張賽 陳杭 胡朝華 袁照年

(福建農(nóng)林大學(xué)國(guó)家甘蔗工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002)

在我國(guó)南方農(nóng)田作物栽培過(guò)程中，以高產(chǎn)為目的的過(guò)量施肥、偏施氮肥的現(xiàn)象非常普遍，導(dǎo)致農(nóng)田土壤不斷退化，肥料損失日益嚴(yán)重。甘蔗是我國(guó)南方重要的經(jīng)濟(jì)作物，由于甘蔗生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、需肥量大，加之蔗區(qū)土壤肥力較差，長(zhǎng)年甘蔗連作和不合理施肥導(dǎo)致蔗田土壤有機(jī)質(zhì)不斷減少、氮肥大量損失。近年來(lái)，生物炭及其相關(guān)技術(shù)在農(nóng)業(yè)和環(huán)境研究領(lǐng)域備受關(guān)注。生物炭在農(nóng)業(yè)土壤改良、作物增產(chǎn)和溫室氣體減排等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。研究表明，將生物炭添加到農(nóng)田中，不僅可提高土壤有機(jī)碳含量，還能提高土壤養(yǎng)分利用效率、增加農(nóng)作物產(chǎn)量、緩解農(nóng)業(yè)面源污染趨勢(shì)[1-4]。作為一種功能化土壤改良劑，生物炭獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)使其能夠改善土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分資源的利用效率，尤其是在作物連作土壤改良和培肥地力中具有重要的應(yīng)用潛力。生物炭土壤改良劑通常采用成本低廉的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物作為原料，具有原料收集方便、可再生、可普遍推廣，以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究氮肥減量配施生物炭調(diào)理劑對(duì)甘蔗苗生長(zhǎng)及其根系土壤養(yǎng)分的影響，旨在為我國(guó)連作農(nóng)田土壤改良與氮肥減施增效提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試甘蔗品種為南方蔗區(qū)主栽品種“新臺(tái)糖22號(hào)”。供試土壤為甘蔗連作年限20a以上的蔗田土壤，土壤pH值6.5，有機(jī)碳含量7.41g·kg-1，全氮含量0.69g·kg-1，C/N為10.7，堿解氮含量62.45mg·kg-1，有效磷含量35.43mg·kg-1，速效鉀含量34.00mg·kg-1。試驗(yàn)所用生物炭調(diào)理劑從市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)，pH值8.43，全碳含量88.1g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理，分為不施氮對(duì)照(CK)、正常施氮(CNF)、氮肥減量配施生物炭調(diào)理劑(RNBC)，每個(gè)試驗(yàn)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)。CNF是模擬田間氮肥正常施用量；RNBC處理中氮肥用量比正常施用量減少25%，并配施1%生物炭調(diào)理劑。各處理中磷鉀肥施用量相同。所有試驗(yàn)處理都采用統(tǒng)一的塑料桶，桶高30cm，上口直徑20cm，底直徑15cm，桶底留有4個(gè)排水小孔。每桶放置等量的供試土壤，按一定比例將土壤、肥料和生物炭調(diào)理劑充分混勻后裝入桶中。

試驗(yàn)于2019年5月開(kāi)始。每桶移栽供試甘蔗幼苗3株，定期澆水，保持桶內(nèi)土壤水分含量最大持水量約60%。試驗(yàn)結(jié)束之后進(jìn)行采樣，各處理隨機(jī)選取3桶，分別采集地上部和地下部樣品，用于蔗苗生物量、碳氮全量等指標(biāo)分析。把桶中的土全部倒出并收集根系，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行根系掃描和生物量的測(cè)定。測(cè)定前，將各處理的土樣充分混勻，風(fēng)干之后，將風(fēng)干土用于土壤pH、碳氮全量、養(yǎng)分等指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

將各處理蔗苗植株的根、莖、葉樣品分離收集，測(cè)定植株不同組織重量和根系性狀指標(biāo)。將蔗苗根系放在清水中沖洗干凈，使用根系掃描儀(EPson ExPression 12000XL)在300dPi下進(jìn)行掃描，然后在WinRHIZO根系分析軟件下分析不同處理下蔗苗的根系長(zhǎng)度、根表面積、根徑等指標(biāo)。植株和土壤中碳氮全量使用元素分析儀(Vario MAX cube)進(jìn)行測(cè)定，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀采用乙酸銨-火焰光度法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭調(diào)理劑對(duì)甘蔗苗生物學(xué)特性的影響

2.1.1 農(nóng)藝性狀

如圖1所示，氮肥減量配施生物炭調(diào)理劑對(duì)蔗苗生物量有積極的調(diào)節(jié)作用。減氮配施生物炭調(diào)理劑處理總生物量比CK增加了59.5%，與CNF相比增加了25.0%。施氮處理中蔗苗莖葉生物量呈明顯增加趨勢(shì)，CNF和RNBC處理與CK相比均呈顯著差異(P<0.05)，分別增加55.0%、65.8%。與CK相比，CNF處理中蔗苗根生物量下降了23.6%，而RNBC處理與CNF相比增加了32.0%。

圖1 減氮配施生物炭調(diào)理劑對(duì)甘蔗苗生物量的影響

施氮處理顯著增加蔗苗株高，正常施氮、減氮配施生物炭調(diào)理劑處理中蔗苗株高與不施氮相比分別增加34.8%、35.7%；與正常施氮相比，減氮配施生物炭調(diào)理劑處理的蔗苗株高也有所增加，增加幅度1.4%。蔗苗根冠比以不施氮的對(duì)照最高，在施氮處理中呈下降趨勢(shì)，與對(duì)照相比，正常施氮和減氮配施生物炭調(diào)理劑處理均顯著下降(P<0.05)。

2.1.2 植株碳氮含量變化

如圖2所示，氮肥減量配施生物炭調(diào)理劑對(duì)蔗苗植株有機(jī)碳和全氮含量均有明顯上調(diào)效應(yīng)。RNBC處理中植株有機(jī)碳含量最高，CNF處理次之，CK最低。與CK相比，CNF和RNBC處理中有機(jī)碳含量分別增加4.55%、5.87%。蔗苗植株全氮含量在6.5～14.6g·kg-1，RNBC處理最高，CNF和RNBC處理分別比CK增加51.6%、55.7%，與CNF相比，RNBC處理的全氮含量也增加了8.47%。各處理植株C/N比值范圍在26.9～56.5，施氮和減氮配施生物炭調(diào)理劑處理的碳氮比與對(duì)照相比均呈明顯下調(diào)趨勢(shì)。以上結(jié)果說(shuō)明，減氮配施生物炭調(diào)理劑能改善蔗苗植株的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況，促進(jìn)蔗苗地上部分的生長(zhǎng)。

圖2 減氮配施生物炭調(diào)理劑對(duì)甘蔗苗植株碳氮含量的影響

2.1.3 根系性狀

如圖3所示，減氮配施生物炭調(diào)理劑對(duì)蔗苗根長(zhǎng)和表面積有正向調(diào)控效應(yīng)，對(duì)根徑和根體積的變化具有一定的調(diào)節(jié)作用。與CK相比，CNF、RNBC處理中蔗苗根長(zhǎng)分別增加了35.9%、39.5%。施氮處理顯著增加蔗苗根系表面積，減氮配施生物炭調(diào)理劑處理進(jìn)一步提高了蔗苗根表面積。與CK相比，CNF、RNBC處理的根表面積分別增加了7.3%、17.3%。蔗苗根徑在各處理中差異不顯著，施氮處理中根徑略有減小，減氮配施生物炭調(diào)理劑處理中根徑有所增大，與CNF相比，RNBC處理的根徑增加了28.9%。各處理中，蔗苗根體積變化不顯著，CNF比CK有所下降，RNBC處理比RNF略有上升。

圖3 減氮配施生物炭調(diào)理劑對(duì)甘蔗苗根系性狀的影響

2.2 氮肥減量配施生物炭調(diào)理劑對(duì)根系土壤性狀的影響

如圖4所示，氮肥減量配施生物炭調(diào)理劑處理中蔗苗根系土壤有機(jī)碳和全氮含量均明顯增加。RNBC處理的有機(jī)碳含量最高，比CNF處理增加12.4%，CNF與CK相比有所下降。減氮配施生物炭調(diào)理劑處理中土壤全氮含量最高，與CNF相比增加了10.1%。據(jù)測(cè)算，蔗苗根系土壤C/N比值范圍在12.3～13.0，施氮處理中的C/N比與不施氮對(duì)照相比均有所下調(diào)。

圖4 減氮配施生物炭調(diào)理劑對(duì)甘蔗苗根系土壤有機(jī)碳和全氮含量的影響

氮肥減量配施生物炭基調(diào)理劑處理對(duì)蔗苗根系土壤速效養(yǎng)分含量產(chǎn)生不同的影響(圖5)。RNBC處理中堿解氮含量最高，CNF處理次之，CK最低。與CNF相比，RNBC處理中堿解氮含量增加了7.72%。施氮處理顯著增加了蔗苗根系土壤速效磷含量，CNF和RNBC處理與CK相比分別增加36.2%和38.5%，與CNF相比，RNBC處理中速效磷含量也增加了3.5%。蔗苗根系土壤速效鉀含量在18.0～23.3mg·kg-1，各處理之間差異不明顯。

圖5 減氮配施生物炭調(diào)理劑對(duì)甘蔗苗根系土壤速效養(yǎng)分含量的影響

3 小結(jié)與討論

從甘蔗苗生物量和根冠比等農(nóng)藝性狀的調(diào)查結(jié)果可以看出，氮肥減量并配施生物炭調(diào)理劑對(duì)蔗苗地上部分和地下部分的生長(zhǎng)均具有積極的調(diào)節(jié)作用。這與前人的研究結(jié)果相互印證，如，葛春輝等研究表明配施生物炭可以提高玉米生物量[5]，閆新偉等研究表明生物炭促進(jìn)花生根系生長(zhǎng)[6]，劉成等研究表明施用生物質(zhì)炭具有增產(chǎn)效應(yīng)[7]。土壤性狀分析結(jié)果說(shuō)明，減氮配施生物炭調(diào)理劑處理對(duì)甘蔗苗根系土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮和速效磷含量有顯著的改良效果。施入生物炭調(diào)理劑不僅增加了土壤有機(jī)碳，還提高了土壤氮素營(yíng)養(yǎng)和植物可利用性，促進(jìn)了肥料氮的吸收利用和蔗苗生長(zhǎng)。鄭琴等和文登鴻等的研究結(jié)果也有相關(guān)類似的結(jié)論[8,9]。然而，由于本次試驗(yàn)周期較短，施用生物炭調(diào)理劑對(duì)植蔗土壤的改良效應(yīng)在短期內(nèi)難以全面體現(xiàn)出來(lái)，有關(guān)不同生育期甘蔗生長(zhǎng)和產(chǎn)量性狀的調(diào)控效應(yīng)仍需今后進(jìn)一步研究。