生物炭对不同氮水平下植烟土壤碳氮转化的影响

张 弘，李 影，张玉军，朱金峰，姜桂英，刘世亮，申凤敏，刘 芳

（1河南农业大学资源与环境学院，郑州450002；2河南中烟工业有限责任公司洛阳卷烟厂，河南洛阳471000；3河南省漯河市烟草公司，河南漯河462000）

0 引言

烟草是中国重要的经济作物，很多研究者对烟草及植烟土壤进行过相关研究[1-2]。氮素是对烟草产量和品质影响最大的敏感元素[3-4]。氮素在土壤中极易损失，利用率较低。而生物炭的施用可以改善土壤物理性状，近年来有不少研究报道了生物炭或施氮量对植烟土壤理化性质的影响，例如陈山等[5]发现，梯度施用稻壳生物炭促进土壤有机碳以及氮的积累，土壤速效钾和有机质的含量也随生物炭施用量的增加而升高，但对土壤全磷、全钾和速效磷的含量影响较小。张继旭等[6]则认为土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均随生物炭添加量的增加有不同程度的提高。尚杰等[7]也认为生物炭的施用可以提高土壤微生物量碳氮以及与土壤碳、氮、磷相关的酶活性，增加了土壤微生物量，改善了土壤中的生物环境。

氮素是烟草生长所需的敏感元素，许多研究者探究了氮肥施用量对植烟土壤养分的影响。例如李琰琰等[8]研究表明，土壤有机质、全氮、速效氮含量和脲酶活性随施氮量的增加而增加，土壤蔗糖酶活性则呈先增加后降低的趋势，土壤养分含量与土壤酶活性之间存在显著的相关关系。牛静等[9]研究发现土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量和土壤蔗糖酶活性随施氮量的增加而上升。杨馨逸等[10]也表示施用氮肥能够显著提高土壤微生物量碳和可溶性有机碳的含量，由此可见，生物炭与氮肥的施用对植烟土壤养分调控方面有较好的影响作用，但是当前围绕烤烟的研究大多探究单一的施氮量或生物炭对烤烟的影响，在生物炭改良烤烟产量和品质的基础上施用不同氮水平的研究很少，因此，在生物炭改良烤烟品质的基础上研究施氮量对植烟土壤养分及碳氮转化的影响具有重要的科学意义。

河南省作为中国优质浓香型烟叶产地，植烟土壤连作时间长，土壤结构遭到严重破坏，导致烟叶氮含量和烟碱含量普遍过高，从而影响烟叶品质，使典型浓香型风味淡化，因此需要通过增施高碳含量有机物料调节土壤C/N比，结合植烟土壤生物炭施用量最佳范围为1200～1600 kg/hm2[11-12]。本研究采用大田试验，在1600 kg/hm2生物炭施用量下，探索生物炭对植烟土壤养分含量的影响，并在此基础上施用不同氮水平，以期为河南省植烟土壤在生物炭改良条件下筛选最佳施氮量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理设计

试验于2016年在河南省临颍县大郭镇进行，土壤类型为黄褐土。试验地基本理化性状为：有机质16.2 g/kg，碱解氮52.8mg/kg，速效磷20.89mg/kg，速效钾159mg/kg，pH 7.74。试验设5个处理，分别为：（1）不施生物炭和氮肥(CK)，（2）不施氮肥（N0)，（3）纯氮用量为37.5 kg/hm2(N1)，（4）纯氮用量为 52.5 kg/hm2(N2)；（5）纯氮用量为67.5 kg/hm2(N3)，其中52.5 kg/hm2为当地烟农常用氮肥施用量，且该处理N:P2O5:K2O=1:1:3.5，其他处理的磷钾肥用量与该处理相同，除CK外，其余处理在烟草移栽前增施生物炭1600 kg/hm2调节土壤碳氮比，每个处理重复3次，共设15个小区，每个小区面积为66.7 m2，小区为随机排列。氮肥为尿素（含氮量45%），磷肥和钾肥分别为过磷酸钙（含P2O5量12%）和硫酸钾（含K2O量50%）。每个处理的施肥量见表1，施肥方式为氮钾肥基追比为7:3（70%的氮钾肥做基肥，30%追肥），基肥采用25～30 cm宽度开沟双条施肥，然后起垄。追肥于移栽37天后施用，追肥位置是烟行两侧最大叶叶尖所指位置（约距离烟株15～20 cm）。烟草品种为‘中烟100’。

表1 不同处理施肥量 kg/hm2

烟苗于2016年5月9日进行移栽，按1.22 m的行距和0.50 m的株距种植，并在2016年8月20日采收完毕。小区周边种植2行烟草为保护行，其他按当地优质烤烟规范化栽培管理方式进行。

1.2 样品的采集与测定

在烟苗移栽后30、60、90天，每个处理选取长势一致的烟株3棵，在烟茎基部周围的中点作为取样点，随机用土钻采集0～20 cm土壤样品充分混匀。土壤鲜样一部分于4℃冰箱中保存，另一部分风干过筛测定常规理化性质。土壤脲酶采用靛酚蓝比色法[13]，蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法[13]，土壤有机质采用重铬酸钾氧化法[14]，碱解氮采用碱解扩散法[14]，速效磷采用钼蓝比色法[14]，速效钾采用火焰光度计法[14]，微生物量碳采用氯仿熏蒸法[15]。

1.3 数据处理

使用DPS7.05软件，采用Duncan新复极差法，比较不同处理间各种指标之间的差异；使用Excel 2010进行相关数据统计分析和制图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对植烟土壤酶活性的影响

脲酶是一种酰胺酶，其活性是影响土壤氮素的因素之一，可以表征土壤氮素转化状况。从图1(A)可以看出，总体上各处理土壤脲酶活性在烟草整个生育期内呈先降低后升高的趋势。在移栽后30天时除N1外其他处理之间土壤脲酶活性差异并不显著。与CK相比，增施生物炭的N0处理土壤脲酶活性在烟草移栽后60天时显著低于CK，但在移栽后90天时又显著高于CK；而增施氮肥处理的土壤脲酶活性在移栽后60天时显著低于CK，但在移栽后90天时土壤脲酶活性从高到低依次为N2＞N1＞N0＞CK＞N3，说明增施氮肥可以提高该时期土壤脲酶活性，但当氮肥施用量超过52.5 kg/hm2时，会大幅度抑制增长的趋势。

土壤蔗糖酶能够水解蔗糖成为被植株利用的葡萄糖和果糖，常用来表征土壤碳转化状况。从图1(B)可以看出，在烟草整个生育期内，各处理土壤蔗糖酶活性在烟草移栽后60天以前，处于幅度较低的增长趋势，但在移栽后90天时除N0处理外其他处理土壤蔗糖酶活性大幅度增加。另一方面，移栽后30天时增施生物炭和不同氮水平对蔗糖酶活性影响不显著，而90天时则表现出氮肥处理显著提升了土壤蔗糖酶活性。与CK相比，增施生物炭的N0处理土壤蔗糖酶活性只在移栽后60天时显著高于CK，但在移栽后90天时显著低于CK。增施氮肥在烟草移栽后90天时对土壤蔗糖酶活性的提高有着显著的影响，但不同施氮量处理间差异不显著。

图1 不同处理移栽后不同天数植烟土壤脲酶(A)和蔗糖酶(B)活性

2.2 不同处理对植烟土壤速效氮磷钾的影响

土壤碱解氮含量直接说明土壤的供氮强度。由图2(A)可见，各处理碱解氮含量的变化趋势为随着移栽天数的推移而逐渐下降，且在移栽后30天时各处理碱解氮含量最高。施氮处理的碱解氮含量显著高于对照，N3的碱解氮含量显著高于其他处理，且在移栽后30天时，达到最高值261.86 mg/kg。说明增加施氮量能够显著提高植烟土壤碱解氮含量，提高土壤对植株的供氮能力。

从图2(B)可以看出，各处理土壤速效磷含量随烤烟移栽天数的增加保持较为稳定的趋势；与CK相比，增施生物炭与不同水平的氮肥对土壤速效磷含量并无显著影响，说明烤烟耕层土壤速效磷基本不受生物炭与氮肥调控。

图2(C)显示，随烤烟生育期的延长，各处理的土壤速效钾含量呈逐渐降低的趋势；与CK相比，增施生物炭的N0对土壤速效钾含量并无显著影响，而增施氮肥的处理只在烤烟移栽后60天时提高了土壤速效钾含量，随后土壤速效钾含量在烤烟移栽后90天时迅速降低，除N1处理外其他处理间无显著差异。

2.3 不同处理对植烟土壤有机质的影响

从图3可以看出，各处理的土壤有机质含量差异并不显著，且在移栽后60天以前土壤有机质含量变化幅度很小，只在移栽后90天时有所降低，与CK相比，增施生物炭与氮肥对土壤有机质含量没有显著的影响。

2.4 不同处理对土壤微生物量碳和微生物熵的影响

土壤微生物量碳是指活的微生物体内所含有的碳素。从图4(A)可以看出，各处理土壤微生物量碳随烤烟生育期的延长表现出先上升后降低的趋势。在烤烟移栽后60天时达到最大值，其中N3处理土壤微生物量碳最大为355.00 mg/kg。与CK相比，增施生物炭的N0处理土壤微生物量碳在烤烟移栽后60、90天时得到了显著提高，说明生物炭对土壤微生物量碳的影响主要表现在烤烟生育中后期。而增施氮肥对土壤微生物量碳也有一定的提升作用，但并未表现出明显的规律性。

土壤微生物熵是指土壤微生物量碳与土壤有机碳的比值。由图4(B)可知，各处理土壤微生物熵的变化趋势为先升高后降低，与土壤微生物量碳的变化趋势一致。在烤烟移栽后60天时达到最大值，其中N2处理土壤微生物熵最高为3.01%。与CK相比，N0处理增施生物炭除在烤烟移栽后30天外，其余时期土壤微生物熵皆显著高于CK，说明生物炭对土壤微生物熵的影响主要表现在烤烟移栽后30天以后。而增施氮肥的处理在烤烟生育中后期也提高了土壤微生物量碳熵，但并没表现出明显的规律性。

图2 不同处理移栽后不同天数土壤碱解氮(A)、速效磷(B)和速效钾(C)含量

图3 不同处理移栽后不同天数土壤有机质含量

3 结论

在1600 kg/hm2生物炭改良植烟土壤的基础上，配施不同量的氮肥可以显著提高土壤碳氮代谢相关酶活性（脲酶、蔗糖酶），以及土壤碱解氮含量，提高烤烟生育中后期土壤微生物量碳和微生物熵，其中豫中烟田以生物炭配施67.5 kg/hm2的氮肥最有利于提高土壤养分含量。

4 讨论

土壤中存在多种酶类，土壤酶活性的高低能够反映相关土壤养分代谢的强弱。脲酶可以表征土壤氮素的状况，蔗糖酶则可以表征土壤碳素的状况。植烟土壤中施加生物炭可以提高脲酶和蔗糖酶的活性[16]。刘领等[17]通过盆栽试验研究了生物炭与氮肥减量配施后发现，生物炭与氮肥配施有利于提高土壤酶活性。李琰琰等[8]研究发现0～40 cm土层土壤脲酶活性随施氮量的增加而增加，蔗糖酶活性则随施氮量的增加呈先增加后降低的趋势。牛静等[9]也认为，土壤蔗糖酶活性会随施氮量的增加而提高。本研究表明，生物炭可以提高烟草移栽后90天时土壤脲酶活性以及移栽后60天时土壤蔗糖酶活性，与前人研究结果相似，说明生物炭可以促进植烟土壤碳氮代谢相关酶活性。施氮量对土壤酶活性的影响主要表现在烟草移栽后90天时，氮肥可以提高土壤脲酶活性，但过高的氮肥施用量反而会抑制这种趋势，而土壤蔗糖酶活性则在氮肥施用下得到显著提高，这与李琰琰等[8]的研究结果有所不同，这可能是因为生物炭促进了土壤氮素代谢，过高的氮肥施用对土壤脲酶活性产生了抑制效果，这与严君等[18]的研究结果一致。

图4 不同处理烟草移栽后不同天数土壤微生物量碳(A)、微生物量碳熵(B)

植烟土壤中速效养分的含量将直接影响烤烟对必需养分的吸收效率，进而影响烟株的生长发育。赵殿峰等[19]研究发现土壤速效氮和速效磷含量随生物炭的施用量呈先升高后降低的趋势。郑加玉等[20]发现生物炭可以提高皖南植烟土壤碱解氮、速效磷和速效钾的含量。牛静等[9]探究发现土壤速效氮、速效磷和速效钾含量随施氮量的增加呈上升的趋势。本研究结果表明，植烟土壤在生物炭改良作用下施用氮肥，土壤速效氮含量受氮肥施用量的影响较大，但土壤速效磷与速效钾的含量则无显著性变化，这可能是因为烟田土壤起垄后高于地表约20 cm，因此施用的肥料主要集中在20～40 cm土层，但测定土壤速效氮磷钾含量的土样是0～20 cm土层，所以导致生物炭与氮肥对土壤速效养分含量的影响并不显著。

土壤有机质是土壤中多种养分的来源，土壤肥力的高低很大程度上取决于土壤有机质的含量，陈山等[5]通过植烟土壤中施用不同量的生物炭发现，生物炭提高了土壤有机质含量，并且有机质含量表现出随生物炭用量增加而增加的趋势。而施氮量对土壤有机质的影响则表现为氮肥对土壤有机质有一定的提升作用，李琰琰等[8]认为0～40 cm土层土壤有机质含量随施氮量的增加而增加，牛静等[9]也得出了相似的结果。本研究中生物炭与氮肥对土壤有机质含量的影响并不显著，这与前人研究结果不同，这是因为试验中生物炭的添加量远低于陈山等研究设定的生物炭添加量。并且生物炭与氮肥在起垄之前施用于地表土壤，烟田土壤起垄后高于地表约20 cm，因此施用的氮肥主要集中在20～40 cm土层，但测定土壤有机质含量是0～20 cm土层的土样，导致生物炭与氮肥对土壤有机质含量的影响并不显著。而在土壤微生物方面，李静静等[21]认为生物炭配施氮肥能够显著提高烤烟生育后期植烟土壤微生物量碳，本研究也得出了相似的结论。