施用改良劑對皖南旱坡地土壤性狀及烤煙產量和品質的綜合效應①

潘金華，莊舜堯*，史學正，曹志洪，蔡憲杰，程 森

（1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008；2 上海煙草集團責任有限公司，上海 200082）

施用改良劑對皖南旱坡地土壤性狀及烤煙產量和品質的綜合效應①

潘金華1，莊舜堯1*，史學正1，曹志洪1，蔡憲杰2，程 森2

（1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008；2 上海煙草集團責任有限公司，上海 200082）

通過田間小區試驗研究了無機礦石類及生物炭改良劑不同組合對皖南旱坡地土壤性狀以及烤煙產量和煙葉品質的影響。結果表明：與對照相比，3種無機礦石材料（T20、G20、硅藻土）和2種生物炭（竹炭和礱糠炭）的改良劑的不同組合，可使土壤體積質量下降0.27 ～ 0.34 g/cm3，田間持水量提高11.6% ～ 55.6%，pH提高了0.45 ～ 0.93個單位；烤煙產量增加26 ～ 397 kg/hm2，烤煙煙堿與全氮含量有所下降，還原糖含量有所增加，糖堿比優化，品質進一步提升。本研究結果可以為皖南旱坡地煙區土壤改良、提高特色煙產量和品質、促進農民增產增收提供有效的指導。

土壤改良劑；生物炭；烤煙；土壤性狀；產量；質量

適宜的土壤結構改良措施能夠有效地改善土壤的理化性質和土壤中水-熱-肥的狀況，促進農作物的生長和發育，從而提高農作物的產量。國內外很多學者對不同改良劑在土壤中施用已有大量的研究。一般來說，體積質量小且持水性好的土壤更有利于土壤中營養的釋放以及土壤養分的良性循環［1］。研究表明生物炭改良劑可以有效地降低旱地土壤體積質量［1］，增加田間持水量，降低土壤板結程度，從而增加農作物的產量［1-3］。土壤改良劑不僅能夠對土壤體積質量和持水性產生直接影響，而且能夠進一步對土壤酸化產生抑制作用。Chintala等［4］發現3種生物炭施入酸性土壤后都會不同程度地增加土壤pH，并且隨著用量的增加pH呈上升的趨勢。烤煙是以煙葉的葉片產量和品質來決定其價值的，烤煙生長，特別是煙葉的質量與土壤質地的關系非常密切。若質地過于黏重，導致持水力弱且排水不暢，通氣狀態差，煙根易受漬害；質地過砂質，水分流失快且多而導致肥料易損失，從而導致煙株發育不良［5-6］。因此，通過改良不利的土壤環境對于烤煙生產有著重要影響。

我國已有較多的生物炭對植煙土壤理化特性影響和煙葉品質方面的研究報道［7-17］，但涉及皖南旱坡地的相關研究報道甚少。皖南煙區具有良好的水熱生態環境，然而植煙的旱地土壤多為板、瘠、薄、酸、旱的紅壤坡地，且極易受到春旱、夏伏旱、秋旱-降水分布不協調等自然災害的威脅。針對皖南旱坡地的烤煙生產的限制性因素，結合已有的研究結果，利用不同種類無機礦石類及生物炭改良劑的不同組合研究其對土壤結構改良及烤煙產質量的影響，以探明改良劑在皖南煙區對植煙土壤性質和煙葉質量的影響規律，期望為皖南旱坡地植煙土壤改良、協調土壤微環境、提高特色煙生產水平、促進農民收入增加和區域經濟發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地位于安徽省宣城市宣州區楊柳鎮雙樂村南沖林場，土壤樣品采集于試驗前（2013年11月），供試土壤為紅壤（鋁質濕潤淋溶土），基本性狀如表1所示。

表1 旱地田間試驗土壤基本性質Table1 Basic properties of tested soil

田間試驗中所用的土壤改良劑類型包括：強通氣性無機材料（T20）、中通氣性保水無機材料（G20）、硅藻土（SiO2）以及竹炭（ZC）和礱糠炭（LC）燒制的生物炭。供試的土壤改良劑基本性質見表2。

1.2 試驗設計與處理

設計了5個無機礦石類及生物炭不同改良劑組合 （表3所示）。在試驗中，小區規格為4.8 m × 12.5 m，所有改良劑與肥料一起條施，然后起壟，再覆膜。采用當地的常規種法，煙苗按株距45 cm、壟寬1.2 m栽種。所有處理均設置3次重復小區，煙葉品種為云煙97，試驗時間為2014年3-7月。

表2 土壤改良劑基本性質Table2 Basic properties of tested soil amendments

表3 宣城旱坡地煙草土壤功能改良劑處理Table3 Treatments of soil amendments for tobacco fields of slope upland in Xuancheng City

1.3 樣品采集與分析

土壤樣品采集與測定：每個小區均采用多點取樣均勻混合法，分別在烤煙移栽前和采摘全部結束時，采集植株周圍土壤樣品，測定土壤體積質量 （環刀法）、田間持水量 （環刀法）、pH（電位測定法，1∶2.5土水比），詳細測定方法見文獻［18］。

煙葉樣品采集與測定：按照“下部葉適時早采、中部葉成熟采收、上部葉充分成熟采收”的原則，成熟一片采收一片。分小區單獨采摘、烘烤、統計產量，煙葉分級后按處理分別稱重記錄，計算各級產量。

煙草化學指標的測定：根據煙草行業標準測定每個試驗小區煙葉的煙堿（紫外分光光度計法）、全氮（過氧化氫-硫酸消化法）、還原糖（鐵氰化鉀比色法），具體測定方法詳見文獻［19］。

1.4 數據處理

采用Microsoft Office Excel 2013 和IBM SPSS Statistics 22.0處理數據和進行統計分析，以Microsoft Office Excel 2013繪圖。

2 結果與分析

2.1 施用改良劑對旱坡地土壤性狀的影響

2.1.1 對土壤pH的影響 與對照相比（pH為4.63），施用不同土壤改良劑的pH為5.08 ～ 5.56，提高了0.45 ～ 0.93個單位（圖1），其中X1處理（50%LC +50%ZC）提高最多，達到0.93個單位。曹志洪等［5］研究發現烤煙最適宜生長在中性或微酸性（5.0 ～ 7.0）的砂質壤土或壤土質地的土壤環境中，在此pH范圍內的土壤酸度可以為烤煙根系提供最佳的水肥氣熱條件，更有利于烤煙的養分吸收和煙葉中化學成分的合成。顯然，本研究中改良劑的施用提高土壤pH是有利于烤煙的產量及質量的提升。

2.1.2 對田間持水量的影響 施加改良劑對皖南旱坡地田間持水量的影響如圖2。施用土壤改良劑使土壤的田間持水量較對照處理（293 g/kg）有了顯著提高（圖2），X1至X5處理分別提高了35.2%、11.6%、25.6%、45.4% 及55.6%。顯然，通過添加持水性好的改良劑能夠增加土壤的田間持水量，土壤水分的提高有利于提高紅壤旱坡地土壤的抗旱能力以及養分的活性及利用率，進而促進烤煙生產。同時，田間持水量增加的多少跟改良劑種類及組合有關，因此，如何合理搭配改良劑也將是一個重要研究內容。

圖2 施用改良劑對皖南旱坡地田間持水量的影響Fig. 2 Effects of soil amendments on soil water field capacities of slope uplands in South Anhui

2.1.3 對土壤體積質量的影響 由圖3可見，不同改良劑處理后土壤體積質量較CK處理（1.22 g/cm3）均有明顯下降，降低程度隨改良劑種類及組合的不同而變化。X1至X5處理后的土壤體積質量分別為0.95、0.94、0.91、0.90和0.88 g/cm3，比CK處理分別下降了22.1%、22.9%、25.4%、26.2% 和27.9%。因此，施用土壤改良劑有利于降低土壤體積質量，增加土壤的通透性，進而有利于煙根生長和品質的提升。

圖3 施用改良劑對皖南旱坡地土壤體積質量的影響Fig. 3 Effects of soil amendments on soil bulk density of slope uplands in South Anhui

2.2 施用改良劑對烤煙產量和分級的影響

本試驗中，在烤煙采烤期，煙葉共分4次采收。每次采收烘烤后，均進行了分桿烘烤與稱重，然后將多次結果累加，統計3個重復后得到煙葉產量結果（表4）。由于不同位置的煙葉農藝性狀和化學成分本身存在差異，烤干出爐后的品質也就參差不齊，為了便于統一收購及按質論價，煙葉分級是由當地技術工人按銷售時的標準進行分級，將烤煙分為上橘二、上橘三、上橘四、中橘二、中橘三、中橘四、下橘二、下橘三8個級別，其他等級的煙葉量很少，沒有再分。

表4 不同改良劑處理烤煙等級產量及所占比例Table4 Effects of various soil amendments on tobacco yield and grade

從產量的結果來看（表4），處理X3＞X2＞X1＞X5＞X4＞CK，其中處理X3、X2、X1較對照CK有顯著提高，而X4與X5處理提高不顯著。從烤煙等級看，上等煙葉的比例高低為X1＞X5＞X2＞CK＞X3＞X4，其中X1處理（50%LC +50%ZC）的上等煙比例最高，比對照CK提高了6.1個百分點，X2與X5處理提高不顯著，X3與X4處理的上等煙比例反而有所下降。可見，不同改良劑組合對烤煙的產量及分級存在不同影響。

2.3 施用改良劑對煙葉化學成分的影響

從表5結果看，不同處理烤煙的煙堿含量大小為：CK＞X1＞X4＞X2＞X3＞X5，施用改良劑后煙堿含量有所下降，其中X5處理要顯著低于其他處理。目前，國內外學者一般認為國際優質煙葉的煙堿含量應為1.5% ～ 3.5%，大于3.5%，勁頭太強；小于1%，勁頭不足［20］；通過施用改良劑處理，煙堿含量分布范圍在2.74% ～ 3.49%，符合優質煙葉煙堿含量標準。

不同處理煙葉總氮含量大小為：CK＞X2＞X1＞X4＞X3＞X5，施用改良劑處理的總氮含量與對照處理均有顯著下降。通常，優質煙葉的總氮含量為1.5% ～3.5%，但以2.5% 為最佳，且全氮/堿比越接近1越好［20］，本試驗中所有處理的煙葉總氮含量均位于合理范圍。CK處理的總氮/煙堿為0.81，而改良劑處理的比值僅為0.53 ～ 0.62。本試驗結果也表明，通過施用改良劑可以防止煙葉中的總氮含量過高，從而有利于煙葉內在品質的控制，但改良劑處理的總氮/煙堿低于對照處理。

煙葉中的還原糖含量也被認為是評價煙葉內在品質的重要指標之一，中國烤煙還原糖含量在10% ～25%，一般認為品質好的烤煙，通常含有較多的還原糖，且優質煙葉的糖堿比在8 ～ 12［21］。從還原糖結果看（表5），還原糖含量的大小為：X5＞X4＞X3＞X1＞X2＞CK。所有改良劑處理都使得煙葉的還原糖含量有所提升，同時，使得糖堿比也有所提升，其中X5處理的還原糖含量最高，糖堿比最大。

表5 不同改良劑對煙葉化學成分的影響Table5 Effects of soil amendments on chemical properties of tobacco leaves

3 討論與結論

煙草作為我國當前重要的經濟作物之一，對產量和品質都有著很高的要求，在保證產量的條件下，提高煙葉品質更為重要。皖南煙區的植煙旱坡地土壤酸度高、偏黏重、持水性能差、體積質量大、孔隙度低，易受到春旱、夏伏旱、秋旱-降水分布不協調等自然災害的威脅，阻礙煙草根系對土壤水分和養分的吸收，這些問題都嚴重影響皖南旱地煙葉產量穩定與質量提高，也是阻礙皖南地區旱地煙種植推廣的重要因素。

很多研究指出通過對土壤施用改良劑能夠有效降低土壤體積質量、增加土壤的孔隙度和持水性［22-23］，從而保證了煙草在生長發育進程中的良性循環。目前土壤改良劑種類繁多，而我國植煙土壤也是千差萬別。因此，針對不同土壤環境的改良應當選用適宜的改良劑。本試驗所選用的改良劑材料pH范圍為7.25～ 10.01，施入土壤后，土壤的pH范圍為5.08 ～ 5.56，相比較CK處理（4.63）有著明顯的提高。很多研究也都發現［24-26］，土壤中添加堿性改良劑材料和生物炭后會提高土壤pH，其中對酸性土壤的作用尤為明顯。生物炭以及無機礦石改良劑具有多孔隙、體積質量小且吸附能力強、具有較好的通氣性和持水性［27-28］。試驗結果表明改良劑材料的田間持水量遠高于土壤，施入土壤后改變了土壤的孔隙度，以及利用改良劑比表面積大的特征吸附土壤顆粒從而提高整體的持水性。土壤持水性能的增強，煙株根系可利用的水分和礦物離子也會得到增加［29］，從而有利于作物的吸收。通過對比改良劑處理與對照的體積質量，無機保水材料與生物炭加入土壤后顯著降低了土壤的體積質量，有助于植株根系的擴展和延伸，因為土壤密度的降低，造成阻力的減小，從而土壤的板結程度大大地降低［30］。施加改良劑促進了土壤性狀的逐步改善，而這些對提高煙葉的產量以及內在品質都有著重要影響。無機保水材料和生物炭作為土壤改良劑，它的施入對烤煙產量和化學成分產生了影響，改良劑處理的產量均顯著高于對照處理，增產幅度為1.13% ～16.83%。尤其以X3處理（70%T20+30%ZC）增產幅度最為顯著，表明了改良劑都有提高煙葉產量的效應，且提高的幅度與改良劑組合類型密切相關。這些結果與邢世和等［24］的結果比較接近，佐證了土壤改良劑對提高煙葉產量有著不錯的效果。改良劑通過改良土壤性狀來間接影響烤煙內部化學成分，改良劑處理的煙堿含量分布范圍為2.74% ～ 3.49%，煙葉總氮含量為1.57% ～ 2.04%，煙葉還原糖含量為25.07% ～27.38%，均屬于優質煙葉的成分范圍內，改良劑應用降低了煙葉中煙堿和氮的含量，而提高了還原糖含量。研究表明，生物炭對銨離子有很強的吸附能力，能降低煙葉對氮素的吸收，從而降低了煙葉中氮素與煙堿的合成［31］。而通過施用改良劑，土壤pH的提升及水分的增加都會對還原糖含量產生影響［32-34］，說明改良劑對烤煙內在品質的提高也是有效果的，這與趙殿峰等［35］所得的結論相近。

本研究的田間試驗結果說明，無機礦石保水材料和生物炭的添加適用于皖南紅壤旱坡地，其主要作用機制可能是這些改良劑的組合施入增加了土壤的孔隙度和表面積，進而改變了土壤水分的滲濾、吸釋特征以及土壤水分的停留時間和運動路徑的改變。同時，試驗結果證實改良劑組合可以提高土壤田間持水量、降低土壤體積質量，從深層次上減少了土壤水分的流失，提高了土壤的持水性能，使煙草生長季節的不均勻降水成為穩定的土壤供水，將有限的降水最大限度地留在土壤中。但我們也注意到，改良劑的施用“消極性”地降低了氮堿比，這可能與供試土壤有機質和全氮含量偏低（僅15.9 g/kg和1.2 g/kg，分別處于缺乏和中等水平）有關，進而需要適當增加氮用量，還需要進一步研究。另外，雖然本試驗結果證明了改良劑組合能夠改善皖南旱坡地紅壤的性狀，但水熱環境的變化對土壤中養分供應的影響以及對作物生長期的養分利用也還需要進一步的深入研究。

［1］ 劉園， Jamal Khan M， 靳海洋， 等. 秸稈生物炭對潮土作物產量和土壤性狀的影響［J］. 土壤學報， 2015， 52（4）：849-858

［2］ Xu G， Lü Y， Sun J， et al. Recent advances in biochar applications in agricultural soils： Benefits and environmental implications［J］. Clean-Soil， Air， Water， 2012，40（10）： 1 093-1 098

［3］ 吳媛媛， 楊明義， 張風寶， 等. 添加生物炭對黃綿土耕層土壤可蝕性影響［J］. 土壤學報， 2016， 53（1）： 81-92

［4］ Chintala R， Schumacher Thomas E， McDonald Louis M， et al. Phosphorus sorption and availability from biochars and soil / biochar mixtures［J］. Clean-Soil， Air， Water， 2013，41（9）： 1-9

［5］ 曹志洪. 優質烤煙生產的土壤與施肥［M］. 南京： 江蘇科學技術出版社， 1991

［6］ 郝葳， 田孝華. 優質煙區土壤物理性狀分析與研究［J］.煙草科技， 1996（5）： 34-35

［7］ 趙殿峰. 不同生物炭施用量對烤煙土壤理化性狀及烤煙生長的影響［D］. 陜西楊凌： 西北農林科技大學， 2014

［8］ 王麗淵. 生物炭對植煙土壤主要性狀及烤煙生長的影響［D］. 鄭州： 河南農業大學， 2014

［9］ 萬海濤. 烤煙發育和產量品質及植煙土壤理化性狀對生物炭的響應研究［D］. 鄭州： 河南農業大學， 2014

［10］ 宋久洋. 生物炭輸入對豫西煙區土壤保育及煙葉提質效應的研究［D］. 河南洛陽： 河南科技大學， 2014

［11］ 劉新源. 生物炭與無機有機肥料混合施用對土壤理化特性和煙葉產量品質的影響［D］. 鄭州： 河南農業大學，2014

［12］ 萬海濤， 劉國順， 田晶晶， 等. 生物炭改土對植煙土壤理化性狀動態變化的影響［J］. 山東農業科學， 2014， 46（4）：72-76

［13］ 陳敏， 杜相革. 生物炭對土壤特性及煙草產量和品質的影響［J］. 中國土壤與肥料， 2015（1）： 80-83

［14］ Zhang W， Li Z， Zhang Q， et al. Impacts of biochar and nitrogen fertilizer on spinach yield and tissue nitrate content from a pot experiment［J］. Journal of Agro-Environment Science， 2011， 10： 7

［15］ Kameyama K， Miyamoto T， Shiono T， et al. Influence of sugarcane bagasse-derived biochar application on nitrate leaching in calcaric dark red soil［J］. Journal of Environmental Quality， 2012， 41（4）： 1 131-1 137

［16］ Nelissen V， Rütting T， Huygens D， et al. Maize biochars accelerate short-term soil nitrogen dynamics in a loamy sand soil［J］. Soil Biology and Biochemistry， 2012， 55：20-27

［17］ Karhu K， Mattila T， Bergstrom I， et al. Biochar addition to agricultural soil increased CH uptake and water holding capacity-results from a short-term pilot field study［J］. Agriculture， Ecosystems and Environment， 2011， 140：309-313

［18］ 鮑士旦. 土壤農化分析［M］. 北京： 中國農業出版社，2011

［19］ 王瑞新. 煙草化學［M］. 北京： 中國農業出版社， 2003

［20］ 朱杰. 河南烤煙總氮、煙堿含量狀況及與其他品質指標的關系［D］. 鄭州： 河南農業大學， 2009

［21］ 邵惠芳， 許自成， 李東亮， 等. 烤煙還原糖含量與主要揮發性香氣物質及感官質量關系的統計學分析［J］. 中國煙草學報. 2011（2）： 8-17

［22］ Catherine K， Monica M， Luca R， et al. Reduction of cadmium availability to tobacco （Nicotiana tabacum）plants using soil amendments in low cadmiumcontaminated agricultural soils： A pot experiment［J］. Plant and Soil， 2005， 276 （1）： 69-84

［23］ Wu K， Yuan S F， Wang L L， et al. Effects of bio-organic fertilizer plus soil amendment on the control of tobacco bacterial wilt and composition of soil bacterial communities［J］. Biology and Fertility of Soils， 2014， 50（6）：961-971

［24］ 邢世和， 熊德中， 周碧青， 等. 不同土壤改良劑對土壤生化性質與烤煙產量的影響［J］. 土壤通報， 2005， 36（1）：72-75

［25］ 徐振華. 生物炭對中國北方酸化土壤的改性研究［D］. 青島： 中國海洋大學， 2012

［26］ 趙牧秋， 金凡莉， 孫照煒， 等. 制炭條件對生物炭堿性基團含量及酸性土壤改良效果的影響［J］， 水土保持學報，2014， 28（4）： 299-309

［27］ Lehmann J. Amazonian dark earths： Origin， properties，management［M］. Netherlands： Springer， 2003

［28］ Sohi S， Lopez-Capel E， Krull E， et al. Biochar， climate change and soil： A review to guide future research［J］. Csiro Land and Water Science Report， 2009， 5（9）： 17-31

［29］ 孫愛華， 華信， 朱士江. 生物炭對土壤養分及水分的影響［J］. 安徽農業科學， 2015（8）： 64-91

［30］ 張崢嶸. 生物炭改良土壤物理性質的初步研究［D］. 杭州：浙江大學， 2014

［31］ Steiner C， Teixeira W G， Lehmann J， et al. Long term effects of manure， charcoal， and mineral： Fertilization on crop production and fertility on a highly weathered central Amazonian upland soil［J］. Plant and Soil， 2007， 291：275-290

［32］ 伍賢進. 土壤水分對烤煙產量和品質的影響［J］. 農業與科技， 1998（2）： 3-13

［33］ 黃燕翔， 劉淑欣. 福建煙區土壤條件與烤煙品質的關系［J］. 福建農業大學學報， 1995， 24（2）： 201-204

［34］ 陳溫福， 張偉明， 孟軍. 農用生物炭研究進展與前景［J］.中國農業科學， 2013， 46（16）： 3 324-3 333

［35］ 趙殿峰， 徐靜， 羅璇， 等. 生物炭對土壤養分、烤煙生長以及煙葉化學成分的影響［J］. 西北農業學報， 2014（3）：85-92

Effects of Soil Amendments on Yield and Quality of Tobacco and Soil Properties of Slope Upland in South Anhui

PAN Jinhua1， ZHUANG Shunyao1*， SHI Xuezheng1， CAO Zhihong1， CAI Xianjie2， CHENG Sen2
（1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture （Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences）， Nanjing 210008， China； 2 Shanghai Tobacco Group Limited Company， Shanghai 200082， China）

A field experiment was conducted to study the effects of inorganic minerals and biochar amendments applied in various combinations on the yield and quality of flue-cured tobacco and soil properties of slope upland in South Anhui， China. The results showed that applications of various amendments prepared from 3 kinds of inorganic mineral materials （T20， G20，diatomite） and 2 kinds of biochars （bamboo and rice husk） reduced soil bulk density by 0.27-0.34 g/cm3， increased soil moisture by 11.6%-55.6% and pH by 0.45-0.93 units， and thus increased the flue-cured tobacco yield by 26-397 kg/hm2. Applications of the amendments also decreased nicotine and total nitrogen contents， increased the reducing sugar content and the ratio of sugar to nicotine， and thus improved tobacco quality. The results presented in this study can provide useful

for soil amelioration，and increases in yield and quality of tobacco growing in the soil in South Anhui.

Soil amendment； Biochar； Tobacco； Soil properties； Yield； Quality

S156.2

10.13758/j.cnki.tr.2016.05.020

滬皖現代煙草農業高科技示范園科技項目專項（CF56-ZJ1）資助。

*通訊作者（syzhuang@issas.ac.cn）

潘金華（1989—），男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事土壤氮素研究。E-mail： isscaspjh1989@163.com