生物质炭对植烟土壤改良及烟叶品质的影响

孙敬国，孙光伟，王昌军，陈振国，余 君，覃光炯，饶雄飞，李进平，李建平

（湖北省烟草科学研究院，湖北武汉430030）

生物质炭对植烟土壤改良及烟叶品质的影响

孙敬国，孙光伟，王昌军，陈振国，余 君，覃光炯，饶雄飞，李进平，李建平

（湖北省烟草科学研究院，湖北武汉430030）

近年来，植烟土壤面临着酸化和有机质含量降低等一系列问题，进而影响到烟叶的产量和品质，而生物质炭具有含碳量高、比表面积大、呈碱性等特性，在提高土壤pH和养分有效性等方面具有明显作用。综述了生物质炭的性质及其在土壤改良、养分提升、土壤固碳等方面的效应，以期为烟叶生产中应用和推广提供科学依据。

生物质炭；土壤改良；烟叶品质

烤烟是我国重要的经济作物之一，种植烤烟是我国边远山区农民的主要经济来源之一。目前，粮烟争地局势严峻，烟草由于连作带来的直接及间接经济损失高达40亿元，严重威胁到我国烟草农业生产的可持续发展[1]；加之烤烟种植生态区域逐渐压缩，轮作的条件越来越受到限制[2]。烟田土壤长年连作以及施肥措施单一，导致烟田土壤不断酸化、有机质含量下降、土壤养分利用率下降、养分失调、土传病虫害加重、烟田有害物质逐年积累，同时，抑制土壤生物化学过程，影响烟草正常的生长发育，最终造成其产量和品质的显著降低[3]。因此，如何有效提高烟田土壤肥力、改良酸化土壤、增加土壤肥料利用率并增强土壤固碳能力，是我国烟叶种植保持可持续发展的关键。

近年来，生物质炭作为一种土壤改良剂，以其独特的物理、化学及生物学特性受到广大科研工作者的关注[4]。生物质炭能够增加土壤的保水保肥能力，降低土壤的酸度和钝化重金属，促进土壤中碳氮的固定，因而在土壤改良中取得了很好的效果，但生物质炭在烟田土壤改良和肥料调控方面的研究相对较少。

笔者对生物质炭的特性及生物质炭对土壤理化性质、养分特性的影响以及固碳机理进行了综述，以期为生物质炭在烟田土壤改良、提高烟叶产量和提升烟叶品质等方面的应用提供理论依据。

1 生物质炭的性质及特征

随着巴西亚马逊河流域“黑土壤”的发现，生物质炭成为研究热点。STEINER等[5]研究认为，这些黑土壤肥力维持了数千年是因为土壤中富含碳元素，而这些碳元素主要由长期累积的生物质炭所贡献。一些研究也指出，黑土中的关键成分是木炭，也称为生物质炭（Biochar）[6]。生物质炭主要由作物秸秆等有机物质在厌氧或缺氧条件下，经热裂解炭化产生的高含碳量固态物质[7]，是一种含碳丰富的固体物质[8-9]。

生物质热解产生的生物质炭是一种多功能材料，营养丰富，尤其是碳含量较多，形成了良好的孔隙结构，表面含氧官能团丰富[10]，其表面存在大量的-OH，-COOH等基团，产生的表面负电荷使生物质炭具有较高的阳离子交换量（CEC）[11]。生物质炭在热解过程中，矿质元素如钠、钾、钙、镁等以氧化物或碳酸盐的形式存在于灰分中，溶于水后呈碱性，且裂解温度越高，pH值越高[12-14]，此外，生物质炭表面丰富的-COO-（-COOH）和-O-（-OH）等含氧官能团在pH值较高条件下以阴离子形态存在，能够与H+结合，从而使生物质炭碱性增加[14]。

生物质炭中含有N，P，K，Ca，Mg，Zn，Mn等营养元素，有利于提高土壤肥力[15-16]，改善土壤养分循环，从而促进植物生长[17]，而且不同原料制备的生物质炭，会对土壤产生不同的改良效果[18]。生物质炭是一种含碳的聚合物，可作为土壤稳定的有机碳源[19]，同时能够加深土壤颜色，增加土壤的热容量，从而提高土壤温度，有利于植物生长[20]。

2 生物质炭对土壤的改良作用

在我国，烟田连作现象非常普遍，一些主产区烟田连作比例在40%～60%[21]。连作使土壤中多种有效养分的比例发生变化，引起养分失调[22]。烟草连作2 a后有机质含量下降[23]。同时，随着连作年限的延长，表层土壤酸化明显[24]。土壤酸化不仅危害土壤环境，而且导致作物产量和质量下降[25]。生物质炭一般呈碱性且富含多种养分元素，能够有效调节土壤pH[26]，施入土壤后，中和土壤酸性物质，提高土壤的pH[27]，降低土壤交换性氢和交换性铝[28]。有研究表明，生物质炭能够提高土壤孔隙度[29-30]和表面面积，降低土壤容重[31]。

生物质炭由于其本身的孔隙结构，因此，具有较强的吸附性能，可以有效减少氮、磷流失。有研究表明，采用生物质炭和肥料配施后，能够减少土壤的氨挥发与土壤氮素流失，来提高氮肥利用率[32]。曲晶晶等[33]研究发现，施用生物质炭也可显著提高水稻氮肥利用率，与对照相比，可提高20.33百分点。郭伟等[34]3 a定位试验研究发现，施用生物质炭处理明显增加了土壤耕层全氮的质量分数。生物质如何提高土壤氮含量，其原因可能有：一是生物质炭中含有少量氮，二是生物质炭改善土壤通气状况，抑制了氮素微生物的反硝化作用，进而使得土壤中全氮储量相对增加。ZHANG等[35]基于稻田试验也发现，单一施用生物质炭使得N2O的排放量减少了21%～28%，而生物质炭与氮肥的配合施用使N2O的排放减少了40%～51%。

土壤阳离子交换量（CEC）指土壤胶体所能吸附各种阳离子的总量，可以反映土壤吸收、交换和保留阳离子的能力，直接表征土壤的保肥、供肥性能和缓冲能力的大小[36]。生物质炭添加到土壤后可显著提高土壤的阳离子交换量[37]。在热带土壤中，施加生物质炭可以提高土壤CEC，且随施炭比例的增加而提高，提高幅度可达50%[38]。有研究发现[39]，生物质炭处理提高了大豆生育期阳离子交换量，高施炭量提高效应更大。生物质炭对土壤CEC的影响还与生物质炭和土壤相互作用时间有关。随着生物质炭在土壤中作用时间的延长，其在生物或者非生物的作用下产生的如羰基、羧基等官能团，使生物炭的CEC增大，土壤的CEC也相应增大[40]。

3 生物质炭对土壤养分的影响

土壤养分是反映土壤肥力的重要指标之一，其含量高低直接影响作物的产量和品质。生物质炭本身能够被作物利用的养分很少，但由于其具有的吸附性能，减少了雨水冲刷造成的养分流失，间接提高了土壤养分含量[41-43]。添加生物炭可以有效提高土壤中养分含量。周桂玉等[44]研究认为，生物炭对有效磷、钙、镁的提高效果相对比较明显，但对氮和钾的作用不显著。TOPOLIANTZ等[45]也曾报道，施用生物炭能增加有效P，K，Mg和Ca含量。NOVAK等[46]研究表明，往土壤中添加2%（w/w）的生物质炭，67 d后发现土壤Ca，K，Mn，P的含量明显升高，但S，Zn的含量是降低的。

4 生物质炭的固碳作用

农田土壤有机碳矿化释放CO2是农业温室气体排放的重要途径，减少或促进土壤碳的矿化对减缓全球温室效应具有重要意义。农业活动排放温室气体，一个固定碳的方法就是把含碳物质经过加热处理使其变为稳定物质[47]。

生物质炭由于其结构特点，因此，具有更高的化学和生物学稳定性，具有更强的抵抗微生物分解的能力，在某些条件下它可以在土壤中稳定存在上千年[48]。近年来，向土壤中添加生物质炭变为一种农业增汇减排的技术措施，已成为人类应对全球气候变化的一条重要途径[49]。研究表明，生物质炭能够抑制土壤有机碳的分解，降低土壤CO2的排放[50]。生物质炭施入土壤中可以与土壤矿物相结合起到老化的作用，从而使生物质炭长期存留在土壤中，增加了土壤碳含量[51]。章明奎等[52]研究了生物质炭对土壤有机质活性的影响，结果表明，施用生物质炭可显著增加土壤有机碳的氧化稳定性，促进土壤有机碳的积累。生物质炭也可以改变土壤有机碳的组分，形成更稳定的土壤有机碳，使土壤能持久的供给养分，提高土壤肥力[53]。

5 生物质炭对烟叶生长及品质的影响

烟草是我国重要的经济作物之一，由于粮烟争地严重，烟草种植存在严重的连作障碍等现象，造成了土壤养分失调，烟叶品质下降等问题。生物质炭可通过改良土壤理化性质来间接影响作物生长发育，然而生物质炭对作物的改良效果受生物质炭类型、施用量、土壤类型和作物种类等因素影响较大。ASAI等[54]在老挝地区的试验表明，生物质炭的应用可提高低磷有效性地区的粮食产量，还可提高对氮或氮磷化肥的响应，但却降低了叶片SPAD值。有研究结果表明，施用生物质炭能够提高烤烟生育中、后期干物质积累量[55]，随着生物质炭用量的增加，各生育时期土壤有机质含量总体均呈现增加的趋势，可增加土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量，还可以增加土壤pH值和C/N[56]。有研究结果显示，施用生物质炭可有效促进土壤中碱解氮、有机质、速效磷和速效钾含量，同时促进烟叶干物质积累量和叶片N，P，K积累量的增加，使烟叶内在化学成分更加协调，中性致香物质含量增加[57]。

6 结论与展望

生物质炭是当前国际、国内在进行土壤改良、提升养分利用率等新型材料之一，但目前仍处于起步阶段，研究过程中采用的生物质炭原料、制备方法、施用方式等不尽相同，因此，结果相对缺乏可比性。虽然很多研究表明，生物质炭在短期内对作物生长、改善土壤养分和降低N2O排放等方面具有一定的改善功能，但对于这些有益作用的机理还有待进一步探索，生物质炭施用的长期效果也有待进一步研究。

［1］张继光，申国明，张久权，等.烟草连作障碍研究进展[J].中国烟草科学，2011，32（3）：95-99.

［2］时鹏，张继光，王正旭，等.烟草连作障碍的症状机理及防治措施[J].安徽农业科学，2011，39（1）120-122，124.

［3］晋艳，杨宇虹，段玉琪，等.烤烟轮作、连作对烟叶产量质量的影响[J].西南农业学报，2004，17（Z）：267-271.

［4］SMEBYE A，ALLING V，VOGT R D，et al.Biochar amendment to soil changes dissolved organic matter content and composition[J]. Chemosphere，2016，142：100-105.

［5］STEINER C，TEIXERIAWG，LEHMANNJ，etal.Long term effects of manure，charcoal，and mineral：fertilization on crop production and fertility on a highly weathered central Amazonian upland soil[J]. Plantand Soil，2007，291：275-290.

［6］刘霞.生物炭能否给地球降降温?[N].科技日报，2009-07-12.

［7］LEHMANNJ.Ahandfulofcarbon[J].Nature，2007，447：143-144.

［8］SOHI S P，KRULL E，LOPEZ-CAPEL E，etal.A review of biochar and its use and funcation in soil[J].Advance in Agronomy，2010，105：47-82.

［9］杨平平.茶树修剪叶及其生物质炭还田的土壤环境效应[D].南京：南京农业大学，2012.

［10］TITIRICI MM，THOMAS A，YU S H，et al.A direct synthesis of mesoporous carbons with bicontinuous pore morphology from crude plantmaterialby hydrothermalcarbonization[J].Chemistry of Materials，2007，19：4205-4212.

［11］LIANG B，LEHMANN J，SOLOMON D，et al.Black carbon increases cation exchange capacity in soil[J].Soil Science Society of America Journal，2006，70（5）：1719-1730.

［12］谢祖彬，刘琦，许燕萍，等.生物炭研究进展及其研究方向[J].土壤，2012，44（6）：857-861.

［13］YIP K，TIAN F，HAYASHI J I，et al.Effect of alkali and alkaline earth metallic species on biocharreactivity and syngas compositions during steam gasification?[J].Energy&Fuels，2009，24（1）：173-181.

［14］YUANJH，XUR K，ZHANGH.The forms ofalkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J].Bioresource Technology，2011，102（3）：3488-3497.

［15］DINGY，LIUY，LIUS，etal.Biocharto improve soilfertility.Areview[J].Agronomy for Sustainable Development，2016，36（2）：1-18.

［16］ROGOVSKA N，LAIRD D，CRUSE R M，et al.Germination tests forassessing biocharquality[J].JournalofEnvironmentalQuality，2012，41（4）：1014-1022.

［17］MARRIS E.Putting the carbon back:black is the new green[J]. Nature，2006，442：624-626.

［18］CHANKY，VANZWIETENL，MESZAROS I，etal.Using poultry litterbiochars as soilamendments[J].Soil Research，2008，46（5）：437-444.

［19］LEHMANNJ，JOSEPH S.Biochar for environmentalmanagement：science and technology[M].London UK：Earthscan，2009.

［20］ZHANG Q，WANG Y，WU Y，et al.Effects ofbiochar amendment on soil thermal conductivity，reflectance，and temperature[J].Soil Science Society ofAmerica Journal，2013，77（5）：1478-1487.

［21］朱树良，夏春雷，王朝佐，等.优化耕作制度促进云南主产区烟叶生产可持续发展[J].中国烟草科学，2005，26（3）：5-8.

［22］王连君，谷思玉.烤烟连作对土壤养分的影响 [J].烟草科技，2004（9）：40-42.

［23］娄翼来，关连珠，王玲莉，等.不同植烟年限土壤pH和酶活性的变化[J].植物营养与肥料学报，2007，13（3）：531-534.

［24］RLCE E L.Allelopathy[M].New York：Aeademic Perss lnc，1984：320-324.

［25］ROWELL DL，WILDA.Causes ofsoilacidification：a summary[J]. SoilUse&Management，2007，1（1）：32-33.

［26］徐仁扣.土壤酸化及其调控研究进展 [J].土壤，2015，47（2）：238-244.

［27］袁金华，徐仁扣.稻壳制备的生物质炭对红壤和黄棕壤酸度的改良效果[J].生态与农村环境学报，2010，26（5）：472-476.

［28］袁金华，徐仁扣.生物质炭对酸性土壤改良作用的研究进展[J].土壤，2012，44（4）：541-547.

［29］STEINER C，BLUMWE H，ZECH W，et al.Long term effects of manure，charcoal and mineral fertilization on crop production and fertility on a highly weathered Central Amazonian upland soil[J]. Plantand Soil，2007，291（1/2）：275-290.

［30］YANAI Y，TOYOTA K，OKAZAKI M.Effects ofcharcoaladdition on N2Oemissions from soilresulting fromrewetting air-dried soilin short-termlaboratory experiments[J].SoilScience and PlantNutrition，2007，53（2）：181-188.

［31］LAIRDDA，FLEMING P，DAVIS DD，etal.Impactofbiochar amendments on the quality ofa typical Midwestern agriculturalsoil [J].Geoderma，2010，158（3/4）：443-449.

［32］LEHMANN J，DA SILVA JR J P，STEINER C，et al.Nutrient availability and leaching in an archaeologicalanthrosoland a ferralsolofthe centralamazonbasin：fertilizer，manureand charcoalamendments[J].Plantand Soil，2003，249（2）：343-357.

［33］曲晶晶，郑金伟，郑聚锋，等.小麦秸秆生物炭对水稻产量及晚稻氮素利用率的影响 [J].生态与农村环境学报，2012，28（3）：288-293.

［34］郭伟，陈红霞，张庆忠，等.华北高产农田施用生物质炭对耕层土壤总氮和碱解氮含量的影响 [J].生态环境学报，2011，20（3）:425-428.

［35］ZHANG A F，CUI L Q，PAN G X，etal.Effect of biochar amendmenton yield and methane and nitrous oxide emissions from a rice paddy from TaiLake plain，China[J].Agriculture，Ecosystems and Environment，2010，139（4）：469-475.

［36］韩永俊，尹大庆，赵艳忠.秸秆还田的研究现状[J].农机化研究，2003（2）：39-40.

［37］马彦茹，杨新华，葛春辉，等.棉秆生物质炭对两种石灰性土壤速效磷、速效钾的激活效应研究[J].新疆农业科学，2014（4）：660-666.

［38］GLASER B，LEHMANN J，ZECH W.Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal-a review[J].Biology and Fertility of Soils，2002，35（4）：219-230.

［39］张伟明.生物炭的理化性质及其在作物生产上的应用 [D].沈阳：沈阳农业大学，2012.

［40］CHENG C，LEHNLANN J，THIES J E，et al.Oxidation of black carbon by biotic and abioticprocesses[J].Organic Geochemistry，2006，37（11）：1477-1488.

［41］张晗芝，黄云，刘钢，等.生物炭对玉米苗期生长、养分吸收及土壤化学性状的影响 [J].生态环境学报，2010（11）：2713-2717.

［42］DING Y J，LIU Y，WU W，et al.Evaluation of biochar effects on nitrogen retention and leaching in multi-layered soil columns[J]. Water Air SoilPollution，2010，213（1/4）：47-55.

［43］KIMETU J M L.Stability and stabilisation of biochar and green manure in soilwith differentorganic carbon contents[J].Australian JournalofSoilResearch，2010，48（6/7）：577．

［44］周桂玉，窦森，刘世杰，等.生物炭结构性质及其对土壤有效养分和腐殖质组成的影响[J].农业环境科学学报，2011，30（10）：2075-2080．

［45］TOPOLIANTZ S，PONGE J F，BALLOF S.Manioc peeland charcoal：a potential organic amendment for sustainable soil fertility in the tropics[J].Biology and Fertility ofSoils，2005，41（1）：15-21.

［46］NOVAK J M，BUSSCHER W J，LAIRD D L，et al.Impact of biochar amendmenton fertility of asoutheastern Coastal Plain soil [J].SoilScience，2009，174（2）：105-112.

［47］SPOKAS K A，KOSKINEN W C，BAKER J M，et al.Impacts of woodchip biochar additions on greenhouse gas production and sorption/degradation oftwo herbicides in a Minnesota soil[J].Chafflosphere，2009，77：574-581.

［48］PESSENDALC R，GOUVEIAS E M，ARAVENA R.Radiocarbon dating of totalsoilorganic matter and humin fraction and its comparison with14C ages offossilcharcoal[J].Química Nova，2001，22（6）：595-601.

［49］LEHMANN J，LIANG B，SOLOMON D，et al.Near-edge X-ray absorption fine structure（NEXAFS）spectroscopy for mapping nano-scale distribution oforganic carbon forms in soil：Application to black carbon particles[J].Global Biogeochemical Cycles，2005，19（1）：515-532.

［50］LAIWY，LAIC M，KE GR，etal.The effects ofwoodchip biochar application on crop yield，carbon sequestration and greenhouse gas emissions from soils planted with rice or leafbeet[J].Journalofthe Taiwan Institute ofChemicalEngineers，2013，44（6）：1039-1044.

［51］CHENG C H，LEHMANN J.Ageing of black carbon along a temperature gradient[J].Chemosphere，2009，75（8）：1021-1027.

［52］章明奎，WALELIGNDBAYOU，唐红娟.生物质炭对土壤有机质活性的影响[J].水土保持学报，2012，26（2）：127-137.

［53］SMEBYE A，ALLING V，VOGT R D，etal.Biochar amendment to soil changes dissolved organic matter content and composition[J]. Chemosphere，2016，142：100-105.

［54］ASAIH，SAMSONBK，STEPHANHM，etal.Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos：1.Soil physicalproperties，leafSPADand grain yield[J].Field Crops Research，2009，111（1/2）：81-84.

［55］王丽渊，刘国顺，王林虹，等.生物质炭对烤烟干物质积累量及根际土壤理化性质的影响 [J].华北农学报，2014，29（1）：140-144.

［56］宋亮，任天宝，李敏，等.不同生物炭用量对湘西植烟土壤养分的影响[J].河南农业科学，2017，46（2）：43-48.

［57］张军.高碳基土壤修复肥对植烟土壤理化性状及烤烟品质的影响[D].郑州：河南农业大学，2015.

Effects of Biochar on Soil Improvement and Tobacco Leaf Quality

SUNJingguo，SUNGuangwei，WANGChangjun，CHENZhenguo，YUJun，QINGuangjiong，RAOXiongfei，LIJinping，LIJianping

（Tobacco Scientific Research Institute ofHubeiProvince，Wuhan 430030，China）

In recentyears,the soils ofplanting tobacco are facing a series ofproblems such as acidification and reduction oforganic matter content,which affects the yield and quality oftobacco leaves.The biochar has a high carbon content,large specific surface area, alkaline and other characteristics,it has obvious effect on improving the soil pH and nutrient availability.This paper reviews the properties ofbiochar,its effects on soilimprovement,nutrientenhancementand soilcarbon sequestration,so as to provide scientific basis for application and popularization in tobacco production.

biochar;soilimprovement;tobacco leafquality

S572

：A

：1002-2481（2017）09-1557-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.09.38

2017-06-30

中国烟草总公司重点项目（110201502014）；湖北省烟草公司科技项目（027Y2014-009）

孙敬国（1981-），男，山西长治人，农艺师，博士，主要从事烟草营养及代谢研究工作。陈振国为通信作者。