秸稈生物炭對烤煙生長發育、土壤有機碳及酶活性的影響

張繼旭，張繼光，張忠鋒，王　瑞，高　林，戴衍晨，孟貴星，王樹鍵，馬　強，許　倩，申國明*

（1.中國農業科學院煙草研究所，農業部煙草生物學與加工重點實驗室，青島 266101；2.青島農業大學，青島 266109；3.湖北省煙草公司恩施州公司，湖北 恩施 445000；4.山東中煙工業有限責任公司，濟南 250014)

秸稈生物炭對烤煙生長發育、土壤有機碳及酶活性的影響

張繼旭1,2，張繼光1，張忠鋒1，王瑞3，高林1，戴衍晨1，孟貴星3，王樹鍵4，馬強4，許倩4，申國明1*

（1.中國農業科學院煙草研究所，農業部煙草生物學與加工重點實驗室，青島 266101；2.青島農業大學，青島 266109；3.湖北省煙草公司恩施州公司，湖北 恩施 445000；4.山東中煙工業有限責任公司，濟南 250014)

為探討秸稈生物炭在植煙土壤的應用效果，通過盆栽試驗研究了不同生物炭添加量對烤煙生長發育、土壤有機碳及酶活性的影響。結果表明，土壤中添加適量生物炭（0.2%～1.0%）有助于烤煙的生長發育，表現為株高、葉面積及地上部莖、葉生物量的增加，而較高的添加量（5.0%）則有抑制作用；但煙株根系發育與此不同，其根系生物量與根冠比隨生物炭添加量的增加而增加，其中以添加量5.0%時烤煙根系生物量及根冠比最高。此外，隨生物炭添加量的增加，土壤有機碳及活性有機碳含量均呈增加趨勢，但活性有機碳的增加效果沒有總有機碳明顯。土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均隨生物炭添加量的增加有不同程度提高，過氧化氫酶活性則下降或變化不大。因此，生物炭施用對烤煙生長發育及土壤生物活性具有重要影響，由于生物炭與土壤的相互作用是一個長期過程，后續還需通過長期定位試驗來系統研究其對煙草生長發育的正負效應及其內在機理。

生物炭；烤煙；生物量；有機碳；土壤酶活性

秸稈作為一種農業廢棄物資源，目前存在直接燃燒污染環境，工業應用成本較高，農業有效利用率低等問題[1]。而秸稈炭化為生物炭進入農田應用后，不但可以補充土壤有機碳，有效增加氮素固持，提高土壤肥力；而且可以改良土壤理化性狀，提高作物對養分的吸收能力，從而提高土壤生產力[2-4]。從作物生長需求來看，生物炭對土壤理化環境的改善，有助于提升土壤肥力及其生態功能，這對促進作物的生長發育具有重要意義[5]。國內外許多研究表明，施用一定量的生物炭對玉米、水稻和小麥等農作物的生長及其產量均有不同程度提升作用[6-8]。

目前在生物炭的煙田應用方面，秸稈生物炭對烤煙生長發育及土壤理化性狀影響方面已有一些報道[9-10]，但秸稈生物炭施用對烤煙生長的根冠比特性、土壤活性有機碳及酶活性等方面尚缺乏研究。本研究以湖北恩施的典型黃棕壤為研究對象，采用盆栽試驗，研究生物炭對烤煙生長發育特征、土壤有機碳及酶活性的系統影響，以期為秸稈生物炭在現代煙草農業上的應用提供理論與實踐指導。

1　材料與方法

1.1試驗材料

采用盆栽試驗，于2013年在湖北省恩施州“清江源”現代煙草農業科技園區溫室中進行。供試土壤采自當地白果鄉茅壩槽煙田的0～20 cm耕層土壤，土壤類型為黃棕壤，其基本理化性質為pH 6.9，有機質19.23 g/kg，堿解氮85.37 mg/kg，有效磷62.70 mg/kg，速效鉀318.67 mg/kg。

生物炭來源于水稻秸稈，由中國科學院南京土壤研究所制作。其理化性質為pH 9.20，總碳630 g/kg，總氮13.5 g/kg，灰分含量140 g/kg，全磷4.50 g/kg，全鉀21.5 g/kg。秸稈生物炭粉碎過2 mm篩后，將其與稱量好的土壤及肥料充分混勻裝入塑料盆，肥料施用量參照當地煙草施肥標準執行，每盆裝土15 kg，然后充分灌水使土壤沉實。

每盆移栽生長一致的健康無病煙苗1株，品種為云煙87。試驗期間每隔3～5 d進行補水，使土壤含水量保持60%的田間持水量，并定期做好病蟲草害的防控管理等工作。

1.2試驗方法

1.2.1試驗處理 該盆栽試驗根據當地實際生產中雙季稻的秸稈產量[按水稻產量為每季7500 kg/hm2計算，谷草質量比1:1]、秸稈炭化爐的轉化效率（按轉化率為30%[11]計算）以及煙田土壤改良預期，模擬設置了1個對照和3個不同生物炭添加量的處理，每個處理設置15次盆栽重復，其中各處理的生物炭添加量如下：

CK：常規對照，生物炭添加量0.0%（0 g/kg干土）

T1：生物炭添加量0.2%（2 g/kg干土）

T2：生物炭添加量1.0%（10 g/kg干土）

T3：生物炭添加量5.0%（50 g/kg干土）

1.2.2取樣及測定方法 （1）烤煙的農藝性狀調查：每個處理確定5盆煙株，移栽后在烤煙的圓頂期（移栽后90 d）觀測烤煙的主要農藝性狀指標。其中葉面積=葉片長×葉片寬×經驗校正系數，經驗校正系數按0.6345計算[12]。

（2）烤煙植株的干物質重：在烤煙圓頂期，進行煙株生物量的取樣測定，每處理取樣3盆，煙株按照根、莖、葉3個部位分別取樣，所取樣品均在105 ℃進行殺青30 min，然后在70 ℃烘干至恒重后測量干物質重。

（3）土樣的采集與測定：在烤煙成熟期，采集根區土樣，風干過篩后，用重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機碳含量[13]，易氧化態有機碳則依據Blair等[14]采用的333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測定。土壤的脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和過氧化氫活性參考關松蔭[15]的方法。

1.3數據處理

分別采用SAS 9.3和Excel軟件對所有試驗數據進行統計分析和作圖。

2　結 果

2.1秸稈生物炭對烤煙農藝性狀的影響

從烤煙圓頂期的農藝性狀（表1）可以看出，T2處理（添加量1.0%）的煙草長勢最好，T3處理（添加量5.0%）的長勢最弱，T2處理的煙草株高最高且與T3差異顯著，但與CK和T1處理（添加量0.2%）無顯著差異；各處理煙草的莖圍無顯著差異，有效葉數T3處理顯著少于CK和T1處理；3個部位的葉面積整體上以T2處理最高，其次是T1與CK處理，T3處理相對最小。

可見，土壤中添加適量生物炭（0.2%～1.0%）對烤煙長勢具有一定促進作用，特別表現在煙草株高及各部位葉面積等指標上，但隨著生物炭添加量的繼續增加，特別是較高的施用量（5.0%）反而對烤煙生長發育產生不利影響。

表1　不同用量秸稈生物炭對圓頂期烤煙農藝性狀的影響Table1　Effects of different levels of straw biochar application on agronomic traits of tobacco at the flat-topped stage

2.2秸稈生物炭對烤煙生物量及根冠比的影響

從烤煙圓頂期各部位的生物量（圖1）可以看出，烤煙根系的生物量表現為T3>T2>T1>CK，T3、T2處理相對較高且與CK差異顯著；烤煙莖的生物量表現為T1>CK>T2>T3，T1處理的莖部生物量最高且與CK差異顯著，T3處理的煙莖生物量最低，且顯著低于CK處理；烤煙葉片生物量表現為T2>T1>CK>T3，T3處理的生物量最低且與T2及 T1處理相比差異顯著?？梢?，T3處理能抑制烤煙地上部而促進地下部生物量的增加。

從圖1可以看出，秸稈生物炭各處理的根冠比均大于CK，并隨著生物炭添加量的增加而增大，其中T3處理的根冠比顯著高于CK。這主要是由于較高量生物炭添加在促進根系生長的同時抑制了烤煙地上部的發育所致。因此，施用生物炭可以調控烤煙的根冠比，同時0.2%～1.0%的生物炭添加量可促進烤煙地上及地下部的生長發育。

圖1　不同用量秸稈生物炭對烤煙生物量及根冠比的影響Fig.1 Effects of different levels of straw biochar application on biomass and root-shoot ratio of tobacco

2.3秸稈生物炭對土壤有機碳及活性有機碳的影響

從圖2可見，隨著生物炭施用量的增加，土壤有機碳及活性有機碳均呈上升趨勢，其中T3和T2處理的有機碳含量與CK處理差異顯著；而活性有機碳僅T3處理與CK差異顯著。但T3處理的活性有機碳占土壤有機碳的比例最低，僅10%左右?？梢?，不同用量的秸稈生物炭均能促進土壤有機碳及活性有機碳含量的增加，但土壤活性有機碳的增加效果沒有總有機碳明顯。

圖2　不同用量秸稈生物炭對土壤有機碳及活性有機碳的影響Fig. 2　Effects of different levels of straw biochar application on soil organic carbon and active organic carbon

2.4 秸稈生物炭對土壤酶活性的影響

從圖3可以看出，與CK相比，添加生物炭各處理的土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶的活性均有不同程度提高，其中土壤脲酶活性表現為T3>T1>T2>CK，T1、T2及T3處理與CK相比分別增加了12.91%、0.89%、119.95%，且T1、T3處理與CK相比差異顯著；土壤蔗糖酶活性表現為T3>T2>T1>CK，T1、T2、T3相比CK分別增加了67.74%、77.42%、364.52%，且T1、T2及T3各處理均與CK差異顯著；酸性磷酸酶活性表現為T1>T2>T3>CK，T1、T2、T3相比CK分別增加了42.00%、35.36%、6.63%，且T1、T2處理與CK差異顯著。秸稈生物炭對過氧化氫酶活性的影響與其他酶活性不同，表現為生物炭中低量添加時有抑制作用，而高量添加則影響不大，其酶活性表現為CK=T3>T1>T2，T1、T2處理與CK相比分別下降了52.62%及57.89%，且兩者與CK差異顯著，T3處理則與CK無顯著差異。

可見，土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均隨秸稈生物炭添加量的增加呈不同程度增加趨勢，但過氧化氫酶活性則呈下降趨勢或變化不大。

圖3　不同用量秸稈生物炭對土壤酶活性的影響Fig. 3　Effects of different levels of straw biochar application on soil enzyme activities

3　討 論

本研究表明，適宜的生物炭添加量（0.2%～1.0%）可以促進烤煙生長發育，而較高的生物炭添加量（5.0%）會抑制烤煙地上部生長，相對更促進烤煙根系生長，這可能是由于施用生物炭降低了土壤容重，提高了土壤孔隙度[16]，增加了有機質供應[17]，為根系的生長提供了良好環境和物質基礎。劉新源等[18]在許昌地區的研究發現，生物炭對烤煙生長的影響表現為前期抑制，旺長期后促進的作用。張偉明等[19]的研究表明，添加適量生物炭后水稻根系體積、鮮重、根冠比、總吸收面積、活躍吸收面積均有明顯提高，并在一定程度上延緩水稻在生長后期的根系衰老，增強了根系的生理功能。劉卉等[10]研究表明，在一定范圍內施用生物炭能夠增加烤煙的干物質積累量，促進根系的生長發育，協調地上部分與地下部分的比例，改善源庫流的關系。但也有研究結果顯示，施用生物炭降低了大田后期烤煙干物質的積累量[9]。可見，施用生物炭對烤煙等作物生長發育的影響并不一致，這可能與生物炭的來源、制備條件、施用量、土壤性質及作物種類等多種因素有關。

生物炭本身較高的碳含量和孔隙度，一方面可以直接提高土壤有機碳含量，另一方面可以為土壤微生物提供良好的分解原料和生活場所，間接提高土壤有機碳含量，同時增加土壤活性有機碳的含量。本研究結果顯示，隨著生物炭施用量的增加，土壤有機碳和活性有機碳均呈上升趨勢，但活性有機碳的增加效果沒有總有機碳明顯。由于生物炭本身含有的碳素大都為穩定性碳，所以土壤中施用大量生物炭時，雖然提高了活性有機碳的含量卻相對降低了其在有機碳中的占比。土壤活性有機碳在土壤總有機碳中所占比例雖然較小，但由于它是土壤微生物的能源及土壤養分的驅動力，能直接參與土壤生物化學過程[20]，所以在維持土壤肥力、改善土壤質量、保持土壤碳庫平衡等方面具有重要意義。許多研究表明，施用生物炭可顯著增加土壤有機碳的積累[8-10]，但長期施用生物炭可能對土壤有機碳的品質產生不利影響，減弱有機質的活性[5]。因此，生物炭添加對土壤活性有機碳的最終影響，還需要后續的長期定位研究方能確定。

土壤酶活性的變化能夠調控作物吸收養分的有效性，反映土壤微生物活性的高低，表征土壤養分轉化和運移能力的強弱[21-22]。土壤酶活性受土壤養分含量、pH、CEC、持水性及孔隙結構的影響[23]。本研究表明，秸稈生物炭不同添加量處理的土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均有不同程度提高，但中低添加量時過氧化氫酶活性有所下降，較高添加量則沒有影響。黃劍[24]的研究表明，生物炭施用對土壤轉化酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性均有顯著提高，但當生物炭施用量較高時，對土壤脲酶可能起抑制作用。周震峰等[25]研究發現，生物炭對土壤過氧化氫酶的影響表現為前期抑制后期促進。陳心想等[26]研究則認為施用生物炭在短期內對蔗糖酶和堿性磷酸酶活性無顯著影響。可見，生物炭對土壤酶活性的影響具有可變性，這些影響可能跟生物炭本身的理化性質、施用量和與目標底物之間的反應有關[23,27-28]。由于生物炭較強的吸附性能，增加了其對土壤酶作用的復雜性，一方面生物炭對反應底物的吸附有助于酶促反應的進行而促進土壤酶活性，另一方面生物炭對酶分子的吸附而保護酶促反應結合位點，從而抑制了酶促反應的進行[29-30]。

秸稈生物炭作為一種較好的土壤改良劑，合理施用可通過改善和調控耕層土壤理化性質及酶活性而對烤煙生長發育具有正面影響。同時生物炭與土壤的相互作用是一個長期的過程，其對煙草生長發育的影響也受自身特性、施用量及各種環境因素制約而具有不確定性。因此，后續要通過設置長期的生物炭煙田定位試驗，來進一步研究生物炭對煙草生長發育的正負效應及其相關機理。

4　結 論

（1）適量的秸稈生物炭添加（0.2%～1.0%）有助于烤煙生長發育，表現為株高、葉面積及地上部莖、葉生物量的增加，而較高的添加量（5.0%）反而有抑制作用。（2）生物炭能促進烤煙根系發育、調控庫源關系，其根系生物量及根冠比均隨生物炭添加量的增加而增加，并以添加量5.0%時根系生物量及根冠比最高。（3）隨生物炭添加量的增加，土壤有機碳及活性有機碳均呈增加趨勢，但活性有機碳的增加效果沒有總有機碳明顯。（4）生物炭對土壤酶活性具有重要影響，土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性隨生物炭添加量的增加有不同程度提高，但過氧化氫酶活性則下降或變化不大。

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Effects of Straw Biochar on Tobacco Growth, Soil Organic Carbon and Soil Enzyme Activities

ZHANG Jixu1,2, ZHANG Jiguang1, ZHANG Zhongfeng1, WANG Rui3, GAO Lin1, DAI Yanchen1, MENG Guixing3, WANG Shujian4, MA Qiang4, XU Qian4, SHEN Guoming1*
（1. Tobacco Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Key Laboratory of Tobacco Biology and Processing, Ministry of Agriculture, Qingdao 266101, China; 2. Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China; 3. Enshi Branch of Hubei Tobacco Company of Hubei Province, Enshi, Hubei 445000, China 4. China Tobacco Shandong Industrial Co., Ltd., Jinan 250014, China）

To investigate the effects of biochar application on tobacco field, pot experiments were conducted to study the impacts of straw biochar at different levels on tobacco growth, soil organic carbon and enzyme activities. The results showed that the growth of tobacco was promoted by biochar application in the soil at moderate levels (0.2%-1.0%). Tobacco height, tobacco leaf area, and the biomass of stem and leaves were all increased with moderate levels but inhibited by the high level (5.0%) of biochar application. Different from the aboveground organs, the growth of tobacco roots and the root/shoot ratio were both promoted with the tested levels of biochar application, with the 5.0% level of biochar treatment having the highest root biomass and root/shoot ratio. Moreover, the contents of soil organic carbon and active organic carbon both increased with the increase of biochar application, reaching the highest values in the 5.0% biochar treatment. The increase of active organic carbon was however less than that of total organic carbon. The soil urease, invertase and acid phosphatase activities all increased in different extent with the increase of biochar application, but the catalase activities were decreased or not changed. In summary, the effects of straw biochar application on tobacco growth and soil biological activities are very important, but the interaction between biochar and soil is a long-term process in tobacco field. Long-term experimental studies should be conducted to test the positive and negative effects of biochar application on tobacco growth and development and its related mechanisms.

biochar; flue-cured tobacco; biomass; organic carbon; soil enzyme activities

S572.01

1007-5119（2016）05-0016-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2016.05.004

中國煙草總公司科技重點項目“‘清江源’生態富硒特色煙葉生產關鍵技術研究與應用”（110201202014）；國家自然科學基金“不同種植模式煙草根際土壤微生物群落結構及其生物功能穩定性研究”（41201291）；中國農業科學院科技創新工程（ASTIP-TRIC06）；中國煙草總公司面上項目“土地整理后土壤養分變化與修復及烤煙變量施肥技術研究”（2013-149）

張繼旭（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向：煙草栽培生理。E-mail：zhangjixu2088@126.com。 *通信作者，E-mail：ycssgm@163.com

2015-12-16

2016-08-22