生物质炭对植烟土壤质量及烤烟生长的影响

管恩娜，管志坤，杨 波，董建新，胡希好，阚京军，吴元华，张庆忠，李明光，梁洪波*（.中国农业科学院烟草研究所，中国农业科学院青岛烟草资源与环境野外科学观测试验站，农业部烟草生物学与加工重点实验室，青岛2660；2.中国农业科学院研究生院，北京 0008；.山东青岛烟草有限公司，青岛 26607；4.江西省烟草公司赣州市公司，江西 赣州 4000；.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 0008）



生物质炭对植烟土壤质量及烤烟生长的影响

管恩娜1，2，管志坤3，杨 波1，4，董建新1，胡希好3，阚京军3，吴元华1，张庆忠5，李明光3，梁洪波1*
（1.中国农业科学院烟草研究所，中国农业科学院青岛烟草资源与环境野外科学观测试验站，农业部烟草生物学与加工重点实验室，青岛266101；2.中国农业科学院研究生院，北京 100081；3.山东青岛烟草有限公司，青岛 266071；4.江西省烟草公司赣州市公司，江西 赣州 341000；5.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

摘 要：采用大田试验，在当地习惯施肥的基础上，添加不同比例的生物质炭（2.25、4.50 t/hm2），探讨了生物质炭对植烟土壤理化性质及烤烟生长的影响。结果表明，施加生物质炭影响了植烟土壤的理化性质，主要体现在0～10cm土层。与对照相比，生物质炭处理提高了0～10cm土层土壤田间持水量、总孔隙度、土壤pH、有机质和土壤CEC，同时还提高了土壤硝态氮、有效磷、速效钾的含量，降低了土壤容重及铵态氮的含量，且高施炭量的处理效果显著。生物质炭能促进烤烟生长过程中对钾元素的吸收，降低打顶后烤烟磷、氮元素的吸收及干物质的积累。与CK相比，移栽后90天，根干物质量在2.25 和4.50 t/hm2水平下分别下降了5.58%和7.50%，茎和叶的干物质量虽有所下降，但各处理间差异不显著。

关键词：生物质炭；植烟土壤；理化性质；烤烟；养分吸收

近年来，植烟土壤出现土壤结构性变差、肥力下降、微生物大量减少等问题，导致烟叶产量和质量均有所下降［1-2］。生物质炭是生物质在高温（＜700 ℃）下热解生成，是一种含碳丰富的固体物质。作为土壤的直接输入物质，生物质炭可改善土壤理化性质，平衡土壤养分，提高土壤肥力［3］。因此，生物质炭在农业应用方面受到广泛关注。目前生物质炭对作物生长影响的研究主要集中在黑麦草、大豆、水稻、玉米等作物上［4-10］，在烟草应用方面的研究刚刚起步。关于生物质炭对植烟土壤理化性质以及烤烟生长影响的研究较少，为此本研究探讨了不同生物质炭施用量对植烟土壤理化性质及烤烟干物质积累、养分元素吸收的影响，以期为生物质炭改良植烟土壤、促进土壤可持续利用及指导烤烟生产提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2014年青岛市黄岛区六汪镇（35°88′N，119°97′E）进行，供试品种K326，土壤类型为棕壤土，0～20cm土层的基本理化性质为pH 4.30，有机质8.44g/kg，全氮1.22g/kg，水解氮70.1mg/kg，有效磷 97.8mg/kg，速效钾 185mg/kg，交换性钙2.42 cmol/kg，交换性镁1.04 cmol/kg。

生物质炭从市场购买（原料为稻壳），基本理化性质：pH 8.09，有机碳331.43g/kg，全氮4.06g/kg，全磷（以P计）1.36g/kg，全钾（以K计）13.5g/kg，钙3.30g/kg，镁1.55g/kg，C/N为81.63。

1.2 试验设计

试验设3个处理。CK：当地习惯施肥；T1：当地习惯施肥+生物质炭2.25 t/hm2；T2：当地习惯施肥+生物质炭4.50 t/hm2。生物质炭采用垄上沟施的方式（沟深约10cm）。当地习惯施肥方案每公顷为：烟草专用复合肥 450kg ［m（N）：m（P2O5）：m（K2O）= 10：10：20］+复合肥 150kg［m（N）：m（P2O5）：m（K2O）= 15：15：15］+硫酸钾 150kg［m（N）：m（P2O5）：m（K2O）= 0：0：50］+发酵饼肥360kg（N+P2O5+K2O≥5%，有机质≥45%）+豆粕300kg（有机质623.58g/kg）。每个处理3次重复，随机区组排列，共9个小区，每个小区72 m2。起垄种植，行株距为120cm×50cm。2014年5月6日移栽，其他栽培管理措施按当地常规方法进行。

1.3 样品采集及测定方法

1.3.1 样品采集 在烤烟移栽后30、60、90 d采样，每小区选取 3株有代表性的烟株，分根、茎、叶，在105 ℃下杀青15min，然后在70 ℃下烘干至恒质量，称重，粉粹后分析样品中的氮、磷、钾含量。收获烟株后，用环刀采集0～10、10～20、20～30cm的原状土壤，每个小区采用五点取样法，相同土层混在一起，用于分析物理和化学指标。

1.3.2 测定方法 土壤田间持水量、容重、孔隙度、pH、有机质、土壤阳离子交换量、有效磷、速效钾等参照《土壤农业化学分析方法》的方法测定［11］。硝态氮采用紫外分光光度法；铵态氮采用靛酚蓝比色法［12］。植株全氮、全磷、全钾参照《土壤农化分析》的方法测定［13］。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel及SAS 9.2统计软件进行数据统计与分析。单因素方差分析。同时α=0.05水平下进行Duncan’s多重比较［14］。

2 结 果

2.1 生物质炭对植烟土壤物理性质的影响

在0～10cm土层中，生物质炭处理的土壤田间持水量均高于CK处理（表1）。相比于CK，T1和T2处理的田间持水量分别提高了 1.99%和 6.01%，高施炭量处理的作用显著。可见生物质炭处理提高了耕层土壤田间持水量，增加了植烟土壤有效水含量。

在表层土壤，生物质炭处理一定程度上降低了土壤容重。T1和T2处理的土壤容重分别比CK下降了0.12和0.21g/cm3，T2处理差异显著。生物质炭降低了土壤容重，对改善土壤结构、耕性与土壤微生态环境等都具有重要意义。

施炭处理影响了土壤孔隙状况，对不同类型的孔隙影响不同（表2）。0～10cm土层的土壤总孔隙度随着施炭量的增加而提高。与CK相比，T1和T2处理的总孔隙度分别提高了4.46%和7.64%，促进效果明显。在10～20cm的土层，生物质炭处理显著增加了土壤非毛管孔隙度，有助于改善土壤的通气条件。除此之外，对其他土层的的土壤孔隙度均无显著影响。

表1 不同生物质炭用量对田间持水量和土壤容重的影响Table 1 Effect of different treatments on field capacity and soil bulk density

表2 不同生物质炭用量对土壤孔隙度的影响 %Table 2 Effect of different treatments on soil porosity

2.2 生物质炭对植烟土壤化学性质和土壤有效养分的影响

2.2.1 对植烟土壤化学性质的影响 由表 3可知，生物质炭显著提高了表层土壤的 pH，随施炭量的增加而增加；其他土层pH未产生显著变化。在0～10cm土层，与CK相比，T1和T2处理的土壤pH分别提高了0.36和0.45，T2处理差异显著。施加生物质炭显著提高了酸性土壤表层的 pH，有利于烤烟的生长发育。

由于碳的引入，生物质炭处理的表层土壤有机质含量比对照均有所提高（表3）。在0～10cm土层，有机质含量表现为T2＞T1＞CK。与CK相比，T1处理的有机质含量增加了16.08%，差异不显著；T2处理显著地提高了有机质的含量，增加了52.94%。其他土层有机质含量未产生显著变化。

生物质炭提高了土壤阳离子交换量（CEC）。在0～10cm土层，土壤CEC表现为T2＞T1＞CK，差异显著。与CK相比，T1、T2处理的CEC分别提高了0.44和0.82 cmol/kg。在10～20cm土层，生物质炭处理的CEC均高于CK处理。T1处理显著高于CK处理，提高了6.39%。在20～30cm土层，生物质炭处理的土壤CEC表现为T2＞T1＞CK，无显著差异。

2.2.2 对植烟土壤有效养分的影响 由表 4看出，在0～10cm土层，生物质炭处理的硝态氮含量表现为T2＞T1＞CK。与CK相比，T1和T2处理的硝态氮分别提高了 4.46、12.46mg/kg，T2处理差异显著。生物质炭处理的铵态氮含量均低于CK处理，T1和 T2处理的铵态氮分别降低了 42.86%和16.22%，T1处理降低效果显著。在10～20cm土层，相比于CK，T1和T2处理的硝态氮含量分别提高了56.42%和54.86%，增加效果显著，这与生物质炭促进硝化作用有关。随着施炭量的增加，土壤铵态氮含量表现出先增加后降低的趋势，T2处理与对照处理无显著差异。

表3 不同生物质炭用量对植烟土壤化学性质的影响Table 3 Effect of different treatments on the chemical properties of tobacco-planting soil

在0～10cm土层，生物质炭处理的土壤有效磷含量表现为T1＞T2＞CK，生物质炭处理均高于CK处理。与CK相比，T1和T2处理有效磷分别增加了61.48%和29.69%，低施炭量处理的土壤有效磷含量显著高于高施炭量处理，可见，适量生物质炭可以有效的增加表层土壤的有效磷含量，对其他土层的有效磷含量无显著影响。

与CK相比，T1和T2处理在0～10、10～20、20～30cm土层速效钾含量分别提高了 125.58%和130.44%、40.99%和58.83%、38.23%和23.40%，增加效果显著。生物质炭提高了不同土层的速效钾含量，差异显著，这与生物质炭本身含有较高量的钾元素，且钾元素易淋失有关。

表4 不同生物质炭用量对植烟土壤有效养分的影响 mg/kgTable 4 Effect of different treatments on available nutrients of tobacco-planting soil

2.3 生物质炭对烤烟生长的影响

2.3.1 对烤烟氮磷钾养分吸收的影响 由表5可见，生物质炭影响了烤烟不同器官氮素的吸收。移栽后30 d，与CK相比，T1和T2处理的根氮含量分别提高了10.61%和39.11%，T2处理差异显著。茎和叶的氮含量有所增加，无显著差异。移栽后 60 d，T2处理的根、茎、叶氮含量相比于CK分别下降了1.66%、23.25%和11.70%，差异显著。移栽后90 d，生物质炭处理的根和茎氮含量出现显著降低，而叶氮含量呈下降趋势，差异不显著。可见，随着生物质炭用量增加，烤烟生长前期烟叶氮素吸收有增加趋势，而到了后期却有相反趋势。

由表5看出，与CK相比，生物质炭处理对移栽后30 d各器官磷含量的影响差异不显著。移栽后60 d，相比于CK，T1处理不同器官的磷含量差异不显著；T2处理的根、茎、叶的磷含量分别下降了15%、13.64%和13.79%，差异显著。也就是说，高施用量生物质炭处理（4.50 t/hm2）显著降低烤烟对磷元素的吸收。移栽后90 d，T1和T2处理促进了根系对磷元素的吸收，T2处理差异显著；茎和叶的磷含量无显著差异。

生物质炭能促进不同时期烤烟对钾元素的吸收。移栽后30 d，与CK相比，T1和T2处理的根系钾含量分别增加了29.95%和30.92%，增加效果显著。移栽后60 d，T1和T2处理显著降低根系钾含量，与CK相比分别降低了21.43%和34.96%，差异显著，原因是移栽后 30～60 d，烤烟进入旺长期，地上部生长迅速，钾的可移动性强，大部分由根部转移到地上部分。地上部的钾含量变化也说明了这一点，随施炭量的增加，茎和叶的钾含量呈增加趋势。移栽后90 d，生物质炭处理显著提高了烤烟各器官钾元素的吸收，有利于烤烟品质的提高；T1和T2处理之间钾含量无显著差异。

2.3.2 对烤烟干物质积累量的影响 由表 6可知，移栽后30 d，各器官的干物质量随着施炭量的增加呈增加趋势，只有T2处理的叶干物质量与对照相比达到了显著差异，增加了34.73%。移栽后60 d，烤烟各器官干物质积累量受生物质炭影响较小，处理间差异不显著。移栽后90 d，与CK相比，生物质炭处理的不同器官的干物质积累量呈下降趋势。与CK相比，T1和T2处理的根干物质量显著下降，分别为5.58%和7.50%；茎和叶的干物质量有所下降，差异不显著。

3 讨 论

3.1 生物质炭对植烟土壤理化性质的影响

生物质在裂解生成生物质炭时，自身内部熔陷，形成了孔径大小不一的微小孔隙［15］，比重较小，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，生物质炭能提高土壤田间持水量，降低土壤容重，改善土壤孔隙状况，这与陈红霞等［8］和颜永豪等［16］的研究结果一致。

表5 生物质炭对烤烟不同部位氮磷钾含量的影响 %Table 5 Effects of biochar on nitrogen， phosphorus and potassium content of different organs of flue-cured tobacco

表6 不同生物质炭用量烤烟根、茎、叶干物质积累量 g/株Table 6 Dry matter accumulation of tobacco root， stem and leaf at different treatments

土壤pH是土壤酸碱性的一个重要指标。生物质炭呈碱性，可以中和土壤酸性物质，且生物质炭含有可溶态的灰分元素如K、Ca、Mg，促进土壤盐基饱和度的提高［17］，进而提高土壤pH。本试验中施炭处理分别提高了0.36和0.45个pH单位，提升效果显著。生物质炭经过热解后其比表面积增大，显著增加了表面的含氧官能团，从而提高阳离子交换能力［18］。结果显示施炭土壤CEC均高于CK处理。相比于CK，T2处理的CEC在0～10、10～20、20～30cm土层分别提高了13.10%、4.47%、6.11%，这与其他人的研究结果一致［8，18-19］。一般认为CEC小于10 cmol/kg的土壤保肥力较低［20］，试验中土壤CEC均小于10 cmol/kg，土壤保肥能力不高，有待于进一步改善。生物质炭能显著提高表层土壤有机质的含量，其性质稳定，难以分解是有机质增加的主要原因。但也有研究显示［21］，长期或高量施用生物质炭可能会对土壤有机碳的品质产生不良影响，减弱土壤有机质的活性。因此要根据用地养地情况适量施用生物质炭，以达到改善土壤理化性质，促进烟株生长发育的目的。

生物质炭能够通过改善土壤理化性质［22］、提高微生物数量和多样性［23］以及对铵态氮吸附提供充足底物［24］促进土壤硝化作用。本试验结果表明，施炭处理的表层土壤硝态氮含量增加，铵态氮含量减少。除氮元素外，施炭处理的土壤有效磷和速效钾也相应增加。生物质炭本身含有一些可溶性的磷元素和钾元素，可以增加土壤磷和钾的含量；而且施入土壤后增加了相关酶的活性［25-26］，促进了更多营养元素的释放。有研究发现添加生物质炭增加了碱性磷酸酶的活性，产生了更多的有效磷供微生物和植物使用［26］。此外，生物质炭的吸附性也起到了一定的作用，可以吸附营养元素，减少淋失。

3.2 生物质炭对烤烟生长发育的影响

本试验结果表明，施用生物质炭能促进烤烟对钾元素的吸收，降低后期（90 d）磷、氮元素的含量，这与王冬冬等［6］的研究一致。生物质炭的吸附性比普通的土壤胶体粒子高出几个数量级［27］，可能会对土壤中的养分元素产生滞留束缚效应［5-6］。此外，稻壳基生物炭C/N比高和部分生物炭分解导致氮的固定，短期内在一定程度上限制了植株对有效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，进而影响植株根系对养分的吸收［29］。试验结果显示施炭处理降低了大田后期烤烟干物质积累量，这与施入生物质炭能显著提高作物产量的研究结果有所不同［4-5，9］，其原因有待进一步探讨。

生物质炭对作物生长发育的影响随时间变化，Major等［10］在哥伦比亚热带草原施用生物质炭后发现，除第1年外，后3年玉米产量连续提高。因此，关于生物质炭对烤烟氮磷钾的吸收、转运及干物质积累的长期影响还需进一步探讨。

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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

中图分类号：S572.062

文章编号：1007-5119（2016）02-0036-06

DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2016.02.007

基金项目：中国农业科学院基本科研业务费预算增量项目“烤烟秸秆利用技术研究与示范”（2014ZL017）；山东青岛烟草有限公司科技项目“烟草秸秆炭化利用技术研究与开发”（2013QY001）

作者简介：管恩娜（1991-），女，硕士研究生，研究方向为烟草栽培。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