生物炭类型对植烟土壤碳库及烤后烟叶质量的影响

叶协锋，周涵君，李志鹏，于晓娜，牛瑜德，李先锋，管赛赛，宗胜杰，张胜

1 河南农业大学烟草学院，国家烟草栽培生理生化研究基地，烟草行业烟草栽培重点实验室，郑州 450002；

2 陕西汉中市烟草公司，汉中723000；

3 湘西自治州烟草公司，吉首 416000

长期以来，过量施肥、单一施肥和偏施氮肥已导致土壤养分供应失衡，土壤酸化，土壤微生物活性降低和大气污染等一系列生态问题。同时，不合理施肥导致的肥料利用率低下也进一步加重了农民的负担[1]。目前，土壤质量下降、土壤环境污染和不健康土壤的出现(如抗生素与农药残留和重金属超标)成为制约我国农业发展的重要因素，因此探索一条能维持和提高土壤质量、治理土壤污染和确保土壤健康的农耕模式显得十分迫切。

很早以前，人们发现南美洲亚马逊河流域有一种黑色土壤，它有较高的碳和有机质含量，碳含量高达9％，远远高于附近其他土壤[2]，生长在该土壤的农作物产量也远高于临近其他土壤。经研究发现，这类黑色土壤为人为土壤，是由印第安人将烧制的黑炭掺入土壤形成的。至此生物炭引起了科学界的广泛关注。生物炭由生物材料在高温缺氧下烧制而成，表面有很多孔隙，使其具有巨大的比表面积，同时生物炭表面还含有多种含氧官能团[3]，这些性质使生物炭具有很强的吸附能力[4]。向土壤中施加生物炭可以提高土壤孔隙度，降低土壤容重，促进植物根系的生长，从而提高作物产量[5]。我国是农业大国，每年产生的麦秸秆1.1亿吨[6]，花生壳450万吨[7]，稻壳3600万吨[8]，改革开放以来农村生活能源调整成以煤球或罐装煤气为主，大部分秸秆被就地遗弃或者就地焚烧，农田废弃物的处置和利用状况不容乐观，已成为一个突出的环保问题。将秸秆等农田废弃物制成生物炭，是减轻环境污染、降低碳排放和合理利用资源的有效方式。生物炭以其独特的理化性质，在改善土壤质量、修复土壤的农残及重金属污染、提高土壤健康状况方面的作用已引起了人们越来越多的关注。本研究旨在探索施用不同原材料制成的生物炭对植烟土壤的改良效果，以期找出一条适宜的改良我国烟田土壤健康状况并且提高烟叶品质、综合利用农业资源、固碳减排的新型技术途径。

1 材料与方法

1.1 材料

供试的花生壳生物炭、稻壳生物炭、麦秸秆生物炭均由河南三利新能源有限公司提供，在500℃厌氧条件下制备，具体性质详见表1。

1.2 试验设计

大田试验于2013年在陕西省汉中市南郑县进行，供试品种为云烟97，土壤为黄棕壤，5月1日移栽，株行距为50cm×120cm。试验设置4个处理：T1常规施肥；T2(T1+花生壳生物炭600kg/hm2)；T3(T1+稻壳生物炭600kg/hm2)；T4(T1+麦秸生物炭600kg/hm2)。在南郑县选择3块常年植烟田进行试验，每个试验小区面积67m2，重复3次。大田管理采用当地优质烟叶生产技术进行管理，T1～T4施纯N105kg/hm2，N：P2O5：K2O=1：1.5：2，生物炭在移栽时穴施。试验地土壤碳库及肥力情况见表2。

表1 试验用生物炭理化性质Tab.1 Physicochemical property of biochar

表2 试验地土壤碳库及肥力情况Tab.2 Soil carbon library and fertility of experimental field

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤指标

按照五点法在烟株移栽施肥前采集耕作层(0～20cm)土壤及试验田临近的未耕作森林土壤，同时在烟株收获后用土钻在各小区烟株根部以烟株为圆心、15cm为半径范围内五点法采集土壤样品。采集的鲜土一部分保存于4℃冰箱，用于测量土壤微生物生物量碳等指标；另一部分土样风干后用于测量土壤有机碳、全碳、可溶性有机碳、活性有机碳、碳矿化速率等。采用氯仿熏蒸浸提法测定土壤微生物生物量碳[9]；用全自动CN元素分析仪(Vario MAX CN，德国)测定土壤全碳含量；采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量；采用333mmol/L KMnO4氧化法测定土壤活性有机碳；土壤非活性有机碳=土壤总有机碳-土壤活性有机碳；用TOC分析仪(Vario TOC，德国，Elementar)测定有机碳矿化释放的碳量；采用水提取过滤的方法测定土壤可溶性有机碳[10]。

1.3.2 土壤碳库管理指数计算方法

土壤碳库管理指数采用沈宏等提供方法计算[9]，参考土壤为试验田附近未耕作的森林土壤。

1.3.3 烤后烟叶品质分析

试验烟叶单独采收、编杆、烘烤，按照烟叶分级标准(等级标准参考GB2635—92)分级，选取各处理B2F、C3F各1.0kg，采用王瑞新等[11]的方法进行常规化学成分分析。

1.3.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 22.0 进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭对植烟土壤碳库的影响

试验结果表明(表3)施用生物炭有增加土壤全碳含量的趋势。与处理T1相比，施用稻壳生物炭(T3)后土壤全碳含量略有增加，但施用麦秸生物炭(T4)显著增加了土壤全碳含量。可溶性有机碳具有一定的溶解性，在土壤中移动比较快、易分解，受植物和微生物影响强烈[12]。本试验结果表明施用生物炭后土壤可溶性有机碳有增加的趋势，且处理T4的土壤可溶性有机碳含量显著高于其他处理，比处理T1增加了48％～92％。土壤微生物生物量碳含量动态变化可以反映土壤耕作制度和土壤肥力的变化[13]。T1处理的土壤微生物生物量碳含量显著高于其它处理，施用生物炭后土壤微生物生物量碳含量有所降低，总体表现为处理T4＞T3＞T2。通常情况下，将能够被333mmol/L KMnO4氧化的有机碳称作易氧化有机碳(活性有机碳)[14]。施用生物炭后，土壤的易氧化活性有机碳含量显著增加。处理T2和T4的易氧化活性有机碳含量显著高于处理T1，比T1增加了13％～42％。土壤有机碳矿化速率用1kg·d-1干土释放的CO2-Cg来表征[15]。由表2中可以看到在烟田施用了生物炭后，土壤碳矿化速率得到了显著提高，与T1处理相比提高了2.81～7.01倍。

表3 生物炭对植烟土壤碳库的影响Tab.3 Effect of biochar on carbon pool in tobacco-planting soil

2.2 生物炭对植烟土壤碳库管理指数的影响

土壤碳库管理指数(CPMI)能有效监测土壤碳的动态变化，是评价施肥耕作对土壤质量影响的最好指标[16-18]。由表4可以看出，施用生物炭后，土壤碳库指数和碳库管理指数均有升高趋势。处理T2的碳库活度、碳库活度指数和碳库管理指数均显著高于其他处理。处理T2的CPMI最高，处理T4次之，分别比处理T1高18％～47％和16％～26％。这表明施用花生壳生物炭及麦秸秆生物炭对农田土壤的改良作用要显著优于稻壳生物炭，当然更优于未加生物炭的对照处理。

表4 生物炭对植烟土壤碳库管理指数的影响Tab.4 Effect of biochar on tobacco-planting soil CPMI

2.3 生物炭对烤后烟叶化学成分及协调性的影响

一般认为优质烟叶的烟碱含量为1.5％～3.5％，还原糖16％～18％，总糖含量要求达到18％～22％，K+含量2％以上，Cl-含量l％以下，还原糖与总糖的比值应≥0.9[19]。从表5中可以看出，施用生物炭的处理中烟叶烟碱含量显著增加，其中处理T4烟碱增加量尤其显著，处理T3次之。施用生物炭后，烟叶总糖和还原糖含量下降。在施用生物炭的处理中，处理T4总糖、还原糖含量较T2、T3高。施用花生壳生物炭的处理T2增加了K+的含量，且与其他处理差异显著，处理T3的K+含量与处理T1差异不显著。试验中所有处理Cl-含量都在正常含量范围内，总体含量偏低。施用生物炭后，烟叶的两糖比有增加的趋势，糖碱比显著降低，钾氯比有降低趋势，其中处理T3的钾氯比稍高于T2、T4处理。

2.4 生物炭对烤烟经济性状的影响

由表6可以看出，施用生物炭后，烤烟的产量、产值和上等烟比例均有增加的趋势。与处理T1比，施用生物炭处理的产值和产量分别增加了5％～12％和6％～22％，并且上等烟比例均有增加趋势，中等烟比例大约增加了3％～33％。

表5 生物炭对烤烟化学成分的影响Tab.5 Effect of biochar on chemical composition and coordination of cured tobacco

表6 生物炭对烤烟经济性状的影响Tab.6 Effect of biochar on economic properties of cured tobacco

3 讨论

本试验所用生物炭是在500℃厌氧条件下生产，生物炭中挥发有机物含量减少，难分解碳含量比较高[20]。因此，施用生物炭直接增加了土壤全碳含量，与尚杰等[21]研究结果一致。3块试验田的土壤全碳含量均为施用稻壳生物炭处理处于较高水平，也正与稻壳生物炭全碳含量较高相一致。谢国雄等[22]研究发现，向土壤施入生物炭会影响土壤微生物生物量碳含量，随着施入时间的推移土壤微生物生物量碳含量逐渐减少，本试验也得到相似的研究结果。研究中发现施用麦秸生物炭处理的土壤微生物生物量碳含量相对较高，可能与麦秸生物炭较大的比表面积有关。3块试验地中，施用生物炭后土壤可溶性有机碳含量和易氧化活性有机碳含量均高于对照，一方面可能是生物炭表面含有微量易氧化的有机碳成分，另一方面生物炭存在较丰富的孔隙结构，不仅可以吸附较多的微生物，还能够提供较多的碳源，为土壤微生物提供良好的生存环境[23]。因此，施用生物炭使土壤可溶性有机碳和易氧化活性有机碳含量升高，且比表面积相对较大的麦秸生物炭使其提升作用更显著。

本试验表明施用生物炭后，土壤矿化速率明显提升，尤其是稻壳生物炭的提升作用更为明显。通常认为，土壤施入外源有机物后，土壤微生物数量、组成和活性发生变化，进而促进土壤有机质矿化[24]。王志明等[25]研究秸秆炭于土壤淹水条件下的转化时，发现秸秆施入土壤后最初几天，土壤呈现出正激发，随后既出现微弱的正激发，也出现负激发。这一结果被认为土壤有机质的激发效应不仅与土壤本身性质有关，还和秸秆的组分有关，即易分解组分如热水溶性物质等产生正激发，而纤维素等组分产生负激发[26]。因此，添加生物炭后，植烟土壤因正激发效应而增加了有机碳的矿化速率，添加花生壳生物炭的土壤矿化速率相对较低，是由于花生壳中含有大量的纤维素[27]，使土壤的正激发效应减弱。

土壤碳库管理指数能较全面和动态的反映外界条件对土壤有机质的影响，一方面反映了外界条件对土壤有机质的影响，另一方面也反映了土壤有机质数量的变化。土壤碳库管理指数上升，表明施肥耕作对土壤有培肥作用，土壤向良性发展；反之，则表明施肥耕作使土壤肥力下降，土壤性质向不良方向发展[28]。本研究中施用花生壳生物炭(T2)，土壤碳库管理指数显著增加，表明施用花生壳生物炭对土壤的改良效果明显。此外，添加花生壳生物炭增加了土壤的易氧化有机碳含量，这为进一步提高土壤碳库管理指数奠定了基础。

制备生物炭的原材料来源广泛，农业废弃秸秆、工业活动产生的有机废物、城市固体垃圾、水生植物等，都可以作为生物炭的原材料[29]。不同种类的秸秆所含的碳素结构与组成不同，烧制成的生物炭结构也有不同[29-31]。不同裂解方式对产生的生物炭的比表面积也影响很大，有的可以高达几百m2/g[29]，而有的可能只有0.7～15m2/g[30]。所以，不同材料来源的生物炭，对土壤的碳库的影响效果不尽相同。生物炭通过减少水溶性营养离子的溶解迁移，避免营养元素的淋失，并在土壤中持续缓慢的加以释放，相当于营养元素的缓释载体，从而达到保肥的效果[32]。高孔度生物炭对无机氮的吸附能力较强，可以减少铵态氮的挥发损失[33]。韩光明等[32]研究也表明，施用生物炭的土壤全氮含量高于未用生物炭的处理。试验中麦秸秆生物炭比表面积和比孔容较大，可以减少土壤中氮损失，Maestrini等研究水稻秸秆炭时发现水稻秸秆炭的添加可以促进红壤水稻土铵态氮的减少和硝态氮的积累，提升土壤pH有利于促进铵态氮向硝态氮转化[34]。故施用生物炭后，烟叶烟碱含量升高，特别是麦秸生物炭对烟叶烟碱的积累促进效果更为明显。生物炭含有较高的CEC[30]，已有研究表明[35]，植烟土壤中施用生物炭可以提高烤烟钾含量，该研究也得到相似的结果，尤其是施用花生壳生物炭的处理T2，各个试验地的烤烟钾含量均显著高于处理T1，对于处理T3和T4，烤烟钾含量有升高或降低的趋势，其中对于较多烤烟中的钾含量，处理T4与T1相比达到显著性差异，产生该结果可能是由于处理T2施用的花生壳生物炭中钾含量相对较高，而处理T3和T4的稻壳生物炭和麦秸生物炭中钾含量相对较低，且麦秸生物炭具有较大的比表面积，较大的比表面积使其具有相对较丰富的孔隙结构，能够竞争吸附土壤中较多的钾离子，从而使根系对钾离子的吸收减少，使烤烟中钾含量有降低的趋势。因此，土壤中施入不同种类的生物炭对烤烟钾含量有较大的影响。

4 结论

植烟土壤施用生物炭后，表征土壤碳库质量的多项指标如土壤易氧化有机碳、土壤有机碳矿化速率、土壤水溶性碳、碳库管理指数均优于常规施肥处理。施用生物炭对烟叶的品质影响也较显著，烟叶中两糖比、烟碱含量均高于正常施肥处理，两糖含量、钾氯比、糖碱比有不同程度降低。花生壳生物炭对土壤的改良作用效果比较明显。麦秸生物炭对土壤全碳含量的增加作用显著，但是也显著地增加了烤后烟叶烟碱的含量。

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