碳基土壤調(diào)理劑對昭通冷涼山區(qū)植煙黃壤培肥改良研究

王 熾，李枝武，倪 明，閆 輝，陳興位*，宋鵬飛，付 斌，趙新梅

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650205；2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南 昆明 650231)

【研究意義】昭通市位于云貴高原與四川盆地結(jié)合部，具有典型的高原山地地形地貌特征，冷涼山區(qū)土壤以黃壤和黃棕壤為主[1]。冷涼山區(qū)黃壤偏酸性，質(zhì)地較粘重，結(jié)構(gòu)差，土壤基礎(chǔ)地力不高，供肥能力差[2-3]。加之低溫冷害，作物生育期長，土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力差，致使農(nóng)作物的農(nóng)學(xué)及經(jīng)濟(jì)效益受損失[4-5]。為此，有效改善土壤生態(tài)及提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力具有重要的理論和實(shí)踐意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來，功能性碳源材料在農(nóng)業(yè)土壤上的應(yīng)用已有廣泛研究。研究表明，碳源材料能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤固氮保肥能力，減少氮磷養(yǎng)分淋溶流失，提高土壤養(yǎng)分供給的持續(xù)性和穩(wěn)定性[6-7]。李瀚[8]、蘇倩[9]等研究表明，生物碳源能提高土壤微生物活性，對土壤養(yǎng)分的循環(huán)轉(zhuǎn)化具有促進(jìn)作用?？緹?NicotianatabacumL.)是昭通山區(qū)農(nóng)業(yè)的特色經(jīng)濟(jì)作物。近年來，由于長期施用化肥，有機(jī)肥投入少，導(dǎo)致土壤C/N失衡，養(yǎng)分利用率不高[10]，加之烤煙根系分布較淺，易造成生理性養(yǎng)分不足，影響了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)提升。目前，關(guān)于碳源材料在熱區(qū)低肥力土壤改良、蔬菜地高肥力土壤調(diào)理等方面都有較好的效果[11]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】碳源材料在冷涼山區(qū)低肥力土壤的應(yīng)用鮮見報道，能否利用碳基土壤調(diào)理劑解決土壤培肥的問題，提高養(yǎng)分利用率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)作物提質(zhì)增效亟待研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究不同碳基調(diào)理劑對昭通冷涼山區(qū)黃壤理化性狀、烤煙養(yǎng)分含量及吸收量的影響，綜合評價碳基土壤調(diào)理劑的施用效果，為冷涼山區(qū)黃壤的培肥改良提供理論依據(jù)。

表1 試驗(yàn)點(diǎn)土壤理化性狀

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域

試驗(yàn)點(diǎn)位于云南省昭通市昭陽區(qū)守望鄉(xiāng)水井灣村，地處東經(jīng)103°43′40″，北緯27°15′46″，海拔1984 m。試驗(yàn)區(qū)域?qū)倥瘻貛Ц咴撅L(fēng)立體氣候，年平均氣溫12.6 ℃，1月平均氣溫2.0 ℃，7月平均氣溫19.8 ℃，極端最低氣溫-13.3 ℃，極端最高氣溫33.5 ℃，年平均日照1900 h，年平均降雨量760 mm。試驗(yàn)地供試土壤為冷涼山區(qū)黃壤，理化性狀見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)設(shè)5個處理3次重復(fù)?？瞻滋幚?CK0)，不施任何肥料；對照處理(CK1)，化肥+商品有機(jī)肥；T1處理，化肥+碳基調(diào)理劑I；T2處理，化肥+碳基調(diào)理劑II；T3處理，化肥+碳基調(diào)理劑III。碳基調(diào)理劑利用不同植物秸稈粉碎后厭氧半發(fā)酵制作而成，后摻混化肥及固體粘結(jié)劑，利用平磨式擠壓造粒機(jī)，造成2～3 cm圓柱狀顆粒。供試3種碳基調(diào)理劑的基礎(chǔ)性質(zhì)見表2。

1.3 供試作物、施肥和田間管理

供試烤煙品種為云煙116。移栽方式為膜下小苗移栽，移栽規(guī)格：株距55 cm，墑距115 cm，墑高35 cm，種植密度：15 000株·hm-2。

施肥量為氮肥(N)100 kg·hm-2，磷肥(P2O5)125 kg·hm-2，鉀肥(K2O)308 kg·hm-2。其中，基肥為商品有機(jī)肥或碳基調(diào)理劑2025 kg·hm-2、煙草專用復(fù)合肥(11-15-23)825 kg·hm-2，追肥為移栽后15 d追施硝酸鉀75 kg·hm-2，移栽后50 d施用硫酸鉀165 kg·hm-2。施肥方法，調(diào)理劑、有機(jī)肥和復(fù)合肥采用環(huán)施，硝酸鉀、硫酸鉀采用兌水澆施。

試驗(yàn)小區(qū)處理除施肥處理不同，其余烤煙種植品種、栽培管理、覆膜方式均相同，煙苗移栽時間:2018年4月25日，第1次采烤時間:2018年7月26日，最后1次采烤時間：2018年9月5日。

1.3.1 土壤采集及檢測 試驗(yàn)開展前，對整個試驗(yàn)地塊用5點(diǎn)采樣法，采集0～20 cm耕層土壤，四分法混勻后作為基礎(chǔ)土壤?？緹熒L階段，各處理小區(qū)5點(diǎn)采樣法，在煙株中間用土鉆采集0～20 cm耕層土壤，四分法制成混合土樣。土壤理化指標(biāo)檢測用pH用玻璃電極法；有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀氧化法；全氮用凱氏定氮法；水解性氮用堿解擴(kuò)散法；有效磷用鉬銻抗比色法；速效鉀用火焰光度法。

表2 試驗(yàn)材料基礎(chǔ)性質(zhì)

1.3.2 植株采集及檢測 在烤煙各生育期采集不同處理具有代表性的3株烤煙，各部位(根、莖、葉)分開，105 ℃殺青30 min后于80 ℃烘干稱重，測定生物量。樣品粉碎后保存，測定不同部位氮、磷、鉀含量。植株養(yǎng)分指標(biāo)檢測：氮用凱氏定氮法；磷用釩鉬黃比色法；鉀用火焰光度法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用EXCEL軟件進(jìn)行處理，采用SPSS 18.0數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳基調(diào)理劑對植煙土壤pH的影響

由圖1可見，隨著烤煙生長，各處理土壤pH值呈現(xiàn)升高趨勢，且在旺長期和打頂期，施用碳基調(diào)理劑的T1、T2、T3處理土壤pH值較CK0和CK1處理提高明顯，在終烤期各處理土壤pH值變化趨于平穩(wěn)。表明添加碳源材料在烤煙旺長期和打頂期能提升土壤pH值，增加土壤的緩沖性能，鄧小華、李集勤等的研究有相同結(jié)果[12-13]。

2.2 碳基調(diào)理劑對植煙土壤有機(jī)質(zhì)的影響

由圖2可見，烤煙生育期內(nèi)，處理T1、T2、T3的土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于處理CK0和CK1，土壤有機(jī)質(zhì)含量T1>T2>T3>CK1>CK0，終烤期T1、T2、T3的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別比CK1提高了52.31 %、43.61 %和30.18 %。表明碳基調(diào)理劑能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，從而提高土壤養(yǎng)分調(diào)控能力，滿足烤煙生長需求。

2.3 碳基調(diào)理劑對植煙土壤氮素的影響

由圖3可見，在烤煙生育期內(nèi)，土壤的水解性氮含量處理T1、T2、T3明顯高于處理CK0和CK1，其中處理T1的水解氮含量最高且保持小幅度升高，處理T2水解氮含量持續(xù)穩(wěn)定升高，處理T3水解氮含量變化幅度不大，終烤期T1、T2、T3土壤的水解氮含量分別比CK1提高了29.3 %、26.7 %、10.7 %。表明T1碳基調(diào)理劑的供氮能力強(qiáng)；T2碳基調(diào)理劑的前期供氮能力弱，后期受環(huán)境(雨水和溫度)和根系生長的影響下，供氮能力大幅提高，較符合烤煙需肥規(guī)律；T3碳基調(diào)理劑對土壤氮素供應(yīng)的緩沖能力弱，在烤煙生育期土壤水解氮含量差異不明顯。

2.4 碳基調(diào)理劑對植煙土壤磷、鉀的影響

由圖4可見，烤煙生長期內(nèi)土壤有效磷含量明顯升高，相同施磷量條件下，旺長期土壤有效磷含量T3>T2>T1>CK1>CK0，打頂期處理T1，T2土壤有效磷含量與CK1差異不明顯，T3有效磷含量最低，終烤期處理T1、T2與CK1有效磷差異不明顯，T3有效磷含量最高。施用碳基調(diào)理劑對土壤磷具有活化作用，旺長期明顯提高土壤有效磷含量，但隨著時間延長，對磷素的活化效應(yīng)減弱?？緹熒趦?nèi)土壤速效鉀含量明顯高于基礎(chǔ)土壤，旺長期處理T2、T3速效鉀含量高于其他處理，打頂期處理T1、T2、T3與CK0、CK1相當(dāng)，終烤期處理T1、T2、T3高于處理CK1。碳基調(diào)理劑施入土壤后有利于形成土壤有機(jī)無機(jī)膠體，有助于吸附和保持土壤鉀離子。3種碳基調(diào)劑中，T2、T3在旺長期能使土壤磷和鉀維持在較高水平。

2.5 碳基調(diào)理劑對植煙養(yǎng)分含量及吸收量的影響

在烤煙收獲期采集具代表性的整株烤煙，對比不同處理對烤煙各部位養(yǎng)分含量的影響。結(jié)果表明，處理T1、T2、T3的煙株根、莖、葉氮含量比CK0分別提高17.92 %～25.73 %、80.49 %～135.98 %和45.52 %～68.68 %，處理T1、T2、T3根中氮含量比常規(guī)處理CK1分別降低6.1 %、3.2 %、6.2 %；莖中氮含量T3比CK1提高17.2 %，T1和T2分別比CK1降低10.4 %、2.3 %；葉中氮含量T1比CK1低6.9 %，T2和T3比CK1高8.8 %、6.6 %?？梢钥闯鎏蓟{(diào)理劑的前期供氮能力略低于常規(guī)處理，后期持續(xù)性的供氮能力變強(qiáng)，其中T2碳基調(diào)理劑的供氮效果較好。處理T1、T2、T3的煙株根、莖、葉磷含量比CK0分別提高7.75 %～20.45 %、30.33 %～64.44 %和10.87 %～20.34 %。與CK1相比，碳基調(diào)理劑處理根、莖、葉中磷含量差異均不明顯。處理T1、T2、T3的煙株根、莖和葉中鉀含量與CK0差異不明顯，比CK1常規(guī)處理略低。

養(yǎng)分吸收量對烤煙的生長發(fā)育具有重要影響。由圖6可見，碳基調(diào)理劑處理與常規(guī)處理的煙株氮吸收總量：T2>T3>CK1>T1>CK0，處理T1、T2、T3的根、莖和葉的氮吸收量分別占總吸氮量的12.24 %～21.40 %、14.53 %～27.91 %和59.85 %～64.06 %。T2處理的烤煙莖和葉的吸氮量占比高于CK1，根的吸氮量占比低于CK1。碳基調(diào)理劑后期持續(xù)性的供氮能力強(qiáng)于常規(guī)處理CK1，能有效提高烤煙葉片對氮的吸收利用，其中T2碳基調(diào)理劑的供氮效果較好。各處理煙株磷吸收總量：T1>CK1>T3>T2>CK0，各處理的根、莖和葉的磷吸收量分別占總吸磷量的16.43 %～27.37 %、16.73 %～42.01 %和37.44 %～55.90 %，碳基調(diào)理劑處理能有效提高莖磷吸收的比例。煙株鉀吸收總量：CK1>T3>T1>T2>CK0，這可能與常規(guī)施肥施用更多的鉀肥有關(guān)，處理T1、T2、T3的根、莖和葉的鉀吸收量分別占總吸鉀量的9.07 %～18.05 %、17.18 %～42.18 %和44.86 %～67.41 %。

表3 不同時期烤煙生物量與土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)系數(shù)

表4 烤煙不同部位生物量與烤煙養(yǎng)分含量、養(yǎng)分吸收量的相關(guān)系數(shù)

2.6 烤煙生物量與土壤養(yǎng)分含量、烤煙養(yǎng)分含量及烤煙養(yǎng)分吸收量的相關(guān)性

烤煙不同部位生物量與土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性分析(表3)表明，打頂期烤煙根生物量與水解性氮和有效磷之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，烤煙葉生物量與水解性氮和有效磷之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，烤煙莖生物量與水解性氮、有效磷和速效鉀呈負(fù)相關(guān)。表明打頂期土壤養(yǎng)分供給對煙葉的生長發(fā)育具有重要作用，影響煙葉的養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量的形成。

煙葉不同部位生物量與其養(yǎng)分含量、養(yǎng)分吸收量的相關(guān)性分析(表4)表明，烤煙根的生物量與根的氮含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與根的磷含量、氮吸收量和磷吸收量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)?？緹熑~的生物量與葉的氮含量、磷含量、鉀吸收量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與葉的氮、磷吸收量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。說明烤煙根與葉的生物量與其養(yǎng)分含量和養(yǎng)分吸收量密切相關(guān)，從而影響烤煙的產(chǎn)量。

3 討 論

冷涼山區(qū)低溫冷涼，酸性土壤抑制微生物的生長量和活性，造成營養(yǎng)元素有效性降低。施用碳基調(diào)理劑后，通過提高土壤堿基飽和度、消耗土壤質(zhì)子等作用提高土壤pH值[14]，土壤微生物種群和數(shù)量發(fā)生改變。同時碳基調(diào)理劑的施用增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，為微生物的生長繁殖提供能源，“激發(fā)”了土壤有機(jī)氮的礦化分解[15-16]。碳基調(diào)理劑中富碳物質(zhì)其表面較高的離子交換量和活躍的羧基、羥基等官能團(tuán)，提高了土壤對肥料中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸附能力，減少了氮素?fù)p失，從而增強(qiáng)氮的有效性[17-20]。施用碳基調(diào)理劑的土壤水解性氮含量比常規(guī)施肥(CK1)在旺長期和終烤期分別提高了6.45 %～35.50 %和10.67 %～29.34 %，其中T2的持續(xù)效果最好。說明碳基調(diào)理劑都有培肥土壤的作用，但其原料及配比會影響土壤調(diào)理效果[21]。

碳基調(diào)理劑施入土壤后不僅礦化自身的有機(jī)磷，還產(chǎn)生多種有機(jī)酸，通過絡(luò)合、溶解、還原等作用活化土壤中難溶解性磷，并且通過自身的陰離子交換作用降低土壤對磷的固持[22-25]，從而增加了土壤有效磷含量，提高土壤磷活性[26]。本研究碳基調(diào)理劑T2、T3能有效提高旺長期土壤有效磷含量，施用碳基調(diào)理劑對土壤磷的“激活效應(yīng)”隨著時間的推延，磷的活化效應(yīng)逐步減弱，這可能與土壤通氣狀況、水分含量、溫度變化、微生物活性等影響土壤磷轉(zhuǎn)化的因素密切相關(guān)[27-29]。

研究表明，作物的提質(zhì)增產(chǎn)不僅表現(xiàn)在氮的供給，而且更重要的體現(xiàn)在碳氮的耦合作用。據(jù)劉昱研究，水田和旱地的土壤碳氮輸入量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[30-31]。土壤施用碳基調(diào)理劑在作物生長前期具有調(diào)節(jié)土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度，影響作物各部位的氮含量水平分配；在作物生長中后期具有維持土壤氮供應(yīng)的持續(xù)性，影響作物的吸氮量和生物量。相同施氮量條件下，烤煙根與葉的生物量與其養(yǎng)分含量和養(yǎng)分吸收量密切相關(guān)，施用碳基調(diào)理劑的烤煙葉的氮含量和吸氮量要高于常規(guī)施肥，施用碳基調(diào)理的烤煙根的氮含量水平要低于常規(guī)施肥，這有助于煙葉的養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量的形成。

4 結(jié) 論

冷涼山區(qū)黃壤條件下，施用碳基調(diào)理劑能提升土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量，調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的供給。施用碳基調(diào)理劑能減少土壤氮素的淋溶損失，土壤氮的供給持續(xù)且穩(wěn)定，有效提高煙株根系、煙葉的氮含量和吸收量，提高氮肥利用率，對煙葉產(chǎn)質(zhì)量的提升有顯著作用。綜合來看，昭通地區(qū)黃壤肥力較低，T2碳基調(diào)理劑供氮持續(xù)性更好，在烤煙生長的中后期能穩(wěn)定持續(xù)供應(yīng)氮素，提高烤煙葉片對氮的吸收利用，有利于煙葉產(chǎn)質(zhì)量的形成。