生物炭施用量对土壤改良及烤烟生长的影响

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-02-15 09:24 热度：

摘 要：摘 要: 为了改良土壤容重，筛选优化生物炭施用量，以湖南烟区主要栽培品种云烟 87 为试验材料，通过大田试验研究 3 种不同的生物炭用量对田间土壤改良及烤烟生长的影响。结果表明，施用

　　摘 要: 为了改良土壤容重，筛选优化生物炭施用量，以湖南烟区主要栽培品种云烟 87 为试验材料，通过大田试验研究 3 种不同的生物炭用量对田间土壤改良及烤烟生长的影响。结果表明，施用生物炭能够显著降低土壤容重，提高田间持水量，土壤容重与施炭量呈负相关，田间持水量与施炭量呈正相关。生物炭用量在 3 750kg·hm - 2水平下，烤烟的植物学性状优良，干物质积累量大，烟株根系发达，根冠比协调，且氮肥利用率显著提高，但随着施炭量继续升高，烤烟的生长发育又相对受到抑制。综上所述，生物炭施用量为 3 750kg·hm - 2较为适宜。本研究结果对利用生物炭改良植烟土壤，促进优质烟叶生产有一定的理论指导意义。

　　关键词: 烤烟; 生物炭; 土壤容重; 干物质

　　近年来，由于烤烟生产过程中大量使用化肥，土壤结构不断恶化，土壤板结程度加深，导致耕作层逐渐变浅，而犁底层逐渐坚硬变厚，土壤容重上升，土壤孔隙度下降，严重影响烤烟根系的生长发育。研究表明，生物炭具有吸附作用，可以提高土壤的养分吸持容量，生物炭还具有一定的吸水能力，能改善土壤结构，降低土壤容重，增加土壤总孔隙率，从而提高土壤涵养水分能力。因此，富含生物黑炭的人为土耕层土壤含水量是附近 不 含 生 物 黑 炭 土 壤 的 3 倍、田 间 持 水 量 高 18%[1 - 2]。富含黑炭的土壤中每单位土壤的阳离子交换量( cation exchange capacty，CEC) 是不含黑炭的 1. 9 倍，生物炭作为肥料缓释载体，可延缓肥料养分在土壤中的释放，降低肥料养分的淋失及固定等损失，提高肥料养分利用率[3]。研究表明，当生物炭施用量达到 100 t·hm - 2时，黑炭可以减少养分的淋失，增加作物对这些养分吸收的机会[4 - 6]。生物炭在其养分释放完后，仍可发挥土壤改良剂的作用，有利于提高土壤的保肥供肥能力[7 - 13]。许多学者研究了生物炭作为土壤改良剂的效果[14 - 17]，但针对烤烟生产上合适的生物炭用量研究还比较欠缺。本试验通过研究不同施用量的生物炭对土壤改良及烤烟生长的影响，旨在为改良烟田土壤质量提供技术指导。

　　1 材料与方法

　　1. 1 试验设计

　　本试验为单因素随机区组设计，于 2014 年在湖南省湘西州凤凰县千工坪基地进行。供试品种为云烟 87 ( 湖南省烟草公司湘西自治州公司提供) ，供试土种为黄灰土，4 月 25 日移栽，株行距为 55cm × 110cm，施氮量为当地常规用量 112. 5kg·hm - 2，整地前生物炭按 0、3 000、 3 750 和 4 500kg·hm - 2 ( 分别标记为 CK、T1、T2 和 T3) 的用量施入。生物炭施用方法: 将烧制好的生物黑炭用 AB03 气流粉碎机( 潍坊市精华粉体工程设备有限公司) 粉碎，过 1mm 土筛，在整地前、试验小区划分后，按照各处理生物炭用量将过筛的生物炭均匀撒施在供试小区地表，旋耕深翻 20cm，使其与土壤充分混合。此外，设 CK1: 生物炭施用量 0 kg·hm - 2且氮肥施用量 0 kg·hm - 2 为氮肥利用率对照组，重复 3 次，共计 15 个小区，每小区面积 0. 02hm2 。其他配套农艺措施按照当地技术规范实行。供试生物炭速效氮磷钾及土壤主要养分含量见表 1、2。

　　1. 2 测定项目与方法

　　1. 2. 1 土壤容重及含水率 烤烟移栽后分别在还苗期、伸根期、旺长期、成熟期测定不同处理耕作层的土壤容重及田间持水量，每小区重复 5 次。土壤容重及田间持水量采用环刀法测定[18]。

　　1. 2. 2 农艺性状 烤烟移栽后分别在团棵期、旺长期、成熟期测定不同处理烟株的农艺性状: 株高、茎围、节距、最大叶长宽、有效叶数等，每小区重复 5 次。

　　1. 2. 3 干物质积累 成熟期时选取每小区有代表性烟株 3 株，采用杀青烘干称重法测定其根茎叶重量，并计算根冠比。根冠比 = 地下部分/地上部分

　　1. 2. 4 氮肥利用率 氮肥利用率 = ( 施氮肥区烤烟全株的氮素 含 量 - 未施氮肥区烤烟全株的氮素含量) /肥料中氮素含量 × 100% 。

　　1. 2. 5 烤后烟叶产量与品质 烤后烟叶取 C3F 等级烟叶测定其化学成分: 总糖、还原糖、烟碱、氯、淀粉、总氮、钾含量。总糖、还原糖、总氮、烟碱、氯、淀粉含量采用 Skalar san + + 连续流动分析仪( 荷兰斯卡拉公司) 测定，钾含量采用 FP640 火焰光度计( 上海精科仪器有限公司) 测定。钾氯比 = 钾含量/氯含量; 糖碱比 = 总糖含量/烟碱含量; 氮碱比 = 总氮含量/烟碱含量; 糖氮比 = 总糖含量/总氮含量。

　　统计烤后烟叶上等烟比例、中上等烟比例、均价、产量、产值等。

　　1. 3 统计分析

　　数据处理采用 Excel，方差分析采用 SPSS 22. 0，多重比较采用 Duncan 法。

　　2 结果与分析

　　2. 1 不同生物炭用量对耕层土壤容重动态变化的影响

　　土壤容重越小耕层土壤越疏松多孔。移栽期至团棵期较小的土壤容重有利于烟草根系生长，养分更容易被根系吸收。由表 3 可知，施用生物炭后，在烤烟各生育期土壤容重各处理均较 CK 有所降低。还苗期各处理土壤容重无显著差异，进入伸根期后随着生物炭用量逐渐增加土壤容重逐渐降低，施用生物炭处理较 CK 土壤容重降低 4. 9% ～ 8. 9% 。各处理土壤容重大小表现为: CK > T2 > T1 > T3，T1、T2 差异较小。随着烟株的生长进入旺长期后各处理土壤容重较伸根期有所升高，施用生物炭各处理与 CK 比较土壤容重降低 4. 6% ～ 9. 3% ，差异达显著或极显著水平。不同处理土壤容重大小表现为: CK > T1 > T2 > T3，T2、T3 土壤容重差异较小，二者的土壤孔隙度较好，更利于烟株旺长期吸收养分与水分。烤烟生长进入成熟期后，施用生物炭的处理较成熟期时土壤容重略降低，仍高于伸根期土壤容重，CK 土壤容重仍然呈升高趋势。T1、T2、T3 三者土壤容重差异 较 小，施用生物炭处理较 CK 土 壤 容 重 降 低 10. 9% ～ 12. 2% ，各处理土壤容重与 CK 比较差异均达到极显著水平。不同处理土壤容重表现为: CK > T1 > T2 > T3。从烤烟各生育期来看，施用生物炭处理与 CK 比较，各处理土壤容重均不同程度降低，土壤孔隙度得到提高，这说明施用生物炭后能够有效降低土壤容重，使植烟土壤能够在各生育期保持较好的土壤结构和孔隙度，利于优质烟叶的生产。从改良效果来看，以 T2、T3 土壤容重较适宜。

　　2. 2 不同生物炭用量对田间持水量动态变化的影响

　　田间持水量在烤烟各生育期对烤烟的生长发育影响较大，由表 4 可知，与土壤容重表现类似，在还苗期各处理与 CK 相比田间持水量差异未达显著水平，各处理田间持水量在 31. 21% ～ 34. 05% 之间。进入伸根期后，施用生物炭各处理由于土壤容重降低，土壤孔隙度得到提高，导致其田间持水量逐渐上升，各处理间差异达到显著或极显著水平，不同处理田间持水量具体表现为: T3 > T2 > T1 > CK，施用生物炭处理田间持水量较 CK 上升 19. 48% ～ 39. 20% ，在烤烟生长前期有利于烟株生长发育，其中 T2 与 T1 田间持水量差异较小。旺长期水分对烟株的生长发育尤为重要，由于烟株的生长发育速度较快，田间持水量逐渐下降。此时施用生物炭处理间无显著差异，三者与 CK 相比差异达极显著水平，施用生物炭处理田间持水量较 CK 上升 24. 88% ～ 35. 38% ，不同处理田间持水量具体表现为: T3 > T2 > T1 > CK。进入成熟期后，各处理田间持水量进一步降低，施用生物炭处理间差异较小，田间持水量在 19. 12% ～ 21. 15% 之间，此时对照田间持水量为 16. 21% ，施用生物炭处理较 CK 田间持水量仍然升高 17. 95% ～ 30. 48% ，不同处理田间持水量具体表现为: T2 > T3 > T1 > CK。从烤烟各生育期来看，各处理田间持水量呈逐渐下降的趋势，且施用生物炭后能够有效提高田间持水量，在不同生育期与 CK 相比较施用生物炭处理田间持水量均提高了 17% 以上，较大程度地提高了土壤的保水能力。从改良效果来看， T2、T3 保水能力较强，利于烤烟的生长发育。

　　2. 3 不同生物炭用量对烤烟农艺性状的影响

　　由表 5 可知，不同处理在各生育时间农艺性状表现出不同的差异。在团棵期从株高来看施用生物炭各处理较 CK 差异显著，株高在 6. 7% % ～ 14. 4% 不同程度升高，各处理株高大小排序为: T2 > T3 > T1 > CK。从茎围来看，各处理间无显著差异，各处理茎围大小排序为: CK > T2 > T3 > T1。从节距来看，以 T1 节距较大，不同处理节距大小排序为: T1 > CK > T3 > T2。最大叶长基本处在 44. 07 ～ 46. 67cm 范围内，不同处理间以 T2 叶长最长，各处理不同叶宽间无显著差异。从叶数来看，随着生物炭的施用量逐渐升高有效叶数呈现先增加后减少的趋势，不同处理间以 T2 叶数最多， T3 有效叶数最少。进入旺长期株高随着生物炭施用量的增加呈现逐渐降低的趋势，这说明过量的生物炭可能会抑制烟株的生长，不同处理间以 T1、T2 株高高于 CK，T3 低于 CK。从茎围来看，与 CK 相比只有 T2 茎围增大，其他各处理茎围均变小。从节距来看，与株高表现出类似的规律，随着施炭量的升高节距逐渐降低，与 CK 相比，T1、T2 节距稍高且无显著差异，而 T3 节距较小且差异显著。从最大叶长宽来看，也以 T1、 T2 较好，T3 最大叶长宽略小于 CK。有效叶数表现为 T1 > T2 > T3 > CK，与 CK 相比，T1、T2 有效叶数显著上升。烤烟进入成熟期各处理株高、茎围、节距、有效叶数之间无显著差异，从最大叶长宽来看，施用生物炭处理略大于 CK，但差异较小。

　　2. 4 不同生物炭用量对烤烟干物质积累量的影响

　　干物质积累量可以用来衡量烤烟的潜在产量，其值的大小很大程度影响烤烟的产量。由图 1 可知，不同处理之间干物质积累量存在差异，随着施炭量的升高，成熟期后烤烟干物质积累量呈现先升高后降低的趋势，施用生物炭处理干物质积累量均在 300g /株以上，与 CK 比较各处理干物质积累量在 9. 7% ～ 25% 范围内不同程度升高，这说明施用生物炭后有利于烟株生长发育，烟株的同化作用得到加强。不同处理干物质积累量具体表现为: T2 > T1 > T3 > CK，T2 较 T1 干物质积累量显著上升 7. 1% ，T1、T3 间无显著差异，二者与 CK 干物质积累量比较差异达显著水平。T3 烟株干物质积累量小于 T2，这表明生物炭施用量过高会有一定的抑制作用，但仍然较 CK 有优势。这可能是生物炭的吸附作用导致的，因为较高的施炭量吸附固定了一部分土壤中养分，所以使其土壤中养分含量的峰值较 T2 的土壤中养分含量较低，从而使烟株的同化能力有所降低。从不同处理的干物质积累量表现来看，T2 的施炭量较适宜。

　　2. 5 不同生物炭用量对烤烟各器官干物质分配的影响

　　由表 6 可知，从根系来看，根干重以 T1、T2 较大，显著大于 T3 及 CK; 从根系干重占全株干重比例来看， T1 所占比重最大，根系较为发达; 从茎秆来看，茎干重最大的是 T2，达到 100g /株，次之是 T1，且从茎杆干重所占全株干重比例来看也是 T1、T2 较高，与 T3 及 CK 差异显著。从叶片来看，T2 叶片干重最大，理论经济产量最大，施用生物炭处理与 CK 比较叶片干重均不同程度升高，同时也表现出随着生物炭的施用量逐渐升高叶片干重呈现先升高后降低的趋势。从叶片干重占全株干重比例来看，以 T2、T3 所占比例较高。从根冠比来看，施用生物炭处理根冠比之间差异较大，T1、 T2 显著高于 T3、CK 根冠比，与 CK 相比根系较发达，养分与水分供应能力较强。这表明施用生物炭后，在一定范围内能改善烤烟各器官干物质分配比例，协调源库流的关系，促进烤烟地上部分与地下部分自我协调。从不同处理表现来看，与 CK 相比，T3 根冠比降低。T2 能够显著提高叶片干重及占全株干重比例，烟叶内含物存储同化能力较强，是较适宜的施炭量。

　　2. 6 不同生物炭用量对烤烟氮肥利用率的影响

　　提高氮肥的利用率不仅能降低烟叶生产成本，而且能够有效防治因大量使用化肥导致的土壤板结等实际问题。由图 2 可知，不同处理间烟株氮肥利用率各有差异，施用生物炭后各处理氮肥利用率均在 0. 4 以上，T2 甚至达到 0. 5 以上，而 CK 氮肥利用率不到 0. 4，差异显著，这说明施用生物炭能够显著提高烟株的氮肥利用率。各处理氮肥利用率具体表现为: T2 > T3 > T1 > CK，随着生物炭施用量增加氮肥利用率不呈正相关趋势。这也与干物质积累量表现规律相似，可能是由于较高的施炭量吸附固定了一部分土壤中氮素，所以使 T3 土壤中氮素含量的峰值较 T2 土壤中养分含量较低，从而使烟株的氮素利用率有所降低。从不同处理的烤烟氮肥利用率表现来看，T2 的施炭量较适宜。

　　2. 7 不同生物炭用量对烤烟产质量的影响

　　由表 7 可知，不同处理间总糖含量差异较大，各处理总糖含量大小排序为: T1 > CK > T2 > T3。烟叶中糖含量的高低影响烟气的醇和度和吃味，较低的含糖量能引起刺呛，而含糖量过高又容易导致吃味平淡，一般来说总糖含量在 20% 左右较适宜。T2、T3 烤后烟叶总糖含量较适宜，施用生物炭处理烤后烟叶总糖含量随着施炭量的增加呈递减趋势。从还原糖来看，不同处理间还原糖含量大小排序为: T1 > CK > T3 > T2，烤烟还原糖最适含量为 15% 左右，处于适宜范围的是 T2，与 CK 比较 T2、T3 还原糖含量有所降低。烤烟烟碱含量一般在 1. 5% ～ 3. 5% 左右，当烟碱含量过低时烟气劲头不足且吃味平淡，烟碱含量过高时烟气不仅刺激性强且味苦辛辣，一般来讲烟碱在 2% 左右最适宜。各处理烟碱含量大小排序为: CK > T1 > T3 > T2，与 CK 比较施用生物炭处理烟叶烟碱含量下降，其中 T2 烟碱含量与 CK 差异显著且其烟碱处于最适范围内，有利于改善烟味。烤烟总氮含量对于烟味的影响与烟碱类似，总氮含量一般在 1. 5% ～ 3. 5% 左右，最 适含量为 2. 5% 。各处理总氮含量大小排序为: T2 > CK > T1 > T3，总氮含量处于适宜范围内的是 T2。烤烟氯含量能影响烟叶的吸湿性与燃烧性，一 般 在 0. 5% ～ 0. 8% 范围内，各处理烟叶氯含量略偏低。烟叶中钾含量同样影响烟叶的燃烧性，钾含量高燃烧性好。各处理钾含量的大小排序为: T3 > T2 > T1 > CK，与 CK 比较，施用生物炭处理钾含量均有所升高，与施炭量正相关。这一方面是由于生物炭本身的灰分元素中有一定的钾含量，另一方面是由于生物炭的保肥能力促进了烟叶钾含量的提高。淀粉含量一般需控制在 5% 以下，各处理烟叶淀粉含量均在适宜范围内，施用生物炭处理与对照比较淀粉含量有所降低。钾氯比是综合评价烤烟燃烧性的指标，一般来说比值大于 4 适宜，各处理钾氯比值均在适宜范围内，其中 T1、T2 钾氯比值显著高于 CK 与 T3。从施炭量上来看，施用生物炭处理钾氯比值均高于对照，这说明施用生物炭能够改善烟叶的燃烧性。从烤烟糖碱比来看，不同处理糖碱比大小排序为: T1 > T2 > CK > T3，一般来说烤烟糖碱比为 6 ～ 10，比值越接近 10 越好，糖碱比值最适宜的是 T2，为 9. 87。糖氮比是反映烟叶中酸碱平衡关系的指标，烤烟糖氮比一般也为 6 ～ 10，各处理糖氮比处于适宜范围内的是 T2、T3。烤烟氮碱比一般为 0. 8 ～ 0. 9，各处理氮碱比大小排序为: T2 > T1 = CK > T3。综合各处理烤后烟叶化学成分来看，施用生物炭能在一定程度上调节烤烟糖、烟碱、总氮、钾含量，协调钾氯比、糖碱比、糖氮比，使烤后烟叶内含物协调，燃烧性好烟味劲头、吃味适宜。

　　由表 8 可知，不同处理间上等烟比例大小排序为 T2 > T1 > T3 > CK，T2 与 CK 相比，上等烟比例提高了 7. 62% ，施用生物炭后各处理上等烟比例均高于 CK，其中 T1、T2 与 CK 差异显著。从中上等烟比例来看，同样表现为 T2 > T1 > T3 > CK，与 CK 相比，T2 中上等烟比例提高了 6. 90% ，T3 与 CK 差异不显著。从均价来看，以 T2 均价最高，与 CK 相比，T2 均价显著增长了 8. 15% ，差异显著。不同处理的产量与产值大小排序均为: T2 > T1 > T3 > CK，且显著差异，T2 产量与产值最高，与 CK 比较产值增长了 17. 38% 。综合各处理经济性状来看，施用生物炭后能在一定程度上提高中上等烟比例、均价、产量与产值，以 T2 经济性状最佳。

　　3 讨论

　　土壤容重是土壤重要的物理性状，直接影响土壤的空隙度、田间持水量，间接影响植株对土壤中养分的吸收利用，以及土壤中微生物的种群和数量，对作物的生产起到重要作用。已有研究表明，通过施用生物炭能够改良目前土壤容重较大、孔隙度差的状况，施用生物炭后土壤容重降低，田间持水量逐渐升高[19 - 20]。本研究也发现与赵殿峰[21]相同的结果，施用生物炭后，在烤烟的不同生育时期内，其土壤容重均低于不施用生物炭的，而其田间持水量在各生育期也均不同程度高于不施用生物炭的。这是由于生物炭具有一定的空隙结构，比表面积大，施用生物炭后能改良土壤的空隙结构，缓解土壤板结的趋势，同时生物炭的空隙结构使其具有较强的吸附能力，使田间持水量升高。因此，通过施用生物炭能够调节土壤的容重，提高田间持水量，在一定程度上改良植烟土壤的物理性状，促进烟株的生长发育。

　　烤烟的农艺性状能在一定程度上直观地反映烤烟的质量及潜在预示烤烟的经济产量。研究发现，通过施用生物炭改良土壤理化性状后，在一定范围内促进了烟株的生长发育，主要因为适宜的土壤空隙结构有利于烟株的根系下扎与养分吸收[22]。生物炭良好的吸附作用既能在一定程度上增强土壤保肥能力，也能提高土壤的含水率，保证烤烟各生育期有适宜的土壤水分供应，促进烟株的生长发育[23 - 24]。本研究表明，不同的生物炭施用量对烤烟的生长发育影响差异较大，3 000 ～ 3 750kg·hm - 2的施炭量有利于烤烟的生长发育，但也不是施炭量越大越好，当施炭量达4 500 kg·hm - 2时，烤烟的生长发育速度低于常规不施用生物炭处理。这可能是生物炭自身的吸附性质导致的，较高的施炭量吸附固定了一部分养分，烟株的养分供应得不到及时补充，在一定程度上抑制了根系的养分吸收能力，烟株同化作用被部分削弱。

　　烤烟的干物质积累量及各器官干物质分配比例也能衡量烤烟的潜在产量，其值的大小很大程度影响烤烟的产质量。施用生物炭能够提高作物产量[25 - 26]。王丽渊[22]研究发现，增施生物炭能够提高烤烟的干物质积累量且对烤烟根系干物质积累量有明显的促进作用。本研究表明，在一定范围内施用生物炭能够增加烤烟的干物质积累量，促进根系的生长发育，协调地上部分与地下部分的比例，改善源库流的关系。

　　烤烟的氮肥利用率一方面影响生产成本，另一方面肥料的高效利用也有利于防止土壤理化性质的进一步恶化。前人研究发现，施用生物炭能降低氮素的淋溶损 失，增 强 土 壤 肥 力，有利于氮素利用率的提高[27 - 30]。本研究表明，施用生物炭能在一定范围内提高氮肥的利用率，氮肥利用率随着施炭量的增加呈现先升高后降低的趋势。施用生物炭的处理氮肥利用率显著大于对照，其表现规律与烤烟干物质积累量规律相似。究其原因，可能是因为施炭量在适宜范围内，其保水保肥的能力较强，在烤烟各生育期能够及时充足的补充根系的养分与水分供应，养分淋溶损失较少，导致氮肥利用率较高; 但施炭量过高时，土壤中吸附的养分不能及时释放，氮肥利用率到达峰值后又随着施炭量的增加逐渐降低。

　　烤后烟叶的化学成分与烟叶的内外质量密切相关，烤后烟叶化学成分比例协调，其烟气浓度、劲头、吃味等适宜[31 - 32]。本试验中，从不同处理烤后烟叶的化学成分来看，施用生物炭后，烤后烟叶的糖含量逐渐降低至适宜范围。总糖含量随着施炭量的增加呈递减趋势，总糖及还原糖均以 T2 较适宜，与 CK 比较施用生物炭处理烟叶烟碱含量下降，其中 T2 烟碱含量与 CK 差异显著且其烟碱处于最适范围内。施用生物炭对总氮、淀粉、氯含量影响较小，但能显著提高烤后烟叶中钾含量，有利于提高其燃烧性能。钾含量与施炭量呈正相关，一方面是由于生物炭本身的灰分元素中有一定的钾含量，另一方面是由于生物炭的吸附能力使土壤中养分含量升高，促进烟叶中钾含量的提高。施用生物炭还能进一步改善钾氯比、糖碱比、糖氮比，使烟叶内含物比例协调。施炭量对烤后烟叶的经济效益有显著影响，表现出随施炭量的增加先升高后降低的规律，所有施用生物炭处理经济效益显著高于对照。因此施用生物炭能在一定程度上调节烤后烟叶内含物含量，增加经济效益，有利于提高烤后烟叶的产量和质量。——论文作者：刘 卉1 周清明1 黎 娟1 张黎明2 张明发2 孙 敏1 刘智炫1 陈佳亮1

文章名称：生物炭施用量对土壤改良及烤烟生长的影响

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