生物炭用量对植烟土壤碳库及烤后烟叶质量的影响

叶协锋，李志鹏，于晓娜，牛瑜德，李先锋，管赛赛，宗胜杰，孟琦

1河南农业大学烟草学院，国家烟草栽培生理生化研究基地，烟草行业烟草栽培重点实验室，郑州450002；2陕西汉中市烟草公司，汉中723000

生物炭用量对植烟土壤碳库及烤后烟叶质量的影响

叶协锋1，李志鹏1，于晓娜1，牛瑜德2，李先锋2，管赛赛1，宗胜杰1，孟琦1

1河南农业大学烟草学院，国家烟草栽培生理生化研究基地，烟草行业烟草栽培重点实验室，郑州450002；2陕西汉中市烟草公司，汉中723000

以云烟97为研究对象，通过大田试验，于2013年在陕西汉中研究了花生壳生物炭不同用量对植烟土壤碳库及烤后烟叶品质的影响。结果表明：（1）添加生物炭提高了植烟土壤全碳、易氧化活性有机碳、可溶性有机碳、有机碳矿化速率、土壤碳库活度、碳库活度指数和土壤碳库管理指数。（2）添加生物炭增加了烤后烟叶中Nic、K+和Cl-的含量，其含量随着生物炭用量的增加而增加，适量添加生物炭可以改善烤后烟叶单料烟评吸质量。（3）以常规施肥配施生物炭用量600kg/hm2的处理效果最好。（4）过量的生物炭可能会对烤后烟叶品质造成负面影响，需进一步开展增施生物炭配减氮肥技术研究。

生物炭；土壤碳库；烤烟；品质

我国人口众多，耕地面积广阔但人均不足，人均耕地面积只相当于世界平均水平的33%[1]。为使作物生长满足人们需求，农田连作和大量施用化肥现象特别普遍。人们盲目追求短期效益，不重视土地的改良和养护，导致土壤板结、土壤碳库下降、养分不均衡、次生盐渍化等问题层出不穷，改良农田土壤已经是我国农业可持续发展亟待解决的问题。烟草行业面临同样严重的问题。

巴西亚马逊河流域考古者发现，具有生物炭的土壤生产力比周边没有生物炭的高得多。这一发现，使得学者们对利用生物炭改良土壤理化性质和作物品质的研究热情高涨。生物炭是动植物残体在厌氧或者绝氧条件下进行热解形成的含碳丰富的固体物质[2]。生物炭有高度羧酸酯化和芳香化的结构，有较大的孔隙度和比表面积，这些基本性质使其具备较强的吸附力、抗氧化力和抗生物分解能力。生物炭含有大量植物所需的营养元素，可以促进土壤养分的循环和植物的生长[2]；生物炭具有较强的吸附能力，可以吸附铵、硝酸盐，还可以吸附磷和其他水溶性盐离子，具有较好的保肥性能[3]。

土壤有机质表征土壤肥力的变化，其含量高低影响到土壤的物理、化学以及生物学特性，是土壤质量优劣的重要反映指标。土壤有机质中的碳即为有机碳，它的变化与烟叶产量和质量风格特色密切相关。因此，研究土壤有机碳含量的变化对烟叶生产具有重要意义。受气候条件、农业管理和土地利用不合理等因素的影响，土壤有机质和养分的贫瘠化现象相当普遍，而土壤有机碳的数量和质量在很大程度上与维持和提高土壤肥力密切相关。因此，土壤有机碳库水平已成为我国众多植烟区土壤生产力的限制性因子。鉴于此，本试验探索施用生物炭对植烟土壤碳库和烤后烟叶品质的影响，以期找出一条既能改良植烟土壤、提高烟叶品质，又能固碳减排、综合利用秸秆资源的新的技术途径。

1 材料与方法

1.1 试验设计

大田试验于2013年在陕西省汉中市南郑县进行，供试品种为云烟97，土壤为黄棕壤，5月1日移栽，株行距为50cm×120cm。试验地一供试土壤可溶性有机碳含量为63.08mg/kg，微生物量碳为182.53mg/kg，易氧化活性有机碳为1.80g/kg，矿化速率为3.62mg·C/kg·d。试验地二供试土壤可溶性有机碳含量为57.98mg/kg，微生物量碳为176.73mg/kg，易氧化活性有机碳为1.54g/kg，矿化速率为2.41mg·C/kg·d。试验地三供试土壤可溶性有机碳含量为68.07mg/kg，微生物量碳为169.26mg/kg，易氧化活性有机碳为1.74g/kg，矿化速率为 2.57mg·C/kg·d。

供试生物炭由花生壳在400℃缺氧环境下热解生成。

试验地近旁未耕作的森林土壤可溶性有机碳含量为68.99mg/kg，微生物量碳含量为389.97mg/kg，易氧化活性有机碳为4.60mg/kg,矿化速率为5.08mg·C/kg·d。

试验设置五个处理：对照CK（不施肥），T1常规施肥；T2（T1+生物炭300kg/hm2）；T3（T1+生物炭 600kg/hm2）；T4（T1+生物炭900kg/hm2）。在小南海镇选择三块常年植烟田进行试验，每个小区面积67m2。生物炭在移栽时穴施。T1～T4施纯N 105kg/hm2，N:P2O5:K2O=1:1.5:2。大田管理采用当地优质烟叶生产技术进行管理。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 土壤指标

在烟株移栽施肥前按照五点法采集耕作层（0～20cm）土壤及试验田临近的森林土壤，在烟株收获后，用土钻在各小区烟株根部以烟株为圆心15cm为半径范围内五点法采集土壤样品。采集的鲜土保存于4℃冰箱里，用于测量土壤微生物量碳等指标；另一部分土样风干后用于测量土壤全碳、有机碳、活性有机碳、可溶性有机碳、碳矿化速率等。土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法[4]；土壤有机碳含量用全自动CN元素分析仪（Vario MAX CN，德国）测定；土壤活性有机碳采用333mmol/LKMnO4氧化法；土壤非活性有机碳=土壤总有机碳-土壤活性有机碳；用Phoenix 8000 TOC分析仪（美国）测定有机碳矿化释放的C量；土壤可溶性有机碳采用水提取过滤的方法[5]。

1.2.2 土壤碳库管理指数计算方法

土壤碳库管理指数计算方法[4]：

碳库指数（CPI）=样品有机碳含量（mg/g）÷参考土壤有机碳含量（mg/g）

碳库活度（A）=活性有机碳含量（mg/g）÷非活性有机碳含量（mg/g）

碳库活度指数（AI）=样品碳库活度÷参考土壤碳库活度

碳库管理指数(CPMI)=碳库指数（CPI）×碳库活度指数（AI）×100

参考土壤为试验田附近未耕作的森林土壤。

1.2.3 烤后烟叶品质分析

试验烟叶单独编杆烘烤，选取B2F、C3F各1.0kg，采用王瑞新等[6]的方法进行常规化学成分分析。

单料烟感官质量评价由河南中烟、湖北中烟和河南农业大学评吸人员7人按照《烟叶质量风格特色感官评价方法（试用稿）》进行。各指标采用专家评吸打分值作为量化分值。具体评价香气质、香气量、透发性、细腻程度、柔和程度、圆润感、刺激性、干燥感、余味。

计算方法：标度值=（香气质+香气量+透发性+细腻程度+柔和程度+圆润感+余味）-刺激性-干燥感-10，标度值越大，品质越好。

1.2.4 烤后烟叶经济性状分析

对烤后样进行分级，各个级别单独称样、记产。依据当地烟叶收购价格计算产值。

1.2.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 22.0 进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭用量对植烟土壤的影响

土壤有机碳矿化速率是表征土壤有机碳分解速率的指标[7]。由表1可以看到，T3和T4与其他处理相比土壤碳的矿化速率得到显著性提高，T3的矿化速率最大，为24.28 mg·C /kg·d，与CK和T1、T2差异达到显著水平。

表1 生物炭用量对植烟土壤碳库的影响Tab.1 Effect of biochar amount on carbon pool in tobacco-growing soil

土壤有机碳氧化的实质是微生物通过酶催化将有机碳氧化成CO2的过程。Logninow和Lefroy等利用化学方法模拟这种生物学过程，将能够被333 mmol/L KMnO4氧化的有机碳称作易氧化有机碳（活性有机碳），不能被氧化的称为非活性有机碳（惰性有机碳）[8-9]。徐明岗等在研究土壤活性有机碳中根据活性有机碳被氧化的KMnO4的三种不同浓度(33、167、333 mmol/L)，分别称其为高活性有机碳、中活性有机碳和活性有机碳[10]。施用生物炭后各处理易氧化活性有机碳均有增加趋势，且三个试验地处理T2和T3与其他处理间存在显著性差异。

可溶性有机碳是土壤中移动较快、易分解矿化、微生物可以直接利用的有机碳[11]。从表1 可以看出，处理T3和T4的可溶性有机碳含量较CK和处理T1有增加趋势。微生物量碳是土壤中体积小于5～10 μm3的微生物活体内所含的碳[11]。微生物量碳是土壤有机碳库中最活跃和最容易变化的部分。从表1可以看到，施用生物炭后土壤微生物量碳含量比T1的含量低。土壤全碳包括无机碳和有机碳，反应的是土壤整体碳含量的水平。从表1可知，施用生物炭后有增加土壤全碳含量的趋势，尤其是处理T3和T4的全碳含量显著高于对照和处理T1。

2.2 生物炭用量对植烟土壤碳库管理指数的影响

土壤碳库管理指数(CPMI)是由Lefroy[12]等于1993年首次提出的， CPMI是土壤管理措施引起土壤有机质变化的指标，能有效的监测土壤碳的动态变化，能够反映土壤肥力和土壤质量的变化[10]。徐明岗等[10]认为CPMI是评价施肥和耕作措施对土壤质量影响的最好指标。沈宏等[13]认为运用CPMI可以及时准确地进行土壤碳库动态监测。

表2 生物炭用量对植烟土壤碳库有关指数的影响Tab.2 Effect of biochar amount on related carbon index in tobacco-growing soil

由表2看出，施用生物炭后，土壤碳库活度、碳库活度指数和碳库管理指数都优于CK和处理T1；施用生物炭的三个处理，在同一地块内，均以处理T2的土壤碳库活度、碳库活度指数和碳库管理指数最高且其与他处理差异达到显著水平。

2.3 生物炭用量对烤后烟叶化学成分及协调性的影响

一般认为优质烟的总糖含量要求达到18%～22%，还原糖16%～18%，还原糖与总糖的比值应≥0.9，Nic为1.5～3.5%，K+含量2%以上，Cl-含量l%以下[14]。

从表3可知，各处理烟叶总糖和还原糖含量略高于或者低于优质烟叶指标要求，RS/TS有随着生物炭用量的增加而增加的趋势，且均高于CK和处理T1。烟碱和总氮含量是烤烟内在质量和感官质量的主要影响因子，随着烟碱和总氮含量的提高烟叶的香气增加，但含量过高时烟叶刺激性增强[15]。钾素对烤烟的外观和内在品质均有良好影响，较高的钾含量有利于提高烟叶的品质，有利于烟制品的燃烧[16]。氯是烟草的一种必须微量元素，与烟叶的吸湿性和燃烧性有关[14,17]。本试验烤后烟叶Cl-含量整体处于优质烟叶范围但偏低。施用生物炭增加了Nic、K+和Cl-的含量，且呈现出随着生物炭用量的增加而增加的趋势。施用生物炭降低了烤后烟叶的糖碱比。

2.4 生物炭用量对烤后烟叶单料烟评吸质量的影响

表4 生物炭用量对烤后烟叶单料烟评吸质量的影响Tab.4 Effect of biochar amount on sensory quality of cured tobacco

表4是生物炭用量对烤后烟叶单料烟评吸质量的影响，标度值越高表明烟叶的综合评吸品质越好。上部叶单料烟评吸质量以处理T3最好，CK标度值最低，处理T3的香气质、香气量、透发性、细腻程度、柔和程度、圆润感和余味得分均最高。中部叶单料烟评吸质量以处理T3最好，处理T2次之，处理T4略优于CK。处理T3的香气质、香气量、圆润感和余味得分均最高，刺激性和干燥感较弱。

2.5 生物炭用量对烤烟产量产值的影响

由表5可以看出，三块试验地中，施用生物炭后，产量产值得到明显提高。并且有随着生物炭施用量的增加而增加的趋势。在烟叶结构等级中，施加生物炭后，烟叶上等烟所占比例较CK和T1处理高。并随着生物炭使用量的增加，上等烟增加趋势明显。

表5 烤后烟叶经济学性状分析Tab.5 Analysis of economic properties of cured tobacco

3 讨论

生物炭施加入土壤后，可以提高土壤有机碳矿化速率，尤其是施入量较高的处理，土壤有机碳矿化速率显著提高，同时增加了土壤易氧化活性有机碳和可溶性有机碳。生物质炭具有多孔结构，表面含有部分易分解碳源和氮源，可以为土壤微生物提供栖息场所，进而增加土壤生物多样性[18]，促进土壤有机质的矿化。陈涛等[19]对水稻土土壤有机碳的研究表明，秸秆还田和施用有机肥可以增加土壤的CO2和CH4排放量，但矿化比例与总有机碳含量并不呈线性增加关系。王志明等[20]在研究秸秆碳在淹水土壤中的转化与平衡时，观察到土壤中加入秸秆后最初几天出现正激发，以后既出现微弱的正激发，也出现负激发，这一结果被认为不仅与土壤本身性质有关，还和秸秆的组分有关，即易分解组分如热水溶性物质等产生正激发，而纤维素等组分产生负激发[21]。因此，添加生物炭后植烟土壤有机碳可能被激发而增加了有机碳的矿化速率。

土壤碳库主要是由有机碳库和无机碳库两部分组成。其中土壤有机碳以固体形态、生物形态和溶解态存在于土壤中，包括土壤动植物残体、腐殖质、微生物及各级代谢产物等含碳化合物。有机碳库在土壤总碳库中占有重要的地位，也是陆地生态系统最活跃的碳库[22]。试验添加的生物炭经过400℃无氧热解产生，生物质炭中残留碳含量、挥发有机物含量有所减少，且难分解碳物质比例较高[23]。因此，添加生物炭后植烟土壤全碳含量有明显增加，这可能与添加的生物炭中所含的碳组分有关。

碳库管理指数结合了人为影响下土壤碳库指标和土壤碳库活度两方面的内容，一方面反映了外界条件对土壤有机质数量的变化影响，另一方面反映了土壤活性有机质数量的变化，所以能够较全面和动态的反映外界条件对土壤有机质性质的影响。土壤碳库管理指数上升，表明施肥耕作对土壤有培肥作用，土壤性能向良性发展；碳库管理指数下降，则表明施肥耕作使土壤肥力下降，土壤性质向不良方向发展，其管理和施肥方式是不科学的。处理T3的碳库管理指数达到61.97，显著高于其他处理，表明常规施肥配施生物炭用量600kg/hm2能较好的改善土壤性质。添加生物炭后提高了有机碳的矿化速率，同时增加了土壤易氧化活性有机碳和可溶性有机碳含量，这为进一步提高土壤碳库管理指数奠定了基础。

生物炭通过减少水溶性营养离子的溶解迁移，避免营养元素的淋失，并在土壤中持续缓慢的加以释放，相当于营养元素的缓释载体，从而达到保肥的效果。韩光明等[24]研究表明，施加生物炭的土壤全氮含量高于未添加生物炭的处理。本试验中添加生物炭的处理，烟碱和K+含量的增加符合这一规律。但是，烟碱是烟草中的敏感物质，含量过高会影响烟叶的品质，所以生物炭使用量不是越高越好。陈永明[25]等研究表明，随着土壤施氮水平的提高，烟叶还原糖表现为下降趋势。试验中，生物炭对氮素的保肥作用，使烟叶的还原糖含量下降。处理T4的烤后烟叶烟碱含量较高、烟叶感官质量低可能是由于生物炭过量施用后提高了氮肥利用率，进而对烟叶品质产生了负面作用。

4 结论

植烟土壤施用生物炭后，表征土壤碳库质量的多数指标，如土壤全碳、易氧化活性有机碳、可溶性有机碳、有机碳矿化速率、土壤碳库活度、碳库活度指数，尤其是土壤碳库管理指数都优于不施肥和常规施肥的处理，烤后烟叶品质、产量、经济效益得到了进一步提高，以常规施肥配施生物炭用量600kg/hm2的处理效果最好。加入过多的生物炭可能会对烤后烟叶品质造成负面影响，需要进一步开展生物炭用量增加后减少氮肥用量的研究。

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Effect of biochar application rate on quality of fl ue-cured tobacco leaves and carbon pool in tobacco growing soil

YE Xiefeng1, LI Zhipeng1, YU Xiaona1, NIU Yude2, LI Xianfeng2, GUAN Saisai1, ZONG Shengjie1, MENG Qi1
1 School of Tobacco Sciences, Henan Agricultural University,National Tobacco Cultivation and Physiology and Biochemistry Research Centre,Key Laboratory for Tobacco Cultivation, Zhengzhou 450002, China；2 Shaanxi Hanzhong Municipal Tobacco Company, Hanzhong723000, China

Field experiment was carried out to study the effect of peanut-shell-biochar amount on quality of fl ue-cured tobacco leaves and carbon pool in tobacco growing soil in 2013 in Hanzhong municipality of Shaanxi province.The variety tested was Yunyan97.Results showed that: (1)Adding biochar could increase soil total carbon, readily oxidizable active organic carbon, dissolved organic carbon,organic carbon mineralization rate, soil carbon activity, soil carbon activity index and soil carbon pool management index.(2)Adding biochar could increase Nic, K+and Cl- content of cured leaves and their contents increased with the increase of biochar amount.Adding appropriate amount of biochar could improve sensory quality of cured-leaves.(3) Conventional fertilization with biochar amount of 600kg/hm2rendered the best effect.(4)Excess amount of biochar could cause negative in fl uence on fl ue-cured tobacco leaves and further research about increasing application of biochar with reduced nitrogen fertilizer technology need to be carried out.

biochar; soil carbon pool; fl ue-cured tobacco; quality

叶协锋，李志鹏，于晓娜,等.生物炭用量对植烟土壤碳库及烤后烟叶质量的影响[J].中国烟草学报，2015,21（5）

烟草行业烟草栽培重点实验室资助项目“植烟土壤肥力培育及提高肥料利用率技术研究”（中烟办[2014]334号）；陕西省烟草公司资助项目“汉中烟区土壤改良关键技术研究与应用”（KJ201304）

叶协锋(1979—)，博士，副教授，硕士研究生导师，主要从事烟草栽培生理和土壤改良研究。E-mail：yexiefeng@163.com

2014-12-10

:YE Xiefeng, LI Zhipeng, YU Xiaona, et al.Effect of biochar application rate on quality of fl ue-cured tobacco leaves and carbon pool in tobacco growing soil [J].Acta Tabacaria Sinica, 2015, 21(5)