摘要
采用田间定位试验，通过测定烟株根际土壤理化性状以及烟株生长指标，研究生物炭协同绿肥翻压对植烟土壤和烟株生长的影响。结果表明：与常规施肥相比，增施生物炭或绿肥翻压可显著降低土壤容重，提高土壤孔隙度和含水率，同时改善土壤的 pH 与速效养分含量。其中，生物炭协同绿肥翻压的效果最为显著，土壤容重在团棵期下降了 31.87%；土壤 pH 在旺长期和成熟期分别提高了 33.48% 和 37.83%，pH 变化范围为 5.1 ～ 6.2； 在速效养分含量方面，生物炭协同绿肥翻压处理在团棵期的碱解氮、有效磷、速效钾分别比单施生物炭增加了 26.19%、48.10%、32.78%，分别比绿肥翻压增加了 6.66%、69.52%、46.74%；此外，相较常规施肥，生物炭协同绿肥翻压能促进烟株在田间的长势，株高、茎围、最大叶长分别增加了 24.58%、18.62%、11.69%，根、叶干重分别增长了 16.34%、11.00%。相比 2020 年，各处理土壤容重呈下降趋势，而土壤孔隙度、含水率、pH 以及速效养分含量则呈现上升的趋势。综上所述，生物炭协同绿肥翻压通过改善土壤理化性状进而促进了烟株的生长，在烤烟大田生产应用方面具有良好的推广前景。
Abstract
The effects of biochar combined with green manure on tobacco planting soil and tobacco plant growth were studied by measuring the physical and chemical properties of tobacco rhizosphere soil and the growth indexes of tobacco plants． The results showed that compared with conventional fertilization，the application of biochar or green manure significantly reduced soil bulk density，increased soil porosity and water content，and improved soil pH and available nutrient content． Among them，the effect of biochar combined with green manure was the most significant，and the soil bulk density decreased by 31.87% in the rosette stage．The soil pH increased by 33.48% and 37.83% at vigorous growth stage and mature stage， respectively，and the pH ranged from 5.1 to 6.2．In terms of available nutrient content，the alkali hydrolyzed nitrogen， available phosphorus and available potassium of biochar combined with green manure in the rosette stage increased by 26.19%，48.10% and 32.78%，respectively，compared with single application of biochar，and increased by 6.66%， 69.52% and 46.74%，respectively，compared with green manure．In addition，compared with conventional fertilization， biochar combined with green manure promoted the growth of tobacco plants in the field．The plant height，stem circumference and maximum leaf length increased by 24.58%，18.62% and 11.69%，respectively，the dry weight of roots and leaves increased by 16.34% and 11.00%，respectively．Compared with 2020，the soil bulk density of each treatment showed a downward trend，while the soil porosity，water content，pH and available nutrient content showed an upward trend． In summary，biochar combined with green manure could promote the growth of tobacco plants by improving soil physical and chemical properties，and had a good promotion prospect in the field production and application of flue-cured tobacco.
Keywords
大量施用化学肥料，会造成土壤有机质下降、土壤板结、土壤养分供应失衡，严重影响烟叶生长[1]。稻壳生物炭是以稻壳为原料在缺氧或绝氧的条件下经高温热解得到的产物[2]，具有丰富的表面官能团和发达的孔隙构造，常用于土壤修复、土壤改良等[3]。研究表明施加生物炭能有效钝化种植玉米土壤中的 Cd、Pb，促进玉米植株生长发育[4]。连年施加生物炭能有效降低土壤容重，提高孔隙度、饱和含水率等，并有效提高土壤碳氮比、pH、速效养分，改善根际土壤细菌的群落结构，协调烟叶化学成分，提高烟叶的品质[5]。绿肥是一种生物肥源，主要有豆科、禾本科、十字花科、菊科等，绿肥种植具有提供养分、培肥地力、改善土壤结构等作用[6-7]。在连作烟田冬季休耕期种植并翻压绿肥能减轻连作障碍[8]，提高土壤有机质含量，且对疏松土壤、活化和富集土壤中速效养分[9]、改善烟叶外观和评吸质量、增加土壤微生物和酶活性[10]、维持土壤微生态平衡起重要作用[11]。
目前，在烤烟生产上，较多的是单独施用生物炭或单独绿肥翻压，生物炭协同绿肥翻压对烤烟生长的影响及机制研究相对较少。为了探明生物炭协同绿肥翻压对烤烟的影响及其机制，本研究采用田间定位试验，研究连年施加生物炭及绿肥翻压对植烟土壤肥力及烟株生长发育的影响，为生物炭和绿肥在烟田的推广应用以及植烟土壤改良提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验地点
试验地点位于临沧市博尚镇，海拔 1833 m， 103°05′ E，23°70′ N，土壤质地为砂壤，前作油菜，主要农化性状为 pH 5.67、有机质 38.30 g/kg、速效氮 149.16 mg/kg、有效磷 96.53 mg/kg、速效钾 276.72 mg/kg。
1.2 试验材料
供试烤烟品种为云烟 87，供试生物炭为稻壳生物炭（400℃下，碳化 2 h），其 pH 9.6、全氮 5.61 g/kg、全磷 1.60 g/kg、全钾 6.37 g/kg。绿肥为光叶紫花笤。
1.3 试验设计
试验基于“ 烤烟-油菜 ” 种植体系 2020— 2022 年连续定位试验，设置 4 个处理，分别为：当地常规施肥（CK）；烤烟季和油菜季均按 2250 kg/hm2 增施生物炭，底肥施入（T1）；烤烟季按 2250 kg/hm2 底肥增施生物炭；烤烟季后期（8 月中旬），沿烟垄撒播苕子绿肥，烤烟采烤结束后，翻压苕子绿肥并适时移栽油菜（T2）；烤烟季和油菜季均不施用生物炭，烤烟季后期（8 月中旬），沿烟垄撒播苕子绿肥，烤烟采烤结束后，翻压苕子绿肥并适时移栽油菜（T3）。
烤烟移栽前穴施烟草专用复合肥（N-P2O5-K2O=12-14-24）600 kg/hm2 为基肥，并于移栽后 25 d 内分 3 次兑水浇施烟草专用追肥（N-P2O5-K2O=15-0-30），每次施用量均为 360 kg/hm2。不施用除草剂及其他植物或土壤调节剂。每个处理组 5 次重复，每次重复为 1 个小区，每个小区植烟 200 株。
1.4 测定指标及方法
1.4.1 土壤物理性状
分别在烤烟生长的团棵期（移栽后 30 d）、旺长期（移栽后 60 d）和成熟期（移栽后 90 d），采用环刀法切割采集烟株根区土壤，用修土刀切开周围的土样，取出已经充满土的环刀，细心削平和擦净环刀两端及外面多余的土壤，并将环刀内的土壤完全转移至铝盒，并带回实验室，用于测定土壤容重、土壤含水量率、土壤孔隙度。
1.4.2 土壤化学性状
分别在烤烟的团棵期、旺长期和成熟期，采用抖根法收集根系表面附着土壤，土壤样品采集后，经室内自然风干、研磨过筛前处理后，测定根际土壤 pH 及有机碳、全碳、碱解氮、有效磷、速效钾等含量。其中 pH 采用电位计法测定，有机碳采用重铬酸钾氧化法测定，全氮采用硫酸消解-凯氏定氮仪法测定，土壤碳氮比为土壤有机碳与全氮之比，土壤碱解氮、有效磷、速效钾分别采用碱解扩散法、NaHCO3 浸提-钼锑抗比色法、NH4OAC 浸提-火焰光度法测定[12]。
1.4.3 烟株农艺性状
在烤烟的旺长期、成熟期，分别随机选择烟株 15 株，按照烟草行业标准 YC/T142—2010 测定株高、茎围、有效叶片数、最大叶长及叶宽等农艺性状。
1.4.4 烟株干物质积累量
将成熟期烟株分为茎、根、叶，冲洗干净、晾干，称量鲜重后放置于烘箱内经 105℃杀青 1 h 左右，80℃干燥至恒重，称量干重。
1.5 数据分析
采用 Excel 2016 对数据进行统计处理，用 SPSS 23.0 进行差异显著性分析。
2 结果与分析
2.1 稻壳生物炭协同绿肥翻压对植烟土壤物理性状的影响
从表1可知，相较于 2020 年，在连续定位试验 3 年后的 2022 年，所有处理的土壤容重都有所下降，其中 T2 处理在团棵期降幅最显著，下降了 31.87%。在土壤孔隙度和含水率方面，同年份，与 CK 相比，所有处理均呈现出上升的趋势。2020 年，单施生物炭及生物炭与绿肥翻压协同处理，在团棵期和旺长期呈现显著增长的趋势，而成熟期各处理之间差异不显著。2022 年，单施生物炭显著提高了土壤孔隙度和含水率，绿肥翻压仅显著提高土壤孔隙度，含水率仅在旺长期显著提升，生物炭协同绿肥翻压处理后，旺长期和成熟期的土壤孔隙度和含水率均达到了最高值。同时，不同年份间，单施生物炭及协同处理的土壤孔隙度在团棵期和旺长期存在差异显著，而土壤含水率在旺长期和成熟期也存在显著差异。
表1稻壳生物炭协同绿肥翻压对植烟土壤物理性状的影响
注：同一年份、同一时期数据后不同小写字母表示在 P<0.05 水平上差异显著，下同。
2.2 稻壳生物炭协同绿肥翻压对植烟土壤 pH 及速效养分含量的影响
从表2可知，相较于 2020 年，2022 年土壤 pH 和速效养分均呈现出增长趋势。在土壤 pH 方面，各处理在 2022 年土壤 pH 均有所上升，其中 T2 处理在成熟期的增幅最显著，达到了 18.89%。与 CK 相比，在团棵期，单施生物炭显著提高了土壤 pH； 在旺长期，单施生物炭及协同处理均表现出显著增幅，两者之间差异性不显著；在成熟期，3 个处理的土壤 pH 均显著提高，其中协同处理的增幅最为显著，旺长期和成熟期的增幅分别为 33.48% 和 37.83%。在土壤速效养分方面，2022 年，各处理在速效氮、磷、钾方面均有增长，其中协同处理在成熟期的增幅最为显著，分别为 35.93%、84.23%、 87.48%。与 CK 相比，单施生物炭在团棵期和旺长期显著提高了速效氮、磷、钾含量，绿肥翻压在团棵期对碱解氮提升显著，在成熟期对碱解氮和速效钾含量提升显著，而生物炭与绿肥翻压协同后，土壤速效养分含量最高。2022 年，在团棵期，生物炭协同绿肥翻压的速效氮、磷、钾分别比单施生物炭增加 26.19%、48.10%、32.78%，分别比绿肥翻压增加 6.66%、69.52%、46.74%。总体而言，生物炭协同绿肥翻压在提升土壤 pH 和速效养分方面表现出最佳效果，尤其在成熟期增幅显著。
表2稻壳生物炭协同绿肥翻压对植烟土壤 pH 及养分含量的影响
2.3 稻壳生物炭协同绿肥翻压对植烟土壤碳氮比的影响
从图1可看出，经过 3 年连续定位试验，与 CK 相比，除团棵期外，所有处理的碳氮比均显著提高，表现为 T1>T2>T3>CK。其中，团棵期 T1 处理的碳氮比显著高于其他 3 个处理，T2、T3 处理与 CK 处理差异不显著。旺长期 T1、T2 处理的碳氮比显著高于 T3 处理，但 T1、T2 之间差异不显著。成熟期 T1 处理的碳氮比显著高于 T2、T3 处理，但 T2、T3 处理之间差异不显著。
图1稻壳生物炭协同绿肥翻压对土壤碳氮比的影响（2022 年）
注：图柱上不同小写字母表示在 P<0.05 水平上差异显著。
2.4 稻壳生物炭协同绿肥翻压对烟株农艺性状的影响
由表3可知，与 2020 年相比，2022 年团棵期与旺长期的烟株株高、最大叶长和最大叶宽均有所增长，而成熟期各处理之间无显著差异。同年份，与 CK 相比，2020 年，单施生物炭显著提高了烟株的株高、叶片数、最大叶长，绿肥翻压对株高和茎围提高效果显著，生物炭与绿肥翻压协同后显著提高了烟株的株高、茎围、叶片数和最大叶长，旺长期增幅分别为 30.34%、7.54%、15.79% 和 13.66%； 2022 年，单施生物炭显著提高了烟株株高、茎围和最大叶长，而绿肥翻压仅对茎围提高效果显著，二者协同处理后显著提高了烟株的株高、茎围和最大叶长，且株高和茎围均为最高，旺长期和成熟期的株高和茎围的增幅分别为 24.58%、18.62% 和 17.60%、16.49%。总体而言，生物炭协同绿肥翻压在提升烟株的株高、茎围和最大叶长方面表现出较好的效果。
表3稻壳生物炭协同绿肥翻压对烤烟农艺性状的影响
2.5 稻壳生物炭协同绿肥翻压对烟株干物质积累量的影响
干物质积累量反映了烟株田间生长发育和物质积累状况。由表4可知，T2 处理的根、叶干重均为最高，且显著高于 CK。相较于 2020 年，2022 年各处理根、茎、叶的干重均呈现出增长的趋势。同年份，与 CK 相比，2020 年单施生物炭或绿肥翻压对根干重提升效果显著，分别增长了 20.08% 和 16.53%，而二者协同作用后根和叶干重增幅分别达到了 30.44% 和 9.37%，这表明协同使用不仅提升了根干重，也促进叶干重的增加；2022 年单施生物炭对根和叶干重提升效果显著，增幅分别为 16.03% 和 8.96%，而仅进行绿肥翻压无显著性差异，二者协同后根和叶干重的增幅分别达到了 16.34% 和 11.00%。
表4稻壳生物炭协同绿肥翻压对烟株成熟期干物质积累量的影响
3 讨论
合理的土壤结构能促进土壤营养元素的流通、交换，土壤营养元素含量及分布决定了烟株的生长发育[13]。有研究发现，生物炭处理能显著降低植烟土壤的容重，同时提高土壤孔隙度和土壤含水率[14]。在来年烤烟移栽前将绿肥翻压，可改良土壤物理结构，提高土壤有机质含量，富集和活化土壤磷、钾等养分元素，提高植烟土壤的肥力状况和烟叶的产质量[7]。本试验研究结果与前人研究结果大致相同：连续 3 年增施生物炭或绿肥翻压均能提高土壤含水率与孔隙度，降低土壤容重，其中以生物炭协同绿肥翻压效果最显著，一方面是生物炭具有多孔和低密度的特性，自身容重低，施入土壤后，可以有效地降低土壤容重，并改善土壤结构，孔隙度高，具有较强的持水能力[15]，另一方面，绿肥作物通过发达的根系在土壤中穿插生长，翻压后的腐殖化作用改善了土壤的团粒结构，增加了土壤的总孔隙度，提高了土壤的渗透性[16]，生物炭与绿肥的协同作用能增强土壤微生物活动，产生大量的分泌物，与土壤以及土壤中分散的根系和微生物菌丝胶结成大团聚体，从而促进土壤团聚体的稳定性，改善土壤的物理结构[17]，进而促进烟株根系的生长。
此外，生物炭协同绿肥能够调控土壤氮素含量平衡，提高土壤铵态氮和硝态氮含量及其对土壤全氮的贡献率，促进作物对氮素的吸收利用，有利于作物产量的提高[18]。与单施生物炭或绿肥翻压相比，生物炭协同绿肥翻压处理能显著提高土壤 pH 和速效养分，可能是因为施加生物炭一般呈碱性，在酸性土壤中添加生物炭能提高土壤的 pH，加速绿肥的腐解，同时绿肥腐解时会分解有机酸，生物炭还能中和有机酸[19]，有利于烟株的生长；而绿肥翻压有助于促进植烟土壤养分元素的富集和活化，绿肥作为氮源，本身含有多种养分和大量有机质，翻压后被土壤微生物快速腐解，能够显著提高土壤速效氮；绿肥还可以通过植株根系将土壤深层的养分转移到土壤表层，经过绿肥翻压的处理，被转移的营养物质被留在了土壤表层，并且绿肥本身对土壤的速效养分的固持作用将营养物质固定[20-21]。再加上生物炭微孔多、比表面积大，有助于吸附土壤中的养分，增加土壤养分持留和有效性[22]。因此，生物炭协同绿肥翻压通过改良土壤物理性状、提高土壤 pH 和速效养分，显著促进了烟株生长和干物质的积累。同时，土壤碳氮比既是评价土壤质量的重要因素，也是衡量土壤碳、氮营养平衡状况的重要指标[23]。增施生物炭或绿肥翻压的土壤碳氮比高于单施化肥，可以说明生物炭作为工业碳源，绿肥作为植物碳源，通过外源添加丰富了土壤碳源及种类，提高了土壤的碳氮比，使得养分比例趋于协调。综上所述，生物炭协同绿肥能更有效地调控土壤营养元素，优化土壤物理结构，提高土壤肥力，促进烤烟的生长。
4 结论
与单施化肥相比，增施生物炭或进行绿肥翻压可有效提高土壤 pH 以及土壤速效养分含量，降低土壤容重，提高土壤孔隙度和含水量，进而有利于烟株的生长发育。同时还能有效提高土壤碳氮比以及烟株干物质积累。其中，与单施生物炭或绿肥翻压的处理相比，烤烟季增施生物炭协同油菜季进行绿肥翻压处理的效果最为显著，协同处理通过改良土壤物理性状，提高土壤 pH 和速效养分从而促进烟株的生长，为生物炭和苕子绿肥在烟田的推广应用以及植烟土壤改良提供参考。