滴灌减氮下生物炭基肥对植烟土壤无机氮组分含量的影响

樊鹏飞，刘文，任天宝，陈静，刘英杰，王省伟，袁晓静，刘国顺

(1.河南农业大学烟草学院/河南省生物炭研究工程技术中心，河南 郑州 450002；2.生物炭技术河南省工程实验室，河南 郑州 450002；3.河南省烟草公司郑州市公司，河南 郑州 450000；4.河南惠农土质保育研发有限公司，河南 登封 452470)

土壤是作物生长的基础，是农业生态系统中物质与能量交换的重要场所[1]。土壤氮素组成含量从根本上决定作物品质和产量的高低。化肥肥效快，能较为直接地为植物生长提供所需营养，但是，化肥氮施用过多会导致土壤酸化、污染、通气性变差、土质僵硬、深层土壤氮素残留较多，引起土壤中养分比例失衡和土壤C/N值失调，同时植物的生产能力下降，导致烟农经济效益受损。因此，减少化肥氮素的施用，增加土壤的氮素组成，提升烟叶质量，对烤烟的可持续生产具有重要的理论与实践价值。

生物炭是由生物质在缺氧条件下经热裂解形成的一类高含碳量的产物，具有较高的孔隙度和巨大的比表面积，能提高土壤的pH值、孔隙度及阳离子交换能力，改善土壤结构[2-3]。冯爱青等[4]研究表明，控释肥及添加生物炭可以提高土壤氮素有效性，且添加生物炭可以提高土壤酶活性。叶协锋等[5]研究表明，施用花生壳生物炭可以增加植烟土壤微生物量，且对土壤全碳和全氮含量的提升效果比较明显。邹春娇等[6]研究表明，生物炭的添加对连作营养基质中的酶活性、微生物数量及群落结构有明显的调节作用。生物炭基有机肥是以生物炭为主要原料的新型有机肥，它同时具有生物炭和有机肥的特性；滴灌施肥不仅能提高土壤有效氮的供应量，还可保持土壤良好的结构和水气状况，促进微生物旺盛生长，提高土壤的生物学活性[7]。近年来，关于生物炭基肥和滴灌研究是当前的热点问题，但关于生物炭基肥与滴灌的综合效应对土壤氮素组成和烟株生长影响的研究尚鲜见报道。

土壤氮是衡量和评价土壤品质和土壤可持续利用的关键指标[8]。豫西烟区生产季降雨量偏少，干旱现象日益成为烤烟生产过程中氮素高效利用的主要限制性因素之一。为此，以当地常规施肥模式为对照，在滴灌条件下重点分析生物炭基肥与化肥减氮配施对烤烟生长发育及土壤无机氮组分的影响，旨在探索滴灌条件下施用生物炭基肥及减少化肥氮对土壤氮素组成和烟株生长的影响规律，以寻求增加土壤氮素组成和促进烟株生长的有效途径，为植烟土壤保育和氮肥高效利用技术应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点位于河南省登封市颍阳镇刘寨村(112°76′E，34°41′N)。供试品种为豫烟10号，试验地土壤理化性质如下：pH值为7.65、有机质为13.53 g·kg-1、速效氮为83.00 mg·kg-1、速效磷为13.44 mg·kg-1、速效钾为112.37 mg·kg-1。供试生物炭基肥由河南惠农土质保育有限公司提供，主要原料有生物炭、腐殖质、矿物质等，其中生物炭25.0%，有机质含量50.21%，总养分5.02%(N 含量17.6 g·kg-1，P2O5含量11.5 g·kg-1，K2O含量21.1 g·kg-1)。

1.2 试验设计

试验共设5个处理，试验设计如表1所示。本试验中过磷酸钙(有效P2O5，含量12.0%)作为磷肥，硫酸钾(有效K2O含量51.0%)作为钾肥；对照处理(CK)肥料施用量为N 30 kg·hm-2，P2O530 kg·hm-2，K2O 90 kg·hm-2，CK基追肥比例为7∶3，总施氮量为1 kg纯氮素。与CK相比，滴灌处理小区化肥氮减少50%，磷肥、钾肥用量与对照处理一致，移栽前将生物炭基肥一次性条施。滴灌试验选用可溶性KNO3(K2O 含量44.50%，N含量13.50%)作为滴灌氮肥，其中滴灌基肥与追肥比例为4∶6，移栽前30%氮肥条施，移栽当天10%氮肥浇施，剩余氮肥从移栽后30 d开始每隔10 d以2∶3∶1的比例进行滴灌施入，移栽后60 d时仅进行滴灌，不再配肥。

表1 试验设计Table 1 Experimental design

试验采用随机区组设计，各试验小区长60 m，宽5.5 m，烟株种植行距为110 cm、株距为55 cm，每处理重复3次。5月10日移栽，田间管理按优质烟叶生产技术规范进行。T1，T2，T3，T4处理施灌时间、灌水量完全一致。生物炭基肥的氮素不考虑在总氮素中。滴灌施肥方式采用容量压差式，各小区均安装水表用于灌水量的检测和控制，在移栽后的30，40，50和60 d时的灌水量分别为97.14,144.21,55.05和85.18 m3·hm-2。

1.3 样品采集与处理

采用S形取样方法，在取样路径上选5个点位，分别取0～20 cm 耕层土壤样品，每个点位做3次重复；移栽30 d后，各小区选取5株长势良好的烟株进行标记挂牌，每隔15 d测定株高、茎围、节间距、有效叶数、最大叶长叶宽。另外每隔15 d进行烟株样品采集，每小区选取长势正常3棵烟株。取回后立即在105 ℃条件下进行杀青处理(上海精其电热恒温鼓风干燥箱，型号：DHG-9033A)，燃后70 ℃烘干处理，并用分析天平称取各部分干质量(赛多利斯分析天平，型号：BSA124S)；同时收集根际周围土壤样品部分鲜土过20目筛(0.90 mm)用于土壤硝态氮、铵态氮的测定(名称：全自动化学分析仪 型号：Smartchem140)；剩余土壤风干用于碱解氮、全氮的测定(名称:CNS元素分析仪型号:Vario Macro CUBE)。

1.4 测定项目及方法

采用凯氏蒸馏法测定土壤全氮[9]；紫外分光光度法测定硝态氮含量；靛酚蓝比色法测定铵态氮；碱解氮利用碱解扩散法测定[10]；无机氮含量=硝态氮含量+铵态氮含量；叶面积=0.634 5×最大叶长×最大叶宽，叶面积指数(LAI)=单株叶面积×单位土地面积内株数÷单位土地面积。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据初步整理和制成柱形图，利用IBM SPSS statistics 22.0软件对所有氮素组成数据和烟株生长数据进行方差分析，并用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 滴灌下施用生物炭基肥对土壤硝态氮的影响

由图1可知，整个生育期内各试验处理的土壤硝态氮含量基本呈现先上升后下降的趋势。在移栽后30 d时，CK处理硝态氮含量不同程度地高于其他处理，且显著高于T2，T3处理，这主要由于对照初始施氮量较高，烟苗前期处于伸根期，消耗营养物质较少，硝态氮含量相对较高；移栽后60 d，CK的硝态氮含量呈逐渐下降的趋势，这是因为常规处理施入的硝态氮肥较多。随着烟株和根系生长所吸收，以及淋溶损失致使土壤硝态氮含量逐渐下降；移栽后75 d，CK处理的硝态氮含量逐渐低于施用生物炭基肥的处理；与CK处理相比，添加生物炭基肥处理的硝态氮含量变化趋势一致，但下降的时期比CK和T1晚；移栽后75 d时烟株进入成熟后期，CK的硝态氮含量最低，且显著低于滴灌下施用生物炭基肥的处理，主要原因可能为在滴灌条件下，一方面由于施用的生物炭基肥中有机氮在微生物作用下通过硝化反应部分转化硝态氮；另一方面，生物炭的多孔和吸附特性固持了部分硝态氮，减少硝态氮的流失。试验结果表明，滴灌条件下，添加生物炭基肥减氮50%的情况下，有利于提高土壤硝态氮含量，满足烟株的营养物质需求，且生物炭基肥中高添加量效果最好。

图1 滴灌下施用生物炭基肥对土壤硝态氮的影响Fig.1 Effects of biochar based fertilizer on soil nitrate nitrogen under drip irrigation

2.2 滴灌下施用生物炭基肥对土壤铵态氮的影响

由图2可知，在烤烟生育期内，各处理铵态氮含量整体呈现先上升后下降的趋势，与土壤硝态氮含量相比，各处理的铵态氮变化幅度小于硝态氮。在大田生育期内，与T1相比，添加生物炭基肥可显著提高移栽后45～90 d的铵态氮含量，且最高可提高39.57%；移栽后30 d，CK处理初始铵态氮含量较高，随后随着烟株的生长逐渐降低并趋于平缓；移栽后45～90 d，与CK相比，滴灌下施用生物炭基肥处理的铵态氮含量在各时期均能显著提高，且最高可提高66.59%。这说明在施氮量减少50%的条件下通过滴灌下施用生物炭基肥能够保证土壤铵态氮的供应，而本试验中随着生物炭基肥用量的增加，铵态氮含量呈递增趋势，以中高添加量的提高效果最好。

图2 滴灌下施用生物炭基肥对土壤铵态氮的影响Fig.2 Effect of biochar based fertilizer on soil ammonium nitrogen under drip irrigation

2.3 滴灌下施用生物炭基肥对土壤无机氮的影响

由图3可知，在烤烟生育期内，各处理间无机氮含量整体呈现先上升后下降的趋势，基本上与硝态氮的变化趋势一致；移栽后30 d，T2,T3,T4的无机氮含量显著低于CK；移栽后45 d，T1,T2,T4的无机氮含量显著低于CK，而T3的无机氮含量略高于CK。说明在减氮50%和滴灌的条件下，生物炭基肥施用量为1 200 kg·hm-2时可以满足烟株旺长期时土壤氮素的供应量；移栽后60 d，CK处理与T2,T3和T4处理相比，土壤无机氮含量无显著差异，表明减氮增施生物炭基肥后，土壤无机氮含量与常规施肥含量相当，都可满足烟株氮素养分需求，即生物炭基肥在一定程度上减少了氮素损失，提高了其转化利用效率；移栽后75 d，滴灌下施用生物炭基肥的处理无机氮含量显著高于CK处理，且最高可提高59.4%；移栽后90 d，烟株进入成熟后期，土壤中无机氮含量随着烟株的消耗其含量降低，各处理间差异较小，而T4处理的无机氮含量显著较高可能是由于施用较多的生物炭基肥中的部分少量有机氮矿化转化成部分的无机氮。就烟株大田生长期而言，无机氮变化规律表明，滴灌下施用生物炭基肥能提高烟株生长中后期的土壤无机氮含量，减氮50%的条件下满足烟株的正常氮素生长需求。

图3 滴灌下施用生物炭基肥对土壤无机氮的影响Fig.3 Effects of biochar based fertilizer on soil inorganic nitrogen under drip irrigation

2.4 滴灌下施用生物炭基肥对土壤全氮含量的影响

由图4可知，在移栽初期，CK处理由于初始全氮含量高，因此显著高于其他处理，随后全氮含量随烟株的生长发育其含量呈下降趋势。移栽后30 d，T2,T3,T4的全氮含量均显著高于T1处理；移栽后45 d除CK外的其他处理的全氮含量均达到最高，可能是由于此时烟株吸氮能力较弱及滴灌配施氮肥的施入；移栽后60 d，滴灌条件下，添加生物炭基肥处理的全氮含量均高于CK，表明增施生物炭基肥有利于提高土壤全氮含量；移栽后75 d，滴灌下施用生物炭基肥处理均显著高于CK和T1，且与CK相比，土壤全氮最高可提高58.80%；烟草进入成熟期后，T1与CK的全氮含量无显著差异。说明本试验中减氮50%的条件下，滴灌施肥配合添加生物炭基肥可以提高土壤全氮含量，与对照不减氮肥处理其土壤总氮含量相当，可以满足烟株后期的全氮含量影响需求，其中以中、高生物炭基肥添加量对全氮含量的提升效果最显著。

图4 滴灌下施用生物炭基肥对土壤全氮含量的影响Fig.4 Effect of biochar based fertilizer on soil total nitrogen content under drip irrigation

2.5 滴灌下施用生物炭基肥对土壤碱解氮含量的影响

碱解氮含量的大小直接反应土壤供氮强度的高低。由图5可知，烟株生长整个生育期内，前期土壤中碱解氮含量的变化不显著，成熟后期添加生物炭基肥处理与CK相比，其碱解氮含量下降幅度较小，含量相对较高。烟株移栽后30 d时，CK处理碱解氮含量较高，随后呈下降趋势，且从移栽后60 d开始，碱解氮含量显著低于滴灌下施用生物炭基肥的各处理，且施用生物炭基肥的处理碱解氮含量最高可提高36.17%。说明在减氮50%的条件下，通过滴灌配施生物炭基肥的方式可有效满足土壤速效氮的供应和烟株正常生长发育。整个烟株生育期内，添加生物炭基肥的处理均要高于T1处理，说明生物炭基肥的施入可以提高土壤碱解氮含量，随着炭基肥用量的提高，土壤速效氮含量呈先增高后降低的趋势。

图5 滴灌下施用生物炭基肥对土壤碱解氮含量的影响Fig.5 Effect of biochar based fertilizer on soil alkali hydrolyzed nitrogen content under drip irrigation

2.6 滴灌下施用生物炭基肥对烤烟植株生长的影响

2.6.1 滴灌下施用生物炭基肥对烟株农艺性状的影响 由表2可知，移栽后45～60 d，烟株处于旺长期，烤烟的株高、茎围、节间距、叶间距迅速增加，后趋于稳定。整个生育期内，滴灌下施用生物炭基肥的各处理的农艺性状指标基本上均不同程度地高于对照处理，说明滴灌下施用生物炭基肥能够促进烟株的生长；移栽后60 d，烟株生长进入旺长末期，此时烟株的各个农艺性状基本趋于稳定，此时与CK相比，T4处理可显著提高株高和茎围，T3处理可显著提高节间距；移栽后60 d，与T1相比，T2，T3，T4处理的株高、茎围、节间距、叶片数均不同程度的提高，其中株高可提高25.62%，烟株叶片数可提高5片左右。说明施用生物炭基肥可以促进烟株的生长发育，更有利于烤烟产量的提升。

表2 滴灌下施用生物炭基肥对烟株生长的影响Table 2 Effect of biochar based fertilizer on tobacco growth under drip irrigation cm

2.6.2 滴灌下施用生物炭基肥对烟株叶面积指数的影响 由图6可知，在烟株生长期内整体上各处理叶面积指数呈先上升后下降的规律。移栽初期，各处理间叶面积指数规律不明显；烟株进入成熟期后，滴灌下施用生物炭基肥的处理显著高于T1和CK。说明减氮50%下，通过滴灌下施用生物炭基肥能提高叶面积指数。而较高的叶面积指数有利于旺长期营养的供应，有利于烟株的生长发育。烟株成熟后期，CK的叶面积指数低于其他处理，较低的叶面积指数可能无法协调烟叶后期的营养需求与养分供应的关系，不利于优质烟叶的形成。本研究发现，移栽后45～90 d，T2，T3，T4的叶面积指数均高于T1。说明施用生物炭基肥能满足整个生育期烟株对养分的需求，保证烤烟产量的提高。

图6 滴灌下施用生物炭基肥对烟株叶面积指数的影响Fig.6 Effect of biochar based fertilizer on leaf area index of tobacco under drip irrigation

3 结论与讨论

本研究发现，滴灌条件下添加生物炭基肥的处理的硝态氮含量呈先上升后下降的趋势。与对照相比，生物炭基肥的施用有利于提升烟株生长成熟期土壤硝态氮含量，满足减无机氮50%条件下烟株成熟期所需的氮素养分。究其原因可能表现在以下3个方面：一方面，由于在烟株移栽后30 d后每隔10 d要进行滴灌追肥，减少土壤中硝态氮的损失，进而提高了土壤的硝态氮含量；另一方面，因为生物质炭基肥中富含的生物质炭具有较大的比表面积，提高对阳离子的吸附能力[11]，增强对硝态氮养分的吸附性和固持能力，减少肥料中氮素的流失，延缓了硝态氮的淋失时间[12]；最后，也可能由于生物炭基肥提升了土壤微生物多样性[18]，使得炭基肥中有机物料含有少量的有机氮或土壤中的铵态氮等在微生物作用下进行硝化反应后产生了一定量的硝态氮。与此同时，本研究结果表明，施入生物炭基肥后，硝态氮含量显著提高，因为生物炭基肥同时具有生物炭和有机肥的特性，其施入后土壤孔隙度提高，通气性得到改善，反硝化作用会受到抑制，从而硝态氮的损失减少[13]。CK处理的硝态氮含量先上升后下降，大量氮肥的投入会使硝态氮在土壤剖面中大量累积，而耕层硝态氮未及时被作物吸收，受到雨水的淋溶，向深层土壤移动最终移出作物根区[14]。施用生物炭基肥的处理由于具有一定的吸附性，减少土壤中的淋溶，即使化学氮肥减少50%条件下，仍可满足烟株生长发育期土壤硝态氮的供应。

本研究结果表明，土壤铵态氮含量影响无机氮含量的高低，可以被植物直接吸收利用，也是评价土壤供氮能力的关键指标[15]。本研究发现，施用生物炭基肥能提高土壤铵态氮含量。这与周志红等[16]等进行生物炭基肥生物炭基肥对土壤氮素淋失的抑制作用结果吻合。上述试验结果表明，铵态氮的淋失量减少，且在总淋失量中所占的比例较小，铵态氮的淋失对生物炭施入的响应不显著[16]。这与试验中铵态氮对生物炭基肥的响应基本相似。说明在本试验中生物炭基肥中生物质炭独特的理化特性作用会改变土壤孔隙度，提高肥料和水分的滞留时间，降低流失速度，增强土壤对氮素的固持能力，而被生物炭基肥所吸附的铵态氮会根据土壤氮素的持有量而释放，从而保证土壤铵态氮的供应[17]。移栽初期施用生物炭基肥处理的铵态氮、硝态氮、无机氮含量均小于T1处理，这是因为土壤氮矿化是无机氮的主要来源之一，而生物炭基肥为有机肥，养分释放较为缓慢；且生物炭基肥中的生物炭在施入后微生物在短时间内需要适应，微生物对营养源的吸收受到抑制，从而降低了土壤氮矿化速率，其群落结构会发生变化[18]。

本研究发现，烤烟移栽后45～90 d，生物炭基肥对土壤氮矿化有激发效应，提高了土壤的无机氮含量。一方面是因为有机肥的养分会随移栽期的推移而逐渐释放，另一方面随着微生物对环境的适应，微生物多样性和功能微生物的数量增加促进了生物炭基肥的矿化[19]，且外源碳又为微生物提供了新的碳源，刺激了微生物的矿化作用[19]，从而提高土壤无机氮含量。此外，与常规施肥处理相比，在减氮50%的条件下，通过滴灌下施用生物炭基肥的方式土壤全氮最高可提高58.8%，通过这种配施方式保证了在减少化肥氮的同时，烟株能够正常生长，主要原因是施用生物炭基肥能降低土壤容重，土壤通气状况会得到改善，从而抑制了氮素微生物的反硝化作用，减少了NOx的产生和释放[21]；其次，生物炭基肥自身具有较强的吸附性可降低氮素淋失[21]，从而提高了土壤的全氮含量。本研究表明，适量生物炭基肥用量可以显著促进有机养分的矿化，土壤碱解氮含量较高，当施用高添加量的生物炭基肥具有较强的吸附性，且外源碳施入量较大，引起土壤有效氮的固持，可能降低速效养分含量，不利于烟株后期的成熟落黄。

本研究中滴灌条件下施用生物炭基肥可以促进烟株的生长发育，主要是因为适宜的生物炭基肥施用量，对于土壤理化性状的改善效果最好，根际微生物栖息环境最适宜，土壤的健康指数更高，烟株的长势最好[23]。高添加量生物炭基肥施入土壤后，提高了土壤养分库容量，烟株前期的长势过旺，烟株农艺性状均有所提高，导致群体过大、上部叶片遮阴严重，抑制了光合产物的积累，烟株中下部叶的生长发育受阻，不利于烟株中后期的生长发育，最终降低了烟株各农艺性状指标。烤烟的根系生长状况与叶面积指数是密切相关的，而地上部分的发育情况和烤烟产质量息息相关[24]。本研究发现，滴灌下施用生物炭基肥能促进根系的生长，提高整个生育期的叶面积指数，保证旺长期烟株对养分的需求和维持烟株后期的营养供应，为烤烟后期的成熟度和产质量的提高奠定了基础。

本试验在减化肥氮50%条件下，通过滴灌下施用生物炭基肥能延缓硝态氮的淋失时间，显著提高土壤硝态氮含量，且显著提高移栽中后期的铵态氮、碱解氮、无机氮、全氮含量，促进了烟株叶面积和各农艺性状指标的改善，保证了在大幅减氮条件下烟株的正常生长，实现减氮增效，且以1 200 kg·hm-2生物炭基肥施用量最为适宜。本研究为中国烤烟向资源节约和环境友好型生产方式转变提供了理论依据。