炭粒徑對(duì)不同質(zhì)地黃壤烤煙光合特性·根系形態(tài)及農(nóng)藝性狀的影響

吳盡 舒英格

摘要 [目的]探究砂壤、黏壤質(zhì)地條件下炭粒徑對(duì)烤煙光合特性、根系形態(tài)及農(nóng)藝性狀的影響，研究烤煙凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）、根系形態(tài)、農(nóng)藝性狀等指標(biāo)。[方法]以烤煙K236為供試品種，設(shè)置3種炭粒徑（<1 mm、1～2 mm、2～5 mm），研究其對(duì)不同質(zhì)地烤煙光合特性、根系特征及農(nóng)藝性狀的影響。[結(jié)果]砂壤處理的烤煙凈光合速率、根系形態(tài)、根系氮、鉀養(yǎng)分吸收及農(nóng)藝性狀均隨著炭粒徑的增大先增強(qiáng)后減弱，但氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率隨著炭粒徑的增大而增強(qiáng)。黏壤處理凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、根系形態(tài)及活力、株高、葉寬均隨著炭粒徑的增大而增強(qiáng);但根系氮、鉀養(yǎng)分吸收、葉長均隨著炭粒徑的增大而降低。其中，煙葉光合特性黏壤效果較砂壤好，但在根系形態(tài)及活力、農(nóng)藝性狀上砂壤處理較黏壤處理好。[結(jié)論]生物質(zhì)炭能夠有效促進(jìn)烤煙根系形態(tài)的生長發(fā)育，并通過改善根系的發(fā)育，進(jìn)而改善葉片光合生理特性及農(nóng)藝性狀，其中，砂壤處理在炭粒徑為1～2 mm時(shí)效果最佳;黏壤處理在炭粒徑為2～5 cm時(shí)效果最佳。

關(guān)鍵詞 炭粒徑;光合特性;根系形態(tài);氮鉀含量;農(nóng)藝性狀

中圖分類號(hào) S572 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2020）19-0152-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.041

Abstract [Objective] To investigate the effects of carbon particle size on photosynthetic characteristics， root morphology and agronomic traits of fluecured tobacco under sandy soil and sticky soil conditions， the net photosynthetic rate （Pn）， stomatal conductance （Gs）， intercellular CO2 concentration （Ci）， transpiration rate （Tr）， root morphology and agronomic traits of fluecured tobacco were studied. [Method] Fluecured tobacco K236 was selected as the test variety， and three carbon particle sizes were set： < 1 mm， 1-2 mm， and 2-5 mm. The effects of carbon on photosynthetic characteristics， root characteristics and agronomic traits of fluecured tobacco of different textures were studied. [Result] The net photosynthetic rate， root morphology， nitrogen and potassium nutrient absorption and agronomic characters of fluecured tobacco treated by sandy soil all increased first and then decreased with the increase of carbon particle size， but the stomatal conductance， intercellular CO2 concentration and transpiration rate increased with the increase of carbon particle size. The net photosynthetic rate， stomatal conductance， intercellular CO2 concentration， transpiration rate， root morphology and activity， plant height and leaf width all increased with the increase of carbon particle size. However， the uptake of nitrogen and potassium in root system and leaf length all decreased with the increase of carbon particle size. Among them， the photosynthetic characteristics of tobacco leaf were better than those of sandy soil， but the sandy soil was better treated than sandy soil in root morphology， activity and agronomic characters. [Conclusion] Biomass charcoal can effectively promote the growth and development of fluecured tobacco root morphology， and improve leaf photosynthetic physiological characteristics and agronomic traits by improving root development. The best results were obtained when the carbon particle size of sandy soil was 1-2 mm， and that of sticky soil was 2-5 cm.

Key words Carbon particle size;Photosynthetic characteristics;Root morphology;Nitrogen and potassium content;Agronomic traits

作者簡介 吳盡（1993—），女，貴州思南人，碩士研究生，研究方向：植物營養(yǎng)學(xué)。*通信作者，副教授，博士，從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境、土地利用與規(guī)劃研究。

收稿日期 2020-05-11

烤煙是貴州省重要的經(jīng)濟(jì)作物之一[1]，植煙土壤因長年連作或輪作以及“重氮輕磷鉀”施肥習(xí)慣，導(dǎo)致表層土壤不斷酸化和板結(jié)、碳氮比例失調(diào)、微生物多樣性嚴(yán)重降低、土壤中有害物質(zhì)逐年積累，同時(shí)，抑制土壤微生物活性，影響烤煙正常的生長發(fā)育，最終造成其產(chǎn)量和品質(zhì)顯著降低。因此，如何改良植煙土壤、提高煙葉品質(zhì)已成為我國煙草行業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題[2]。研究表明，施加生物質(zhì)炭可以明顯改善土壤質(zhì)量、提高作物產(chǎn)量[3-8]。然而，目前關(guān)于對(duì)生物質(zhì)炭的研究較多集中在生物質(zhì)炭類型、施用量、施用方式、土壤肥力及對(duì)作物（如玉米、水稻、大豆等）生長的影響等方面[9-15]，但不同炭粒徑對(duì)烤煙土壤質(zhì)地環(huán)境和作用效應(yīng)尚不十分明確，尤其是炭粒徑對(duì)不同質(zhì)地土壤烤煙光合特性、根系形態(tài)構(gòu)成因素及養(yǎng)分吸收分配影響研究較少。

筆者研究了砂壤、黏壤2種不同質(zhì)地條件下炭粒徑對(duì)烤煙光合特性、根系形態(tài)及農(nóng)藝性狀的影響，旨在探討并確定適合貴州烤煙生長的土壤質(zhì)地類型和最佳炭粒徑的施用類型，為烤煙高產(chǎn)栽培提供理論支持，以期為生物質(zhì)炭在煙田土壤改良、提高煙葉產(chǎn)量和提升煙葉品質(zhì)等方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為烤煙品種K326，由貴州省煙草科學(xué)院煙草研究所提供。試驗(yàn)地點(diǎn)為貴州大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地，地理位置為118°34′E，35°11′N，海拔1 150 m，屬暖溫帶季風(fēng)半濕潤大陸性氣候，年均氣溫為13.3 ℃，無霜期202 d，年降水量790～920 mm，降水集中于4—10月，年均相對(duì)濕度65%。生物質(zhì)炭：采用組合式生物炭顆粒炭化爐自制煙桿炭，理化性質(zhì)為全氮（N）含量23.03 g/kg、炭（C）含量760.07 mg/kg、氫（H）含量26.35 g/kg、硫（S）含量0.98 g/kg、pH 9.65。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽試驗(yàn)，設(shè)置6個(gè)處理，處理①（NF1）：砂壤+炭粒徑（<1 mm）;處理②（NF2）：砂壤+炭粒徑（1～2 mm）;處理③（NF3）：砂壤+炭粒徑（2～5 mm）;處理④（MF4）：黏壤+炭粒徑（<1 mm）;處理⑤（MF5）：黏壤+炭粒徑（1～2 mm）;處理⑥（MF6）：黏壤+炭粒徑（2～5 mm）。每個(gè)處理5次重復(fù)，每盆土壤20 kg，生物炭施用量0.2 kg，基肥80 g/盆。烤煙專用基肥N∶P2O5∶K2O為10∶10∶25，專用追肥N∶P2O5∶K2O為13∶0∶26。按120 cm×55 cm 的行株距盆栽，將盆身埋于土中，起到保水、降溫的作用。各處理盆缽隨機(jī)區(qū)組排列，盡量避免因光照、通風(fēng)等環(huán)境因素造成處理間的差異。煙株生長過程中經(jīng)常轉(zhuǎn)動(dòng)盆體，避免根系扎入土中?？緹熞圃院?，根據(jù)天氣狀況，每隔3～4 d澆水一次，每次澆水400 mL，其余烤煙生產(chǎn)措施則按當(dāng)?shù)靥厣珒?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)規(guī)范進(jìn)行操作。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

在煙株移栽60 d后，選取長勢均勻一致且受光良好的中部功能葉片（自下而上第 12片葉），于晴天09：00—11：00 使用 LI-6400 便攜式光合測定系統(tǒng)測定葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度等指標(biāo)。測定采用紅藍(lán)光源葉室，設(shè)定光量子密度（PAR）為1 200 μmol/（m2· s）及 CO2注入系統(tǒng)設(shè)定為400 μmol/mol時(shí)，測定其中部葉的光合參數(shù)。每個(gè)處理測定3 株，每株重復(fù)3 次。移栽75 d后，用清水小心沖洗煙根以獲得完整根系，采用甲烯藍(lán)法測定整株根系總吸收表面積和活躍吸收表面積，TTC 法測定根系活力。完成上述測定后，將煙株分葉、根、莖殺青（105 ℃ 15 min，65 ℃烘至恒重，3～4 h），并記錄干重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2003統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、SPSS 2019軟件分析差異性，Origin2017制圖，運(yùn)用方差分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;用單因素方差分析比較不同生物炭粒徑處理之間的差異性，采用鄧肯氏新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 炭粒徑對(duì)烤煙光合特性的影響

由圖1可知，炭粒徑對(duì)烤煙光合特性的影響差異較大。在砂壤條件下，凈光合速率以NF2處理最大，為17.5 μmol/（m2·s），較NF1與NF3處理分別提高了32%、17%;氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均隨著炭粒徑增大而增強(qiáng)，分別為0.23、231.1、5.3 μmol/（m2·s），較NF1和NF2分別提高了60%、29%、46%、46%、84%、48%，其中僅NF1與NF2處理蒸騰速率差異不顯著。在黏壤處理中凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2、蒸騰速率均以MF6處理最強(qiáng)，分別為18.3、0.29、223.4、6.4 μmol/（m2·s），其中僅MF4與MF5處理蒸騰速率差異顯著。從同等炭粒徑來看，無論砂土、黏土氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均以NF3和MF6處理效果最好，僅砂壤凈光合速率以NF2處理最高。說明土壤質(zhì)地對(duì)烤煙胞間CO2濃度、蒸騰速率的影響較大，即施用較大粒徑生物質(zhì)炭能更好地提高煙草葉片胞間 CO2濃度、蒸騰速率，表明胞間 CO2濃度、蒸騰速率同時(shí)也受炭粒大小的影響，可能是因?yàn)槭┯蒙镔|(zhì)炭后使根際環(huán)境產(chǎn)生變化，生物質(zhì)炭起到緩解養(yǎng)分供應(yīng)充足。

2.2 炭粒徑對(duì)烤煙根系形態(tài)及活力的影響

根系是作物從土壤中吸收和運(yùn)輸水分及溶解在水中的礦質(zhì)元素的器官，是土壤資源的直接利用者和作物產(chǎn)量及品質(zhì)形成的重要貢獻(xiàn)者，故提高根系活力，尤其是維持煙草生育后期的根系活力，是調(diào)節(jié)煙葉品質(zhì)的重要措施[16]。由圖2可知，不同炭粒徑處理下烤煙根系長度、根系表面積、根系體積及活力呈一定規(guī)律性變化。在砂壤條件下，根系長度、根系表面積、根系體積及活力均隨著炭粒徑增大呈先增加后減小的趨勢，其中以NF2處理效果最佳，分別為9 786.7 mm、5 281.1 cm2、283.1 cm3、86.9，較NF1、NF3處理分別提高了21.4%～33.1%、29.9%～33.0%、24.3%～34.2%、28.4%～32.6%。黏壤處理中，根系長度、根系表面積、根系體積及活力均隨著炭粒徑增大逐漸增大，以MF6處理效果最好，分別為8 228.8 mm、4 687.7 cm2、261.4 cm3、80.9，較NF1、NF3處理分別提高了36.6%～123.5%、53.0%～94.3%、27.23%～74.23%、2.33%～28.9%。從相同炭粒徑來看，無論砂壤、黏壤根系長度、根系表面積、根系體積及活力均以NF2和MF6處理效果最好，且砂壤作用效果大于黏壤?？赡苁且?yàn)橥寥劳笟庑缘玫揭欢ǜ纳?，尤其土壤總孔隙度和大孔隙度增加，為根系發(fā)育提供疏松的環(huán)境，同時(shí)也降低了土壤容重，增大了土壤水分入滲率，為根系提供了充足水、養(yǎng)分，進(jìn)而促進(jìn)了根系的生長。然而多項(xiàng)指標(biāo)均不如砂壤添加炭粒徑處理，也可能因?yàn)轲と罎B透性差、吸附能力強(qiáng)。

2.3 炭粒徑對(duì)烤煙根、莖、葉氮鉀含量的影響

炭粒徑對(duì)烤煙根、莖、葉氮鉀含量的影響見圖3。由圖3可知，在砂壤處理?xiàng)l件下，烤煙根、莖氮含量隨著炭粒徑增大呈先減少后增加的趨勢，莖氮含量差異不顯著。其中，煙葉以NF2處理含量最高，達(dá)25.3 g/kg，較NF1和NF3分別提高了15.4%、13.9%;根、莖鉀含量差異不顯著，鉀含量均隨著炭粒徑增大而增加，其中均以NF3處理含量最高，較NF1和NF2處理提高了2.2%～3.0%、0.3%～5.0%、8.9%～14.2%。黏壤處理中，烤煙根中氮含量隨著炭粒徑增大先增大后減小，且MF5處理與MF4、MF6處理差異顯著;而莖氮含量差異不顯著，以MF6處理最高為19.4 g/kg;煙葉中氮含量以MF4處理最高，與MF6處理差異不顯著，同時(shí)氮含量表現(xiàn)為煙葉>根>莖;烤煙莖、葉鉀含量隨著炭粒徑增大先減小后增大，而根鉀含量隨著炭粒徑增大先增大后減小;其中莖、葉MF4處理鉀含量最高，分別為32.8、71.9 g/kg，且鉀含量表現(xiàn)為煙葉>莖>根。從相同炭粒徑來看，砂壤中烤煙根、莖、葉中氮、鉀含量分別較黏壤提高了3.6%、14.1%、4.0%、35.1%、12.9%、13.3%。說明砂壤添加不同炭粒徑提高了氮、鉀養(yǎng)分吸收效率，對(duì)烤煙生長起著積極促進(jìn)作用。

2.4 炭粒徑對(duì)烤煙農(nóng)藝性狀的影響

由圖4可知，不同生物質(zhì)炭粒徑對(duì)烤煙株高、葉長、葉寬、葉面積影響不同。在砂壤土中烤煙株高、葉長、葉寬、葉面積隨著生物質(zhì)炭粒徑的增加呈先增加后降低的趨勢，其中以NF2處理最好，分別為122.0 cm、29 cm、76.97 cm、31.70 cm、0.15 m2，較NF1和NF2處理分別提高了8.2%～16.3%、1.0%～2.1%、5.2%～6.1%、8.5%～14.7%、7.1%～15.4%。黏土處理?xiàng)l件下農(nóng)藝性狀規(guī)律不明顯，其中，株高、葉寬以MF6處理最好為126.33 cm、29.0 cm，較MF4、MF5分別提高了11.47%～37.8%、1.3%～3.5%;葉長、葉面積以MF5處理最好，為71.53 cm、0.13 m2，其中較MF4、MF6分別提高了2.9%～3.0%、3.4%～4.3%。表明不同炭粒徑對(duì)烤煙株高、葉寬、葉面積有顯著影響，在砂壤土條件下不同炭粒徑對(duì)烤煙根系生長的促進(jìn)作用較大，其中煙葉經(jīng)濟(jì)性狀的主要農(nóng)藝指標(biāo)為株高、葉面積，其中株高、葉面積對(duì)煙葉產(chǎn)量和產(chǎn)值影響較大，在不同炭粒徑肥力水平下培育健壯的煙株個(gè)體，適當(dāng)增加株高，提高中部和上部葉片的葉片面積，有利于獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。

3 討論

烤煙的光合性能包括凈光合速率、胞間 CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率，其對(duì)煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)有直接影響[17]。該研究結(jié)果表明，不同炭粒徑處理對(duì)光合特性有直接影響，能夠通過提升葉片對(duì)胞間 CO2的同化能力，從而有效地改善煙株葉片的光合性能，進(jìn)而增強(qiáng)煙株地上部分的生長。在砂壤處理?xiàng)l件下，除凈光合速率外，烤煙的氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均隨著炭粒徑的增大而增強(qiáng)。而凈光合速率以炭粒徑在1～2 mm較好，可能原因是砂壤保肥、蓄水能力差，透氣性強(qiáng)，容易使養(yǎng)分流失。而黏土凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均以2～5 mm處理較好，可能原因是黏壤本身具有較強(qiáng)保肥、蓄水能力，但土壤透氣性較差，添加不同炭粒徑后有效改善土壤顆粒和機(jī)械組成以及增加土壤碳成分;同時(shí)生物質(zhì)炭本身含有一定量的礦質(zhì)養(yǎng)分，可增加土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分含量，如磷、鉀、鈣、鎂及氮素，在養(yǎng)分貧瘠土壤及砂質(zhì)土壤上生物質(zhì)炭的養(yǎng)分補(bǔ)充效應(yīng)較為明顯[18]。這表明生物質(zhì)炭的施用能夠改善煙株葉片的光合性能。該結(jié)果與宋久洋等[19]的研究結(jié)果相似。

根系是活躍的養(yǎng)分吸收器官和合成器官，根的生長狀況和活力強(qiáng)度影響地上部的營養(yǎng)狀況及產(chǎn)量水平。根系活力是反映根系發(fā)育狀況的重要指標(biāo)[19]。該研究結(jié)果表明，砂壤、黏壤分別在炭粒徑為1～2、2～5 mm對(duì)煙株根長、根系表面積、根系體積和根系活力均具有顯著的提升作用，能夠改善煙株根系的生長發(fā)育狀況、促進(jìn)養(yǎng)分吸收。可能原因是生物炭改善了土壤結(jié)構(gòu)（使土壤質(zhì)地疏松、增加通氣性），降低了土壤容重，增加土壤的透氣性和團(tuán)聚性;以及能夠貯存水分和養(yǎng)分，為土壤微生物棲息生活提供優(yōu)越的天然微環(huán)境，進(jìn)而增加土壤微生物數(shù)量及活性?？梢?，施用生物質(zhì)炭顯著增加了煙苗根系體積、根系面積和根總長。該結(jié)果與李中陽等[20]的研究結(jié)果相似。

該試驗(yàn)結(jié)果表明，添加生物質(zhì)炭可促進(jìn)烤煙農(nóng)藝性狀，其中，砂壤處理株高、葉長、葉寬、葉面積在炭粒徑1～2 mm效果最佳;黏壤處理株高、葉寬均在炭粒徑2～5 mm效果最佳?？梢?，生物質(zhì)炭對(duì)作物生長的影響作用可能與其施用方式和供試土壤的性質(zhì)有關(guān)。該結(jié)論與吳崇書等[21]的研究結(jié)果相似。

4 結(jié)論

（1）在不同質(zhì)地土壤中，添加不同炭粒徑對(duì)烤煙的凈光合速率、胞間 CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率有直接影響。其中，黏壤添加炭粒徑光合特性效果較砂壤好。砂壤處理凈光合速率在炭粒徑1～2 mm效果最佳，達(dá)17.52 μmol/（m2·s）;而胞間 CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均隨著碳粒徑增加而增強(qiáng)，分別達(dá)0.23、172.95、196.39 μmol/（m2·s）;黏壤處理凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均在炭粒徑2～5 mm效果最佳，分別為18.33、0.29、223.48、6.64 μmol/（m2·s）。

（2）在不同質(zhì)地土壤中，添加不同炭粒徑對(duì)根系形態(tài)及活力有直接影響。其中，砂壤處理根系形態(tài)及活力較黏壤處理好。砂壤處理根系形態(tài)及活力均在炭粒徑1～2 mm效果最佳，分別達(dá)9 786.71 mm、5 281.12 cm2、283.14 cm3、86.94 μg/（g·h）;黏壤處理根系形態(tài)及活力均在炭粒徑2～5 mm效果最佳，分別為8 228.83 mm、4 687.79 cm2、261.49 cm3、80.98 μg/（g·h）。

（3）烤煙的養(yǎng)分吸收和農(nóng)藝性狀對(duì)產(chǎn)量、品質(zhì)有直接影響。其中，砂壤處理株高、葉長、葉寬、葉面積較黏壤處理好。砂壤處理株高、葉長、葉寬、葉面積在炭粒徑1～2 mm效果最佳，分別達(dá)122.00 cm、76.97 cm、31.70 cm、0.15 m2;黏壤處理株高、葉寬均在炭粒徑2～5 mm效果最佳，分別為126.33 m、28.83 cm。

綜上所述，炭粒徑對(duì)不同質(zhì)地黃壤烤煙光合特性、根系形態(tài)及農(nóng)藝性狀有很大影響，其中，黏壤添加炭粒徑在烤煙光合特性上效果較砂壤好;而在根系形態(tài)和活力、農(nóng)藝性狀上較砂壤差。在砂壤處理?xiàng)l件下，烤煙的光合特性、根系形態(tài)和農(nóng)藝性狀在炭粒徑為1～2 mm時(shí)效果最佳，黏壤處理下在炭粒徑為2～5 mm時(shí)效果最佳。

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