生物炭和炭基肥在煙草農(nóng)業(yè)的應(yīng)用及展望

王成己 唐莉娜 胡忠良 李艷春 黃毅斌

(1福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部福州農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，福建 福州 350013；2福建省煙草專(zhuān)賣(mài)局煙草科學(xué)研究所，福建 福州 350003；3福建省煙草公司三明市公司，福建 三明 365000；4福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福建 福州 350013)

我國(guó)是世界煙草生產(chǎn)第一大國(guó)，煙草種植面積、總產(chǎn)量、卷煙產(chǎn)量及銷(xiāo)售量均居世界首位。2018年我國(guó)煙草種植面積為1.06×106hm2，生產(chǎn)煙葉2.24×106t，產(chǎn)生煙稈約1.18×106t[1]。煙草是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，煙葉提質(zhì)增效及綠色清潔生產(chǎn)已成為近年來(lái)煙草行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。然而，煙草連作、長(zhǎng)期施用化肥嚴(yán)重破壞了土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致煙田土壤養(yǎng)分比例失衡[3]、微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[4-6]、煙株抵御病蟲(chóng)能力下降[7]，嚴(yán)重影響煙草生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)質(zhì)量形成[8]，最終導(dǎo)致煙葉品質(zhì)下降[9]。當(dāng)前，我國(guó)煙葉品質(zhì)普遍較低，表現(xiàn)為煙堿含量偏高、鉀含量偏低[10-11]。不合理的種植制度、栽培方式和施肥模式，尤其是對(duì)化肥的過(guò)度依賴(lài)，對(duì)煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)造成重大影響[12-13]。傳統(tǒng)的農(nóng)藝措施雖然取得了一些進(jìn)展，但仍無(wú)法解決煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)下降以及煙草連作障礙等生產(chǎn)瓶頸問(wèn)題。在煙草及其制品實(shí)行綠色清潔生產(chǎn)的趨勢(shì)下，科研人員正致力于尋找更有效的解決方法，以促進(jìn)煙草農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。近年來(lái)，生物炭和生物炭基肥(以下簡(jiǎn)稱(chēng)炭基肥)引起科研人員的廣泛關(guān)注。生物炭基產(chǎn)品獨(dú)特的物理、化學(xué)及生物學(xué)特性使其在農(nóng)業(yè)及環(huán)境領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并已取得積極的正效應(yīng)[14-18]。本文分析了生物炭和炭基肥的制備方法及其功能特性，綜述了生物炭和炭基肥對(duì)煙田土壤質(zhì)量、煙草生長(zhǎng)和煙葉品質(zhì)、煙草土傳病害的影響，并展望了生物炭和炭基肥未來(lái)的研究方向，以期為生物炭和炭基肥在煙草農(nóng)業(yè)上的合理應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 生物炭的制備及其特性

1.1 生物炭的制備

生物炭(biochar，又稱(chēng)生物質(zhì)炭，生物黑炭等)是生物質(zhì)材料在缺氧或少氧條件下熱裂解產(chǎn)生的芳香化富碳固體物質(zhì)[19]。生物質(zhì)熱裂解系統(tǒng)主要由原料處理模塊、炭化窯核心模塊和產(chǎn)物分離產(chǎn)出模塊三部分組成[20](圖1)，不同材料和炭化條件制備的生物炭，其性質(zhì)和施用效應(yīng)存在差異。生物炭制備原料來(lái)源廣泛。邱良祝等[21]基于402 篇文獻(xiàn)、1 763 組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明(表1)，林木、農(nóng)作物殘余物、草本植物是生物炭制備的重要原料；雖然林木炭所占比例逐年減少，但其占比依然最大；另外，對(duì)污泥炭的研究頻率逐年升高。依據(jù)溫度和時(shí)間，生物炭制備方法分為快速、慢速、閃速、濕法、微波加熱熱解等。慢速熱解溫度較低、時(shí)間較長(zhǎng)，可通過(guò)優(yōu)化熱解條件來(lái)增加生物炭產(chǎn)率，是生物炭制備的常用方法[22]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，生物質(zhì)炭化溫度總體為200～1 000℃，其中300～700℃占91.40%，而400～500℃和500～600℃的比例分別為28.60%和21.70%，說(shuō)明生物質(zhì)適宜炭化溫度為400～600℃[21]。

表1 生物炭制備原料來(lái)源分布Table 1 Frequency distribution of biochars feedstocks /%

1.2 生物炭的基本特征及理化性質(zhì)

生物炭含有C、H、O、N 等元素，同時(shí)含有較高含量的P、K、Ca、Mg 等元素[19]。生物炭由無(wú)定形碳、芳香族碳和灰分等組成[23]，各組分碳含量與生物炭熱解條件(溫度和時(shí)間)相關(guān)[24]。生物質(zhì)材料在較低熱解溫度時(shí)產(chǎn)生無(wú)定形碳，較高溫度則產(chǎn)生芳香族碳，熱解過(guò)程中同時(shí)產(chǎn)生礦物質(zhì)灰分。生物炭的基本特征因生物質(zhì)材料、熱解溫度和時(shí)間不同而有所差異。研究表明，木本植物源生物炭含碳量較高、礦質(zhì)養(yǎng)分較少，而畜禽糞便及草本植物源生物炭含碳量較低，礦質(zhì)養(yǎng)分卻較多[25]。熱解溫度決定熱解過(guò)程中碳的損失，不同溫度下熱解炭化同種生物質(zhì)原料，其產(chǎn)物的理化性質(zhì)也存在顯著差異[26]。此外，生物炭具有優(yōu)于其原料的理化特性及熱穩(wěn)定性。

1.2.1 物理特性 熱解炭化形成的生物炭保留了生物質(zhì)原料的孔隙結(jié)構(gòu)。生物炭的微觀孔隙結(jié)構(gòu)是生物炭具有較大比表面積和較高吸附性能的原因之一，也是生物炭吸附養(yǎng)分、蓄養(yǎng)水分及微生物棲息的空間場(chǎng)所[27]。邱良祝等[21]基于大樣本的統(tǒng)計(jì)分析表明，生物炭灰分含量為7.84%～63.30%(林木炭最低，污泥炭最高)、比表面積為28.20～164.40 m2·g-1(污泥炭最低，林木炭最高)。生物質(zhì)原料及其裂解方式和條件顯著影響生物炭比表面積，在一定溫度范圍內(nèi)，隨著裂解溫度升高，生物炭比表面積增加[28]；王娜等[29]對(duì)3 種生物炭孔徑的研究表明，木薯稈炭平均孔徑(12.08 μm)最大，其次為水稻稈炭(4.26 μm)，蘆葦稈炭(2.53 μm)最小。生物炭孔徑大小決定其對(duì)重金屬離子的吸附性能[30]。

1.2.2 化學(xué)特性 研究表明，生物質(zhì)炭化后可改變其pH 值、陽(yáng)離子交換量(cation exchange capacity，CEC)和碳氮比(C/N)[31-32]。邱良祝等[21]基于6 種原料生物炭的大樣本統(tǒng)計(jì)分析表明，生物炭pH 值為8.20～9.50(林木炭最低，畜禽糞便炭最高)、CEC 為20.90～98.60 cmol·kg-1(林木炭最低，草炭最高)、總有機(jī)碳含量為25.20%～72.60%(污泥炭最低，林木炭最高)、總氮含量為0.60%～2.70%(林木炭最低，二次廢物最高)、總磷含量為0.40%～3.00%(林木炭和草炭最低，污泥炭最高)、總鉀含量為0.70%～3.30%(林木炭最低，農(nóng)作物炭最高)。生物炭化學(xué)性質(zhì)與其生物質(zhì)原料及熱解條件(如時(shí)間和溫度)密切相關(guān)[24]，pH 值隨熱解溫度和熱解時(shí)間的提高而升高[33]，而CEC 則隨熱解溫度升高而降低[23]。與生物質(zhì)原料相比，生物炭CEC 變小[34-35]，但生物炭施入土壤后表面官能團(tuán)被氧化，可使其CEC 升高[31]。另外，不同原料所制備生物炭的C/N 不同，其中園林垃圾所制備生物炭的C/N 最高，豆科作物炭次之，水稻和玉米秸稈炭最低[36]。綜上所述，農(nóng)作物秸稈炭的物理性質(zhì)和養(yǎng)分性質(zhì)均表現(xiàn)中等，結(jié)合我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源狀況，農(nóng)作物殘余物可作為大規(guī)模生產(chǎn)生物炭的原料。

1.2.3 熱穩(wěn)定性 生物炭具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)以及羥基、酚基、羧基等官能團(tuán)，其熱力學(xué)及生化穩(wěn)定性均高于其原料。研究表明，熱解溫度對(duì)生物炭穩(wěn)定性具有決定性作用，隨著生物炭熱解溫度的升高，生物炭H/C 和O/C 降低，羥基、羧基和羰基等含氧官能團(tuán)含量減少，烷基鏈趨于芳香化，生物炭的芳香性增強(qiáng)，抗氧化穩(wěn)定性增加[37-39]。Lehmann 等[40]研究指出，生物炭在土壤中的穩(wěn)定性在很大程度上取決于其抗化學(xué)氧化能力，可通過(guò)快速分析生物炭化學(xué)氧化性來(lái)評(píng)估生物炭在土壤中的穩(wěn)定性。生物炭中的官能團(tuán)可與土壤礦物結(jié)合形成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體，增加生物炭的穩(wěn)定性，使生物炭免受土壤微生物氧化降解[41]，這是生物炭具有碳封存作用以及其能減緩溫室效應(yīng)的理論依據(jù)，也為緩釋型生物炭基肥的研發(fā)提供了理論和技術(shù)支撐。生物炭含有的羧基、羥基等含氧官能團(tuán)及表面負(fù)電荷賦予了其改良土壤質(zhì)量的巨大潛力[42]。

1.3 生物炭改性

盡管生物炭具有較多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在不足之處。隨著人們對(duì)生物炭認(rèn)識(shí)及開(kāi)發(fā)的不斷深入，生物炭改性及應(yīng)用已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[43]。生物炭改性主要是以物理、化學(xué)及生物學(xué)方法制備功能性生物炭，通過(guò)改善生物炭物理、化學(xué)和生物特性，活化生物炭表面性質(zhì)，強(qiáng)化其功能[44]。研究表明，改性后的生物炭對(duì)污染物的修復(fù)效果更好[45]，對(duì)土壤有機(jī)碳含量提升幅度更大[46]，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中磷的去除能力更強(qiáng)[47]，具有更高的CO2捕獲能力[48]。改性生物炭在污染環(huán)境治理、土壤肥力提升及應(yīng)對(duì)氣候變化等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

2 炭基肥的制備及其功能

炭基肥是利用特定方法將生物炭與普通肥料通過(guò)一定比例混合制成的具有緩/控釋性能的新型功能型生態(tài)肥料。炭基肥制備工藝包括摻混法、吸附法、包膜法和混合造粒法等，其中摻混法、吸附法和包膜法生產(chǎn)的炭基肥為細(xì)粉狀顆粒，灰分含量較高，不方便運(yùn)輸，直接施用時(shí)易造成粉塵污染，而混合造粒法(分為擠壓法和團(tuán)粒法)可有效解決上述問(wèn)題，該方法操作簡(jiǎn)便、生產(chǎn)效率高，是目前炭基肥的主要生產(chǎn)方式[49-50]。原魯明等[50]歸納整理了典型炭基肥配方及成型工藝，如表2所示，根據(jù)原料組成，炭基肥分為炭基有機(jī)肥、炭基無(wú)機(jī)肥、炭基有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥等；從原料配比來(lái)看，生物炭還具備改善土壤結(jié)構(gòu)、鈍化土壤重金屬、吸附養(yǎng)分等功能，因此炭基肥產(chǎn)品中生物炭的添加量要依據(jù)各自不同的功能進(jìn)行合理配比，目前的炭基肥產(chǎn)品中生物炭的添加比例一般在20%～60%之間。研究表明，不同制備工藝生產(chǎn)的炭基肥其作用機(jī)制存在差異，采用反應(yīng)型和吸附型工藝制備的炭基氮肥呈現(xiàn)不同的養(yǎng)分吸持機(jī)制，反應(yīng)型工藝制備的炭基氮肥養(yǎng)分控釋效果優(yōu)于吸附型工藝制備的炭基氮肥[27]。

炭基肥兼有惰性和活性的有機(jī)質(zhì)，生物炭的固定態(tài)有機(jī)質(zhì)碳架起載體作用，實(shí)現(xiàn)了炭質(zhì)-礦物質(zhì)-化肥養(yǎng)分的團(tuán)聚體結(jié)合，延緩了化肥的快速溶解釋放，提高了養(yǎng)分的緩效性，從而顯著減少化肥用量[20]。炭基肥能有效吸附作物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，維護(hù)土壤微生態(tài)平衡，提高根系和土壤活性[51-52]。炭基肥彌補(bǔ)了生物炭養(yǎng)分不足、消耗量大等問(wèn)題，同時(shí)也可減少化肥用量、改善土壤微生態(tài)環(huán)境并能提高養(yǎng)分利用率和作物品質(zhì)[53-54]。根據(jù)不同用途，業(yè)界相繼開(kāi)發(fā)出包膜炭基肥[55]、炭基氮肥[27]和炭基鉀肥[56]，并已在北方壤土、砂土麥田和南方煙田進(jìn)行應(yīng)用。

作為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，煙草長(zhǎng)期連作、有機(jī)肥施用不足、過(guò)量施用化肥易造成土壤質(zhì)量下降、碳氮營(yíng)養(yǎng)失衡、土壤生物活性降低、煙草土傳病害加重等情況，嚴(yán)重威脅優(yōu)質(zhì)煙草生產(chǎn)。因此，將煙稈炭化直接還田或者制備成炭基肥用于煙田，既促進(jìn)了煙稈資源化利用，也有利于土壤改良和煙葉提質(zhì)增效，是實(shí)現(xiàn)煙田清潔生產(chǎn)的雙贏途徑。另外，由于煙草具有喜鉀特性，因此在生產(chǎn)上可開(kāi)發(fā)高鉀炭基肥。

研究表明，炭基肥比生物炭直接還田具有更為穩(wěn)定的正調(diào)控效應(yīng)[57-58]。基于炭基肥在土壤改良、作物提質(zhì)增效等方面的優(yōu)良特性，有必要進(jìn)一步研究炭基肥替代化肥的效果。在國(guó)家“一控兩減三基本”政策背景下，炭基肥施用成為我國(guó)煙區(qū)化肥減施增效的重要技術(shù)手段，對(duì)促進(jìn)煙草農(nóng)業(yè)綠色健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是，炭基肥成本偏高問(wèn)題是應(yīng)用推廣的一大障礙。因此，還應(yīng)開(kāi)發(fā)新技術(shù)新工藝來(lái)降低炭基肥成本。

表2 典型炭基肥配方及成型工藝(依據(jù)文獻(xiàn)[50]，有改動(dòng))Table 2 Formulations and molding process of typical biochar-based fertilizer(Revised according to the reference[50])

3 生物炭及炭基肥對(duì)煙田土壤質(zhì)量的影響

生物炭因具有原料來(lái)源廣泛、比表面積大、孔隙發(fā)達(dá)、富含碳素、官能團(tuán)豐富、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在土壤改良、固碳減排、土壤微生境調(diào)控、污染物去除等方面具有廣泛用途[43，70]。炭基肥融合了生物炭與肥料各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有優(yōu)于其構(gòu)成組分的特性，可緩慢釋放養(yǎng)分、持久保持肥效，持續(xù)改善土壤環(huán)境，促進(jìn)作物生長(zhǎng)、穩(wěn)產(chǎn)或增產(chǎn)。生物炭及炭基肥主要從土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、煙田溫室氣體減排、土壤微生物及酶活性等方面對(duì)煙田土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3.1 對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

研究表明，施用生物炭和炭基肥可有效改善土壤理化性質(zhì)。生物炭可降低黃灰土煙田土壤容重、改變土壤三相比[71]，增加黃壤煙田田間持水量、土壤孔隙度及透氣性[72]，提高土壤pH 值、土壤導(dǎo)電率、團(tuán)聚體穩(wěn)定性[73]，提升土壤有機(jī)碳含量和養(yǎng)分有效性[74-76]，促進(jìn)土壤陽(yáng)離子交換[70]。生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響與土壤類(lèi)型、生物炭種類(lèi)、制備工藝以及施用量和施用方式有關(guān)[24，51]。因此，在生產(chǎn)中要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的生物炭類(lèi)型及用量。

3.2 對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

閻海濤[77]研究表明，生物炭在增加植煙褐土有機(jī)碳、氮的同時(shí)減少了土壤可溶性有機(jī)碳、氮的淋失，且土壤總有機(jī)碳、全氮、微生物生物量碳、氮含量均隨著生物炭施用量增加而提高。陳懿等[78]研究表明，施用炭基肥可以顯著提升植煙黃壤pH 值、有效磷和速效鉀含量，并能提高肥料農(nóng)學(xué)利用率，增加土壤細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量，提高土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶活性。張志浩[79]研究表明，施用炭基肥(1.5 t·hm-2) 后暗棕土、褐土和水稻土植煙土壤堿解氮含量分別比對(duì)照(未添加炭基肥) 增加15.82%、23.56%和12.73%，同時(shí)顯著改變了3 種類(lèi)型植煙土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)。李文淵[80]研究表明，施用高碳炭基肥料可提高中后期植煙土壤速效鉀含量、土壤微生物量碳、氮含量，顯著增加土壤中易溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并使土壤蔗糖酶活性維持在較高水平，促進(jìn)中后期煙株生長(zhǎng)。相對(duì)于單獨(dú)施用生物炭，炭基肥賦予肥料養(yǎng)分緩釋性，提高了肥料利用率，可以持續(xù)改善土壤養(yǎng)分比例及結(jié)構(gòu)[51]。

3.3 對(duì)煙田溫室氣體排放的影響

近年來(lái)，研究人員在生物炭和炭基肥固碳減排方面做了大量工作，而其用于煙田固碳減排的研究相對(duì)較少。閻海濤[77]研究表明，大田條施1、2、4 t·hm-2生物炭時(shí)，其植煙土壤碳庫(kù)管理指數(shù)分別比對(duì)照(未施生物炭)提高18%、22%和34%。李亞森[81]研究表明，生物炭施用顯著提高了植煙土壤碳庫(kù)指數(shù)，而中、低劑量生物炭更有利于提高碳源利用率，其中，中劑量減排效果最優(yōu)，建議最佳土壤固碳減排生物炭施用量為每年15 t·hm-2。Huang 等[82]對(duì)煙稻輪作田溫室氣體排放的研究表明，生物炭可顯著降低稻田甲烷(CH4)排放，在較高施用量條件下有降低煙田氧化亞氮(N2O)排放的趨勢(shì)，進(jìn)一步分析表明土壤溫室氣體排放與生物炭對(duì)非根際微生物的影響密切相關(guān)。

生物炭穩(wěn)定性較強(qiáng)，是長(zhǎng)期存在于土壤中的“碳匯”，對(duì)土壤CH4和N2O 排放有重要影響[83]。土壤CH4排放是產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌平衡作用的結(jié)果[84]。生物炭通過(guò)影響土壤pH 值、有機(jī)質(zhì)含量、氧化還原電位、氮素形態(tài)、透氣性及土壤溫濕度等理化性質(zhì)來(lái)改變產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的活性及種群豐度，進(jìn)而影響CH4排放[85-87]；同時(shí)，生物炭的疏松多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積有助于土壤吸收CH4，可為甲烷氧化菌提供碳源，促進(jìn)土壤CH4氧化，減少CH4向大氣排放[88]。另外，有研究表明，生物炭可通過(guò)影響土壤孔隙度、pH 值、質(zhì)地、透氣性等理化性質(zhì)降低反硝化菌及其酶活性或增強(qiáng)氧化亞氮還原酶活性來(lái)抑制N2O排放[89-91]。目前生物炭和炭基肥施用對(duì)煙田土壤CH4和N2O 排放的影響機(jī)制研究還不夠深入，還需進(jìn)一步研究。

3.4 對(duì)土壤微生物的影響

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有支撐土壤肥力、促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的作用[92]，在維系土壤結(jié)構(gòu)、保育土壤肥力等方面具有不可替代的作用[93]。生物炭對(duì)微生物的影響主要體現(xiàn)在兩方面:一是生物炭的多孔微觀結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積為微生物提供了適宜的生境[31]，二是生物炭可通過(guò)吸附養(yǎng)分或改良土壤間接影響微生物群落[94]。研究表明，生物炭在改善植煙土壤微生態(tài)、調(diào)控烤煙生理特性方面具有積極效應(yīng)[72]，可改善植煙土壤細(xì)菌群落多樣性及組成[95]，提高根際土壤細(xì)菌多樣性和分布均勻程度[96]，促進(jìn)土壤有益微生物生長(zhǎng)[97]。而炭基肥對(duì)土壤微生物群落的影響與生物炭存在差異，其主要通過(guò)豐富土壤氮磷鉀、有機(jī)質(zhì)、水分等微生物生長(zhǎng)因子，協(xié)同提升土壤環(huán)境中細(xì)菌生長(zhǎng)，提高土壤微生物群落的多樣性[98-99]。另外，生物炭可通過(guò)影響土壤環(huán)境來(lái)驅(qū)動(dòng)土壤微生物群落的生態(tài)演替，進(jìn)一步分析土壤理化性質(zhì)與真菌群落結(jié)果的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，土壤水溶性有機(jī)碳、pH 值和含水率對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的影響最大[77]。因此，通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)施肥措施來(lái)改善植煙土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、培肥煙田土壤，對(duì)實(shí)現(xiàn)烤煙優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.5 對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶來(lái)自生物的活體或殘?bào)w，是土壤生物學(xué)活性的重要組成部分，可以表征土壤肥力、物質(zhì)轉(zhuǎn)化、環(huán)境變化的動(dòng)向和強(qiáng)度[100]。土壤蔗糖酶、土壤淀粉酶和土壤纖維素酶活性與微生物數(shù)量、土壤呼吸強(qiáng)度有關(guān)[101]。研究表明，施用生物炭有利于增加土壤蔗糖酶、脲酶活性和土壤微生物量碳含量，減少氮素流失[102]，但對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶活性無(wú)顯著影響[103]。另有研究表明，生物炭對(duì)烤煙前期根際土壤轉(zhuǎn)化酶和過(guò)氧化氫酶活性有抑制作用，但可以提高烤煙后期土壤酶活性、促進(jìn)微生物生物量碳形成，說(shuō)明生物炭施入土壤后對(duì)土壤-作物系統(tǒng)的作用具有一定的滯后性[104]。

萬(wàn)惠霞等[105]研究認(rèn)為炭基肥刺激并增加了土壤細(xì)菌數(shù)量及其多樣性，提高了土壤轉(zhuǎn)化酶活性。潘全良等[106]研究表明，炭基肥對(duì)土壤蔗糖酶與土壤過(guò)氧化氫酶活性有抑制作用，而對(duì)土壤脲酶活性無(wú)明顯影響。而陳懿等[78]研究顯示，施用炭基肥可以提高土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶活性，其中過(guò)氧化氫酶活性增幅達(dá)10.6%。生物炭和炭基肥對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生復(fù)雜多變的效應(yīng)，其原因在于:一方面生物炭吸附酶促反應(yīng)的反應(yīng)底物，促進(jìn)酶促反應(yīng)的進(jìn)行，提高土壤酶活性；另一方面生物炭吸附保護(hù)酶促反應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)，從而抑制酶促反應(yīng)，降低酶活性[107]。

4 生物炭及炭基肥對(duì)煙草生長(zhǎng)和煙葉品質(zhì)的影響

4.1 對(duì)煙草生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

生物炭具有獨(dú)特的理化特性及生化穩(wěn)定性，在作物產(chǎn)量及品質(zhì)提升方面具有較大的應(yīng)用潛力。研究表明，生物炭可改善煙草株高、有效葉、最大葉長(zhǎng)(寬)和莖圍等農(nóng)藝性狀[108]，促進(jìn)煙株生長(zhǎng)、降低病毒病和赤星病發(fā)病率，提高煙草產(chǎn)量、產(chǎn)值及上等煙比例[109]。閻海濤[77]研究表明，施用生物炭各處理的煙株株高、莖圍及葉面積最多分別比對(duì)照(未施生物炭) 高6.48%、4.00%和23.54%，條施2 t·hm-2生物炭煙株干物質(zhì)積累量比對(duì)照高16.70%，煙草產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益分別比對(duì)照(未施生物炭)增加7.05%和15.76%。另外，與常規(guī)施肥相比，施用生物炭可增加煙草根際土壤含水量、根系活力及根冠比，提高葉片的光合性能[110]。但生物炭對(duì)煙草生長(zhǎng)的作用具有滯后性，表現(xiàn)為生物炭抑制煙草前期生長(zhǎng)，提高中后期煙葉葉綠素含量，并可顯著促進(jìn)煙草后期生長(zhǎng)[111-112]；此外，田間試驗(yàn)表明，生物炭用量對(duì)煙草生長(zhǎng)也具有明顯影響，用量過(guò)大會(huì)抑制煙草早期生長(zhǎng)，降低其干物質(zhì)積累量[77]。因此，應(yīng)考慮生物炭的肥效特性及煙草生長(zhǎng)需肥規(guī)律，開(kāi)展生物炭不同用量在不同立地條件煙區(qū)的應(yīng)用效果研究。

炭基肥對(duì)作物生長(zhǎng)及其產(chǎn)質(zhì)量的影響與炭基肥種類(lèi)、組分比例、施用量及方式密切相關(guān)，不同原料的炭基肥對(duì)同一作物的施用效應(yīng)也存在差異[51]。研究表明，麥秸炭基肥可促進(jìn)青椒根系生長(zhǎng)，顯著提高青椒產(chǎn)量，而稻殼和花生殼炭基肥雖可顯著提升青椒品質(zhì)，卻對(duì)產(chǎn)量無(wú)顯著影響[113]。李彩斌等[114]研究認(rèn)為，與其他比例生物炭基肥處理相比，BCF15 處理(N∶P2O5∶K2O=9∶13∶22，生物炭比例為15%)煙田土壤脲酶和土壤硝酸還原酶活性最高，煙草葉綠素含量、類(lèi)胡蘿卜素含量、凈光合速率和水分利用率最高，氮和鉀積累量最大，經(jīng)濟(jì)性狀表現(xiàn)最突出，認(rèn)為BCF15 處理是貴州黃壤煙田炭基復(fù)混肥較適宜的配方。然而，由于生物炭制備或施用時(shí)可能會(huì)釋放多環(huán)芳烴化合物、二噁英、酞酸酯以及向土壤中輸入外源重金屬，因此生物炭和炭基肥施入土壤后也可能會(huì)產(chǎn)生一些對(duì)土壤健康和煙草生長(zhǎng)不利的負(fù)面作用，需要評(píng)估其潛在的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[115]。

4.2 對(duì)煙葉品質(zhì)的影響

生物炭對(duì)煙草生長(zhǎng)發(fā)育、煙葉化學(xué)成分及其協(xié)調(diào)性、感官質(zhì)量和產(chǎn)質(zhì)量均有重要影響。施用生物炭增加了煙株干重和煙葉產(chǎn)量，但當(dāng)生物炭施用量超過(guò)2 025 kg·hm-2時(shí)則會(huì)導(dǎo)致煙葉品質(zhì)下降[116]。王成己等[117]研究發(fā)現(xiàn)，中低劑量生物炭處理有利于改善煙葉品質(zhì)，中高劑量生物炭則有利于提高煙葉產(chǎn)量和產(chǎn)值，建議條施煙稈生物炭以每株0.4 kg 為宜。施用適量生物炭和炭基肥可提高烤后煙葉化學(xué)成分協(xié)調(diào)性，原因可能在于生物炭延長(zhǎng)了煙葉成熟期、充分轉(zhuǎn)化煙葉內(nèi)在成分，提高了煙葉中石油醚提取物含量及烤后煙葉中致香物質(zhì)總量[112，118-120]。研究表明，施用生物炭可顯著增加煙株對(duì)磷和鉀的吸收[121]。鉀是煙草生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，煙葉鉀含量高低是衡量煙葉品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。植煙土壤施入富鉀的生物炭可提高土壤中速效鉀水平，使煙草富集吸收更多鉀元素，從而提高煙葉品質(zhì)。生物炭也可促進(jìn)煙草碳氮(鉀)代謝，提高中上部煙葉鉀氯比以及中部煙葉總糖含量、還原糖含量、鉀含量及糖堿比[122]。田間試驗(yàn)表明，85%常規(guī)施肥＋1.5 t·hm-2炭基肥可改善煙葉內(nèi)在化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性，增加中性致香物質(zhì)，提高煙農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益[123]。化肥配施炭醋肥料，減施20%化肥時(shí)煙草產(chǎn)質(zhì)量仍高于常規(guī)施肥，說(shuō)明生物炭與木醋液配合施用具有替代化肥的潛力[124]。另外，利用生物炭處理鎘污染土壤，可增加煙葉中總糖、氮和鉀含量、降低氯含量[125]。

5 生物炭及炭基肥對(duì)煙草土傳病害的影響

煙草土傳病害一直困擾著煙草農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，尋找解決土傳病害的方法迫在眉睫。煙草土傳病害成因復(fù)雜，但土傳病病原菌與根際微生物之間的相互作用關(guān)系是決定煙株能否持續(xù)健康生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素[126-127]。因此，構(gòu)建土壤營(yíng)養(yǎng)、酸堿度、根際微生物與煙株生長(zhǎng)的平衡體系，理清煙草土傳病害發(fā)病情況與土壤理化性質(zhì)及微生物區(qū)系的關(guān)系，是生物炭防控?zé)煵萃羵鞑『Φ暮诵膯?wèn)題。

研究認(rèn)為，生物炭防控土傳病害的重要原因是其誘導(dǎo)了植物對(duì)病害的系統(tǒng)抗性，促進(jìn)了植物體內(nèi)抗性基因表達(dá)，而生物炭激發(fā)植物系統(tǒng)抗性的機(jī)理尚不明確，可能源自土壤微生物區(qū)系的改變[128]。陳懿等[72]研究表明，生物炭在改良植煙土壤微生態(tài)、調(diào)控烤煙生理特性方面具有積極效應(yīng)。王成己等[129]提出生物炭防控?zé)煵萸嗫莶〉奈锢砘瘜W(xué)及生物學(xué)機(jī)制，認(rèn)為改善植煙土壤養(yǎng)分狀況和微生物群落結(jié)構(gòu)是生物炭防控?zé)煵萸嗫莶〉闹匾獧C(jī)理。青枯病是毀滅性的土傳病害，通過(guò)改善土壤微生物多樣性以提高對(duì)羧酸類(lèi)和聚合物類(lèi)碳源的利用能力[130]，并增加土壤有益微生物，是提高土壤免疫力、增強(qiáng)土壤抵御土傳病害能力的重要途徑[131]。閻海濤[77]研究表明，煙田添加生物炭后煙株氣候性斑點(diǎn)病和黑脛病發(fā)病率分別比對(duì)照降低17.26%～52.19%和9.01%～50.00%。煙草移栽時(shí)施用炭基肥可迅速提高煙株根圍土壤有機(jī)碳含量、改善土壤微生態(tài)功能，有助于煙株吸收利用養(yǎng)分、促進(jìn)根系發(fā)育并提高青枯病抗性[105]。另外，相關(guān)研究表明土壤有機(jī)碳的增加會(huì)提升根際微生物有益菌數(shù)量，抑制病原菌繁殖，減輕土傳病害的發(fā)生，進(jìn)而抑制煙草連作障礙[132-135]。

6 問(wèn)題與展望

煙草是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，煙葉提質(zhì)增效及綠色清潔生產(chǎn)是煙草農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的必然趨勢(shì)。煙稈炭化還田是實(shí)現(xiàn)煙稈資源化利用和環(huán)境友好發(fā)展的雙贏途徑。生物炭較大的比表面積、發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、豐富的官能團(tuán)、穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)以及良好的吸附特性賦予其改良連作障礙煙田土壤、重建健康微生物生境的巨大潛力，這是炭基有機(jī)肥/有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥施用效果優(yōu)于普通有機(jī)肥/有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥的重要原因[50，136]。炭基肥融合了生物炭與肥料各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有優(yōu)于其構(gòu)成組分的特性，可緩慢釋放養(yǎng)分、持久保持肥效，持續(xù)改善土壤環(huán)境，促進(jìn)作物生長(zhǎng)及穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)，在煙草農(nóng)業(yè)中具有較大的應(yīng)用潛力。但是，由于生物炭及炭基肥在煙草農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用時(shí)間較短，在一些理論及應(yīng)用問(wèn)題上還存在爭(zhēng)議，今后的研究與應(yīng)用應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面問(wèn)題:

1)生物炭及炭基肥調(diào)控植煙土壤質(zhì)量及煙草生長(zhǎng)和品質(zhì)的機(jī)制機(jī)理。從目前研究結(jié)果來(lái)看，生物炭及炭基肥對(duì)植煙土壤環(huán)境產(chǎn)生積極影響，可有效促進(jìn)煙草生長(zhǎng)、提升煙草產(chǎn)量及品質(zhì)，具有防控?zé)煵萃羵鞑『Φ臐摿?，但生物炭及炭基肥?duì)植煙土壤性質(zhì)的持久影響、生物炭影響植煙土壤質(zhì)量的微生物機(jī)制、生物炭防控?zé)煵萃羵鞑『Φ臋C(jī)理、生物炭及炭基肥施用時(shí)煙草-土壤-微生物的相互作用關(guān)系等科學(xué)問(wèn)題還有待于長(zhǎng)期深入研究。

2)生物炭及炭基肥施用的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。生物炭制備時(shí)產(chǎn)生的多環(huán)芳烴會(huì)對(duì)植物、動(dòng)物、微生物產(chǎn)生毒害作用，一些原料制備的炭基肥可能會(huì)向土壤輸入重金屬和有機(jī)污染物，后期應(yīng)考慮生物炭及炭基肥施用對(duì)煙田土壤健康和煙草生長(zhǎng)產(chǎn)生的負(fù)面作用，通過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)研究評(píng)估其潛在的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

3)生物炭及炭基肥生產(chǎn)技術(shù)工藝創(chuàng)新。生物炭及炭基肥的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能因生物質(zhì)材料、熱解溫度和時(shí)間以及制備工藝的不同存在較大差異，因此需要探索制備多功能生物炭及炭基肥的新方法、新工藝、新設(shè)備。通過(guò)生物炭改性制備功能性生物炭，因地制宜開(kāi)發(fā)利用炭基有機(jī)肥、炭基無(wú)機(jī)肥、炭基有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥以及炭基氮肥、炭基鉀肥等煙草專(zhuān)用炭基肥，是未來(lái)生物炭基產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域亟待解決的重要技術(shù)問(wèn)題。