炭粒径对不同质地黄壤烤烟光合特性·根系形态及农艺性状的影响

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　　摘要 [目的]探究砂壤、黏壤質地条件下炭粒径对烤烟光合特性、根系形态及农艺性状的影响，研究烤烟净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）、根系形态、农艺性状等指标。[方法]以烤烟K236为供试品种，设置3种炭粒径（<1 mm、1～2 mm、2～5 mm），研究其对不同质地烤烟光合特性、根系特征及农艺性状的影响。[结果]砂壤处理的烤烟净光合速率、根系形态、根系氮、钾养分吸收及农艺性状均随着炭粒径的增大先增强后减弱，但气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率随着炭粒径的增大而增强。黏壤处理净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率、根系形态及活力、株高、叶宽均随着炭粒径的增大而增强;但根系氮、钾养分吸收、叶长均随着炭粒径的增大而降低。其中，烟叶光合特性黏壤效果较砂壤好，但在根系形态及活力、农艺性状上砂壤处理较黏壤处理好。[结论]生物质炭能够有效促进烤烟根系形态的生长发育，并通过改善根系的发育，进而改善叶片光合生理特性及农艺性状，其中，砂壤处理在炭粒径为1～2 mm时效果最佳;黏壤处理在炭粒径为2～5 cm时效果最佳。
　　关键词 炭粒径;光合特性;根系形态;氮钾含量;农艺性状
　　中图分类号 S572  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2020）19-0152-05
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.041
　　Abstract [Objective] To investigate the effects of carbon particle size on photosynthetic characteristics， root morphology and agronomic traits of fluecured tobacco under sandy soil and sticky soil conditions， the net photosynthetic rate （Pn）， stomatal conductance （Gs）， intercellular CO2 concentration （Ci）， transpiration rate （Tr）， root morphology and agronomic traits of fluecured tobacco were studied. [Method] Fluecured tobacco K236 was selected as the test variety， and three carbon particle sizes were set： < 1 mm， 1-2 mm， and 2-5 mm. The effects of carbon on photosynthetic characteristics， root characteristics and agronomic traits of fluecured tobacco of different textures were studied. [Result] The net photosynthetic rate， root morphology， nitrogen and potassium nutrient absorption and agronomic characters of fluecured tobacco treated by sandy soil all increased first and then decreased with the increase of carbon particle size， but the stomatal conductance， intercellular CO2 concentration and transpiration rate increased with the increase of carbon particle size. The net photosynthetic rate， stomatal conductance， intercellular CO2 concentration， transpiration rate， root morphology and activity， plant height and leaf width all increased with the increase of carbon particle size. However， the uptake of nitrogen and potassium in root system and leaf length all decreased with the increase of carbon particle size. Among them， the photosynthetic characteristics of tobacco leaf were better than those of sandy soil， but the sandy soil was better treated than sandy soil in root morphology， activity and agronomic characters. [Conclusion] Biomass charcoal can effectively promote the growth and development of fluecured tobacco root morphology， and improve leaf photosynthetic physiological characteristics and agronomic traits by improving root development. The best results were obtained when the carbon particle size of sandy soil was 1-2 mm， and that of sticky soil was 2-5 cm. 　　Key words Carbon particle size;Photosynthetic characteristics;Root morphology;Nitrogen and potassium content;Agronomic traits
　　作者简介 吴尽（1993—），女，贵州思南人，硕士研究生，研究方向：植物营养学。*通信作者，副教授，博士，从事农业资源与环境、土地利用与规划研究。
　　收稿日期 2020-05-11
　　烤烟是贵州省重要的经济作物之一[1]，植烟土壤因长年连作或轮作以及“重氮轻磷钾”施肥习惯，导致表层土壤不断酸化和板结、碳氮比例失调、微生物多样性严重降低、土壤中有害物质逐年积累，同时，抑制土壤微生物活性，影响烤烟正常的生长发育，最终造成其产量和品质显著降低。因此，如何改良植烟土壤、提高烟叶品质已成为我国烟草行业可持续发展亟待解决的问题[2]。研究表明，施加生物质炭可以明显改善土壤质量、提高作物产量[3-8]。然而，目前关于对生物质炭的研究较多集中在生物質炭类型、施用量、施用方式、土壤肥力及对作物（如玉米、水稻、大豆等）生长的影响等方面[9-15]，但不同炭粒径对烤烟土壤质地环境和作用效应尚不十分明确，尤其是炭粒径对不同质地土壤烤烟光合特性、根系形态构成因素及养分吸收分配影响研究较少。
　　笔者研究了砂壤、黏壤2种不同质地条件下炭粒径对烤烟光合特性、根系形态及农艺性状的影响，旨在探讨并确定适合贵州烤烟生长的土壤质地类型和最佳炭粒径的施用类型，为烤烟高产栽培提供理论支持，以期为生物质炭在烟田土壤改良、提高烟叶产量和提升烟叶品质等方面的应用提供理论依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料
　　供试材料为烤烟品种K326，由贵州省烟草科学院烟草研究所提供。试验地点为贵州大学实验基地，地理位置为118°34′E，35°11′N，海拔1 150 m，属暖温带季风半湿润大陆性气候，年均气温为13.3 ℃，无霜期202 d，年降水量790～920 mm，降水集中于4—10月，年均相对湿度65%。生物质炭：采用组合式生物炭颗粒炭化炉自制烟杆炭，理化性质为全氮（N）含量23.03 g/kg、炭（C）含量760.07 mg/kg、氢（H）含量26.35 g/kg、硫（S）含量0.98 g/kg、pH 9.65。
　　1.2 试验设计
　　采用盆栽试验，设置6个处理，处理①（NF1）：砂壤+炭粒径（<1 mm）;处理②（NF2）：砂壤+炭粒径（1～2 mm）;处理③（NF3）：砂壤+炭粒径（2～5 mm）;处理④（MF4）：黏壤+炭粒径（<1 mm）;处理⑤（MF5）：黏壤+炭粒径（1～2 mm）;处理⑥（MF6）：黏壤+炭粒径（2～5 mm）。每个处理5次重复，每盆土壤20 kg，生物炭施用量0.2 kg，基肥80 g/盆。烤烟专用基肥N∶P2O5∶K2O为10∶10∶25，专用追肥N∶P2O5∶K2O为13∶0∶26。按120 cm×55 cm 的行株距盆栽，将盆身埋于土中，起到保水、降温的作用。各处理盆钵随机区组排列，尽量避免因光照、通风等环境因素造成处理间的差异。烟株生长过程中经常转动盆体，避免根系扎入土中。烤烟移栽后，根据天气状况，每隔3～4 d浇水一次，每次浇水400 mL，其余烤烟生产措施则按当地特色优质烟叶生产规范进行操作。
　　1.3 测定项目与方法
　　在烟株移栽60 d后，选取长势均匀一致且受光良好的中部功能叶片（自下而上第 12片叶），于晴天09：00—11：00 使用 LI-6400 便携式光合测定系统测定叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度等指标。测定采用红蓝光源叶室，设定光量子密度（PAR）为1 200 μmol/（m2· s）及 CO2注入系统设定为400 μmol/mol时，测定其中部叶的光合参数。每个处理测定3 株，每株重复3 次。移栽75 d后，用清水小心冲洗烟根以获得完整根系，采用甲烯蓝法测定整株根系总吸收表面积和活跃吸收表面积，TTC 法测定根系活力。完成上述测定后，将烟株分叶、根、茎杀青（105 ℃ 15 min，65 ℃烘至恒重，3～4 h），并记录干重。
　　1.4 数据处理
　　采用 Microsoft Excel 2003统计数据、SPSS 2019软件分析差异性，Origin2017制图，运用方差分析法进行数据处理;用单因素方差分析比较不同生物炭粒径处理之间的差异性，采用邓肯氏新复极差法进行差异显著性比较。
　　2 结果与分析
　　2.1 炭粒径对烤烟光合特性的影响
　　由图1可知，炭粒径对烤烟光合特性的影响差异较大。在砂壤条件下，净光合速率以NF2处理最大，为17.5 μmol/（m2·s），较NF1与NF3处理分别提高了32%、17%;气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率均随着炭粒径增大而增强，分别为0.23、231.1、5.3 μmol/（m2·s），较NF1和NF2分别提高了60%、29%、46%、46%、84%、48%，其中仅NF1与NF2处理蒸腾速率差异不显著。在黏壤处理中净光合速率、气孔导度、胞间CO2、蒸腾速率均以MF6处理最强，分别为18.3、0.29、223.4、6.4 μmol/（m2·s），其中仅MF4与MF5处理蒸腾速率差异显著。从同等炭粒径来看，无论砂土、黏土气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率均以NF3和MF6处理效果最好，仅砂壤净光合速率以NF2处理最高。说明土壤质地对烤烟胞间CO2浓度、蒸腾速率的影响较大，即施用较大粒径生物质炭能更好地提高烟草叶片胞间 CO2浓度、蒸腾速率，表明胞间 CO2浓度、蒸腾速率同时也受炭粒大小的影响，可能是因为施用生物质炭后使根际环境产生变化，生物质炭起到缓解养分供应充足。 　　2.2 炭粒径对烤烟根系形态及活力的影响
　　根系是作物从土壤中吸收和运输水分及溶解在水中的矿质元素的器官，是土壤资源的直接利用者和作物产量及品质形成的重要贡献者，故提高根系活力，尤其是维持烟草生育后期的根系活力，是调节烟叶品质的重要措施[16]。由图2可知，不同炭粒径处理下烤烟根系长度、根系表面积、根系体积及活力呈一定规律性变化。在砂壤条件下，根系长度、根系表面积、根系体积及活力均随着炭粒径增大呈先增加后减小的趋势，其中以NF2处理效果最佳，分别为9 786.7 mm、5 281.1 cm2、283.1 cm3、86.9，较NF1、NF3处理分别提高了21.4%～33.1%、29.9%～33.0%、24.3%～34.2%、28.4%～32.6%。黏壤处理中，根系长度、根系表面积、根系体积及活力均随着炭粒径增大逐渐增大，以MF6处理效果最好，分别为8 228.8 mm、4 687.7 cm2、261.4 cm3、80.9，较NF1、NF3处理分别提高了36.6%～123.5%、53.0%～94.3%、27.23%～74.23%、2.33%～28.9%。从相同炭粒径来看，无论砂壤、黏壤根系长度、根系表面积、根系体积及活力均以NF2和MF6处理效果最好，且砂壤作用效果大于黏壤。可能是因为土壤透气性得到一定改善，尤其土壤总孔隙度和大孔隙度增加，为根系发育提供疏松的环境，同时也降低了土壤容重，增大了土壤水分入渗率，为根系提供了充足水、养分，进而促进了根系的生长。然而多项指标均不如砂壤添加炭粒径处理，也可能因为黏壤渗透性差、吸附能力强。
　　2.3 炭粒径对烤烟根、茎、叶氮钾含量的影响
　　炭粒径对烤烟根、茎、叶氮钾含量的影响见图3。由图3可知，在砂壤处理条件下，烤烟根、茎氮含量随着炭粒径增大呈先减少后增加的趋势，茎氮含量差异不显著。其中，烟叶以NF2处理含量最高，达25.3 g/kg，较NF1和NF3分别提高了15.4%、13.9%;根、茎钾含量差异不显著，钾含量均随着炭粒径增大而增加，其中均以NF3处理含量最高，较NF1和NF2处理提高了2.2%～3.0%、0.3%～5.0%、8.9%～14.2%。黏壤處理中，烤烟根中氮含量随着炭粒径增大先增大后减小，且MF5处理与MF4、MF6处理差异显著;而茎氮含量差异不显著，以MF6处理最高为19.4 g/kg;烟叶中氮含量以MF4处理最高，与MF6处理差异不显著，同时氮含量表现为烟叶>根>茎;烤烟茎、叶钾含量随着炭粒径增大先减小后增大，而根钾含量随着炭粒径增大先增大后减小;其中茎、叶MF4处理钾含量最高，分别为32.8、71.9 g/kg，且钾含量表现为烟叶>茎>根。从相同炭粒径来看，砂壤中烤烟根、茎、叶中氮、钾含量分别较黏壤提高了3.6%、14.1%、4.0%、35.1%、12.9%、13.3%。说明砂壤添加不同炭粒径提高了氮、钾养分吸收效率，对烤烟生长起着积极促进作用。
　　2.4 炭粒径对烤烟农艺性状的影响
　　由图4可知，不同生物质炭粒径对烤烟株高、叶长、叶宽、叶面积影响不同。在砂壤土中烤烟株高、叶长、叶宽、叶面积随着生物质炭粒径的增加呈先增加后降低的趋势，其中以NF2处理最好，分别为122.0 cm、29 cm、76.97 cm、31.70 cm、0.15 m2，较NF1和NF2处理分别提高了8.2%～16.3%、1.0%～2.1%、5.2%～6.1%、8.5%～14.7%、7.1%～15.4%。黏土处理条件下农艺性状规律不明显，其中，株高、叶宽以MF6处理最好为126.33 cm、29.0 cm，较MF4、MF5分别提高了11.47%～37.8%、1.3%～3.5%;叶长、叶面积以MF5处理最好，为71.53 cm、0.13 m2，其中较MF4、MF6分别提高了2.9%～3.0%、3.4%～4.3%。表明不同炭粒径对烤烟株高、叶宽、叶面积有显著影响，在砂壤土条件下不同炭粒径对烤烟根系生长的促进作用较大，其中烟叶经济性状的主要农艺指标为株高、叶面积，其中株高、叶面积对烟叶产量和产值影响较大，在不同炭粒径肥力水平下培育健壮的烟株个体，适当增加株高，提高中部和上部叶片的叶片面积，有利于获得较高的经济效益。
　　3 讨论
　　烤烟的光合性能包括净光合速率、胞间 CO2浓度、气孔导度、蒸腾速率，其对烟叶产量和品质有直接影响[17]。该研究结果表明，不同炭粒径处理对光合特性有直接影响，能够通过提升叶片对胞间 CO2的同化能力，从而有效地改善烟株叶片的光合性能，进而增强烟株地上部分的生长。在砂壤处理条件下，除净光合速率外，烤烟的气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率均随着炭粒径的增大而增强。而净光合速率以炭粒径在1～2 mm较好，可能原因是砂壤保肥、蓄水能力差，透气性强，容易使养分流失。而黏土净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率均以2～5 mm处理较好，可能原因是黏壤本身具有较强保肥、蓄水能力，但土壤透气性较差，添加不同炭粒径后有效改善土壤颗粒和机械组成以及增加土壤碳成分;同时生物质炭本身含有一定量的矿质养分，可增加土壤中矿质养分含量，如磷、钾、钙、镁及氮素，在养分贫瘠土壤及砂质土壤上生物质炭的养分补充效应较为明显[18]。这表明生物质炭的施用能够改善烟株叶片的光合性能。该结果与宋久洋等[19]的研究结果相似。
　　根系是活跃的养分吸收器官和合成器官，根的生长状况和活力强度影响地上部的营养状况及产量水平。根系活力是反映根系发育状况的重要指标[19]。该研究结果表明，砂壤、黏壤分别在炭粒径为1～2、2～5 mm对烟株根长、根系表面积、根系体积和根系活力均具有显著的提升作用，能够改善烟株根系的生长发育状况、促进养分吸收。可能原因是生物炭改善了土壤结构（使土壤质地疏松、增加通气性），降低了土壤容重，增加土壤的透气性和团聚性;以及能够贮存水分和养分，为土壤微生物栖息生活提供优越的天然微环境，进而增加土壤微生物数量及活性。可见，施用生物质炭显著增加了烟苗根系体积、根系面积和根总长。该结果与李中阳等[20]的研究结果相似。 　　该试验结果表明，添加生物质炭可促进烤烟农艺性状，其中，砂壤处理株高、叶长、叶宽、叶面积在炭粒径1～2 mm效果最佳;黏壤处理株高、叶宽均在炭粒径2～5 mm效果最佳。可见，生物质炭对作物生长的影响作用可能与其施用方式和供试土壤的性质有关。该结论与吴崇书等[21]的研究结果相似。
　　4 结论
　　（1）在不同质地土壤中，添加不同炭粒径对烤烟的净光合速率、胞间 CO2浓度、气孔导度、蒸腾速率有直接影响。其中，黏壤添加炭粒径光合特性效果较砂壤好。砂壤处理净光合速率在炭粒径1～2 mm效果最佳，达17.52 μmol/（m2·s）;而胞间 CO2浓度、气孔导度、蒸腾速率均随着碳粒径增加而增强，分别达0.23、172.95、196.39 μmol/（m2·s）;黏壤处理净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度、蒸腾速率均在炭粒径2～5 mm效果最佳，分别为18.33、0.29、223.48、6.64 μmol/（m2·s）。
　　（2）在不同质地土壤中，添加不同炭粒径对根系形态及活力有直接影响。其中，砂壤处理根系形态及活力较黏壤处理好。砂壤处理根系形态及活力均在炭粒径1～2 mm效果最佳，分别达9 786.71 mm、5 281.12 cm2、283.14 cm3、86.94 μg/（g·h）;黏壤处理根系形态及活力均在炭粒径2～5 mm效果最佳，分别为8 228.83 mm、4 687.79 cm2、261.49 cm3、80.98 μg/（g·h）。
　　（3）烤烟的养分吸收和农艺性状对产量、品质有直接影响。其中，砂壤处理株高、叶长、叶宽、叶面积较黏壤处理好。砂壤处理株高、叶长、叶宽、叶面积在炭粒径1～2 mm效果最佳，分别达122.00 cm、76.97 cm、31.70 cm、0.15 m2;黏壤处理株高、叶宽均在炭粒径2～5 mm效果最佳，分别为126.33 m、28.83 cm。
　　综上所述，炭粒径对不同质地黄壤烤烟光合特性、根系形态及农艺性状有很大影响，其中，黏壤添加炭粒径在烤烟光合特性上效果较砂壤好;而在根系形态和活力、农艺性状上较砂壤差。在砂壤处理条件下，烤烟的光合特性、根系形态和农艺性状在炭粒径为1～2 mm时效果最佳，黏壤处理下在炭粒径为2～5 mm时效果最佳。
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