根区穴施生物炭对烤烟生长及养分吸收的影响

王卫民　张保全　程昌合

摘要：为了探索生物炭在烟草生产中的应用效果，通过设置田间试验，选择水稻秸秆生物炭，采取穴施的方式，研究了其对烤烟生长及养分吸收的影响。结果表明，根区穴施生物炭后烟株株高、叶片面积等农艺指标表现较好，能够增加烟株的生物量，但随着生物炭施用量的增加，烟株生长发育受到了一定程度的抑制，其中在0.2 kg/株的生物炭用量下，烤烟整个生育期生长发育表现最好；根区穴施生物炭后，土壤pH以及阳离子交换量（CEC）具有升高趋势，并能够增加有机质、速效磷以及速效钾等养分含量，但随着穴施生物炭量的增加，土壤碱解氮含量呈下降趋势；根区穴施生物炭能够较好地促进烟株对钾元素的吸收，3个不同用量处理的烟株根、茎和叶3个部位的钾含量均有上升趋势，但在较高的生物炭施用量下（0.3 kg/株），烟株叶片氮的含量呈现出了一定的下降趋势。根区穴施生物炭也能够促进烟株根、茎和叶对磷的吸收，0.2 kg/株的施用量表现最好。因此，通过根区穴施生物炭能够促进烤烟生长以及对养分的吸收，综合考虑以0.2 kg/株的穴施生物炭用量较为适宜。

关键词：生物炭；穴施；烤烟；生长；养分吸收

中图分类号：S572 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）03-0032-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.03.008

Abstract： In order to explore the effects of biochar on tobacco production，the effects of rice straw biochar with hole application on growth and nutrient uptake of flue-cured tobacco was studied through the field experiment. Results showed that biochar could improve the growth of flue-cured tobacco and increase the biomass of tobacco plant. However，the growth of flue-cured tobacco was inhibited with a higher application amount of biochar. In the conditions of this experiment，the growth of flue-cured tobacco was best with the hole application amount of 0.2 kg per plant. The soil pH，cation exchange capacity（CEC），organic matter，available phosphorus and available potassium increased with hole application of biochar. The content of soil available nitrogen showed a decreased trend with the increasing of the amount of biochar. The biochar with hole application could promote the absorption of potassium，and the content of potassium in root，stem and leaf of flue-cured tobacco all increased. The content of nitrogen in leaf showed a decreased trend with the higher application amount of 0.3 kg per plant. In conclusion，the biochar with hole application could promote the growth and nutrient uptake of flue-cured tobacco，and the application amount of 0.2 kg per plant was suitable.

Key words： biochar； hole application； flue-cured tobacco； growth； nutrient uptake

生物炭是指農林废弃物等生物质材料在完全或部分缺氧的条件下，经高温热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质[1]。生物炭含碳量丰富，具有较大的比表面积和发达的孔隙结构，吸附能力强，在自然条件下较稳定，通常呈碱性[2]。生物炭所具有的优良结构和特性能够对土壤的理化性质产生重要影响[3-5]。生物炭施入土壤后能够改善土壤的通气性和保水能力，并能够增加土壤养分的吸持能力，进而提高土壤养分的有效性，便于作物吸收利用[6，7]。因此将生物炭作为土壤改良剂或肥料增效载体使用，能够促进作物的增产，降低肥料损失，提高肥料的利用效率，同时可以减少土壤肥料养分损失给环境带来的危害[8，9]。烟草是中国重要的经济作物之一，多数烟区烟草种植采取长期连作方式，同时在烟叶生产中普遍存在大量施用化学肥料的现象[10]，近年来，大部分烟叶产区植烟土壤生态逐渐遭到破坏，植烟土壤环境受到严重威胁，导致烟叶产量和质量下降，成为制约烟草农业可持续发展的关键问题[11，12]。生物炭由于其良好的特性已经受到国内外研究学者的广泛关注，目前，生物炭在烟草农业生产中的研究应用尚处于起步阶段。本试验利用水稻秸秆生物炭，采取穴施的方法，研究了其对烤烟生长及养分吸收的影响，以期能够为生物炭在烟草上的进一步应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试烤烟品种为云烟87。于2015年4-9月在湖北省恩施市白果乡茅坝槽村进行大田试验。土壤类型为黄棕壤，耕层土壤pH 6.7，有机质含量20.7 g/kg， 碱解氮含量69.8 mg/kg，速效磷含量57.4 mg/kg， 速效钾含量194.7 mg/kg。供试生物炭由水稻秸秆炭化而得，其pH 9.2，总碳为630.0 g/kg，总氮为13.5 g/kg，全磷为4.5 g/kg，全钾为21.5 g/kg。

1.2 试验方法

根据穴施生物炭用量共设计4个处理，分别为不施用生物炭（CK）、根区穴施生物炭0.1 kg/株（T1）、根区穴施生物炭0.2 kg/株（T2）、根区穴施生物炭0.3 kg/株（T3）。每个处理3次重复，试验田共12个小区，随机区组排列，小区面积为100 m2，栽烟150株。

生物炭施用方法：烟苗移栽后15 d左右，在围兜封口时分别将不同用量的生物炭与营养土混合后在烟苗四周施用，使生物炭与烟苗根茎部自然贴合，随后用田间本土进行覆盖。

试验田按照当地常规施肥方式统一进行施肥，各处理所用肥料用量保持一致，纯氮用量为120 kg/hm2，氮、磷、钾施用量比例为m（N）∶m（P2O5）∶ m（K2O）=1∶1.5∶3，70%的氮肥和钾肥及100%磷肥用作底肥，30%氮肥和钾肥于移栽后30 d左右结合培土进行追施。各处理烟苗采用井窖式移栽方式统一进行移栽，其他田间管理措施均按照当地优质烟叶生产技术标准进行。

1.3 样品采集

1.3.1 烟株样品 分别在烤烟生长团棵期和平顶期，在每个处理小区内选择代表性烟株1株，用铁锹将其连根挖出，分开根、茎、叶（平顶期时分上、中、下3个部位）在105 ℃杀青15 min，在60 ℃下烘干，烘干后进行称重。

1.3.2 土壤样品 在烟株生长平顶期，分别在每个小区两株烟之间的笼体土壤上采集0～20 cm土壤样品，采用多点取样法，每一个样品取10钻进行混合，统一带回室内自然风干，用于测定土壤养分等基本理化性状。

1.4 样品检测

烟株根、茎、叶样品测定全量氮、磷、钾含量，全氮用凯氏定氮法测定，全钾用硫酸-双氧水消煮-火焰光度法测定，全磷用硫酸-双氧水消煮-钒钼黄比色法测定。具体方法参考文献[13]。

土壤样品测定pH、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、有机质、阳离子交换量（CEC）等指标，其中pH用水浸提法（水与土质量比为2.5∶1）；CEC用EDTA-铵盐快速法；有机质用重铬酸钾外加热法；全氮用半微量开氏法；全磷用H2SO4-HClO4消煮钼锑抗比色法；全钾用H2SO4-HClO4火焰光度法；碱解氮用碱解扩散法；速效磷用碳酸氢钠浸提比色法；速效钾用醋酸铵浸提火焰光度法。具体方法参考文献[13]。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2010软件和DPS7.05数据处理系统对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 农艺性状分析

在烤烟生长团棵期和平顶期，根区穴施生物炭处理烟株株高、叶片面积等农艺性状数值与对照相比均有一定的优势，但是随着生物炭施用量的增加烟株生长发育也受到了一定程度的抑制，相对而言以每株烟穴施0.2 kg生物炭效果表现最好，对烤烟田间长势具有较好的促进作用（表1、表2）。

2.2 烟株生物量分析

根区穴施生物炭增加了烟株的生物量，在烤烟生长团棵期，处理T2和处理T3烟株根、茎和叶的干重表现较好，均优于对照（图1）；在平顶期，3个施用生物炭处理烟株根、茎、中部和下部叶片的干重均表现较好（图2）。与烟株田间农艺性状表現相似，每株烟穴施0.2 kg生物炭能够在烤烟生长前期和后期均能够取得较好的生物量，并且在平顶期随着生物炭用量的增加烟株根、茎以及中部叶干重均呈现上升趋势。

2.3 烟株养分分析

由表3可知，根区穴施生物炭能够较好地促进烟株对钾元素的吸收，根、茎和叶3个部位钾含量均高于对照，随着生物炭用量的增加烟株根中钾含量具有一定的下降趋势；施用生物炭后促进了烟株根、茎和叶中磷的吸收累积，以处理T2表现最好；施用生物炭T1和T2两个处理促进了烟株叶片对氮的吸收累积，但较高的生物炭施用量（T3）烟株叶片氮含量呈现出了一定的下降趋势，低生物炭用量（T1）烟株根和茎的氮含量处于相对较高水平。

2.4 烟田土壤养分分析

由表4可知，穴施生物炭后，烟株根区土壤pH以及CEC具有升高趋势并且烟田土壤有机质含量增加；施用生物炭3个处理烟田土壤全氮和全钾含量均高于对照，全磷含量呈下降趋势。在烤烟生长平顶期，穴施生物炭提高了烟田土壤的速效磷和速效钾等养分的含量，但随着穴施生物炭量的增加，土壤速效氮含量呈现下降趋势。

3 讨论

生物炭具有良好的孔隙结构，同时自身含有的灰分元素较为丰富，生物炭施入土壤可以直接带入营养元素同时还能够促进土壤中养分的持留[14]。因此施用生物炭能在一定程度上改善土壤营养环境，有利于促进作物生长发育。近年来，有关利用生物炭提高作物产量和增加作物生产力的研究越来越多，刘世杰等[15]研究发现，生物炭能够促进玉米苗期的生长，株高和茎粗分别比对照增加了4.31～13.13 cm和0.04～0.18 cm。张伟明等[16]研究指出生物炭延缓了水稻后期叶片的衰老，对水稻茎、叶干物质积累具有比较明显的促进作用，尤其较低的生物炭施用量对茎秆干物质积累作用相对明显。本研究通过利用根区穴施生物炭的方式促进了烟株的生长发育，增加了烟株根、茎和叶等器官的生物量，但在较高的生物炭施用量下烟株的田间长势受到一定的抑制作用，这与刘卉等[17]的研究结果一致，生物炭施用量并非越多越好，当施用量达4 500 kg/hm2时，烤烟的生长发育速度低于常规不施用生物炭处理，因此，生物炭施用量过高能够对烤烟的生长产生一定的抑制作用。

生物炭本身的理化性质使其可以作为土壤改良剂，生物炭施入土壤后能够改善土壤的理化性质，调节植物对N、P、K化学肥料的反应[18]。已有研究结果表明，生物炭可以提高酸性土壤的pH、增加土壤的阳离子交换量、提高土壤有机质的含量，同时能够贮存土壤养分、提高土壤肥力[4，5]。本研究得到了相似的结果，穴施生物炭后，烟株根区土壤pH以及CEC具有升高趋势并且烟田土壤有机质含量增加，施用生物炭提高了烟田土壤的速效磷和速效钾等养分含量，但随着穴施生物炭量的增加，土壤碱解氮含量呈现了下降趋势。有研究表明，尽管生物炭能够降低土壤氨氮和硝氮的淋出，但是同时也降低土壤中可交换氮的含量[19]，其原因可能是生物炭含有的高挥发性物质刺激了微生物活动，出现了氮固定[20]。施用生物炭有利于促进作物组织器官中氮、磷、钾等养分的吸收[21，22]，在本试验条件下根区穴施生物炭后烟株根、茎和叶中氮、磷、钾含量具有上升趋势，但较高的生物炭施用量（T3）烟株叶片氮含量呈现出一定的下降趋势。已有研究表明，生物炭对土壤性质、作物生长等方面有积极的影响，但过量施用会出现负面效应[23]。生物炭在作物对养分吸收方面的影响与生物炭的种类、施用方式以及土壤中养分含量密切相关[24]。因此，在生物炭的实际应用中，需要结合不同的环境条件，针对生物炭的施用技术以及影响机理系统开展相关研究工作，进而为生物炭的合理利用奠定基础。

4 结论

根区穴施生物炭促进了烟株的生长发育，能够增加烟株的生物量，但在生物炭用量较高的条件下，烟株生长发育受到了一定程度的抑制，以每株烟穴施0.2 kg生物炭较为适宜。

根区穴施生物炭后土壤pH以及CEC具有升高趋势，增加了土壤中有机质、速效磷以及速效钾等养分含量，但随着穴施生物炭量的增加，土壤碱解氮含量呈现出了下降趋势。根区穴施生物炭能够促进烟株对氮、磷、钾养分的吸收，烟株根、茎和叶中氮、磷、钾含量具有上升趋势，在本试验条件下，较高的生物炭施用量（0.3 kg/株）烟株叶片氮含量呈现下降趋势。

参考文献：

[1] 陈温福，张伟明，孟 军，等.生物炭应用技术研究[J].中国工程科学，2011，13（2）：83-89.

[2] ANTAL M J，GRONLI M. The art，science and technology of charcoal production[J].Industrial and Engineering Chemistry Research，2003，42（8）：1619-1640.

[3] 王宏燕，王曉晨，张瑜洁，等.几种生物质热解炭基本理化性质比较[J].东北农业大学学报，2016，47（5）：83-90.

[4] 王瑞峰，赵立欣，沈玉君，等.生物炭制备及其对土壤理化性质影响的研究进展[J].中国农业科技导报，2015，17（2）：126-133.

[5] 武 玉，徐 刚，吕迎春，等.生物炭对土壤理化性质影响的研究进展[J].地球科学进展，2014，29（1）：68-79.

[6] YUAN J H，XU R K.The amelioration effects of low temperature biochar generated from nine crop residues on an acidic Ultisol[J]. Soil Use and Management，2011，27（1）：110-115.

[7] 张忠河，林振衡，付娅琦，等.生物炭在农业上的应用[J].安徽农业科学，2010，38（22）：11880-11882.

[8] ZWIETEN L，KIMBER S，MORRIS S，et al. Effects of biochar from slow pyrolysis of papermill waste on agronomic performance and soil fertility[J].Plant and Soil，2010，327（1）：235-246.

[9] 何绪生，张树清，佘 雕，等.生物炭对土壤肥料的作用及未来研究[J].中国农学通报，2011，27（15）：16-25.

[10] 宋国菡，杨献营，潘吉焕.我国烤烟施肥现状、存在问题及对策[J].中国烟草科学，1998（4）：32-34.

[11] 邓阳春，梁永江，袁 玲，等.烟地土壤养分淋失与利用研究[J].水土保持学报，2009，23（2）：21-24.

[12] 石秋环，焦 枫，耿 伟，等.烤烟连作土壤环境中的障碍因子研究综述[J].中国烟草学报，2009，15（6）：81-84.

[13] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000.264-270.

[14] SHI X，JI L，ZHU D. Investigating roles of organic and in organic soil components in sorption of polar and nonpolar aromatic compounds[J]. Environmental Pollution，2009，158（1）：319-324.

[15] 刘世杰，窦 森.黑碳对玉米生长和土壤养分吸收与淋失的影响[J].水土保持学报，2009，23（1）：79-82.

[16] 张伟明，孟 军，王嘉宇，等.生物炭对水稻根系形态与生理特性及产量的影响[J].作物学报，2013，39（8）：1445-1451.

[17] 刘 卉，周清明，黎 娟，等.生物炭施用量对土壤改良及烤烟生长的影响[J].核农学报，2016，30（7）：1411-1419.

[18] ASAI H，SAMSON B K，STEPHAN H M，et al. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos：1.Soil physical properties，leaf SPAD and grain yield[J].Field Crops Research，2009，111（1）：81-84.

[19] SIKA M，HARDIE A. Effect of pine wood biochar on ammonium nitrate leaching and availability in a South African sandy soil[J]. European Journal of Soil Science，2014，65（1）：113-119.

[20] STREUBEL J D，COLLINS H，GARCIA-PEREZ M，et al. Influence of contrasting biochar types on five soils at increasing rates of application[J]. Soil Science Society of America Journal，2011，75（4）：1402-1413.

[21] 陈心想.生物炭对土壤性质、作物产量及养分吸收的影响[D].陕西杨凌：西北农林科技大学，2014.

[22] 周加顺，郑金伟，池忠志，等.施用生物质炭对作物产量和氮、磷、钾养分吸收的影响[J].南京农业大学学报，2016，39（5）：791-799.

[23] 姜玉萍，杨晓峰，张兆辉，等.生物炭对土壤环境及作物生长影响的研究进展[J].浙江农业学报，2013，25（2）：410-415.

[24] 卜晓莉，薛建辉.生物炭对土壤生境及植物生长影响的研究进展[J].生态环境学报，2014，23（3）：535-540.