煙稈生物炭對(duì)土壤不同形態(tài)鉀含量及煙草光合特性的影響

張紅雪, 吳鳳英, 陳宇琳, 何崢旋, 朱巧蓮, 毛艷玲

(1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；2.土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與調(diào)控福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.自然生物資源保育利用福建省高校工程研究中心 福建 福州 350002)

鉀是植物生長(zhǎng)必需的三大營(yíng)養(yǎng)元素之一，在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸、吸收，葉綠素合成及光合作用中起著至關(guān)重要的作用，是反饋、控制植物養(yǎng)分吸收的重要信號(hào)[1-4].煙草作為我國(guó)的重要經(jīng)濟(jì)作物，2020年種植面積高達(dá)1 012.86×103hm2，是典型的“喜鉀”作物[5].鉀能夠促進(jìn)煙葉利用光能，增強(qiáng)光合作用；同時(shí)促進(jìn)致香物的增加，提升烤煙燃燒性，是評(píng)定煙葉質(zhì)量的重要指標(biāo)[6-8].研究表明，煙葉鉀含量隨著土壤速效鉀含量的增加而增加，土壤特性對(duì)烤煙鉀素的積累有重要作用[9].土壤中鉀資源豐富，但是其在土壤中的不同形態(tài)對(duì)植物的有效性并不一致，根據(jù)土壤鉀的化學(xué)形態(tài)，可分為水溶性鉀、交換性鉀、非交換性鉀和礦物鉀，不同形態(tài)鉀素之間可以互相轉(zhuǎn)化，其中水溶性鉀和交換性鉀能夠被植物直接吸收利用，是速效鉀的組成部分，但一般不超過(guò)土壤全鉀的2%；非交換性鉀又稱緩效鉀，能夠向交換性鉀進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具備轉(zhuǎn)化為土壤速效鉀的潛力；礦物鉀占土壤全鉀的90%～98%，對(duì)植物的有效性非常低，幾乎不能被當(dāng)季植物吸收利用[1,10,11].隨著煙草的大量種植，土壤鉀素不斷消耗，土壤鉀素虧缺和鉀素利用效率低已成為煙草產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的限制因素[12].目前煙草產(chǎn)業(yè)主要通過(guò)增施化學(xué)鉀肥或秸稈還田改善土壤鉀素狀況，2020年我國(guó)農(nóng)用鉀肥施用量約為541.91×104t[5]，然而我國(guó)鉀肥資源短缺，鉀肥價(jià)格持續(xù)走高且肥料利用率低；秸稈還田腐解周期比較長(zhǎng)，易受淋洗、入滲、徑流等環(huán)境因素影響，在當(dāng)季的有效性與化學(xué)鉀肥存在較大差異[13].因此亟需尋找一種既能減少鉀肥施用量，又能有效滿足煙草對(duì)鉀素營(yíng)養(yǎng)需求的鉀肥資源，挖掘土壤供鉀潛力[14].

生物炭通過(guò)直接或間接與其他有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配合施用被廣泛應(yīng)用于土壤改良，生物炭中含大量N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素，具有替代化學(xué)肥料的潛力[15].研究表明[16]，生物炭中全鉀含量4～91 g·kg-1，并且具有很高的有效性，在施入土壤后迅速將表面的鉀釋放出來(lái)供植物利用，且生物炭中有效鉀含量一般會(huì)隨著總鉀含量的增加而顯著增加.受比重和添加量的限制，生物炭添加后，混合土樣中的鉀元素仍以土壤中的鉀元素為主[17].但生物炭可以通過(guò)改善土壤理化性質(zhì)促進(jìn)土壤鉀素轉(zhuǎn)化，提升有效鉀含量[18,19].胡敏[14]等研究發(fā)現(xiàn)煙稈中約含有3.0%～5.5%的K2O，鉀含量豐富.在煙稈生物炭對(duì)連作條件下土壤性狀和白芨生長(zhǎng)影響的研究中，施用生物炭可顯著提高土壤速效鉀含量，同時(shí)促進(jìn)白芨葉片寬度和葉綠素含量顯著增加[20].因此，將廢棄煙稈制成生物炭還田，不僅能夠促進(jìn)土壤有效鉀利用、改善土壤環(huán)境、利于植物生長(zhǎng)，還能解決因煙稈不合理利用造成的環(huán)境污染問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)煙稈資源化利用與環(huán)境友好發(fā)展的雙贏途徑.目前尚未見(jiàn)到煙稈生物炭對(duì)土壤鉀素有效性的專一研究，基于此，本試驗(yàn)以富鉀的農(nóng)業(yè)廢棄物——煙稈為原料，研究煙稈生物炭對(duì)南方土壤不同形態(tài)鉀含量及對(duì)煙草光合作用的影響，以期為拓寬鉀肥資源途徑、提高鉀肥利用率和提升煙草光合作用能力提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)煙草由福建省煙草專賣(mài)公司提供，品種為‘翠碧一號(hào)’.試驗(yàn)于福建農(nóng)林大學(xué)田間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用盆栽試驗(yàn)，供試土壤采自福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科教基地(119°04′10″E，26°13′31″N)，取自耕層(0～20 cm)土壤，土壤類型為滲育型水稻土， pH5.18，全氮0.96 g·kg-1，全磷0.41 g·kg-1，全鉀13.48 g·kg-1，堿解氮68.72 mg·kg-1，有效磷218.09 mg·kg-1，速效鉀118.10 mg·kg-1；生物炭以廢棄煙稈為原材料，經(jīng)風(fēng)干后粉碎過(guò)1 cm篩，在500 ℃條件下采用便攜式生物質(zhì)炭化機(jī)(淮安華電環(huán)保機(jī)械制造有限公司研發(fā)制造)無(wú)氧炭化2 h后，冷卻研磨過(guò)2 mm篩而成，其基本理化性質(zhì)為pH9.74，全氮22.62 g·kg-1，全磷7.69 g·kg-1，全鉀106.97 g·kg-1，堿解氮45.80 mg·kg-1，有效磷17.41 mg·kg-1，速效鉀55.48 mg·kg-1.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理：對(duì)照(CK)；施化肥(F)；施煙稈生物炭(B)；施煙稈生物炭，施鉀量減半化肥(KFB)；施煙稈生物炭，施化肥(FB)，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù).施化肥處理參考煙草種植專用肥養(yǎng)分含量(N∶P∶K=12∶7∶22)進(jìn)行配比，供試氮肥為硫銨(含N 21%，施用量為206 kg·hm-2)，磷肥為磷酸二銨(含P2O546%，N18%，施用量為106 kg·hm-2)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 50%，施用量為709 kg·hm-2)，煙稈生物炭施用量為20 t·hm-2.各處理每盆施肥量具體如下：

分別稱取統(tǒng)一過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土7 kg裝入直徑25 cm，高30 cm的塑料盆中，根據(jù)處理與生物炭、化肥攪拌混合均勻后，澆水保持土壤濕潤(rùn)，待土壤穩(wěn)定后選擇生長(zhǎng)狀況相似的健康煙苗進(jìn)行移栽，每盆移栽1株，栽培期間按照烤煙種植方式進(jìn)行管理.煙草成熟收獲后采集表層(0～20 cm)土壤樣品，揀去煙草根，采用四分法取樣，自然風(fēng)干后研磨過(guò)1 mm篩用于測(cè)定土壤水溶性鉀、交換性鉀和非交換性鉀含量，過(guò)0.149 mm篩用于測(cè)定土壤全鉀含量.將煙草整株連根挖出，將煙草植株根、莖、葉分離，用去離子水洗干凈后取部分鮮葉用于測(cè)定葉綠素含量，其余部分裝入信封，105 ℃殺青15 min，60 ℃烘干后用于測(cè)定各器官全鉀含量.

表1 各處理每盆施肥量1)Table 1 Rates of fertilizers in each treatment

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤及生物炭理化性質(zhì)測(cè)定[21]：土壤pH采用pH計(jì)(PHS-3E, INESA, China)測(cè)定；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法進(jìn)行測(cè)定，有效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法進(jìn)行測(cè)定，土壤全磷采用NaOH熔融—火焰光度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定，土壤全碳全氮采用全自動(dòng)微量碳氮元素分析儀(LECO TruMac, USA)測(cè)定.

土壤中不同形態(tài)鉀測(cè)定[21]：土壤水溶性鉀含量采用離子水浸提—火焰光度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定；速效鉀含量采用1.0 mol·L-1NH4OAc溶液浸提—火焰光度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定；酸溶性鉀含量采用1.0 mol·L-1的熱硝酸溶液浸提-火焰光度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定；交換性鉀含量、非交換性鉀含量采用差值法進(jìn)行計(jì)算，交換性鉀含量=速效鉀含量-水溶性鉀含量，非交換性鉀含量=酸溶性鉀含量-速效鉀含量；全鉀含量采用NaOH熔融-火焰光度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定.

煙草植株測(cè)定：在煙草成熟期測(cè)量煙草株高、葉長(zhǎng)和葉寬，計(jì)算葉面積，記錄葉片數(shù)量；煙草根、莖、葉的全鉀含量采用H2SO4-H2O2消煮—火焰光度計(jì)法測(cè)定[21]；煙葉總糖、還原糖、煙堿、鉀氯比等品質(zhì)指標(biāo)參考王瑞新方法進(jìn)行測(cè)定[22].

煙葉光合特性測(cè)定[23]：在煙草生長(zhǎng)的旺長(zhǎng)期、成熟期選擇天氣晴朗的日子，采用Li-6400XT便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)(Li-COR, USA)測(cè)定煙草葉片細(xì)胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和凈光合速率(Pn)，測(cè)定時(shí)選取長(zhǎng)勢(shì)一致、光照均一的葉片.煙草成熟期時(shí)，每個(gè)處理選取同等部位(約株高的1/2)的葉片10組，使用便攜式葉綠素儀(SPAD-502, Minolta Camera, Osaka, Japan)測(cè)定葉綠素相對(duì)含量；采用分光光度法測(cè)定煙葉葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2019進(jìn)行整理，用SPSS 20.0對(duì)試驗(yàn)各處理間差異性單因素方差分析(one-way analysis of variance, ANOVA,P<0.05)和Duncan法進(jìn)行多重比較，采用Pearson相關(guān)系數(shù)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 煙稈生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)及不同形態(tài)鉀含量的影響

2.1.1 煙稈生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響 煙稈生物炭的施用顯著提高土壤pH值、速效氮磷鉀及有機(jī)質(zhì)含量.由表2可知，與CK相比，煙稈生物炭施用使土壤pH顯著增加了12.98%，而施用化肥則顯著降低土壤酸堿度，土壤pH值降低了6.11%；煙稈生物炭與化肥配施后，土壤pH值有所降低，與單施煙稈生物炭處理相比，KFB和FB處理分別降低了1.18%和0.84%，但處理之間差異不顯著.與單施化肥相比，煙稈生物炭施用使土壤堿解氮含量顯著提高3.68%，且土壤速效鉀含量提高了近2倍；煙稈生物炭與化肥配施后，土壤速效氮、磷、鉀含量顯著提升.鉀肥減半后與煙稈生物炭配施，與單施煙稈生物炭相比，土壤有效磷和速效鉀含量分別顯著增加22.03%和8.35%，而堿解氮含量無(wú)顯著變化；與FB處理相比，鉀肥減量施顯著降低土壤堿解氮含量，而增加了有效磷含量，對(duì)土壤速效鉀含量無(wú)顯著影響.此外，添加煙稈生物炭可以顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量.

表2 煙稈生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響1)Table 2 Effects of tobacco stem-derived biochar on physical and chemical properties of soil

2.1.2 煙稈生物炭對(duì)土壤不同形態(tài)鉀含量的影響 土壤有效態(tài)鉀指能夠被植物直接吸收利用或具備潛在利用價(jià)值的鉀形態(tài)，包括水溶性鉀、交換性鉀和非交換性鉀[24].本研究表明，煙稈生物炭施用能夠顯著增加土壤有效態(tài)鉀含量，減少化學(xué)鉀肥利用，與化肥配施能夠提高土壤全鉀含量.由圖1可知，化肥和煙稈生物炭的施用，均能有效促進(jìn)土壤有效態(tài)鉀含量的提高，且煙稈生物炭提升幅度較大，與單施化肥相比，煙稈生物炭使土壤水溶性鉀、交換性鉀和非交換性鉀含量分別提高了2.88倍、4.38倍和2.70倍；與化肥配施后土壤水溶性鉀和交換性鉀含量增加更顯著， FB處理與單施煙稈生物炭處理相比土壤水溶性鉀和交換性鉀分別提高了30.43%和4.29%，但土壤非交換性鉀含量顯著降低；鉀肥減半后，與常規(guī)配施相比，土壤水溶性鉀含量顯著降低了16.67%，但土壤中交換性鉀及非交換性鉀含量與常規(guī)施用鉀肥相比無(wú)顯著變化.土壤全鉀在施用化肥后顯著提升，而煙稈生物炭處理與CK相比無(wú)顯著差異，僅略微上升了1.41%.煙稈生物炭與化肥配施后，能夠顯著提升土壤全鉀含量，F(xiàn)B處理較單施化肥處理顯著增加了9.96%；將化肥中的鉀肥減半后與煙稈生物炭配施，與FB處理相比土壤全鉀含量降低了2.17%，但差異不顯著.

2.2 煙稈生物炭對(duì)煙草生長(zhǎng)及煙葉品質(zhì)的影響

2.2.1 煙稈生物炭對(duì)煙草生長(zhǎng)的影響 煙稈生物炭施用顯著增加了煙草株高、莖圍、葉片數(shù)、葉面積及生物量(表3).圖中顯示，化肥和煙稈生物炭施用均能促進(jìn)煙草的生長(zhǎng)，其中煙稈生物炭與化肥配施對(duì)煙草生長(zhǎng)的促進(jìn)作用最大，F(xiàn)B處理煙草株高、莖圍、葉片數(shù)和最大葉面積數(shù)分別比對(duì)照處理顯著提高48.82%、42.70%、29.04%和135.36%；與單施化肥相比，單施煙稈生物炭顯著提高煙草株高約8.52%，而莖圍、葉片數(shù)和最大葉面積無(wú)顯著差異；煙稈生物炭、化肥配施與B處理相比，4項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均無(wú)顯著差異，而與F處理相比，株高、莖圍和最大葉面積分別顯著提高了13.45%、17.90%和34.82%；鉀肥減半后與煙稈生物炭配施，煙草各生長(zhǎng)指標(biāo)無(wú)顯著差異.各施肥處理煙株生物量較對(duì)照均顯著增加，其中煙稈生物炭施用后煙草總生物量比F處理顯著提高了16.61%，F(xiàn)B處理比B處理顯著提高了30.79%，但鉀肥減半處理與FB處理之間差異不顯著.

CK：對(duì)照；F：施化肥；B：施煙稈生物炭；KFB：施煙稈生物炭、施鉀量減半化肥；FB：施煙稈生物炭、施化肥.不同小寫(xiě)字母表示在P<0.05水平差異顯著.圖1 煙稈生物炭對(duì)土壤不同形態(tài)鉀素的影響Fig.1 Effects of tobacco stem-derived biochar on contents of different forms of soil potassium

表3 煙稈生物炭對(duì)煙草生長(zhǎng)的影響1)Table 3 Effects of tobacco stem-derived biochar on tobacco growth

2.2.2 煙稈生物炭對(duì)煙草不同器官鉀積累量的影響 煙稈生物炭施用能顯著促進(jìn)煙草不同器官全鉀含量及積累量的提升(表4).除單施化肥處理外，各處理煙草莖中鉀含量最高，煙草根部的鉀含量最低.與單施化肥相比，施用煙稈生物炭顯著增加了煙草根和莖的含鉀量，根和莖中的鉀含量分別提高了33.73%和40.68%，但對(duì)煙葉的含鉀量影響不顯著.與單施煙稈生物炭相比，煙稈生物炭與化肥配施能顯著提高煙草根部鉀含量，但對(duì)煙草莖和葉含鉀量無(wú)顯著影響；煙稈生物炭與含鉀量減半化肥配施后，煙草各器官含鉀量均呈最大值，且與FB處理相比，煙草莖含鉀量顯著提高了15.54%.對(duì)比煙草根、莖、葉及整株鉀積累量，我們發(fā)現(xiàn)，煙稈生物炭施用能顯著增加煙草各器官及整株煙草的鉀積累量，與對(duì)照相比，煙草根、莖、葉的鉀積累平均提高了3.5倍、4.16倍和3.01倍.各處理中以FB處理在煙草根、葉和整株中的鉀積累量最高，但減量配施鉀肥處理與常規(guī)配施鉀肥處理在煙草莖稈、葉片及整株鉀積累的含量差異不顯著，且減量配施鉀肥有助于煙草莖中鉀的積累，使之達(dá)到最大值，與單施化肥相比提高了10.37%.

2.2.3 煙稈生物炭對(duì)煙葉品質(zhì)的影響 一般認(rèn)為煙葉還原糖含量為16%～18%，總糖含量18%～22%，煙堿含量1.5%～3.5%，還原糖與總糖比值≥0.9，糖堿比為8～12，鉀氯比為4～10的煙葉為優(yōu)質(zhì)煙葉.由下圖可知，與對(duì)照相比，煙稈生物炭施用顯著提高了煙葉還原糖和總糖含量，而煙堿含量顯著降低；煙稈生物炭顯著提高了糖堿比和鉀氯比，且均處于優(yōu)質(zhì)煙葉的范圍，其中鉀氯比提升幅度較大，B處理比CK顯著提高了133.30%，但對(duì)兩糖比影響不顯著(圖2).其與化肥配施后與單獨(dú)施用煙稈生物炭處理相比，各評(píng)價(jià)因子無(wú)顯著差異；鉀肥減半后(KFB)與不減鉀肥(FB)的配施處理相比，煙葉各指標(biāo)均無(wú)顯著差異.結(jié)果表明，煙稈生物炭能夠促進(jìn)煙葉品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的增長(zhǎng)，對(duì)于改善煙葉品質(zhì)具有良好效果.

表4 煙稈生物炭對(duì)煙草植株不同器官鉀的影響1)Table 4 Effects of tobacco stem-derived biochar on potassium content and accumulation in different organs of tobacco

CK：對(duì)照；F：施化肥；B：施煙稈生物炭；KFB：施煙稈生物炭、施鉀量減半化肥；FB：施煙稈生物炭、施化肥.不同小寫(xiě)字母表示在P<0.05水平差異顯著.圖2 煙稈生物炭對(duì)煙葉品質(zhì)的影響Fig.2 Effects of tobacco stem-derived biochar on tobacco leaf quality

2.3 煙稈生物炭對(duì)煙草光合作用的影響

2.3.1 煙稈生物炭對(duì)煙葉光合特性的影響 煙稈生物炭施用能夠有效促進(jìn)煙葉光合特性，顯著提升煙葉凈光合速率.細(xì)胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度在煙草的旺長(zhǎng)期到成熟期階段逐漸升高，不同施肥處理兩個(gè)時(shí)期的細(xì)胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度均較對(duì)照顯著提升，添加煙稈生物炭處理的細(xì)胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度均高于單施化肥處理，且均以FB處理為最大值(表5).旺長(zhǎng)期時(shí)，添加煙稈生物炭處理煙葉細(xì)胞間CO2濃度較單施化肥處理顯著提升13.63%.成熟期時(shí)，對(duì)比單施煙稈生物炭處理，煙稈生物炭與化肥配施后，細(xì)胞間CO2濃度、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度分別提升了15.38%、31.69%和14.45%；鉀肥施用量減半后，與FB處理相比無(wú)顯著差異，煙葉細(xì)胞間CO2濃度、蒸騰速率僅降低了8.06%和13.44%，但氣孔導(dǎo)度提高了3.10%.

煙稈生物炭對(duì)煙葉凈光合速率的影響由表5可知，隨著煙草生長(zhǎng)由旺長(zhǎng)期到成熟期，煙葉的凈光合速率總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì).對(duì)比CK，各施肥處理兩個(gè)時(shí)期煙葉的凈光合速率均有顯著提升，且添加煙稈生物炭處理凈光合速率均顯著高于單施化肥處理，兩個(gè)時(shí)期分別比F處理平均提高了29.46%和33.33%.旺長(zhǎng)期時(shí)B、KFB、FB處理之間的凈光合速率值呈FB>KFB>B趨勢(shì)，而成熟期時(shí)呈B>FB>KFB趨勢(shì)，兩個(gè)時(shí)期內(nèi)B、KFB、FB處理之間差異不顯著，說(shuō)明煙稈生物炭施用后，隨著煙草生長(zhǎng)，化肥在一定程度上會(huì)降低煙葉凈光合速率，鉀肥減量后降低幅度更大，與常規(guī)配施相比，降低了2.70%.

表5 煙稈生物炭對(duì)煙葉光合特性的影響1)Table 5 Effects of tobacco stem-derived biochar on photosynthetic characteristics of tobacco

2.3.2 煙稈生物炭對(duì)煙葉葉綠素的影響 SPAD值是衡量植物葉綠素的相對(duì)含量及綠色程度的重要參數(shù)，且葉綠素含量與SPAD值呈顯著性正相關(guān)，可作為衡量葉綠素總量的指數(shù)[25].葉綠素作為植物的重要生理生化參數(shù)，含量多少可以反映出植物光合能力和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)狀況，快速精確地估測(cè)植物體葉綠素含量，對(duì)植物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)等具有重要作用[26,27].本試驗(yàn)研究表明，煙稈生物炭施用顯著提高煙葉SPAD值，增加煙葉葉綠素含量，尤其對(duì)類胡蘿卜素的影響較明顯.煙草成熟期，不同施肥處理煙草葉片SPAD值均有提升，其中單施煙稈生物炭和單施化肥處理相比對(duì)照分別提高了4.90%和1.00%，且三者之間無(wú)顯著差異(表6).煙稈生物炭與化肥配施后葉片SPAD值顯著提高，煙稈生物炭配施化肥后，相比單施煙稈生物炭顯著提高了11.24%，但KFB處理與FB處理之間差異不顯著；對(duì)比煙草葉片中3種葉綠素含量，發(fā)現(xiàn)除葉綠素b之外，煙稈生物炭施用能顯著提高煙葉葉綠素a和類胡蘿卜素含量，其中類胡蘿卜素較單施化肥顯著提高11.86%.鉀含量減半后與煙稈生物炭配施，使3種葉綠素含量呈最高值，與FB處理相比，3種葉綠素含量分別提高了9.61%、3.80%和21.48%.

表6 煙稈生物炭對(duì)煙葉SPAD值及葉綠素含量的影響1)Table 6 Effects of tobacco stem-derived biochar on SPAD and chlorophyll content of tobacco leaves

3 討論

3.1 煙稈生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)及不同形態(tài)鉀含量的影響

植煙土壤pH值與鉀素含量是優(yōu)質(zhì)烤煙生長(zhǎng)以及煙葉品質(zhì)形成的重要因素，而養(yǎng)分投入的類型及用量會(huì)顯著影響到煙株根際pH值、土壤鉀素庫(kù)容及供鉀能力[28-30].試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤pH、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)在施用煙稈生物炭之后顯著提高，這與有關(guān)生物炭改良土壤的大量研究結(jié)果類似[31-33].煙稈生物炭的施用能夠顯著增加土壤水溶性鉀和交換性鉀含量，且能夠發(fā)揮一部分鉀肥的作用.結(jié)合生物炭改良土壤特性，究其原因，一是煙稈生物炭中含有豐富的鉀，且大多為可溶性交換性鉀，在施入土壤后會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速釋放[34]；另一方面，生物炭中的羧基功能團(tuán)能夠增加陽(yáng)離子的吸附值，使其具有較高的陽(yáng)離子交換量，可以增加土壤對(duì)Al3+等陽(yáng)離子的吸附性能，使得K+進(jìn)入層間穴位的機(jī)會(huì)更多，進(jìn)而提高土壤鉀含量[11].施用煙稈生物炭后土壤非交換性鉀含量增加，原因可能是由于生物炭施入土壤后，迅速釋放的鉀素一部分被土壤黏土礦物固定起來(lái)；也有可能是隨著土壤水溶性鉀和交換性鉀的增加，向非交換性鉀進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使非交換性鉀含量升高.煙稈生物炭加入土壤后，能夠增加土壤全鉀含量，但是差異不顯著.王亞瓊[17]等通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究不同施用生物炭水平下對(duì)土壤全鉀的影響發(fā)現(xiàn)，雖然添加生物炭能在一定程度上提升塿土全鉀含量，但未達(dá)顯著水平.這可能與采樣不均勻或生物炭與土壤攪拌不均勻有關(guān).

3.2 煙稈生物炭對(duì)煙草生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響

煙稈生物炭施用能夠顯著促進(jìn)煙草株高、莖圍、葉片生長(zhǎng)和生物量增加，提高煙草各部分器官鉀含量及積累量，提高煙葉品質(zhì).究其原因，生物炭對(duì)于煙草生長(zhǎng)的促進(jìn)研究報(bào)道已經(jīng)非常廣泛[35,36]，生物炭在直接為土壤提供作物所需養(yǎng)分的同時(shí)，改良土壤理化性質(zhì)，但不同施用量、不同類型生物炭對(duì)煙草生長(zhǎng)的影響并不一致.本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煙稈生物炭施用能夠提高煙草各部分器官鉀含量，這可能是因?yàn)樯锾砍旧砟軌蛱峁┐罅康挠行р浺酝?，還能夠通過(guò)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤微生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而改善煙草生長(zhǎng)環(huán)境，在氮磷等養(yǎng)分充足的情況下，煙稈生物炭能夠持續(xù)釋放鉀素，增強(qiáng)煙草根系活力，促進(jìn)煙草對(duì)鉀的吸收.由表7可知，土壤水溶性鉀和交換性鉀對(duì)煙草植株的株高和煙葉的生長(zhǎng)具有顯著的正相關(guān)性，隨著土壤有效鉀含量的增加，煙草植株生長(zhǎng)狀況也更加優(yōu)良.汪耀富等研究表明，隨著氮肥施用量增加，煙草對(duì)K+的吸收、積累量逐漸增加，介曉磊等的盆栽試驗(yàn)同樣證明，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均能促進(jìn)葉片對(duì)鉀素的積累[37,38].鉀肥減半后與煙稈生物炭配施與常規(guī)配施相比，煙草的生長(zhǎng)狀況無(wú)顯著差異，且減少化學(xué)鉀肥的施入不會(huì)影響煙草對(duì)于鉀的吸收，這可能是因?yàn)殁浄蕼p量后土壤水溶性鉀和全鉀含量隨有所降低，但其有效鉀(水溶性鉀、交換性鉀和非交換性鉀)含量并未有顯著差異，且土壤pH、總氮和有機(jī)碳含量差異不明顯，進(jìn)而均為對(duì)煙草的生長(zhǎng)造成顯著影響.由此說(shuō)明，煙稈生物炭能夠補(bǔ)充鉀肥施用，減少鉀肥的施用量，降低農(nóng)業(yè)成本.

表7 土壤化學(xué)性質(zhì)與煙草生長(zhǎng)的相關(guān)性分析1)Table 7 Correlation analysis between soil chemical properties and growth indicators of tobacco

3.3 煙稈生物炭對(duì)煙葉光合特性的影響

光合作用是植物干物質(zhì)積累的過(guò)程，也是影響產(chǎn)量的重要機(jī)制，光合作用的強(qiáng)弱對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育及作物增產(chǎn)有直接影響[39,40].影響光合作用的因素有很多，如光照強(qiáng)度、CO2濃度、缺鉀等生長(zhǎng)環(huán)境的變化，使得植物光合特性發(fā)生變化，進(jìn)而影響植物的光合作用[41,42].凡莉莉等研究表明[43]，隨著生物炭施用量的增加，福建柏葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間CO2濃度和蒸騰速率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì).張偉明等研究結(jié)果表明[44]，生物炭與化肥互作可以提高大豆葉片光合作用強(qiáng)度，提高了大豆苗期和結(jié)莢期凈光合作用速率與蒸騰速率，大豆增產(chǎn)提質(zhì).本試驗(yàn)也取得了相似的結(jié)果，施用煙稈生物炭后煙草葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間CO2濃度和蒸騰速率均有顯著提高，隨著煙草發(fā)育從旺長(zhǎng)期到成熟期，煙葉凈光合速率呈下降趨勢(shì)，氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間CO2濃度和蒸騰速率均呈上升趨勢(shì)，煙稈生物炭與化肥配施后對(duì)光合作用的促進(jìn)效果更顯著.本研究還發(fā)現(xiàn)，添加煙稈生物炭不僅有助于提高葉片光合效率，還能增加植株葉綠素含量，促進(jìn)干物質(zhì)積累.從表8可以看出，土壤不同形態(tài)鉀與煙葉細(xì)胞間CO2濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，但與葉片凈光合速率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此煙稈生物炭施用，能夠通過(guò)影響土壤不同形態(tài)鉀進(jìn)而影響煙葉光合特性.李鵬珍等研究結(jié)果[45]與本研究結(jié)論一致，原因可能是由于煙稈生物炭中含有大量能被植物直接利用的鉀，同時(shí)有豐富養(yǎng)分供給，促進(jìn)煙草生長(zhǎng)及對(duì)鉀的吸收，提升煙草光合器官的光合能力，進(jìn)而有效提高植株葉片光能利用率；二是生物炭施入土壤后，改善了土壤微環(huán)境，促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)及根的生長(zhǎng)，進(jìn)而促進(jìn)植株光合作用速率和干物質(zhì)積累速率.

表8 土壤不同形態(tài)鉀與煙葉光合特性的相關(guān)性1)Table 8 Correlation between different forms of potassium in soil and photosynthetic characteristics of tobacco leaves

4 結(jié)論

南方丘陵地區(qū)，將富鉀的煙稈制成生物炭施入土壤后，能夠顯著提高土壤水溶性鉀、交換性鉀和非交換性鉀含量，其中土壤水溶性鉀和非交換性鉀比常規(guī)施肥處理分別提升了4.09倍和6.21倍；將煙稈生物炭與化肥配施，雖然對(duì)土壤全鉀影響不顯著；此外，施用煙稈生物炭能夠顯著促進(jìn)煙草生長(zhǎng)發(fā)育及品質(zhì)提升，煙草株高、莖圍和最大葉面積分別提高了37.02%、29.02%和19.36%，且有利于鉀素累積，提高煙葉細(xì)胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和凈光合速率，增加煙葉葉綠素含量，進(jìn)而促進(jìn)煙葉光合作用能力提升.總的來(lái)說(shuō)，施用煙稈生物炭在有效提升土壤肥力、增加土壤有效態(tài)鉀含量、促進(jìn)煙草生長(zhǎng)及煙葉光合作用的同時(shí)，減少化學(xué)鉀肥的施用，拓寬鉀肥資源途徑，對(duì)植煙土壤鉀補(bǔ)充及煙草種植產(chǎn)業(yè)具有深遠(yuǎn)意義.