生物炭改土對植煙土壤理化性狀動態變化的影響

萬海濤 劉國順　田晶晶 邢雪霞

摘 要：通過盆栽試驗，研究了生物炭不同施用量對植煙土壤容重、pH值、有機質和速效養分含量及其在烤煙生長期內變化規律的影響。結果表明，每盆施用生物炭1～2 kg能顯著降低土壤的容重，降幅在12%～20%，并且能提高土壤的pH值。土壤有機質含量與生物炭的施用量呈線性相關關系。施用生物炭能降低土壤堿解氮的含量，限制了土壤的氮素利用度；對土壤速效磷沒有顯著影響，能顯著提高土壤速效鉀的含量，并使土壤具備持續提供鉀素的能力。

關鍵詞：生物炭；植煙土壤；改良；土壤理化性狀；動態變化

中圖分類號：S156.2 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2014）04-0072-05

長期連作和連續施用化肥以及機械耕作使煙田土壤環境逐漸惡化，肥力下降，營養供應不均衡，板結嚴重，容重持續增加，導致煙株生長發育不良，煙田病蟲害加劇，煙葉質量下降。常規的培肥方式對土壤的性狀改良效果很低，尤其是土壤有機質的含量[1] 。生物炭是近年來農林、環境等諸多領域研究關注的焦點，20世紀90年代中后期以來，以熱裂解生物質生產生物炭，并將其用作土壤改良劑及固碳劑的研究日益增多。國外在生物炭的性質和特征及其對土壤理化性質和微生物的作用、作物肥效及土壤固碳等方面展開了較廣泛的研究，并取得許多進展[2～6]。而國內生物炭研究剛剛起步[7～9]，生物炭農用研究尚未足夠重視，目前在小麥[10] 、玉米[11] 、水稻[12] 、大豆[10] 及牧草[13] 等作物上研究較多，但在生物炭的施用量和生物炭對作物產量及作物不同指標的影響結論不一致，甚至有些研究結果互相矛盾。生物炭在煙草上的研究目前還相對較少。本試驗通過對植煙土壤添加不同量的生物炭，研究生物炭對煙株生長各個時期的土壤理化性質及變化規律的影響，以期為生產優質濃香型煙葉提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2012年5～10月在河南農業大學許昌校區進行，供試土壤為壤質潮土，采自許昌校區試驗田0～30 cm土層，過1 cm孔徑篩。土壤pH值7.48，有機質12.10 g/kg，堿解氮50.20 mg/kg，速效磷7.80 mg/kg，速效鉀130.70 mg/kg。供試作物為中煙100。

本試驗選用的生物炭為花生殼炭，在400℃無氧條件下裂解制成，容重為0.46 g/cm3。

1.2 試驗設計及方法

盆栽試驗，盆大小為（外口徑×高×底徑）48.3 cm×32 cm×26.5 cm，每盆裝土+生物炭或土30 kg。試驗設4個處理，每處理10盆，重復3次，另每個處理設置3盆無生物炭土作對照。試驗處理見表1。

烤煙于5月16日移栽，每盆按6 g純氮量施氮磷鉀復合肥（N∶P2O5∶K2O=1∶1.5∶3），將70%肥料于栽前均勻基施，剩余30%在移栽后20天再次施入，增施黃腐酸鉀25 g/盆，其他田間管理按常規方法進行。對照T1進行正常田間管理。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 測定指標 在烤煙移栽前及移栽后30、45、60天和75天測量各個處理的土壤容重。于烤煙移栽后45、60、75、90天和煙葉采收完成后取土樣測定土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀及pH值。

1.3.2 測定方法 土壤容重用環刀法；有機質采用重鉻酸鉀法；堿解氮用堿解擴散法；速效磷用0.5 mol/L NaHCO3法；速效鉀用乙酸銨浸提，火焰光度法；pH值測定用電位法。

采用Microsoft Excel 2003和DPS分析軟件對數據進行處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 對土壤容重動態變化的影響

土壤容重等物理性狀是影響土壤肥力的重要指標。從圖1可以看出，隨著生物炭用量的增加土壤容重逐漸降低，植煙土壤各處理容重大小依次為：T1>T2>T3>T4，移栽前施用生物炭的處理T2、T3和T4的土壤容重比對照T1分別降低12.0%、16.8%和20.0%。在移栽后0～45天各個處理的容重逐漸增大，在45天時達到最大值；在移栽后45～75天，T1容重逐漸降低，T2、T3和T4的容重先減小后增大。在移栽后75天，T2、T3和T4的容重分別比T1低6.5%、13.8%和14.6%。低容重由于澆水，土壤逐漸沉實，容重有所增大，而高容重則因土壤本身的濕脹干縮性能，隨著時間的延長及土壤水分作用而有所降低，與李潮海[14]結論相符合。

圖1 施用生物炭對植煙土壤容重的影響

從圖2可以看出，土壤施用生物炭處理的T2、T3和T4土壤容重與T1相比降低，且施用生物炭的量越大，容重降低的幅度越大。在移栽后0～60天各處理土壤容重逐漸增加，在60～75天容重降低，且所有處理土壤容重均高于移栽前。

2.2 對土壤理化性狀的影響

2.2.1 對土壤pH、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量的影響 從表2可以看出，除移栽后60天T1和T2及采收結束T2和T3的土壤pH無顯著差異外，T2、T3和T4各時期的土壤pH及有機質、堿解氮和速效鉀含量均與T1有顯著性差異，且T2、T3和T4處理間也呈顯著性差異，說明生物炭的使用能顯著改變土壤的性狀。

圖2 施用生物炭對無煙土壤容重的影響

煙株移栽后，各處理的有機質含量及pH大小依次為：T4>T3>T2>T1，說明施用生物炭能顯著提高土壤有機質含量及pH值。以移栽后45天數據為例，土壤有機質的含量（y）與生物炭的使用量（x）呈線性相關的關系：y=18.77x+14.92（R2=0.958）。

土壤堿解氮的含量在移栽后45天表現為：T1>T2>T3>T4，施用生物炭的處理T2、T3和T4的堿解氮含量比T1分別降低4.4%、14.9%和23.6%，且處理間差異顯著；在移栽后60天至采收結束則表現為T1>T3>T2>T4，處理間也達到顯著差異。施用生物炭能降低土壤堿解氮的含量，高用量影響程度更大，可能是由于施用生物炭能增加土壤C/N比而導致土壤有效氮降低。endprint

土壤速效磷含量在不同時期各處理波動較大，未體現出明顯規律。土壤速效鉀含量各個時期施用生物炭的處理比T1均有大幅度提高，且處理間差異顯著。在移栽后45～90天各處理速效鉀的含量大小表現為：T2>T3>T4>T1。

2.2.2 對土壤pH、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀動態變化的影響 從表2可以看出，在烤煙生長期內各處理的土壤pH動態變化趨勢大致相同，但也有差異。T1、T2和T3在整個生長期內土壤pH呈先變大后減小的趨勢，不同的是T1在移栽后60天達到最大值，T2和T3在移栽后90天達到峰值，T4則呈現出先升高再降低然后再升高的變化趨勢，T4的pH變化與T2、T3不同可能是由于T4生物炭的施用量較大，已經超過某一閾值，超過土壤緩沖的自我調節能力。

各處理及土壤有機質含量變化趨勢與土壤pH變化類似，T1生長期內變動幅度較小；T2、T3則表現為：增加-降低-增加-降低的趨勢，且兩處理各時期變化幅度基本相同，T4處理大體上表現為先增加再減小，變化幅度較大。土壤有機質含量一般相對穩定，土壤腐殖質碳周轉期一般為25～50年[15]，土壤腐殖質含量很難提高。英國洛桑試驗站施用廄肥150年的土壤有機碳量僅提高了1倍[1]。施用生物炭能快速提高土壤有機質含量，且保持較為穩定。

在烤煙整個生育期內，各處理土壤堿解氮的動態變化趨勢相同，在移栽后60天堿解氮含量達到最大值，60～75天迅速降低，移栽后75天至采收結束，堿解氮含量緩慢降低至最小。在煙株生長前期，由于追肥及煙株對氮素吸收的量較小，土壤堿解氮的含量增加達到峰值，隨著時間的延長，煙株生長進入旺長期，對氮素的吸收量增加，導致土壤中堿解氮含量迅速降低，進入成熟期，煙株衰老，對氮素的吸收速率及吸收量都減少，土壤中堿解氮的含量緩慢降低。

土壤速效磷的含量在烤煙生長期內的變化則不規律，各處理間差異不明顯。在烤煙的生育期內，T1處理土壤速效鉀的含量隨著煙株的生長而逐漸降低；T2和T3土壤速效鉀的含量呈先降低再升高然后再降低的趨勢，T4則表現為升高-降低-再升高的趨勢。移栽后60～75天由于煙株進入旺長期，大量吸收鉀，所有處理土壤速效鉀含量降幅最大。施用生物炭的處理在移栽后75天土壤速效鉀的含量又有所回升是由于生物炭吸附的K+釋放到土壤的緣故。

3 結論與討論

容重是土壤物理特性的一個重要指標，土壤容重降低能體現出土壤結構得到改善。本試驗結果表明施用生物炭土壤容重顯著降低，總體上，隨著生物炭的施用量增加，容重呈下降趨勢，其原因除了生物炭密度較低且具有稀釋作用外，施用生物炭還可能與導致土壤團聚性增強[16]、土壤微生物活性增加有關。Glaser等[15]研究表明，施用生物炭使土壤容重降低，意味著總孔隙度和大孔隙度增加，從而可能增大土壤水分入滲速率。土壤容重降低、結構改善對煙株根系的發育起著極大的促進作用，為生產優質煙葉打下良好的生理基礎。

土壤有機質是土壤肥力的重要指標之一，施用生物炭能提高土壤有機碳的含量水平，提高幅度與生物炭的用量及穩定性有關。雖然生物炭的化學結構不同于有機質，但是生物炭與有機質一樣可以改良土壤。土壤有機碳含量增高可提高土壤的C/N比，從而提高土壤對氮素及其他養分元素吸持量[18]，有利于通過施肥培肥土壤。

生物炭施入土壤能提高土壤pH值，且施入的量越多影響越明顯。一方面是由于生物炭一般顯堿性；另一方面是生物炭中含有很多鹽基離子，如鈣、鎂、鉀、鈉等，它們可以交換降低土壤氫離子及交換性鋁離子水平[19，20]，從而提高土壤鹽基離子的飽和度而導致土壤pH值增高。這種影響在酸性土壤上比較明顯，能顯著提高酸性土壤的pH值。

本試驗結果表明，施用生物炭能降低土壤堿解氮的含量，使土壤中氮的利用率降低，可能原因是施入生物炭后，土壤pH值提高導致土壤養分有效性降低以及土壤中C/N比提高，從而限制了土壤氮素的利用度。在有效養分低或低氮土壤[21]上容易出現低用量生物炭促進作物生長和增產，而在高用量下作物生物量及產量降低。因此在實際生產中要對土壤肥力有詳細的了解，合理確定使用生物炭的量和施肥量。

重施一次磷肥其后效可以持續10年以上[22]，目前普遍認為土壤磷素含量主要決定于磷肥的施入量，生物炭對土壤速效磷含量的影響沒有一致的結論，本試驗結果表明，生物炭對土壤有效磷含量沒有顯著影響。鉀是影響煙葉品質的重要元素，土壤中鉀的含量及供鉀能力對生產優質煙葉起著重要作用。生物炭含有一定量的K+，所以施入土壤后會增加土壤中速效鉀的含量；另一方面，生物炭還可以提高土壤鉀的淋洗量[23]，能在煙株生長后期釋放出吸附的鉀素，從而提高土壤速效鉀含量。

本試驗只是研究了在400℃條件下制備的花生殼炭在豫中潮土上對植煙土壤改良的影響，實際生產上需要綜合考慮生物炭的材料、制備條件、土壤性質、施肥條件和水分情況等諸多因素。目前許多試驗結果都來自短期試驗，存在一定的偶然性，還需要研究生物炭對土壤影響的長期效果。

參 考 文 獻：

[1] Lim Li Ching. Mitigating climate change through organic agriculture and localized food systems[EB/OL].Http：//www.organicfoodcouncil.org/files/downloads/Organic_Ag_and_Climate_Change-ISIS_report.pdf. ISIS Press Release， 2008.

[2] 邱敬，高人，楊玉盛，等.土壤黑碳的研究進展[J].亞熱帶資源與環境學報，2009，4（1）：88-94.

[3] Shrestha G， Traina S J， Swanston C W. Black carbons properties and role in the environment： A comprehensive review[J].Sustainability，2010，2：294-320.endprint