生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分及煙葉各時(shí)期化學(xué)成分的動(dòng)態(tài)影響

梁仲哲 齊紹武 淡俊豪 靳輝勇 朱益 和七紅

摘要[目的]探究生物炭施用量對(duì)土壤改良及煙葉發(fā)育的影響。[方法]以云煙87為試驗(yàn)材料，生物炭施用量設(shè)4個(gè)水平：CK（0）、T1（2 250 kg/hm2）、T2（4 500 kg/hm2）、T3（6 750 kg/hm2），研究不同稻稈生物炭施用量對(duì)土壤養(yǎng)分及煙葉的作用效果。[結(jié)果]生物炭在前期增加煙葉還原糖、總糖、淀粉含量而后期則降低其含量。對(duì)于總氮及氯的影響較小，尼古丁則呈降低態(tài)勢(shì)。使煙葉化學(xué)成分更加協(xié)調(diào)，從而提高吸食品質(zhì)。土壤生物炭能增加有機(jī)質(zhì)含量，提高pH值，增加速效鉀含量，減少速效磷含量，堿解氮?jiǎng)t呈現(xiàn)先增加后減少。綜合土壤養(yǎng)分與煙葉品質(zhì)結(jié)果，施用生物炭4 500 kg/hm2處理組效果最佳。[結(jié)論]該研究可為生物炭的合理施用提供參考。

關(guān)鍵詞生物炭；土壤養(yǎng)分；煙葉成分；不同時(shí)期；動(dòng)態(tài)影響

中圖分類(lèi)號(hào)S572文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）21-0120-03

Effects of Biochar on Soil Nutrients and Chemical Components of Tobacco Leaves

LIANG Zhongzhe1， QI Shaowu1，2*， DAN Junhao1 et al

（ 1.College of Agronomy， Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410000；2.Hunan Hybrid Rice Research Center，Changsha，Hunan 410128）

Abstract[Objective]In order to investigate the effects of biochar application on soil improvement and tobacco leaf development.[Method ]Taking Yunyan 87 as test material， the biochar was set at 4 levels： CK （0）， T1 （2 250 kg/hm2）， T2（4 500 kg/hm2）， T3 （6 750 kg/hm2）.The effects of different rice straw biochar on soil nutrients and tobacco leaves were studied. [Result] Biochar increased the content of reducing sugar， total sugar and starch in the early stage， but decreased the content of the latter. The effects of biochar on nicotine and total nitrogen were light， and nicotine decreased. The chemical composition of tobacco leaves was more coordinated and the smoking quality was improved. The soil biochar could increase the content of organic matter， increase the pH value， increase the content of available potassium and reduce the content of available phosphorus. available nitrogen increased firstly and then decreased. The results of integrated soil nutrient and tobacco leaf quality were the best when application quantity of biochar was 4 500 kg/hm2.[Conclusion] The research can provide reference for situable application of biochar.

Key wordsBiochar；Soil nutrient；Tobacco composition；Different periods；Dynamic influence

煙草由于長(zhǎng)年連作，連續(xù)施用化肥，造成土壤板結(jié)，氮炭比增大，元素利用率低下，煙株發(fā)育不良，煙田病害多發(fā)，煙葉質(zhì)量下降[1]。因此，提升煙葉產(chǎn)品質(zhì)量是急需解決的難題。目前生物炭作為含碳量豐富的物質(zhì)[2]，其能為土壤補(bǔ)充有機(jī)碳，增加氮素固持，同時(shí)還能改良土壤理化性質(zhì)，提高作物對(duì)養(yǎng)分的吸收能力[3-6]。生物炭可提高作物養(yǎng)分吸收能力，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育有重要意義[7]。國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，在種植玉米、水稻和小麥的過(guò)程中添加一定量的生物炭能夠提升作物生長(zhǎng)及其產(chǎn)量[8]。

目前，對(duì)生物炭在煙草上的應(yīng)用研究，主要集中在生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)及生長(zhǎng)發(fā)育等方面的影響[9]，但在生物炭對(duì)煙葉化學(xué)品質(zhì)及與土壤相關(guān)性方面尚缺乏研究。該研究采用盆栽試驗(yàn)，研究生物炭施用量對(duì)煙葉化學(xué)品質(zhì)及土壤相關(guān)性的影響，以期為生物炭的合理施用提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行，土壤類(lèi)型為壤土，土壤肥力中等，土壤各類(lèi)理化性質(zhì)達(dá)標(biāo)，符合作物生長(zhǎng)要求。

試驗(yàn)所用生物炭為稈在450 ℃高溫厭氧條件下制備而成，其基本成分：pH 9.83，有機(jī)質(zhì)700 g/kg，全氮7.5 g/kg，全磷1.3 g/kg，全鉀17.1 g/kg，有效磷417 mg/kg，有效鉀483 mg/kg。煙草品種為云煙87。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理組：T1處理組，施加生物炭濃度為2 250 kg/hm2；T2處理組，施加生物炭濃度為4 500 kg/hm2；T3處理組，施加生物炭濃度為6 750 kg/hm2；以常規(guī)組作對(duì)照（CK）。以小區(qū)為單位，單個(gè)處理小區(qū)面積為72 m2，3次重復(fù)，隨機(jī)排列。肥料品種為硝酸銨、重鈣、硫酸鉀，各處理除生物炭濃度不同外，其他用量均相同且適宜?？緹熡?016年4月23日移栽，移栽行距和株距為1.20 m×0.5 m，8月5日采收結(jié)束。其他各項(xiàng)田間生產(chǎn)管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)管理相同，均符合煙草生長(zhǎng)要求。

1.3樣品測(cè)定

取4個(gè)處理組團(tuán)棵期、旺長(zhǎng)期、成熟期有代表性的煙葉樣品進(jìn)行殺青處理。測(cè)定煙葉樣品淀粉、總氮、總糖、還原糖、氯、尼古丁含量，具體方法參照文獻(xiàn)[10-12]的方法。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并在Excel上體現(xiàn)。

2結(jié)果與分析

2.1不同生物炭對(duì)煙葉團(tuán)棵期化學(xué)成分的影響

團(tuán)棵期生物炭施用量對(duì)煙葉化學(xué)成分的影響見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，施用生物炭能夠顯著增加煙葉淀粉含量，且與CK相比，最高增幅可達(dá)到2.53倍，T1與T2之間無(wú)顯著差異，由此可知生物炭達(dá)到一定施用量時(shí)煙葉中淀粉含量才會(huì)出現(xiàn)顯著差異，如T3與CK存在顯著差異。而總氮含量各處理組無(wú)顯著差異，但與CK相比，施用生物炭能顯著降低煙葉中總氮的含量，且生物炭施用量越高降低效果越顯著，其中總氮含量最低值在T3，且為CK的89.83%。在還原糖這一指標(biāo)上，施用生物炭能使煙葉中還原糖含量增加，但T1與CK之間無(wú)顯著差異，T2與T3之間同樣也無(wú)顯著差異。從T1到T3的還原糖含量變化情況可知，生物炭施用量與煙葉中還原糖的含量呈正相關(guān)，即生物炭施用量越高還原糖含量也越高。而氯和尼古丁隨著生物炭施用量的增加逐漸降低，由此可知，生物炭對(duì)煙葉中尼古丁和氯等成分起負(fù)相關(guān)作用，有助于提升煙葉品質(zhì)，降低有害物質(zhì)含量。T1中總糖雖然比CK含量高，但兩者之間無(wú)顯著差異，而T1、T2、T3之間差異不顯著，但T2、T3與CK之間存在顯著差異?？梢钥闯龈魈幚斫M能提高總糖含量，提升效果介于1.0%～1.5%。

2.2不同生物炭對(duì)煙葉旺長(zhǎng)期化學(xué)成分的影響

與團(tuán)棵期相比，此時(shí)期內(nèi)淀粉含量呈下降狀態(tài)，且生物炭施用量越高淀粉含量下降越快，最低值約為最高值的61.53%。這一時(shí)期的總氮含量依次為T(mén)2>T3>CK>T1，其中T2與T3之間無(wú)顯著差異，T1與前兩者之間存在顯著差異且最大差異值為10.52%，由此可知，不同施用量在此時(shí)期內(nèi)對(duì)煙葉中總氮含量影響開(kāi)始凸顯。T3還原糖含量最高，且與最低組差距達(dá)到11.34%，T1與T2之間無(wú)顯著差異，而T1、T3與CK組之間有顯著差異，由此可知當(dāng)生物炭施用量達(dá)到一定程度時(shí)煙葉中還原糖含量迅速提高。而從施用生物炭組的煙葉還原糖含量與CK相比可知，施用生物炭能提升煙葉中還原糖含量445%～5.92%。氯和尼古丁在煙葉中的含量相比團(tuán)棵期提升不少，而且相比團(tuán)棵期各處理組之間含量差異小，此時(shí)期內(nèi)這2種物質(zhì)含量變化幅度較大，T2氯含量最，為CK的118.10%，而T1與T3組和CK無(wú)顯著差異。尼古丁各處理組含量大小排序依次為T(mén)3>T1>CK>T2，最低值約為CK的87.36%，但各處理組之間無(wú)顯著差異。由此可知，施用生物炭能促進(jìn)煙葉糖堿比向合理方向變化，優(yōu)化煙葉成分構(gòu)成。

2.3不同生物炭對(duì)煙葉成熟期化學(xué)成分的影響

從圖3可以看出，施加不同量的生物炭處理的煙葉淀粉、總糖存在差異。各淀粉含量大小排序依次為T(mén)1>CK>T2>T3，總糖則為CK>T1>T1>T3。T1、T3還原糖差異顯著，T2、CK與T1、T3還原糖差異不顯著。各處理還原糖大小排序?yàn)門(mén)1>CK>T2>T3。由此可知，施加生物炭對(duì)于淀粉含量是先促進(jìn)后抑制最后再促進(jìn)的作用，對(duì)于總糖則起降低作用，其最高降低效果達(dá)28.50%。而從各處理組之間差異顯著性可知，此時(shí)期內(nèi)淀粉對(duì)于生物炭施加量較敏感，如T1、T2、T3兩兩之間差異顯著。

生物炭對(duì)此時(shí)期內(nèi)煙葉總氮變化為先促進(jìn)后抑制，在T2時(shí)煙葉總氮含量達(dá)到最高，其排序依次為T(mén)2>CK>T1>T3。不同處理氯和尼古丁差異不顯著，表明生物炭對(duì)此時(shí)期內(nèi)煙葉中此類(lèi)物質(zhì)無(wú)多大影響。

2.4煙葉品質(zhì)與土壤成分的相關(guān)關(guān)系

從表1可以看出，施加生物炭能使土壤中速效磷含量增加，在所有處理組中T1土壤速效磷最高，為常規(guī)處理組的2.87倍，而從生物炭施用量增加而速效磷含量降低可知，生物炭含量越高反而降低土壤速效磷含量。從有機(jī)質(zhì)含量變化情況可知，施加生物炭能夠顯著增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量，其中T3處理組與T1、T2處理組差異顯著，表明生物炭濃度越高土壤有機(jī)質(zhì)含量增加效果越好，其中T3效果最好，T1效果最差。土壤速效鉀含量隨生物炭施用量增加而增加，但各處理組在0.05水平無(wú)顯著差異。土壤堿解氮隨生物炭用量的增加則呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，其中T2堿解氮含量最高，為CK的1.06倍。除T2外，T1與T3無(wú)顯著差異，但CK、T3、T1與T2有顯著差異。施加生物炭可讓酸性土壤pH提升，且提升效果與施加生物炭量有關(guān)。T3最高為6.56，比CK提高了067，且各處理組存在顯著差異，表明生物炭施用量對(duì)土壤pH影響較大。

3討論

從團(tuán)棵期開(kāi)始各處理組比常規(guī)處理淀粉含量高，而旺長(zhǎng)期除T1處理組外，其他處理組淀粉含量比CK低，而成熟期這一差距進(jìn)一步加大，說(shuō)明生物炭在前期對(duì)煙葉淀粉含量是促進(jìn)作用，而進(jìn)入旺長(zhǎng)期后轉(zhuǎn)為抑制且施用量越多抵制效果越

強(qiáng)，這與前人研究結(jié)果相一致[13-14]。生物炭對(duì)總氮影響為

先增加后有高有低，這可能與烤煙生長(zhǎng)前期氮代謝旺盛有關(guān)[15]，而從最后總氮含量差異可知，過(guò)高的生物炭施用量反而會(huì)降低煙葉總氮含量，總氮對(duì)煙葉則表現(xiàn)與煙堿類(lèi)似[16]?？v觀全部生長(zhǎng)階段，生物炭對(duì)煙葉氯含量影響較小[17]。尼古丁除旺長(zhǎng)期T1、T3比CK高之外，其他均比CK低，生物炭對(duì)于煙葉尼古丁為前期促進(jìn)后期抵制且抵制能抵消促進(jìn)部分，另外從成熟期煙葉尼古丁含量變化情況可知，生物炭對(duì)煙葉尼古丁為增加轉(zhuǎn)抑制[18]。煙葉總糖含量分為旺長(zhǎng)期以前及以后，以前則是促進(jìn)，且生物炭施用量越多促進(jìn)效果越強(qiáng)，以后則是降低，施用量越多降低效果越強(qiáng)[19]。

據(jù)相關(guān)研究[20]，生物炭固有的結(jié)構(gòu)特征能對(duì)土壤容重、含水量、孔隙度等產(chǎn)生影響。有機(jī)質(zhì)含量隨生物炭施用量增加而增加，可能是生物炭吸附土壤有機(jī)分子通過(guò)表面催化活性促進(jìn)小的有機(jī)分子聚合形成土壤有機(jī)質(zhì)[21]。有效磷含量隨生物炭增加而降低原因可能如下：一方面，生物炭提高pH值，從而增加磷的吸附；另一方面，生物炭還通過(guò)磷的吸附和解吸來(lái)改變磷的循環(huán)和有效性[22]。土壤中速效鉀含量隨生物炭增加而增加，說(shuō)明生物炭能增加土壤速效鉀含量，為大田各生育期煙草提供鉀素[23]。施用生物炭后土壤堿解氮顯著增加，可能原因如下：一是生物炭本身含有灰分能增加堿解氮含量。二是生物炭的空間結(jié)構(gòu)有利于微生物腐解有機(jī)體形成堿解氮[24]。與此同時(shí)，生物炭過(guò)高堿解氮含量降低可能是：雖然生物炭吸附固定養(yǎng)分含量升高，但同樣也抑制了其釋放速度，從而導(dǎo)致堿解氮下降[24]。該試驗(yàn)中土壤pH值增加與Chintala研究的生物炭對(duì)提高酸性土壤pH結(jié)果一致[25]?？赡苁巧锾勘旧砗蠧a2+、K+等鹽基離子，進(jìn)入土壤后交換Al3+、H+降低其濃度從而提高pH。

4結(jié)論

生物炭能在前期增加煙葉還原糖、總糖、淀粉含量而后期則降低其含量，對(duì)總氮及氯的影響較小，尼古丁呈降低態(tài)勢(shì)，使煙葉化學(xué)成分更加協(xié)調(diào)，提高煙葉的吸食品質(zhì)。

施加生物炭后能顯著提高土壤pH且與濃度正相關(guān)，速效磷隨生物炭施用量增加而減少，有機(jī)質(zhì)與速效鉀隨生物炭施用量增加而增加。堿解氮在一定范圍內(nèi)隨生物炭施用量增加而增加，超過(guò)最佳濃度則體現(xiàn)抑制作用。綜合煙葉化學(xué)成分及土壤理化性質(zhì)，在該試驗(yàn)條件下施用生物炭4 500 kg/hm2效果最佳。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年

參考文獻(xiàn)

[1] 王全貞.烤煙健株及改善煙田環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2012：23.

[2] 謝祖彬，劉琦，許燕萍.等.生物炭研究進(jìn)展及其研究方向[J].土壤，2011，43（6）：857-861.

[3] STEINER C，GLASER B，GERALDES T W，et al.Nitrogen retention and plant uptake on a highly weathered central Amazonian Ferralsol amended with compost and charcoal[J].Journal of plant nutrition and soil science，2008，171（6）：893-899.

[4] OGUNTUNDE P G，ABIODUN B J，AJAYI A E，et al.Effects of charcoal production on soil physical properties in Ghana[J].Journal of plant nutrition and soil science，2008，171（4）：591-596.

[5] 劉玉學(xué)，劉微，吳偉祥，等.土壤生物質(zhì)炭環(huán)境行為與環(huán)境效應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，20（4）：977-982.

[6] 張文玲，李桂花，高衛(wèi)東.生物質(zhì)炭對(duì)土壤性狀和作物產(chǎn)量的影響[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，25（17）：153-157.

[7] MAJOR J，RONDON M，MOLINA D，et al.Maize yield and nutrition during 4 years after biochar application to a colombian savanna oxisol[J].Plant and soil，2010，333（1/2）：117-128.

[8] 張娜.生物炭對(duì)麥玉復(fù)種體系作物生長(zhǎng)及土壤理化性質(zhì)的影響[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2015.

[9] 王典，張祥，姜存?zhèn)}，等.生物質(zhì)炭改良土壤及對(duì)作物效應(yīng)的研究進(jìn)展[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，20（8）：963-967.

[10] 王瑞新.煙草化學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[11] 史宏志，劉國(guó)順.煙草香味學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[12] 肖協(xié)忠.煙草化學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[13] 張嘉煒，楊永霞，馮小虎，等.添加生物炭對(duì)烤煙碳氮代謝的影響[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2016，28（3）：1-6.

[14] 楊勝男，張洪映，連文力，等.復(fù)合有機(jī)肥對(duì)烤煙淀粉生物合成的影響[J].中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2016，22（1）：64-70.

[15] 趙殿峰.不同生物炭施用量對(duì)烤煙土壤理化性狀及烤煙生長(zhǎng)的影響[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.

[16] 李章海，徐曉燕，季學(xué)軍，等.不同栽培條件對(duì)烤煙上部煙葉煙堿和總氮含量的影響[J].中國(guó)煙草科學(xué)，2005，26（1）：28-30.

[17] 趙殿峰，徐靜，羅璇，等.生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分、烤煙生長(zhǎng)以及煙葉化學(xué)成分的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，23（3）：85-92.

[18] 李淑玲，陳俊標(biāo)，譚銘喜，等.煙葉煙堿含量動(dòng)態(tài)變化研究初報(bào)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008（S1）：100.

[19] 劉新源，劉國(guó)順，劉宏恩，等.生物炭施用量對(duì)煙葉生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，43（2）：58-62.

[20] 潘金華，莊舜堯，曹志洪，等.生物炭添加對(duì)皖南旱地土壤物理性質(zhì)及水分特征的影響[J].土壤通報(bào)，2016，47（2）：320-326.

[21] 章明奎，BAYOU W D，唐紅娟.生物質(zhì)炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)活性的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（2）：127-131.

[22] 武玉.生物炭對(duì)土壤中磷的形態(tài)轉(zhuǎn)化以及有效性的影響[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2015.

[23] 劉卉，周清明，黎娟，等.生物炭對(duì)植煙土壤養(yǎng)分的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2016，18（3）：150-155.

[24] 郭偉，陳紅霞，張慶忠，等.華北高產(chǎn)農(nóng)田施用生物質(zhì)炭對(duì)耕層土壤總氮和堿解氮含量的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，20（3）：425-428.

[25] 武玉，徐剛，呂迎春，等.生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2014，29（1）：68-79.

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，Journal of Anhui Agri. Sci.2017，45（21）：123-125，128