生物質炭對植煙土壤改良及煙葉品質的影響

孫敬國，孫光偉，王昌軍，陳振國，余 君，覃光炯，饒雄飛，李進平，李建平

（湖北省煙草科學研究院，湖北武漢430030）

生物質炭對植煙土壤改良及煙葉品質的影響

孫敬國，孫光偉，王昌軍，陳振國，余 君，覃光炯，饒雄飛，李進平，李建平

（湖北省煙草科學研究院，湖北武漢430030）

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

生物質炭；土壤改良；煙葉品質

烤煙是我國重要的經濟作物之一，種植烤煙是我國邊遠山區農民的主要經濟來源之一。目前，糧煙爭地局勢嚴峻，煙草由于連作帶來的直接及間接經濟損失高達40億元，嚴重威脅到我國煙草農業生產的可持續發展[1]；加之烤煙種植生態區域逐漸壓縮，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，導致煙田土壤不斷酸化、有機質含量下降、土壤養分利用率下降、養分失調、土傳病蟲害加重、煙田有害物質逐年積累，同時，抑制土壤生物化學過程，影響煙草正常的生長發育，最終造成其產量和品質的顯著降低[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土壤固碳能力，是我國煙葉種植保持可持續發展的關鍵。

近年來，生物質炭作為一種土壤改良劑，以其獨特的物理、化學及生物學特性受到廣大科研工作者的關注[4]。生物質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，但生物質炭在煙田土壤改良和肥料調控方面的研究相對較少。

筆者對生物質炭的特性及生物質炭對土壤理化性質、養分特性的影響以及固碳機理進行了綜述，以期為生物質炭在煙田土壤改良、提高煙葉產量和提升煙葉品質等方面的應用提供理論依據。

1 生物質炭的性質及特征

隨著巴西亞馬遜河流域“黑土壤”的發現，生物質炭成為研究熱點。STEINER等[5]研究認為，這些黑土壤肥力維持了數千年是因為土壤中富含碳元素，而這些碳元素主要由長期累積的生物質炭所貢獻。一些研究也指出，黑土中的關鍵成分是木炭，也稱為生物質炭（Biochar）[6]。生物質炭主要由作物秸稈等有機物質在厭氧或缺氧條件下，經熱裂解炭化產生的高含碳量固態物質[7]，是一種含碳豐富的固體物質[8-9]。

生物質熱解產生的生物質炭是一種多功能材料，營養豐富，尤其是碳含量較多，形成了良好的孔隙結構，表面含氧官能團豐富[10]，其表面存在大量的-OH，-COOH等基團，產生的表面負電荷使生物質炭具有較高的陽離子交換量（CEC）[11]。生物質炭在熱解過程中，礦質元素如鈉、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，生物質炭表面豐富的-COO-（-COOH）和-O-（-OH）等含氧官能團在pH值較高條件下以陰離子形態存在，能夠與H+結合，從而使生物質炭堿性增加[14]。

生物質炭中含有N，P，K，Ca，Mg，Zn，Mn等營養元素，有利于提高土壤肥力[15-16]，改善土壤養分循環，從而促進植物生長[17]，而且不同原料制備的生物質炭，會對土壤產生不同的改良效果[18]。生物質炭是一種含碳的聚合物，可作為土壤穩定的有機碳源[19]，同時能夠加深土壤顏色，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 生物質炭對土壤的改良作用

在我國，煙田連作現象非常普遍，一些主產區煙田連作比例在40%～60%[21]。連作使土壤中多種有效養分的比例發生變化，引起養分失調[22]。煙草連作2 a后有機質含量下降[23]。同時，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境，而且導致作物產量和質量下降[25]。生物質炭一般呈堿性且富含多種養分元素，能夠有效調節土壤pH[26]，施入土壤后，中和土壤酸性物質，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]。

生物質炭由于其本身的孔隙結構，因此，具有較強的吸附性能，可以有效減少氮、磷流失。有研究表明，采用生物質炭和肥料配施后，能夠減少土壤的氨揮發與土壤氮素流失，來提高氮肥利用率[32]。曲晶晶等[33]研究發現，施用生物質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。郭偉等[34]3 a定位試驗研究發現，施用生物質炭處理明顯增加了土壤耕層全氮的質量分數。生物質如何提高土壤氮含量，其原因可能有：一是生物質炭中含有少量氮，二是生物質炭改善土壤通氣狀況，抑制了氮素微生物的反硝化作用，進而使得土壤中全氮儲量相對增加。ZHANG等[35]基于稻田試驗也發現，單一施用生物質炭使得N2O的排放量減少了21%～28%，而生物質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50%[38]。有研究發現[39]，生物質炭處理提高了大豆生育期陽離子交換量，高施炭量提高效應更大。生物質炭對土壤CEC的影響還與生物質炭和土壤相互作用時間有關。隨著生物質炭在土壤中作用時間的延長，其在生物或者非生物的作用下產生的如羰基、羧基等官能團，使生物炭的CEC增大，土壤的CEC也相應增大[40]。

3 生物質炭對土壤養分的影響

土壤養分是反映土壤肥力的重要指標之一，其含量高低直接影響作物的產量和品質。生物質炭本身能夠被作物利用的養分很少，但由于其具有的吸附性能，減少了雨水沖刷造成的養分流失，間接提高了土壤養分含量[41-43]。添加生物炭可以有效提高土壤中養分含量。周桂玉等[44]研究認為，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）的生物質炭，67 d后發現土壤Ca，K，Mn，P的含量明顯升高，但S，Zn的含量是降低的。

4 生物質炭的固碳作用

農田土壤有機碳礦化釋放CO2是農業溫室氣體排放的重要途徑，減少或促進土壤碳的礦化對減緩全球溫室效應具有重要意義。農業活動排放溫室氣體，一個固定碳的方法就是把含碳物質經過加熱處理使其變為穩定物質[47]。

生物質炭由于其結構特點，因此，具有更高的化學和生物學穩定性，具有更強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定存在上千年[48]。近年來，向土壤中添加生物質炭變為一種農業增匯減排的技術措施，已成為人類應對全球氣候變化的一條重要途徑[49]。研究表明，生物質炭能夠抑制土壤有機碳的分解，降低土壤CO2的排放[50]。生物質炭施入土壤中可以與土壤礦物相結合起到老化的作用，從而使生物質炭長期存留在土壤中，增加了土壤碳含量[51]。章明奎等[52]研究了生物質炭對土壤有機質活性的影響，結果表明，施用生物質炭可顯著增加土壤有機碳的氧化穩定性，促進土壤有機碳的積累。生物質炭也可以改變土壤有機碳的組分，形成更穩定的土壤有機碳，使土壤能持久的供給養分，提高土壤肥力[53]。

5 生物質炭對煙葉生長及品質的影響

煙草是我國重要的經濟作物之一，由于糧煙爭地嚴重，煙草種植存在嚴重的連作障礙等現象，造成了土壤養分失調，煙葉品質下降等問題。生物質炭可通過改良土壤理化性質來間接影響作物生長發育，然而生物質炭對作物的改良效果受生物質炭類型、施用量、土壤類型和作物種類等因素影響較大。ASAI等[54]在老撾地區的試驗表明，生物質炭的應用可提高低磷有效性地區的糧食產量，還可提高對氮或氮磷化肥的響應，但卻降低了葉片SPAD值。有研究結果表明，施用生物質炭能夠提高烤煙生育中、后期干物質積累量[55]，隨著生物質炭用量的增加，各生育時期土壤有機質含量總體均呈現增加的趨勢，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]。有研究結果顯示，施用生物質炭可有效促進土壤中堿解氮、有機質、速效磷和速效鉀含量，同時促進煙葉干物質積累量和葉片N，P，K積累量的增加，使煙葉內在化學成分更加協調，中性致香物質含量增加[57]。

6 結論與展望

生物質炭是當前國際、國內在進行土壤改良、提升養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炭原料、制備方法、施用方式等不盡相同，因此，結果相對缺乏可比性。雖然很多研究表明，生物質炭在短期內對作物生長、改善土壤養分和降低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理還有待進一步探索，生物質炭施用的長期效果也有待進一步研究。

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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項目（110201502014）；湖北省煙草公司科技項目（027Y2014-009）

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