减氮条件下生物炭对烤烟根系发育及土壤微生物群落的影响

       生物炭是将木材、草、玉米秆或其他农作物废弃物在无氧或者限氧状态下，经过不高于 700℃高温裂解分离出油和可燃气后剩余的被碳化的富碳固态产品。具有丰富的含氧官能团如羧基、羟基、醛基等的生物炭能产生大量的表面负电荷，可与其发达的孔隙结构相互作用，赋予生物炭对水、土壤无机离子、极性和非极性化合物很强的吸附性能，其芳香化的结构特征及发达的孔隙结构和巨大的比表面积使其具有高度稳定性和很强的蓄集能力，使施用生物炭的土壤具有高效的保水保肥性能。因此，生物炭被视为增加土壤碳截留和土壤保育的有效改良材料。研究发现，长期施用生物炭能够提高土壤 C/N、土壤微生物数量与种类、土壤 pH，增加土壤有效磷、有机碳和阳离子交换量等，并且能够改善土壤养分的生物有效性。另外，生物炭还能有效地吸附一些抑制微生物生长繁殖的化合物以减少对微生物的毒害，增加土壤中微生物的丰度。张伟明等发现，土壤中施入生物炭能增加水稻生育前期根系的主根长、根体积和根鲜重，提高水稻根系总吸收面积和活跃吸收面积。李程等研究发现，生物炭可以促进黑麦草根系生长、增加生物量，促进其有机质积累。
      在国内，生物炭对水稻和黑麦草的根系生长及产量的促进作用已经得到证实，关于生物炭对烟草生长的影响及作用机理的研究也已有相关报道，但生物炭对烤烟生长尤其是其根系生长的作用机理研究报道相对较少。牡丹江烟区是东北最为典型的植烟区域之一，是调味型烟叶的原料基地，目前存在化肥施用量大、土地养护意识不足等问题，致使土壤碳氮失衡，土壤碳库指数降低。基于生物炭的物理化学特性及牡丹江烤烟栽培营养管理的问题，开展减氮条件下不同生物炭用量试验研究，并研究不同处理间烟株根系形态指标、根系活力以及土壤微生物数量的差异和变化规律，分析其对旺长期烤烟根系生长及土壤微生物的影响效果并探索作用机理，旨在为培育强大烟株根系，提升烟叶质量，为牡丹江烟区优质烟叶生产提供理论依据。

结论与讨论
      烟草根系是烟株活跃的吸收器官与合成器官，能够汲取土壤中的水分和矿质营养，并合成烟碱、氨基酸、酰胺和激素，然后运输至茎叶中，因此根系的发育对烟叶质量有重要影响。烟草植根于土壤中，良好的土壤环境条件有利于强化烟株根系的吸收机能，促进对植烟土壤养分的吸收利用。相关研究表明，施用生物炭料可优化土壤结构和通气状况，有利于根系的发育和土壤呼吸，有益于土壤微生物活动与养分转化。生物质炭丰富的孔隙结构、高芳香化表面和对水肥的吸附作用为土壤微生物的栖息和繁衍提供良好的“微环境”和庇护所。
       在本试验中，减氮条件下各生物炭料处理的根系形态指标和根系活力值均高于对照组，且在生物质炭施入量为 1200 kg/hm² 时的效果最好。可能是因为生物炭料施入土壤后，生物炭料比表面积、化学官能团、孔隙结构等特性使其具有较高的吸附性能，在修复土壤碳骨架的同时可以吸附土壤中大量的矿质营养元素，降低了土壤容重，在一定程度上增加了养分的固持能力，减少了土壤中矿质养分的流失，增加了土壤养分含量，随着土壤理化性质的改善，根系生长得到充足的养分和适宜的生长环境，根系充分吸收利用土壤环境提供的养分，使根尖数量高出对照组 31.66%，根系伸长 31.12%，根系总表面积增加 55.98%，根系体积增加 35.14%，根系活力增强 78.57%。
       随生物炭料施入量的增加，土壤真菌和细菌的数量显著增加，且在生物炭料施入量为 1200 和1800 kg/hm² 时显著高出对照组 34.29% 和 37.14%。韩光明等发现，当生物炭料施入菠菜农田后，菠菜根际微生物（细菌、真菌、放线菌）的数量显著增加。可能是因为土壤微生物通过自身的生长发育将土壤中的营养固定在其体内，当微生物死亡之后其体内固定的营养元素会再次释放出来，成为土壤中的活化养分，利于根系的吸收利用，使根系对土壤养分的利用率大大增强，完善根系的形态建设，良好的根系形态对提高根系活力有积极的促进作用。但土壤放线菌数量无明显趋势，可能因为生物炭料施入土壤后所引起的微生物响应非常复杂，并且微生物生长具有各自特定的环境需求，因此，不同种类的微生物对生物炭料施用的响应具有多样性，可能导致土壤中微生物生物量各异的变化趋势。
       减氮条件下随着生物炭料施入量的增加，根系形态指标和根系活力呈现先增加后降低的变化趋势，说明生物炭料对根系的作用存在最优值，并非越高越好。可能是因为生物炭料的添加会改变土壤的容积密度，降低土壤容重，增加孔隙度，影响土壤中的水分条件与空气分布。生物炭料能够吸附土壤中的氨氮、硝态氮、磷、钾、镁等不同形态存在的营养元素。同时，施加生物炭料之后土壤的持水能力和供水能力得到提高，水溶性营养离子的溶解迁移就会减少，在这两个机制的协同作用下土壤中营养元素的淋失得到了抑制，并保证其在土壤中持续而缓慢地释放，增强土壤微生物多样性和土壤酶活进而提高养分的利用效率。但若生物质炭过量施入，可能会引起养分形成团聚体，虽能固定保存，但却不能在烟株需要时释放，尤其在土壤持水能力增强的情况下，土壤湿度过高而粘重，所形成的团粒结构不利于营养成分的及时释放，故而不能达到促进根系发育的最佳效果。