生物炭對土壤碳組分及煙草生長發育的影響

王歡歡，趙園園，陳小龍，劉國順，史宏志*

1.河南農業大學煙草學院，鄭州市金水區文化路95號 450002 2.河南省生物炭工程技術研究中心，鄭州市金水區信息學院路12號 450002 3.河南中煙工業有限責任公司，鄭州市榆林南路16號 450016

近年來，我國植煙土壤存在碳氮失衡和外源碳補充不足等問題，導致植煙土壤養分有效性降低、有機質含量低、土壤質地緊實、土壤板結，同時也造成煙葉產質量下降［1］。生物炭是一種富碳材料，具有較高的比表面積、孔隙率、吸附性和穩定性［2］。施用生物炭可提高土壤有機碳含量，并通過改善土壤微生物群落結構等方式增加土壤微生物生物量碳，進而直接和間接影響土壤碳組分［2-5］。施用生物炭還可增加土壤有機質含量，改善土壤品質［6-8］。在固碳減排方面，生物炭作為土壤改良劑施入土壤，可減少廢棄物焚化而向大氣排放有害氣體，并增加植煙土壤的碳固存［6］。目前，生物炭對土壤碳和其他理化特性影響方面的研究報道較多，主要涉及土壤總有機碳含量［9-11］，或不同用量生物炭在土壤改良方面的作用。Wang等［12］研究表明，生物炭可顯著提高土壤持水能力和比表面積，使土壤陽離子交換量增加20%。Ge等［13］試驗表明，毛竹生長季節生物炭可有效降低土壤呼吸速率。李亞森等［14］研究顯示，土壤呼吸速率與生物炭用量間不存在絕對的正或負相關關系，在適宜用量范圍內生物炭可降低土壤碳排放速率和排放量，而土壤中施用生物炭超過一定閾值時反而提高土壤CO2排放速率。但Liu等［15］研究認為，生物炭對土壤CO2排放速率無顯著影響。在煙草生長發育方面，生物炭可通過改善植煙土壤品質，提高養分利用效率，進而促進煙株根系的生長發育，協調煙株地上和地下部的生長。Feng等［16］研究表明，土壤中添加生物炭可提高水稻的凈光合速率，對水稻營養期和成熟期的生長發育有顯著促進作用。但前人研究多數涉及生物炭對土壤單一碳指標或煙草某一生長發育時期的影響，而有關生物炭對植煙土壤不同碳組分以及煙株生理指標動態變化的報道較少。為此，通過大田試驗研究了不同用量條件下生物炭對植煙土壤碳庫、碳排放和煙草生長發育動態變化的影響，旨在為生物炭在煙田固碳減排、改良植煙土壤方面提供依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與設計

試驗地點設置在河南省許昌市（E：113°03′，N：33°42′），試驗區域屬于暖溫帶亞濕潤季風氣候，雨熱同期，四季分明，全年日照時數2 280 h，年平均氣溫15℃左右，年降水量700 mm左右，無霜期217 d。土壤0～20 cm土層的基本理化性狀：pH 6.5、全氮0.713 g/kg、全碳7.772 g/kg、全硫0.627 g/kg、速效氮0.098 g/kg、速效磷0.026 g/kg、速效鉀0.207 g/kg。采用Nielsen等［17］的連續流動系統炭化方式（生物質在密閉無氧狀態下炭化，通氮氣作為保護氣體，炭化后氣體經冷卻或萃取后回收），以花生殼為原料生產生物炭。熱解溫度以26℃/min的速率增加至450℃，保持30 min。生物炭的基本理化性狀：比表面積16.72 m2/g、pH 8.6、電導率2.3 s/m、總氮7.9 g/kg、總碳773 g/kg、鉀4.1 g/kg、磷2.3 g/kg、硫0.39 g/kg。供試煙草品種為中煙100。

試驗共設置5個處理，對照為T0。氮肥施用量：0.64 t/hm2，肥料配比：m（K2SO4）∶m［Ca（H2PO4）2］∶m（NH4NO3）=2∶1∶1。生物炭與氮肥配施處理：0.5 t/hm2生物炭+0.64 t/hm2氮肥（T1）、1 t/hm2生物炭+0.64 t/hm2氮肥（T2）、1.5 t/hm2生物炭+0.64 t/hm2氮肥（T3）和2 t/hm2生物炭+0.64 t/hm2氮肥（T4）。3次重復，隨機排列，每處理每次重復1個小區，共15個小區，小區面積79.1 m2。起壟前氮肥和生物炭作為基肥在移栽前10 d施入土壤，施肥方法為條施，后期不追肥。選用60 d左右苗齡的煙苗，于5月3日移栽。煙苗移栽行距120 cm，株距55 cm，起壟高度30 cm。田間管理均按當地優質煙葉生產技術規范實施。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 土壤呼吸速率的測定

使用LI-8100閉路式土壤CO2排放測定系統（LI-8100，北京力高泰科技有限公司）測定土壤呼吸速率（SSR）。在測定前24 h安裝好PVC環（直徑25 cm、高20 cm、環厚度0.5 cm），每小區放置2個PVC環，共計30個。

1.2.2 土壤有機碳的測定

采用Dumas燃燒法及全自動有機元素分析儀（Elementar-Vario-MAX-CN，北京聚光盈安科技有限公司）測定土壤總有機碳（TOC）含量（質量分數）［18］；采用氯仿熏蒸浸提法測定土壤微生物生物量碳（MBC）含量［18］；用總有機碳分析儀（Phoenix 8000，上海元析儀器有限公司）測定可溶性有機碳（DOC）含量［18］；用高錳酸鉀氧化比色法測定土壤易氧化有機碳（EOC）含量［19］。

1.2.3 煙草生理指標的測定

采用TTC法測定根系活力（RA）［20］。在煙草移栽后40、55、70、85和100 d，選擇長勢均勻的中部葉（自下而上第10片葉），在上午9：00—11：00光強大于1 500 μmol/（m2·s）時測定，每處理均測定15株，使用光合強度測定儀（HED-GH10，青島聚創嘉恒分析儀器有限公司）測定葉片光合特性指標。在移栽后40、55、70、85和100 d采集整株煙測定根、莖和葉的干物質積累量（TBIOM）。

1.3 數據處理

采用Excel 2016和Origin 2017C軟件制圖，采用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析，LSD法進行差異顯著性檢驗。

土壤CO2排放總量計算公式：

式中：TSRR為煙草生育期CO2排放總量（kg/hm2），Ri和Ri+1分別為第i次和第i+1次測定時CO2日排放量（kg/hm2），N為相鄰兩次測量間隔天數（d），Rfirst表示第1次測定當天的土壤CO2排放量。

2 結果與分析

2.1 生物炭對土壤碳排放的影響

隨著煙草生育期的推進，SRR呈現出先增加后降低的趨勢，在煙草生長發育中期（移栽后70 d）各處理的SRR最高；T1、T2和T3處理在煙草各生育期均低于T0，在移栽后70 d T1、T2和T3比T0分別降低17.07%、30.89%和28.46%。而T4處理在煙草生長發育中期和后期均高于T0，在移栽后70 d T4處理比T0提高8.79%（圖1A）。由圖1A還可看出，T1、T2和T3處理在煙草各生育期的SRR差異不顯著，而T4處理與T1、T2、T3間差異顯著，總體上T4處理高于T0，而T0高于T1、T2和T3處理。由圖1B可知，隨著生物炭施用量的增加，土壤TSRR呈增加趨勢。T4處理的土壤TSRR最高，且與其他處理間差異顯著，T4處理比T0提高5.86%，而T0高于T1、T2和T3處理，且差異顯著，T0處理分別比T1、T2和T3提高28.14%、25.25%和8.41%（圖1B）。

圖1 生物炭對土壤呼吸作用的影響Fig.1 Effects of biochar on soil respiration

2.2 生物炭對土壤有機碳動態變化的影響

2.2.1 有機碳組分

由圖2可知，隨著煙草生育期的推進，TOC呈下降趨勢；MBC和DOC呈先增加后降低的趨勢，且均在移栽后70 d達到最大值；EOC在生長發育前期變化不明顯，而在煙草生長發育后期明顯增加。不同生育期生物炭處理的土壤各碳組分均顯著高于T0。在煙草移栽后40、55、70、85和100 d，T4處理TOC分別比T0提高45.16%、36.56%、19.83%、18.27%和13.98%（圖2A），T4處理MBC分 別比T0提 高15.74%、45.22%、29.38%、29.90%和14.29%（圖2B）。在移栽后40 d隨生物炭施用量的增加DOC呈現先增加后降低的趨勢，而在移栽后55～85 d DOC隨生物炭施用量的增加而增加，至移栽后100 d隨著生物炭施用量的增加DOC變化規律不明顯（圖2C）。各生育期EOC隨生物炭施用量的增加變化規律也不明顯（圖2D）。

2.2.2 活性有機碳組分在總有機碳中的占比

圖2 不同生物炭處理土壤有機碳組分的動態變化Fig.2 Dynamic changes of soil organic carbon components under different biochar treatments

表1 生物炭對土壤活性有機碳組分在總有機碳中占比的影響①Tab.1 Effects of biochar on proportion of soil active organic carbon in total organic carbon

如表1所示，隨煙草生育期的推進，不同處理的MBC/TOC和DOC/TOC均表現出先增加后降低的趨勢，且均以T2和T3處理最高。在移栽后40、55和100 d不同生物炭處理的MBC/TOC均低于T0，且差異達到顯著水平，移栽后70和85 d各處理間差異不顯著。土壤DOC/TOC的變化規律與MBC/TOC不同，各處理DOC/TOC均高于T0，且與T0間差異達到顯著水平，而生物炭處理間差異不顯著。

2.3 生物炭對煙株生理指標的影響

2.3.1 根系活力

與T0相比，生物炭處理的土壤RA增加，且隨著生物炭施用量的增加RA總體呈現增加的趨勢。隨著生育期的推進，煙株RA先增加后降低，在移栽后70 d不同處理的RA達到最大值（圖3）。移栽后55 d不同處理RA排序依次為T3＞T4＞T1＞T2＞T0，T1、T2、T3和T4分別比T0提高38.04%、28.26%、80.43%和60.87%；移栽后70 d各處理間RA排序依次為T4＞T2＞T3＞T1＞T0，T4處理高于其他處理且與其他處理間差異達到顯著水平，T1、T2、T3和T4處理高于T0，且與T0間差異達到顯著水平，而T1和T3處理間差異不顯著，T1、T2、T3和T4處理分別比T0提高16.25%、24.85%、16.17%和40.12%；移栽后85 d，各處理間變化趨勢與移栽后70 d的相似，其中T4處理高于其他處理且差異達到顯著水平，T1、T2、T3和T4處理高于T0且差異達到顯著水平，T1、T2、T3和T4處理分別比T0提高16.67%、41.67%、25.10%和48.54%。

圖3 不同生物炭處理煙草根系活力的動態變化Fig.3 Dynamic changes of tobacco root vigor under different biochar treatments

2.3.2 光合特性

由圖4可知，生物炭處理可改善煙草葉片的光合特性。隨著煙草生育期的推進，煙草葉片凈光合速率（NPR）和氣孔導度呈現先增加后降低的趨勢，在移栽后70 d達到峰值。此時T2處理葉片NPR和氣孔導度明顯提高，分別比T0提高28.22%和53.19%。T1、T3和T4處理葉片NPR和氣孔導度均高于T0。

圖4 不同生物炭處理煙草葉片光合特性指標的動態變化Fig.4 Dynamic changes of photosynthetic characteristics of tobacco leaves under different biochar treatments

2.3.3 干物質積累量

由圖5可知，隨著煙草生育期的推進，煙草干物質積累量呈增加的趨勢。不同生物炭處理的煙草TBIOM均顯著高于T0，且在不同生育期T2和T4處理表現明顯，在移栽后55、70和85 d T4處理的TBIOM分別比T0提高73.64%、23.91%和23.27%。在煙草生育前期（移栽后55 d）T0的根冠比顯著高于生物炭處理，煙草生育中期（移栽后70 d）T2、T3和T4處理的根冠比顯著高于T0，且以T3處理最高，而移栽后85 d隨著生物炭施用量的增加根冠比呈下降趨勢。

2.4 土壤碳排放、有機碳庫與煙草生理指標的相關性

由表2可知，TOC與MBC、NPR、TBIOM呈極顯著正相關，與RA和TSRR呈顯著正相關。DOC與TBIOM和RA呈極顯著正相關，與MBC呈顯著正相關。MBC與TBIOM、RA和SRR呈極顯著正相關。TBIOM與RA呈極顯著相關，SRR與TSRR呈極顯著正相關。

圖5 不同生物炭處理煙草干物質積累量與根冠比比較Fig.5 Dry matter accumulation and root shoot ratio of tobacco plants under different biochar treatments

表2 土壤碳排放、有機碳組分與煙草生理指標的相關性①Tab.2 Correlations of tobacco physiological indexes with soil carbon emission and organic carbon components

3 討論

由土壤呼吸造成的CO2排放是農田生態系統中非常重要的環節，對土壤生態系統碳庫穩定和平衡具有重要意義［21］。中低用量的生物炭對土壤呼吸有一定的抑制作用，從而抑制土壤碳排放，而高用量的生物炭可提高土壤呼吸速率，提高土壤碳排放量。這可能是因為低用量的生物炭抑制了土壤原有有機碳的分解，而土壤CO2排放量主要來自土壤中易分解的有機碳，進而抑制了土壤CO2的排放［22］，當生物炭施用量超過一定閾值時，因為生物炭為堿性，施用生物炭可提高土壤pH，進而提高了土壤微生物多樣性和活性，導致土壤呼吸作用的增強［23］。

生物炭處理的土壤有機碳含量高于對照，這是因為生物炭在施入土壤中后可直接提高土壤中TOC含量；生物炭可改善土壤理化特性，尤其是土壤容重和團聚體結構［24］，進而促進了土壤微生物的繁殖，當土壤微生物大量繁殖后，土壤MBC含量增加。在煙草移栽后70 d土壤MBC和EOC達到最大值，可能是因為在煙草移栽后70 d（旺長期）試驗區降雨量和氣溫均最高，這些自然條件促使了土壤微生物的繁殖和代謝，土壤中MBC主要來源于土壤微生物，所以土壤MBC在這個時期最高，在煙草旺長期根系代謝旺盛［1］，煙株通過根系分泌物的方式向土壤中輸入大量有機碳，也導致土壤中DOC含量增加。

隨著生物炭用量的增加，TR也隨之增加。這是因為施用生物炭改善了土壤結構，增加了土壤滲透性和聚集性，降低了土壤容重［24］。在生物炭的影響下煙草葉片NPR提高，這與改善根系生理特性和提高葉綠素含量有關，當植物根系發育良好時，光合作用所需的礦質養分、水分可得到充足的供應，光合特性得到有效改善。煙株各項發育指標和不同有機碳組分含量呈正相關，這是因為土壤中豐富的有機碳含量可在提高植煙土壤品質的同時，有效促進煙株的生長，而健壯的煙株又可以為土壤輸送較多的有機碳（例如通過土壤分泌物的方式）［25］。因此，土壤中有機碳組分含量與煙株生長存在直接關系，而生物炭可通過增加土壤中的有機碳的方式影響煙株的生長發育。

4 結論

生物炭用量在0.5～1.5 t/hm2的范圍內可降低土壤CO2排放總量，而2 t/hm2用量的生物炭可增加土壤CO2排放總量。施用生物炭可提高土壤微生物生物量碳、可溶性有機碳和易氧化有機碳含量。施用生物炭可提高煙草根系活力，同時改善煙草葉片光合特性，增加煙草干物質積累量。土壤中有機碳含量與煙株生理指標間存在顯著或極顯著相關關系。因此，生物炭施用量為1.5 t/hm2的處理對降低土壤碳排放、提高土壤有機碳含量和促進煙株發育的效果更明顯。