生物炭对甘蔗氮、磷和钾累积分布的影响

李景霞

摘要：以新台糖22号甘蔗品种为研究对象，在广西农业科学院甘蔗研究所试验基地温室开展外源生物炭不同施用量试验，测定不同生育期甘蔗叶、茎和根中氮（N）、磷（P）和钾（K）的累积和分布情况，分析生物炭对不同生育阶段甘蔗营养器官积累N、P和K的影响。结果表明，在甘蔗不同生育阶段，其不同器官对生物炭的响应不同。其中，在苗期和伸长期，施用生物炭10.0 t/ha（C10处理）和20.0 t/ha（C20处理）可促进甘蔗N累积增加6.16%～24.27%，对茎和根N累积的促进作用大于叶片。生物炭处理对甘蔗P累积的影响主要集中在苗期和成熟期，2个处理P的累积总量分别比不施用生物炭（对照，C0处理）增加12.71%～16.17%（苗期）和41.85%～61.65%（成熟期），2个处理P的累积总量均表现为叶片>根>茎。生物炭对甘蔗K累积的影响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的累积总量分别较对照增加2.32%和19.12%，成熟期施用10.0和20.0 t/hm2生物炭后K的累积总量分别较对照增加28.26%和33.80%，2个处理K的累积总量均表现为叶片>茎>根。因此，施用生物炭对甘蔗吸收和累积N、P和K均具有促进作用，施用10.0～20.0 t/hm2生物炭可作为一项提高甘蔗吸收和利用养分能力的栽培措施加以应用。

关键词：甘蔗；营养器官；生物炭；氮；磷；钾；累积分布

中图分类号：S566.1                          文献标志码：A 文章编号：2095-820X（2024）01-0001-05

0 引言

我国年产糖量约1300万t，位居世界第三，其中，蔗糖占比达90%，而全国占比65%以上的蔗糖产自广西。世界人均食糖消费量为24.0 kg/年，我国仅为10.0 kg/年，二者间差距极大。由此可见，我国糖料蔗和蔗糖产量仍需大幅度提高以满足市场需求。但目前我国蔗田土壤普遍贫瘠，作为全国种蔗面积占比60%以上的主产区，广西的蔗地土壤以酸性红壤为主，经过多年连作，土壤肥力下降日益严重，特别是氮（N）营养缺乏（60%的广西蔗地处于缺N状态）已成为制约甘蔗高产的主要因素之一［1-2］，如何提高并培肥蔗地土壤地力以保障甘蔗高产稳产，是甘蔗产业急需解决的问题［3］。很多文献报道了蔗地土壤改良的途径，如通过配方施肥、测土配方施肥和配施有机肥等技术合理施用肥料，提高肥效［4］，或利用甘蔗与绿肥如豆科作物间作和甘蔗尾叶还田技术，这些技术均可提高蔗地土壤团聚体稳定性，增加土壤有机碳、有机质、总N和速效N含量及提高微生物活性，从而有效提升甘蔗产量［5-7］。但这些措施对蔗地碳（C）固存的作用有限，而农林业废弃生物质炭在农田的应用为解决这一问题提供了新思路［8］。

生物炭（Biochar）是由生物残体在缺氧状态下经高温（通常低于700 ℃）慢热解产生的一类难熔、稳定、高度芳香化和富含C素的固态物质，具有C含量高且稳定、高pH、多孔径结构和较大比表面积等特性，在土壤改良和温室气体减排研究领域已受到广泛关注［8-9］。国内外大量研究表明，施用生物炭是一项有效维持土壤肥力的策略，如提高硝化反应效率、促进氨吸收、以提升土壤阳离子交换量方式提高土壤铵盐浓度［10-12］、降低土壤N2O释放及降低硝酸盐淋洗流失［13-15］等。近年来逐步开展的生物炭对甘蔗生长及营养利用影响研究，也发现施用生物炭有利于甘蔗根系生长，提高根冠比［16］，提高N、磷（P）和钾（K）在蔗地的保留率［17］，以及提高净光合速率、促进绿叶生长［18］、维持土壤高水分含量，从而提高甘蔗产量和含糖量［19］。作者参与的广西农业科学院甘蔗研究所生物炭课题组于2013年开展木薯秸秆生物炭对甘蔗苗期根系生长影响研究，发现木薯秸秆生物炭可提高甘蔗苗期桶栽土壤pH，显著提高有机质、速效K和P含量，在增加植株地上部和地下部生物量的同时，也提高植株地上部干物质生物量与根系干物质生物量比例，说明木薯秸秆生物炭不仅可促进甘蔗根系生长，也可提高根系吸收能力［16］。上述有關研究多侧重于生物炭对提高甘蔗生物量、N素和蔗地营养利用率提升方面的效应，针对生物炭影响下甘蔗体内主要营养元素累积分布情况的研究鲜见报道。本研究通过探究施用生物炭对甘蔗体内N、P和K营养元素累积分布的影响，分析在生物炭影响下甘蔗对大量营养元素的吸收规律，为利用生物炭改良蔗田土壤提高我国甘蔗产量和质量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在广西农业科学院甘蔗研究所试验基地温室进行。供试甘蔗品种为新台糖22号。切取8.0～10.0 cm单芽茎段为种茎，浸泡清水12 h，以2000倍高锰酸钾溶液消毒30 min后在室温下沙培催芽，待新芽长3.0 cm后转至营养杯定植，每杯定植1株。营养土为甘蔗试验田表层20.0 cm土壤，pH 6.25，总C含量0.52%，有机质含量13.8 g/kg，碱解N含量86.7 mg/kg，P含量31.0 mg/kg，K含量129.3 mg/kg。土壤自然风干、碾碎后过200目筛网。营养杯规格为30.0 cm（宽）×50.0 cm（高），装土30.0 kg/杯，装土深度30.0 cm。供试N肥为15N标记尿素，丰度为10.18%，N含量46%。营养土施用尿素3.0 g/杯、P 3.0 g/杯和K 2.0 g/杯。所有肥料在种植时一次性施用。生物炭为传统窑制木薯茎生物炭，C含量67.00%。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

试验设3个处理，分别为施用生物炭10.0 t/ha（C10处理）、20.0 t/ha（C20处理）和不施用生物炭（对照，C0处理），每处理6个重复。各处理生物炭分别与营养土均匀混合后装杯。

1.2.2 测定项目及方法

分别在苗期（移栽后4个月）、伸长期（移栽后7个月）（苗期和伸长期属于生长前期）和成熟期（移栽后12个月）（成熟期属于生长后期）对叶片、茎和根分别进行采样，各样品均采自3个健康植株，混合后60 ℃烘干备用。总N、总P和总K含量参照廖芬等［19］的方法测定。

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

式中，c为硫酸（1/2 H2SO4）标准滴定溶液浓度，V2为样品消耗标准酸溶液体积（mL），V0为空白消耗标准酸溶液体积（mL），V1为蒸馏时吸取待测液A体积（mL），m为试验材料质量（g），0.0140为1.0 mL 1.0 mol/L硫酸标准滴定溶液相当于氮的质量（g）。

总P含量（g/kg）=ρ×V/m×V2/V1×10-3

式中，ρ为从标准曲线上查得待测液中P的质量浓度（?g/mL），V为样品制备溶液体积（mL），m为烘干土质量（g），V1为吸取滤液体积（mL），V2为显色溶液体积（mL），10-3为将μg换算成g/kg的乘数。

总K含量（g/kg）=ρ×测定液定容体积×分取倍数/（m×106）×1000

式中，ρ为从标准曲线上查得待测液中K的质量浓度（?g/mL），m为烘干样品质量（g），106为将?g换算成g的除数。

1.3 统计分析

试验数据采用Excel 2007进行统计，以SPSS 19.0的LSD法进行方差分析和差异显著性检测。

2 结果与分析

2.1 生物炭对甘蔗不同营养器官N累积分布的影响

由表1可知，在甘蔗苗期，2个施用生物炭处理甘蔗叶片的N累积量与对照均无显著差异（P>0.05，下同）；在甘蔗伸长期，2个施用生物炭处理甘蔗叶片的N累积量均较对照有所上升，其中，C10处理上升4.81%，C20处理显著上升14.97%（P<0.05，下同）；在成熟期，C10和C20处理分别较对照显著下降10.25%和15.38%。说明施用生物炭能促进伸长期甘蔗叶片中N的累积。

经生物炭处理后，苗期和伸长期甘蔗茎中的N累积量均显著高于对照，其中，C10处理分别上升25.53%和25.00%，C20处理分别上升29.79%和25.00%，而在成熟期，各处理甘蔗茎中的N累积量间无显著差异（表1）。说明施用生物炭能促进N在甘蔗生长前期的茎中累积。

经生物炭处理后，甘蔗根中的N累积量在苗期显著高于对照，C20处理在成熟期显著高于对照，C10处理在伸长期显著低于对照，其中，C10和C20处理在苗期分别提高100.00%和45.15%，在成熟期分别提高12.76%和17.02%。说明施用生物炭促进甘蔗根中N的累积主要集中在苗期和成熟期。

综上所述，甘蔗不同生育阶段不同器官中N的累积对不同生物炭施用量的响应不同，生物炭可促进N在苗期和伸长期的叶、茎和根中累积，其中，C10和C20处理后苗期和伸长期N的总累积分别增加6.16%～24.72%和14.29%～16.02%。可见，总体上施用10.0～20.0 t/hm2生物炭對甘蔗N累积的效果差异不明显，但生物炭对甘蔗根和茎中N累积的效果更好。

2.2 生物炭对甘蔗不同营养器官P累积分布的影响

由表2可知，2个施用生物炭处理甘蔗叶片的P累积量在苗期和成熟期均显著高于对照，其中，C10和C20处理在苗期分别上升76.67%和80.95%，在成熟期分别上升61.70%和39.36%，而在伸长期与对照无显著差异。说明生物炭对甘蔗叶片P累积的促进作用主要集中在苗期和成熟期。

从表2可看出，经生物炭处理后，C10和C20处理苗期甘蔗茎中的P累积量分别较对照显著下降23.35%和31.37%；C10处理伸长期甘蔗茎中的P累积量较对照显著下降35.45%，而C20处理较对照上升2.11%；C10和C20处理成熟期甘蔗茎中的P累积量较对照分别上升59.17%和43.33%。说明施用生物炭促进甘蔗茎中P的累积主要集中于甘蔗生长后期。

从表2还可看出，经生物炭处理后，甘蔗苗期和成熟期P在根中的累积量显著上升，其中，C10和C20处理在苗期分别上升27.65%和65.25%，在成熟期分别上升63.58%和42.39%；在伸长期，C10处理甘蔗根中P的累积量较对照稍有上升，而C20处理甘蔗根中P的累积量较对照显著下降13.10%。说明施用生物炭促进甘蔗根中P的累积主要集中于苗期和成熟期。

从P在根、茎和叶的累积总量来看，甘蔗苗期施用10.0和20.0 t/hm2生物炭后其P的总和较对照增加12.71%～16.17%，甘蔗成熟期施用10.0和20.0 t/hm2生物炭后其P的总和增加41.85%～61.65%，总体上施用20.0 t/hm2生物炭对甘蔗P累积的效果略好于施用10.0 t/hm2生物炭。

综上所述，施用生物炭主要可促进P在甘蔗苗期和成熟期各器官中累积，其中在叶片中累积的效果好于根和茎。

2.3 生物炭对甘蔗不同营养器官K累积分布的影响

由表3可知，在苗期，C10处理甘蔗叶片中K的累积量较对照显著上升17.23%，C20处理较对照稍有下降；在伸长期，C10处理甘蔗叶片中K的累积量较对照显著上升5.24%，C20处理甘蔗叶片中K的累积量较对照显著降低18.66%；在成熟期，C10和C20处理甘蔗叶片中K的累积量分别较对照显著上升43.77%和55.93%。说明施用生物炭10.0 t/hm2有利于苗期和伸长期（生长前期）甘蔗叶片累积K，但施用10.0～20.0 t/hm2生物炭促进甘蔗叶中K的累积均主要集中于成熟期（生长后期）。

从表3可看出，在苗期，C10处理甘蔗茎中的K累积量较对照显著降低10.39%，C20处理较对照显著上升74.54%；在伸长期，C10和C20处理甘蔗茎中的K累积量均较对照显著下降，降幅分别为14.61%和5.43%；在成熟期，C10和C20处理甘蔗茎中的K累积量均较对照显著上升，增幅分别为21.76%和52.02%。说明施用生物炭促进甘蔗叶中K的累积主要集中于成熟期，在生长前期施用生物炭会抑制K在甘蔗茎中累积。

从表3还可看出，在苗期，C10处理甘蔗根中K的累积量较对照下降4.15%，而C20处理甘蔗根中K的累积量较对照显著下降8.82%，说明施用生物炭致使K在甘蔗根中累积的受抑制程度与生物炭施用量成正比；在伸长期，C10和C20处理甘蔗根中K的累积量分别较对照显著上升13.14%和84.76%，表现出施用生物炭可使K在甘蔗根中累积的促进程度与生物炭施用量成正比；在成熟期，C10处理甘蔗根中K的累积量较对照显著上升15.53%，C20处理较对照显著下降9.47%，说明施用10.0 t/hm2生物炭有利于成熟期甘蔗根中K的累积，施用20.0 t/hm2生物炭反而抑制成熟期根对K的吸收。

从K在根、茎和叶的累积总量来看，甘蔗苗期施用10.0和20.0 t/hm2生物炭后K的总和分别较对照增加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的总和分别较对照增加28.26%和33.80%，总体上施用20.0 t/hm2生物炭的效果优于施用10.0 t/hm2生物炭。

综上所述，施用生物炭主要是促进K在苗期和成熟期甘蔗中累积，其中在甘蔗叶片中累积的效果优于茎和根。

3 讨论

N、P和K是甘蔗生长所需的主要营养元素，其中，N作为叶绿素的组成部分，在植物光合作用中发挥着决定性作用，同时也是植物体内氨基酸和蛋白的主要构成成分；P是组成核酸和磷脂的重要成分，参与甘蔗多种代谢活动，影响甘蔗蔗糖的合成；K能促进作物进行光合作用，对甘蔗糖分累积具有重要作用［20］。本研究结果表明，生物炭处理总体上可明显促进甘蔗体内N、P和K累积，与生物炭在其他作物上［21-23］的研究结果一致。何晓冰等［21］研究发现，与单一施用化肥相比，化肥配施生物炭可促进烤烟吸收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总累积量增加。周劲松等［23］研究指出，添加生物炭可促进水稻苗期吸收N、P、K和多种微量元素，并延长这些营养元素在基质中的留存时间，从而促进水稻干物质累积。本研究发现，生物炭可促进N在甘蔗伸长期的叶片、苗期和成熟期的根及苗期和伸长期的茎中累积，也有利于P在成熟期的茎、苗期和成熟期的根和叶片中累积；同时可提升K在甘蔗伸长期的根、成熟期的茎和叶片中累积。这可能与甘蔗不同生长期对N、P和K吸收利用的偏好性有关。Liao等［18］研究发现，施用生物炭后，甘蔗早期绿叶生长及光合能力得到提高，生物量也相应增加，故推测其与生物炭可促进N、P和K在甘蔗中累积增加有关。

本研究仅探讨甘蔗不同器官在不同生育期对生物炭的响应，今后还需继续探究生物炭对提高甘蔗生长和营养吸收影响的机制。有机废弃物中含有大量生物炭，实现有机废弃物循环利用不仅是节约资源的重要措施，还是改良土壤和解决长期大量施用化肥所带来问题的有效途径。除常见作物玉米和水稻秸秆外［8］，广西还拥有其他丰富的农林废弃物资源，如桉树枝条平均每年废弃量超过1000万t、甘蔗梢废弃物平均每年超过800万t（平均7.5 t/hm2），木薯秸秆超过360万t，桑树修剪枝条超过100万t（干枝条）［19］。因此，后续还应探讨从地区特有废弃物中获取生物炭的途径，以减轻环境污染及促进广西甘蔗产业可持续发展。

4 结论

施用生物炭对甘蔗吸收和累积N、P和K具有很好的促进作用，施用10.0～20.0 t/hm2生物炭可作为一项提高甘蔗吸收和利用养分能力的栽培措施加以应用。

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（责任编辑 陈 燕）