炭化煙草秸稈還田對連作植煙土壤及烤煙生長發育的影響①

譚 慧，彭五星，向必坤，尹忠春，孫玉曉，施河麗

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炭化煙草秸稈還田對連作植煙土壤及烤煙生長發育的影響①

譚 慧，彭五星，向必坤，尹忠春，孫玉曉，施河麗*

(湖北省煙草公司恩施州公司，湖北恩施 445000)

為了修復連作植煙土壤，豐富生物質炭在煙草生產中的生態學效應，加快煙草廢棄物的綜合利用，選擇連作15 a、煙草青枯病發生嚴重的植煙土壤，通過大田試驗，研究了炭化煙草秸稈對連作植煙土壤理化性狀、微生物數量及烤煙生長發育的影響。結果表明，在連作植煙土壤中添加1 500 kg/hm2炭化煙草秸稈，有利于改善土壤理化性質和養分狀況，改變土壤微生物豐度，進而促進烤煙的生長，提高煙葉的產量，增加植煙的收益。

炭化煙草秸稈；連作；植煙土壤；烤煙

生物質炭是指生物有機材料(小薪柴、農作物秸稈、雜草、糞便等生物質) 在缺氧及低氧環境中通過高溫裂解后的固體產物，碳含量極高[1]。近年來生物質炭引起全球環境學家、土壤學家和農學家越來越多的關注[2]。生物質炭在農業生態系統中的應用研究逐漸增多，在消除土壤污染、改善土壤性能、提高農業系統的生產力方面表現出潛在的應用前景[3]。烤煙是我國重要的經濟作物，年產煙葉 236 萬 t，相應要產出 236 萬 t 煙桿(煙葉和煙桿的產量比為1:1)，大量煙桿被丟棄或焚燒掉，嚴重污染大氣環境[4]。常年的煙葉生產也造成了煙區土壤養分供應能力降低和土壤微生物環境惡化，致使煙葉產質量降低[5-7]。目前，炭化煙草秸稈在煙草生產中的生態效應報道較少。為此，作者在湖北恩施煙區開展了炭化煙草秸稈還田對連作植煙土壤影響的研究，旨在進一步豐富生物質炭的生態學效應，為加快農業廢棄物的綜合利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 品種及試驗地的選擇 在宣恩縣曉關鄉古路村進行，選擇連作15 a、煙草青枯病發生嚴重的黃棕壤煙田進行試驗，供試烤煙品種為云煙87。

1.1.2 炭化煙草秸稈 研究所用的炭化煙草秸稈為自制，收集自然風干后的煙草秸稈(含水量約30%)備用，將收集的煙草秸稈堆積成堆，通過厭氧燃燒制備而成。其主要性狀為：pH 10.54，有機碳含量811.2 g/kg，速效氮含量 12.0 g/kg，有效磷含量4.0 g/kg，速效鉀含量3.5 g/kg。自制的炭化煙草秸稈成本為1 000元/t。

1.2 試驗設計

試驗為單因素2水平隨機區組設計，3次重復，每小區植煙60株。處理分別為：T1：常規施肥+ 1 500 kg/hm2炭化煙草秸稈；CK：常規施肥。在施肥前將炭化煙草秸稈均勻撒施到煙田，并用旋耕機將炭化煙草秸稈與0 ~ 30 cm土層土壤進行均勻攪拌，其他主要栽培技術參照“優質烤煙栽培技術規程”執行。

1.3 取樣和分析測定

1.3.1 土壤樣品采集 分別于煙苗移栽后第30、60、90、120天采集根系土樣，按照5點取樣法采集烤煙根系周圍0 ~ 20 cm耕層土樣，測定土壤中微生物的數量。在采烤結束后采集根系土樣，按照5點取樣法采集烤煙根系周圍0 ~ 20 cm耕層土樣，測定土壤理化性質。

1.3.2 土壤理化性質測定 采集的土壤樣品自然風干后，按照常規方法進行土壤基本理化性質的測定[8]。其中含水量采用烘干法測定；容重、總孔隙度、毛管孔隙度和通氣孔隙度采用環刀法測定；pH采用酸度計法測定；有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用NaHCO3浸提-鉬酸鈧比色法測定；速效鉀采用NH4OAC浸提-火焰光度法測定；交換性Ca2+、Mg2+采用1 mol/LNH4OAC浸提-原子吸收分光光度法測定；交換性K+、Na+采用1 mol/L NH4OAC浸提-火焰光度法測定；交換性鹽基總量采用交換性Ca2+、Mg2+、 K+、Na+之和計算得出；陽離子交換量采用1 mol/L NH4OAC交換法測定；鹽基飽和度(BS)以土壤的交換性鹽基總量(EB)占土壤陽離子交換量(CEC)的百分比表示。

1.3.3 土壤微生物數量測定 土壤細菌、真菌、放線菌和青枯菌數量采用室內恒溫培養、計數的方法進行測定[9-10]。細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基，37 ℃培養2 ~ 3 d；放線菌采用高氏1 號培養基，28 ℃培養7 ~ 10 d；真菌采用PDA 培養基，28 ℃培養5 ~ 7 d。

1.4 煙株農藝性狀測定

參照YC/T 142-2010[11]分別于團棵期和成熟期測定烤煙株高、葉片數、莖圍、最大葉面積等農藝性狀。

1.5 煙草青枯病的發病情況調查

參照GB/23222-2008《煙草病蟲害分級及調查方法》[12]，采用小區普查的方式，分別在煙苗移栽后第30、60、90、120 天調查各處理青枯病發病情況，并計算各處理發病率和防治效果。

1.6 煙葉產量和產值分析

不同處理單獨采收、單獨烘烤，烤后煙葉參照GB 2635-92[13]記錄各等級產量，計算單位面積產量、產值、上中等煙比例。

1.7 數據處理

試驗數據用Excel 2003和DPS 7.05進行數據處理和統計分析。

2 結果

2.1 炭化煙草秸稈還田對連作植煙土壤物理性狀的影響

由表1可知，炭化煙草秸稈還田對植煙土壤含水量、容重和孔隙度影響較大，與CK相比，差異均達到顯著水平。說明炭化煙草秸稈還田顯著提高了土壤含水量，降低了土壤容重，增加了孔隙度，改善了連作植煙土壤的物理性狀。

注：同列數據小寫字母不同表示處理間差異達<0.05顯著水平，大寫字母不同表示處理間差異達<0.01顯著水平，下同。

2.2 炭化煙草秸稈還田對連作植煙土壤pH和養分含量的影響

如表2所示，炭化煙草秸稈還田對連作植煙土壤的pH和養分含量存在一定的影響。與CK相比，T1處理pH和養分含量有增加的趨勢，且堿解氮、有效磷和速效鉀含量呈顯著增加的趨勢。pH比CK高0.78，有機質含量較CK提高了10.54%，堿解氮含量較CK提高了35.77%，有效磷含量較CK提高了97.09%，速效鉀含量較CK提高了50.70%。總體表明，炭化煙草秸稈還田明顯降低了連作植煙土壤的酸度，增加了連作植煙土壤的有機質含量，顯著提高連作植煙土壤速效養分的含量。

2.3 炭化煙草秸稈還田對連作植煙土壤交換性能的影響

炭化煙草秸稈還田對連作植煙土壤交換性鹽基的影響主要與其含量有關。如表3所示，炭化煙草秸稈還田后，連作植煙土壤交換性鹽基含量較CK均有所增加，鹽基飽和度也有所提高。交換性鈣、鎂、鉀和鈉含量分別較CK提高了32.30%、13.95%、32.21% 和4.89%，且交換性鈣、交換性鎂含量與CK差異達到顯著水平。炭化煙草秸稈還田不僅使交換性鹽基總量增加，而且使植煙土壤的陽離子交換量也顯著提高，較CK提高了10%。

表2 炭化煙草秸稈對植煙土壤pH和養分含量的影響

表3 炭化煙草秸稈對植煙土壤交換性能的影響

2.4 炭化煙草秸稈還田對連作植煙土壤微生物區系的影響

由圖1可知，兩處理土壤中細菌數量變化趨勢相似，在旺長期(移栽后60 d)均達到高峰值。總體來看，在整個烤煙生長發育期，與CK相比，T1處理土壤中的細菌數量均有所增加。表明炭化煙草秸稈還田促進了烤煙根系土壤細菌的繁殖。

圖1 炭化煙草秸稈對烤煙根際土壤中細菌數量的影響

圖2結果表明，兩處理土壤中放線菌數量在旺長期(移栽后60 d)均達到較高值，然后急劇下降(移栽后90 d)，再緩慢上升(移栽后120 d)。在整個烤煙生長發育期，T1處理土壤中的放線菌數量較CK均有所增加。表明炭化煙草秸稈還田對土壤中放線菌生長有一定的促進作用。

圖2 炭化煙草秸稈對烤煙根系土壤中放線菌數量的影響

CK處理土壤中的真菌數量變化波動較大，T1處理土壤中的真菌數量變化不大，兩個處理均在旺長期(移栽后60 d)達到高峰值(圖3)。在整個烤煙生長發育期，T1處理土壤中的真菌數量較CK均有所降低。說明炭化煙草秸稈還田降低了土壤中的真菌數量。

圖3 炭化煙草秸稈對烤煙根系土壤中真菌數量的影響

2.5 炭化煙草秸稈還田對烤煙生長發育的影響

由表4可知，炭化煙草秸稈還田，改善了團棵期煙株的株高、葉數和最大葉面積等農藝性狀，株高和最大葉面積兩個指標與CK差異達到顯著水平。成熟期煙株的株高、葉數、最大葉面積和莖圍等農藝性狀指標比CK均高，但差異不顯著。表明炭化煙草秸稈還田能促進煙株的生長。

2.6 炭化煙草秸稈還田對煙草青枯病的防治效果

從表5、圖4可以看出，CK處理土壤中的青枯菌數量變化波動較大，在旺長期(移栽后60 d)達到高峰值；T1處理土壤中的青枯病數量變化不大。在整個烤煙生長發育期，與CK相比，T1處理顯著降低煙草青枯病的發病率，T1處理土壤中的青枯菌數量明顯低于CK。說明炭化煙草秸稈還田對防治煙草青枯病具有顯著效果。

2.7 炭化煙草秸稈還田對烤煙經濟性狀的影響

烤后煙葉的經濟性狀顯示，T1處理產量、產值、均價及上中等煙比例等指標比CK均高，且產量指標存在顯著差異(表6)。說明炭化煙草秸稈還田能取得較好的經濟效益。

3 討論

炭化煙草秸稈作為生物質炭的一種，具有生物質炭的所有特性。生物質炭的高孔隙度和大表面積，對土壤物理性質有一定影響。黃超等[14]研究表明紅壤施用由小麥秸稈制成的生物質炭，能提高土壤水穩定性團聚體數量和土壤田間持水量，降低土壤容重。炭化煙草秸稈還田，顯著提高了土壤含水量，降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，與前人的研究結果一致。

表4 炭化煙草秸稈對烤煙生長發育的影響

表5 炭化煙草秸稈對煙草青枯病的防治效果

圖4 炭化煙草秸稈對烤煙根際土壤中青枯菌數量的影響

施用生物質炭能提高土壤pH已經為不少研究所證實[15-17]。連作植煙土壤一般酸化嚴重，pH較低，因此可以用生物質炭來中和植煙土壤中的酸性物質，提高植煙土壤的pH。而炭化煙草秸稈堿性物質的存在形態及其與土壤酸度的作用機制還有待于進一步研究。生物質炭含有較多的可溶性礦物養分，施入土壤后可提高土壤中的速效養分水平。試驗結果表明，炭化煙草秸稈能夠不同程度地增加連作植煙土壤的堿解氮、有效磷和速效鉀含量。生物質炭的保肥效果來自于生物質炭對陽離子的吸附能力。Atkinson等[18]的研究認為，生物質炭施入土壤以后，其表面可能會氧化形成羰基、酚基、醌基，氧化后的生物質炭對土壤陽離子的吸附能力增強。Glaser等[19]的研究發現，加入竹炭可引起土壤交換性鹽基離子明顯增加。本試驗與前人的研究結果一致，炭化煙草秸稈還田能提高植煙土壤鹽基飽和度和陽離子交換量。

表6 炭化煙草秸稈還田對烤煙經濟性狀的影響

作物連作會造成根系分泌物和植株殘茬的積累，從而導致正常微生物群落被打破，多樣性水平降低。而生物質炭對土壤微生物的影響是復雜的、多方面的，作用機制也還不完全清楚。大多數研究表明，生物質炭的添加會增加土壤微生物量，明顯改變土壤微生物群落結構組成[20-21]。張一鳴等[22]的研究顯示，在番茄連作20年40茬土壤中施入炭化玉米芯，能提高土壤中細菌、放線菌的數量，降低真菌的數量，同時增強了對病原菌的拮抗作用。本研究發現炭化煙草秸稈還田，顯著促進了連作植煙土壤細菌和放線菌的繁殖，降低了土壤真菌數量；同時對煙草青枯病的防治具有顯著效果。煙株移栽后30 d左右，土壤中青枯病病原菌數量已經達到106cfu/g土，田間調查沒有煙草青枯病發生；一直到移栽后60 d，田間才始見煙草青枯病發生，說明病原菌侵入煙株并使其發病需要一個過程，且發病率呈逐漸增大的趨勢。移栽后120 d病原菌數量顯著降低，可能是因為生長后期的煙株所能提供的營養有限，從而使病原菌表現出衰竭，活力下降。彭懷俊等人[23]的研究結果也顯示土壤中青枯病病原菌繁殖到一定數量且生長一段時期后，田間煙株才會出現癥狀。

生物質炭對許多作物生長和產量有明顯促進作用。研究發現，生物質炭可以促進玉米[24]、水稻[25]、小麥[26]、大豆[27]等作物的生長，提高作物的產量。本研究表明炭化煙草秸稈還田，能促進煙株的生長，提高烤煙的產量和產值。生物質炭對作物生長的促進作用，主要歸因于其改善了土壤理化性質，提高了土壤養分的有效性，以及改變了土壤微生物豐度和群落結構[26]。

4 結論

在連作植煙土壤中添加1 500 kg/hm2炭化煙草秸稈，有利于改善土壤理化性質和養分狀況，增加交換性鹽基離子和陽離子交換量，改變土壤微生物豐度，進而促進了烤煙生長，提高了煙葉的產量，增加了植煙的收益。

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Influence of Carbonized Tobacco Stem on Physiochemical Properties of Continuous Tobacco-cropping Soil and Growth of Flue-cured Tobacco

TAN Hui, PENG Wuxing, XIANG Bikun, YIN Zhongchun, SUN Yuxiao, Shi Heli*

(Enshi Tobacco Company of Hubei Province, Enshi, Hubei 445000, China)

Yunyan 87 was taken as the test tobacco variety, a field experiment was conducted on a soil with15 a continuous tobacco-cropping and serious bacterial wilt in order to study the effects of carbonized tobacco stem (tobacco biochar) on soil physiochemical properties, microbial population and tobacco growth for restoring continuous cropping tobacco soil, further understanding the ecological effects of biochar on tobacco production, and accelerating the comprehensive utilization of tobacco waste. The results showed that compared with the treatment of conventional fertilization (CK), the treatment of CK+1 500 kg/hm2tobacco biochar could improve well soil physiochemical properties and nutrient status, promote soil microbial abundance, stimulate the growth of tobacco and increase the yield and earnings of tobacco.

Carbonized tobacco stem (tobacco biochar); Continuous cropping; Tobacco-planting soil; Flue-cured tobacco

中國煙草總公司科技重點項目(110201202014、110201402016)資助。

(154518720@qq.com)

譚慧(1979—)，男，湖北恩施人，專科，主要從事煙草栽培與病蟲害綜合防治研究。E-mail: 1259528761@qq.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.04.011

S158

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