生物炭對甘蔗氮、磷和鉀累積分布的影響

李景霞

摘要：以新臺(tái)糖22號(hào)甘蔗品種為研究對象，在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所試驗(yàn)基地溫室開展外源生物炭不同施用量試驗(yàn)，測定不同生育期甘蔗葉、莖和根中氮（N）、磷（P）和鉀（K）的累積和分布情況，分析生物炭對不同生育階段甘蔗營養(yǎng)器官積累N、P和K的影響。結(jié)果表明，在甘蔗不同生育階段，其不同器官對生物炭的響應(yīng)不同。其中，在苗期和伸長期，施用生物炭10.0 t/ha（C10處理）和20.0 t/ha（C20處理）可促進(jìn)甘蔗N累積增加6.16%～24.27%，對莖和根N累積的促進(jìn)作用大于葉片。生物炭處理對甘蔗P累積的影響主要集中在苗期和成熟期，2個(gè)處理P的累積總量分別比不施用生物炭（對照，C0處理）增加12.71%～16.17%（苗期）和41.85%～61.65%（成熟期），2個(gè)處理P的累積總量均表現(xiàn)為葉片>根>莖。生物炭對甘蔗K累積的影響集中在苗期和成熟期，苗期施用10.0和20.0 t/hm2生物炭后K的累積總量分別較對照增加2.32%和19.12%，成熟期施用10.0和20.0 t/hm2生物炭后K的累積總量分別較對照增加28.26%和33.80%，2個(gè)處理K的累積總量均表現(xiàn)為葉片>莖>根。因此，施用生物炭對甘蔗吸收和累積N、P和K均具有促進(jìn)作用，施用10.0～20.0 t/hm2生物炭可作為一項(xiàng)提高甘蔗吸收和利用養(yǎng)分能力的栽培措施加以應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：甘蔗；營養(yǎng)器官；生物炭；氮；磷；鉀；累積分布

中圖分類號(hào)：S566.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-820X（2024）01-0001-05

0 引言

我國年產(chǎn)糖量約1300萬t，位居世界第三，其中，蔗糖占比達(dá)90%，而全國占比65%以上的蔗糖產(chǎn)自廣西。世界人均食糖消費(fèi)量為24.0 kg/年，我國僅為10.0 kg/年，二者間差距極大。由此可見，我國糖料蔗和蔗糖產(chǎn)量仍需大幅度提高以滿足市場需求。但目前我國蔗田土壤普遍貧瘠，作為全國種蔗面積占比60%以上的主產(chǎn)區(qū)，廣西的蔗地土壤以酸性紅壤為主，經(jīng)過多年連作，土壤肥力下降日益嚴(yán)重，特別是氮（N）營養(yǎng)缺乏（60%的廣西蔗地處于缺N狀態(tài)）已成為制約甘蔗高產(chǎn)的主要因素之一［1-2］，如何提高并培肥蔗地土壤地力以保障甘蔗高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，是甘蔗產(chǎn)業(yè)急需解決的問題［3］。很多文獻(xiàn)報(bào)道了蔗地土壤改良的途徑，如通過配方施肥、測土配方施肥和配施有機(jī)肥等技術(shù)合理施用肥料，提高肥效［4］，或利用甘蔗與綠肥如豆科作物間作和甘蔗尾葉還田技術(shù)，這些技術(shù)均可提高蔗地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，增加土壤有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)、總N和速效N含量及提高微生物活性，從而有效提升甘蔗產(chǎn)量［5-7］。但這些措施對蔗地碳（C）固存的作用有限，而農(nóng)林業(yè)廢棄生物質(zhì)炭在農(nóng)田的應(yīng)用為解決這一問題提供了新思路［8］。

生物炭（Biochar）是由生物殘?bào)w在缺氧狀態(tài)下經(jīng)高溫（通常低于700 ℃）慢熱解產(chǎn)生的一類難熔、穩(wěn)定、高度芳香化和富含C素的固態(tài)物質(zhì)，具有C含量高且穩(wěn)定、高pH、多孔徑結(jié)構(gòu)和較大比表面積等特性，在土壤改良和溫室氣體減排研究領(lǐng)域已受到廣泛關(guān)注［8-9］。國內(nèi)外大量研究表明，施用生物炭是一項(xiàng)有效維持土壤肥力的策略，如提高硝化反應(yīng)效率、促進(jìn)氨吸收、以提升土壤陽離子交換量方式提高土壤銨鹽濃度［10-12］、降低土壤N2O釋放及降低硝酸鹽淋洗流失［13-15］等。近年來逐步開展的生物炭對甘蔗生長及營養(yǎng)利用影響研究，也發(fā)現(xiàn)施用生物炭有利于甘蔗根系生長，提高根冠比［16］，提高N、磷（P）和鉀（K）在蔗地的保留率［17］，以及提高凈光合速率、促進(jìn)綠葉生長［18］、維持土壤高水分含量，從而提高甘蔗產(chǎn)量和含糖量［19］。作者參與的廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所生物炭課題組于2013年開展木薯秸稈生物炭對甘蔗苗期根系生長影響研究，發(fā)現(xiàn)木薯秸稈生物炭可提高甘蔗苗期桶栽土壤pH，顯著提高有機(jī)質(zhì)、速效K和P含量，在增加植株地上部和地下部生物量的同時(shí)，也提高植株地上部干物質(zhì)生物量與根系干物質(zhì)生物量比例，說明木薯秸稈生物炭不僅可促進(jìn)甘蔗根系生長，也可提高根系吸收能力［16］。上述有關(guān)研究多側(cè)重于生物炭對提高甘蔗生物量、N素和蔗地營養(yǎng)利用率提升方面的效應(yīng)，針對生物炭影響下甘蔗體內(nèi)主要營養(yǎng)元素累積分布情況的研究鮮見報(bào)道。本研究通過探究施用生物炭對甘蔗體內(nèi)N、P和K營養(yǎng)元素累積分布的影響，分析在生物炭影響下甘蔗對大量營養(yǎng)元素的吸收規(guī)律，為利用生物炭改良蔗田土壤提高我國甘蔗產(chǎn)量和質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所試驗(yàn)基地溫室進(jìn)行。供試甘蔗品種為新臺(tái)糖22號(hào)。切取8.0～10.0 cm單芽莖段為種莖，浸泡清水12 h，以2000倍高錳酸鉀溶液消毒30 min后在室溫下沙培催芽，待新芽長3.0 cm后轉(zhuǎn)至營養(yǎng)杯定植，每杯定植1株。營養(yǎng)土為甘蔗試驗(yàn)田表層20.0 cm土壤，pH 6.25，總C含量0.52%，有機(jī)質(zhì)含量13.8 g/kg，堿解N含量86.7 mg/kg，P含量31.0 mg/kg，K含量129.3 mg/kg。土壤自然風(fēng)干、碾碎后過200目篩網(wǎng)。營養(yǎng)杯規(guī)格為30.0 cm（寬）×50.0 cm（高），裝土30.0 kg/杯，裝土深度30.0 cm。供試N肥為15N標(biāo)記尿素，豐度為10.18%，N含量46%。營養(yǎng)土施用尿素3.0 g/杯、P 3.0 g/杯和K 2.0 g/杯。所有肥料在種植時(shí)一次性施用。生物炭為傳統(tǒng)窯制木薯莖生物炭，C含量67.00%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，分別為施用生物炭10.0 t/ha（C10處理）、20.0 t/ha（C20處理）和不施用生物炭（對照，C0處理），每處理6個(gè)重復(fù)。各處理生物炭分別與營養(yǎng)土均勻混合后裝杯。

1.2.2 測定項(xiàng)目及方法

分別在苗期（移栽后4個(gè)月）、伸長期（移栽后7個(gè)月）（苗期和伸長期屬于生長前期）和成熟期（移栽后12個(gè)月）（成熟期屬于生長后期）對葉片、莖和根分別進(jìn)行采樣，各樣品均采自3個(gè)健康植株，混合后60 ℃烘干備用?？侼、總P和總K含量參照廖芬等［19］的方法測定。

總N含量（%）=［（V2-V0）×c×0.0140］/m×（V1/V）×100

式中，c為硫酸（1/2 H2SO4）標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度，V2為樣品消耗標(biāo)準(zhǔn)酸溶液體積（mL），V0為空白消耗標(biāo)準(zhǔn)酸溶液體積（mL），V1為蒸餾時(shí)吸取待測液A體積（mL），m為試驗(yàn)材料質(zhì)量（g），0.0140為1.0 mL 1.0 mol/L硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液相當(dāng)于氮的質(zhì)量（g）。

總P含量（g/kg）=ρ×V/m×V2/V1×10-3

式中，ρ為從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得待測液中P的質(zhì)量濃度（?g/mL），V為樣品制備溶液體積（mL），m為烘干土質(zhì)量（g），V1為吸取濾液體積（mL），V2為顯色溶液體積（mL），10-3為將μg換算成g/kg的乘數(shù)。

總K含量（g/kg）=ρ×測定液定容體積×分取倍數(shù)/（m×106）×1000

式中，ρ為從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得待測液中K的質(zhì)量濃度（?g/mL），m為烘干樣品質(zhì)量（g），106為將?g換算成g的除數(shù)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以SPSS 19.0的LSD法進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對甘蔗不同營養(yǎng)器官N累積分布的影響

由表1可知，在甘蔗苗期，2個(gè)施用生物炭處理甘蔗葉片的N累積量與對照均無顯著差異（P>0.05，下同）；在甘蔗伸長期，2個(gè)施用生物炭處理甘蔗葉片的N累積量均較對照有所上升，其中，C10處理上升4.81%，C20處理顯著上升14.97%（P<0.05，下同）；在成熟期，C10和C20處理分別較對照顯著下降10.25%和15.38%。說明施用生物炭能促進(jìn)伸長期甘蔗葉片中N的累積。

經(jīng)生物炭處理后，苗期和伸長期甘蔗莖中的N累積量均顯著高于對照，其中，C10處理分別上升25.53%和25.00%，C20處理分別上升29.79%和25.00%，而在成熟期，各處理甘蔗莖中的N累積量間無顯著差異（表1）。說明施用生物炭能促進(jìn)N在甘蔗生長前期的莖中累積。

經(jīng)生物炭處理后，甘蔗根中的N累積量在苗期顯著高于對照，C20處理在成熟期顯著高于對照，C10處理在伸長期顯著低于對照，其中，C10和C20處理在苗期分別提高100.00%和45.15%，在成熟期分別提高12.76%和17.02%。說明施用生物炭促進(jìn)甘蔗根中N的累積主要集中在苗期和成熟期。

綜上所述，甘蔗不同生育階段不同器官中N的累積對不同生物炭施用量的響應(yīng)不同，生物炭可促進(jìn)N在苗期和伸長期的葉、莖和根中累積，其中，C10和C20處理后苗期和伸長期N的總累積分別增加6.16%～24.72%和14.29%～16.02%?？梢?，總體上施用10.0～20.0 t/hm2生物炭對甘蔗N累積的效果差異不明顯，但生物炭對甘蔗根和莖中N累積的效果更好。

2.2 生物炭對甘蔗不同營養(yǎng)器官P累積分布的影響

由表2可知，2個(gè)施用生物炭處理甘蔗葉片的P累積量在苗期和成熟期均顯著高于對照，其中，C10和C20處理在苗期分別上升76.67%和80.95%，在成熟期分別上升61.70%和39.36%，而在伸長期與對照無顯著差異。說明生物炭對甘蔗葉片P累積的促進(jìn)作用主要集中在苗期和成熟期。

從表2可看出，經(jīng)生物炭處理后，C10和C20處理苗期甘蔗莖中的P累積量分別較對照顯著下降23.35%和31.37%；C10處理伸長期甘蔗莖中的P累積量較對照顯著下降35.45%，而C20處理較對照上升2.11%；C10和C20處理成熟期甘蔗莖中的P累積量較對照分別上升59.17%和43.33%。說明施用生物炭促進(jìn)甘蔗莖中P的累積主要集中于甘蔗生長后期。

從表2還可看出，經(jīng)生物炭處理后，甘蔗苗期和成熟期P在根中的累積量顯著上升，其中，C10和C20處理在苗期分別上升27.65%和65.25%，在成熟期分別上升63.58%和42.39%；在伸長期，C10處理甘蔗根中P的累積量較對照稍有上升，而C20處理甘蔗根中P的累積量較對照顯著下降13.10%。說明施用生物炭促進(jìn)甘蔗根中P的累積主要集中于苗期和成熟期。

從P在根、莖和葉的累積總量來看，甘蔗苗期施用10.0和20.0 t/hm2生物炭后其P的總和較對照增加12.71%～16.17%，甘蔗成熟期施用10.0和20.0 t/hm2生物炭后其P的總和增加41.85%～61.65%，總體上施用20.0 t/hm2生物炭對甘蔗P累積的效果略好于施用10.0 t/hm2生物炭。

綜上所述，施用生物炭主要可促進(jìn)P在甘蔗苗期和成熟期各器官中累積，其中在葉片中累積的效果好于根和莖。

2.3 生物炭對甘蔗不同營養(yǎng)器官K累積分布的影響

由表3可知，在苗期，C10處理甘蔗葉片中K的累積量較對照顯著上升17.23%，C20處理較對照稍有下降；在伸長期，C10處理甘蔗葉片中K的累積量較對照顯著上升5.24%，C20處理甘蔗葉片中K的累積量較對照顯著降低18.66%；在成熟期，C10和C20處理甘蔗葉片中K的累積量分別較對照顯著上升43.77%和55.93%。說明施用生物炭10.0 t/hm2有利于苗期和伸長期（生長前期）甘蔗葉片累積K，但施用10.0～20.0 t/hm2生物炭促進(jìn)甘蔗葉中K的累積均主要集中于成熟期（生長后期）。

從表3可看出，在苗期，C10處理甘蔗莖中的K累積量較對照顯著降低10.39%，C20處理較對照顯著上升74.54%；在伸長期，C10和C20處理甘蔗莖中的K累積量均較對照顯著下降，降幅分別為14.61%和5.43%；在成熟期，C10和C20處理甘蔗莖中的K累積量均較對照顯著上升，增幅分別為21.76%和52.02%。說明施用生物炭促進(jìn)甘蔗葉中K的累積主要集中于成熟期，在生長前期施用生物炭會(huì)抑制K在甘蔗莖中累積。

從表3還可看出，在苗期，C10處理甘蔗根中K的累積量較對照下降4.15%，而C20處理甘蔗根中K的累積量較對照顯著下降8.82%，說明施用生物炭致使K在甘蔗根中累積的受抑制程度與生物炭施用量成正比；在伸長期，C10和C20處理甘蔗根中K的累積量分別較對照顯著上升13.14%和84.76%，表現(xiàn)出施用生物炭可使K在甘蔗根中累積的促進(jìn)程度與生物炭施用量成正比；在成熟期，C10處理甘蔗根中K的累積量較對照顯著上升15.53%，C20處理較對照顯著下降9.47%，說明施用10.0 t/hm2生物炭有利于成熟期甘蔗根中K的累積，施用20.0 t/hm2生物炭反而抑制成熟期根對K的吸收。

從K在根、莖和葉的累積總量來看，甘蔗苗期施用10.0和20.0 t/hm2生物炭后K的總和分別較對照增加2.32%和19.12%，甘蔗成熟期施用施用10.0和20.0 t/hm2生物炭后K的總和分別較對照增加28.26%和33.80%，總體上施用20.0 t/hm2生物炭的效果優(yōu)于施用10.0 t/hm2生物炭。

綜上所述，施用生物炭主要是促進(jìn)K在苗期和成熟期甘蔗中累積，其中在甘蔗葉片中累積的效果優(yōu)于莖和根。

3 討論

N、P和K是甘蔗生長所需的主要營養(yǎng)元素，其中，N作為葉綠素的組成部分，在植物光合作用中發(fā)揮著決定性作用，同時(shí)也是植物體內(nèi)氨基酸和蛋白的主要構(gòu)成成分；P是組成核酸和磷脂的重要成分，參與甘蔗多種代謝活動(dòng)，影響甘蔗蔗糖的合成；K能促進(jìn)作物進(jìn)行光合作用，對甘蔗糖分累積具有重要作用［20］。本研究結(jié)果表明，生物炭處理總體上可明顯促進(jìn)甘蔗體內(nèi)N、P和K累積，與生物炭在其他作物上［21-23］的研究結(jié)果一致。何曉冰等［21］研究發(fā)現(xiàn)，與單一施用化肥相比，化肥配施生物炭可促進(jìn)烤煙吸收N、P和K。田福等［22］研究表明，施用生物炭后，玉米的N、P和K總累積量增加。周勁松等［23］研究指出，添加生物炭可促進(jìn)水稻苗期吸收N、P、K和多種微量元素，并延長這些營養(yǎng)元素在基質(zhì)中的留存時(shí)間，從而促進(jìn)水稻干物質(zhì)累積。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可促進(jìn)N在甘蔗伸長期的葉片、苗期和成熟期的根及苗期和伸長期的莖中累積，也有利于P在成熟期的莖、苗期和成熟期的根和葉片中累積；同時(shí)可提升K在甘蔗伸長期的根、成熟期的莖和葉片中累積。這可能與甘蔗不同生長期對N、P和K吸收利用的偏好性有關(guān)。Liao等［18］研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后，甘蔗早期綠葉生長及光合能力得到提高，生物量也相應(yīng)增加，故推測其與生物炭可促進(jìn)N、P和K在甘蔗中累積增加有關(guān)。

本研究僅探討甘蔗不同器官在不同生育期對生物炭的響應(yīng)，今后還需繼續(xù)探究生物炭對提高甘蔗生長和營養(yǎng)吸收影響的機(jī)制。有機(jī)廢棄物中含有大量生物炭，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物循環(huán)利用不僅是節(jié)約資源的重要措施，還是改良土壤和解決長期大量施用化肥所帶來問題的有效途徑。除常見作物玉米和水稻秸稈外［8］，廣西還擁有其他豐富的農(nóng)林廢棄物資源，如桉樹枝條平均每年廢棄量超過1000萬t、甘蔗梢廢棄物平均每年超過800萬t（平均7.5 t/hm2），木薯秸稈超過360萬t，桑樹修剪枝條超過100萬t（干枝條）［19］。因此，后續(xù)還應(yīng)探討從地區(qū)特有廢棄物中獲取生物炭的途徑，以減輕環(huán)境污染及促進(jìn)廣西甘蔗產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

施用生物炭對甘蔗吸收和累積N、P和K具有很好的促進(jìn)作用，施用10.0～20.0 t/hm2生物炭可作為一項(xiàng)提高甘蔗吸收和利用養(yǎng)分能力的栽培措施加以應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯 陳 燕）