施用稻壳生物炭对土壤养分及烤烟生长的影响

陈 山，龙世平*，崔新卫，鲁耀雄，单雪华，周孚美，向鹏华，郭 维

（1湖南省农科院农业生物资源利用研究所，长沙410125；2湖南农业大学资源环境学院，长沙410128；3衡阳市烟草公司，湖南衡阳421000）



施用稻壳生物炭对土壤养分及烤烟生长的影响

陈 山1，龙世平1*，崔新卫2，鲁耀雄1，单雪华3，周孚美3，向鹏华3，郭 维3

（1湖南省农科院农业生物资源利用研究所，长沙410125；2湖南农业大学资源环境学院，长沙410128；3衡阳市烟草公司，湖南衡阳421000）

摘 要：采用田间试验，施入不同量的稻壳生物炭，分析植烟土壤pH、理化性质及烤烟农艺性状与经济性状，探讨生物炭对植烟土壤理化性质和烤烟生长性状的影响。结果表明：梯度施入稻壳生物炭提升了酸性土壤pH值、促进土壤有机碳以及全N的积累，随着生物炭用量的加大，土壤pH值、有机质含量均有逐步升高的趋势，土壤碱解N与速效K释放速率也得到提高；施入稻壳生物炭能增加烤烟有效叶片数，以9000、12 000 kg／hm2处理烤烟叶片数最多，分别达到18.0、17.9片／株，显著多于未施的对照；上等烟比例以9000 kg／hm2处理最高为49.35%，与对照存在显著差异。

关键词：植烟土壤；生物炭；烤烟；土壤改良

近年来，生物炭已成为农林、环境及能源等诸多相关研究领域关注热点，其具有极高的稳定特性，能有效的提高土壤保水保肥能力，改善土壤理化结构，促进土壤水稳性团聚体的聚合［1～3］。农业科研工作者根据生物炭的性质和特征及其对土壤理化性质、微生物活性、作物肥效和土壤固碳等诸多方面的影响，开展了较广泛的研究［4～13］。在我国，生物炭研究刚刚起步，因此投入生物炭农用研究，尤其是生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释剂的利用研究十分迫切。

我国是世界最大的水稻生产国。据统计，目前的稻谷年产量已经超过1.8×108t在稻米加工的过程中，每吨稻谷的稻壳产生量约占1／5。这些稻壳由于其总量大、自然堆积密度小（约为120 kg／m3），运输极为困难，给集中资源化处理带来了极大的不便。而另一方面，大部分的稻米加工企业直接将稻壳当做废弃物丢弃，造成环境污染和资源的浪费［14，15］。稻壳是大米生产过程中的副产品，具有来源广泛、产量巨大、价格低廉、持续可再生等特点。因此，探讨稻壳的资源化利用具有一定的现实意义。

已有研究表明，以稻壳为原材料制备的生物炭拥有特殊的孔隙结构，施用生物炭一方面可降低土壤容重，促进土壤团聚体的形成，有效改善土壤结构，另一方面可为土壤微生物提供良好栖息环境，能提高土壤中原生微生物的繁殖速率及生物活性［16］。施用生物炭可显著影响土壤微生物群落的分布特征，特别是对细菌、真菌的影响尤为显著［17］，生物炭施用后土壤中微生物群落增加，其孔隙中吸附有微生物所需的养分及水分，有利于土壤中原生微生物快速生长繁殖，进而使土壤微生物量碳、氮含量升高［18］，土壤微生态系统中生物量大幅提高，因而有利于抑制作物土传病害的爆发。同时其表面依附着大量的有机官能团（-COOH以及-OH等）［19］，施入土壤后，它可能会对土壤以及土壤水溶液中的无机盐离子以及一些重金属离子（如Cu2＋、Zn2＋、Pb2＋、Hg2＋等）具有良好的吸附作用，从而固化或降低有害离子活性。本研究拟在烟田施用不同剂量的稻壳生物炭后开展定位监测，分析烟田土壤理化性状，探讨烟田养分供给平衡关系，以期达到稻壳废弃物资源化利用，保持烟田土壤生态系统健康，实现烟草农业生产可持续的理想模式提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试烤烟品种K326，由衡阳市烟草公司耒阳分公司提供。温室播种，育苗，于5～6片真叶期移栽。

供试土壤基本理化性质：pH4.12、有机质含量40.17 g／kg、全氮含量2.01 g／kg、全磷含量0.58 g／kg、全钾含量9.39 g／kg。

供试稻壳生物炭购自湖南正恒农业科技发展有限公司。原料采用益阳地区稻壳，通过箱式气氛炉，升温至500℃，高温裂解4 h，然后充入氮气冷却，得到表观呈黑色的稻壳基生物炭。其微观形貌为分散蜂窝状微孔结构，稻壳的外观形态基本不可见，呈分散小团粒结构；稻壳生物炭含炭量为83%，并含有11.7%的硅，主要由C、O、H、Si组成，表面有较多羟基、羧基和羰基等官能团；稻壳生物炭比表面积达到184.42 m2／g；稻壳生物炭理化性质：pH9.6，全氮5.48 g／kg，全磷1.02 g／kg，全钾9.98 g／kg。

1.2 试验处理

试验共设5个处理：CK.常规施肥不添加生物炭为对照；T1.常规施肥＋稻壳生物炭3000 kg／hm2；T2.常规施肥＋稻壳生物炭6000 kg／hm2；T3.常规施肥＋稻壳生物炭9000 kg／hm2；T4.常规施肥＋稻壳生物炭12 000 kg／hm2。3次重复，随机区组排列，共计15个小区，小区面积81 m2，试验区设1.2～2.4 m保护区。每小区移栽150株烟苗，移栽密度为0.45 m×1.2 m，折合18 450株／hm2。

试验区常规施肥标准：烟草专用基肥900 kg／hm2（N-P2O5-K2O＝8-9-10）、专用追肥375 kg／hm2（N-K2O＝10-32）、硝酸钾225 kg／hm2（N -K2O＝13.5-44.5）、硫酸钾375 kg／hm2（K2O∶50%）、钙镁磷肥600 kg／hm2（P2O5∶12%）、提苗肥75 kg／hm2（N-P2O5＝20-9），纯N、P2O5、K2O分别为165、165、462 kg／hm2。

生物炭采用穴施方式，即在移栽前7 d，将稻壳生物炭撒在移栽穴中，耙动移栽穴中土壤，使其与土壤充分混合。试验各处理农艺措施一致。

试验地点选在耒阳市洲陂乡常年烟稻轮作区（26°40′39″N，112°59′54″E），试验时间为2014年2 月28日至2014年7月14日。

1.3 调查及取样

烟草生长期每7～10 d监测烟草生长状况，分别于烟草移栽前及收获后在每个小区采用“S”布点法取土样，用于土壤理化性质分析。

1.4 分析指标及方法

烟叶农艺性状观察记载：参考YC／T142-1998（烟草农艺性状调查方法）测定烟苗植物学性状、生育期变化、株高、有效叶片数、（上中下三部位）最大叶叶长、宽、最大叶面积、单叶重。

土壤农化性状分析指标：土壤pH、有机质含量、碱解氮、有效磷、速效钾、缓效钾、阳离子交换量。以上指标均采用土壤农化分析标准检测方法。

1.5 烟叶质量评价与经济学性状分析

烟叶经济学性状分析：烟叶产量、上等烟比例、产值。

烟叶质量评价：烟叶主要内在化学成分含量、烟叶外观品质、评吸质量。参考GB2635-92（42级烟叶分级国家标准品质因素表）。

1.6 数据统计

数据采用Excel 2003软件处理，并用SAS 9.1.3统计软件分析数据，对试验结果用邓肯氏新复极差多重比较法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 稻壳生物炭对土壤理化性质及肥力的影响

土壤的酸碱度影响着土壤养分的有效化，对作物的生长发育也有较大的影响。烟株适宜生长的土壤pH值为5.5～6.5［20］，而供试土壤原始pH值为4.12，相对烟草生产适宜pH稍微偏酸。由表1可以看出，施用稻壳生物炭后植烟土壤的pH值均有不同程度的上升，T1、T2、T3、T4处理土壤pH值较CK分别提高1.86%、5.80%、3.48%、5.10%，这说明施用稻壳生物炭可以提高植烟土壤的pH值。但是当稻壳生物炭用量达到一定限度后，表现出植烟土壤pH值增加趋于缓和。

表1 各处理烤烟收获后土壤pH及主要养分含量

有机质是评价植烟土壤肥力的重要参考指标。生物炭是比较稳定的芳香环结构碳，虽然分子化学结构与有机质或腐殖质不同，但施入植烟土壤后也可提高土壤有机质含量［24］，达到提高植烟土壤肥力的作用。由表1可知，在烟草生长周期结束后，生物炭的添加使得各处理的土壤有机质含量均显著高于未添加生物炭的土壤，T1、T2、T3、T4处理土壤有机质含量较CK分别提高7.48%、11.41%、8.56%、11.92%。这表明施用稻壳生物炭有利于植烟土壤有机质的积累和形成，对提高土壤肥力水平，稳定土壤有机碳库有积极作用。同时，随生物炭施用剂量的加大，土壤有机质含量增加趋于缓和。

如表1所示，施用生物炭处理土壤全N含量有一定的增加，相对于CK增加效果显著，但各生物炭处理间无差异。生物炭处理碱解氮均显著高于CK，T1、T2、T3、T4处理分别比CK提高了18.24%、14.57%、21.91%、17.42%。较高施炭量为植烟土壤碱解氮的提高起到了促进作用。土壤碱解氮的提高，可为作物生长提供更多的可利用N源，有利于促进作物生长发育，对产量提高有较好的促进作用。各生物炭处理对植烟土壤全P、有效P影响较小，除T2处理相较于CK降低外，其余处理与CK均无明显差异。生物炭处理对土壤全K影响不显著，但对速效K有显著的增加作用，随着生物炭用量的增加，植烟土壤速效K含量迅速升高。T1、T2、T3、T4处理中，土壤速效K含量分别比CK提高了2.58%、8.87%、26.61%、36.29%。这可能与生物炭独特的物理性状有关。稻壳生物炭的多孔结构，为微生物的生长与发挥作用提供了比较好的环境，微生物活性增加，活化养分的能力增强。使用生物炭能提高土壤中速效K的含量，而由于烟草的喜K特性，高水平的速效K含量对生产优质烟叶具有积极作用。

2.2 稻壳生物炭对烤烟生长发育的影响

2.2.1 烤烟发育进程

从表2可以看出，旺长期之前各处理对烤烟生长影响不大；从5月7日开始，施用生物炭对株高、总叶片数的影响逐步凸显，在烟草生长后期以T4处理的株高（105.7 cm）、叶片数（25.1叶）为最高，并表现出随生物质炭施用量增大而增加的趋势。这种相关性可能与生物炭吸附有机质、氮、磷及矿物离子的性能有关，烤烟进入中后期后，土壤微生物活性增强，生物炭所吸附的养分得到释放［27］。王丽渊等［29］也指出，生物质炭施入土壤初期并未融入土壤生态系统，其对作物发挥积极作用应该是在施入土壤一段时间之后。

表2 各处理的烤烟发育进程

2.2.2 烤烟生育期

从表3可以看出，施用生物炭各处理烤烟生育期为117～118 d，相比CK处理延长了1～2 d。生物炭处理对烟草前期生长以及中心花开放期的影响并不明显，但后期对顶叶的生长具有较为明显的促进作用，其主要原因可能是施用生物炭对养分的吸附特性，对烤烟后期生长吸收养分有促进作用，致使顶部烟叶延迟成熟。

表3 各处理的烤烟生育期

2.3 稻壳生物炭对烤烟农艺性状及经济效益的影响

2.3.1 烤烟农艺性状

5月28日烤烟打顶后，各小区定点10株进行考察，结果表明，生物炭不同施用量对大田烤烟农艺性状有一定影响（表4）。烤烟有效叶片（不计脚叶）以T3、T4处理最多，分别达到18.0和17.9片，表现出随着生物炭施用量增加，有效叶片数增加的趋势。经方差分析，T3处理与CK存在极显著差异，T1、T2、T4处理与CK均存在显著差异，说明施用生物炭对烤烟有效叶有促进作用。上部烟最大叶叶面积，以T2处理最高为758.65 cm2，CK处理最少为683.29 cm2。经方差分析，T2处理与CK存在极显著差异，T4处理与CK存在显著差异。施用生物炭各处理上部叶面积均大于对照，说明施用生物炭对烤烟上部烟叶生长有促进效果。中部烟最大叶叶面积，以T4处理最大为1245.17 cm2，CK最小为1153.71 cm2。经方差分析T4处理与CK存在显著差异，其他处理间无差异。下部烟叶最大叶叶面积，以T4处理最大为1319.44 cm2，但各处理间无显著差异。叶节距以CK最长，T3处理最短，说明施用生物炭对促进烤烟茎秆粗壮，缩短节间距有一定作用。

表4 各处理的烤烟农艺性状比较

2.3.2 烟叶经济性状

从表5可以看出，施用生物炭各处理有效叶片数比CK多0.1～0.4片；单株干重以T2处理最重为137.74 g，各处理间无显著差异；下部叶单叶重以T4处理最重为6.89 g，各处理间存在显著差异；中部叶单叶重以T4处理最重，上部叶单叶重以处理T2最重，但经方差分析，中、上部叶单叶重各处理间无显著差异，说明施用生物炭对烤烟中、上部烟单叶重影响不大。

表5 各处理烟叶经济性状比较

2.3.3 烟叶产质量

对各处理烟叶产质量以及效益进行综合分析表明：烟叶实际产量和产值均以T4处理最高，分别为2100 kg／hm2和47 988元／hm2，相比CK增产36 kg／hm2，增收1045元／hm2，但方差分析表明，各生物炭处理与CK的烟叶实际产量、产值均无显著差异；施用生物炭各处理中、上等烟比例为96.96%～ 97.05%，比对照提高0.67～0.76个百分点，但各处理间差异不显著；各生物炭处理上等烟比例以T3处理最高为49.35%，相比CK提高0.51%，与T1、CK存在显著差异（表6）。这说明施用生物炭能有效提高上等烟叶产量，增加上等烟叶比例，且随着生物炭用量增加上等烟比例有逐渐升高的趋势，但达到一定限度后不再升高。

表6 各处理烟叶产质量及效益分析

3 讨论

本研究表明，稻壳生物炭能有效改良酸化的植烟土壤pH，其原因可能是稻壳生物炭呈碱性，能有效中和酸性土壤中H＋离子而提高土壤pH值，具有较大石灰当量值，因而施用生物炭能有效改善酸性土壤pH值［22］。大量研究也表明，施用生物炭能有效改良酸度较高土壤的pH［12，18，21］。

本研究中施用稻壳生物炭有利于植烟土壤有机质的积累和形成。尹云锋等［23］研究指出，添加生物炭处理对大团聚体有机质的影响与CK相比并不显著，但却显著提高微团聚体和中团聚体中有机质的含量。有研究表明，当相关材料经处理转变为生物炭后，其芳基碳以及羧基碳的含量显著增加，化学结构更趋于稳定，可延缓肥料养分在土壤中的分解和释放速率，提高作物的利用率［24］。

本研究表明，稻壳生物炭的施用促进了土壤速效养分N、K的释放，这与张晗芝等［25］研究结果类似，生物炭施用量与土壤N、有机质含量等指标具有显著的正相关，能有效促进土壤N的积累速率。黄超等也发现，生物炭施用增加了土壤有效磷、速效钾和有效氮［26］。其原因可能是生物炭表面有较多羟基、羧基和羰基等官能团，这些官能团的存在使得生物炭具有较强的吸附性能和CEC交换量，施用生物炭提高了土壤的碱基饱和度，降低了可交换铝浓度，同时增加了土壤中植物可吸收利用元素的速效性，如碱解N、有效P、速效K以及交换性离子的含量均有所提升［27，28］。

本研究中施用稻壳生物炭对烟株高、总叶片数均有影响，对烤烟有效叶片数以及上部烟叶的生长有显著促进效果。其原因可能是生物炭的后发作用，有效促进了烤烟后期烟叶的生长［29］，而对前期中下部烟叶的生长影响不大。赵殿峰等［30］研究也指出，适宜范围内施用生物炭具有明显的后发作用，能显著促进烤烟后期生长。陈敏等［31］研究也有类似的结论，施用不同量生物炭对中上等烟比例具有明显的提升。

4 结论

稻壳生物炭施入后能有效的改善植烟土壤理化性质，随着生物炭用量的增加，植烟土壤pH值、有机质含量均表现出随之增高，当生物炭用量达到6000 kg／hm2后，植烟土壤pH值与有机质含量增高趋于平缓。

稻壳生物炭施入后植烟土壤全N、碱解氮含量增加效果明显，均显著高于CK，但生物炭各处理之间无差异；各生物炭处理对植烟土壤全P、有效P影响较小，除6000 kg／hm2处理相较于CK降低外，其余处理与CK均无明显差异；生物炭处理对土壤全K影响不显著，但对速效K有显著的增加作用，并表现出随着生物炭用量的增加，土壤速效K含量迅速升高，其中以12 000 kg／hm2处理最为显著，较对照处理高出36.29%。施用稻壳生物炭对烟株高、总叶片数均有影响，表现出随生物炭施用量增大，烟株株高和总叶片数增加的趋势；生物炭处理能有效提高上等烟叶比例，其中以9000 kg／hm2处理上等烟叶所占比例最高；施用生物炭后烟田实际产量、产值略有增高，但效果并不明显，还需进一步的试验观察。

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Affect of Rice Husk Biochar to Soil Nutrient and Tobacco Growth

CHEN Shan1，LONG Shiping1*，CUI Xinwei2，LU Yaoxiong1，SHAN Xuehua3，ZHOU Fumei3，XIANG Penghua3，GUO Wei3
（1 Institute of Agricultural and Biological Resources Utilization，Hunan Academy of Agricultural Sciences，Changsha，Hunan 410125，China；2 College of Resources and Environment，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；3 Hengyang Tobacco Company，Hengyang，Hunan 421000，China）

Abstract：To explore the effects of rice husk biochar on soil properties and plant growth in tobacco field，a field experiment was conducted to investigate the physical and chemical properties of soil，agronomic traits and economic characters of tobacco under gradient applied rice husk biochar in tobacco field.The results showed that：Gradient applied rice husk biochar increased pH of acidic soil，Promoted soil organic carbon and total N accumulation gradually，Improved the releasing of alkaline hydrolysis N and available K.In addition，applied rice husk biochar promoted the number of productive tobacco leaves under different degree，the productive leaves number reached 18.0／hill and 17.9／hill under treatments of 9000 and 12000 kg／hm2rice husk biochar respectively，which significant higher than CK.The ratio of first-class tobacco leaves reached 49.35%when 9000 kg／hm2rice husk biochar applied，which is significantly higher than that of CK.

Keywords：tobacco field；husk biochar；flue-cured tobacco；soil improvement

基金项目：湖南省烟草专卖局科技项目（14-16ZDAa01）。

作者简介：陈 山（1985-），男，硕士，助理研究员，主要从事土壤改良提质与农业废弃物资源化利用等研究，Email：chenshannd＠163.com。*通信作者：龙世平，副研究员，主要从事土壤改良、循环农业、土壤肥料研究，Email：xialong1111＠163.com。

收稿日期：2015-10-23

文章编号：1001-5280（2016）02-0142-07

DOI：10.16848／j.cnki.issn.1001-5280.2016.02.09

中图分类号：S572.062

文献标识码：A