湖南花垣煙區(qū)秸稈生物炭配施量對土壤pH及烤煙根系的影響

張明發(fā) 張 勝 滕 凱 陳前鋒 田明慧江智敏 巢 進(jìn) 菅攀鋒 鄧小華

（1湖南湘西州煙草公司生產(chǎn)技術(shù)中心，416000，湖南吉首；2浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，310009，浙江杭州；3湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，410128，湖南長沙）

生物質(zhì)在缺氧或無氧環(huán)境中經(jīng)熱裂解后產(chǎn)生的固體產(chǎn)物[1]含碳60%以上，一般顯堿性，具有發(fā)達(dá)的孔隙、芳香烴和單質(zhì)碳或具有類石墨結(jié)構(gòu)，具有極強(qiáng)的吸附和抗氧化能力，能減緩?fù)寥浪峄?，但人工撒施用量特別大，成本高[2]。土壤pH是影響N2O排放的重要因素之一，與根系生長關(guān)系密切，對根養(yǎng)分和水分吸收有一定的影響[3]；而根系形態(tài)及空間分布是影響?zhàn)B分吸收和pH的重要因素[4-5]。山區(qū)植煙土壤紫色土較多，長期單一的淺旋耕模式導(dǎo)致耕層變淺，根系垂直向下生長困難；而輪作周期短，周期內(nèi)作物種類單一，導(dǎo)致連作障礙日益凸顯；C/N低、“炭短板”問題突出等嚴(yán)重影響烤煙產(chǎn)質(zhì)量。作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要副產(chǎn)物，既是能源又是營養(yǎng)源，除部分用作飼料、燃料或造紙外，還有大約50%以上的秸稈未被合理應(yīng)用。本試驗(yàn)通過秸稈生物炭與化肥經(jīng)濟(jì)配施來研究紫色土pH及根系生長規(guī)律，探索秸稈炭化后的必需大量元素的效應(yīng)[6]，以構(gòu)建山地?zé)熖锖侠砀麑?，改良酸化植煙土壤環(huán)境，為生物炭在植煙土壤的改良與持續(xù)保育中提供經(jīng)濟(jì)可行的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018-2020年在湖南花垣縣道二煙草試驗(yàn)基地（海拔451m，109.40°E，28.11°N）進(jìn)行。供試土壤為紫色土，pH 5.04，有機(jī)質(zhì)10.45g/kg，堿解氮38.21mg/kg，速效磷9.76mg/kg，速效鉀108.75mg/kg。其烤煙生產(chǎn)主要依靠天然降水和土壤自身蓄水，種植制度為一年一熟，品種為云煙87，大田行距1.2m，株距0.5m，種植密度16 500株/hm2，移栽時間均為每年4月27日左右。

試驗(yàn)用秸稈生物炭由湖南德班活性炭有限公司提供。其原料為玉米秸稈（30%）、油菜秸稈（25%)、水稻秸稈（25%）與無花果秸稈（20%），其加工后的成品理化性質(zhì)為：pH 10.55，全碳含量39.92%，全氮含量1.69%，碳氮比23.62，比表面積1.089m2/g，容重0.21g/cm3，主要官能團(tuán)為羥基、烷烴和酰胺基等。制備過程為秸稈田間采收后稍作風(fēng)干，隨即放入炭化爐，以（20±0.5）℃/min的速率升至炭化溫度，保溫一定時間后，隨爐冷卻至室溫，將生物炭粉碎過篩，制備為0.25～1.00mm粒徑備用。具體燒制參數(shù)見表1。

表1 供試生物炭各原料的制備參數(shù)及基本理化性狀Table 1 The preparation parameters and basic physicochemical properties of biochar were tested cm

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)采用大田定位設(shè)計，試驗(yàn)設(shè)4個處理，CK：發(fā)酵菜籽餅肥（5.5-1-1.5）225kg/hm2，專用基肥（7.5-14-8）750kg/hm2，專用追肥（10-0-32）300kg/hm2，硫酸鉀（0-0-50）300kg/hm2，提苗肥（20-9-0）75kg/hm2，均不含有機(jī)碳，N:P2O5:K2O=14.9:18.2:38.9；T1：CK+生物炭3000kg/hm2（7.7g/kg）；T2：CK+生物炭 3750kg/hm2（9.6g/kg）；T3：CK+生物炭 4500kg/hm2（11.6g/kg）。隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，小區(qū)面積50.4m2，小區(qū)株數(shù)84株。其中生物炭有機(jī)炭含量39.92%，采用生物炭經(jīng)濟(jì)配施法，以自主研發(fā)的基肥施用與起壟系統(tǒng)為工具，即每年起壟前90%條施，10%于每年移栽前進(jìn)行穴施。生物炭與基肥混合攪拌均勻后，按株距拉線用石灰標(biāo)記移栽位置后，在標(biāo)記點(diǎn)采用寬帶條施90%基肥生物炭混合肥，起壟后移栽前按標(biāo)記穴施剩下的10%基肥生物炭混合肥。其他按《2018年湘西自治州烤煙標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)技術(shù)方案》執(zhí)行。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

移栽當(dāng)天及移栽后15～120d，每隔15d測定不同處理耕層土壤pH與水解性酸。采用乙酸鈉交換法測定水解性酸，用pH計檢測土壤pH[7]。使用剪刀剪去采樣點(diǎn)位置處植物地上莖葉部分，然后使用環(huán)刀依次采取地表以下5、15、25和35cm深處的根―土復(fù)合體試樣（每個深度位置制取4個環(huán)刀試驗(yàn)樣品），分別代表地表以下 0～10、10～20、20～30和30～40cm的取樣深度范圍內(nèi)的根土復(fù)合體試驗(yàn)樣品。同理于每個小區(qū)對角線選3個樣點(diǎn)用根鉆（bi-partite根鉆，直徑8cm，長度15cm）取根系耕作層土壤水平方向土壤樣品。

各小區(qū)選取具有代表性的煙株3株，于移栽后15d開始，每隔15d測煙株根干重。以主莖基部為原點(diǎn)，以距離主莖基部 0～10、10～20和 20～30、30～40cm位置分別從水平和垂直切出剖面根系，用流水將根沖洗干凈，沖洗時在根系下面放置100目篩子以防止須根流失。在105℃殺青根系，然后70℃烘干至恒重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS l7.0分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和多重比較，利用SAS進(jìn)行簡單相關(guān)分析及通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭不同用量對土壤水解性酸含量的影響

由圖1可知，T2和T3處理的土壤水解性酸對比CK處理變化較大，T1處理變化不大。移栽后30d，T1和CK處理水解性酸含量大幅升高，增幅分別達(dá)到19.11%和20.00%，T2和T3處理水解性酸含量稍有減少，減幅分別為0.64%和1.28%，不同處理水解性酸表現(xiàn)為T3＜T2＜T1＜CK。移栽后60d各處理水解性酸含量均稍有減少，移栽后90d大幅升高，移栽后120d又稍有減少，移栽后60、90和120d不同處理土壤水解性酸含量均表現(xiàn)為CK＞T1＞T2＞T3。其中移栽后120d，T2與T3處理水解性酸含量相比于施用前分別降低1.92%和3.21%，而CK與T1處理分別升高20.33%和18.68%，但各處理間無顯著差異?？梢?，T2和T3處理有降低土壤水解性酸含量的趨勢。

圖1 不同處理下土壤水解性酸的含量Fig.1 Content of hydrolytic acid of soil under different treatments

2.2 生物炭不同用量對土壤pH的影響

2.2.1 對烤煙不同時期耕層土壤pH的影響 圖2顯示，T1～T3處理均可提高土壤pH，而CK處理是降低的（下同），除移栽30d后，其他時間節(jié)點(diǎn)生物炭處理與CK處理差異均達(dá)到顯著或極顯著水平。隨生物炭用量增加，土壤pH呈逐漸升高趨勢，在移栽30d之內(nèi)，生物炭用量與土壤pH有相似正相關(guān)的動態(tài)變化。在移栽60d后，T1～T3與CK處理的土壤pH差異開始達(dá)到極顯著水平?？梢?，土壤pH隨生物炭用量增加及移栽后生長時間延長而升高，其原因與試驗(yàn)土壤為酸性砂性紫色土及生物炭的調(diào)水調(diào)酸能力有關(guān)。

圖2 各處理不同時期根際土壤pHFig.2 Rhizosphere soil pH of biochar treatments in different periods

2.2.2 對主根水平及垂直方向不同距離土壤pH的影響 由表2可知，垂直方向0～10cm的T1～T3處理土壤pH在移栽后45d內(nèi)隨著生物炭用量增加而升高，在移栽后30～45和90～105d有一個變化高值期；10～20cm的pH在移栽后60d內(nèi)隨著生物炭用量增加而升高，在移栽后60～75和90～105d有一個變化高峰期；20～30cm的pH移栽后60d內(nèi)隨著生物炭用量增加而升高，在移栽后75～90d有一個變化高峰期；30～40cm的pH在移栽后75d內(nèi)隨著生物炭用量增加而升高，在移栽后90～105d有一個變化高峰期；其他時期變化較小。說明T1～T3處理對不同垂直層次根系土壤pH的影響有時間效應(yīng)規(guī)律，垂直層次越淺越敏感，響應(yīng)時間越早，層次越深則響應(yīng)越滯后。這與烤煙移栽前期根系較淺，與生物炭接觸面積較少、距離較遠(yuǎn)有關(guān)。而烤煙打頂及成熟期根系衰老是90～105d各垂直層次根系pH變化較大的主要原因。

表2 垂直方向根系土壤pHTable 2 Rhizosphere soil pH distribution at different height in vertical direction

表3表明，水平方向上0～10cm處T1～T3處理的pH在移栽后呈直線升高，在移栽后60d內(nèi)隨著生物炭用量增加而升高；10～20cm處的pH隨著生物炭用量增加而升高，在移栽后90d之前持續(xù)增加，90d之后下降，60～90d有一個變化高峰期；20～30cm處的pH在移栽后60d內(nèi)隨著生物炭用量增加而升高，在移栽后60～90d有一個變化高峰期；其他時期變化極小。同時，T1～T3處理在距離莖基部0～10cm的土層中的pH于移栽后一直上升，而其它層次卻是階段性升降。說明生物炭對烤煙水平方向上的根系土壤pH影響區(qū)域主要集中在距離莖基部0～10cm的土層中。

表3 水平方向根系土壤pHTable 3 Rhizosphere soil pH at different root layers in horizontal direction

2.3 生物炭不同用量對烤煙根系分布的影響

2.3.1 對根系垂直分布的影響 由圖3和表4可知，0～10cm處的根系生物量隨著移栽生長時間延長有逐漸降低的趨勢，且隨著生物炭用量增加有降低幅度減少的趨勢。經(jīng)數(shù)據(jù)分析擬合，其根系生物量變化可擬合成“S”型曲線，其中T3和T2處理曲線公式分別為y=0.0004x2–0.0739x+15.961（R2=0.3706）與 y=0.0006x2–0.1008x+16.594（R2=0.3723）。說明T2和T3處理與烤煙0～10cm根系生物量中等相關(guān)，能促進(jìn)烤煙垂直方向0～10cm生長，但烤煙中后期由于中耕與打頂?shù)热藶椴僮魇垢当戎爻尸F(xiàn)幾個高峰期（圖3）。

圖3 各處理不同時期在垂直0～10cm處根系的生物量變化Fig.3 Change in the biomass of 0-10cm away from stem in vertical direction under treatments in different periods

10～20cm的根系比重隨著移栽生長時間延長有降低的趨勢，且隨著生物炭量增加有降低幅度提升的趨勢（表4）。經(jīng)數(shù)據(jù)分析擬合，其根系干重變化可擬合成冪函數(shù)曲線，其中T3和T2處理曲線公式分別為y=15.93x-0.0423（R2=0.1374）與y=17.995x-0.0544（R2=0.4146）。說明生物炭特別是T2和T3處理分別與烤煙10～20cm根系生物量呈弱或中等相關(guān)，其原因與中耕培土有關(guān)（圖4）。

圖4 各處理不同時期垂直10～20cm處根系的生物量變化Fig.4 Change in the biomass of 10-20cm away from stem in vertical direction under treatments in different periods

20～30cm的根系比重隨著移栽生長時間延長有逐漸增加的趨勢，且隨著生物炭用量增加有上升的趨勢（表4）。經(jīng)數(shù)據(jù)分析擬合，其根系生物量變化可擬合成“S”型曲線，其中T3和T2處理曲線公式分別為y=-0.0002x2+0.0519x+10.026（R2=0.6468）與 y=-0.0002x2+0.0483x+9.8079（R2=0.8792）。說明生物炭T2和T3處理與烤煙20～30cm根系生物量強(qiáng)相關(guān)，能促進(jìn)烤煙垂直方向20～30cm的根系生長（圖5）。

圖5 各處理不同時期在垂直20～30cm處根系的生物量變化Fig.5 Change in the biomass of 20-30cm away from stem in vertical direction under treatments in different periods

表4 垂直方向上根系占總根干重的比重Table 4 The proportion of root dry weight in the vertical direction to the total roots

30～40cm處根系比重隨著移栽生長時間延長有逐漸增加的趨勢，經(jīng)方差分析，各處理有顯著差異。說明施用生物炭對根系生長有一定影響（表4）。

綜上所述，生物炭對垂直方向0～30cm處根系生長有一定促進(jìn)作用，但對30～40cm處根系影響不大。添加生物炭不能改變煙草根系的總體分布（擬合曲線相同），但可以有效促進(jìn)根系的生長。說明T2和T3處理能促進(jìn)烤煙垂直方向0～30cm根系發(fā)育。

2.3.2 對根系水平分布的影響 由圖6可知，水平方向上的烤煙根系主要集中分布在0～10cm處。此處的根系增長高峰期在移栽后30～45與90～105d，根干重隨著生物炭用量增加而升高。在移栽30d內(nèi)各處理根干重均較小，但45d后大幅增加，隨著移栽生長時間延長逐漸升高，其中CK處理在60～90與105～120d基本上無變化，而生物炭處理根干重卻有增加趨勢，且與用量呈正相關(guān)。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，T1～T3與CK處理差異均達(dá)到顯著或極顯著水平。說明T2和T3處理能促進(jìn)烤煙水平方向0～10cm根系生長。

HDPE管材運(yùn)至施工現(xiàn)場后，管材卸車時，地面不應(yīng)有石塊等尖凸物并用廢舊汽車輪胎鋪墊，而后將管材逐根卸下，防止管材卸車時受傷。管材熱熔焊接前應(yīng)仔細(xì)檢查待連接管材及管件，對嚴(yán)重劃傷管材堅決不能使用，防止管道受壓破損及以后使用中蠕變破壞。

圖6 水平方向上莖基部0～30cm的根系干重Fig.6 Root dry weight in areas 0-30cm away from stem in horizontal direction

10～20cm處的根干重增長高峰期在移栽后45～60和75～90d，在移栽120d內(nèi)根干重隨移栽生長時間延長而升高，120d后基本無變化。在移栽45d內(nèi)的根干重各處理均較小，但60d后大幅增加，隨著移栽生長時間延長而逐漸升高；其中CK處理在75～120d基本上無變化，而生物炭處理根干重卻有增加趨勢，且與生物炭用量呈正相關(guān)。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，T1～T3與CK處理差異均達(dá)到顯著或極顯著水平。說明T2和T3處理能促進(jìn)水平方向10～20cm根系生長。

20～30cm處的根干重增長高峰期在移栽后30～60和90～105d，在移栽60d內(nèi)的根干重隨著移栽生長時間延長而升高。在移栽30d內(nèi)各處理烤煙幾乎沒有根系發(fā)生，45d后大幅增加，但此時各處理差別不大，60d后T1～T3處理間差別才開始明顯，隨著時間延長，根系干重有逐漸升高的趨勢。其中CK處理在60～75和90～105d期間基本上無變化，除T3處理在60～90d期間基本上無變化與105～120d期間升高外，隨著移栽生長時間延長（105d內(nèi)）根系干重有逐漸升高的趨勢，表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞CK，但在120d時均呈降低趨勢。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，T1～T3與CK處理差異均達(dá)到顯著或極顯著水平。

綜上所述，生物炭對水平方向0～10與10～20cm根系生長有一定促進(jìn)作用，但對20～30cm層次根系影響不大。其原因一是與移栽后30d左右中耕培土有關(guān)，中耕培土后把部分生物炭從20～30cm翻到0～20cm層次并破壞了20～30cm的根系；二是中耕培土刺激了0～10cm大量須根產(chǎn)生，也是移栽30～45d后根系生長高峰出現(xiàn)的合理解釋。同理，移栽60d后的根系生長高峰與打頂（促進(jìn)下層根系的生長發(fā)育）有關(guān)，120d后的根系衰老對根系干重影響也較大?？梢?，T2和T3處理能促進(jìn)水平方向0～20cm根系生長。

2.4 生物炭配施量與土壤pH、根干重的相關(guān)性分析

選取被生物炭影響較大的土壤層次（水平層次0～10、10～20cm，垂直層次 0～10、10～20、20～30cm），選取受生物炭影響較大的成熟之前生長階段（移栽后45、60、75d）的數(shù)據(jù)，與土壤pH、根干重作簡單相關(guān)分析，其系數(shù)如表5所示。各配施量移栽后45、60與75d與0～10cm水平層次pH呈極顯著正相關(guān)，但與0～10cm水平層次根干重僅移栽后75d呈極顯著正相關(guān)；各配施量移栽后45、60和75d與 0～10、10～20、20～30cm 垂直層次 pH均呈極顯著正相關(guān)，但各配施量移栽后45、60和75d僅部分時期與垂直層次根干重呈顯著或極顯著正相關(guān)，其他無顯著相關(guān)性。表明生物炭不同配施量對土壤pH、根干重的影響是不同的。

表5 生物炭用量與土壤pH、根干重的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation factor between amount of biochar and soil pH value and dry weight of root

2.5 生物炭配施量與土壤pH、根干重的通徑分析

將移栽后75d生長階段與垂直層次（0～10、10～20、20～30cm）土壤pH、根干重進(jìn)行通徑分析，結(jié)果如表6所示。生物炭各配施量對土壤pH的直接作用及作用總和均高于根干重，表明生物炭配施量主要影響湖南花垣烤煙土壤pH。

表6 生物炭用量與土壤pH、根干重的通徑分析Table 6 Path analysis of amount of biochar and soil pH value and dry weight of root

3 討論

3.1 生物炭不同用量對根系生長的影響

本研究與上述研究結(jié)果不完全一致是有一定原因的。一是本研究中生物炭分2次施用，在不同土壤層次和不同時期均能供應(yīng)碳營養(yǎng)，可以提高土壤有效磷的含量及植物對磷的吸收量[14]，提高土壤中鈣、鎂營養(yǎng)元素的可利用性及作物產(chǎn)量[15]；二是湘西自治州較多植煙土壤缺磷和鎂，這也是本研究效果較好的原因；三是施用前生物炭與基肥混合并攪拌均勻可減輕土壤吸附力；四是在標(biāo)記移栽處條施90%基肥生物炭混合物，生物炭的根系覆蓋率高；五是穴施剩下的10%基肥生物炭混合物，調(diào)節(jié)了幼苗根際環(huán)境；六是采用自主研發(fā)的基肥施用與起壟系統(tǒng)（已獲發(fā)明專利）施用基肥與生物碳，能使基肥、生物碳與煙壟各層次土壤充分混合均勻，克服了傳統(tǒng)起壟僅把肥料兩旁土向上推而肥料生物碳仍在壟底層的缺陷。

雖然有研究[16]表明，10t/hm2煙稈生物炭處理的烤煙根系形態(tài)生理特征指標(biāo)最優(yōu)，但過量的生物炭影響土壤呼吸速率[17]。故生產(chǎn)中選擇經(jīng)濟(jì)適宜的生物炭種類、數(shù)量與施用方法具有重要意義。

3.2 生物炭不同用量對土壤pH的影響

生物炭對pH影響的時效性和空間分布不盡相同。高堿度的3000～3500kg/hm2用量的生物炭能夠提高酸性土壤pH，影響根部水平方向0～15cm土壤pH[18-19]，與本研究稍有區(qū)別，原因可能是試驗(yàn)土壤為沙壤而土壤pH有差異，但本試驗(yàn)與張星等[20]、張雯等[21]、張祥等[22]和王梅勛等[23]的研究結(jié)果一致。

本研究與上述研究結(jié)果不完全一致的原因，一是生物炭在土壤中易被土壤吸附而不能移動，其對土壤pH的影響主要是通過與根系附近的土壤直接接觸；二是試驗(yàn)土壤為酸性紫色土，而秸稈生物炭堿性強(qiáng)，降低了土壤水解性酸的含量，提高了根系附近的土壤pH，促進(jìn)了根系的生長；三是與生物炭的調(diào)酸能力、調(diào)節(jié)C/N、土壤持水能力和吸附能力不無關(guān)系，進(jìn)而調(diào)節(jié)土壤pH[9,23-25]。

4 結(jié)論

施用適宜用量的秸稈生物炭有降低烤煙土壤水解性酸的趨勢，對垂直方向根系土壤pH的影響有時間效應(yīng)規(guī)律，對水平方向上的影響區(qū)域主要集中在距離莖基部0～20cm的土層中，秸稈生物炭主要影響土壤pH，不能改變根系的總體分布，但促進(jìn)其生長，特別是水平方向0～10cm、垂直方向0～10與20～30cm土層根系。在湖南花垣紫色土的秸稈生物炭經(jīng)濟(jì)適宜用量為3750～4500kg/hm2。

生物炭施用要依據(jù)目的、作物種類、土壤性狀和成本等進(jìn)行選擇。生物炭適宜用量和施用時間及各層土壤與生物炭如何混勻是決定這一措施是否有效和能否推廣應(yīng)用的關(guān)鍵，仍需進(jìn)一步研究。