宋久洋，劉 領(lǐng)，陳明燦，李友軍，暴秀麗

（河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽 471003）

生物質(zhì)炭施用對烤煙生長及光合特性的影響

宋久洋，劉 領(lǐng)，陳明燦，李友軍，暴秀麗

（河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽 471003）

在豫西丘陵旱作區(qū)，通過田間試驗研究了生物質(zhì)炭施用對烤煙生長及光合特性的影響。研究結(jié)果表明：與常規(guī)施肥相比，生物質(zhì)炭施用能夠增加煙株根際土壤含水量，提高煙株根系活力、菌根侵染率及根冠比，改善煙株葉片的光合性能，促進(jìn)中后期煙株地上部分的生長。從生物質(zhì)炭的施用量來看，高量生物質(zhì)炭處理土壤保水效應(yīng)最優(yōu)，中量生物質(zhì)炭處理更有利于煙株的生長。在豫西煙區(qū)烤煙生產(chǎn)中，建議生物質(zhì)炭穴施的添加劑量為600 kg·hm－2。

生物質(zhì)炭；烤煙；根系活力；菌根侵染率；根冠比；光合特性

0 引言

生物質(zhì)炭是指生物有機材料（小薪柴、農(nóng)作物秸稈、雜草、糞便等生物質(zhì)）在缺氧及低氧環(huán)境中通過高溫裂解后的固體產(chǎn)物，碳含量極高［1］。生物質(zhì)炭已被認(rèn)為是大氣CO2的重要儲庫，生物質(zhì)炭化還田可能成為人類應(yīng)對全球氣候變化的一條重要途徑［2］。由于生物質(zhì)炭體小多孔，通氣和透水性能良好，吸氣、吸水能力極強，具有超強的持留養(yǎng)分的功能［3］。近年來，生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究逐漸增多，在消除土壤污染、改善土壤性能、提高農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)力方面表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景［4］。然而，目前關(guān)于生物質(zhì)炭的研究主要集中在溫室盆栽試驗，生物質(zhì)炭在田間的環(huán)境和作物效應(yīng)及其施用技術(shù)（施用量及施用方式）尚不十分明確，存在較大爭議，限制了生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用［5］。煙草是豫西丘陵旱作區(qū)重要的經(jīng)濟作物之一。水資源貧乏，降雨量少，土壤瘠薄，保水保肥性能差成為制約豫西煙區(qū)煙葉生產(chǎn)的重要因子，而且常年的煙葉生產(chǎn)也造成了煙區(qū)土壤結(jié)構(gòu)和土壤微生物生態(tài)環(huán)境惡化，致使煙葉產(chǎn)量低而不穩(wěn)［6－7］。目前，生物質(zhì)炭在煙草生產(chǎn)中的生態(tài)效應(yīng)報道較少。煙株的根系生長狀況及其光合性能是影響煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)的重要指標(biāo)。為此，作者在豫西旱作區(qū)開展了生物質(zhì)炭施用對煙株生長及光合性能影響的研究，旨在進(jìn)一步豐富生物質(zhì)炭的生態(tài)學(xué)效應(yīng)，為加快農(nóng)業(yè)廢棄物的綜合利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2012年在洛陽市宜陽縣樊村進(jìn)行（湖北中煙煙葉示范基地）。供試土壤質(zhì)地為紅黏土，有機質(zhì)含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為1.28%，堿解氮58.6 mg·kg－1，速效磷10.8 mg·kg－1，速效鉀138.7 mg· kg－1，pH值為8.1；烤煙（Nicotiana tabacum L.）品種為秦?zé)?6；生物質(zhì)炭材料為河南商丘三利新能源有限公司提供的花生殼高溫炭化后產(chǎn)品。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)4個處理：（1）CK：常規(guī)施肥；（2）T1：常規(guī)施肥＋低量生物質(zhì)炭（施加量300 kg·hm－2）；（3）T2：常規(guī)施肥＋中量生物質(zhì)炭（施加量600 kg·hm－2）；（4）T3：常規(guī)施肥＋高量生物質(zhì)炭（施加量900 kg·hm－2）。試驗設(shè)3個重復(fù)，共12個小區(qū)，每小區(qū)面積為60 m2，完全隨機區(qū)組排列。

常規(guī)施肥肥料為芝麻餅肥、煙草專用復(fù)合肥［m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）＝15∶15∶15］和硫酸鉀。芝麻餅肥施用量450 kg·hm－2，于煙葉起壟前全部作為基肥施用；煙草專用復(fù)合肥、硫酸鉀施用量為300 kg·hm－2和180 kg·hm－2，兩者作為基肥于起壟施用各自總質(zhì)量的70%，移栽時穴施各自總質(zhì)量的30%。生物質(zhì)炭材料按照設(shè)定的添加量在煙苗移栽時與30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的煙草專用復(fù)合肥、硫酸鉀充分混勻穴施于煙株根部。煙苗于5月3日移栽，行距1.2 m，株距0.5 m。其他田間管理措施與當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙栽培技術(shù)規(guī)程相同。

1.3 測定項目與方法

于煙株生長至團棵期（移栽后30 d），旺長期（移栽后60 d），第1次打頂期（移栽后80 d），每小區(qū)選擇有代表性的煙株20株，分別測定煙株的株高、最大葉面積［最大葉長×最大葉寬×修正系數(shù)（0.634 5）］；每小區(qū)取代表性煙株5株，分離根系和地上部分，先于烘箱中105℃殺青30 min，然后70℃烘干至恒重，分別稱取干物質(zhì)重，計算根冠比：

根冠比＝（根系干質(zhì)量／地上部干質(zhì)量）。

根系活力采用改良的氯化三苯基四氮唑（TTC）法測定［8］；叢枝菌根真菌（AMF）侵染率采用酸性品紅染色，方格十字交叉法測定，菌根侵染率＝（侵染根段的交叉點數(shù)／檢測根段的總交叉點數(shù)）×100%。

于煙株生長至團棵期、旺長期和打頂期，每小區(qū)選擇代表性煙株10株，采用TRIME-PICO TDR便攜式土壤水分測量儀測定煙株根圍20 cm處的土壤含水量。

于煙株生長至旺長期和打頂期，每小區(qū)選擇代表性煙株5株，利用Li-6400便攜式光合測定系統(tǒng)，在9：00～11：00測定功能盛期葉（倒數(shù)第6位葉）的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr），每張葉片測定3次取其平均值。Li-6400儀器使用開放式氣路，內(nèi)置光源，光強為1 500 μmol／（m2·s）。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭施用對煙株生物學(xué)性狀的影響

表1為生物質(zhì)炭施用對煙株生物學(xué)性狀的影響。由表1可知：在煙株生長至團棵期，煙株的根冠比隨著生物質(zhì)炭施加量的增加表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，以T2處理最高；相比于CK處理，3種生物質(zhì)炭添加量均不同程度地提高了煙株的根冠比，其中T1和T2處理與對照相比達(dá)到了顯著差異（P＜0.05）。對于團棵期煙株株高和最大葉面積而言，各處理間沒有表現(xiàn)出顯著差異。在煙株生長至旺長期和打頂期，煙株的根冠比、株高及最大葉面積均表現(xiàn)出隨著生物質(zhì)炭施用量的增加先升高而后降低的趨勢，以T2處理最優(yōu)，且與對照相比差異顯著（P＜0.05）。這表明適量的生物質(zhì)炭穴施（600 kg· hm－2）有利于培育煙株整個生育期發(fā)達(dá)的根系，促進(jìn)煙株中后期地上部分的快速生長。

表1 生物質(zhì)炭施用對煙株生物學(xué)性狀的影響

2.2 生物質(zhì)炭施用對煙株根系活力和菌根侵染率的影響

圖1為生物質(zhì)炭施用對煙株根系活力和菌根侵染率的影響。由圖1可知：在煙株生長發(fā)育的3個關(guān)鍵時期（團棵期、旺長期和打頂期），隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，根系活力和叢枝菌根真菌侵染率均表現(xiàn)出先升高而后降低的趨勢。相比于對照，生物質(zhì)炭不同施用量對根系活力和菌根侵染率均具有顯著的提升效應(yīng)（P＜0.05），各處理根系活力和菌根侵染率的大小順序為T2＞T1＞T3＞CK，以T2處理最優(yōu)。這表明適宜的生物質(zhì)炭添加量有利于增強煙株根系性能。

2.3 生物質(zhì)炭施用對煙株葉片光合特性的影響

圖2為生物質(zhì)炭施用對煙株葉片光合特性的影響。由圖2a～圖2c可知：在煙株旺長期和打頂期，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）均表現(xiàn)出先升高而后降低的趨勢。相比于對照，生物質(zhì)炭不同施用量對Pn、Gs、Tr這3個指標(biāo)均具有不同程度地提升，處理間大小順序為T2＞T1＞T3＞CK，其中，中、低量生物質(zhì)炭處理T2和T1較對照處理均達(dá)到了顯著水平（P＜0.05）。由圖2d可知：胞間CO2濃度（Ci）與葉片的凈光合速率（Pn）呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，生物質(zhì)炭的施用均不同程度地降低了胞間CO2濃度，處理間大小順序為T2＜T1＜T3＜CK。這表明適量的生物質(zhì)炭施用能夠改善煙株葉片的光合性能。

圖1 生物質(zhì)炭施用對煙株根系活力和菌根侵染率的影響

圖2 生物質(zhì)炭施用對煙株葉片光合特性的影響

2.4 生物質(zhì)炭施用對煙株根際土壤含水量的影響

圖3為生物質(zhì)炭施用對煙株根際土壤含水量的影響。由圖3可知：在煙株生長發(fā)育的3個關(guān)鍵時期（團棵期、旺長期和打頂期），隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，煙株根際20 cm耕層的土壤含水量表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。相比于對照處理，生物質(zhì)炭不同施用量對根際土壤含水量均具有不同程度地提高，處理間大小順序為T3＞T2＞T1＞CK，其中，T3和T2較對照處理均達(dá)到了顯著差異（P＜0.05）。這表明生物質(zhì)炭施用在旱區(qū)土壤蓄水保墑方面具有積極的作用。

圖3 生物質(zhì)炭施用對煙株根際土壤含水量的影響

3 討論

水分是煙草生產(chǎn)的重要生態(tài)因子之一，土壤水分狀況對煙株的生長發(fā)育和產(chǎn)量有較大影響。豫西多屬丘陵坡地，水資源貧乏，降雨量少，致使煙葉產(chǎn)量低而不穩(wěn)，探索行之有效的煙葉旱作栽培技術(shù)，對保障煙區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。前人的研究表明：將生物炭作為土壤改良劑施入土壤，可吸附更多的水分，提高土壤養(yǎng)分吸持量和持水容量，尤其是氧化后的生物質(zhì)炭可提高砂質(zhì)土壤的持水量，改善土壤持水能力［9］。本研究也表明：相比于對照處理，在煙株生長發(fā)育的3個關(guān)鍵時期（團棵期、旺長期和打頂期），施用不同量的生物質(zhì)炭均不同程度提高了煙株根際土壤含水量（見圖3），其中，旺長期高量生物質(zhì)炭處理（T3）較對照土壤含水量提高了12.4%，表明生物炭在旱作區(qū)應(yīng)用具有較強的土壤蓄水保墑的能力。這可能與生物質(zhì)炭具有較大比表面積、復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)和極強的吸附性能有關(guān)［10］。

根系是活躍的吸收器官和合成器官，根的生長情況和活力水平影響地上部的營養(yǎng)狀況及產(chǎn)量水平。根系活力、菌根侵染率及根冠比是反映根系發(fā)育狀況的重要指標(biāo)。本研究結(jié)果表明：相比于對照處理，生物質(zhì)炭施用能夠改善煙株根系的生長發(fā)育狀況，在煙株生長發(fā)育的3個關(guān)鍵時期對煙株根系活力、菌根侵染率和根冠比均具有顯著的提升作用（見表1和圖2）。前人的研究表明：生物質(zhì)炭施用能夠改良土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，增加土壤的透氣性和團聚性［11］；生物質(zhì)炭孔隙能夠貯存水分和養(yǎng)分，為土壤微生物棲息生活提供優(yōu)越的天然微環(huán)境，進(jìn)而增加土壤微生物數(shù)量及活性［12］；叢枝菌根真菌能夠?qū)⒕z生長到生物質(zhì)炭表面及孔隙內(nèi)，并在那里吸取營養(yǎng)和水分，產(chǎn)生孢子，有利于孢子萌發(fā)和生長，生物質(zhì)炭對菌根真菌有特別促進(jìn)作用［13］?？梢?，生物質(zhì)炭施用后煙株根系活力、菌根侵染率和根冠比的提高，可能與生物質(zhì)炭對土壤結(jié)構(gòu)及煙株根際微環(huán)境的改善有關(guān)。

葉片的光合性能及其地上部分的生長狀況直接影響煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)的形成。本研究表明：在煙株旺長期和打頂期，相比于對照處理，生物質(zhì)炭施用降低了葉片胞間CO2濃度（Ci），提高葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr），增加了煙株的株高和最大葉面積（見圖2和表1）。表明生物質(zhì)炭施用能夠通過提升葉片對胞間CO2的同化能力，從而有效地改善煙株葉片的光合性能，進(jìn)而增強煙株地上部分的生長。文獻(xiàn)［14］研究也表明了不同秸稈炭處理能夠促進(jìn)水稻的生長，提高水稻光合速率，增加水稻產(chǎn)量。生物質(zhì)炭促進(jìn)作物地上部分的生長發(fā)育及產(chǎn)量的提升可能由兩種途徑介導(dǎo)：（1）生物質(zhì)炭本身含有一定量的礦質(zhì)養(yǎng)分，可增加土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分含量，如磷、鉀、鈣、鎂及氮素，在養(yǎng)分貧瘠土壤及沙質(zhì)土壤上生物質(zhì)炭的養(yǎng)分補充效應(yīng)較為明顯［15］；（2）生物質(zhì)炭多孔結(jié)構(gòu)和較強的吸附性能，不僅為土壤微生物的良好棲息環(huán)境，而且具有較強的養(yǎng)分持留功能。生物質(zhì)炭能夠通過減少水溶性營養(yǎng)離子的溶解遷移避免營養(yǎng)元素的淋失，并在土壤中持續(xù)而緩慢地釋放，相當(dāng)于營養(yǎng)元素的緩釋載體，從而達(dá)到保持肥力的效果［16］。

生物質(zhì)炭的用量也會影響作物生長，生物質(zhì)炭用量較低的時候會促進(jìn)植物生長，相反，用量過高時則會抑制其生長。文獻(xiàn)［17］研究表明：在肥力水平較高的土壤中，高量施用生物質(zhì)炭（200 g·kg－1）可導(dǎo)致土壤微生物生物量下降，對黑麥草的生長產(chǎn)生輕微的抑制作用。文獻(xiàn)［18］研究生物質(zhì)炭施加對王草的影響，結(jié)果表明王草產(chǎn)量與生物質(zhì)炭施加量呈顯著正相關(guān)，在王草栽培過程中，可通過增施生物質(zhì)炭，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的?？梢?，生物質(zhì)炭對作物生長的影響作用可能與其施用方式和供試土壤的性質(zhì)有關(guān)。本文的研究表明：隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，除土壤含水量外，煙株的株高、葉面積、根冠比、根系活力、菌根侵染率及凈光合速率均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，以T2處理最優(yōu)（見表1和圖1～圖3）?？赡芘c生物質(zhì)炭礦質(zhì)養(yǎng)分含量低及高量的生物質(zhì)炭施用后提高了土壤的pH值，從而降低了土壤中磷和某些微量元素的有效性有關(guān)［19］。綜上所述，在豫西旱作區(qū)增施適量的生物質(zhì)炭（600 kg·hm－2）有利于培育煙株發(fā)達(dá)的根系，改善煙株的光合性能，促進(jìn)煙株中后期地上部分的快速生長。

［1］ 劉玉學(xué)，劉微，吳偉祥，等.土壤生物質(zhì)炭環(huán)境行為與環(huán)境效應(yīng)［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2009，20（4）：977－982.

［2］ Woolf D，Amonette J E，Street-Perrott F A，et al.Sustainable Biochar to Mitigate Global Climate Change［J］.Nature Communications，2010（1）：1－9.

［3］ Xu G，Lv Y C，Sun J N，et al.Recent Advances in Biochar Applications in Agricultural Soils：Benefits and Environmental Implications［J］.Clean-Soil Air Water，2012，40（10）：1093－1098.

［4］ Jha P，Biswas A K，Lakaria B L，et al.Biochar in Agriculture-Prospects and Related Implications［J］.Current Science，2010，99（9）：1218－1225.

［5］ Biederman L A，Harpole W S.Biochar and Its Effects on Plant Productivity and Nutrient Cycling：A Meta-Analysis［J］. Global Change Biology Bioenergy，2013，5（2）：202－214.

［6］ 王小東，許自成，李群平，等.洛陽地區(qū)植煙土壤養(yǎng)分肥力測定與綜合評價［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，29（4）：83－86.

［7］ 劉素云，王旭剛，董曉兵，等.3種改良劑對煙葉微量元素含量和品質(zhì)的影響［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，33（6）：51－54.

［8］ 羅來超，苗艷芳，李生秀，等.氮素形態(tài)對小麥幼苗生長及根系生理特性的影響［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，34（4）：81－84.

［9］ Abel S，Peters A，Trinks S，et al.Impact of Biochar and Hydrochar Addition on Water Retention and Water Repellency of Sandy Soil［J］.Geoderma，2013，202：183－191.

［10］ Uras U，Carrier M，Hardie A G，et al.Physico-Chemical Characterization of Biochars from Vacuum Pyrolysis of South African Agricultural Wastes for Application as Soil Amendments［J］.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2012，98：207－213.

［11］ Laird D A，F(xiàn)leming P，Davis D D，et al.Impact of Biochar Amendments on The Quality of A Typical Midwestern Agricultural Soil［J］.Geoderma，2010，158（3／4）：443－449.

［12］ Lehmann J，Rillig M C，Thies J，et al.Biochar Effects on Soil Biota-A Review［J］.Soil Biology＆Biochemistry，2011，43（9）：1812－1836.

［13］ Warnock D D，Lehmann J，Kuyper T W，et al.Mycorrhizal Responses to Biochar in Soil-Concepts and Mechanisms［J］. Plant and Soil，2007，300（1／2）：9－20.

［14］ 張偉明，張慶忠，陳溫福.鎘污染土壤中施用秸稈炭對水稻生長發(fā)育的影響［J］.北方水稻，2009（2）：4－7.

［15］ Yuan J H，Xu R K.The Amelioration Effects of Low Temperature Biochar Generated From Nine Crop Residues on an Acidic Ultisol［J］.Soil Use and Management，2011，27（1）：110－115.

［16］ Xu G，Wei L L，Sun J N，et al.What Is More Important for Enhancing Nutrient Bioavailability with Biochar Application into a Sandy Soil：Direct or Indirect Mechanism［J］.Ecological Engineering，2013，52：119－124.

［17］ 黃超，劉麗君，章明奎.生物質(zhì)炭對紅壤性質(zhì)和黑麥草生長的影響［J］.浙江大學(xué)學(xué)報，2011，37（4）：439－445.

［18］ 解鈺，吳鵬豹，漆智平，等.王草產(chǎn)量和品質(zhì)對生物炭濃度梯度的響應(yīng)［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012（11）：133－135.

［19］ Parvage M M，Ulen B，Eriksson J，et al.Phosphorus Availability in Soils Amended with Wheat Residue Char［J］.Biology and Fertility of Soils，2013，49（2）：245－250.

S572

A

1672－6871（2014）04－0068－05

國家自然科學(xué)基金項目（31200332）；河南科技大學(xué)人才基金項目（09001597）；河南科技大學(xué)青年科學(xué)基金項目（2012QN004）；大學(xué)生研究訓(xùn)練計劃（SRTP）重點基金項目（2012224）

宋久洋（1986－），男，河南舞鋼人，碩士生；劉 領(lǐng)（1978－），男，河南項城人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)生理生態(tài)研究.

2013－10－31