水分調(diào)控及生物炭對(duì)柑橘土壤和葉片養(yǎng)分的影響

徐文,馮雅婷,朱士江*,張明博,譚學(xué)軍,趙迎新

(1. 三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 2. 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002; 3. 吉林水利電力職業(yè)學(xué)院水利學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130117; 4. 宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)管理局,湖北 宜昌 443000)

柑橘是世界第一大水果,主要分布在北緯30°和南緯30°之間,其中中國(guó)是柑橘主要生產(chǎn)大國(guó)之一[1].據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì),自2007年以來(lái),中國(guó)柑橘種植面積和產(chǎn)量一直穩(wěn)居世界第一[2];柑橘種植面積從1990年的106.12萬(wàn)hm2發(fā)展到2021年的278.86萬(wàn)hm2,總產(chǎn)量從1990年的485.49萬(wàn)t發(fā)展到2021年的5 399.1萬(wàn)t,增長(zhǎng)了10倍多[3].柑橘是宜昌市種植面積最大、經(jīng)濟(jì)地位最重要的果樹(shù).隨著柑橘種植面積和產(chǎn)量大幅提升,生產(chǎn)投入和資源消耗過(guò)量現(xiàn)象也日益突出.例如,通過(guò)投入化肥和農(nóng)藥以提高產(chǎn)量并產(chǎn)生依賴(lài)性,過(guò)度使用化肥,降低了化肥和農(nóng)藥的使用效率[4].同時(shí),許多地方還存在由于栽培管理不當(dāng)?shù)榷喾矫娴脑?造成柑橘果實(shí)大小不均、肉質(zhì)不優(yōu)、口感欠佳和風(fēng)味不足等現(xiàn)象,導(dǎo)致柑橘品質(zhì)不高[5],直接影響著柑橘產(chǎn)業(yè)的健康長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展.

柑橘果實(shí)品質(zhì)與土壤和葉片養(yǎng)分狀況有著密切關(guān)系,例如土壤銨態(tài)氮和速效鉀含量顯著影響果皮亮度和果實(shí)可滴定酸含量,而葉片養(yǎng)分則反映樹(shù)體營(yíng)養(yǎng)和土壤養(yǎng)分的利用效率[6-7].生物炭在“節(jié)水、減氮、增產(chǎn)、提質(zhì)”的生產(chǎn)方案上被認(rèn)為是一種行之有效的土壤改良劑.基于生物炭自身多孔、吸附能力強(qiáng)的特性,已有大量學(xué)者將生物炭與化肥相結(jié)合,以研究生物炭對(duì)土壤肥力的保持效果,其作用已通過(guò)試驗(yàn)在小麥、玉米、水稻等作物上得到證實(shí)[8-10],但目前針對(duì)柑橘配施生物炭的相關(guān)研究并不多.N,P,K作為表現(xiàn)土壤肥力的3種主要元素,也是土壤肥力的主要研究對(duì)象.同樣,在柑橘葉片中,N,P,K也是3種主要的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素,氮素參與氨基酸、核酸、葉綠素等化合物的生產(chǎn)過(guò)程,影響柑橘的發(fā)芽、抽梢、開(kāi)花及結(jié)果,磷素含量影響著細(xì)胞分裂與代謝,鉀素含量與蛋白質(zhì)、碳水化合物及葉綠素的形成密切相關(guān)[11-12].水作為土壤和葉片中溶質(zhì)運(yùn)移和養(yǎng)分輸送的載體,在成熟葉片養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移、運(yùn)輸與儲(chǔ)存過(guò)程中起著積極的作用,同時(shí)也反映著當(dāng)前作物對(duì)外界水分條件的養(yǎng)分儲(chǔ)存與分配策略.因此,研究不同水分管理?xiàng)l件下,混施生物炭對(duì)柑橘根區(qū)土壤和葉片的養(yǎng)分狀況是十分有必要的.文中在不同水分管理?xiàng)l件下,探討不同生物炭施加水平對(duì)柑橘根區(qū)土壤和葉片養(yǎng)分的影響,以期為鄂西地區(qū)柑橘種植管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐.

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019—2020年在湖北省宜昌市秭歸縣郭家壩鎮(zhèn)楚王井村柑橘試驗(yàn)園進(jìn)行.試驗(yàn)柑橘品種為紅肉臍橙,試驗(yàn)區(qū)為黃壤土,砂粒、黏粒和粉粒的比例為6∶3∶1,土壤容重約為1.44 g/cm3,pH為6.67,屬于微酸性土壤,田間持水量和飽和質(zhì)量含水率分別為32.18%和45.79%.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取20年生的長(zhǎng)勢(shì)大小均一、個(gè)體差異性較小的柑橘樹(shù),安裝模擬濕潤(rùn)灌溉的灌水設(shè)施,即在柑橘樹(shù)懸掛灌水袋,袋口下端連接采用可控制流速的輸液管,該輸液管直接連接到根區(qū)土壤,以達(dá)到減少蒸發(fā)、提高灌溉水利用效率的目的.基于以往研究揭示的柑橘生育期需水規(guī)律[13-14],試驗(yàn)設(shè)置3種水分管理模式:W1(全生育期均為雨養(yǎng)模式,僅在嚴(yán)重缺水的情況下補(bǔ)充水分,即當(dāng)?shù)厮止芾硭?;W2(在果實(shí)膨大期開(kāi)始灌水,每周灌水量為3 L,轉(zhuǎn)色期每周灌水量為1 L,果實(shí)成熟前1個(gè)月停止灌水,其余生育期均為雨養(yǎng)模式);W3(在果實(shí)膨大期開(kāi)始灌水,每周灌水量為9 L,轉(zhuǎn)色期每周灌水量為3 L,果實(shí)成熟前1個(gè)月停止灌水,其余生育期均為雨養(yǎng)模式).設(shè)置了5種生物炭施加水平B0,B1,B2,B3和B4,其生物炭質(zhì)量比分別為0,40,80,120,160 g/kg,以每kg干土施加生物炭的量計(jì),即分別對(duì)應(yīng)炭土比為0,4%,8%,12%和16%.在選取的試驗(yàn)柑橘樹(shù)滴水線處,挖1條長(zhǎng)80 cm、寬30 cm、深40 cm的環(huán)溝,將生物炭與土混合均勻后施入,并將土回填.試驗(yàn)共設(shè)置了9個(gè)處理T1—T9,具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表1(Bc為生物炭施加量),每個(gè)處理包含3棵長(zhǎng)勢(shì)均一、個(gè)性差異較小的柑橘樹(shù),試驗(yàn)小區(qū)尺寸約為3 m×10 m,共選取了27棵柑橘樹(shù),試驗(yàn)處肥藥管理按當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行.所有處理均采用標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)藝措施,例如修剪、環(huán)剝、噴灑殺蟲(chóng)劑和雜草控制等.各處理間除土壤水分管理模式和施加生物炭量不一致外,其他處理均相同.

表1 試驗(yàn)不同處理組合表

生物炭施加量計(jì)算公式為

(1)

式中:Bci為第i模式生物炭施加量,kg/棵;A為試驗(yàn)小區(qū)面積,m2;Hi為柑橘根系層深度,取60 cm;γ為土壤容重,由前期試驗(yàn)得出,取1.44 g/cm3;Bi為生物炭施加等級(jí),g/kg.

1.3 指標(biāo)測(cè)定及方法

1.3.1 土壤樣品采集及測(cè)定

土壤樣品采用5點(diǎn)法取樣,采集于果實(shí)成熟期(2019年12月3日和2020年12月7日,取兩年平均值進(jìn)行分析),深度為柑橘根系分布層10～60 cm,同時(shí)將同一處理下的多點(diǎn)樣品充分混合,并撿去枯枝、落葉、石塊等,為土壤養(yǎng)分測(cè)定提供待測(cè)土樣.試驗(yàn)采用納氏比色法測(cè)銨態(tài)氮,鉬蘭比色法測(cè)有效磷,四苯硼鈉比濁法測(cè)速效鉀[15-17].

1.3.2 葉片樣品采集及測(cè)定

在每年試驗(yàn)周期結(jié)束時(shí),從田間采集新鮮的柑橘葉片,每個(gè)處理在東南西北4個(gè)方向上各取10片中葉(避免采集新葉與老葉),用干布擦凈并裁剪成2 cm×2 cm的方塊,在研缽中搗碎至組織液,稀釋100倍(體積),完成待測(cè)液的制備,測(cè)定方法與土壤氮磷鉀的測(cè)定方法相同.

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理、作圖及回歸擬合,采用Spss對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸顯著性分析.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 3種水分管理?xiàng)l件下不同施炭量對(duì)土壤氮、磷、鉀的影響

圖1為3種水分管理?xiàng)l件下5種生物炭施加量對(duì)土壤銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量的影響,圖中σm為土壤養(yǎng)分質(zhì)量比、ωm為生物炭炭土比.

圖1 3種水分管理?xiàng)l件下生物炭與土壤養(yǎng)分關(guān)系

可以看出,3種水分管理?xiàng)l件的3種土壤養(yǎng)分質(zhì)量比總體上均隨著生物炭施加量增加而增加;對(duì)各水分管理?xiàng)l件下的銨態(tài)氮、有效磷和速效鉀的質(zhì)量比與生物炭施加量進(jìn)行擬合,擬合曲線如圖1所示,擬合優(yōu)度均較高,擬合結(jié)果顯示,銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀與生物炭炭土比之間分別呈對(duì)數(shù)、二次多項(xiàng)式、三次多項(xiàng)式關(guān)系.

在3種水分管理?xiàng)l件下,不同施炭處理的土壤養(yǎng)分質(zhì)量比σm,以及炭土比為4%,8%,12%和16%的土壤養(yǎng)分質(zhì)量比分別相對(duì)于ωm為0,4%,8%和12%的相對(duì)變化情況RC如表2所示.由表可見(jiàn),隨著生物炭施加量增加,水分管理?xiàng)l件W1和W2下銨態(tài)氮質(zhì)量比均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),在ωm為16%時(shí)達(dá)到峰值,但增長(zhǎng)速率逐漸減緩;水分管理?xiàng)l件W3下銨態(tài)氮質(zhì)量比的增長(zhǎng)速率也逐漸減緩,但在ωm為16%時(shí)出現(xiàn)小幅度下降,峰值出現(xiàn)在ωm為12%時(shí).

由表2還可見(jiàn),3種水分管理?xiàng)l件下有效磷質(zhì)量比呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì),在生物炭炭土比ωm為16%時(shí)達(dá)到峰值,但增長(zhǎng)速率逐漸減緩,且ωm為8%時(shí)的增長(zhǎng)速率較4%時(shí)大幅減小;3種水分管理?xiàng)l件下速效鉀質(zhì)量比先增大,在生物炭炭土比ωm為8%時(shí)的增長(zhǎng)速率較4%時(shí)大幅減小,而后在12%時(shí)有所提升,并在ωm為12%時(shí)達(dá)到峰值,隨后在ωm為16%時(shí)呈減小趨勢(shì).

表2 3種水分管理?xiàng)l件下不同施炭處理養(yǎng)分質(zhì)量比及相對(duì)變化情況

綜上可知,少量施加生物炭(ωm為4%)對(duì)養(yǎng)分質(zhì)量比的提升效果最為顯著,尤其是對(duì)有效磷和速效鉀質(zhì)量比的提升,但隨著施炭量增加,對(duì)銨態(tài)氮和有效磷質(zhì)量比的提升效果逐漸減弱,銨態(tài)氮質(zhì)量比甚至在高水(W3)高炭土比(ωm為16%)的情況下出現(xiàn)減小的趨勢(shì),而速效鉀質(zhì)量比在ωm為12%時(shí)還有較大幅度的提升,并達(dá)到峰值.隨灌水量增大,各施炭處理下土壤中銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀的質(zhì)量比大多呈下降趨勢(shì),僅W3灌水條件下炭土比為12%時(shí)的銨態(tài)氮質(zhì)量比較W2有所上升;同時(shí),各施炭處理下土壤中銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀質(zhì)量比的增速隨灌水量的增大也有所降低.

對(duì)3種水分管理?xiàng)l件下施炭量和土壤養(yǎng)分質(zhì)量比進(jìn)行顯著性分析,結(jié)果見(jiàn)表3,可以看出在水分管理?xiàng)l件W1下,生物炭施加量與土壤有效磷、速效鉀質(zhì)量比呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與銨態(tài)氮質(zhì)量比呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);在水分管理?xiàng)l件W2和W3下,施加生物炭量與土壤速效鉀質(zhì)量比呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與銨態(tài)氮、有效磷質(zhì)量比呈極顯著正相關(guān)(P<0.01).上述結(jié)果表明生物炭對(duì)土壤肥力的提升有顯著作用,在水分管理?xiàng)l件W1下,生物炭對(duì)銨態(tài)氮質(zhì)量比的提升最為顯著;在W2下,生物炭對(duì)銨態(tài)氮和有效磷質(zhì)量比的提升都十分顯著;在W3下,生物炭對(duì)有效磷質(zhì)量比的提升最為顯著.

表3 3種水分管理?xiàng)l件下施炭量和土壤養(yǎng)分質(zhì)量比顯著性分析

2.2 3種水分管理?xiàng)l件下不同施炭量對(duì)葉片氮、磷、鉀的影響

表4為在3種水分管理?xiàng)l件下,不同施炭處理葉片養(yǎng)分質(zhì)量比θm及ωm為4%,8%,12%和16%的葉片養(yǎng)分質(zhì)量比分別相對(duì)于ωm為0,4%,8%和12%的相對(duì)變化情況RC;圖2為3種水分管理?xiàng)l件下葉片氮素、磷素和鉀素質(zhì)量比隨施炭量的變化曲線.綜合表4、圖2可以看出,水分管理?xiàng)l件W1和W2下葉片氮素質(zhì)量比隨施炭量增大而逐漸降低,且下降速率逐漸加快,在ωm為12%時(shí)達(dá)到最低值,隨后有一定幅度的上升,但較ωm為0時(shí)仍為下降趨勢(shì);在W3下葉片氮素質(zhì)量比隨施炭量增大而持續(xù)下降,下降速度逐漸加快,在ωm為12%時(shí)雖未表現(xiàn)出上升趨勢(shì),但下降速率仍有所減緩;3種水分管理?xiàng)l件下葉片磷素質(zhì)量比隨施炭量增加呈先降低趨勢(shì),下降速度逐漸加快,并在ωm為8%時(shí)達(dá)到最低值,隨后逐漸上升,上升速率逐漸加快;3種水分管理?xiàng)l件下葉片鉀素質(zhì)量比隨施炭量增加呈先降低趨勢(shì),下降速度逐漸加快,并在ωm為8%時(shí)達(dá)到最低值,隨后逐漸上升,在ωm達(dá)到12%后上升速率逐漸減緩,趨于穩(wěn)定.

綜合上述分析可以看出,在生物炭達(dá)到一定施加量時(shí),3種水分管理?xiàng)l件下葉片鉀素、氮素的變化水平均將逐漸趨于飽和;隨灌水量增加,各施炭水平下葉片氮素和磷素質(zhì)量比均有所下降,灌水量對(duì)葉片鉀素質(zhì)量比的影響規(guī)律并不明顯.

表4 3種水分管理?xiàng)l件下不同施炭處理養(yǎng)分質(zhì)量比及相對(duì)變化情況

圖2 3種水分管理?xiàng)l件下生物炭與葉片養(yǎng)分的關(guān)系

對(duì)3種水分管理?xiàng)l件的施炭量和葉片養(yǎng)分質(zhì)量比進(jìn)行顯著性分析,結(jié)果見(jiàn)表5,可以看出,水分管理?xiàng)l件W1下柑橘葉片氮素質(zhì)量比與生物炭施加量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),W2和W3下的柑橘葉片氮素質(zhì)量比與生物炭施加量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01).葉片磷素和鉀素在3種水分管理?xiàng)l件下與生物炭施加量的相關(guān)性均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

表5 3種水分管理?xiàng)l件下施炭量和葉片養(yǎng)分質(zhì)量比顯著性分析

3 討 論

比較了3種水分管理?xiàng)l件下5種施炭水平對(duì)土壤和葉片養(yǎng)分的影響,結(jié)果表明,少量施加生物炭(ωm為4%)對(duì)土壤養(yǎng)分含量的提升效果最為顯著,而隨著施炭量增加,對(duì)土壤銨態(tài)氮和有效磷質(zhì)量比的提升效果逐漸減弱,但速效鉀質(zhì)量比在ωm為12%時(shí)還有較大幅度的提升.王成己等[18]研究表明生物炭可以通過(guò)引入自身養(yǎng)分、提供孔隙結(jié)構(gòu)為微生物提供住所等多方面以提高土壤的保肥性能,但研究并未對(duì)高炭土比對(duì)土壤養(yǎng)分提升速率的影響加以考慮,相關(guān)研究還有待進(jìn)一步深入.隨灌水量的增大,各施炭處理下土壤中銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀的含量大多呈下降趨勢(shì),同時(shí),土壤中銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量的增速也有所降低.結(jié)合李天琦[19]在土壤養(yǎng)分運(yùn)移方面的相關(guān)研究結(jié)論可以認(rèn)為,在同一施炭量作用下,灌水量越大,土壤養(yǎng)分及溶質(zhì)的運(yùn)移效果越明顯,但隨著施炭量增大,水分對(duì)土壤養(yǎng)分運(yùn)移能力降低,在ωm為12%時(shí),銨態(tài)氮的漲幅出現(xiàn)不降反漲的趨勢(shì),這表明此時(shí)生物炭的施加對(duì)土壤養(yǎng)分的保持能力大于灌溉水對(duì)土壤養(yǎng)分及溶質(zhì)的運(yùn)移能力.

如圖2所示,柑橘葉片氮、磷、鉀素質(zhì)量比隨生物炭施加量增多而顯著降低(P<0.05),這與蔣惠等[20]對(duì)生物炭與砂糖桔葉片的分析中結(jié)論一致,由于生物炭的施加,提高了土壤養(yǎng)分與肥力,增強(qiáng)了根系的生長(zhǎng)和發(fā)育,從而提升了柑橘樹(shù)吸收養(yǎng)分的效率;葉片作為儲(chǔ)存與提供果實(shí)生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的載體,對(duì)于果實(shí)生長(zhǎng)的生物量需求增大,出現(xiàn)光合作用產(chǎn)生的碳水化合物增多以及葉片養(yǎng)分轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,故使葉片養(yǎng)分出現(xiàn)稀釋效應(yīng),導(dǎo)致葉片氮、磷、鉀素含量減少,表明施加生物炭以及調(diào)節(jié)水分管理?xiàng)l件并不會(huì)抑制柑橘的正常生長(zhǎng),而是加強(qiáng)了葉片養(yǎng)分運(yùn)移的能力,對(duì)柑橘的生長(zhǎng)、代謝效率起到促進(jìn)作用,并且水分處理W3與W1之間的差異性最大,說(shuō)明本試驗(yàn)水分管理?xiàng)l件W3下柑橘葉片對(duì)養(yǎng)分的重吸收效果最為明顯.而在張玲等[21]分析生物炭施加對(duì)蘋(píng)果葉片養(yǎng)分的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),生物炭的施加在不同程度上提升了蘋(píng)果葉片的養(yǎng)分,這與對(duì)柑橘的研究結(jié)果完全相反,有關(guān)生物炭對(duì)不同類(lèi)型果樹(shù)葉片養(yǎng)分影響原理的差異還有待進(jìn)一步研究.

本次試驗(yàn)的土壤養(yǎng)分質(zhì)量比根據(jù)魯劍巍等[22]劃分的《湖北省柑橘園土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》作為評(píng)價(jià)柑橘土壤養(yǎng)分狀況的依據(jù),當(dāng)有效磷質(zhì)量比大于80 mg/kg,速效鉀質(zhì)量比大于200 mg/kg時(shí),表明土壤磷、鉀含量總體在肥沃與過(guò)量之間.銨態(tài)氮的豐缺指標(biāo)由土壤養(yǎng)分速測(cè)通用豐缺參考指標(biāo)得到:大于60 mg/kg為極高,在(40,60] mg/kg為高,(20,40] mg/kg為中,(10,20] mg/kg為低,低于10 mg/kg為極低.試驗(yàn)空白對(duì)照組銨態(tài)氮質(zhì)量比為42.87 mg/kg,有效磷質(zhì)量比為106.30 mg/kg,速效鉀質(zhì)量比為284.20 mg/kg,根據(jù)上述劃分標(biāo)準(zhǔn)可知,試驗(yàn)地柑橘園土壤氮、磷、鉀含量總體在肥沃與過(guò)量之間,這與當(dāng)?shù)鼗适┘铀接嘘P(guān),應(yīng)適當(dāng)調(diào)整化肥施加,減少?gòu)?fù)合肥(氮15%,磷15%,鉀15%)的使用.

4 結(jié) 論

以20年生臍橙為試驗(yàn)對(duì)象,于2019—2020年連續(xù)2 a 在湖北秭歸縣柑橘園試驗(yàn)站開(kāi)展大田試驗(yàn),研究了3種水分管理模式下5種生物炭施加量對(duì)柑橘根區(qū)土壤與葉片氮磷鉀質(zhì)量比的影響,主要結(jié)論如下:

1) 3種水分管理?xiàng)l件下土壤銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量均隨生物炭施加量增大而增大,但生物炭對(duì)土壤肥力的提升有限,其增長(zhǎng)速率隨施炭量增大而逐漸減小;土壤養(yǎng)分運(yùn)移現(xiàn)象隨灌水量增大而越明顯,但伴隨生物炭施加量增加,可顯著降低部分土壤養(yǎng)分運(yùn)移,表明在生物炭施加量達(dá)到一定水平后,其對(duì)土壤養(yǎng)分的保持能力將大于灌溉水對(duì)土壤養(yǎng)分及溶質(zhì)的運(yùn)移能力.

2) 相同水分管理?xiàng)l件下,柑橘葉片氮、磷、鉀含量隨生物炭施加量增大呈非線性降低趨勢(shì);在炭土比為12%和16%處理下,葉片氮、磷、鉀素的下限趨于穩(wěn)定,表明生物炭增強(qiáng)了柑橘養(yǎng)分吸收效率,從而導(dǎo)致葉片出現(xiàn)養(yǎng)分稀釋現(xiàn)象;相同施炭量條件下,葉片氮素含量隨灌水量增大而顯著降低(P<0.05),而葉片磷素雖隨著灌水量增大而減小,但變化程度基本維持穩(wěn)定,葉片鉀素含量則無(wú)顯著變化;在3種水分管理?xiàng)l件下,水分管理?xiàng)l件W3對(duì)柑橘葉片養(yǎng)分的重吸收效果最顯著.