稻壳生物炭对整治烟田土壤养分及烟叶产质量的影响

郑加玉，张忠锋，程 森，蔡宪杰，姚忠达，汪季涛，朱启法，薛 琳，张继光*

（1.中国农业科学院烟草研究所，农业部烟草生物学与加工重点实验室，青岛 266101；2.上海烟草集团有限责任公司，上海 200082；3.安徽中烟工业有限责任公司，合肥 230088；4.安徽皖南烟叶有限责任公司，安徽 宣城 242000）

稻壳生物炭对整治烟田土壤养分及烟叶产质量的影响

郑加玉1，张忠锋1，程 森2，蔡宪杰2，姚忠达3，汪季涛3，朱启法4，薛 琳4，张继光1*

（1.中国农业科学院烟草研究所，农业部烟草生物学与加工重点实验室，青岛 266101；2.上海烟草集团有限责任公司，上海 200082；3.安徽中烟工业有限责任公司，合肥 230088；4.安徽皖南烟叶有限责任公司，安徽 宣城 242000）

为探究生物炭施用对整治烟田土壤改良及烟叶产质量的影响，在皖南的烟田整治区，研究了稻壳生物炭不同施用量对土壤养分及烟叶产质量的作用效果。结果表明，稻壳生物炭施用可以降低土壤容重，提高土壤pH及有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等养分含量。生物炭可以促进烟株生长发育，对烟叶外观产生一定影响，特别是油分指标随生物炭用量增加呈下降趋势。生物炭施用一定程度上降低烟叶总糖及还原糖含量，提高总氮、烟碱及钾含量，其中T2（生物炭7.5 t/hm2）处理烟叶化学成分协调性较好。同时烟叶感官质量随生物炭施用量增加呈现先增加（不变）后降低趋势，感官评吸得分表现为T1=CK＞T2＞T3。烤烟的产量产值均随着生物炭施用量增加而增加，其中 T3（生物炭 15 t/hm2）处理最高，产量达 1729.2 kg/hm2，产值达到37 516.8 元/hm2，较CK分别提高43.51%和43.48%。但上等烟比例随生物炭用量增加呈先增加后降低趋势。综合土壤养分及烟叶的产质量结果，在皖南烟田整治区，稻壳生物炭的施用量不宜超过7.5 t/hm2。

生物炭；土壤养分；土地整治；烟叶质量；烤烟

当前我国耕地资源紧张，退化严重，土地整治及土壤改良成为当务之急。土地整治作为促进土地合理利用、调整土地利用结构和土地关系的重要手段，在实现土地资源的合理配置、提高土地利用率和改善生态环境方面起到了不可替代的作用［1-2］。近年来，我国烟草农业生产上开展了大量的土地整治及土壤改良工作，改善了产区农田基础设施，优化了土壤生产条件［3-4］。在烟田土地整治过程中，烟田土壤改良和生态维护十分重要，关系到维持和提高土壤生产性能，挖掘烟叶增质潜力，为现代烟草农业的可持续发展提供保障［5］。目前在烟田土壤改良中采用的主要方法有秸秆还田、种植绿肥、增施有机肥和土壤改良剂等［6-7］。生物炭作为一类新型环境功能材料，在土壤改良等方面引起广泛关注。

生物炭是在完全或者部分缺氧条件下，将木材、农作物秸秆等农作物废弃物或动物骨骼等控制温度高温裂解碳化产生的固态产物［8-10］。生物炭可以将碳元素固定很长时间，固定的碳元素非常稳定，将生物炭应用于土壤中不仅可以提高土壤碳库容量，在一定程度上减缓陆地生态系统碳循环［11］，还可以有效地改善土壤结构和理化性质，增加作物产量［12-13］。当它与农林业相结合时，可以解决废弃物环境污染与循环利用等问题［14-16］。近年来，生物炭在农业土壤中的应用研究逐渐增多，主要集中在生物炭对土壤理化性质、农田生态系统的影响以及碳排放等方面［17-19］。目前，生物炭对烟田土壤改良及烟叶产质量影响方面的研究还相对较少，基于各地区不同土壤及气候条件的适宜生物炭施用量还有待于进一步明确。本研究充分利用皖南地区丰富的水稻稻壳等废弃物资源，研究稻壳生物炭还田后对烟田整治区土壤理化性质、烟草生长发育、烟叶化学成分及品质的综合影响，以期为皖南烟田土壤改良及烟叶可持续发展提供借鉴指导。

1　材料与方法

1.1试验材料

试验于 2014年在安徽宣城市宣州区杨柳镇新龙村的“沪皖现代烟草农业高科技示范园”进行，该区域地处皖南山区与长江中、下游平原的结合部，属亚热带湿润季风气候区，季风气候显著，光、热、水气候条件优越。年平均日照时数2072.5 h；年平均温度15.8 ℃，无霜期228 d；年平均降雨量1324.8 mm。试验田地处土地整治示范区，土壤类型为潴育型水稻土，土壤质地较为黏重，其黏粒含量占30.85%，粉粒含量39.80%，砂粒含量29.35%。试验田前茬作物为水稻，实行烟稻两年轮作。烤烟品种为云烟97。生物炭为当地自制的稻壳原料生物炭，其主要理化性质为：pH 8.36，有机质340.5 g/kg，全氮8.46 g/kg，全磷1.20 g/kg，全钾12.5 g/kg。

1.2试验设计

试验共设4个处理，其中CK为不施用生物炭的对照；T1处理生物碳施用量为3.75 t/hm2；T2处理为7.5 t/hm2；T3处理为15 t/hm2。每个处理设3次重复，每小区面积66.7 m2，植烟120棵。各处理的稻壳生物炭均在烤烟起垄前进行地表撒施，然后翻耕混匀，最后再进行施肥起垄。试验田施氮量为112.5 kg/hm2，m（N）:m（P2O5）:m（KO2）=1:2:3，其他田间管理措施均按皖南优质烟叶生产技术规范进行。

1.3测定指标及方法

在烤烟的平顶期，在每个小区选10株烟，测定其主要农艺性状指标，并根据叶长、最大叶宽和叶面积指数计算叶面积［20］。在烤烟采收结束后，采集各处理的耕层（0～20 cm）土壤样品，采用常规方法测定土壤基本理化性质指标［21］。

在烟叶烘烤结束后，对各处理烤后烟叶样品进行分级，并依据 2014年皖南烟叶公司的烟叶收购等级及价格，对各处理的烤烟进行经济性状分析。

每个处理小区取烤后的C3F和B2F等级烟叶各1.5 kg，在两个等级烟叶样品中随机抽取20片，进行外观质量鉴定并根据定性评价指标划分等级比例；两个等级的烟叶样品粉碎后采用王瑞新等［22］的方法进行常规化学成分分析，其中C3F烟叶样品卷制后交由上海烟草集团有限责任公司技术中心进行感官质量评价。具体评价指标包括香气质、香气量、杂气、劲头、刺激性及余味等6项，每项指标均采用满分 9分的量化打分，最后计算总得分。

所有测定数据均采用Excel和SPSS15.0软件进行统计分析。

2　结　果

2.1稻壳生物炭还田对土壤养分的影响

各处理的土壤养分含量如表1所示，从表中可以看出，生物炭施用能明显影响烟田土壤的理化性状。土壤容重随着生物炭用量的增加呈降低趋势，其中T3处理的土壤容重最小为1.15 g/cm3。而土壤pH随着生物炭施用量增加呈升高趋势，其中T3处理最高为6.70。土壤有机质及碱解氮、有效磷、速效钾等养分含量也随着稻壳生物炭施用量的增加而增加。除T1和CK处理的土壤有机质、碱解氮和有效磷含量无显著差异（P＞0.05）外，生物炭T2 及T3处理与CK的土壤养分含量之间均存在显著差异。

表1　生物炭对烟田土壤养分的影响Table 1 Effect of biochar on soil nutrients in tobacco field

可见，整治烟田施用稻壳生物炭后可改良土壤酸碱性，改善土壤容重及其孔隙度，并增加土壤速效养分含量，其中以T3处理最佳。

2.2稻壳生物炭对烤烟农艺性状的影响

生物炭施用对平顶期烤烟农艺性状的结果如表2所示。从烟株的整体长势来看，生物炭施用一定程度上促进烟草生长发育。但其对株高和有效叶片数的影响较小，各处理烤烟的株高介于112.83～116.08 cm，有效叶片数均在14片左右，生物炭各处理和CK间无显著差异。烟株茎围的大小顺序为T3＞T2＞T1＞CK，T3处理最大为10.22 cm，其与T1和CK的差异达到显著水平。生物炭施用也明显增加了中部及上部烟叶面积，中部叶面积以T3处理最大，显著高于其他3个处理；上部叶面积以T2处理最大，但与T3无显著差异，两者均显著大于T1和CK处理。

表2　生物炭对平顶期烤烟农艺性状的影响Table 2 Effect of biochar on agronomic traits of tobacco at top-dressing period

2.3稻壳生物炭对烤烟外观质量的影响

各处理烟叶外观质量的结果表明（表3），C3F等级烟叶中橘黄烟比例CK处理最低仅为30%，T2处理最高，烟叶成熟度总体表现为T1=T2＞T3＞CK，烟叶的结构和身份上均表现为生物炭各处理优于CK，油分表现为CK和T1处理稍优于T3和T2处理。各处理的烟叶色度无明显规律性。

表3　生物炭对烤烟外观质量的影响Table 3 Effect of biochar on raw tobacco appearance quality

B2F等级烟叶中，以T3处理烟叶的橘黄比例最高，成熟度最好，烟叶结构以T1和T2处理较好，烟叶身份在各处理间差异较小。烟叶油分的占比指标上表现为：CK＞T1＞T2＞T3。整体来看，生物炭施用会提升烟叶颜色、成熟度和结构等指标，而对烟叶油分则有一定负面影响。

2.4稻壳生物炭对烤烟化学成分的影响

生物炭对烤烟化学成分的影响如表4所示。对比我国常用的优质烟叶化学成分评价标准［23-25］。各处理C3F及B2F烟叶的总糖及还原糖均较高，超过了优质烟叶的适宜范围，而烤烟的烟碱和总氮含量总体适宜，其中仅T3处理的C3F烟叶烟碱含量稍低为1.35%。各处理C3F烟叶的糖碱比和氮碱比偏高，钾含量及钾氯比较为适宜，但B2F烟叶的这几项指标则偏低。

表4　生物炭对烤烟主要化学成分的影响Table 4 Effect of biochar on chemical components of flue-cured tobacco leaves

C3F和B2F等级烟叶的总糖、还原糖和糖碱比总体上随生物炭用量增加呈先降低后增加趋势，但与CK相比，生物炭施用不同程度降低了这3个指标的值；其中总糖及还原糖含量最低的为T2处理。总氮和烟碱含量均随生物炭用量增加呈先增加后降低趋势。烟叶钾含量总体上随生物炭用量增加而增加，但T2及T3处理间烟叶钾含量无显著差异。此外，氯离子和氮碱比在各处理间无显著差异。可见，适量生物炭施用可一定程度降低烟叶总糖及还原糖含量，提高烟叶总氮、烟碱及钾含量，并且以T2处理的烟叶化学成分协调性相对较好。

2.5稻壳生物炭对烤烟评吸质量的影响

生物炭对 C3F烟叶感官质量的影响如表5所示，可见施用生物炭的T1、T2处理与CK相比，烟叶的香气质和香气量得分一致，刺激性有所下降，而杂气稍有增加，而且T1的焦甜感突出，舒适性较好，T2的吃味略显平淡。T3处理烟叶香气量和香气质的得分最低，杂气及余味残留较多，吃味欠舒适。从总分来看，CK和T1处理总得分最高，感官质量最好，T2次之，T3处理最低。可见生物炭施用对烤烟的感官质量具有重要影响。其中较低施用量（3.75 t/hm2）的生物炭对烟叶感官质量无明显影响，而中高量（7.5 t/hm2及15 t/hm2）生物炭施用后会对烟叶刺激性、余味及总体得分产生负面影响，特别是高量施用后导致烟叶香气质及香气量下降，杂气渐多，余味欠舒适。但生物炭施用量与烟叶感官质量的具体关系还需要进一步细化研究。

表5　生物炭对C3F烟叶评吸质量的影响Table 5 Effect of biochar on sensory quality of C3F fluecured tobacco

2.6稻壳生物炭对烤烟经济性状的影响

烤后烟叶的经济性状结果表明（表6），生物炭各处理的烟叶产量和产值均高于对照，而且随生物炭施用量增加，烟叶产量和产值均呈增加趋势，其中以T3处理的产量和产值最高，分别达到1729.2 和37 516.8 元/hm2。但烟叶均价则与此不同，T1处理的烟叶均价最高为 23.16元/kg，T2处理最低为20.49元/kg。各处理烟叶的上等烟比例随着生物炭用量增加呈先增加后降低的趋势，表现T1＞T2＞CK＞T3；而中上等烟的比例则是 T2最低，T3最高，T1与CK处理一致。

表6　生物炭对烤后烟叶经济性状的影响Table 6 Effect of biochar on economic characters of fluecured tobacco

3　讨　论

土壤酸碱度影响土壤肥力及植物生长发育，烟叶生长的最适宜pH一般为5.5～6.5，对pH＜5.5的土壤需要开展土壤酸化改良。作为一种优良的土壤酸化改良剂，生物炭本身含有丰富的盐基离子，施加到土壤之后，可以通过交换降低土壤氢离子和交换性铝离子水平，从而提高土壤pH值［26］，本试验中不同用量的生物炭施用后明显提升土壤 pH，与CK相比提高了0.82～1.10单位。针对偏黏性土壤，生物炭施用后可有效降低土壤容重，促进土壤团粒结构形成，改善土壤的通气及水肥供应状况，增强土壤微生物活动等有益作用［27-28］。此外，生物炭有类似有机质的作用，不仅可以直接提高土壤有机碳含量，而且可以通过不同途径对土壤有机质含量产生影响：一方面生物炭可以吸附土壤有机分子，通过催化作用促进小的有机分子聚合形成有机质［29］，另一方面，生物炭及其组分可以缓慢分解有助于腐殖质的产生。本研究结果表明，施用生物炭后土壤有机质含量升高，生物炭施用量越高，对土壤有机质的提升效果越显著，这与之前研究结果一致［30］。此外，生物炭可以通过阳离子交换吸附土壤中的NO3-和NH4+，减少土壤中氮素损失，从而增加土壤中的氮素含量［31］。本研究中土壤有效磷及速效钾含量也随生物炭用量增加而增加，这与之前研究结果相符［18，32］。但也有研究［30，33］认为土壤速效磷含量随生物炭的施用呈先升高后降低的趋势。适量的生物炭施用可减少土壤中有效磷的淋溶流失［34］，从而使得有效磷含量升高；当生物炭用量过高时，则引起土壤中有效磷的生物和化学固定，从而导致有效磷含量降低。此外，不同差异的产生还可能与试验土壤的类型及性质不同有关。

大量田间试验表明，生物炭施用可通过改善土壤条件来增加作物生物量及产量，特别是在酸性土壤上施用生物炭可以提高肥料利用率，保持作物产量稳定及一定增产效果［35］。但生物炭的产量效应受生物炭本身性质、施用数量及时期、土壤类型及肥力状况、种植作物种类及其田间管理等多方面因素的综合影响。本研究中随着生物炭施用量增加，烟叶的产量和产值均增加，以施用量15 t/hm2的处理最高，这与叶协锋等［36］在陕西汉中地区的研究结果一致。同时烤烟的上等烟比例随生物炭施用量的增加呈先增加后降低趋势，这可能与生物炭改变土壤中养分含量及环境条件有关，特别是高量施用后会影响土壤的碳氮比，会造成烟叶的碳氮代谢失调。

与以产量为主的大田作物不同，生物炭施用后对烟叶质量的影响更值得关注。生物炭施用后对烟叶化学成分的影响，各方面结论并不一致。有研究认为随生物炭用量的增加，烟叶氯含量降低，钾含量提高，烟叶化学成分更加协调［37］。也有研究认为生物炭适量施用可提高烟叶内在化学成分协调性，过量施用则降低烟叶品质［33］。本研究结果显示，生物碳施用量7.5 t/hm2处理的烤后烟叶总糖及还原糖含量降低，总氮、烟碱及钾含量明显增加，烟叶的化学成分协调性较好。生物炭施用对烟叶感官质量的影响与烟叶化学成分的结果类似，随生物炭施用量增加，烟叶感官品质呈现先提高（不变）后降低的趋势。特别是施用量3.75 t/hm2的处理与对照相比，虽然感官质量得分一致，但烟叶焦甜感突出，内在品质有所提升。而随着生物炭量施用量增加，烟叶香气质及香气量下降，杂气及刺激性增加，烟叶感官质量下降，这与许多研究结论一致［36，38］。但也有研究［39］认为，生物炭单独用作烟田土壤改良剂时，其对烟叶感官质量有一定程度的降低作用。因此，关于生物炭对烟叶感官质量的影响目前尚没有明确结论，但过量施用势必对烟叶品质产生负面影响。烟田中生物炭的适宜施用量及其施用方式，应根据研究区的气候条件、土壤性状、施肥管理及烟叶生产实际情况，并结合土壤改良、固碳减排及产质量提升等不同的研究目的来综合确定。

4　结　论

皖南烟田整治区施用生物炭后，能够改良土壤酸碱性，在生物炭施用量梯度内，pH提升0.82～1.10单位，土壤容重随生物炭用量增加而降低，而土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾等养分含量随着生物炭用量增加而增加。

生物炭施用可以促进烤烟生长发育，特别促进茎围及中上部烟叶叶面积增加。生物炭施用会提升烟叶外观中颜色、成熟度和结构等指标，但油分指标则随生物炭施用量增加呈下降趋势。此外，生物炭施用可一定程度降低烟叶总糖及还原糖含量，提升总氮、烟碱及钾含量，并以7.5 t/hm2用量烟叶的化学成分协调性较好。

整治区烟叶的感官质量随生物炭施用量增加呈先增加（不变）后降低趋势。烤烟的产量和产值则随生物炭施用量的增加而增加，但上等烟比例则呈先上升后下降的趋势。因此基于土壤养分及烟叶产质量的分析结果，在皖南烟田整治区，稻壳生物炭的施用量不宜超过7.5 t/hm2。

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Effect of Rice Husk Biochar on Soil Nutrients of Tobacco Field, Yield and Quality of Tobacco Leaves in Land Consolidation Areas

ZHENG Jiayu1， ZHANG Zhongfeng1， CHENG Sen2， CAI Xianjie2， YAO Zhongda3，WANG Jitao3， ZHU Qifa4， XUE Lin4， ZHANG Jiguang1*
（1. Tobacco Research Institute of CAAS， Key Laboratory of Tobacco Biology and Processing， Ministry of Agriculture， Qingdao 266101 China； 2. Shanghai Tobacco Group Limited Liability Company， Shanghai 200082， China； 3. China Tobacco Anhui Industrial Co.， Ltd.， Hefei 230088， China； 4. Anhui Wannan Tobacco Leaf Co.， Ltd， Xuancheng， Ahhui 242000， China）

In order to explore the effects of biochar on soil improvement， yield and quality of tobacco leaves in land consolidation areas， we conducted field experiments in the tobacco planting area of south Anhui Province， to study the influence of different amounts of rice husk biochar on soil nutrients， yield and quality of tobacco leaves. The results showed that rice husk biochar application could decrease soil bulk density， improve soil pH， and increase the soil organic matter， alkali-hydrolyzable nitrogen， available phosphorus and available potassium content. The results also showed that rice husk biochar application could promote the growth of tobacco and influence the appearance characters of tobacco leaves， especially the oil content of tobacco， which decreased with the increased amount of biochar application. The contents of total sugar and reducing sugar in flue-cured tobacco leaves decreased， but the total nitrogen，nicotine and potassium contents increased with the dosage of rice husk biochar in a certain degree. The coordination of tobacco chemical composition in T2 treatment （7.5 t/ha of biochar） was better than that in other treatments. Meanwhile， the sensory quality of tobacco leaf increased or remained the same at first， then decreased with the increasing amount of biochar application， the order of sensory quality of tobacco leaf in all treatments was T1=CK＞T2＞T3. The yield and output value of flue-cured tobacco both increased with the amount of rice husk biochar. The highest yield （1729.2 kg/ha） and output value （37516.8 Yuan/ha） were found inT3 treatment，which increased by 43.51% and 43.48% respectively compared with those in CK. However， the high-class-leaf percentage of flue cured tobacco increased firstly， then decreased with the increasing amount of biochar application. Based on the comprehensive influence of rice husk biochar on soil nutrients， the yield and quality of tobacco leaves， the amount of rice husk biochar application should be no more than 7.5 t/ha in land consolidation tobacco fields of south Anhui.

biochar； soil nutrients； land consolidation； quality of tobacco leaf； flue-cured tobacco

S572.062

1007-5119（2016）04-0006-07

10.13496/j.issn.1007-5119.2016.04.002

上海烟草集团有限责任公司科技项目“皖南烟区土壤生态维护关键技术研究”（00827）；安徽中烟工业有限责任公司科技项目“皖南烟区土壤改良关键技术研究与应用”（2013129）；中国农业科学院科技创新工程（ASTIP-TRIC06）

郑加玉（1989-），硕士，主要从事土壤生态环境利用方面研究。E-mail：zhejiayu@163.com。*通信作者，E-mail：Jiguang8002@163.com

2015-07-17

2016-03-15