生物炭用量與追肥次數(shù)對烤煙生長及氮素積累的影響

楊佳宜 何羅馭陽 唐昕 周成軒 周南 向世鵬 周智

摘 ?要：為實現(xiàn)生物炭施用下烤煙輕簡化追肥，利用土柱淋溶試驗結(jié)合大田試驗，研究了生物炭施用量與追肥次數(shù)對煙草生長發(fā)育和氮素積累的影響。結(jié)果表明，生物炭用量達到10 t/hm時可以顯著提高土壤含水率，顯著降低氮總淋溶量?？緹熮r(nóng)藝性狀主要受到生物炭用量的影響，烤煙干物質(zhì)（特別是葉片干物質(zhì)）及氮素積累主要受追肥次數(shù)的影響，生物炭用量、追肥次數(shù)及兩者互作均對烤煙經(jīng)濟性狀有顯著影響，但主要受追肥次數(shù)的影響?？傮w來看，10 t/hm生物炭施用條件下，追肥2次提供了更適宜的養(yǎng)分供給模式，提高了煙草的氮肥利用率和經(jīng)濟效益，可以為發(fā)展煙草栽培輕簡化追肥模式提供參考。

關(guān)鍵詞：生物炭；氮素淋溶；追肥；烤煙；氮肥利用率

中圖分類號：S572.01???????????????????????文獻標識碼：A ?????????????????????文章編號：1007-5119（2023）05-0009-09

Effects of Biochar Dosage and Topdressing Frequency on Flue-Cured Tobacco Growth and Nitrogen Accumulation

YANG Jiayi，?HE?Luoyuyang，?TANG Xin，?ZHOU Chengxuan，?ZHOU Nan，

XIANG Shipeng，?ZHOU Zhi

（1. College of Agriculture， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China;?2. College?of Chemistry and Materials Science， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China;?3. Changsha Branch of Hunan Provincial Tobacco Company，?Changsha 410019， China）

?In order to realize the light and simplified topdressing of flue-cured tobacco under biochar application， the effects of biochar application rate and topdressing frequency on tobacco growth and nitrogen accumulation were studied by using the soil column leaching test combined with field experiments. The results showed that the dosage of biochar up to 10 t/ha could significantly increase the soil water content and significantly reduce the total leaching of N. The agronomic characteristics of tobacco were mainly affected by the dosage of biochar. The agronomic traits of flue-cured tobacco were mainly affected by the dosage of biochar， and the dry matter （especially leaf dry matter） and nitrogen accumulation of flue-cured tobacco were mainly affected by the number of times of fertilizer application.?The dosage of biochar， the frequency of fertilizer application and the interaction between the two had significant effects on the economic traits of flue-cured tobacco， but they were mainly affected by the frequency of fertilizer application. Overall， under the condition of 10 t/ha biochar application， two times of topdressing provided a more suitable nutrient supply pattern， improved the nitrogen fertilizer utilization and economic benefits of tobacco， which?can provide a reference for the development of light and simplified fertilizer chasing pattern in tobacco cultivation.

?biochar; nitrogen leaching; topdressing; flue-cured tobacco; nitrogen fertilizer efficiency

基金項目：湖南省煙草公司長沙市公司技術(shù)開發(fā)項目（CS2022KJ01）；湖南省煙草公司衡陽市公司技術(shù)開發(fā)項目（HYYC2023KJ31）

作者簡介：楊佳宜（1996-），男，博士研究生，研究方向為作物土壤環(huán)境化學與煙草栽培生理。E-mail：479998176@qq.com

*通信作者。E-mail：向世鵬，xiangshipeng@qq.com；周 ?智，zhouzhi@hunau.edu.cn

收稿日期：2023-05-30??????????????????修回日期：2023-09-24

烤煙作為我國一種重要的經(jīng)濟作物，肥料及施肥方式直接影響到其產(chǎn)量和品質(zhì)。由于肥料釋放的養(yǎng)分極易淋溶損失，不及時追肥將導致烤煙生長發(fā)育受限，產(chǎn)量與品質(zhì)下降。湖南省氣候潮濕，常年多雨，雨季發(fā)生在3—7月，因此湖南煙區(qū)的煙農(nóng)為了保證煙葉產(chǎn)質(zhì)量進行3～7次追肥，大大增加了勞動成本。

生物炭是生物質(zhì)在厭氧條件下經(jīng)過高溫熱解產(chǎn)生的穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物，由于其多孔結(jié)構(gòu)以及表面豐富的官能團，能夠吸附養(yǎng)分并作為養(yǎng)分的載體，起到養(yǎng)分緩釋的效果。生物炭添加到土壤中可以改善土壤的理化性質(zhì)，減少速效養(yǎng)分的淋溶損失，提高作物的肥料利用率和土壤肥力。然而關(guān)于生物炭的大田應(yīng)用研究大多只關(guān)注化肥減量配施生物炭對土壤肥力、煙草或其他作物生長的影響，對于生物炭施用量與追肥次數(shù)對煙草生長發(fā)育和氮素積累的影響尚未見報道。本研究首先在室內(nèi)設(shè)計不同生物炭用量的土柱淋溶試驗，篩選出最適宜用量，并在此用量下進行生物炭與追肥結(jié)合的煙草大田試驗，探究生物炭施用下不同追肥次數(shù)對煙草養(yǎng)分積累與產(chǎn)質(zhì)量的影響，為湖南煙區(qū)追肥輕簡化模式的發(fā)展提供參考。

1 ?材料與方法

1.1??試驗地點

田間試驗于2022年3—9月在長沙瀏陽市永安鎮(zhèn)進行，地理位置北緯28°17′9″，東經(jīng)113°21′48″，海拔45 m，供試土壤類型為水稻土，土壤質(zhì)地為壤質(zhì)砂土，pH 7.51，含有機質(zhì)14.271 g/kg，速效磷54.497 mg/kg，堿解氮181.358 mg/kg，陽離子交換量17.58 cmol/kg。試驗地地勢平坦，肥力均勻，代表性較強。

1.2??供試材料

供試烤煙品種為當?shù)刂髟云贩NG80，供試肥料為生物發(fā)酵餅肥（N+PO+KO≥8%，有機質(zhì)≥47%）；煙草專用基肥[（N）∶（PO）∶（KO）=8∶10∶11]；煙草專用提苗肥[（N）∶（PO）∶（KO）=20∶9∶0]；硫酸鉀（KO≥52%）及硝酸鉀[（N）∶（PO）∶（KO）=13.5∶0∶44.5]。

所施生物炭由江蘇華豐農(nóng)業(yè)生物工程有限公司提供，原料為水稻秸稈，熱解溫度為450?℃，其總比表面積為8.71 m/g，總孔體積0.036 cm/g，平均孔徑8.24?nm，微孔體積0.003 7 cm/g，pH?8.45，全氮含量0.37%，全碳含量63.15%。

1.3??試驗設(shè)計

1.3.1??室內(nèi)土柱淋溶試驗??在試驗田翻耕之前取得耕層土壤樣品，風干后粉碎并過2 mm篩，設(shè)計5組不同生物炭用量處理D1、D2、D3、D4、D5，生物炭施用量分別為0、5、10、20、40 t/hm，土柱淋溶試驗設(shè)計具體方法參考CHEN等的研究（圖1），采用高30 cm，內(nèi)徑4 cm PVC柱，柱內(nèi)填充450 g土壤，首先將土柱填充到10 cm高度時用清水沖擊使土壤自然沉降，剩余土壤與肥料混合后填充至25 cm高度，肥料為煙草專用基肥和硝酸鉀肥，氮肥總量18.86 mg，每個處理重復(fù)3次。加蒸餾水至土柱完全濕潤但不滲水。靜置24?h。在靜置24?h后的第1、4、7、10、13、16、19和22天，各添加100 mL蒸餾水，將土壤浸出液收集在容量為250 mL的錐形瓶中，收集時間持續(xù)6?h至不再有濾液滲出。滲濾液不足100 mL時加超純水定容至100 mL后檢測。采用連續(xù)流動分析儀測量浸出液中總氮含量，結(jié)合浸出液體積計算氮素淋容量和累計淋容量。收集完浸出液后利用土壤溫濕度傳感器檢測土壤含水率。

1.3.2??大田試驗??大田試驗采用雙因素裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)為生物炭用量（生物炭用量由1.3.1的土柱淋溶試驗選出），分為C0（不施生物炭）和C10（施生物炭10 t/hm）；副區(qū)為追肥次數(shù)，分為Z0（追肥0次）、Z1（追肥1次）、Z2（追肥2次）、Z3（追肥3次），另在主區(qū)C0內(nèi)設(shè)不施肥、不施生物炭的CK對照以計算氮肥利用率。每個處理重復(fù)3次，共27個小區(qū)，小區(qū)面積106 m。除CK完全不施肥外，其余處理均基施煙草專用基肥1200 kg/hm和生物發(fā)酵餅肥450 kg/hm；追肥總量為硫酸鉀肥300 kg/hm和硝酸鉀肥375 kg/hm，追肥0次處理為全部追肥在移栽前14?d左右同基肥一起1次施入，其余追肥處理施用方案如表1所示，3次追肥時間分別在移栽后第15、28和35天。烤煙于2022年3月23日移栽，行距120 cm，株距50 cm，試驗田采取漫灌方式沿圍溝和壟溝灌溉整個田塊，在煙株不同生育期控制灌水量以使煙田土壤相對含水量在適宜范圍內(nèi)，其他生產(chǎn)管理技術(shù)措施參照《瀏陽市煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程手冊》。

1.4 ?測定項目及方法

1.4.1 ?生物炭與土壤理化性質(zhì)測定 ?生物炭和土壤pH采用電位測定法，土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和陽離子交換量的檢測方法參考文獻[21]，采用比表面儀（BET）檢測生物炭的比表面積和孔徑分布，用元素分析儀進行生物炭C、N含量檢測。

1.4.2 ?淋溶液總氮測定 ?使用連續(xù)流動分析儀測定滲濾液中的總氮含量。

1.4.3 ?土柱含水率測定 ?收集完土壤滲濾液后利用土壤溫濕度傳感器檢測土壤含水率。

1.4.4 ?農(nóng)藝性狀測定 ?移栽后60和80?d，參考YC/T 142—2010《煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查測量方法》調(diào)查株高、莖圍、最大葉葉長、最大葉葉寬、最大葉面積和有效葉數(shù)。

1.4.5 ?葉片SPAD值測定??使用SPAD-502 plus便攜式葉綠素測定儀測定SPAD值，在移栽后60和80?d時，選擇田間各處理中代表性煙株10株，測定從上至下數(shù)第5片煙葉的SPAD值。

1.4.6 ?煙株干物質(zhì)量和養(yǎng)分測定 ?烤煙成熟期每處理選取具有代表性的3株。根、莖和葉分開裝袋，105?℃殺青30?min，80?℃烘至恒重，測定根、莖和葉的干物質(zhì)量及總氮含量，并用于計算肥料利用率。

1.4.7 ?煙葉經(jīng)濟性狀統(tǒng)計和效益分析??各小區(qū)單獨掛牌烘烤，單獨計產(chǎn)，統(tǒng)計產(chǎn)量、均價、產(chǎn)值、中等煙比例、上等煙比例等，根據(jù)產(chǎn)值，肥料、生物炭及追肥用工成本，分析經(jīng)濟效益。

1.5 ?數(shù)據(jù)處理

相關(guān)參數(shù)與計算方法：

氮積累量（g/株）=干物質(zhì)量（g）×植株含氮量（%）

氮肥表觀利用率（ARE，%）=（施氮區(qū)烤煙氮積累量–不施氮區(qū)烤煙氮積累量）/施氮量×100

氮收獲指數(shù)（%）=葉片氮積累量/植株氮積累量

采用SPSS 20.0軟件中Analyze菜單里General Linear Model 的Univariate命令進行裂區(qū)統(tǒng)計分析，新復(fù)極差法進行多重比較，同時引入PEta值，用于比較不同因素對評價指標的影響大小。

2??結(jié) ?果

2.1??生物炭用量對氮素淋溶的影響

如圖2所示，土壤含水率與生物炭用量呈正相關(guān)（≤0.05），D4與D5處理顯著高于其他3個處理，且二者之間存在顯著性差異。在13～22 d時間段，D3與D1土壤含水率差異顯著。

如圖3所示，氮的總淋溶量與生物炭用量呈負相關(guān)，D1與D2處理間沒有顯著性差異，D3處理氮的淋溶量顯著低于D1和D2處理，即當生物炭用量達到10 t/hm時，養(yǎng)分淋溶損失開始顯著減少。D3處理1?d的氮淋溶量和22 d氮總淋溶量比D1分別少19.95%和14.53%。

考慮到后續(xù)大田試驗采用漫灌的方式，與D1相比，D4和D5可能會造成過高的土壤含水率，不利于煙草根系的健康生長。且與D2相比，D3顯著減少了氮素淋溶損失。因此，本研究選擇D3即10 t/hm的生物炭用量來進行后續(xù)的大田試驗。

2.2??生物炭與追肥方式對煙草農(nóng)藝性狀的影響

由表2可見，從生物炭用量看，移栽后60?d時，C10顯著提高株高、最大葉面積及SPAD值；移栽后80?d時，C10顯著提高株高、葉數(shù)、莖圍、最大葉面積及SPAD值。從追肥次數(shù)看，移栽后60?d和80?d時，Z0的株高和最大葉面積顯著低于Z2和Z3處理，Z1的各項農(nóng)藝性狀指標（除移栽后80?d的SPAD值外）均顯著低于其他追肥處理，Z2和Z3之間的各項農(nóng)藝性狀指標無顯著性差異。從生物炭用量和追肥次數(shù)組合看，在移栽后60?d和80?d時，在C0中，C0Z3的株高、莖圍及最大葉面積為最高，且在移栽后80?d時C0Z3的最大葉面積顯著高于C0Z2；在C10中，C10Z2的株高、莖圍及最大葉面積均為各處理最高，且在移栽后80?d時，C10Z2的株高和最大葉面積顯著高于C10Z3。從不同因子的效應(yīng)量估算值（PEta）看，結(jié)合兩個時間段的PEta值比較，生物炭用量（PEta平均值為1.054）對農(nóng)藝性狀指標的影響最大，其次是追肥次數(shù)（PEta平均值為0.567）的影響，兩者互作（PEta平均值為0.279）的影響最小?？梢姛熤贽r(nóng)藝性狀主要受生物炭用量的影響，其次是追肥次數(shù)，最后是兩者互作。總體上看，以“10 t/hm生物炭用量+追肥2次”處理更利于烤煙生長，其次是“0 t/hm生物炭用量+追肥3次”處理。

2.3??生物炭與追肥方式對煙草干物質(zhì)積累的影響

表3示出，從生物炭用量看，C10顯著提高葉片及整株干物質(zhì)量，對根、莖干物質(zhì)量沒有顯著影響。從追肥次數(shù)看，追肥次數(shù)的增加顯著提高植株莖、葉及整株干質(zhì)量，對根干物質(zhì)量沒有顯著影響。從生物炭用量和追肥次數(shù)互作看，在C0中，C0Z2的葉片和整株干物質(zhì)量顯著低于C0Z3；在C10中，C10Z2與C10Z3處理的葉片及植株整株干質(zhì)物量無顯著性差異。從不同因子的PEta看，追肥次數(shù)（PEta=0.921）對葉片干物質(zhì)量的影響大于生物炭用量（PEta=0.617）的影響，追肥次數(shù)（PEta=0.877）對整株干物質(zhì)量的影響大于生物炭用量（PEta= 0.287）的影響，兩者互作的效應(yīng)沒有對植株各部位干物質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。可見煙株各部位干質(zhì)量，特別是葉片干質(zhì)量，主要受追肥次數(shù)影響，其次是受生物炭用量影響，兩者互作沒有顯著影響。生物炭用量的增加，顯著增加了追肥1次和追肥2次處理的葉片及整株干質(zhì)量?？傮w上看，以“10 t/hm生物炭用量+追肥2次”處理更利于烤煙干物質(zhì)積累，其次是“0 t/hm生物炭用量+追肥3次”處理。

2.4??生物炭與追肥方式對烤煙氮素積累的影響

由表4發(fā)現(xiàn)，從生物炭用量看，C10對于增加葉片和植株氮積累量效果顯著，顯著提高了植株氮肥表觀利用率及氮收獲指數(shù)。從追肥次數(shù)看，追肥次數(shù)的增加可以顯著增加植株各部位的氮積累量，顯著提高植株氮肥表觀利用率及氮收獲指數(shù)。從生物炭用量和追肥次數(shù)互作看，C10Z2的植株氮積累量、氮肥表觀利用率及氮收獲指數(shù)最高，其次是C0Z3、C10Z3、C0Z2，C10Z0、C0Z0、C10Z1、C0Z1相對較低。從不同因子的PEta看，追肥次數(shù)（PEta平均值為0.804）對烤煙氮素積累指標的影響最大，其次是生物炭用量（PEta平均值為0.386）的影響，兩者互作（PEta平均值為0.283）的影響最小?？梢娍緹煹胤e累特征主要受追肥次數(shù)影響，其次是生物炭用量，最后是兩者互作?？傮w來看，“10 t/hm生物炭用量+追肥2次”處理的烤煙氮素積累能力最強，其次是“0 t/hm生物炭用量+追肥3次”處理。

2.5??生物炭與追肥方式對烤煙經(jīng)濟性狀和經(jīng)濟效益的影響

由表5可見，從生物炭用量看，C10處理烤煙的各項經(jīng)濟指標均顯著高于C0。從追肥次數(shù)看，Z3與Z2之間的各項經(jīng)濟性狀指標差異不顯著，Z3和Z2的各項經(jīng)濟性狀指標均顯著高于Z0，Z0的各項經(jīng)濟性狀指標均顯著高于Z1。從生物炭用量和追肥次數(shù)互作看，C10Z2的產(chǎn)值最高，其次是C0Z3、C10Z3、C0Z2，C10Z0、C10Z1、C0Z0、C0Z1相對較低。從不同因子的PEta看，追肥次數(shù)（PEta平均值為0.976）對烤煙經(jīng)濟性狀指標的影響最大，其次是生物炭用量（PEta平均值為0.865）的影響，兩者互作（PEta平均值為0.851）的影響最小?？梢娍緹熃?jīng)濟性狀主要受追肥次數(shù)影響，其次是生物炭用量，最后是兩者互作。

由表6可見，從生物炭用量看，C10的經(jīng)濟效益顯著高于C0。從追肥次數(shù)看，Z1的經(jīng)濟效益顯著低于Z0、Z2和Z3。從生物炭用量和追肥次數(shù)互作看，C10Z2的經(jīng)濟效益最高，其次是C0Z3、C10Z0、C0Z0，C0Z2、C10Z3、C10Z1、C0Z1相對較低。從不同因子的PEta看，追肥次數(shù)對經(jīng)濟效益影響最大，其次是兩者互作，生物炭的影響最小?？傮w來看，“10 t/hm生物炭用量+追肥2次”處理的各項烤煙經(jīng)濟性狀指標及經(jīng)濟效益最高。

3??討 ?論

土柱淋溶試驗結(jié)果表明，生物炭能夠有效減少氮素養(yǎng)分的淋失，且生物炭用量越高，養(yǎng)分淋溶損失越少，這與詹舒婷的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明，生物炭用量增加可以顯著增強土壤持水能力和養(yǎng)分緩釋效果，這與生物炭表面豐富的官能團以及多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，相關(guān)研究也表明生物炭施用量與土壤持水能力呈正相關(guān)，而烤煙屬于旱地作物，長期保持過高的土壤含水率不利于烤煙生長發(fā)育，基于此確定以10 t/hm的生物炭用量進行后續(xù)大田試驗。

大田試驗結(jié)果表明，生物炭能夠有效改善追肥次數(shù)減少對煙草的不利影響，這是由于生物炭獨特的理化性質(zhì)顯著改善土壤的保水保肥能力，有效減少了速效養(yǎng)分的淋溶損失，在較長時間內(nèi)維持土壤養(yǎng)分的充足供給，因此施加一定量的生物炭能夠在追肥次數(shù)較少的情況下保證煙草正常生長發(fā)育。前人研究結(jié)果表明，適量生物炭與化肥配施可以顯著提高烤煙生長發(fā)育和產(chǎn)質(zhì)量。本研究中C0Z1處理的煙株農(nóng)藝性狀以及干物質(zhì)量顯著低于C0Z0處理，可能是因為C0Z1僅有的一次追肥過程中將速效養(yǎng)分全部兌入大量水中澆灌，煙株吸收利用有限，大量養(yǎng)分未被有效利用而被淋溶損失，煙草的氮肥利用率降低。黃容等研究發(fā)現(xiàn)，不科學的氮肥施用會影響土壤表面電化學性質(zhì)，破壞土壤-作物體系的氮素平衡和作物對肥料的吸收利用，加劇速效養(yǎng)分的流失。

另外一項類似的研究對比了一次施用包膜尿素（PCU）和多次分批施用可溶性氮肥（硝酸銨和硫酸銨）兩種施肥方式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多次分批施用可溶性氮肥增加了NO? 3-N的淋溶，一次施用PCU相比較而言是更有效的氮肥管理策略。由此可見，多次追肥的施肥方式不僅增加了人工成本，也并不是最佳的養(yǎng)分管理模式，因為多次兌水澆施追肥增加了養(yǎng)分淋溶的風險。本研究結(jié)果表明生物炭是改善目前養(yǎng)分管理模式的有利工具，能減少人工成本，增加經(jīng)濟效益，但如何實現(xiàn)1次施肥就滿足煙草全生育期養(yǎng)分需求，進一步提高烤煙經(jīng)濟效益，還有待通過研究生物炭對養(yǎng)分緩釋的關(guān)鍵作用機理，制備出對養(yǎng)分緩釋效果更好的生物炭或生物炭基肥。

4??結(jié) ?論

本研究結(jié)果表明，生物炭能夠增強土壤的持水、保肥能力，減少養(yǎng)分的淋溶損失，土壤的持水保肥能力會隨著生物炭用量的增加而增強，可以在較長時間內(nèi)保障煙草的養(yǎng)分需求。因此，與不添加生物炭的最佳處理相比，適宜生物炭用量的最佳處理減少了1次追肥次數(shù)，能夠為煙草提供更適宜的養(yǎng)分供給模式，節(jié)約追肥人工成本，提高煙草的氮肥利用率和經(jīng)濟效益。本試驗推薦的10 t/hm的生物炭用量以及追肥2次是基于湖南典型的稻作煙區(qū)試驗田得出的結(jié)果，可為湖南稻作煙區(qū)發(fā)展煙草輕簡化追肥模式提供參考。

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