生物質(zhì)炭對植煙土壤改良及煙葉品質(zhì)的影響

孫敬國，孫光偉，王昌軍，陳振國，余 君，覃光炯，饒雄飛，李進(jìn)平，李建平

（湖北省煙草科學(xué)研究院，湖北武漢430030）

生物質(zhì)炭對植煙土壤改良及煙葉品質(zhì)的影響

孫敬國，孫光偉，王昌軍，陳振國，余 君，覃光炯，饒雄飛，李進(jìn)平，李建平

（湖北省煙草科學(xué)研究院，湖北武漢430030）

近年來，植煙土壤面臨著酸化和有機(jī)質(zhì)含量降低等一系列問題，進(jìn)而影響到煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)，而生物質(zhì)炭具有含碳量高、比表面積大、呈堿性等特性，在提高土壤pH和養(yǎng)分有效性等方面具有明顯作用。綜述了生物質(zhì)炭的性質(zhì)及其在土壤改良、養(yǎng)分提升、土壤固碳等方面的效應(yīng)，以期為煙葉生產(chǎn)中應(yīng)用和推廣提供科學(xué)依據(jù)。

生物質(zhì)炭；土壤改良；煙葉品質(zhì)

烤煙是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，種植烤煙是我國邊遠(yuǎn)山區(qū)農(nóng)民的主要經(jīng)濟(jì)來源之一。目前，糧煙爭地局勢嚴(yán)峻，煙草由于連作帶來的直接及間接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)40億元，嚴(yán)重威脅到我國煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[1]；加之烤煙種植生態(tài)區(qū)域逐漸壓縮，輪作的條件越來越受到限制[2]。煙田土壤長年連作以及施肥措施單一，導(dǎo)致煙田土壤不斷酸化、有機(jī)質(zhì)含量下降、土壤養(yǎng)分利用率下降、養(yǎng)分失調(diào)、土傳病蟲害加重、煙田有害物質(zhì)逐年積累，同時(shí)，抑制土壤生物化學(xué)過程，影響煙草正常的生長發(fā)育，最終造成其產(chǎn)量和品質(zhì)的顯著降低[3]。因此，如何有效提高煙田土壤肥力、改良酸化土壤、增加土壤肥料利用率并增強(qiáng)土壤固碳能力，是我國煙葉種植保持可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

近年來，生物質(zhì)炭作為一種土壤改良劑，以其獨(dú)特的物理、化學(xué)及生物學(xué)特性受到廣大科研工作者的關(guān)注[4]。生物質(zhì)炭能夠增加土壤的保水保肥能力，降低土壤的酸度和鈍化重金屬，促進(jìn)土壤中碳氮的固定，因而在土壤改良中取得了很好的效果，但生物質(zhì)炭在煙田土壤改良和肥料調(diào)控方面的研究相對較少。

筆者對生物質(zhì)炭的特性及生物質(zhì)炭對土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分特性的影響以及固碳機(jī)理進(jìn)行了綜述，以期為生物質(zhì)炭在煙田土壤改良、提高煙葉產(chǎn)量和提升煙葉品質(zhì)等方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 生物質(zhì)炭的性質(zhì)及特征

隨著巴西亞馬遜河流域“黑土壤”的發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭成為研究熱點(diǎn)。STEINER等[5]研究認(rèn)為，這些黑土壤肥力維持了數(shù)千年是因?yàn)橥寥乐懈缓荚?，而這些碳元素主要由長期累積的生物質(zhì)炭所貢獻(xiàn)。一些研究也指出，黑土中的關(guān)鍵成分是木炭，也稱為生物質(zhì)炭（Biochar）[6]。生物質(zhì)炭主要由作物秸稈等有機(jī)物質(zhì)在厭氧或缺氧條件下，經(jīng)熱裂解炭化產(chǎn)生的高含碳量固態(tài)物質(zhì)[7]，是一種含碳豐富的固體物質(zhì)[8-9]。

生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的生物質(zhì)炭是一種多功能材料，營養(yǎng)豐富，尤其是碳含量較多，形成了良好的孔隙結(jié)構(gòu)，表面含氧官能團(tuán)豐富[10]，其表面存在大量的-OH，-COOH等基團(tuán)，產(chǎn)生的表面負(fù)電荷使生物質(zhì)炭具有較高的陽離子交換量（CEC）[11]。生物質(zhì)炭在熱解過程中，礦質(zhì)元素如鈉、鉀、鈣、鎂等以氧化物或碳酸鹽的形式存在于灰分中，溶于水后呈堿性，且裂解溫度越高，pH值越高[12-14]，此外，生物質(zhì)炭表面豐富的-COO-（-COOH）和-O-（-OH）等含氧官能團(tuán)在pH值較高條件下以陰離子形態(tài)存在，能夠與H+結(jié)合，從而使生物質(zhì)炭堿性增加[14]。

生物質(zhì)炭中含有N，P，K，Ca，Mg，Zn，Mn等營養(yǎng)元素，有利于提高土壤肥力[15-16]，改善土壤養(yǎng)分循環(huán)，從而促進(jìn)植物生長[17]，而且不同原料制備的生物質(zhì)炭，會對土壤產(chǎn)生不同的改良效果[18]。生物質(zhì)炭是一種含碳的聚合物，可作為土壤穩(wěn)定的有機(jī)碳源[19]，同時(shí)能夠加深土壤顏色，增加土壤的熱容量，從而提高土壤溫度，有利于植物生長[20]。

2 生物質(zhì)炭對土壤的改良作用

在我國，煙田連作現(xiàn)象非常普遍，一些主產(chǎn)區(qū)煙田連作比例在40%～60%[21]。連作使土壤中多種有效養(yǎng)分的比例發(fā)生變化，引起養(yǎng)分失調(diào)[22]。煙草連作2 a后有機(jī)質(zhì)含量下降[23]。同時(shí)，隨著連作年限的延長，表層土壤酸化明顯[24]。土壤酸化不僅危害土壤環(huán)境，而且導(dǎo)致作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降[25]。生物質(zhì)炭一般呈堿性且富含多種養(yǎng)分元素，能夠有效調(diào)節(jié)土壤pH[26]，施入土壤后，中和土壤酸性物質(zhì)，提高土壤的pH[27]，降低土壤交換性氫和交換性鋁[28]。有研究表明，生物質(zhì)炭能夠提高土壤孔隙度[29-30]和表面面積，降低土壤容重[31]。

生物質(zhì)炭由于其本身的孔隙結(jié)構(gòu)，因此，具有較強(qiáng)的吸附性能，可以有效減少氮、磷流失。有研究表明，采用生物質(zhì)炭和肥料配施后，能夠減少土壤的氨揮發(fā)與土壤氮素流失，來提高氮肥利用率[32]。曲晶晶等[33]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物質(zhì)炭也可顯著提高水稻氮肥利用率，與對照相比，可提高20.33百分點(diǎn)。郭偉等[34]3 a定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，施用生物質(zhì)炭處理明顯增加了土壤耕層全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。生物質(zhì)如何提高土壤氮含量，其原因可能有：一是生物質(zhì)炭中含有少量氮，二是生物質(zhì)炭改善土壤通氣狀況，抑制了氮素微生物的反硝化作用，進(jìn)而使得土壤中全氮儲量相對增加。ZHANG等[35]基于稻田試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，單一施用生物質(zhì)炭使得N2O的排放量減少了21%～28%，而生物質(zhì)炭與氮肥的配合施用使N2O的排放減少了40%～51%。

土壤陽離子交換量（CEC）指土壤膠體所能吸附各種陽離子的總量，可以反映土壤吸收、交換和保留陽離子的能力，直接表征土壤的保肥、供肥性能和緩沖能力的大小[36]。生物質(zhì)炭添加到土壤后可顯著提高土壤的陽離子交換量[37]。在熱帶土壤中，施加生物質(zhì)炭可以提高土壤CEC，且隨施炭比例的增加而提高，提高幅度可達(dá)50%[38]。有研究發(fā)現(xiàn)[39]，生物質(zhì)炭處理提高了大豆生育期陽離子交換量，高施炭量提高效應(yīng)更大。生物質(zhì)炭對土壤CEC的影響還與生物質(zhì)炭和土壤相互作用時(shí)間有關(guān)。隨著生物質(zhì)炭在土壤中作用時(shí)間的延長，其在生物或者非生物的作用下產(chǎn)生的如羰基、羧基等官能團(tuán)，使生物炭的CEC增大，土壤的CEC也相應(yīng)增大[40]。

3 生物質(zhì)炭對土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分是反映土壤肥力的重要指標(biāo)之一，其含量高低直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。生物質(zhì)炭本身能夠被作物利用的養(yǎng)分很少，但由于其具有的吸附性能，減少了雨水沖刷造成的養(yǎng)分流失，間接提高了土壤養(yǎng)分含量[41-43]。添加生物炭可以有效提高土壤中養(yǎng)分含量。周桂玉等[44]研究認(rèn)為，生物炭對有效磷、鈣、鎂的提高效果相對比較明顯，但對氮和鉀的作用不顯著。TOPOLIANTZ等[45]也曾報(bào)道，施用生物炭能增加有效P，K，Mg和Ca含量。NOVAK等[46]研究表明，往土壤中添加2%（w/w）的生物質(zhì)炭，67 d后發(fā)現(xiàn)土壤Ca，K，Mn，P的含量明顯升高，但S，Zn的含量是降低的。

4 生物質(zhì)炭的固碳作用

農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化釋放CO2是農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的重要途徑，減少或促進(jìn)土壤碳的礦化對減緩全球溫室效應(yīng)具有重要意義。農(nóng)業(yè)活動排放溫室氣體，一個固定碳的方法就是把含碳物質(zhì)經(jīng)過加熱處理使其變?yōu)榉€(wěn)定物質(zhì)[47]。

生物質(zhì)炭由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此，具有更高的化學(xué)和生物學(xué)穩(wěn)定性，具有更強(qiáng)的抵抗微生物分解的能力，在某些條件下它可以在土壤中穩(wěn)定存在上千年[48]。近年來，向土壤中添加生物質(zhì)炭變?yōu)橐环N農(nóng)業(yè)增匯減排的技術(shù)措施，已成為人類應(yīng)對全球氣候變化的一條重要途徑[49]。研究表明，生物質(zhì)炭能夠抑制土壤有機(jī)碳的分解，降低土壤CO2的排放[50]。生物質(zhì)炭施入土壤中可以與土壤礦物相結(jié)合起到老化的作用，從而使生物質(zhì)炭長期存留在土壤中，增加了土壤碳含量[51]。章明奎等[52]研究了生物質(zhì)炭對土壤有機(jī)質(zhì)活性的影響，結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭可顯著增加土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累。生物質(zhì)炭也可以改變土壤有機(jī)碳的組分，形成更穩(wěn)定的土壤有機(jī)碳，使土壤能持久的供給養(yǎng)分，提高土壤肥力[53]。

5 生物質(zhì)炭對煙葉生長及品質(zhì)的影響

煙草是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，由于糧煙爭地嚴(yán)重，煙草種植存在嚴(yán)重的連作障礙等現(xiàn)象，造成了土壤養(yǎng)分失調(diào)，煙葉品質(zhì)下降等問題。生物質(zhì)炭可通過改良土壤理化性質(zhì)來間接影響作物生長發(fā)育，然而生物質(zhì)炭對作物的改良效果受生物質(zhì)炭類型、施用量、土壤類型和作物種類等因素影響較大。ASAI等[54]在老撾地區(qū)的試驗(yàn)表明，生物質(zhì)炭的應(yīng)用可提高低磷有效性地區(qū)的糧食產(chǎn)量，還可提高對氮或氮磷化肥的響應(yīng)，但卻降低了葉片SPAD值。有研究結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭能夠提高烤煙生育中、后期干物質(zhì)積累量[55]，隨著生物質(zhì)炭用量的增加，各生育時(shí)期土壤有機(jī)質(zhì)含量總體均呈現(xiàn)增加的趨勢，可增加土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量，還可以增加土壤pH值和C/N[56]。有研究結(jié)果顯示，施用生物質(zhì)炭可有效促進(jìn)土壤中堿解氮、有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀含量，同時(shí)促進(jìn)煙葉干物質(zhì)積累量和葉片N，P，K積累量的增加，使煙葉內(nèi)在化學(xué)成分更加協(xié)調(diào)，中性致香物質(zhì)含量增加[57]。

6 結(jié)論與展望

生物質(zhì)炭是當(dāng)前國際、國內(nèi)在進(jìn)行土壤改良、提升養(yǎng)分利用率等新型材料之一，但目前仍處于起步階段，研究過程中采用的生物質(zhì)炭原料、制備方法、施用方式等不盡相同，因此，結(jié)果相對缺乏可比性。雖然很多研究表明，生物質(zhì)炭在短期內(nèi)對作物生長、改善土壤養(yǎng)分和降低N2O排放等方面具有一定的改善功能，但對于這些有益作用的機(jī)理還有待進(jìn)一步探索，生物質(zhì)炭施用的長期效果也有待進(jìn)一步研究。

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Effects of Biochar on Soil Improvement and Tobacco Leaf Quality

SUNJingguo，SUNGuangwei，WANGChangjun，CHENZhenguo，YUJun，QINGuangjiong，RAOXiongfei，LIJinping，LIJianping

（Tobacco Scientific Research Institute ofHubeiProvince，Wuhan 430030，China）

In recentyears,the soils ofplanting tobacco are facing a series ofproblems such as acidification and reduction oforganic matter content,which affects the yield and quality oftobacco leaves.The biochar has a high carbon content,large specific surface area, alkaline and other characteristics,it has obvious effect on improving the soil pH and nutrient availability.This paper reviews the properties ofbiochar,its effects on soilimprovement,nutrientenhancementand soilcarbon sequestration,so as to provide scientific basis for application and popularization in tobacco production.

biochar;soilimprovement;tobacco leafquality

S572

：A

：1002-2481（2017）09-1557-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.09.38

2017-06-30

中國煙草總公司重點(diǎn)項(xiàng)目（110201502014）；湖北省煙草公司科技項(xiàng)目（027Y2014-009）

孫敬國（1981-），男，山西長治人，農(nóng)藝師，博士，主要從事煙草營養(yǎng)及代謝研究工作。陳振國為通信作者。