生物炭改土对植烟土壤理化性状动态变化的影响

万海涛 刘国顺　田晶晶 邢雪霞

摘 要：通过盆栽试验，研究了生物炭不同施用量对植烟土壤容重、pH值、有机质和速效养分含量及其在烤烟生长期内变化规律的影响。结果表明，每盆施用生物炭1～2 kg能显著降低土壤的容重，降幅在12%～20%，并且能提高土壤的pH值。土壤有机质含量与生物炭的施用量呈线性相关关系。施用生物炭能降低土壤碱解氮的含量，限制了土壤的氮素利用度；对土壤速效磷没有显著影响，能显著提高土壤速效钾的含量，并使土壤具备持续提供钾素的能力。

关键词：生物炭；植烟土壤；改良；土壤理化性状；动态变化

中图分类号：S156.2 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2014）04-0072-05

长期连作和连续施用化肥以及机械耕作使烟田土壤环境逐渐恶化，肥力下降，营养供应不均衡，板结严重，容重持续增加，导致烟株生长发育不良，烟田病虫害加剧，烟叶质量下降。常规的培肥方式对土壤的性状改良效果很低，尤其是土壤有机质的含量[1] 。生物炭是近年来农林、环境等诸多领域研究关注的焦点，20世纪90年代中后期以来，以热裂解生物质生产生物炭，并将其用作土壤改良剂及固碳剂的研究日益增多。国外在生物炭的性质和特征及其对土壤理化性质和微生物的作用、作物肥效及土壤固碳等方面展开了较广泛的研究，并取得许多进展[2～6]。而国内生物炭研究刚刚起步[7～9]，生物炭农用研究尚未足够重视，目前在小麦[10] 、玉米[11] 、水稻[12] 、大豆[10] 及牧草[13] 等作物上研究较多，但在生物炭的施用量和生物炭对作物产量及作物不同指标的影响结论不一致，甚至有些研究结果互相矛盾。生物炭在烟草上的研究目前还相对较少。本试验通过对植烟土壤添加不同量的生物炭，研究生物炭对烟株生长各个时期的土壤理化性质及变化规律的影响，以期为生产优质浓香型烟叶提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2012年5～10月在河南农业大学许昌校区进行，供试土壤为壤质潮土，采自许昌校区试验田0～30 cm土层，过1 cm孔径筛。土壤pH值7.48，有机质12.10 g/kg，碱解氮50.20 mg/kg，速效磷7.80 mg/kg，速效钾130.70 mg/kg。供试作物为中烟100。

本试验选用的生物炭为花生壳炭，在400℃无氧条件下裂解制成，容重为0.46 g/cm3。

1.2 试验设计及方法

盆栽试验，盆大小为（外口径×高×底径）48.3 cm×32 cm×26.5 cm，每盆装土+生物炭或土30 kg。试验设4个处理，每处理10盆，重复3次，另每个处理设置3盆无生物炭土作对照。试验处理见表1。

烤烟于5月16日移栽，每盆按6 g纯氮量施氮磷钾复合肥（N∶P2O5∶K2O=1∶1.5∶3），将70%肥料于栽前均匀基施，剩余30%在移栽后20天再次施入，增施黄腐酸钾25 g/盆，其他田间管理按常规方法进行。对照T1进行正常田间管理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 测定指标 在烤烟移栽前及移栽后30、45、60天和75天测量各个处理的土壤容重。于烤烟移栽后45、60、75、90天和烟叶采收完成后取土样测定土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾及pH值。

1.3.2 测定方法 土壤容重用环刀法；有机质采用重铬酸钾法；碱解氮用碱解扩散法；速效磷用0.5 mol/L NaHCO3法；速效钾用乙酸铵浸提，火焰光度法；pH值测定用电位法。

采用Microsoft Excel 2003和DPS分析软件对数据进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 对土壤容重动态变化的影响

土壤容重等物理性状是影响土壤肥力的重要指标。从图1可以看出，随着生物炭用量的增加土壤容重逐渐降低，植烟土壤各处理容重大小依次为：T1>T2>T3>T4，移栽前施用生物炭的处理T2、T3和T4的土壤容重比对照T1分别降低12.0%、16.8%和20.0%。在移栽后0～45天各个处理的容重逐渐增大，在45天时达到最大值；在移栽后45～75天，T1容重逐渐降低，T2、T3和T4的容重先减小后增大。在移栽后75天，T2、T3和T4的容重分别比T1低6.5%、13.8%和14.6%。低容重由于浇水，土壤逐渐沉实，容重有所增大，而高容重则因土壤本身的湿胀干缩性能，随着时间的延长及土壤水分作用而有所降低，与李潮海[14]结论相符合。

图1 施用生物炭对植烟土壤容重的影响

从图2可以看出，土壤施用生物炭处理的T2、T3和T4土壤容重与T1相比降低，且施用生物炭的量越大，容重降低的幅度越大。在移栽后0～60天各处理土壤容重逐渐增加，在60～75天容重降低，且所有处理土壤容重均高于移栽前。

2.2 对土壤理化性状的影响

2.2.1 对土壤pH、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量的影响 从表2可以看出，除移栽后60天T1和T2及采收结束T2和T3的土壤pH无显著差异外，T2、T3和T4各时期的土壤pH及有机质、碱解氮和速效钾含量均与T1有显著性差异，且T2、T3和T4处理间也呈显著性差异，说明生物炭的使用能显著改变土壤的性状。

图2 施用生物炭对无烟土壤容重的影响

烟株移栽后，各处理的有机质含量及pH大小依次为：T4>T3>T2>T1，说明施用生物炭能显著提高土壤有机质含量及pH值。以移栽后45天数据为例，土壤有机质的含量（y）与生物炭的使用量（x）呈线性相关的关系：y=18.77x+14.92（R2=0.958）。

土壤碱解氮的含量在移栽后45天表现为：T1>T2>T3>T4，施用生物炭的处理T2、T3和T4的碱解氮含量比T1分别降低4.4%、14.9%和23.6%，且处理间差异显著；在移栽后60天至采收结束则表现为T1>T3>T2>T4，处理间也达到显著差异。施用生物炭能降低土壤碱解氮的含量，高用量影响程度更大，可能是由于施用生物炭能增加土壤C/N比而导致土壤有效氮降低。endprint

土壤速效磷含量在不同时期各处理波动较大，未体现出明显规律。土壤速效钾含量各个时期施用生物炭的处理比T1均有大幅度提高，且处理间差异显著。在移栽后45～90天各处理速效钾的含量大小表现为：T2>T3>T4>T1。

2.2.2 对土壤pH、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾动态变化的影响 从表2可以看出，在烤烟生长期内各处理的土壤pH动态变化趋势大致相同，但也有差异。T1、T2和T3在整个生长期内土壤pH呈先变大后减小的趋势，不同的是T1在移栽后60天达到最大值，T2和T3在移栽后90天达到峰值，T4则呈现出先升高再降低然后再升高的变化趋势，T4的pH变化与T2、T3不同可能是由于T4生物炭的施用量较大，已经超过某一阈值，超过土壤缓冲的自我调节能力。

各处理及土壤有机质含量变化趋势与土壤pH变化类似，T1生长期内变动幅度较小；T2、T3则表现为：增加-降低-增加-降低的趋势，且两处理各时期变化幅度基本相同，T4处理大体上表现为先增加再减小，变化幅度较大。土壤有机质含量一般相对稳定，土壤腐殖质碳周转期一般为25～50年[15]，土壤腐殖质含量很难提高。英国洛桑试验站施用厩肥150年的土壤有机碳量仅提高了1倍[1]。施用生物炭能快速提高土壤有机质含量，且保持较为稳定。

在烤烟整个生育期内，各处理土壤碱解氮的动态变化趋势相同，在移栽后60天碱解氮含量达到最大值，60～75天迅速降低，移栽后75天至采收结束，碱解氮含量缓慢降低至最小。在烟株生长前期，由于追肥及烟株对氮素吸收的量较小，土壤碱解氮的含量增加达到峰值，随着时间的延长，烟株生长进入旺长期，对氮素的吸收量增加，导致土壤中碱解氮含量迅速降低，进入成熟期，烟株衰老，对氮素的吸收速率及吸收量都减少，土壤中碱解氮的含量缓慢降低。

土壤速效磷的含量在烤烟生长期内的变化则不规律，各处理间差异不明显。在烤烟的生育期内，T1处理土壤速效钾的含量随着烟株的生长而逐渐降低；T2和T3土壤速效钾的含量呈先降低再升高然后再降低的趋势，T4则表现为升高-降低-再升高的趋势。移栽后60～75天由于烟株进入旺长期，大量吸收钾，所有处理土壤速效钾含量降幅最大。施用生物炭的处理在移栽后75天土壤速效钾的含量又有所回升是由于生物炭吸附的K+释放到土壤的缘故。

3 结论与讨论

容重是土壤物理特性的一个重要指标，土壤容重降低能体现出土壤结构得到改善。本试验结果表明施用生物炭土壤容重显著降低，总体上，随着生物炭的施用量增加，容重呈下降趋势，其原因除了生物炭密度较低且具有稀释作用外，施用生物炭还可能与导致土壤团聚性增强[16]、土壤微生物活性增加有关。Glaser等[15]研究表明，施用生物炭使土壤容重降低，意味着总孔隙度和大孔隙度增加，从而可能增大土壤水分入渗速率。土壤容重降低、结构改善对烟株根系的发育起着极大的促进作用，为生产优质烟叶打下良好的生理基础。

土壤有机质是土壤肥力的重要指标之一，施用生物炭能提高土壤有机碳的含量水平，提高幅度与生物炭的用量及稳定性有关。虽然生物炭的化学结构不同于有机质，但是生物炭与有机质一样可以改良土壤。土壤有机碳含量增高可提高土壤的C/N比，从而提高土壤对氮素及其他养分元素吸持量[18]，有利于通过施肥培肥土壤。

生物炭施入土壤能提高土壤pH值，且施入的量越多影响越明显。一方面是由于生物炭一般显碱性；另一方面是生物炭中含有很多盐基离子，如钙、镁、钾、钠等，它们可以交换降低土壤氢离子及交换性铝离子水平[19，20]，从而提高土壤盐基离子的饱和度而导致土壤pH值增高。这种影响在酸性土壤上比较明显，能显著提高酸性土壤的pH值。

本试验结果表明，施用生物炭能降低土壤碱解氮的含量，使土壤中氮的利用率降低，可能原因是施入生物炭后，土壤pH值提高导致土壤养分有效性降低以及土壤中C/N比提高，从而限制了土壤氮素的利用度。在有效养分低或低氮土壤[21]上容易出现低用量生物炭促进作物生长和增产，而在高用量下作物生物量及产量降低。因此在实际生产中要对土壤肥力有详细的了解，合理确定使用生物炭的量和施肥量。

重施一次磷肥其后效可以持续10年以上[22]，目前普遍认为土壤磷素含量主要决定于磷肥的施入量，生物炭对土壤速效磷含量的影响没有一致的结论，本试验结果表明，生物炭对土壤有效磷含量没有显著影响。钾是影响烟叶品质的重要元素，土壤中钾的含量及供钾能力对生产优质烟叶起着重要作用。生物炭含有一定量的K+，所以施入土壤后会增加土壤中速效钾的含量；另一方面，生物炭还可以提高土壤钾的淋洗量[23]，能在烟株生长后期释放出吸附的钾素，从而提高土壤速效钾含量。

本试验只是研究了在400℃条件下制备的花生壳炭在豫中潮土上对植烟土壤改良的影响，实际生产上需要综合考虑生物炭的材料、制备条件、土壤性质、施肥条件和水分情况等诸多因素。目前许多试验结果都来自短期试验，存在一定的偶然性，还需要研究生物炭对土壤影响的长期效果。

参 考 文 献：

[1] Lim Li Ching. Mitigating climate change through organic agriculture and localized food systems[EB/OL].Http：//www.organicfoodcouncil.org/files/downloads/Organic_Ag_and_Climate_Change-ISIS_report.pdf. ISIS Press Release， 2008.

[2] 邱敬，高人，杨玉盛，等.土壤黑碳的研究进展[J].亚热带资源与环境学报，2009，4（1）：88-94.

[3] Shrestha G， Traina S J， Swanston C W. Black carbons properties and role in the environment： A comprehensive review[J].Sustainability，2010，2：294-320.endprint