小麦生物质炭对烤烟生长及根际土壤理化性质的影响

张阿凤,邵慧芸,成 功,杜红宇,张育林,王旭东,张艳玲

(1 农业部 西北植物营养与农业环境重点实验室，西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100；2 中国烟草总公司 郑州烟草研究院，河南 郑州450001)

生物质炭是各种农田废弃物及果木枝条在高温(350～550 ℃)限氧条件下热解的产物，主要的元素组成为碳、氢、氧等，还有一定量的氮和硫[1]，并且碳的含量比较高(70%～80%)，以纤维素、羰基、酸和酸的衍生物以及成分复杂有机碳的混合物为主。施入土壤后因其性质比较稳定，在土壤中的周转过程可能长达数百年或者更久[2]，这为生物质炭还田后持续发挥改土增产、固碳减排作用奠定了基础[3]。

我国是一个农业生产大国，每年产生的各类作物秸秆在7×108t左右[4]。大量研究表明，生物质炭对于改善土壤结构及土壤理化性质[5]、提升作物产量及肥料利用率[6-7]、提高温室气体减排等方面有重要作用[8]。生物质炭的农田施用一方面为秸秆的资源化利用提供了新的途径[2,9]，另一方面也为农田土壤的固碳减排提供了新思路。由于化学肥料的长期单一施用，导致植烟土壤结构板结、肥力下降，并进一步影响烟叶的产量及品质。因此，探究对植烟土壤的改良措施已受到广泛关注[10]。但有研究表明，生物质炭的施用虽然促进了烟叶生长和产量的提高[11-12]，提升了烟叶的品质及产值[11]，但是烟叶品质随着生物质炭施用量的增加呈现先提高后下降的趋势，当生物质炭施用量达到2 025 kg/hm2时，烟叶品质开始下降[11]。另有研究表明，生物质炭的施用对烟田土壤结构和理化性质的改善有一定作用[13]。而目前的研究主要集中于生物质炭的施用对烤烟不同生育期生长发育特征及成熟期土壤理化性质的影响方面[14-16]，关于生物质炭对烟叶根际土壤理化性质及酶活性的影响研究较少。

贵州遵义市是全国烤烟种植最适宜区之一，近年烤烟种植面积为80万hm2左右，是全国第三大烟叶主产区，种植面积和烟叶产量居贵州省第一[17]。生物质炭的来源和用量、气候条件、土壤类型都会影响烟叶的生长、产量及品质，但是目前在贵州这方面的研究还比较欠缺。因此本研究选取贵州遵义市烟田土壤黄壤，采用盆栽试验，探讨不同用量的小麦生物质炭对烟叶前期生长及根际土壤理化性质及酶活性的影响，以期为遵义市植烟土壤中生物质炭的施用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验采用盆栽的方式，于2016年在西北农林科技大学日光温室(34°16′56.24″N，108°04′27.95″E)内进行。供试烟草品种为K326，将烤烟种子种在育苗盘基质中，并使其保持湿润状态，再放入配制好的营养液箱中，之后放入人工气候箱里进行育苗。育苗温度控制在25 ℃，湿度控制在60%。待烟苗约4 cm高时，选取长势一致的烟苗统一移栽至高25 cm、口径为36 cm的硬质塑料花盆中，每盆移栽1棵烟苗，每盆装土和生物质炭共10 kg。所用土壤为采自贵州遵义市遵义县的0～10 cm土层的黄壤，其基本性质如下：pH 6.37，有机碳3.43 g/kg，全氮 0.96 g/kg，全磷 0.090 g/kg，全钾 7.29 g/kg，有效磷 16.6 mg/kg，有效钾 92.1 mg/kg。供试小麦生物质炭购自河南三利新能源有限公司，是将小麦秸秆在缺氧条件下经350～550 ℃高温裂解后所得的产物，其基本性质如下：pH 10.3，有机碳489.6 g/kg，全氮10.7 g/kg，全磷2.0 g/kg，全钾26.3 g/kg，矿质态氮90.4 mg/kg，有效磷0.87 mg/kg，有效钾462 mg/kg，灰分含量467.0 g/kg。

1.2 试验设计

试验设6个处理，分别为不施用生物质炭的对照(CK)，以及添加0.1%(质量分数，下同)，0.5%，1%，2%和3%生物质炭的处理，每个处理3次重复，每重复1盆。在烟苗移栽前，将生物质炭、肥料(肥料的用量每盆按2 g纯氮量施用氮磷钾复合肥(m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶1.5∶3)和土按试验设计充分混合均匀后装盆，各处理标记后随机排列。整个生育期烟苗所需水分全部由人工供给，在移栽还苗期保持水分为土壤相对含水量的60%[18]，还苗期以后按照烟株的生长情况和水分蒸发情况适当补充水分。其余栽培管理严格按照优质烟叶生产技术执行。

1.3 样品采集及分析方法

在烤烟移栽后的15 d(还苗期)测定烟叶的株高、叶片数、最大叶面积、叶绿素含量(SPAD)等农艺性状指标，在烤烟移栽后的45 d(团棵期)再次测定上述指标，之后将整个植株连根一起挖出，用抖根法取根际土壤。将整株烤烟在105 ℃条件下杀青15 min，60 ℃ 烘干，在烘干前后分别测定烤烟地上部和地下部的鲜质量与干质量。

土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化法测定，pH采用DELTA320pH计测定(土水质量比为1∶1)，硝态氮含量采用酚二磺酸比色法测定，铵态氮含量采用1.2 mol/L氯化钾浸提-靛酚蓝比色法测定，全氮含量用半微量凯氏法测定，速效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，全磷含量采用氢氧化钠熔融法测定，速效钾含量采用1 mol/L醋酸铵浸提-火焰光度法测定，全钾含量采用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定，以上养分含量的测定均参考文献[19]的方法进行。土壤脲酶、脱氢酶、蔗糖酶活性均采用比色法测定，其测定方法参照文献[20]的方法进行。烟叶中叶绿素含量采用SPAD-502 PLUS(叶绿素计)测定，株高、叶长和叶宽采用长度为2 m的卷尺测定。

1.4 数据处理

试验数据均取3次重复的平均值，采用Microsoft excel 2013和JMP10.0(SAS Institute，USA，2011)统计软件进行处理和相关性分析，用Duncan’s法检验数据间的差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同用量生物质炭对烤烟农艺形状及生物量的影响

不同用量生物质炭对烤烟农艺性状的影响详见表1。

表1 不同用量生物质炭对还苗期和团棵期烤烟农艺性状的影响Table 1 Effect of different biochar amendments on agronomic traits of flue-cured tobacco during the seedling and glomeration stages

注：同列数据后标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。表2和表3同。

Note: Different small letters within each line indicate significant difference (P<0.05).Table 2 and Table 3 are the same.

从表1可以看出，与对照(CK)相比，不同用量生物质炭对还苗期烟草的叶片数、株高及叶绿素含量没有明显影响，但是总体增加了烟叶的最大叶面积，其中当生物质炭用量为3%时，烟叶的最大叶面积较对照增加了155.3%，而其他处理与对照没有显著差异。在团棵期，与对照相比，生物质炭的施用总体增加了烟草的叶片数、最大叶面积及叶绿素含量，但是对于烟草的株高没有显著影响；当生物质炭用量为3%时，与对照相比，烟草的叶片数增加了21.5%，最大叶面积增加了17.7%。

由图1可以看出，与对照相比，不同用量生物质炭影响了烟草团棵期地上部的生物量，不同生物质炭处理与对照之间烟草地上部鲜质量、干质量总体上有显著性差异。

图柱上标不同小写字母表示处理之间有显著性差异(P<0.05)，下图同Different small letters indicate significant difference (P<0.05) among treatments.The same below图1 不同用量生物质炭对烟叶团棵期地上部和地下部生物量的影响Fig.1 Effect of different amounts of biochar amendment on aboveground and root biomass of flue-cured tobacco during the glomeration stage

图1显示，与对照相比，生物质炭用量为0.5%，1%，2%及3%时，地上部鲜质量分别增加了36.7%，26.3%，13.6%和43.7%；地上部干质量分别增加了37.7%，27.3%，14.3%和44.2%。可以看出，生物质炭用量为3%的处理烟草地上部生物量增幅最大。与对照相比，不同用量生物质炭对烤烟地下部鲜质量及干质量没有显著性影响。

2.2 不同用量生物质炭对烟草根际土壤养分含量的影响

表2显示，生物质炭的施用影响了土壤pH、有机碳、全氮及全钾含量，但对土壤全磷含量无显著影响。

表2 不同用量生物质炭对烟草根际土壤养分含量的影响Table 2 Effects of different amounts of biochar amendment on nutrients contents in rhizosphere soil of tobacco

当生物质炭用量为2%和3%时，与对照相比，土壤pH分别显著增加了0.58和0.50，而其他生物质炭处理与对照之间没有显著性差异。当生物质炭用量为1%，2%和3%时，与对照相比，土壤有机碳含量分别增加了381.0%，235.3%和302.3%；而当生物质炭的用量为0.1%和0.5%时，与对照相比，土壤有机碳含量虽略有增加，但没有显著差异。当生物质炭用量为1%，2%和3%时，与对照相比，土壤全氮含量分别增加了10.4%，29.2%和41.7%；而低用量(0.1%和0.5%)生物质炭处理下，土壤全氮含量没有显著变化。钾是烟草的品质元素，土壤中全钾含量影响烟草对钾的吸收。与对照相比，生物质炭的施用增加了土壤全钾含量，特别是当生物质炭用量为3%时，土壤全钾含量最高，较对照增加了114.0%；其他生物质炭处理土壤全钾含量虽有增加的趋势，但是与对照差异不显著。土壤全磷含量各处理间差异不显著。

图2显示，生物质炭的施用影响了烟草根际土壤硝态氮和铵态氮的含量。与对照相比，当生物质炭用量为0.1%，0.5%，1%，2%和3%时，土壤硝态氮含量分别显著增加了22.1%，47.1%，39.9%，48.8%和22.9%。与对照相比，当生物质炭的用量为0.5%和1%时，土壤铵态氮含量分别显著增加了90.5%和21.4%；而其他处理与对照没有显著性差异。

不同用量生物质炭对烟草根际土壤速效磷和速效钾含量的影响见图3。

图2 不同用量生物质炭对烟草根际土壤铵态氮和硝态氮含量的影响Fig.2 Effect of different amounts of biochar amendment on and contents of rhizosphere soil

图3显示，生物质炭处理显著影响了根际土壤速效磷和速效钾的含量。与对照相比，当生物质炭用量为0.1%，0.5%，1%，2%和3%时，土壤速效磷含量分别显著增加了197.7%，148.6%，220.3%，282.4%和220.3%。当生物质炭用量为0.5%，1%，2%和3%时，烟草根际土壤速效钾含量分别较对照显著增加了45.3%，78.5%，237.0%和474.8%；但当生物质炭用量为0.1%时，烟草根际土壤速效钾含量与对照之间没有显著差异。

2.3 不同用量生物质炭对烟草根际土壤酶活性的影响

表3显示，生物质炭的施用影响了土壤脲酶、脱氢酶及蔗糖酶活性，但是3种酶活性的变化与生物质炭的用量之间没有线性关系。与对照相比，当生物质炭用量为2%时，土壤脲酶活性增加35%。而施用生物质炭(添加0.1%的生物质炭处理除外)降低了土壤脱氢酶的活性，与对照相比，当生物质炭用量为0.5%，1%，2%和3%时，土壤脱氢酶活性分别降低了51.5%，63.6%，63.6%和51.5%；当生物质炭用量为0.1%时，土壤脱氢酶活性较对照略有增加，但二者之间没有显著性差异。与对照相比，当生物质炭用量为0.5%和3%时，土壤蔗糖酶活性显著增加了108.7%和100%；而其他处理下土壤蔗糖酶活性与对照没有显著差异。

表3 不同用量生物质炭对烟草根际土壤酶活性的影响Table 3 Effects of different amounts of biochar amendment on soil enzyme activities of rhizosphere soil

2.4 团棵期烟草农艺性状、土壤理化性质、酶活性之间的相关关系

本试验分析了团棵期烟草农艺性状、土壤理化性质、酶活性之间的相关关系，其中烟草农艺性状与全钾、全磷、硝态氮、铵态氮、速效磷含量以及脲酶活性相关性均不显著，因此本研究只列出了烟草农艺性状与土壤pH、有机碳、全氮、速效钾含量以及脱氢酶、蔗糖酶活性的相关性，结果见表4。表4显示，团棵期烟草的叶片数与脱氢酶活性呈显著负相关关系(P<0.05)，与全氮、速效钾含量呈极显著正相关关系(P<0.01)；最大叶面积与脱氢酶活性呈显著负相关关系(P<0.05)，与叶片数呈显著正相关关系(P<0.05)，与pH、全氮含量呈极显著正相关关系(P<0.01)，与有机碳、速效钾含量呈极显著正相关关系(P<0.001)；地上部干质量与有机碳、全氮含量、蔗糖酶活性呈显著正相关关系(P<0.05)，与速效钾含量、最大叶面积、叶片数呈极显著正相关关系(P<0.01)，而与脱氢酶活性呈极显著负相关关系(P<0.01)。

表4 团棵期烟草农艺性状、土壤理化性质、酶活性之间的相关关系Table 4 Correlations between agronomic traits of flue-cured tobacco and soil physical and chemical properties as well as enzyme activities

注：*、**、***分别表示在P<0.05，P<0.01，P<0.001水平相关性显著。

Note: *, **, and *** represent significant correlations atP<0.05,P<0.01,andP<0.001, respectively.

3 讨 论

3.1 生物质炭的施用对烤烟农艺形状及干质量的影响

烟草的长势可以通过农艺形状直观地反映[21]。赵殿峰等[15]的研究结果表明，小麦/玉米秸秆生物质炭施用抑制了烤烟前期的生长。万海涛[21]研究表明，花生壳生物质炭抑制壤质潮土(pH 7.48)烟株前期的生长，但促进了烤烟后期的生长。本研究发现，添加质量分数3%的生物质炭能改善烟株生长前期的农艺形状，增加还苗期烟叶的最大叶面积以及团棵期的叶片数和最大叶面积。陈懿等[22]的研究表明，当烟秆生物质炭用量为1，10，50 t/hm2时，其增加了黄壤(pH 6.84)上烤烟根系干质量、地上部干质量及总干质量，这与本研究结果一致，即生物质炭的施用增加了烤烟地上部鲜质量、干质量，且添加3%生物质炭处理的增幅最大。而刘卉等[16]的研究表明，当生物质炭用量为 3 000～3 750 kg/hm2时，其可促进烤烟的干物质积累。这可能与供试土壤的基本性质、生物质炭的性质及生物质炭的制备原料和条件等因素有关[14]。本研究的相关性分析表明，团棵期烤烟地上部干质量与土壤有机碳、全氮含量和蔗糖酶活性呈显著正相关关系(P<0.05)，与速效钾含量呈极显著正相关关系(P<0.01)，而与脱氢酶活性呈极显著负相关关系(P<0.01)。可知土壤中丰富的速效钾、有机碳、全氮含量及较高的蔗糖酶活性能够有效促进烤烟地上部生物量的积累。

3.2 生物质炭的施用对土壤pH及养分含量的影响

土壤pH与土壤养分的有效性密切相关[14]，生物质炭的施用能显著提高土壤的pH[23-24]。本研究结果也显示，添加2%和3%的生物质炭处理显著增加了土壤pH值，但是其他生物质炭处理之间没有显著性差异，可知少量的生物质炭自身的灰分元素及其对阳离子的吸附能力不足以使土壤酸性离子被充分吸收交换，只有生物质炭的用量达到一定程度时才能影响土壤的pH值[15]。与对照相比，生物质炭的施用增加了土壤有机碳的含量，其中生物质炭用量为1%～3%的处理土壤有机碳含量显著增加了381.0%～302.3%，这与前人的研究结果一致[25-26]。成功等[25]研究表明，土壤有机碳含量随着生物质炭施用量的增加而增大。生物质炭用量为1%～3%的处理，土壤全氮含量分别较对照显著增加10.4%～41.7%，这可能是因为生物质炭本身含有较丰富的含氮物质(全氮含量10.7 g/kg)。与对照相比，施用生物质炭后土壤全钾含量明显增加，尤其生物质炭用量为3%的处理土壤全钾含量增幅最大。这与管恩娜等[26]的研究结果一致，可能与生物质炭较高的全钾含量(26.3 g/kg)有关。生物质炭本身含有的可溶性钾元素，施用后可以增加土壤钾的含量。而对于土壤全磷来讲，各处理之间没有显著差异，这可能与生物质炭本身磷含量较低以及生物质炭用量少有关[27]。

本研究中，与对照相比，施用生物质炭增加了根际土壤硝态氮和铵态氮的含量，这与陈山等[27]的研究结果一致。赵殿峰等[15]的研究发现，随着生物质炭施用量的增加，土壤中速效氮含量呈先升高后降低的趋势，这与本研究结果一致，其中生物质炭用量为2%的处理硝态氮含量最高，生物质炭用量为0.5%的处理铵态氮含量最高。本研究中，随着生物质炭施用量的增加，土壤速效磷含量总体呈现先升高再降低的趋势，生物质炭用量为2%的处理土壤速效磷含量最高。这可能是因为低用量的生物质炭施用可减少土壤有效磷的淋溶和固定，同时可吸附土壤中的磷酸根，使得土壤有效磷含量增加；而高用量的生物质炭施用仅以吸附土壤中的磷酸根为主，因此导致土壤有效磷含量降低[15]。本研究中，施用生物质炭增加了土壤速效钾的含量，这与前人的研究结果[21,28]一致，这是因为生物质炭中不仅含有一定量的钾离子，而且还可以减少土壤钾的淋洗[29]。

3.3 生物质炭的施用对烤烟根际土壤酶活性的影响

本研究中，生物质炭用量为2%的处理与对照相比根际土壤脲酶活性增加了35%，而其他处理与对照相比没有显著性差异，这与翟优雅等[30]的研究结果一致。而黄剑[31]的研究表明，生物质炭用量高(4 500 kg/hm2)时可能抑制土壤脲酶活性。本研究中施用生物质炭(用量为0.1%的生物质炭处理除外)降低了土壤脱氢酶的活性，这与Oleszczuk等[32]的研究结果相反。生物质炭用量为0.5%和3%的处理显著增加了蔗糖酶活性，这与张继旭等[14]的研究结果一致，而陈心想等[33]研究认为，施用生物质炭在短期内对蔗糖酶活性并无显著影响。由以上结果可以看出，目前关于生物质炭对土壤酶活性的影响结果有差异，可能与生物质炭本身的性质和施用量、供试土壤的理化性质及目标底物之间进行的各种反应等有关[34]。

3.4 烤烟种植中施用生物质炭的优缺点

化肥虽然养分含量高、肥效快，但养分单一，长期施用就会导致土壤养分失衡，结构板结，肥力下降，进而造成烟叶产量和品质下降，烟叶产值降低[35]。而有机肥含有丰富的有机质和各种养分，作为一种优质的土壤改良剂和肥料，被用于培肥、改良土壤。烟田中施用有机肥可以增加土壤养分含量并改善土壤的理化性质[36-38]，但不同有机肥的适宜用量在实际生产中很难把握。另外有机肥如污泥、猪粪、堆肥等均受到不同程度的重金属污染，施入农田之后可能会被烟叶吸收，进而影响烟叶的品质[35]。因此，有机肥在烟田中的施用受到了一定的限制。生物质炭中的营养元素比较丰富，除C含量较高外，N、P、K、Ca、Mg的含量也较高[39]，施用到烟田中可以为烤烟生长发育提供必要的营养物质，另外对于钝化土壤中的重金属也有一定的作用[40]。本研究中，添加3%的生物质炭后，由生物质炭携入的养分如有机碳、全氮、全磷、全钾、矿质态氮、有效磷、有效钾的含量分别增加14.7 g/kg、0.32 g/kg、0.06 g/kg、0.79 g/kg、2.7 mg/kg、0.026 mg/kg、13.9 mg/kg。可以看出生物质炭的施用一方面解决了植烟土壤有机质含量偏低的现状[41]，另外对于土壤结构的改善、肥力的提升也有重要作用。但是由于秸秆生物质炭的pH值(10.3)较高，长期大量施用会影响土壤pH值，而土壤pH值5.0～7.0为烟草的适宜生长范围，若pH值>7.0，就会造成烟叶品质下降[42]，因此在烟田施用生物质炭时应考虑这一问题。同时，大量施用生物质炭还存在一定的环境风险，在施用量高的条件下容易造成多环芳烃污染的潜在危害[43]，因此，在施用过程中要控制生物质炭的用量；另外，生物质炭呈粉末状，占空间较大，运输成本相对较高，这也是生物质炭在推广中亟需解决的问题。

4 结 论

施用生物质炭不仅改善了烤烟生长前期烟叶的农艺性状，而且也影响了土壤理化性质及酶活性，其中以生物质炭用量为3%时效果较佳。