施用稻殼生物炭對土壤養(yǎng)分及烤煙生長的影響

陳 山，龍世平*，崔新衛(wèi)，魯耀雄，單雪華，周孚美，向鵬華，郭 維

（1湖南省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)生物資源利用研究所，長沙410125；2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙410128；3衡陽市煙草公司，湖南衡陽421000）

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施用稻殼生物炭對土壤養(yǎng)分及烤煙生長的影響

陳 山1，龍世平1*，崔新衛(wèi)2，魯耀雄1，單雪華3，周孚美3，向鵬華3，郭 維3

（1湖南省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)生物資源利用研究所，長沙410125；2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙410128；3衡陽市煙草公司，湖南衡陽421000）

摘 要：采用田間試驗，施入不同量的稻殼生物炭，分析植煙土壤pH、理化性質(zhì)及烤煙農(nóng)藝性狀與經(jīng)濟性狀，探討生物炭對植煙土壤理化性質(zhì)和烤煙生長性狀的影響。結(jié)果表明：梯度施入稻殼生物炭提升了酸性土壤pH值、促進土壤有機碳以及全N的積累，隨著生物炭用量的加大，土壤pH值、有機質(zhì)含量均有逐步升高的趨勢，土壤堿解N與速效K釋放速率也得到提高；施入稻殼生物炭能增加烤煙有效葉片數(shù)，以9000、12 000 kg／hm2處理烤煙葉片數(shù)最多，分別達到18.0、17.9片／株，顯著多于未施的對照；上等煙比例以9000 kg／hm2處理最高為49.35%，與對照存在顯著差異。

關(guān)鍵詞：植煙土壤；生物炭；烤煙；土壤改良

近年來，生物炭已成為農(nóng)林、環(huán)境及能源等諸多相關(guān)研究領(lǐng)域關(guān)注熱點，其具有極高的穩(wěn)定特性，能有效的提高土壤保水保肥能力，改善土壤理化結(jié)構(gòu)，促進土壤水穩(wěn)性團聚體的聚合［1～3］。農(nóng)業(yè)科研工作者根據(jù)生物炭的性質(zhì)和特征及其對土壤理化性質(zhì)、微生物活性、作物肥效和土壤固碳等諸多方面的影響，開展了較廣泛的研究［4～13］。在我國，生物炭研究剛剛起步，因此投入生物炭農(nóng)用研究，尤其是生物炭作為土壤改良劑、肥料緩釋劑的利用研究十分迫切。

我國是世界最大的水稻生產(chǎn)國。據(jù)統(tǒng)計，目前的稻谷年產(chǎn)量已經(jīng)超過1.8×108t在稻米加工的過程中，每噸稻谷的稻殼產(chǎn)生量約占1／5。這些稻殼由于其總量大、自然堆積密度小（約為120 kg／m3），運輸極為困難，給集中資源化處理帶來了極大的不便。而另一方面，大部分的稻米加工企業(yè)直接將稻殼當做廢棄物丟棄，造成環(huán)境污染和資源的浪費［14，15］。稻殼是大米生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，具有來源廣泛、產(chǎn)量巨大、價格低廉、持續(xù)可再生等特點。因此，探討稻殼的資源化利用具有一定的現(xiàn)實意義。

已有研究表明，以稻殼為原材料制備的生物炭擁有特殊的孔隙結(jié)構(gòu)，施用生物炭一方面可降低土壤容重，促進土壤團聚體的形成，有效改善土壤結(jié)構(gòu)，另一方面可為土壤微生物提供良好棲息環(huán)境，能提高土壤中原生微生物的繁殖速率及生物活性［16］。施用生物炭可顯著影響土壤微生物群落的分布特征，特別是對細菌、真菌的影響尤為顯著［17］，生物炭施用后土壤中微生物群落增加，其孔隙中吸附有微生物所需的養(yǎng)分及水分，有利于土壤中原生微生物快速生長繁殖，進而使土壤微生物量碳、氮含量升高［18］，土壤微生態(tài)系統(tǒng)中生物量大幅提高，因而有利于抑制作物土傳病害的爆發(fā)。同時其表面依附著大量的有機官能團（-COOH以及-OH等）［19］，施入土壤后，它可能會對土壤以及土壤水溶液中的無機鹽離子以及一些重金屬離子（如Cu2＋、Zn2＋、Pb2＋、Hg2＋等）具有良好的吸附作用，從而固化或降低有害離子活性。本研究擬在煙田施用不同劑量的稻殼生物炭后開展定位監(jiān)測，分析煙田土壤理化性狀，探討煙田養(yǎng)分供給平衡關(guān)系，以期達到稻殼廢棄物資源化利用，保持煙田土壤生態(tài)系統(tǒng)健康，實現(xiàn)煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)的理想模式提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試烤煙品種K326，由衡陽市煙草公司耒陽分公司提供。溫室播種，育苗，于5～6片真葉期移栽。

供試土壤基本理化性質(zhì)：pH4.12、有機質(zhì)含量40.17 g／kg、全氮含量2.01 g／kg、全磷含量0.58 g／kg、全鉀含量9.39 g／kg。

供試稻殼生物炭購自湖南正恒農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司。原料采用益陽地區(qū)稻殼，通過箱式氣氛爐，升溫至500℃，高溫裂解4 h，然后充入氮氣冷卻，得到表觀呈黑色的稻殼基生物炭。其微觀形貌為分散蜂窩狀微孔結(jié)構(gòu)，稻殼的外觀形態(tài)基本不可見，呈分散小團粒結(jié)構(gòu)；稻殼生物炭含炭量為83%，并含有11.7%的硅，主要由C、O、H、Si組成，表面有較多羥基、羧基和羰基等官能團；稻殼生物炭比表面積達到184.42 m2／g；稻殼生物炭理化性質(zhì)：pH9.6，全氮5.48 g／kg，全磷1.02 g／kg，全鉀9.98 g／kg。

1.2 試驗處理

試驗共設(shè)5個處理：CK.常規(guī)施肥不添加生物炭為對照；T1.常規(guī)施肥＋稻殼生物炭3000 kg／hm2；T2.常規(guī)施肥＋稻殼生物炭6000 kg／hm2；T3.常規(guī)施肥＋稻殼生物炭9000 kg／hm2；T4.常規(guī)施肥＋稻殼生物炭12 000 kg／hm2。3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，共計15個小區(qū)，小區(qū)面積81 m2，試驗區(qū)設(shè)1.2～2.4 m保護區(qū)。每小區(qū)移栽150株煙苗，移栽密度為0.45 m×1.2 m，折合18 450株／hm2。

試驗區(qū)常規(guī)施肥標準：煙草專用基肥900 kg／hm2（N-P2O5-K2O＝8-9-10）、專用追肥375 kg／hm2（N-K2O＝10-32）、硝酸鉀225 kg／hm2（N -K2O＝13.5-44.5）、硫酸鉀375 kg／hm2（K2O∶50%）、鈣鎂磷肥600 kg／hm2（P2O5∶12%）、提苗肥75 kg／hm2（N-P2O5＝20-9），純N、P2O5、K2O分別為165、165、462 kg／hm2。

生物炭采用穴施方式，即在移栽前7 d，將稻殼生物炭撒在移栽穴中，耙動移栽穴中土壤，使其與土壤充分混合。試驗各處理農(nóng)藝措施一致。

試驗地點選在耒陽市洲陂鄉(xiāng)常年煙稻輪作區(qū)（26°40′39″N，112°59′54″E），試驗時間為2014年2 月28日至2014年7月14日。

1.3 調(diào)查及取樣

煙草生長期每7～10 d監(jiān)測煙草生長狀況，分別于煙草移栽前及收獲后在每個小區(qū)采用“S”布點法取土樣，用于土壤理化性質(zhì)分析。

1.4 分析指標及方法

煙葉農(nóng)藝性狀觀察記載：參考YC／T142-1998（煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查方法）測定煙苗植物學(xué)性狀、生育期變化、株高、有效葉片數(shù)、（上中下三部位）最大葉葉長、寬、最大葉面積、單葉重。

土壤農(nóng)化性狀分析指標：土壤pH、有機質(zhì)含量、堿解氮、有效磷、速效鉀、緩效鉀、陽離子交換量。以上指標均采用土壤農(nóng)化分析標準檢測方法。

1.5 煙葉質(zhì)量評價與經(jīng)濟學(xué)性狀分析

煙葉經(jīng)濟學(xué)性狀分析：煙葉產(chǎn)量、上等煙比例、產(chǎn)值。

煙葉質(zhì)量評價：煙葉主要內(nèi)在化學(xué)成分含量、煙葉外觀品質(zhì)、評吸質(zhì)量。參考GB2635-92（42級煙葉分級國家標準品質(zhì)因素表）。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)采用Excel 2003軟件處理，并用SAS 9.1.3統(tǒng)計軟件分析數(shù)據(jù)，對試驗結(jié)果用鄧肯氏新復(fù)極差多重比較法進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻殼生物炭對土壤理化性質(zhì)及肥力的影響

土壤的酸堿度影響著土壤養(yǎng)分的有效化，對作物的生長發(fā)育也有較大的影響。煙株適宜生長的土壤pH值為5.5～6.5［20］，而供試土壤原始pH值為4.12，相對煙草生產(chǎn)適宜pH稍微偏酸。由表1可以看出，施用稻殼生物炭后植煙土壤的pH值均有不同程度的上升，T1、T2、T3、T4處理土壤pH值較CK分別提高1.86%、5.80%、3.48%、5.10%，這說明施用稻殼生物炭可以提高植煙土壤的pH值。但是當?shù)練ど锾坑昧窟_到一定限度后，表現(xiàn)出植煙土壤pH值增加趨于緩和。

表1 各處理烤煙收獲后土壤pH及主要養(yǎng)分含量

有機質(zhì)是評價植煙土壤肥力的重要參考指標。生物炭是比較穩(wěn)定的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)碳，雖然分子化學(xué)結(jié)構(gòu)與有機質(zhì)或腐殖質(zhì)不同，但施入植煙土壤后也可提高土壤有機質(zhì)含量［24］，達到提高植煙土壤肥力的作用。由表1可知，在煙草生長周期結(jié)束后，生物炭的添加使得各處理的土壤有機質(zhì)含量均顯著高于未添加生物炭的土壤，T1、T2、T3、T4處理土壤有機質(zhì)含量較CK分別提高7.48%、11.41%、8.56%、11.92%。這表明施用稻殼生物炭有利于植煙土壤有機質(zhì)的積累和形成，對提高土壤肥力水平，穩(wěn)定土壤有機碳庫有積極作用。同時，隨生物炭施用劑量的加大，土壤有機質(zhì)含量增加趨于緩和。

如表1所示，施用生物炭處理土壤全N含量有一定的增加，相對于CK增加效果顯著，但各生物炭處理間無差異。生物炭處理堿解氮均顯著高于CK，T1、T2、T3、T4處理分別比CK提高了18.24%、14.57%、21.91%、17.42%。較高施炭量為植煙土壤堿解氮的提高起到了促進作用。土壤堿解氮的提高，可為作物生長提供更多的可利用N源，有利于促進作物生長發(fā)育，對產(chǎn)量提高有較好的促進作用。各生物炭處理對植煙土壤全P、有效P影響較小，除T2處理相較于CK降低外，其余處理與CK均無明顯差異。生物炭處理對土壤全K影響不顯著，但對速效K有顯著的增加作用，隨著生物炭用量的增加，植煙土壤速效K含量迅速升高。T1、T2、T3、T4處理中，土壤速效K含量分別比CK提高了2.58%、8.87%、26.61%、36.29%。這可能與生物炭獨特的物理性狀有關(guān)。稻殼生物炭的多孔結(jié)構(gòu)，為微生物的生長與發(fā)揮作用提供了比較好的環(huán)境，微生物活性增加，活化養(yǎng)分的能力增強。使用生物炭能提高土壤中速效K的含量，而由于煙草的喜K特性，高水平的速效K含量對生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉具有積極作用。

2.2 稻殼生物炭對烤煙生長發(fā)育的影響

2.2.1 烤煙發(fā)育進程

從表2可以看出，旺長期之前各處理對烤煙生長影響不大；從5月7日開始，施用生物炭對株高、總?cè)~片數(shù)的影響逐步凸顯，在煙草生長后期以T4處理的株高（105.7 cm）、葉片數(shù)（25.1葉）為最高，并表現(xiàn)出隨生物質(zhì)炭施用量增大而增加的趨勢。這種相關(guān)性可能與生物炭吸附有機質(zhì)、氮、磷及礦物離子的性能有關(guān)，烤煙進入中后期后，土壤微生物活性增強，生物炭所吸附的養(yǎng)分得到釋放［27］。王麗淵等［29］也指出，生物質(zhì)炭施入土壤初期并未融入土壤生態(tài)系統(tǒng)，其對作物發(fā)揮積極作用應(yīng)該是在施入土壤一段時間之后。

表2 各處理的烤煙發(fā)育進程

2.2.2 烤煙生育期

從表3可以看出，施用生物炭各處理烤煙生育期為117～118 d，相比CK處理延長了1～2 d。生物炭處理對煙草前期生長以及中心花開放期的影響并不明顯，但后期對頂葉的生長具有較為明顯的促進作用，其主要原因可能是施用生物炭對養(yǎng)分的吸附特性，對烤煙后期生長吸收養(yǎng)分有促進作用，致使頂部煙葉延遲成熟。

表3 各處理的烤煙生育期

2.3 稻殼生物炭對烤煙農(nóng)藝性狀及經(jīng)濟效益的影響

2.3.1 烤煙農(nóng)藝性狀

5月28日烤煙打頂后，各小區(qū)定點10株進行考察，結(jié)果表明，生物炭不同施用量對大田烤煙農(nóng)藝性狀有一定影響（表4）?？緹熡行~片（不計腳葉）以T3、T4處理最多，分別達到18.0和17.9片，表現(xiàn)出隨著生物炭施用量增加，有效葉片數(shù)增加的趨勢。經(jīng)方差分析，T3處理與CK存在極顯著差異，T1、T2、T4處理與CK均存在顯著差異，說明施用生物炭對烤煙有效葉有促進作用。上部煙最大葉葉面積，以T2處理最高為758.65 cm2，CK處理最少為683.29 cm2。經(jīng)方差分析，T2處理與CK存在極顯著差異，T4處理與CK存在顯著差異。施用生物炭各處理上部葉面積均大于對照，說明施用生物炭對烤煙上部煙葉生長有促進效果。中部煙最大葉葉面積，以T4處理最大為1245.17 cm2，CK最小為1153.71 cm2。經(jīng)方差分析T4處理與CK存在顯著差異，其他處理間無差異。下部煙葉最大葉葉面積，以T4處理最大為1319.44 cm2，但各處理間無顯著差異。葉節(jié)距以CK最長，T3處理最短，說明施用生物炭對促進烤煙莖稈粗壯，縮短節(jié)間距有一定作用。

表4 各處理的烤煙農(nóng)藝性狀比較

2.3.2 煙葉經(jīng)濟性狀

從表5可以看出，施用生物炭各處理有效葉片數(shù)比CK多0.1～0.4片；單株干重以T2處理最重為137.74 g，各處理間無顯著差異；下部葉單葉重以T4處理最重為6.89 g，各處理間存在顯著差異；中部葉單葉重以T4處理最重，上部葉單葉重以處理T2最重，但經(jīng)方差分析，中、上部葉單葉重各處理間無顯著差異，說明施用生物炭對烤煙中、上部煙單葉重影響不大。

表5 各處理煙葉經(jīng)濟性狀比較

2.3.3 煙葉產(chǎn)質(zhì)量

對各處理煙葉產(chǎn)質(zhì)量以及效益進行綜合分析表明：煙葉實際產(chǎn)量和產(chǎn)值均以T4處理最高，分別為2100 kg／hm2和47 988元／hm2，相比CK增產(chǎn)36 kg／hm2，增收1045元／hm2，但方差分析表明，各生物炭處理與CK的煙葉實際產(chǎn)量、產(chǎn)值均無顯著差異；施用生物炭各處理中、上等煙比例為96.96%～ 97.05%，比對照提高0.67～0.76個百分點，但各處理間差異不顯著；各生物炭處理上等煙比例以T3處理最高為49.35%，相比CK提高0.51%，與T1、CK存在顯著差異（表6）。這說明施用生物炭能有效提高上等煙葉產(chǎn)量，增加上等煙葉比例，且隨著生物炭用量增加上等煙比例有逐漸升高的趨勢，但達到一定限度后不再升高。

表6 各處理煙葉產(chǎn)質(zhì)量及效益分析

3 討論

本研究表明，稻殼生物炭能有效改良酸化的植煙土壤pH，其原因可能是稻殼生物炭呈堿性，能有效中和酸性土壤中H＋離子而提高土壤pH值，具有較大石灰當量值，因而施用生物炭能有效改善酸性土壤pH值［22］。大量研究也表明，施用生物炭能有效改良酸度較高土壤的pH［12，18，21］。

本研究中施用稻殼生物炭有利于植煙土壤有機質(zhì)的積累和形成。尹云鋒等［23］研究指出，添加生物炭處理對大團聚體有機質(zhì)的影響與CK相比并不顯著，但卻顯著提高微團聚體和中團聚體中有機質(zhì)的含量。有研究表明，當相關(guān)材料經(jīng)處理轉(zhuǎn)變?yōu)樯锾亢?，其芳基碳以及羧基碳的含量顯著增加，化學(xué)結(jié)構(gòu)更趨于穩(wěn)定，可延緩肥料養(yǎng)分在土壤中的分解和釋放速率，提高作物的利用率［24］。

本研究表明，稻殼生物炭的施用促進了土壤速效養(yǎng)分N、K的釋放，這與張晗芝等［25］研究結(jié)果類似，生物炭施用量與土壤N、有機質(zhì)含量等指標具有顯著的正相關(guān)，能有效促進土壤N的積累速率。黃超等也發(fā)現(xiàn)，生物炭施用增加了土壤有效磷、速效鉀和有效氮［26］。其原因可能是生物炭表面有較多羥基、羧基和羰基等官能團，這些官能團的存在使得生物炭具有較強的吸附性能和CEC交換量，施用生物炭提高了土壤的堿基飽和度，降低了可交換鋁濃度，同時增加了土壤中植物可吸收利用元素的速效性，如堿解N、有效P、速效K以及交換性離子的含量均有所提升［27，28］。

本研究中施用稻殼生物炭對煙株高、總?cè)~片數(shù)均有影響，對烤煙有效葉片數(shù)以及上部煙葉的生長有顯著促進效果。其原因可能是生物炭的后發(fā)作用，有效促進了烤煙后期煙葉的生長［29］，而對前期中下部煙葉的生長影響不大。趙殿峰等［30］研究也指出，適宜范圍內(nèi)施用生物炭具有明顯的后發(fā)作用，能顯著促進烤煙后期生長。陳敏等［31］研究也有類似的結(jié)論，施用不同量生物炭對中上等煙比例具有明顯的提升。

4 結(jié)論

稻殼生物炭施入后能有效的改善植煙土壤理化性質(zhì)，隨著生物炭用量的增加，植煙土壤pH值、有機質(zhì)含量均表現(xiàn)出隨之增高，當生物炭用量達到6000 kg／hm2后，植煙土壤pH值與有機質(zhì)含量增高趨于平緩。

稻殼生物炭施入后植煙土壤全N、堿解氮含量增加效果明顯，均顯著高于CK，但生物炭各處理之間無差異；各生物炭處理對植煙土壤全P、有效P影響較小，除6000 kg／hm2處理相較于CK降低外，其余處理與CK均無明顯差異；生物炭處理對土壤全K影響不顯著，但對速效K有顯著的增加作用，并表現(xiàn)出隨著生物炭用量的增加，土壤速效K含量迅速升高，其中以12 000 kg／hm2處理最為顯著，較對照處理高出36.29%。施用稻殼生物炭對煙株高、總?cè)~片數(shù)均有影響，表現(xiàn)出隨生物炭施用量增大，煙株株高和總?cè)~片數(shù)增加的趨勢；生物炭處理能有效提高上等煙葉比例，其中以9000 kg／hm2處理上等煙葉所占比例最高；施用生物炭后煙田實際產(chǎn)量、產(chǎn)值略有增高，但效果并不明顯，還需進一步的試驗觀察。

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Affect of Rice Husk Biochar to Soil Nutrient and Tobacco Growth

CHEN Shan1，LONG Shiping1*，CUI Xinwei2，LU Yaoxiong1，SHAN Xuehua3，ZHOU Fumei3，XIANG Penghua3，GUO Wei3
（1 Institute of Agricultural and Biological Resources Utilization，Hunan Academy of Agricultural Sciences，Changsha，Hunan 410125，China；2 College of Resources and Environment，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；3 Hengyang Tobacco Company，Hengyang，Hunan 421000，China）

Abstract：To explore the effects of rice husk biochar on soil properties and plant growth in tobacco field，a field experiment was conducted to investigate the physical and chemical properties of soil，agronomic traits and economic characters of tobacco under gradient applied rice husk biochar in tobacco field.The results showed that：Gradient applied rice husk biochar increased pH of acidic soil，Promoted soil organic carbon and total N accumulation gradually，Improved the releasing of alkaline hydrolysis N and available K.In addition，applied rice husk biochar promoted the number of productive tobacco leaves under different degree，the productive leaves number reached 18.0／hill and 17.9／hill under treatments of 9000 and 12000 kg／hm2rice husk biochar respectively，which significant higher than CK.The ratio of first-class tobacco leaves reached 49.35%when 9000 kg／hm2rice husk biochar applied，which is significantly higher than that of CK.

Keywords：tobacco field；husk biochar；flue-cured tobacco；soil improvement

基金項目：湖南省煙草專賣局科技項目（14-16ZDAa01）。

作者簡介：陳 山（1985-），男，碩士，助理研究員，主要從事土壤改良提質(zhì)與農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用等研究，Email：chenshannd＠163.com。*通信作者：龍世平，副研究員，主要從事土壤改良、循環(huán)農(nóng)業(yè)、土壤肥料研究，Email：xialong1111＠163.com。

收稿日期：2015-10-23

文章編號：1001-5280（2016）02-0142-07

DOI：10.16848／j.cnki.issn.1001-5280.2016.02.09

中圖分類號：S572.062

文獻標識碼：A