含量較高，當施用高添加量的生物炭基肥具有較強的吸附性，且外源碳施入量較大，引起土壤有效氮的固持，可能降低速效養(yǎng)分含量，不利于煙株后期的成熟落黃。

本研究中滴灌條件下施用生物炭基肥可以促進煙株的生長發(fā)育，主要是因為適宜的生物炭基肥施用量，對于土壤理化性狀的改善效果最好，根際微生物棲息環(huán)境最適宜，土壤的健康指數更高，煙株的長勢最好[23]。高添加量生物炭基肥施入土壤后，提高了土壤養(yǎng)分庫容量，煙株前期的長勢過旺，煙株農藝性狀均有所提高，導致群體過大、上部葉片遮陰嚴重，抑制了光合產物的積累，煙株中下部葉的生長發(fā)育受阻，不利于煙株中后期的生長發(fā)育，最終降低了煙株各農藝性狀指標?？緹煹母瞪L狀況與葉面積指數是密切相關的，而地上部分的發(fā)育情況和烤煙產質量息息相關[24]。本研究發(fā)現，滴灌下施用生物炭基肥能促進根系的生長，提高整個生育期的葉面積指數，保證旺長期煙株對養(yǎng)分的需求和維持煙株后期的營養(yǎng)供應，為烤煙后期的成熟度和產質量的提高奠定了基礎。

本試驗在減化肥氮50%條件下，通過滴灌下施用生物炭基肥能延緩硝態(tài)氮的淋失時間，顯著提高土壤硝態(tài)氮含量，且顯著提高移栽中后期的銨態(tài)氮、堿解氮、無機氮、全氮含量，促進了煙株葉面積和各農藝性狀指標的改善，保證了在大幅減氮條件下煙株的正常生長，實現減氮增效，且以1 200 kg·hm-2生物炭基肥施用量最為適宜。本研究為中國烤煙向資源節(jié)約和環(huán)境友好型生產方式轉變提供了理論依據。