生物炭對甘蔗氮、磷和鉀累積分布的影響

李景霞

摘要：以新臺糖22號甘蔗品種為研究對象，在廣西農業科學院甘蔗研究所試驗基地溫室開展外源生物炭不同施用量試驗，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器官積累N、P和K的影響。結果表明，在甘蔗不同生育階段，其不同器官對生物炭的響應不同。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）可促進甘蔗N累積增加6.16%～24.27%，對莖和根N累積的促進作用大于葉片。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個處理P的累積總量均表現為葉片>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個處理K的累積總量均表現為葉片>莖>根。因此，施用生物炭對甘蔗吸收和累積N、P和K均具有促進作用，施用10.0～20.0 t/hm2生物炭可作為一項提高甘蔗吸收和利用養分能力的栽培措施加以應用。

關鍵詞：甘蔗；營養器官；生物炭；氮；磷；鉀；累積分布

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

0 引言

我國年產糖量約1300萬t，位居世界第三，其中，蔗糖占比達90%，而全國占比65%以上的蔗糖產自廣西。世界人均食糖消費量為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%以上的主產區，廣西的蔗地土壤以酸性紅壤為主，經過多年連作，土壤肥力下降日益嚴重，特別是氮（N）營養缺乏（60%的廣西蔗地處于缺N狀態）已成為制約甘蔗高產的主要因素之一［1-2］，如何提高并培肥蔗地土壤地力以保障甘蔗高產穩產，是甘蔗產業急需解決的問題［3］。很多文獻報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肥等技術合理施用肥料，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，這些技術均可提高蔗地土壤團聚體穩定性，增加土壤有機碳、有機質、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量［5-7］。但這些措施對蔗地碳（C）固存的作用有限，而農林業廢棄生物質炭在農田的應用為解決這一問題提供了新思路［8］。

生物炭（Biochar）是由生物殘體在缺氧狀態下經高溫（通常低于700 ℃）慢熱解產生的一類難熔、穩定、高度芳香化和富含C素的固態物質，具有C含量高且穩定、高pH、多孔徑結構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域已受到廣泛關注［8-9］。國內外大量研究表明，施用生物炭是一項有效維持土壤肥力的策略，如提高硝化反應效率、促進氨吸收、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利用影響研究，也發現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、促進綠葉生長［18］、維持土壤高水分含量，從而提高甘蔗產量和含糖量［19］。作者參與的廣西農業科學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，發現木薯秸稈生物炭可提高甘蔗苗期桶栽土壤pH，顯著提高有機質、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，也提高植株地上部干物質生物量與根系干物質生物量比例，說明木薯秸稈生物炭不僅可促進甘蔗根系生長，也可提高根系吸收能力［16］。上述有關研究多側重于生物炭對提高甘蔗生物量、N素和蔗地營養利用率提升方面的效應，針對生物炭影響下甘蔗體內主要營養元素累積分布情況的研究鮮見報道。本研究通過探究施用生物炭對甘蔗體內N、P和K營養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元素的吸收規律，為利用生物炭改良蔗田土壤提高我國甘蔗產量和質量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在廣西農業科學院甘蔗研究所試驗基地溫室進行。供試甘蔗品種為新臺糖22號。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后轉至營養杯定植，每杯定植1株。營養土為甘蔗試驗田表層20.0 cm土壤，pH 6.25，總C含量0.52%，有機質含量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。土壤自然風干、碾碎后過200目篩網。營養杯規格為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標記尿素，豐度為10.18%，N含量46%。營養土施用尿素3.0 g/杯、P 3.0 g/杯和K 2.0 g/杯。所有肥料在種植時一次性施用。生物炭為傳統窯制木薯莖生物炭，C含量67.00%。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

試驗設3個處理，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個重復。各處理生物炭分別與營養土均勻混合后裝杯。

1.2.2 測定項目及方法

分別在苗期（移栽后4個月）、伸長期（移栽后7個月）（苗期和伸長期屬于生長前期）和成熟期（移栽后12個月）（成熟期屬于生長后期）對葉片、莖和根分別進行采樣，各樣品均采自3個健康植株，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）標準滴定溶液濃度，V2為樣品消耗標準酸溶液體積（mL），V0為空白消耗標準酸溶液體積（mL），V1為蒸餾時吸取待測液A體積（mL），m為試驗材料質量（g），0.0140為1.0 mL 1.0 mol/L硫酸標準滴定溶液相當于氮的質量（g）。

總P含量（g/kg）=ρ×V/m×V2/V1×10-3

式中，ρ為從標準曲線上查得待測液中P的質量濃度（?g/mL），V為樣品制備溶液體積（mL），m為烘干土質量（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。

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

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

1.3 統計分析

試驗數據采用Excel 2007進行統計，以SPSS 19.0的LSD法進行方差分析和差異顯著性檢測。

2 結果與分析

2.1 生物炭對甘蔗不同營養器官N累積分布的影響

由表1可知，在甘蔗苗期，2個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伸長期甘蔗葉片中N的累積。

經生物炭處理后，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N在甘蔗生長前期的莖中累積。

經生物炭處理后，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不同，生物炭可促進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器官P累積分布的影響

由表2可知，2個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累積的促進作用主要集中在苗期和成熟期。

從表2可看出，經生物炭處理后，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%，表現出施用生物炭可使K在甘蔗根中累積的促進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生物炭的效果優于施用10.0 t/hm2生物炭。

綜上所述，施用生物炭主要是促進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于莖和根。

3 討論

N、P和K是甘蔗生長所需的主要營養元素，其中，N作為葉綠素的組成部分，在植物光合作用中發揮著決定性作用，同時也是植物體內氨基酸和蛋白的主要構成成分；P是組成核酸和磷脂的重要成分，參與甘蔗多種代謝活動，影響甘蔗蔗糖的合成；K能促進作物進行光合作用，對甘蔗糖分累積具有重要作用［20］。本研究結果表明，生物炭處理總體上可明顯促進甘蔗體內N、P和K累積，與生物炭在其他作物上［21-23］的研究結果一致。何曉冰等［21］研究發現，與單一施用化肥相比，化肥配施生物炭可促進烤煙吸收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，添加生物炭可促進水稻苗期吸收N、P、K和多種微量元素，并延長這些營養元素在基質中的留存時間，從而促進水稻干物質累積。本研究發現，生物炭可促進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。Liao等［18］研究發現，施用生物炭后，甘蔗早期綠葉生長及光合能力得到提高，生物量也相應增加，故推測其與生物炭可促進N、P和K在甘蔗中累積增加有關。

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，今后還需繼續探究生物炭對提高甘蔗生長和營養吸收影響的機制。有機廢棄物中含有大量生物炭，實現有機廢棄物循環利用不僅是節約資源的重要措施，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，后續還應探討從地區特有廢棄物中獲取生物炭的途徑，以減輕環境污染及促進廣西甘蔗產業可持續發展。

4 結論

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

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（責任編輯 陳 燕）