Effects of Combined Application of Seaweed Residue and Magnesium on Physicochemical Properties of Red Soil and Tobacco Growth

HUANG Zhenrui; CHEN Diwen; LI Jiqin; LI Shuling

doi:10.3969/j.issn.1000-2561.2020.09.011

2020 , Vol. 41 >Issue 9: 1797 - 1802

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2020.09.011

Plant Cultivation, Physiology & Biochemistry

Effects of Combined Application of Seaweed Residue and Magnesium on Physicochemical Properties of Red Soil and Tobacco Growth

HUANG Zhenrui ¹ ,
CHEN Diwen ^,²^,^* ,
LI Jiqin ¹ ,
LI Shuling ¹

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1. Crops Research Institute, Guangdong Academy of Agricultural Sciences / Guangdong Provincial Engineering & Technology Research Center for Tobacco Breeding and Comprehensive Utilization / Guangdong Provincial Key Laboratory of Crop Genetics and Improvement, Guangzhou, Guangdong 510640, China
2. Institute of Bioengineering, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou, Guangdong 510316, China

*CHEN Diwen, E-mail: chendiwen@126.com.

Received date: 2019-10-16

Request revised date: 2019-11-18

Online published: 2020-10-16

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Abstract

To improve the soil fertility and tobacco growth in red soil areas for its strong soil acidity, low available nutrient content and poor air permeability, the soil physicochemical properties and tobacco growth with the application of magnesium sulfate and seaweed residue were investigated. A pot experiment with 6 treatments was conducted, i.e., CK: Control, without magnesium and seaweed residue, MS: Single application of 0.375 g magnesium sulfate per 1 kg soil, SF: Single application of seaweed residue 50 g per 1 kg soil, C₁: Application of 0.375 g magnesium sulfate + 50 g seaweed residue per 1 kg soil, C₂: Application of 0.563 g magnesium sulfate +75 g seaweed residue per 1 kg soil, C₃: Application of 0.75 g magnesium sulfate +100 g seaweed residue per 1 kg soil. The effects of seaweed residue and magnesium on soil pH, organic carbon, mineral nutrient content, soil bulk density, and porosity, agronomic characteristics of tobacco and mineral nutrient contents of tobacco leaves were analyzed. The results showed that with the application of magnesium sulfate, seaweed residue alone or magnesium sulfate with seaweed residue, the agronomic traits, such as plant height, stem diameter, leaves of tobacco and biomass were significantly improved. Meanwhile, the contents of P and Mg in the tobacco leaves were significantly increased under the application of magnesium sulfate only. In addition, the contents of P, K and Mg in the tobacco leaves were also significantly higher in the application of seaweed residue alone or combined with magnesium sulfate. Compared with CK, soil pH of C₃ treatment was significantly increased by 0.38 units, and the contents of alkaline - N, available - P, available- K, exchangeable - Ca and exchangeable - Mg were increased by 42.85%, 60.01%, 33.73%, 253.02% and 689.07% respectively. Soil organic carbon content of C₁, C₂ and C₃ treatments increased by 212.9%, 385.7% and 540.7% than that of CK, respectively. The soil pH and soil organic carbon content were increased significantly with magnesium sulfate and seaweed residue application. The contents of available phosphorus, available potassium, exchangeable calcium and magnesium in soil were significantly increased by applying seaweed residue alone or in combination with magnesium. The application of seaweed residue alone or in combination with magnesium could significantly reduce soil bulk density and increase total soil porosity. Compared with CK, C₃ treatment significantly reduced soil bulk density by 9.78%, and increased total porosity by 8.87%. It suggests that the growth of tobacco and physicochemical properties of red soil could be significantly improved by application with seaweed residue.

Key words： seaweed residue; magnesium; red soil; tobacco; physical and chemical properties of soil

Cite this article

HUANG Zhenrui , CHEN Diwen , LI Jiqin , LI Shuling . Effects of Combined Application of Seaweed Residue and Magnesium on Physicochemical Properties of Red Soil and Tobacco Growth[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2020 , 41(9) : 1797 -1802 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.09.011

烟草是我国南方红壤地区湖南、江西、广东等省份一种重要的经济作物。由于红壤本身矿质养分低、土壤pH低、有机质低以及土壤物理结构差等特性,若不经过改良,包括烟草在内很多作物生长均表现欠佳^[1]。烟草一般种植在经济欠发达的偏远地区,农民对于科学施肥知识掌握不足,往往只关注氮、磷、钾等大量元素应用而忽视了中微量元素的施用,只注重化肥的施用而忽视了有机肥的应用。镁是烟草生长必需的营养元素,施镁能增强叶片光合作用,提高烟叶的产量,改善烟叶品质^[2,3,4]。海藻渣是海藻加工产业的废弃物,在海藻的加工利用过程中,海藻的有效营养成分不能被完全提取出来,因此海藻残渣中富含丰富的营养物质,包括海藻酸、蛋白质、氨基酸、甘露醇、果胶、甜菜碱及各种矿物质元素等^[5],在农业上可以作为一种栽培基质配料^[6,7],也可以作为植物的肥料如有机肥等^[8,9]或者动物的饲料原料等^[10]。另外,食品^[11,12]、化工^[13,14]、环境^[15,16]、医药^[17]等领域也有一些应用。农业中肥料领域研究中,对于海藻渣的处理降解工艺已有多个研究报道,主要利用微生物或酶在不同条件下进行发酵^[18,19]。施用效果方面的研究表明,海藻渣可以改善土壤或基质结构,提高作物产量,改善作物品质^{[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]}。肖伟等^[21]研究表明,海带渣发酵微生物菌肥作为土壤添加剂提高了土壤抑制病原菌活性的能力,可用于特异抑菌土壤的培育。目前,有关海藻渣作为红壤改良剂以及对烟草生长的影响研究较少,本试验通过研究硫酸镁和海藻渣配合施用对烟草生长及红壤理化性质的影响,探讨镁和海藻渣配合作为土壤改良剂的可行性,为其在烟草上进行应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试红壤取自广东省韶关市,其理化性质为：pH 5.35,速效钾45.6 mg/kg,速效磷5.9 mg/kg,碱解氮38.1 mg/kg,有机碳含量3.2 g/kg,交换性钙（Exc-Ca）63.3 mg/kg,交换性镁（Exc-Mg）2.1 mg/kg。烟草品种为‘云烟87’,玉溪中烟种子公司生产。硫酸镁为MgSO₄•7H₂O化学纯试剂（氧化镁含量16%）,海藻渣为泡叶藻进行海藻活性物质提取后剩余残渣,由青岛明月集团公司提供,风干后测得其化学性质：pH 8.49,氮（N）18.8 g/kg,磷（P）2.5 g/kg,钾（K）20.2 g/kg,钙（Ca）2.2 g/kg,镁（Mg）1.8 g/kg,有机碳215.8 g/kg。

1.2 方法

1.2.1 试验设计采用盆栽试验,于广州日光温室进行。试验设置6个处理,CK：对照,不加镁和海藻渣;MS：硫酸镁单施,每公斤土加入MgSO₄•7H₂O 0.375 g;SF：海藻渣单施,每公斤土加入海藻渣50 g;C₁：硫酸镁与海藻渣配施（1）,每公斤土加入MgSO₄•7H₂O 0.375 g+海藻渣50 g;C₂：硫酸镁与海藻渣配施（2）,每公斤土加入MgSO₄•7H₂O 0.563 g+海藻渣75 g;C₃：硫酸镁与海藻渣配施（3）,每公斤土加入MgSO₄•7H₂O 0.750 g+海藻渣100 g。硫酸镁和海藻渣与土壤充分混匀后移栽烟草幼苗。每个处理重复4次,共24盆。每盆装5 kg土壤,底肥施用0.4 g KH₂PO₄,0.5 g KNO₃,0.7 g Ca(NO₃)₂,与土壤混匀。烟草于2018年9月20日播种育苗,出苗50 d后移栽,然后再培养75 d收获。

1.2.2 指标测定收获时,测定烟株农艺性状、生物量（鲜重）,然后采集、处理和保存植物样品以及土壤（收获烟草后）样品。土壤样品测定：测定pH;重铬酸钾容量法测定有机碳（SOC）;碱解扩散法测定碱解氮（SAN）;钼锑抗比色法测定速效磷（SAP）;火焰光度法测定速效钾（SAK）;原子吸收分光光度法测定交换性钙（Exc-Ca）、交换性镁（Exc-Mg）。植物样品（全部叶片）测定：凯氏定氮法测定氮（N）;钼锑抗比色法测定磷（P）;火焰光度法测定钾（K）;原子吸收分光光度法测定钙、镁（Ca,Mg）。

土壤容重、总孔隙度分析：于植株收获后,采用200 cm³环刀取原状土,将取回的原状土样品使用干燥箱在105 ℃下干燥24 h后测定土壤容重。土壤总孔隙度计算式为P=1–ρb/ρB,式中：P为土壤总孔隙度,ρb为土壤干容重（g/cm³）,ρB为土壤比重,取2.65 g/cm³。

1.3 数据处理

所有数据通过Excel软件整理收集,采用SPSS 19.0软件进行统计分析,采用邓肯氏新复极差法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对烟草生物量和农艺性状的影响

由表1可以看出,硫酸镁单施、海藻渣单施及硫酸镁与海藻渣配施的处理生物量干重相比对照处理均得到显著提高,说明烟草植株生长状况得到改善。其中,施用硫酸镁与海藻渣配施的3个处理生物量干重显著高于硫酸镁（MS）和海藻渣（SF）单独施用的处理,生物量干重随着硫酸镁与海藻渣配施施用量的增加而增加。硫酸镁单施、海藻渣单施及硫酸镁与海藻渣配施的处理株高、最大叶宽和最大根长均显著高于对照处理,硫酸镁与海藻渣配施的3个处理最大节距、叶片数、最大叶长均显著高于对照处理,另外硫酸镁与海藻渣配施的C₂和C₃处理的茎粗显著高于对照处理。

表1 不同处理下烟草生物量和农艺性状

Tab. 1 Biomass and agronomic characters of tobacco seedlings under different treatments

处理 Treatment	单株干重 Dry weight per plant/g	株高 Plant height/cm	茎粗 Stem diameter/mm	最大节距 Maximum pitch/cm	叶片数 Number of blades	最大叶长 Maximum leaf length/cm	最大叶宽 Maximum leaf width/cm	最大根长 Maximum root length/cm	根冠比 Root-shoot ratio
CK	18.37^e	51.0^e	7.0^c	4.1^c	11.5^b	18.5^c	4.8^c	7.7^c	0.15^a
MS	24.77^d	64.5^d	7.5^bc	5.0^bc	13.5^ab	21.0^bc	7.5^b	10.3^b	0.16^a
SF	28.50^c	70.0^cd	9.5^abc	5.0^bc	14.3^a	24.0^b	10.5^ab	10.9^b	0.16^a
C₁	37.69^b	74.5^bc	9.3^abc	5.3^b	14.5^a	29.8^a	10.5^ab	12.3^b	0.16^a
C₂	40.47^ab	80.3^ab	10.5^ab	5.4^ab	15.3^a	31.5^a	11.5^a	12.5^ab	0.16^a
C₃	43.06^a	83.3^a	10.8^a	6.2^a	14.8^a	30.5^a	12.0^a	14.6^a	0.18^a

	注：同列数据后不同字母表示差异显著（P<0.05）。
	Note: The data labeled with different lowercase letters in the same column are significantly different at 5%.

2.2 不同处理对烟叶部分营养元素的影响

硫酸镁单施、海藻渣单施及硫酸镁与海藻渣配施对烟草叶片中P、K和Mg养分元素含量具有较大影响,而对N的影响较小（表2）。与对照相比,硫酸镁单施处理中烟叶的P和Mg含量显著提高而N和K无显著差异;海藻渣单施及硫酸镁与海藻渣配施的处理,烟叶P、K和Mg含量比对照显著提高,其中硫酸镁与海藻渣配施C₃处理N含量比对照显著提高。从养分累积量来看,不同处理的差异更为显著。与对照处理相比,单施硫酸镁处理烟叶的P、K和Mg累积量显著提高而N累积量差异不显著;单施海藻渣及硫酸镁与海藻渣配施的处理,烟叶N、P、K和Mg累积量比对照显著提高,硫酸镁与海藻渣配施的3个处理中随着其施用量的增加,烟叶各种养分累积量也逐渐增加,其中硫酸镁与海藻渣配施C₃处理的叶片各种养分累积量均为最高。

表2 不同处理下烟叶氮磷钾镁含量

Tab. 2 N, P, K and Mg contents in leaves of tobacco under different treatments

处理 Treatment	养分含量Nutrient content/%				单株养分累积量Nutrient accumulation per plant/g
处理 Treatment	N	P	K	Mg	N	P	K	Mg
CK	3.07^b	0.38^b	3.02^b	0.31^c	0.56^c	0.07^d	0.55^e	0.06^d
MS	3.14^ab	0.49^a	3.12^b	0.48^ab	0.78^bc	0.12^c	0.77^d	0.12^c
SF	3.11^ab	0.51^a	3.36^a	0.42^b	0.89^b	0.15^bc	0.95^c	0.12^c
C₁	3.22^ab	0.49^a	3.43^a	0.47^ab	1.22^a	0.18^ab	1.29^b	0.18^b
C₂	3.20^ab	0.50^a	3.38^a	0.50^ab	1.30^a	0.20^a	1.37^ab	0.20^ab
C₃	3.33^a	0.51^a	3.34^a	0.53^a	1.43^a	0.22^a	1.44^a	0.23^a

	注：同列数据后不同字母表示差异显著（P<0.05）。
	Note: The data labeled with different lowercase letters in the same column are significantly different at 5%.

2.3 不同处理对土壤pH的影响

从图1可见,单施硫酸镁、单施海藻渣及硫酸镁与海藻渣配施的C₁和C₂处理的土壤pH和对照相比没有显著差异,而硫酸镁与海藻渣配施的C₃处理比对照提高0.38个单位,且差异达显著水平。

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图1 不同处理下土壤pH

处理Treatment不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Fig. 1 pH value of soil under different treatments

Different lowercase letters indicate variance analysis reached significant difference at the 0.05 level.

2.4 不同处理对土壤有机碳含量的影响

从图2可以看出,单施硫酸镁处理的土壤有机碳含量变化不明显,和对照相比无显著差异;而单施海藻渣及硫酸镁与海藻渣配施处理土壤有机碳含量均有显著增加,且随着硫酸镁与海藻渣配施的施用量增加而增加,海藻渣单施处理和硫酸镁与海藻渣配施C₁、C₂和C₃处理分别比对照提高190.1%、212.9%、385.7%和540.7%。

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图2 不同处理下土壤有机碳含量

处理Treatment不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Fig. 2 Organic carbon of soil under different treatments

Different lowercase letters indicate variance analysis reached significant difference at the 0.05 level.

2.5 不同处理对土壤养分含量的影响

从表3可见,与对照相比,单施硫酸镁处理的土壤交换性镁含量大幅增加,碱解氮、速效钾、有效磷和交换性钙含量无显著差异;单施海藻渣及硫酸镁与海藻渣配施处理土壤有效磷、速效钾、交换性钙和交换性镁含量相比对照均显著增加,且随着配施用量的增加而土壤养分含量提高幅度逐渐增大。其中,C₃处理中碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙和交换性镁含量分别比对照提高42.85%、60.01%、33.73%、253.02%和689.07%。

表3 不同处理下土壤养分含量

Tab. 3 Soil nutrient content under different treatments mg/kg

处理 Treatment	碱解氮 Alkaline nitrogen	有效磷 Available phosphorus	速效钾 Available potassium	交换性钙 Exchangeable calcium	交换性镁 Exchangeable magnesium
CK	36.26^c	17.86^b	45.94^c	75.50^d	15.10^f
MS	38.37^c	18.75^b	50.14^bc	80.63^d	54.95^d
SF	39.38^c	20.74^a	61.27^ab	123.97^c	36.58^e
C₁	40.89^bc	21.15^a	56.16^a	131.28^c	79.54^c
C₂	44.82^b	26.69^a	63.04^a	192.30^b	105.50^b
C₃	51.81^a	28.57^a	61.43^a	266.53^a	119.15^a

	注：同列数据后不同字母表示差异显著（P<0.05）。
	Note: The data labeled with different lowercase letters in the same column are significantly different at 5%.

2.6 不同处理对土壤容重和总孔隙度的影响

从表4可见,与对照相比,单独施用硫酸镁处理的土壤容重和总孔隙度与对照无显著差异;单施海藻渣及硫酸镁与海藻渣配施处理土壤容重均比对照显著降低,总孔隙度均比对照显著提高,且各处理对土壤容重和总孔隙度的影响随着海藻渣用量的增加而增大。其中,硫酸镁与海藻渣配施C₃处理土壤容重最低,与对照处理相比降低9.78%,而总孔隙度最高,比对照提高8.87%。

表4 不同处理下的土壤容重和总孔隙度

Tab. 4 Soil bulk density and total porosity under different treatments

处理 Treatment	土壤容重 Soil bulk density/(g·cm^-3)	总孔隙度 Total porosity
CK	1.26^a	0.525^c
MS	1.26^a	0.530^c
SF	1.21^b	0.545^b
C₁	1.20^b	0.545^b
C₂	1.17^c	0.559^a
C₃	1.14^c	0.571^a

	注：同列数据后不同字母表示差异显著（P<0.05）。
	Note: The data labeled with different lowercase letters in the same column are significantly different at 5%.

3 讨论

3.1 硫酸镁和海藻渣对烟草生长及叶片养分含量的影响

研究表明,施用镁肥可以促进烟草生长发育^[3],提高烟叶产量^[22],改善烟叶品质^[4]。在本试验中,由于试验土壤镁含量很低,对照的烟草生长相对较差,施用硫酸镁和海藻渣后,烟草植株生物量增加,生长状况得到明显改善。从单独施用硫酸镁和海藻渣烟草生长情况比较来看,单独施用海藻渣处理,烟草生物量要显著高于单独施用硫酸镁的处理,说明海藻渣对烟草生长具有更好的促进作用。从农艺性状来看,二者配合施用随着施用量的增加烟草生物量逐渐增加,说明硫酸镁和海藻渣配施对烟草生长具有促进作用。研究表明,海藻活性物质能促进作物根系生长,从而提高作物产量和对养分的吸收利用^[23,24],因此,本试验中,海藻渣处理以及海藻渣与镁肥配施处理的烟草根长显著增加,这可能与海藻渣中的活性物质刺激烟草根系生长有关。

试验结果表明,硫酸镁和海藻渣配施条件下,烟草生物量增加的同时养分积累量也逐渐增加,说明海藻渣与镁配施有利于烟草对养分元素的吸收利用。但二者对烟叶养分含量的影响有所差别。与对照处理相比,硫酸镁处理中烟叶的P和Mg含量升高,而海藻渣处理的烟叶P、K和Mg含量升高,且海藻渣处理烟叶K含量显著高于硫酸镁处理,这可能一方面与海藻渣处理刺激根系生长从而增强作物对养分吸收有关,另一方面可能与海藻渣中钾含量较高有关,随着海藻渣的施用量增大,烟叶中的钾含量也逐渐增加。

3.2 硫酸镁和海藻渣对土壤肥力的影响

土壤有效养分和有机碳含量是与土壤肥力密切相关的指标。本试验所用的红壤土壤肥力较低,不仅大量元素氮磷钾含量不高,中量元素钙和镁含量也较低。本试验中跟对照处理相比,硫酸镁单独施用处理,对土壤镁含量具有显著提升作用,但对于其他养分指标无明显变化。单独施用海藻渣处理土壤有效磷、速效钾、交换性钙和交换性镁含量都得到显著提升。研究表明,施用海藻提取物能提高土壤中碱解氮、有效磷及速效钾含量,降低土壤对外源磷的固定,提高磷的有效性^[25],同时显著提高烟叶产量^[26]。另外,硫酸镁和海藻渣配施对土壤有效养分的提升都具有促进作用,养分指标随着施用量的增加而升高。施用海藻渣的处理,土壤有机碳含量得到显著提升,主要原因是海藻渣本身的有机质含量较高,对于提升土壤有机质具有良好的效果,这与韦增辉等^[27]的研究结果一致。

3.3 硫酸镁和海藻渣对红壤pH及物理结构的影响

土壤pH高低对土壤肥力以及土壤微生物群落结构有很大的影响^[28,29]。研究表明,施用硫酸镁会降低土壤pH^[30,31],而本试验结果中,单独施用硫酸镁的处理,土壤pH和对照无显著差异,可能是与施用量不大有关。海藻渣及与镁配施的处理,土壤pH均得到显著提高,这与海藻渣本身为碱性有关,且施用量越大,土壤pH提高幅度越大。土壤容重和孔隙度是土壤熟化程度指标,熟化程度较高的土壤其容重较小,孔隙度大,这2个指标也是影响作物生长的重要物理参数。土壤容重大,表明土壤紧实,不利于透水、通气、扎根等;土壤容重小,又会使有机质分解过速,并使植物根系扎不牢而易倾倒。研究表明,施用海藻肥可以明显降低土壤容重,改良土壤,促进烟草植株生长,显著提高烟叶产量^[26]。随着土壤酸化、施肥不平衡造成土壤结构退化导致作物产量难以提升的现象日趋严重,越来越多的烟草种植区开始使用土壤调理剂来改良土壤^[32,33]。海藻渣和硫酸镁对于改良土壤具有良好效果,是理想的土壤调理剂原料。

4 结论

在本研究条件下,硫酸镁和海藻渣配施可以有效改善土壤理化性质,每千克土施用0.563~ 0.75 g硫酸镁与75~100 g海藻渣条件下可以增加土壤有机碳含量,提高土壤氮、磷、钾、钙和镁等养分含量,同时降低土壤容重并提高土壤总孔隙度,促进烟草对矿质养分的吸收及改善烟草生长状况,从而提高烟草生物量。

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