生物質(zhì)炭對植煙土壤質(zhì)量及烤煙生長的影響

管恩娜，管志坤，楊 波，董建新，胡希好，闞京軍，吳元華，張慶忠，李明光，梁洪波*（.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院青島煙草資源與環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站，農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點實驗室，青島2660；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 0008；.山東青島煙草有限公司，青島 26607；4.江西省煙草公司贛州市公司，江西 贛州 4000；.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 0008）

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生物質(zhì)炭對植煙土壤質(zhì)量及烤煙生長的影響

管恩娜1，2，管志坤3，楊 波1，4，董建新1，胡希好3，闞京軍3，吳元華1，張慶忠5，李明光3，梁洪波1*
（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院青島煙草資源與環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站，農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點實驗室，青島266101；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081；3.山東青島煙草有限公司，青島 266071；4.江西省煙草公司贛州市公司，江西 贛州 341000；5.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

摘 要：采用大田試驗，在當?shù)亓?xí)慣施肥的基礎(chǔ)上，添加不同比例的生物質(zhì)炭（2.25、4.50 t/hm2），探討了生物質(zhì)炭對植煙土壤理化性質(zhì)及烤煙生長的影響。結(jié)果表明，施加生物質(zhì)炭影響了植煙土壤的理化性質(zhì)，主要體現(xiàn)在0～10cm土層。與對照相比，生物質(zhì)炭處理提高了0～10cm土層土壤田間持水量、總孔隙度、土壤pH、有機質(zhì)和土壤CEC，同時還提高了土壤硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀的含量，降低了土壤容重及銨態(tài)氮的含量，且高施炭量的處理效果顯著。生物質(zhì)炭能促進烤煙生長過程中對鉀元素的吸收，降低打頂后烤煙磷、氮元素的吸收及干物質(zhì)的積累。與CK相比，移栽后90天，根干物質(zhì)量在2.25 和4.50 t/hm2水平下分別下降了5.58%和7.50%，莖和葉的干物質(zhì)量雖有所下降，但各處理間差異不顯著。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭；植煙土壤；理化性質(zhì)；烤煙；養(yǎng)分吸收

近年來，植煙土壤出現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)性變差、肥力下降、微生物大量減少等問題，導(dǎo)致煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量均有所下降［1-2］。生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在高溫（＜700 ℃）下熱解生成，是一種含碳豐富的固體物質(zhì)。作為土壤的直接輸入物質(zhì)，生物質(zhì)炭可改善土壤理化性質(zhì)，平衡土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力［3］。因此，生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面受到廣泛關(guān)注。目前生物質(zhì)炭對作物生長影響的研究主要集中在黑麥草、大豆、水稻、玉米等作物上［4-10］，在煙草應(yīng)用方面的研究剛剛起步。關(guān)于生物質(zhì)炭對植煙土壤理化性質(zhì)以及烤煙生長影響的研究較少，為此本研究探討了不同生物質(zhì)炭施用量對植煙土壤理化性質(zhì)及烤煙干物質(zhì)積累、養(yǎng)分元素吸收的影響，以期為生物質(zhì)炭改良植煙土壤、促進土壤可持續(xù)利用及指導(dǎo)烤煙生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2014年青島市黃島區(qū)六汪鎮(zhèn)（35°88′N，119°97′E）進行，供試品種K326，土壤類型為棕壤土，0～20cm土層的基本理化性質(zhì)為pH 4.30，有機質(zhì)8.44g/kg，全氮1.22g/kg，水解氮70.1mg/kg，有效磷 97.8mg/kg，速效鉀 185mg/kg，交換性鈣2.42 cmol/kg，交換性鎂1.04 cmol/kg。

生物質(zhì)炭從市場購買（原料為稻殼），基本理化性質(zhì)：pH 8.09，有機碳331.43g/kg，全氮4.06g/kg，全磷（以P計）1.36g/kg，全鉀（以K計）13.5g/kg，鈣3.30g/kg，鎂1.55g/kg，C/N為81.63。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)3個處理。CK：當?shù)亓?xí)慣施肥；T1：當?shù)亓?xí)慣施肥+生物質(zhì)炭2.25 t/hm2；T2：當?shù)亓?xí)慣施肥+生物質(zhì)炭4.50 t/hm2。生物質(zhì)炭采用壟上溝施的方式（溝深約10cm）。當?shù)亓?xí)慣施肥方案每公頃為：煙草專用復(fù)合肥 450kg ［m（N）：m（P2O5）：m（K2O）= 10：10：20］+復(fù)合肥 150kg［m（N）：m（P2O5）：m（K2O）= 15：15：15］+硫酸鉀 150kg［m（N）：m（P2O5）：m（K2O）= 0：0：50］+發(fā)酵餅肥360kg（N+P2O5+K2O≥5%，有機質(zhì)≥45%）+豆粕300kg（有機質(zhì)623.58g/kg）。每個處理3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，共9個小區(qū)，每個小區(qū)72 m2。起壟種植，行株距為120cm×50cm。2014年5月6日移栽，其他栽培管理措施按當?shù)爻Ｒ?guī)方法進行。

1.3 樣品采集及測定方法

1.3.1 樣品采集 在烤煙移栽后30、60、90 d采樣，每小區(qū)選取 3株有代表性的煙株，分根、莖、葉，在105 ℃下殺青15min，然后在70 ℃下烘干至恒質(zhì)量，稱重，粉粹后分析樣品中的氮、磷、鉀含量。收獲煙株后，用環(huán)刀采集0～10、10～20、20～30cm的原狀土壤，每個小區(qū)采用五點取樣法，相同土層混在一起，用于分析物理和化學(xué)指標。

1.3.2 測定方法 土壤田間持水量、容重、孔隙度、pH、有機質(zhì)、土壤陽離子交換量、有效磷、速效鉀等參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》的方法測定［11］。硝態(tài)氮采用紫外分光光度法；銨態(tài)氮采用靛酚藍比色法［12］。植株全氮、全磷、全鉀參照《土壤農(nóng)化分析》的方法測定［13］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel及SAS 9.2統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。單因素方差分析。同時α=0.05水平下進行Duncan’s多重比較［14］。

2 結(jié) 果

2.1 生物質(zhì)炭對植煙土壤物理性質(zhì)的影響

在0～10cm土層中，生物質(zhì)炭處理的土壤田間持水量均高于CK處理（表1）。相比于CK，T1和T2處理的田間持水量分別提高了 1.99%和 6.01%，高施炭量處理的作用顯著?？梢娚镔|(zhì)炭處理提高了耕層土壤田間持水量，增加了植煙土壤有效水含量。

在表層土壤，生物質(zhì)炭處理一定程度上降低了土壤容重。T1和T2處理的土壤容重分別比CK下降了0.12和0.21g/cm3，T2處理差異顯著。生物質(zhì)炭降低了土壤容重，對改善土壤結(jié)構(gòu)、耕性與土壤微生態(tài)環(huán)境等都具有重要意義。

施炭處理影響了土壤孔隙狀況，對不同類型的孔隙影響不同（表2）。0～10cm土層的土壤總孔隙度隨著施炭量的增加而提高。與CK相比，T1和T2處理的總孔隙度分別提高了4.46%和7.64%，促進效果明顯。在10～20cm的土層，生物質(zhì)炭處理顯著增加了土壤非毛管孔隙度，有助于改善土壤的通氣條件。除此之外，對其他土層的的土壤孔隙度均無顯著影響。

表1 不同生物質(zhì)炭用量對田間持水量和土壤容重的影響Table 1 Effect of different treatments on field capacity and soil bulk density

表2 不同生物質(zhì)炭用量對土壤孔隙度的影響 %Table 2 Effect of different treatments on soil porosity

2.2 生物質(zhì)炭對植煙土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤有效養(yǎng)分的影響

2.2.1 對植煙土壤化學(xué)性質(zhì)的影響 由表 3可知，生物質(zhì)炭顯著提高了表層土壤的 pH，隨施炭量的增加而增加；其他土層pH未產(chǎn)生顯著變化。在0～10cm土層，與CK相比，T1和T2處理的土壤pH分別提高了0.36和0.45，T2處理差異顯著。施加生物質(zhì)炭顯著提高了酸性土壤表層的 pH，有利于烤煙的生長發(fā)育。

由于碳的引入，生物質(zhì)炭處理的表層土壤有機質(zhì)含量比對照均有所提高（表3）。在0～10cm土層，有機質(zhì)含量表現(xiàn)為T2＞T1＞CK。與CK相比，T1處理的有機質(zhì)含量增加了16.08%，差異不顯著；T2處理顯著地提高了有機質(zhì)的含量，增加了52.94%。其他土層有機質(zhì)含量未產(chǎn)生顯著變化。

生物質(zhì)炭提高了土壤陽離子交換量（CEC）。在0～10cm土層，土壤CEC表現(xiàn)為T2＞T1＞CK，差異顯著。與CK相比，T1、T2處理的CEC分別提高了0.44和0.82 cmol/kg。在10～20cm土層，生物質(zhì)炭處理的CEC均高于CK處理。T1處理顯著高于CK處理，提高了6.39%。在20～30cm土層，生物質(zhì)炭處理的土壤CEC表現(xiàn)為T2＞T1＞CK，無顯著差異。

2.2.2 對植煙土壤有效養(yǎng)分的影響 由表 4看出，在0～10cm土層，生物質(zhì)炭處理的硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為T2＞T1＞CK。與CK相比，T1和T2處理的硝態(tài)氮分別提高了 4.46、12.46mg/kg，T2處理差異顯著。生物質(zhì)炭處理的銨態(tài)氮含量均低于CK處理，T1和 T2處理的銨態(tài)氮分別降低了 42.86%和16.22%，T1處理降低效果顯著。在10～20cm土層，相比于CK，T1和T2處理的硝態(tài)氮含量分別提高了56.42%和54.86%，增加效果顯著，這與生物質(zhì)炭促進硝化作用有關(guān)。隨著施炭量的增加，土壤銨態(tài)氮含量表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，T2處理與對照處理無顯著差異。

表3 不同生物質(zhì)炭用量對植煙土壤化學(xué)性質(zhì)的影響Table 3 Effect of different treatments on the chemical properties of tobacco-planting soil

在0～10cm土層，生物質(zhì)炭處理的土壤有效磷含量表現(xiàn)為T1＞T2＞CK，生物質(zhì)炭處理均高于CK處理。與CK相比，T1和T2處理有效磷分別增加了61.48%和29.69%，低施炭量處理的土壤有效磷含量顯著高于高施炭量處理，可見，適量生物質(zhì)炭可以有效的增加表層土壤的有效磷含量，對其他土層的有效磷含量無顯著影響。

與CK相比，T1和T2處理在0～10、10～20、20～30cm土層速效鉀含量分別提高了 125.58%和130.44%、40.99%和58.83%、38.23%和23.40%，增加效果顯著。生物質(zhì)炭提高了不同土層的速效鉀含量，差異顯著，這與生物質(zhì)炭本身含有較高量的鉀元素，且鉀元素易淋失有關(guān)。

表4 不同生物質(zhì)炭用量對植煙土壤有效養(yǎng)分的影響 mg/kgTable 4 Effect of different treatments on available nutrients of tobacco-planting soil

2.3 生物質(zhì)炭對烤煙生長的影響

2.3.1 對烤煙氮磷鉀養(yǎng)分吸收的影響 由表5可見，生物質(zhì)炭影響了烤煙不同器官氮素的吸收。移栽后30 d，與CK相比，T1和T2處理的根氮含量分別提高了10.61%和39.11%，T2處理差異顯著。莖和葉的氮含量有所增加，無顯著差異。移栽后 60 d，T2處理的根、莖、葉氮含量相比于CK分別下降了1.66%、23.25%和11.70%，差異顯著。移栽后90 d，生物質(zhì)炭處理的根和莖氮含量出現(xiàn)顯著降低，而葉氮含量呈下降趨勢，差異不顯著?？梢?，隨著生物質(zhì)炭用量增加，烤煙生長前期煙葉氮素吸收有增加趨勢，而到了后期卻有相反趨勢。

由表5看出，與CK相比，生物質(zhì)炭處理對移栽后30 d各器官磷含量的影響差異不顯著。移栽后60 d，相比于CK，T1處理不同器官的磷含量差異不顯著；T2處理的根、莖、葉的磷含量分別下降了15%、13.64%和13.79%，差異顯著。也就是說，高施用量生物質(zhì)炭處理（4.50 t/hm2）顯著降低烤煙對磷元素的吸收。移栽后90 d，T1和T2處理促進了根系對磷元素的吸收，T2處理差異顯著；莖和葉的磷含量無顯著差異。

生物質(zhì)炭能促進不同時期烤煙對鉀元素的吸收。移栽后30 d，與CK相比，T1和T2處理的根系鉀含量分別增加了29.95%和30.92%，增加效果顯著。移栽后60 d，T1和T2處理顯著降低根系鉀含量，與CK相比分別降低了21.43%和34.96%，差異顯著，原因是移栽后 30～60 d，烤煙進入旺長期，地上部生長迅速，鉀的可移動性強，大部分由根部轉(zhuǎn)移到地上部分。地上部的鉀含量變化也說明了這一點，隨施炭量的增加，莖和葉的鉀含量呈增加趨勢。移栽后90 d，生物質(zhì)炭處理顯著提高了烤煙各器官鉀元素的吸收，有利于烤煙品質(zhì)的提高；T1和T2處理之間鉀含量無顯著差異。

2.3.2 對烤煙干物質(zhì)積累量的影響 由表 6可知，移栽后30 d，各器官的干物質(zhì)量隨著施炭量的增加呈增加趨勢，只有T2處理的葉干物質(zhì)量與對照相比達到了顯著差異，增加了34.73%。移栽后60 d，烤煙各器官干物質(zhì)積累量受生物質(zhì)炭影響較小，處理間差異不顯著。移栽后90 d，與CK相比，生物質(zhì)炭處理的不同器官的干物質(zhì)積累量呈下降趨勢。與CK相比，T1和T2處理的根干物質(zhì)量顯著下降，分別為5.58%和7.50%；莖和葉的干物質(zhì)量有所下降，差異不顯著。

3 討 論

3.1 生物質(zhì)炭對植煙土壤理化性質(zhì)的影響

生物質(zhì)在裂解生成生物質(zhì)炭時，自身內(nèi)部熔陷，形成了孔徑大小不一的微小孔隙［15］，比重較小，施入土壤后能增加土壤孔隙度，降低土壤容重，提高土壤的保水性。本研究表明，生物質(zhì)炭能提高土壤田間持水量，降低土壤容重，改善土壤孔隙狀況，這與陳紅霞等［8］和顏永豪等［16］的研究結(jié)果一致。

表5 生物質(zhì)炭對烤煙不同部位氮磷鉀含量的影響 %Table 5 Effects of biochar on nitrogen， phosphorus and potassium content of different organs of flue-cured tobacco

表6 不同生物質(zhì)炭用量烤煙根、莖、葉干物質(zhì)積累量 g/株Table 6 Dry matter accumulation of tobacco root， stem and leaf at different treatments

土壤pH是土壤酸堿性的一個重要指標。生物質(zhì)炭呈堿性，可以中和土壤酸性物質(zhì)，且生物質(zhì)炭含有可溶態(tài)的灰分元素如K、Ca、Mg，促進土壤鹽基飽和度的提高［17］，進而提高土壤pH。本試驗中施炭處理分別提高了0.36和0.45個pH單位，提升效果顯著。生物質(zhì)炭經(jīng)過熱解后其比表面積增大，顯著增加了表面的含氧官能團，從而提高陽離子交換能力［18］。結(jié)果顯示施炭土壤CEC均高于CK處理。相比于CK，T2處理的CEC在0～10、10～20、20～30cm土層分別提高了13.10%、4.47%、6.11%，這與其他人的研究結(jié)果一致［8，18-19］。一般認為CEC小于10 cmol/kg的土壤保肥力較低［20］，試驗中土壤CEC均小于10 cmol/kg，土壤保肥能力不高，有待于進一步改善。生物質(zhì)炭能顯著提高表層土壤有機質(zhì)的含量，其性質(zhì)穩(wěn)定，難以分解是有機質(zhì)增加的主要原因。但也有研究顯示［21］，長期或高量施用生物質(zhì)炭可能會對土壤有機碳的品質(zhì)產(chǎn)生不良影響，減弱土壤有機質(zhì)的活性。因此要根據(jù)用地養(yǎng)地情況適量施用生物質(zhì)炭，以達到改善土壤理化性質(zhì)，促進煙株生長發(fā)育的目的。

生物質(zhì)炭能夠通過改善土壤理化性質(zhì)［22］、提高微生物數(shù)量和多樣性［23］以及對銨態(tài)氮吸附提供充足底物［24］促進土壤硝化作用。本試驗結(jié)果表明，施炭處理的表層土壤硝態(tài)氮含量增加，銨態(tài)氮含量減少。除氮元素外，施炭處理的土壤有效磷和速效鉀也相應(yīng)增加。生物質(zhì)炭本身含有一些可溶性的磷元素和鉀元素，可以增加土壤磷和鉀的含量；而且施入土壤后增加了相關(guān)酶的活性［25-26］，促進了更多營養(yǎng)元素的釋放。有研究發(fā)現(xiàn)添加生物質(zhì)炭增加了堿性磷酸酶的活性，產(chǎn)生了更多的有效磷供微生物和植物使用［26］。此外，生物質(zhì)炭的吸附性也起到了一定的作用，可以吸附營養(yǎng)元素，減少淋失。

3.2 生物質(zhì)炭對烤煙生長發(fā)育的影響

本試驗結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭能促進烤煙對鉀元素的吸收，降低后期（90 d）磷、氮元素的含量，這與王冬冬等［6］的研究一致。生物質(zhì)炭的吸附性比普通的土壤膠體粒子高出幾個數(shù)量級［27］，可能會對土壤中的養(yǎng)分元素產(chǎn)生滯留束縛效應(yīng)［5-6］。此外，稻殼基生物炭C/N比高和部分生物炭分解導(dǎo)致氮的固定，短期內(nèi)在一定程度上限制了植株對有效N的吸收［28］。土壤C/N升高，微生物大量繁殖，消耗一部分氮素，進而影響植株根系對養(yǎng)分的吸收［29］。試驗結(jié)果顯示施炭處理降低了大田后期烤煙干物質(zhì)積累量，這與施入生物質(zhì)炭能顯著提高作物產(chǎn)量的研究結(jié)果有所不同［4-5，9］，其原因有待進一步探討。

生物質(zhì)炭對作物生長發(fā)育的影響隨時間變化，Major等［10］在哥倫比亞熱帶草原施用生物質(zhì)炭后發(fā)現(xiàn)，除第1年外，后3年玉米產(chǎn)量連續(xù)提高。因此，關(guān)于生物質(zhì)炭對烤煙氮磷鉀的吸收、轉(zhuǎn)運及干物質(zhì)積累的長期影響還需進一步探討。

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Effects of Biochar on Tobacco-planting Soil Quality and Flue-cured Tobacco Growth

GUAN Enna1，2， GUAN Zhikun3， YANG Bo1，4， DONG Jianxin1， HU Xihao3， KAN Jingjun3，WU Yuanhua1， ZHANG Qingzhong5， LI Mingguang3， LIANG Hongbo1*
（1.Key Laboratory of Tobacco Biology and Processing， Ministry of Agriculture， Qingdao Tobacco Resources and Environment Field Station of CAAS， Tobacco Research Institute of CAAS， Qingdao 266101， China； 2.Graduate School of CAAS， Beijing 100081，China； 3.Qingdao Tobacco Company of Shandong Province， Qingdao 266071， China； 4.Ganzhou Tobacco Company of Jiangxi Province， Ganzhou， Jiangxi 341000， China； 5.Institute of Agro- Environment and Sustainable Development， Chinese Academy of Agriculture Sciences， Beijing 100081， China）

Abstract:Based on the local fertilization practice， by adding different proportions of biochar （2.25， 4.50 t/hm2）， a field experiment was designed to study the potential effect of biochar application on tobacco-planting soil quality and flue-cured tobacco growth.The results indicated that the application of biochar influenced the physical and chemical properties of the tobacco-planting soil，especially the topsoil （0-10cm）.In the 0-10cm layer， compared with the control， application of biochar increased the soil field capacity， soil porosity， pH， organic matter and the content of soil CEC.Meanwhile， biochar application improved the contents of soil NO3--N，available phosphorous and available potassium and reduced the soil bulk density and soil NH4+-N content.The high biochar treatment showed more significant effects.In the process of flue-cured tobacco growth， adding biochar could promote the absorption of potassium，while reduce the absorption of phosphorus and nitrogen and decrease dry matter accumulation of tobacco after topping.At 90 days after transplanting， compared with the control， root dry weight significantly decreased by 5.58%， 7.05% at 2.25 and 4.50 t/hm2biochar application levels respectively.Dry mass of stems and leaves were not significantly different between the control and the biochar treatments.

Keywords:biochar； tobacco-planting soil； physical and chemical property； flue-cured tobacco； nutrient uptake

中圖分類號：S572.062

文章編號：1007-5119（2016）02-0036-06

DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2016.02.007

基金項目：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費預(yù)算增量項目“烤煙秸稈利用技術(shù)研究與示范”（2014ZL017）；山東青島煙草有限公司科技項目“煙草秸稈炭化利用技術(shù)研究與開發(fā)”（2013QY001）

作者簡介：管恩娜（1991-），女，碩士研究生，研究方向為煙草栽培。E-mail：18562867412@163.com。*通信作者，E-mail：lhb1961@126.com

收稿日期：2015-11-05 修回日期：2016-03-15