不同有機(jī)物料對烤煙根系特征及氮磷鉀積累量的影響

黃 浩，謝 晉，袁文彬，王初亮，陳坤華，曾繁東，梁增發(fā)，蘇 詔，王 維

（1廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣州 510310；2華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣州 510642）

0 引言

有機(jī)物料是一類以動植物殘?bào)w為來源，經(jīng)過無害化處理的有機(jī)物質(zhì)，因其具有來源廣、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，逐步在烤煙種植上得到應(yīng)用。煙草根系作為煙株的六大器官之一擔(dān)負(fù)著植株固著、養(yǎng)分吸收以及物質(zhì)合成等重要職能，其在土壤空間內(nèi)的分布狀況及生理活性最終影響產(chǎn)質(zhì)量形成[1]。研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)物料能夠改善土壤理化性狀[2-3]、增強(qiáng)土壤保水保肥性能[4]、優(yōu)化土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性[5]；褚德朋等[6]研究發(fā)現(xiàn)海藻多糖與有機(jī)物料進(jìn)行配施能有效降低煙草青枯病的發(fā)病率和病情指數(shù)；王艷等[7]試驗(yàn)表明葡萄糖、堆肥和秸稈3種有機(jī)物料對農(nóng)藥污染土壤修復(fù)具有積極作用；王夢雅等[8]研究認(rèn)為生物炭加秸稈有利于土壤有機(jī)碳的固存；馮婷婷、段淑輝等[9-10]探究表明秸稈、綠肥和生物炭等有機(jī)物料處理有利于煙葉經(jīng)濟(jì)效益和質(zhì)量提升?？梢婈P(guān)于有機(jī)物料在烤煙種植領(lǐng)域的研究主要集中在對土壤理化性狀、根際土壤微生物、土傳病害防治、根際土壤碳庫以及烤煙產(chǎn)質(zhì)量的影響等方面。有機(jī)物料的重要作用之一是改良土壤理化性狀，但不同的有機(jī)物料各有特性，對植煙土壤的改良和根系生長狀況影響存在差異，研究有機(jī)物料種類在改善土壤理化特性的過程中對烤煙根系特征及地上部氮磷鉀積累量的影響十分有必要。云南省普洱市景東彝族自治縣是全國優(yōu)質(zhì)山地?zé)煯a(chǎn)區(qū)之一，但由于連年種植且缺乏輪作，造成植煙土壤有機(jī)質(zhì)下降、板結(jié)、酸化以及煙葉營養(yǎng)比例失調(diào)等問題。本研究擬采用盆栽試驗(yàn)，通過添加不同種類有機(jī)物料，探討有機(jī)物料種類對土壤理化性狀、烤煙根系特征及其地上部N、P、K積累量之間的影響，旨在為景東產(chǎn)區(qū)合理選用有機(jī)物料改良土壤，促進(jìn)烤煙穩(wěn)產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)于2020年5—10月在云南省普洱市景東彝族自治縣安定鎮(zhèn)進(jìn)行，供試品種為‘云煙87’。試驗(yàn)用土取自當(dāng)?shù)爻Ｄ曛矡煹貕K0 ～20 cm耕作層土壤，前茬作物為水晶豌豆，其基本理化性狀與養(yǎng)分為：pH 5.72，有機(jī)質(zhì)2.87%，堿解氮86.32 mg/kg，速效磷17.37 mg/kg，速效鉀120.65 mg/kg。土壤曬干、敲碎，撿去雜物，過篩備用。汽爆秸稈為玉米、水稻等秸稈的混合汽爆物，生物炭為小麥秸稈生物炭，各有機(jī)物料的主要成分如表1所示。

表1 供試有機(jī)物料主要成分

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為盆栽試驗(yàn)，栽培裝置為邊長80 cm的立方體根箱。該研究以添加有機(jī)物料的種類為試驗(yàn)因素，保持總碳用量（0.3 kg/株）一致。試驗(yàn)設(shè)4個處理，處理1(T1)：添加汽爆秸稈0.95 kg/株；處理2(T2)：添加草炭0.88 kg/株；處理 3(T3)：添加生物炭 0.85 kg/株；處理4(CK)：純施化學(xué)肥料。不同處理間化學(xué)肥料的N:P2O5:K2O=1.0:1.0:2.5，保持不變，N=6 g/株、P2O5=6 g/株、K2O=15 g/株。每個處理4箱，3次重復(fù)，共48箱。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤理化性狀 土壤pH用酸度計(jì)測定，堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)等參照魯如坤所著的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[11]中的分析方法進(jìn)行測定。

1.3.2 根系指標(biāo) 在現(xiàn)蕾期將玻璃根箱打開，水平方向上，利用5 cm×5 cm×5 cm小立方原位根土取樣器，剝?nèi)ケ韺訛? cm深度的土壤，煙株主干兩側(cè)分別采集24個立方土塊；豎直方向上，利用10 cm×10 cm×10 cm小立方原位根土取樣器，以10 cm為分層，以根系主干為中心每個分層取9個土方，取至70 cm，共采集63個土方，將土方置于紗網(wǎng)內(nèi)，緩慢沖洗干凈，采用根系掃描儀進(jìn)行掃描，并用WinRHIZO Pro 2012b根系分析系統(tǒng)測定主根系長度、側(cè)根與不定根的根長、根粗、根表面積等根系指標(biāo)。采用TTC法測定根系活力，甲烯藍(lán)比色法[12]測定根系總吸收表面積、活躍吸收表面積。此外，根長密度指單位土壤體積中的根長，計(jì)算公式為如式(1)所示[13]。

式中：RLD為單位體積內(nèi)的根長密度，cm/cm3；L為一定體積內(nèi)的總根長，cm；V為取根的土壤體積，cm3。

1.3.3 煙株地上部N、P、K積累量測定 根箱打開后，將煙株從莖基部剪斷，區(qū)分地上部與地下部，樣品清洗烘干粉碎后用于營養(yǎng)元素N、P、K含量的測定。N含量采用凱氏定氮法測定[14]，P、K含量分別采用鉬銻抗顯色法和火焰分光光度法測定[15]。

2 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2016和SPSS 26對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析與圖形繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同有機(jī)物料對土壤性狀的影響

由表2可知，除有機(jī)質(zhì)方面，T1與CK無顯著差異性外，其余土壤指標(biāo)上，有機(jī)物料處理均與對照處理存在顯著差異性；堿解氮和速效磷方面，T1、T2與T3間均具有顯著差異性；在速效鉀指標(biāo)上，T2與T3間無顯著差異性；容重上，T1、T2和T33個處理間均無顯著差異性；總孔隙度方面T3處理與T2處理無顯著差異性，但與其他處理均具有顯著差異性。有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀以及pH方面，添加有機(jī)物料均能提高其含量或數(shù)值，且表現(xiàn)為T3＞T2＞T1。總體而言，有機(jī)無物料處理能有效改善土壤理化特性，并提高養(yǎng)分含量，表現(xiàn)最好的為生物炭，其次是草炭，汽爆秸稈則較差。

表2 不同有機(jī)物料對植煙土壤特性的影響

3.2 不同處理煙株根系根長密度在土層中的垂直分布規(guī)律

圖1反映了不同處理根長密度隨土壤深度增加的變化情況，為方便表述，將土壤深度分為7個區(qū)間，區(qū)間間隔10 cm，以區(qū)間中間值代表該區(qū)間根長密度狀況。從圖中可知，整體上添加了有機(jī)物料的處理的根長密度在任何深度均大于對照處理；有機(jī)無物料處理中，在土層深度為0 ～30 cm時，T1處理的烤煙根長密度要明顯大于T2和T3的根長密度，但其下降速度較快；當(dāng)土層深度超過40 cm后，T3處理的根長密度大于T2和T1。以上結(jié)果說明，汽爆秸稈處理根系分布在上層土壤比例較大，而生物炭處理卻能促進(jìn)根系在下層土壤的分布，草炭處理則介于兩者之間。

圖1 不同處理煙株根系根長密度在土層中的垂直分布

3.3 不同處理煙株根系根長密度在土層中的橫向分布規(guī)律

圖2反映了不同處理根長密度在土壤水平方向上的變化情況，為方便表述，將土壤水平距離分為7個區(qū)間，區(qū)間間隔5 cm，以區(qū)間中間值代表該區(qū)間根長密度狀況。從圖中可以看出，不同處理烤煙根長密度在土層中的水平分布呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，所有處理的根長密度均隨土層橫向距離的延伸而減小，且整體上橫向水平層面，有機(jī)物料處理的根長密度明顯大于對照處理。在距主根軸0 ～20 cm區(qū)域內(nèi)3種有機(jī)物料處理的烤煙根長密度表現(xiàn)為T1＞T2＞T3；距主根軸超過20 cm后，3種有機(jī)物料處理的烤煙根長密度變化情況出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，T1的根長密度迅速降低，其數(shù)值低于T2和T3，而 T3下降幅度最小，且 T3＞T2＞T1。上述結(jié)果說明，生物炭能擴(kuò)大根系在土層中的橫向分布范圍。

圖2 不同處理煙株根系根長密度在土層中的橫向分布

3.4 不同處理對煙株根系生理活性的影響

如圖3所示，在根系活力和根系活躍吸收表面積方面，除T2和T3處理無差異顯著性外，其余處理間均存在顯著差異性，而在根系總吸收表面積上，不同處理間均存在顯著差異性。不同處理在根系活力、根系總吸收表面積以及根系活躍吸收表面積三大指標(biāo)上均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞CK，其中T3分別較CK高出17.31%、34.52%以及32.96%，T2較CK分別高出13.44%、28.22%以及28.08%。以上分析說明生物炭和草炭處理整體上更有利于增強(qiáng)煙株根系生理活性。

圖3 不同處理對煙株根系生理活性的影響

3.5 不同處理對側(cè)根及不定根的根長、根粗及根表面積的影響

煙草根系由主根、側(cè)根和不定根組成，由于特殊的栽培方式，烤煙的主根并不發(fā)達(dá)，側(cè)根和不定根構(gòu)成了煙株根系的主體。如表3所示，側(cè)根方面，不同處理在總根長和根粗上均存在顯著差異性，根表面積上T1和T2處理間無顯著差異性；變化趨勢上，總根長、根粗以及根表面積均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞CK。不定根方面，總根長上有機(jī)物料處理均與對照處理差異顯著，但T1和T2間無顯著差異性，根粗方面T2和T3，T1和CK間無顯著差異性，根表面積上不同處理間均存在顯著差異性；不同處理間的變化趨勢上與側(cè)根表現(xiàn)一致。

表3 不同有機(jī)物料對側(cè)根及不定根的根長、根粗及根表面積的影響

3.6 不同有機(jī)物料對煙株地上部N、P、K積累量的影響

從圖4可以看出，N、P、K積累量方面，不同處理對煙株地上部N素積累量的影響差異顯著，表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞CK；T2和T3處理煙株地上部P積累量間差異不顯著，但二者與T1和CK處理均存在顯著差異性，同樣表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞CK；添加有機(jī)物料的處理煙株地上部K積累量與對號處理差異均達(dá)到顯著性差異水平，T3與 T1、T2處理差異顯著，但 T1和 T2處理并無顯著差異性，各處理煙株地上部K積累量亦呈現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞CK。

圖4 不同處理料對煙株地上部N、P、K積累量的影響

3.7 根系特征與營養(yǎng)元素積累量的典型相關(guān)性分析

將根長密度(x1)、根系活力(x2)、根系總吸收表面積(x3)、根系活躍吸收表面積(x4)、側(cè)根根粗(x5)、不定根根粗(x6)定為集合變量1，煙株N(y1)、P(y2)、K(y3)積累量定為集合變量2，通過典型相關(guān)性分析，從整體上進(jìn)一步明確根系特征與煙株?duì)I養(yǎng)元素積累量間的關(guān)系。如表4所示，典型相關(guān)性分析后，共得到3組典型變量，其中僅有一組變量具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000＜0.05)，故此處僅選第一組變量進(jìn)行分析，該典型變量的相關(guān)系數(shù)如表5所示。由于不同原始變量間的計(jì)量單位不一致，因此采用標(biāo)準(zhǔn)化的典型相關(guān)模型mi，并計(jì)算原始變量與典型變量之間的相關(guān)系數(shù)ri。第Ⅰ組典型變量構(gòu)成為：U=-0.015x1+0.462x2+1.379x3-0.545x4+0.192x5+0.584x6，V=0.769y1+0.381y2-0.151y3，U與V間的相關(guān)性為0.999，屬于正相關(guān)。在典型變量(U，V)中，就U而言，對比相關(guān)系數(shù)ri可知，x2、x3、x5和x6的系數(shù)絕對值遠(yuǎn)大于x1和x4，因此U主要反映根系活力、根系總吸收表面積、側(cè)根根粗、不定根粗的綜合變化，而V集合中y1、y2以及y3的相關(guān)系數(shù)ri差異不大，因此V能綜合反映煙株地上部N、P、K積累量的變化。

表4 根系特征指標(biāo)與營養(yǎng)元素積累量的典型相關(guān)性分析

表5 根系特征指標(biāo)與營養(yǎng)元素積累量的典型相關(guān)性系數(shù)

4 結(jié)論

汽爆秸稈、草炭以及生物炭3種有機(jī)物料均能夠明顯改善植煙土壤理化特性，增加有效養(yǎng)分含量，擴(kuò)大煙株根系的空間分布范圍及提高地上部的N、P、K三大元素的積累量，其中以生物炭處理效果最顯著，草炭次之，因此，景東縣煙區(qū)采用有機(jī)物料改良土壤時，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮生物炭，其次是草炭。

5 討論

土壤容重和孔隙度影響土壤的通透性，與土壤的水、肥、氣、熱等條件密切相關(guān)，土壤容重降低，孔隙度增加通常意味著土壤結(jié)構(gòu)及其通氣性得到改善[16]。本研究表明，添加有機(jī)物料，尤其是添加生物炭和草炭后，植煙土壤容重和總孔隙度等物理性狀得到明顯改善。該結(jié)論與張璐[17]研究不同高碳物料對植煙土壤改良效應(yīng)的結(jié)論基本一致。生物炭是有機(jī)物質(zhì)在缺氧條件下高溫裂解的產(chǎn)物，草炭則是由沼澤動植物殘?bào)w長時間在多水嫌氣條件下未完全分解堆積而成，二者結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，降解速度慢，且均具有富含微孔和比表面積大的特性，施入土壤后能夠通過吸附微小土壤團(tuán)聚體顆粒達(dá)到持續(xù)改善土壤孔隙度，降低土壤容重的目的[18]；汽爆秸稈分解出的纖維素和木質(zhì)素也能起到改善土壤孔隙度和容重的作用，但因其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易被微生物分解，而使其不能長時間改善土壤理化特性。

根系作為植株的營養(yǎng)器官，其在土壤空間內(nèi)的分布狀況決定了根系與土壤接觸面積的大小，進(jìn)而影響根系對土壤中養(yǎng)分和水分的吸收[19]。本研究結(jié)果表明，與汽爆秸稈相比添加生物炭或草炭下層土壤、距主根軸較遠(yuǎn)土壤內(nèi)的根長密度更大，側(cè)根和不定根長勢更強(qiáng)。土壤理化性狀改善，機(jī)械阻力減小，是煙株根系深扎和擴(kuò)散的重要原因。研究表明生物炭能減弱根系的膜脂過氧化作用，延緩根系的衰老，保持根系生理活性[20-21]；草炭富含腐植酸，而腐殖酸能促進(jìn)烤煙根系呼吸酶活性的提高，同樣能增強(qiáng)根系活力[22]；汽爆秸稈小分子物質(zhì)量大，易被微生物分解利用，提高微生物活性，增強(qiáng)微生物呼吸作用，從而加快了土壤中氧氣的消耗，容易形成厭氧環(huán)境而促進(jìn)反硝化作用，進(jìn)而降低根系活力[23]。因此從整個煙株生育期而言，生物炭和草炭對根系的生長發(fā)育和擴(kuò)散更有利。

增施有機(jī)物料可培肥土壤，增加作物可吸收利用的營養(yǎng)元素含量，促進(jìn)植株氮磷鉀的積累量，但不同的有機(jī)物料作用效果存在差異[23-24]。本研究數(shù)據(jù)顯示，有機(jī)物料處理后土壤中的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷以及速效鉀含量顯著增加了，其中以生物炭和草炭處理效果最明顯，土壤內(nèi)充足的可利用養(yǎng)分為煙株地上部N、P、K積累量提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，該結(jié)論與李艷平[25]、馮婷婷等[26]研究結(jié)果類似。其原因在于生物炭和草炭比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、電荷密度較高等特性使其具有極強(qiáng)的吸附力，保水保肥效果突出，根系周圍肥料不易流失，可為作物持續(xù)提供養(yǎng)分。此外施用生物炭可優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)和通氣狀況，而草炭含有大量腐殖質(zhì)，二者有利于土壤呼吸，能促進(jìn)土壤微生物活動與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化。而汽爆秸稈以小分子有機(jī)物為主，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易被分解，對土壤持續(xù)作用時間有限。

根系特征與植株N、P、K積累量間的典型相關(guān)性分析表明，兩者間存在正向相關(guān)性，這說明根系特征可以影響根吸收養(yǎng)分的能力，而有機(jī)物料又影響煙株根系特征，即有機(jī)物料可以通過影響煙株根系特征，來影響根系對養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而對煙株地上部N、P、K等物質(zhì)積累產(chǎn)生積極作用，這與蔡賽男[27]的研究結(jié)論較為一致。本研究僅以有機(jī)物料的種類為試驗(yàn)因素，而有機(jī)物料的施用量以及不同有機(jī)物料的配施比例對植煙土壤理化性狀、根系特征以及地上部N、P、K積累量的影響也可能存在差異，因此對于生物炭和草炭的適宜施用量以及生物炭和草炭的配施效果還有待進(jìn)一步研究。