氮肥配施生物炭對(duì)坡耕地烤煙/青貯玉米套作生物量和光合特性的影響*

王 力，顧 浩，李嘉亮，楊 睿，何 軍，陳 頤，何聰蓮，何承剛

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南省煙草公司臨滄市公司，云南 臨滄 677000；3.云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，云南 昆明 650021)

坡耕地是高原山區(qū)農(nóng)業(yè)最主要的土地資源，中國坡耕地面積約占耕地總面積的17.5%[1]。坡耕地由于高強(qiáng)度降雨、坡度陡峭、植被覆蓋度低以及人類的破壞，極易發(fā)生水土流失現(xiàn)象，導(dǎo)致坡耕地愈加貧瘠。為了提高作物的產(chǎn)質(zhì)量，農(nóng)民增加了化肥農(nóng)藥的施用量，這也導(dǎo)致流失的土壤中帶有大量的化肥農(nóng)藥殘留，造成水體污染和富營養(yǎng)化[2-3]，更加不利于作物生長。

生物炭是指生物質(zhì)在完全或部分缺氧條件下熱裂解產(chǎn)生的一種高碳、多孔、吸附能力強(qiáng)的固態(tài)產(chǎn)物[4]，具有“取之于農(nóng)，用之于農(nóng)”的特點(diǎn)，符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，目前廣泛用于世界各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。研究表明：添加生物炭對(duì)水稻[5]、青貯玉米[6]和烤煙[7]等作物的產(chǎn)量均有不同程度的提高。套種是指在前季作物生長后期的株、行或畦間播種或移栽后季作物的一種種植方式[8]。研究表明：套種可提高作物對(duì)氮素的吸收，對(duì)減少化肥的施用有積極作用[9]。在中國不同地區(qū)的研究結(jié)果都表明套種有助于作物生長和提高作物產(chǎn)量[10-11]。

近年來，將生物和化學(xué)手段與傳統(tǒng)方式的多元結(jié)合應(yīng)用于坡耕地農(nóng)業(yè)是新的趨勢(shì)[12]。但將生物炭用于坡耕地作物套種體系還鮮見報(bào)道。因此，本研究基于微型小區(qū)模擬試驗(yàn)，在套作系統(tǒng)中添加生物炭，旨在探索氮肥配施生物炭對(duì)套作作物生物量和光合特性的影響，為今后生物炭在坡耕地農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用提供應(yīng)用實(shí)例和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)在云南省昆明市云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源和節(jié)水灌溉實(shí)驗(yàn)室開展(海拔1 930 m)。

1.2 試驗(yàn)材料

供試土壤為紅壤土，其理化性狀為全氮含量0.62 g/kg，全磷含量1.95 g/kg，全鉀含量0.94 g/kg，速效磷含量8.12 mg/kg，速效鉀含量118.25 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量14.01 g/kg，堿解氮含量46.45 mg/kg，銨態(tài)氮含量37.84 mg/kg，硝態(tài)氮含量226.91 mg/kg，pH值為5.36。

供試烤煙品種為云煙87，供試青貯玉米品種為中玉335，供試生物炭原材料為烤煙煙稈(品種為中煙100)，炭化溫度為500 ℃。生物炭養(yǎng)分為：有機(jī)碳含量476.68 g/kg，全氮含量3.29 g/kg，全磷含量2.25 g/kg，全鉀含量17.52 g/kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)置18個(gè)坡度為10°的徑流小區(qū)，小區(qū)長140.2 cm，寬53.3 cm，高26.4 cm，裝滿經(jīng)10 mm篩處理的土壤。

1.3.2 試驗(yàn)方法

研究采用雙因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，設(shè)置氮肥水平(因素N)和生物炭(因素B) 2個(gè)因素。設(shè)置3個(gè)氮肥施用量(N0、N1和N2)：烤煙施氮量分別為0、52.5和105 kg/hm2，玉米施氮量分別為0、100和200 kg/hm2；設(shè)置2個(gè)生物炭施用量，分別為不添加生物炭(B0)和添加3%生物炭(每100 kg土添加3 kg生物炭，B1)，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。烤煙氮肥分基肥和追肥2次施用，基肥和追肥各施用50%，各處理磷肥和鉀肥施用量均相同，磷肥用量105 kg/hm2，鉀肥用量為210 kg/hm2；玉米氮肥 (尿素) 分2次追肥施用，分別在幼苗期和拔節(jié)期進(jìn)行追肥，幼苗期施肥量為60%，拔節(jié)期施肥量為40%，施肥方式均為環(huán)施。試驗(yàn)烤煙所用肥料為烤煙專用復(fù)合肥 [m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶18∶30]，普鈣(P2O5≥16%)，農(nóng)業(yè)用硫酸鉀(K2O≥50%)，烤煙專用復(fù)合肥分基肥和追肥2次施用，磷鉀肥一次性作基肥施用；玉米所用肥料為尿素(N≥46%)，分2次追肥施用，玉米不施基肥。

設(shè)置烤煙行株距為110 cm×55 cm，于2019年5月6日將煙苗移栽入小區(qū)，田間管理按優(yōu)質(zhì)烤煙栽培生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行，成熟時(shí)按烤煙成熟標(biāo)準(zhǔn)采收。烤煙第2次成熟采收前進(jìn)行玉米育苗，第3次成熟采收前將玉米苗移栽在烤煙兩側(cè)，設(shè)置玉米行株距為25 cm×55 cm，二者共生期為20 d。玉米中耕除草及病蟲害防治按一般田間管理進(jìn)行，在幼苗期和拔節(jié)期進(jìn)行追肥。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

作物鮮干質(zhì)量測(cè)量：取成熟期各處理烤煙煙葉、莖和根以及成熟期青貯玉米地上部分和根，稱量樣品鮮質(zhì)量，樣品殺青烘干后稱量樣品干質(zhì)量。

作物光合參數(shù)測(cè)定：采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合儀，在烤煙成熟期和玉米拔節(jié)期選擇晴朗的上午(9：00—11：00)測(cè)定凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及胞間CO2濃度。

作物質(zhì)體色素含量測(cè)定：采用95%乙醇浸提法[13]測(cè)定成熟期烤煙和拔節(jié)期玉米葉片質(zhì)體色素含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥配施生物炭對(duì)套種作物鮮干質(zhì)量的影響

2.1.1 對(duì)烤煙成熟期各器官鮮干質(zhì)量的影響

由表1可知：施氮量對(duì)烤煙煙葉和莖鮮質(zhì)量有極顯著影響，對(duì)煙根鮮質(zhì)量有顯著影響；生物炭對(duì)莖鮮質(zhì)量有顯著影響；二者互作對(duì)烤煙莖鮮質(zhì)量有極顯著影響。B1N0處理的各部位鮮質(zhì)量均為最低。在施用氮肥的處理中，添加生物炭的處理各部位鮮質(zhì)量更高，B1N2處理的煙葉和根鮮質(zhì)量最高，B1N1莖鮮質(zhì)量最高。說明生物炭和氮肥配施的處理有利于物質(zhì)積累，單獨(dú)施用生物炭而不施氮肥的處理表現(xiàn)最差。

表1 不同處理烤煙成熟期單株烤煙煙葉、莖和根鮮質(zhì)量Tab.1 Fresh weight of per plant flue-cured tobacco leaf,stem and root at maturity stage with different treatments g

由表2可知：施氮量對(duì)烤煙莖和根干質(zhì)量有極顯著影響，對(duì)煙葉干質(zhì)量有顯著影響；生物炭對(duì)莖干質(zhì)量有顯著影響；二者互作對(duì)烤煙莖干質(zhì)量有極顯著影響。不施氮肥處理的干質(zhì)量較低，且B1N0處理干質(zhì)量最低，表明單獨(dú)施用生物炭不利于烤煙的物質(zhì)積累；B1N1處理的葉、莖和根干質(zhì)量比B0N1處理分別提高24.91%、95.76%和95.01%，而B0N2與B1N2處理的干質(zhì)量間無顯著差異，說明在減氮施肥時(shí)生物炭的作用更加明顯，常規(guī)施肥水平下，添加生物炭對(duì)烤煙的物質(zhì)積累無明顯作用。

表2 不同處理烤煙成熟期單株烤煙煙葉、莖和根干質(zhì)量Tab.2 Dry weight of per plant flue-cured tobacco leaf,stem and root at maturity stage with different treatments g

2.1.2 對(duì)青貯玉米成熟期鮮干質(zhì)量的影響

由表3可知：施氮量對(duì)成熟期青貯玉米鮮質(zhì)量有極顯著影響，生物炭與氮肥的交互作用顯著影響其根鮮質(zhì)量。B1N0處理的鮮質(zhì)量顯著低于其他處理，這可能是由于僅施用生物炭會(huì)將土壤已有養(yǎng)分完全吸收，導(dǎo)致青貯玉米的物質(zhì)積累不足。生物炭配施氮肥的處理間存在差異，當(dāng)施氮量為N2水平時(shí)，生物炭的添加使玉米地上部分、根和全株的鮮質(zhì)量分別提高5.58%、65.73%和9.93%。而B0N1和B1N1間無顯著差異說明生物炭減氮配施對(duì)青貯玉米鮮質(zhì)量無顯著影響。

表3 不同處理成熟期單株青貯玉米鮮質(zhì)量Tab.3 Fresh weight of per plant silage corn under different treatments g

由表4可知：施用氮肥對(duì)成熟期青貯玉米干質(zhì)量有極顯著影響，生物炭與氮肥互作對(duì)青貯玉米干質(zhì)量有顯著影響。B1N0處理的干質(zhì)量顯著低于其他處理，B1N2處理即生物炭搭配常規(guī)施氮玉米地上部分、根和全株的干質(zhì)量均最高。

表4 不同處理成熟期單株青貯玉米干質(zhì)量Tab.4 Dry weight of per plant silage corn under different treatments g

2.2 氮肥配施生物炭對(duì)作物質(zhì)體色素含量的影響

2.2.1 對(duì)旺長期烤煙質(zhì)體色素含量的影響

由表5可知：生物炭對(duì)烤煙煙葉葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量有顯著影響，對(duì)總?cè)~綠素含量有極顯著影響；氮肥對(duì)各質(zhì)體色素含量都有極顯著影響。不同處理下各項(xiàng)指標(biāo)的大小順序?yàn)锽1N2>B0N2>B1N1>B0N1>B1N0>B0N0，添加生物炭的處理均高于未添加的處理，說明生物炭與氮肥配施對(duì)烤煙葉綠素積累有積極作用。

表5 不同處理烤煙煙葉的質(zhì)體色素含量Tab.5 Plastid pigment content of flue-cured tobacco under different treatments mg/g

2.2.2 對(duì)拔節(jié)期青貯玉米葉片葉綠素含量的影響

由表6可知：氮肥的施用對(duì)青貯玉米葉綠素含量有極顯著影響；生物炭和氮肥互作對(duì)青貯玉米葉片葉綠素含量無顯著影響。相同生物炭處理間，葉綠素含量隨施氮量的增加而增加；B1N0處理的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均顯著低于其他處理，表明只添加生物炭不施氮肥對(duì)青貯玉米的光合色素積累不利。

表6 不同處理青貯玉米的葉綠素含量Tab.6 Chlorophyll content of silage corn under different treatments mg/g

2.3 氮肥配施生物炭對(duì)作物光合參數(shù)的影響

2.3.1 對(duì)烤煙成熟期葉片光合參數(shù)的影響

由表7可知：添加生物炭和施用氮肥對(duì)烤煙成熟期凈光合速率、胞間CO2濃度和蒸騰速率有極顯著影響；二者互作可極顯著影響胞間CO2濃度。相同施氮水平下的處理，添加生物炭能夠提高凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，降低胞間CO2濃度，且B1N2和B1N1在各項(xiàng)參數(shù)中都與其對(duì)應(yīng)的不添加生物炭的處理有顯著差異。不施氮肥的2個(gè)處理的凈光合速率、胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度差異均不顯著。

表7 不同處理烤煙的光合參數(shù)Tab.7 Photosynthetic parameters of flue-cured tobacco with different treatments

2.3.2 對(duì)拔節(jié)期青貯玉米葉片光合參數(shù)的影響

由表8可知：生物炭對(duì)青貯玉米凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率有顯著影響；施氮量對(duì)各項(xiàng)光合參數(shù)都有極顯著影響；二者的互作效應(yīng)極顯著影響凈光合速率，顯著影響胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率。B1N0處理的各光合參數(shù)均為最低，表明單獨(dú)施用生物炭不利于后茬青貯玉米生長；在除N0外的相同施氮水平下的處理中，施用生物炭對(duì)各項(xiàng)參數(shù)都有不同程度的提高，且B1N1處理的提高幅度最大，說明生物炭需要與氮肥配施才能發(fā)揮作用。

表8 不同處理青貯玉米光合參數(shù)Tab.8 Photosynthetic parameters of silage corn under different treatments

3 討論

3.1 氮肥配施生物炭對(duì)套作作物鮮干質(zhì)量的影響

鮮干質(zhì)量可以預(yù)估作物的產(chǎn)量，對(duì)烤煙和青貯玉米產(chǎn)量都有較大影響，大多數(shù)研究認(rèn)為添加生物炭對(duì)作物的物質(zhì)積累與產(chǎn)量有積極作用[14-16]。本研究中生物炭與氮肥配施對(duì)烤煙各部位鮮質(zhì)量和干質(zhì)量有積極作用，這與劉新源等[17]的研究結(jié)果一致；李靜靜等[18]認(rèn)為：與減量氮肥配施相比，生物炭搭配常規(guī)施氮對(duì)鮮干質(zhì)量有更好的提高效果，本研究與其結(jié)果相同。本研究中B1N0處理的干物質(zhì)積累量低于B0N0，這可能是由于生物炭的強(qiáng)吸附性將土壤原有養(yǎng)分吸附，造成B1N0處理的養(yǎng)分不足，這一結(jié)果也與已有研究[19]一致。

本研究表明：生物炭與氮肥配施的處理對(duì)青貯玉米地上部分的物質(zhì)積累無顯著作用，這與朱浩宇等[20]的研究結(jié)果一致；而B1N0處理的干物質(zhì)積累量最低的原因可能也是生物炭將土壤已有養(yǎng)分吸附所致。綜上所述，生物炭對(duì)烤煙的干物質(zhì)積累量有一定作用，可能是生物炭具有緩釋氮肥的作用，從而保證了烤煙各生長期所需氮肥量，但要注意與氮肥的配施比例。針對(duì)青貯玉米而言，添加生物炭對(duì)干物質(zhì)積累并無顯著的作用，但可以減少氮肥的施用量；但在養(yǎng)分貧瘠的土壤上施用生物炭有可能會(huì)起反作用。

3.2 氮肥配施生物炭對(duì)套作作物葉片質(zhì)體色素含量的影響

質(zhì)體色素與植物光合作用密切相關(guān)，烤煙煙葉質(zhì)體色素含量對(duì)烤煙的品質(zhì)有很大影響[21]；青貯玉米的葉綠素含量與其物質(zhì)積累有較大關(guān)系[22]。本研究表明：各處理對(duì)烤煙葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素的含量影響一致，均為B1N2>B0N2>B1N1>B0N1>B1N0>B0N0，這可能是由于烤煙煙葉質(zhì)體色素含量與葉片氮素營養(yǎng)之間存在密切關(guān)系[23]，生物炭的添加提高了煙株對(duì)氮的吸收能力。本研究中生物炭與氮肥配施的處理各質(zhì)體色素含量提升較為明顯，特別是生物炭搭配減氮施肥的處理，各質(zhì)體色素含量分別提高48.07%、82.65%、49.61%和53.13%。生物炭搭配常規(guī)施肥處理的各質(zhì)體色素含量最高，這與劉領(lǐng)等[24]的研究結(jié)果一致。

本研究中生物炭與氮肥配施的處理對(duì)青貯玉米葉片葉綠素含量有提高作用，這和已有研究結(jié)果[25]相同，且土壤施氮量越高，青貯玉米葉片的葉綠素含量越高。這說明生物炭的添加能夠增加植株對(duì)氮肥的吸收，從而提高葉綠素含量。盧晉晶等[26]研究認(rèn)為：生物炭與氮肥配施與否都可提高玉米葉片的葉綠素含量，而本研究只添加生物炭不施用氮肥處理的玉米葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量顯著低于其他處理，這可能是由于生物炭種類及玉米品種不同所致。綜上所述，生物炭配施氮肥對(duì)烤煙煙葉和青貯玉米葉片的色素含量有提高作用，說明在同一施氮水平下，添加生物炭有利于烤煙煙葉香氣前體物的合成，且適宜的減氮量對(duì)烤煙香氣前體物的積累影響不顯著。因此，在增施生物炭時(shí)，可以適當(dāng)?shù)販p少氮肥，一方面是因?yàn)樯锾勘旧砭哂幸欢ǖ姆柿λ?；另一方面是因?yàn)樯锾康木忈尩首饔?，減少氮肥流失，提高氮肥利用率。在生物炭和氮肥施用比例方面，其前提是土壤本身需要有合適的氮素養(yǎng)分，同時(shí)生物炭與氮肥的配施比例也需要長期的試驗(yàn)來驗(yàn)證。青貯玉米對(duì)氮肥的需求與烤煙不同，生物炭對(duì)套作系統(tǒng)不同作物的作用也不同，在施用時(shí)需要考慮青貯玉米的需肥規(guī)律，才能使生物炭在烤煙/青貯玉米套種系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

3.3 氮肥配施生物炭對(duì)套作作物光合參數(shù)的影響

光合作用是植株物質(zhì)積累和能量代謝的源泉，是光對(duì)植株的直接作用[27]。烤煙的產(chǎn)量和品質(zhì)形成依賴光合作用[28]，青貯玉米的產(chǎn)量與光合速率呈正相關(guān)趨勢(shì)[29]。本研究中，除胞間CO2濃度外，B1N2處理的其他光合參數(shù)高于其他處理。施氮水平越高，煙葉的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率越高，胞間CO2濃度越低；同一施氮水平下，添加生物炭處理的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率更高，胞間CO2濃度更低。煙葉的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的變化趨勢(shì)與葛少華[30]的研究結(jié)果一致，但胞間CO2濃度與其相反，這可能是由于引起胞間CO2濃度變化的原因不同所致[31]。綜合來看，土壤氮素水平越高的處理光合作用強(qiáng)度越強(qiáng)，與李彩斌等[32]的研究結(jié)果相同，表明生物炭的添加對(duì)烤煙光合作用強(qiáng)度有積極作用，可能是由于生物炭的添加提高了烤煙氮素吸收利用效率，使得煙葉氮素含量上升，進(jìn)而提高煙葉的光合作用強(qiáng)度。

本研究中B1N0處理下青貯玉米的光合參數(shù)低于其他處理，說明單獨(dú)施用生物炭不利于青貯玉米的光合作用。除B1N0處理外，添加生物炭的處理中施氮水平越高，光合參數(shù)越高；同一施氮水平下，添加生物炭處理的光合參數(shù)更高。生物炭與氮肥配施中，B1N1處理各項(xiàng)光合參數(shù)的提高較B0N1處理明顯，各項(xiàng)最高值為B1N2處理，這是因?yàn)锽1N2處理添加的生物炭使土壤氮素儲(chǔ)量提高，對(duì)光合作用強(qiáng)度有積極作用，這與王久龍等[33]的研究結(jié)果一致。綜上所述，生物炭與氮肥配施對(duì)烤煙和青貯玉米的光合作用強(qiáng)度有提高作用，且生物炭搭配常規(guī)施氮量表現(xiàn)最佳。

4 結(jié)論

在本研究條件下，氮肥配施生物炭對(duì)烤煙及青貯玉米的鮮干質(zhì)量有積極作用。添加生物炭能提高煙葉質(zhì)體色素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率；而生物炭配施氮肥可以提高青貯玉米的光合作用。其中，以生物炭搭配常規(guī)施氮處理對(duì)提高烤煙物質(zhì)積累量、增強(qiáng)青貯玉米光合作用效果最好，生物炭搭配減半氮肥處理次之。因此，生物炭搭配減氮施肥能夠起到降低氮肥施用量的作用，但具體氮肥的減少量需要根據(jù)土壤類型和生物炭添加量來做更準(zhǔn)確的研究。