红壤区施用稻草源生物炭对烟叶钾含量的影响

柳开楼 胡惠文 叶会财 胡秋萍 胡志华 黄庆海 李大明 余喜初

摘  要  在红壤区，土壤钾素缺乏严重限制了烟草的需钾能力和品质提升。本研究以稻草源的生物炭为切入点，分别在水稻土和旱地红壤上设不施钾肥（CK）、化学钾肥（FK）、60%化学钾肥配施40%的稻草钾肥（60% FK+40% SK）、60%化学钾肥配施40%的生物炭钾肥（60% FK+40% BK）等4个处理，分析烤烟产量和烟叶钾素含量以及土壤速效钾含量。结果表明，与CK和FK相比，60% FK+40% SK和60% FK+40% BK处理可以显著提高烟叶产量和烟叶钾含量，且水稻土明显高于旱地红壤。在所有处理中，均呈现出60% FK+40% BK处理的增幅最高。与CK相比，水稻土上60% FK+40% BK、60% FK+40% SK和FK处理的土壤速效钾含量分别增加了48.43%、40.88%和11.95%，旱地红壤上的增幅分别为29.63%、22.96%和20.00%。进一步分析表明，土壤速效钾含量与烟叶钾含量呈显著的正相关关系（p<0.05）。通过拟合方程发现，盆栽试验条件下，水稻土和旱地红壤的速效钾含量增加10 mg/kg，烟叶钾含量可以增加0.12%，但还有待进一步验证。因此，在红壤地区，施用稻草源的生物炭可以替代40%的化学钾肥，且可以保证烟叶产量和提高烟叶钾含量。

关键词  稻草;生物炭;土壤速效钾;烤烟;红壤中图分类号  S143.3; S572      文献标识码  A

DOI10.3969/j.issn.1000-2561.2018.12.004

在南方丘陵区的农业生产中，虽然烟草种植的比重不高，但由于具有较高的经济价值，其在农业产值提升和促进农民增收中占有重要的一席之地^[1]。但是，烟草种植对土壤肥力消耗较大（吸钾能力强、地上部分连年带走）^[2]，再加上该地区的红壤钾素有效性偏低^[3]，因此，煙草种植极易加速该地区的土壤钾素耗竭。尽管由于秸秆还田的大力推广，该地区土壤的钾素匮缺现象有所缓解，特别是水田上^[4-5];然而，土壤钾素降低仍然是限制该地区烤烟品质提升^[6]和烟农植烟积极性的重要因素之一。

稻草是主要的农业废弃物，有研究表明，稻草还田可以补充土壤钾素，从而缓解水稻土的钾素耗竭^[4-5]，然而，双季稻种植模式中的早稻草还田存在腐解缓慢、影响晚稻秧苗生长等问题，从而严重制约了该地区稻草的循环利用^[7-8]。但是，在旱地红壤上进行稻草覆盖还田可以显著提高土壤有机碳含量，且可以显著阻控水土流失^[9-10]。同时，稻草覆盖还可以提高旱地红壤保墒和抗旱能力，从而提高作物产量^[11-12]，然而，由于运输成本等因素的制约，稻草异地还田也不能完全解决该区域内稻草的循环利用。

大量研究表明，将稻草进行高温厌氧裂解制备成生物炭是解决稻草循环利用的关键技术之一^[13]。赵殿峰等^[14]和高林等^[15]研究表明，稻草源的生物炭还田可以显著提高土壤肥力和烤烟产量。同时，由于生物炭具有较高的比表面积和较强的活性^[16]，其可以显著提升土壤的速效氮磷钾含量，有研究表明，生物黑炭施用可以在化肥减施的基础上实现作物高产^[17-18]。然而，对于喜钾的烟草，稻草及生物炭的施用对于化肥钾的替代效果还鲜有报道。因此，本研究以稻草源的生物炭为切入点，利用南方丘陵区的典型土壤类型

（水稻土和旱地红壤），探讨烟草种植中稻草和生物炭对化学钾肥（硫酸钾）的替代效果，以期为该区域的烟草化学钾肥替代技术提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  试验地概况

本试验于2017年进行，试验地位于江西省进贤县江西省红壤研究所内（116°17?60?E、28°35?24?N），地处中亚热带，年均气温18.1 ℃，≥10 ℃积温6 480 ℃，年降雨量1 537 mm，年蒸发量1 150 mm，无霜期约为289 d，年日照时数1 950 h。试验地土壤为水稻土和旱地红壤。土壤的基本理化性质见表1。

1.2  试验设计

试验采用两因素随机区组试验，分别在水稻土和旱地红壤上各设4个处理：不施钾肥（CK）、化学钾肥（FK）、60%化学钾肥配施40%的稻草钾肥（60% FK+40% SK）、60%化学钾肥配施40%的生物炭钾肥（60% FK+40% BK），所有处理均施用相同用量的化学氮磷肥。每个处理4次重复，盆栽土壤为15 kg，烟草品种为云烟87，每盆栽1穴烟苗。各处理具体的肥料用量按照田间试验的3倍换算成每株烟草的施肥量，具体的肥料用量根据大田常规用量（N、P₂O₅和K₂O分别为120、135、360 kg/hm²）换算，盆栽施肥量见表2。其中生物质炭原料是水稻秸秆。采用连续立式生物质炭化炉生产，炭化温度为450 ℃，生物质材料35%的转化为生物炭。生产的生物炭过5 mm筛备用，生物炭的pH 10.4，有机碳467.0 g/kg，全氮5.90 g/kg，全磷1.50 g/kg，全钾29.50 g/kg。稻草含有机碳421 g/kg，全氮8.70 g/kg，全磷1.52 g/kg和全钾22.72 g/kg。

化学钾肥种类为硫酸钾（K₂O含量为50%）、

氮肥为尿素（N含量为46%）、磷肥为钙镁磷肥（P₂O₅含量为12.5%）。氮、磷、钾肥施用方法按照当地习惯施用，移栽时将全部的稻草（风干稻草，为更好的模拟田间稻草还田情况，将全部稻草剪成5 cm左右）、生物炭、磷肥、70%的氮肥和70%的钾肥与土壤混匀，剩余氮肥和钾肥在烟草移栽30 d时追施。其他栽培管理措施同常规大田。

1.3  测定指标与数据处理

1.3.1  烤烟产量和烟叶钾素含量  成熟期整株采取，烟叶采集后先用自来水洗净，再用蒸馏水润洗，然后用吸水纸擦干，装入纸袋 ，在105 ℃下杀青0.5 h，再将温度降至75 ℃烘干至恒重并粉碎装袋待测。植株全钾含量采用H₂SO₄-H₂O₂消化-火焰光度计法进行测定。

1.3.2  土壤速效钾含量  在烟草采收后采集土壤，风干过筛后，采用四硼酸钠法分析土壤速效钾含量^[19]。

所有数据均采用Excel 2003软件进行处理，统计分析采用SAS 9.1软件进行，显著性检验采用Duncan多重比较方法（p<0.05），图采用Origin 8.1软件进行繪制。

2  结果与分析

2.1  不同钾肥对烟叶产量的影响

稻草及生物炭配施化学钾肥可以显著提高烟叶产量（图1），且水稻土上的烟叶产量（30.51 g/pot）明显高于旱地红壤（26.70 g/pot）。在水稻土和旱地红壤上，各处理间均呈现出60% FK+40% BK> 60% FK+40% SK>FK>CK。与CK相比，水稻土上60% FK+40% BK、60% FK+40% SK和FK处理的烟叶产量分别增加了118.14%、73.34%和33.84%，旱地红壤上的增幅分别为179.05%、139.10%和64.18%。且均以60% FK+40% BK处理增幅最高。

2.2  不同钾肥对烟叶钾含量的影响

钾含量的高低是评判烟叶质量的关键因素之一，且钾含量越高，烟叶质量越好。钾肥种类可以显著影响烟叶的钾含量（图2）。与烟叶产量的趋势一致，各处理水稻土的烟叶钾含量均值

不同小写字母表示水稻土上各处理间存在显著差异（p<0.05），不同大写字母表示旱地红壤上各处理间存在显著差异（p<0.05）。

Different lower letters mean significance among all treatments （p<0.05） for paddy soil. Different capital letters mean significance among all treatments for upland red soil （p<0.05）.

（3.16%）也高于旱地红壤的烟叶钾含量均值（2.88%）。与CK相比，水稻土上60% FK+40% BK、60% FK+ 40% SK和FK处理的烟叶钾含量分别增加了84.05%、60.75%和27.94%，旱地红壤上的增幅分别为84.44%、67.09%和36.48%。且60% FK+40% BK和60% FK+40% SK处理的烟叶钾含量显著高于FK处理。

2.3  不同钾肥对土壤速效钾含量的影响

施用钾肥可以显著提高土壤速效钾含量，且各处理水稻土的速效钾含量均值（249.06 mg/kg）明显高于旱地红壤（199.38 mg/kg）（表3）。与CK相比，水稻土上60% FK+40% BK、60% FK+40% SK和FK处理的土壤速效钾分别增加了48.43%、40.88%和11.95%，旱地红壤上的增幅分别为29.63%、22.96%和20.00%。

2.4  烟叶钾含量与土壤钾素的量化关系

在秸秆和生物炭施用下，土壤速效钾含量与烟叶钾含量均存在显著的正相关关系（图3），且二者的关系在水稻土和旱地红壤上均可以用线性方程进行拟合（p<0.05）。进一步通过拟合方程发现，水稻土和旱地红壤的速效钾含量增加10 mg/kg时，烟叶钾含量可以增加0.12%。

3  讨论

在南方丘陵区，水稻土上烟叶的产量和钾含量明显高于旱地红壤，这主要与土壤本身的性质有关。该地区的旱地红壤大多分布在缓坡和陡坡

上，而该地区雨季导致的水土流失也是旱地红壤肥力下降的主要原因^[20-21];水稻土则主要分布在低丘和河谷盆地等，再加上长期的灌水和秸秆、根茬还田等养分输入，从而导致水稻土的肥力明显高于旱地红壤。前人的研究也表明，水稻土的肥力明显高于旱地红壤^[22-25]。

与不可再生的化学钾肥资源不同，秸秆和生物质炭均来源于农业废弃物，这些钾肥资源的合理施用对于缓解化学钾肥耗竭具有重要意义。本研究表明，稻草源的生物炭可以显著提高烟叶的产量和土壤速效钾及烟叶钾含量，且提升幅度明显高于稻草直接还田处理。这主要是因为生物炭增加土壤有机质含量，改良了土壤通气性，改善了土壤微生物活性^[26]，进而改善了烟叶生长环境。同时，在钾肥相等的情况下，稻草源的生物炭带入了大量的有机质和氮磷养分，这对于土壤肥力提升和烟草的养分需求也起到了十分重要的作用。简敏菲等^[16]研究表明，生物炭具有比表面大、吸附性强等特性，可以活化土壤中的速效养分，同时，大量的生物炭还可以显著提升作物的根系活力^[27-28]，这对于烟苗的早生快发至关重要。因此，本研究的盆栽试验表明，稻草生物炭可以替代40%的化学钾肥，但是其在田间条件下的应用效果还有待进一步研究。

与传统的醋酸铵浸提方法相比，四硼酸钠法是目前速效钾测定中与作物钾素生物有效性密切相关的指标^[29-31]。在本研究中，运用四硼酸钠法测定的土壤速效钾含量与烟叶钾含量存在显著的正相关关系。在水稻土和旱地红壤上，其速效钾含量增加10 mg/kg时，烟叶钾含量可以增加0.12%，这对于指导该地区的烟叶钾素提升具有重要的指导意义。但是，由于生物质炭的制备原料和水稻秸秆的养分存在差异，以及本研究结果来源于盆栽试验，因此，有关生物炭和秸秆还田下土壤速效钾与烟叶钾含量的量化关系还有待进一步研究和验证。

4  结论

在南方丘陵区，水稻土上烟叶的产量和钾含量明显高于旱地红壤。与化学钾肥相比，稻草和生物炭的烟叶产量和烟叶含钾量也显著提升，且可以替代烟草种植中40%的化学钾肥。同时，秸秆和生物炭施用可以通过调控土壤速效钾含量显著提升烟叶钾水平。

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