碳基土壤调理剂对昭通冷凉山区植烟黄壤培肥改良研究

王 炽，李枝武，倪 明，闫 辉，陈兴位*，宋鹏飞，付 斌，赵新梅

(1.云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南 昆明 650205；2.云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南 昆明 650231)

【研究意义】昭通市位于云贵高原与四川盆地结合部，具有典型的高原山地地形地貌特征，冷凉山区土壤以黄壤和黄棕壤为主[1]。冷凉山区黄壤偏酸性，质地较粘重，结构差，土壤基础地力不高，供肥能力差[2-3]。加之低温冷害，作物生育期长，土壤养分供应能力差，致使农作物的农学及经济效益受损失[4-5]。为此，有效改善土壤生态及提高土壤养分供应能力具有重要的理论和实践意义。【前人研究进展】近年来，功能性碳源材料在农业土壤上的应用已有广泛研究。研究表明，碳源材料能够提高土壤有机质含量，改善土壤固氮保肥能力，减少氮磷养分淋溶流失，提高土壤养分供给的持续性和稳定性[6-7]。李瀚[8]、苏倩[9]等研究表明，生物碳源能提高土壤微生物活性，对土壤养分的循环转化具有促进作用。烤烟(NicotianatabacumL.)是昭通山区农业的特色经济作物。近年来，由于长期施用化肥，有机肥投入少，导致土壤C/N失衡，养分利用率不高[10]，加之烤烟根系分布较浅，易造成生理性养分不足，影响了作物的产量和品质提升。目前，关于碳源材料在热区低肥力土壤改良、蔬菜地高肥力土壤调理等方面都有较好的效果[11]。【本研究切入点】碳源材料在冷凉山区低肥力土壤的应用鲜见报道，能否利用碳基土壤调理剂解决土壤培肥的问题，提高养分利用率，进而实现作物提质增效亟待研究。【拟解决的关键问题】研究不同碳基调理剂对昭通冷凉山区黄壤理化性状、烤烟养分含量及吸收量的影响，综合评价碳基土壤调理剂的施用效果，为冷凉山区黄壤的培肥改良提供理论依据。

表1 试验点土壤理化性状

1 材料与方法

1.1 试验区域

试验点位于云南省昭通市昭阳区守望乡水井湾村，地处东经103°43′40″，北纬27°15′46″，海拔1984 m。试验区域属暖温带高原季风立体气候，年平均气温12.6 ℃，1月平均气温2.0 ℃，7月平均气温19.8 ℃，极端最低气温-13.3 ℃，极端最高气温33.5 ℃，年平均日照1900 h，年平均降雨量760 mm。试验地供试土壤为冷凉山区黄壤，理化性状见表1。

1.2 试验设计

田间试验设5个处理3次重复。空白处理(CK0)，不施任何肥料；对照处理(CK1)，化肥+商品有机肥；T1处理，化肥+碳基调理剂I；T2处理，化肥+碳基调理剂II；T3处理，化肥+碳基调理剂III。碳基调理剂利用不同植物秸秆粉碎后厌氧半发酵制作而成，后掺混化肥及固体粘结剂，利用平磨式挤压造粒机，造成2～3 cm圆柱状颗粒。供试3种碳基调理剂的基础性质见表2。

1.3 供试作物、施肥和田间管理

供试烤烟品种为云烟116。移栽方式为膜下小苗移栽，移栽规格：株距55 cm，墒距115 cm，墒高35 cm，种植密度：15 000株·hm-2。

施肥量为氮肥(N)100 kg·hm-2，磷肥(P2O5)125 kg·hm-2，钾肥(K2O)308 kg·hm-2。其中，基肥为商品有机肥或碳基调理剂2025 kg·hm-2、烟草专用复合肥(11-15-23)825 kg·hm-2，追肥为移栽后15 d追施硝酸钾75 kg·hm-2，移栽后50 d施用硫酸钾165 kg·hm-2。施肥方法，调理剂、有机肥和复合肥采用环施，硝酸钾、硫酸钾采用兑水浇施。

试验小区处理除施肥处理不同，其余烤烟种植品种、栽培管理、覆膜方式均相同，烟苗移栽时间:2018年4月25日，第1次采烤时间:2018年7月26日，最后1次采烤时间：2018年9月5日。

1.3.1 土壤采集及检测 试验开展前，对整个试验地块用5点采样法，采集0～20 cm耕层土壤，四分法混匀后作为基础土壤。烤烟生长阶段，各处理小区5点采样法，在烟株中间用土钻采集0～20 cm耕层土壤，四分法制成混合土样。土壤理化指标检测用pH用玻璃电极法；有机质用重铬酸钾氧化法；全氮用凯氏定氮法；水解性氮用碱解扩散法；有效磷用钼锑抗比色法；速效钾用火焰光度法。

表2 试验材料基础性质

1.3.2 植株采集及检测 在烤烟各生育期采集不同处理具有代表性的3株烤烟，各部位(根、茎、叶)分开，105 ℃杀青30 min后于80 ℃烘干称重，测定生物量。样品粉碎后保存，测定不同部位氮、磷、钾含量。植株养分指标检测：氮用凯氏定氮法；磷用钒钼黄比色法；钾用火焰光度法。

1.4 数据分析

试验数据利用EXCEL软件进行处理，采用SPSS 18.0数据处理软件进行单因素方差分析，采用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 碳基调理剂对植烟土壤pH的影响

由图1可见，随着烤烟生长，各处理土壤pH值呈现升高趋势，且在旺长期和打顶期，施用碳基调理剂的T1、T2、T3处理土壤pH值较CK0和CK1处理提高明显，在终烤期各处理土壤pH值变化趋于平稳。表明添加碳源材料在烤烟旺长期和打顶期能提升土壤pH值，增加土壤的缓冲性能，邓小华、李集勤等的研究有相同结果[12-13]。

2.2 碳基调理剂对植烟土壤有机质的影响

由图2可见，烤烟生育期内，处理T1、T2、T3的土壤有机质含量明显高于处理CK0和CK1，土壤有机质含量T1>T2>T3>CK1>CK0，终烤期T1、T2、T3的土壤有机质含量分别比CK1提高了52.31 %、43.61 %和30.18 %。表明碳基调理剂能够增加土壤有机质含量，从而提高土壤养分调控能力，满足烤烟生长需求。

2.3 碳基调理剂对植烟土壤氮素的影响

由图3可见，在烤烟生育期内，土壤的水解性氮含量处理T1、T2、T3明显高于处理CK0和CK1，其中处理T1的水解氮含量最高且保持小幅度升高，处理T2水解氮含量持续稳定升高，处理T3水解氮含量变化幅度不大，终烤期T1、T2、T3土壤的水解氮含量分别比CK1提高了29.3 %、26.7 %、10.7 %。表明T1碳基调理剂的供氮能力强；T2碳基调理剂的前期供氮能力弱，后期受环境(雨水和温度)和根系生长的影响下，供氮能力大幅提高，较符合烤烟需肥规律；T3碳基调理剂对土壤氮素供应的缓冲能力弱，在烤烟生育期土壤水解氮含量差异不明显。

2.4 碳基调理剂对植烟土壤磷、钾的影响

由图4可见，烤烟生长期内土壤有效磷含量明显升高，相同施磷量条件下，旺长期土壤有效磷含量T3>T2>T1>CK1>CK0，打顶期处理T1，T2土壤有效磷含量与CK1差异不明显，T3有效磷含量最低，终烤期处理T1、T2与CK1有效磷差异不明显，T3有效磷含量最高。施用碳基调理剂对土壤磷具有活化作用，旺长期明显提高土壤有效磷含量，但随着时间延长，对磷素的活化效应减弱。烤烟生育期内土壤速效钾含量明显高于基础土壤，旺长期处理T2、T3速效钾含量高于其他处理，打顶期处理T1、T2、T3与CK0、CK1相当，终烤期处理T1、T2、T3高于处理CK1。碳基调理剂施入土壤后有利于形成土壤有机无机胶体，有助于吸附和保持土壤钾离子。3种碳基调剂中，T2、T3在旺长期能使土壤磷和钾维持在较高水平。

2.5 碳基调理剂对植烟养分含量及吸收量的影响

在烤烟收获期采集具代表性的整株烤烟，对比不同处理对烤烟各部位养分含量的影响。结果表明，处理T1、T2、T3的烟株根、茎、叶氮含量比CK0分别提高17.92 %～25.73 %、80.49 %～135.98 %和45.52 %～68.68 %，处理T1、T2、T3根中氮含量比常规处理CK1分别降低6.1 %、3.2 %、6.2 %；茎中氮含量T3比CK1提高17.2 %，T1和T2分别比CK1降低10.4 %、2.3 %；叶中氮含量T1比CK1低6.9 %，T2和T3比CK1高8.8 %、6.6 %。可以看出碳基调理剂的前期供氮能力略低于常规处理，后期持续性的供氮能力变强，其中T2碳基调理剂的供氮效果较好。处理T1、T2、T3的烟株根、茎、叶磷含量比CK0分别提高7.75 %～20.45 %、30.33 %～64.44 %和10.87 %～20.34 %。与CK1相比，碳基调理剂处理根、茎、叶中磷含量差异均不明显。处理T1、T2、T3的烟株根、茎和叶中钾含量与CK0差异不明显，比CK1常规处理略低。

养分吸收量对烤烟的生长发育具有重要影响。由图6可见，碳基调理剂处理与常规处理的烟株氮吸收总量：T2>T3>CK1>T1>CK0，处理T1、T2、T3的根、茎和叶的氮吸收量分别占总吸氮量的12.24 %～21.40 %、14.53 %～27.91 %和59.85 %～64.06 %。T2处理的烤烟茎和叶的吸氮量占比高于CK1，根的吸氮量占比低于CK1。碳基调理剂后期持续性的供氮能力强于常规处理CK1，能有效提高烤烟叶片对氮的吸收利用，其中T2碳基调理剂的供氮效果较好。各处理烟株磷吸收总量：T1>CK1>T3>T2>CK0，各处理的根、茎和叶的磷吸收量分别占总吸磷量的16.43 %～27.37 %、16.73 %～42.01 %和37.44 %～55.90 %，碳基调理剂处理能有效提高茎磷吸收的比例。烟株钾吸收总量：CK1>T3>T1>T2>CK0，这可能与常规施肥施用更多的钾肥有关，处理T1、T2、T3的根、茎和叶的钾吸收量分别占总吸钾量的9.07 %～18.05 %、17.18 %～42.18 %和44.86 %～67.41 %。

表3 不同时期烤烟生物量与土壤养分含量的相关系数

表4 烤烟不同部位生物量与烤烟养分含量、养分吸收量的相关系数

2.6 烤烟生物量与土壤养分含量、烤烟养分含量及烤烟养分吸收量的相关性

烤烟不同部位生物量与土壤养分含量的相关性分析(表3)表明，打顶期烤烟根生物量与水解性氮和有效磷之间呈显著正相关(P<0.05)，烤烟叶生物量与水解性氮和有效磷之间呈极显著正相关(P<0.01)，烤烟茎生物量与水解性氮、有效磷和速效钾呈负相关。表明打顶期土壤养分供给对烟叶的生长发育具有重要作用，影响烟叶的养分吸收和产量的形成。

烟叶不同部位生物量与其养分含量、养分吸收量的相关性分析(表4)表明，烤烟根的生物量与根的氮含量呈极显著正相关(P<0.01)，与根的磷含量、氮吸收量和磷吸收量呈显著正相关(P<0.05)。烤烟叶的生物量与叶的氮含量、磷含量、钾吸收量呈显著正相关(P<0.05)，与叶的氮、磷吸收量呈极显著正相关(P<0.01)。说明烤烟根与叶的生物量与其养分含量和养分吸收量密切相关，从而影响烤烟的产量。

3 讨 论

冷凉山区低温冷凉，酸性土壤抑制微生物的生长量和活性，造成营养元素有效性降低。施用碳基调理剂后，通过提高土壤碱基饱和度、消耗土壤质子等作用提高土壤pH值[14]，土壤微生物种群和数量发生改变。同时碳基调理剂的施用增加了土壤有机质含量，为微生物的生长繁殖提供能源，“激发”了土壤有机氮的矿化分解[15-16]。碳基调理剂中富碳物质其表面较高的离子交换量和活跃的羧基、羟基等官能团，提高了土壤对肥料中的铵态氮和硝态氮的吸附能力，减少了氮素损失，从而增强氮的有效性[17-20]。施用碳基调理剂的土壤水解性氮含量比常规施肥(CK1)在旺长期和终烤期分别提高了6.45 %～35.50 %和10.67 %～29.34 %，其中T2的持续效果最好。说明碳基调理剂都有培肥土壤的作用，但其原料及配比会影响土壤调理效果[21]。

碳基调理剂施入土壤后不仅矿化自身的有机磷，还产生多种有机酸，通过络合、溶解、还原等作用活化土壤中难溶解性磷，并且通过自身的阴离子交换作用降低土壤对磷的固持[22-25]，从而增加了土壤有效磷含量，提高土壤磷活性[26]。本研究碳基调理剂T2、T3能有效提高旺长期土壤有效磷含量，施用碳基调理剂对土壤磷的“激活效应”随着时间的推延，磷的活化效应逐步减弱，这可能与土壤通气状况、水分含量、温度变化、微生物活性等影响土壤磷转化的因素密切相关[27-29]。

研究表明，作物的提质增产不仅表现在氮的供给，而且更重要的体现在碳氮的耦合作用。据刘昱研究，水田和旱地的土壤碳氮输入量之间存在显著的正相关关系[30-31]。土壤施用碳基调理剂在作物生长前期具有调节土壤氮素供应强度，影响作物各部位的氮含量水平分配；在作物生长中后期具有维持土壤氮供应的持续性，影响作物的吸氮量和生物量。相同施氮量条件下，烤烟根与叶的生物量与其养分含量和养分吸收量密切相关，施用碳基调理剂的烤烟叶的氮含量和吸氮量要高于常规施肥，施用碳基调理的烤烟根的氮含量水平要低于常规施肥，这有助于烟叶的养分吸收和产量的形成。

4 结 论

冷凉山区黄壤条件下，施用碳基调理剂能提升土壤pH值和有机质含量，调节土壤养分的供给。施用碳基调理剂能减少土壤氮素的淋溶损失，土壤氮的供给持续且稳定，有效提高烟株根系、烟叶的氮含量和吸收量，提高氮肥利用率，对烟叶产质量的提升有显著作用。综合来看，昭通地区黄壤肥力较低，T2碳基调理剂供氮持续性更好，在烤烟生长的中后期能稳定持续供应氮素，提高烤烟叶片对氮的吸收利用，有利于烟叶产质量的形成。