生物炭对土壤碳组分及烟草生长发育的影响

王欢欢，赵园园，陈小龙，刘国顺，史宏志*

1.河南农业大学烟草学院，郑州市金水区文化路95号 450002 2.河南省生物炭工程技术研究中心，郑州市金水区信息学院路12号 450002 3.河南中烟工业有限责任公司，郑州市榆林南路16号 450016

近年来，我国植烟土壤存在碳氮失衡和外源碳补充不足等问题，导致植烟土壤养分有效性降低、有机质含量低、土壤质地紧实、土壤板结，同时也造成烟叶产质量下降［1］。生物炭是一种富碳材料，具有较高的比表面积、孔隙率、吸附性和稳定性［2］。施用生物炭可提高土壤有机碳含量，并通过改善土壤微生物群落结构等方式增加土壤微生物生物量碳，进而直接和间接影响土壤碳组分［2-5］。施用生物炭还可增加土壤有机质含量，改善土壤品质［6-8］。在固碳减排方面，生物炭作为土壤改良剂施入土壤，可减少废弃物焚化而向大气排放有害气体，并增加植烟土壤的碳固存［6］。目前，生物炭对土壤碳和其他理化特性影响方面的研究报道较多，主要涉及土壤总有机碳含量［9-11］，或不同用量生物炭在土壤改良方面的作用。Wang等［12］研究表明，生物炭可显著提高土壤持水能力和比表面积，使土壤阳离子交换量增加20%。Ge等［13］试验表明，毛竹生长季节生物炭可有效降低土壤呼吸速率。李亚森等［14］研究显示，土壤呼吸速率与生物炭用量间不存在绝对的正或负相关关系，在适宜用量范围内生物炭可降低土壤碳排放速率和排放量，而土壤中施用生物炭超过一定阈值时反而提高土壤CO2排放速率。但Liu等［15］研究认为，生物炭对土壤CO2排放速率无显著影响。在烟草生长发育方面，生物炭可通过改善植烟土壤品质，提高养分利用效率，进而促进烟株根系的生长发育，协调烟株地上和地下部的生长。Feng等［16］研究表明，土壤中添加生物炭可提高水稻的净光合速率，对水稻营养期和成熟期的生长发育有显著促进作用。但前人研究多数涉及生物炭对土壤单一碳指标或烟草某一生长发育时期的影响，而有关生物炭对植烟土壤不同碳组分以及烟株生理指标动态变化的报道较少。为此，通过大田试验研究了不同用量条件下生物炭对植烟土壤碳库、碳排放和烟草生长发育动态变化的影响，旨在为生物炭在烟田固碳减排、改良植烟土壤方面提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料与设计

试验地点设置在河南省许昌市（E：113°03′，N：33°42′），试验区域属于暖温带亚湿润季风气候，雨热同期，四季分明，全年日照时数2 280 h，年平均气温15℃左右，年降水量700 mm左右，无霜期217 d。土壤0～20 cm土层的基本理化性状：pH 6.5、全氮0.713 g/kg、全碳7.772 g/kg、全硫0.627 g/kg、速效氮0.098 g/kg、速效磷0.026 g/kg、速效钾0.207 g/kg。采用Nielsen等［17］的连续流动系统炭化方式（生物质在密闭无氧状态下炭化，通氮气作为保护气体，炭化后气体经冷却或萃取后回收），以花生壳为原料生产生物炭。热解温度以26℃/min的速率增加至450℃，保持30 min。生物炭的基本理化性状：比表面积16.72 m2/g、pH 8.6、电导率2.3 s/m、总氮7.9 g/kg、总碳773 g/kg、钾4.1 g/kg、磷2.3 g/kg、硫0.39 g/kg。供试烟草品种为中烟100。

试验共设置5个处理，对照为T0。氮肥施用量：0.64 t/hm2，肥料配比：m（K2SO4）∶m［Ca（H2PO4）2］∶m（NH4NO3）=2∶1∶1。生物炭与氮肥配施处理：0.5 t/hm2生物炭+0.64 t/hm2氮肥（T1）、1 t/hm2生物炭+0.64 t/hm2氮肥（T2）、1.5 t/hm2生物炭+0.64 t/hm2氮肥（T3）和2 t/hm2生物炭+0.64 t/hm2氮肥（T4）。3次重复，随机排列，每处理每次重复1个小区，共15个小区，小区面积79.1 m2。起垄前氮肥和生物炭作为基肥在移栽前10 d施入土壤，施肥方法为条施，后期不追肥。选用60 d左右苗龄的烟苗，于5月3日移栽。烟苗移栽行距120 cm，株距55 cm，起垄高度30 cm。田间管理均按当地优质烟叶生产技术规范实施。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 土壤呼吸速率的测定

使用LI-8100闭路式土壤CO2排放测定系统（LI-8100，北京力高泰科技有限公司）测定土壤呼吸速率（SSR）。在测定前24 h安装好PVC环（直径25 cm、高20 cm、环厚度0.5 cm），每小区放置2个PVC环，共计30个。

1.2.2 土壤有机碳的测定

采用Dumas燃烧法及全自动有机元素分析仪（Elementar-Vario-MAX-CN，北京聚光盈安科技有限公司）测定土壤总有机碳（TOC）含量（质量分数）［18］；采用氯仿熏蒸浸提法测定土壤微生物生物量碳（MBC）含量［18］；用总有机碳分析仪（Phoenix 8000，上海元析仪器有限公司）测定可溶性有机碳（DOC）含量［18］；用高锰酸钾氧化比色法测定土壤易氧化有机碳（EOC）含量［19］。

1.2.3 烟草生理指标的测定

采用TTC法测定根系活力（RA）［20］。在烟草移栽后40、55、70、85和100 d，选择长势均匀的中部叶（自下而上第10片叶），在上午9：00—11：00光强大于1 500 μmol/（m2·s）时测定，每处理均测定15株，使用光合强度测定仪（HED-GH10，青岛聚创嘉恒分析仪器有限公司）测定叶片光合特性指标。在移栽后40、55、70、85和100 d采集整株烟测定根、茎和叶的干物质积累量（TBIOM）。

1.3 数据处理

采用Excel 2016和Origin 2017C软件制图，采用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析，LSD法进行差异显著性检验。

土壤CO2排放总量计算公式：

式中：TSRR为烟草生育期CO2排放总量（kg/hm2），Ri和Ri+1分别为第i次和第i+1次测定时CO2日排放量（kg/hm2），N为相邻两次测量间隔天数（d），Rfirst表示第1次测定当天的土壤CO2排放量。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤碳排放的影响

随着烟草生育期的推进，SRR呈现出先增加后降低的趋势，在烟草生长发育中期（移栽后70 d）各处理的SRR最高；T1、T2和T3处理在烟草各生育期均低于T0，在移栽后70 d T1、T2和T3比T0分别降低17.07%、30.89%和28.46%。而T4处理在烟草生长发育中期和后期均高于T0，在移栽后70 d T4处理比T0提高8.79%（图1A）。由图1A还可看出，T1、T2和T3处理在烟草各生育期的SRR差异不显著，而T4处理与T1、T2、T3间差异显著，总体上T4处理高于T0，而T0高于T1、T2和T3处理。由图1B可知，随着生物炭施用量的增加，土壤TSRR呈增加趋势。T4处理的土壤TSRR最高，且与其他处理间差异显著，T4处理比T0提高5.86%，而T0高于T1、T2和T3处理，且差异显著，T0处理分别比T1、T2和T3提高28.14%、25.25%和8.41%（图1B）。

图1 生物炭对土壤呼吸作用的影响Fig.1 Effects of biochar on soil respiration

2.2 生物炭对土壤有机碳动态变化的影响

2.2.1 有机碳组分

由图2可知，随着烟草生育期的推进，TOC呈下降趋势；MBC和DOC呈先增加后降低的趋势，且均在移栽后70 d达到最大值；EOC在生长发育前期变化不明显，而在烟草生长发育后期明显增加。不同生育期生物炭处理的土壤各碳组分均显著高于T0。在烟草移栽后40、55、70、85和100 d，T4处理TOC分别比T0提高45.16%、36.56%、19.83%、18.27%和13.98%（图2A），T4处理MBC分 别比T0提 高15.74%、45.22%、29.38%、29.90%和14.29%（图2B）。在移栽后40 d随生物炭施用量的增加DOC呈现先增加后降低的趋势，而在移栽后55～85 d DOC随生物炭施用量的增加而增加，至移栽后100 d随着生物炭施用量的增加DOC变化规律不明显（图2C）。各生育期EOC随生物炭施用量的增加变化规律也不明显（图2D）。

2.2.2 活性有机碳组分在总有机碳中的占比

图2 不同生物炭处理土壤有机碳组分的动态变化Fig.2 Dynamic changes of soil organic carbon components under different biochar treatments

表1 生物炭对土壤活性有机碳组分在总有机碳中占比的影响①Tab.1 Effects of biochar on proportion of soil active organic carbon in total organic carbon

如表1所示，随烟草生育期的推进，不同处理的MBC/TOC和DOC/TOC均表现出先增加后降低的趋势，且均以T2和T3处理最高。在移栽后40、55和100 d不同生物炭处理的MBC/TOC均低于T0，且差异达到显著水平，移栽后70和85 d各处理间差异不显著。土壤DOC/TOC的变化规律与MBC/TOC不同，各处理DOC/TOC均高于T0，且与T0间差异达到显著水平，而生物炭处理间差异不显著。

2.3 生物炭对烟株生理指标的影响

2.3.1 根系活力

与T0相比，生物炭处理的土壤RA增加，且随着生物炭施用量的增加RA总体呈现增加的趋势。随着生育期的推进，烟株RA先增加后降低，在移栽后70 d不同处理的RA达到最大值（图3）。移栽后55 d不同处理RA排序依次为T3＞T4＞T1＞T2＞T0，T1、T2、T3和T4分别比T0提高38.04%、28.26%、80.43%和60.87%；移栽后70 d各处理间RA排序依次为T4＞T2＞T3＞T1＞T0，T4处理高于其他处理且与其他处理间差异达到显著水平，T1、T2、T3和T4处理高于T0，且与T0间差异达到显著水平，而T1和T3处理间差异不显著，T1、T2、T3和T4处理分别比T0提高16.25%、24.85%、16.17%和40.12%；移栽后85 d，各处理间变化趋势与移栽后70 d的相似，其中T4处理高于其他处理且差异达到显著水平，T1、T2、T3和T4处理高于T0且差异达到显著水平，T1、T2、T3和T4处理分别比T0提高16.67%、41.67%、25.10%和48.54%。

图3 不同生物炭处理烟草根系活力的动态变化Fig.3 Dynamic changes of tobacco root vigor under different biochar treatments

2.3.2 光合特性

由图4可知，生物炭处理可改善烟草叶片的光合特性。随着烟草生育期的推进，烟草叶片净光合速率（NPR）和气孔导度呈现先增加后降低的趋势，在移栽后70 d达到峰值。此时T2处理叶片NPR和气孔导度明显提高，分别比T0提高28.22%和53.19%。T1、T3和T4处理叶片NPR和气孔导度均高于T0。

图4 不同生物炭处理烟草叶片光合特性指标的动态变化Fig.4 Dynamic changes of photosynthetic characteristics of tobacco leaves under different biochar treatments

2.3.3 干物质积累量

由图5可知，随着烟草生育期的推进，烟草干物质积累量呈增加的趋势。不同生物炭处理的烟草TBIOM均显著高于T0，且在不同生育期T2和T4处理表现明显，在移栽后55、70和85 d T4处理的TBIOM分别比T0提高73.64%、23.91%和23.27%。在烟草生育前期（移栽后55 d）T0的根冠比显著高于生物炭处理，烟草生育中期（移栽后70 d）T2、T3和T4处理的根冠比显著高于T0，且以T3处理最高，而移栽后85 d随着生物炭施用量的增加根冠比呈下降趋势。

2.4 土壤碳排放、有机碳库与烟草生理指标的相关性

由表2可知，TOC与MBC、NPR、TBIOM呈极显著正相关，与RA和TSRR呈显著正相关。DOC与TBIOM和RA呈极显著正相关，与MBC呈显著正相关。MBC与TBIOM、RA和SRR呈极显著正相关。TBIOM与RA呈极显著相关，SRR与TSRR呈极显著正相关。

图5 不同生物炭处理烟草干物质积累量与根冠比比较Fig.5 Dry matter accumulation and root shoot ratio of tobacco plants under different biochar treatments

表2 土壤碳排放、有机碳组分与烟草生理指标的相关性①Tab.2 Correlations of tobacco physiological indexes with soil carbon emission and organic carbon components

3 讨论

由土壤呼吸造成的CO2排放是农田生态系统中非常重要的环节，对土壤生态系统碳库稳定和平衡具有重要意义［21］。中低用量的生物炭对土壤呼吸有一定的抑制作用，从而抑制土壤碳排放，而高用量的生物炭可提高土壤呼吸速率，提高土壤碳排放量。这可能是因为低用量的生物炭抑制了土壤原有有机碳的分解，而土壤CO2排放量主要来自土壤中易分解的有机碳，进而抑制了土壤CO2的排放［22］，当生物炭施用量超过一定阈值时，因为生物炭为碱性，施用生物炭可提高土壤pH，进而提高了土壤微生物多样性和活性，导致土壤呼吸作用的增强［23］。

生物炭处理的土壤有机碳含量高于对照，这是因为生物炭在施入土壤中后可直接提高土壤中TOC含量；生物炭可改善土壤理化特性，尤其是土壤容重和团聚体结构［24］，进而促进了土壤微生物的繁殖，当土壤微生物大量繁殖后，土壤MBC含量增加。在烟草移栽后70 d土壤MBC和EOC达到最大值，可能是因为在烟草移栽后70 d（旺长期）试验区降雨量和气温均最高，这些自然条件促使了土壤微生物的繁殖和代谢，土壤中MBC主要来源于土壤微生物，所以土壤MBC在这个时期最高，在烟草旺长期根系代谢旺盛［1］，烟株通过根系分泌物的方式向土壤中输入大量有机碳，也导致土壤中DOC含量增加。

随着生物炭用量的增加，TR也随之增加。这是因为施用生物炭改善了土壤结构，增加了土壤渗透性和聚集性，降低了土壤容重［24］。在生物炭的影响下烟草叶片NPR提高，这与改善根系生理特性和提高叶绿素含量有关，当植物根系发育良好时，光合作用所需的矿质养分、水分可得到充足的供应，光合特性得到有效改善。烟株各项发育指标和不同有机碳组分含量呈正相关，这是因为土壤中丰富的有机碳含量可在提高植烟土壤品质的同时，有效促进烟株的生长，而健壮的烟株又可以为土壤输送较多的有机碳（例如通过土壤分泌物的方式）［25］。因此，土壤中有机碳组分含量与烟株生长存在直接关系，而生物炭可通过增加土壤中的有机碳的方式影响烟株的生长发育。

4 结论

生物炭用量在0.5～1.5 t/hm2的范围内可降低土壤CO2排放总量，而2 t/hm2用量的生物炭可增加土壤CO2排放总量。施用生物炭可提高土壤微生物生物量碳、可溶性有机碳和易氧化有机碳含量。施用生物炭可提高烟草根系活力，同时改善烟草叶片光合特性，增加烟草干物质积累量。土壤中有机碳含量与烟株生理指标间存在显著或极显著相关关系。因此，生物炭施用量为1.5 t/hm2的处理对降低土壤碳排放、提高土壤有机碳含量和促进烟株发育的效果更明显。