葉協(xié)鋒，于曉娜，李志鵬，周涵君，張曉帆，宋顯鋒，付仲毅，凌天孝，鄭好

1 河南農業(yè)大學煙草學院，國家煙草栽培生理生化研究基地，煙草行業(yè)煙草栽培重點實驗室，河南鄭州 450002；2 河南省煙草公司郟縣分公司，河南郟縣 467100

兩種生物炭對植煙土壤生物學特性的影響

葉協(xié)鋒1，于曉娜1，李志鵬1，周涵君1，張曉帆1，宋顯鋒2，付仲毅1，凌天孝1，鄭好1

1 河南農業(yè)大學煙草學院，國家煙草栽培生理生化研究基地，煙草行業(yè)煙草栽培重點實驗室，河南鄭州 450002；2 河南省煙草公司郟縣分公司，河南郟縣 467100

目的：研究花生殼生物炭和煙稈生物炭對植煙土壤生物學特性的影響。方法：選用品種為中煙100，在河南郟縣開展大田試驗。試驗設四個處理，分別為：CK不施肥、T1為常規(guī)施肥、T2為花生殼生物炭+常規(guī)施肥、T3為煙稈生物炭+常規(guī)施肥，生物炭的用量均為6000kg/hm2。結果表明：施用生物炭增加了植煙土壤細菌數(shù)量，尤其是在移栽后45d ～ 75d，細菌數(shù)量提高幅度較大；施用生物炭增加了土壤真菌數(shù)量，煙稈生物炭在煙株生長前期作用明顯，而花生殼生物炭在煙株生長后期作用明顯；施用煙稈生物炭有增加放線菌數(shù)量的趨勢，而花生殼生物炭對放線菌數(shù)量影響不明顯。施用花生殼生物炭增加了植煙土壤微生物生物量碳含量，而煙稈生物炭降低了煙株生長后期的微生物生物量碳含量；施用煙稈生物炭增加了微生物生物量氮含量。施用生物炭增加了前期微生物生物量碳和微生物生物量氮的比值，降低了后期微生物生物量碳和微生物生物量氮的比值。施用生物炭增加了植煙土壤全碳和全氮含量，以花生殼生物炭效果明顯。結論：施用花生殼生物炭和煙稈生物炭對植煙土壤的生物學特性有較好的改良作用。

生物炭；植煙土壤；生物學特性

近年來，biochar一詞在農林、環(huán)境及能源諸多領域研究中頻頻出現(xiàn)，而且愈演愈熱[1]。生物炭是在高溫無氧條件下熱解產生的一類含碳量極其豐富、具有發(fā)達的孔隙結構的固態(tài)物質。生物炭是有機碳含量高、多孔性、堿性、吸附能力強、多用途的材料[2]，施入土壤能夠提高土壤有機碳含量，改善土壤保水、保肥性能，減少養(yǎng)分損失，有益于土壤微生物棲息和活動[3]，是良好的土壤改良劑。生物炭的取材一般來自于農業(yè)廢棄物，如麥稈，煙稈等。中國每年產生的大量秸稈多被焚毀，不但脫離農業(yè)循環(huán)而且產生大量溫室氣體，污染空氣，這也是加劇目前全國熱點環(huán)境問題——霧霾的一個主要原因。因此，減少秸稈焚燒，進行生物炭制備很大程度上可以解決可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能降耗、環(huán)境保護與治理等領域面臨的復雜問題[4-7]。

煙草是不耐連作的作物，連作病害嚴重發(fā)生，連作時間過長引起土壤養(yǎng)分嚴重失調而降低煙葉產量和品質[8-10]。煙草生產在產出大量煙葉的同時，也產出巨量的煙稈，如何合理利用煙稈進行土壤改良是煙草生產的重要課題之一。作者此前曾對煙草秸稈的元素組成[11]，及煙稈生物炭的理化特性[12]進行了分析，為本文奠定了較好的基礎。

本文采用田間試驗，研究添加花生殼生物炭和煙稈生物炭對植煙土壤生物學特性的影響，以期為生物炭改良煙田土壤提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2014年在河南省郟縣進行。試驗設四個處理：CK為不施肥，處理T1為常規(guī)施肥，處理T2為常規(guī)施肥+花生殼生物質炭（450℃條件下低氧熱解，以下簡稱“花生殼炭”），處理T3為常規(guī)施肥+煙稈生物質炭（450℃條件下低氧熱解，以下簡稱“煙稈炭”）。花生殼炭與煙稈炭的用法用量均為5250kg/hm2（撒施）+750kg/hm2（穴施）。常規(guī)施肥純氮用量為52.5kg/hm2，N:P2O5:K2O=1:2:3。每個處理小區(qū)面積為86.4m2，重復3次，隨機排列。移栽前一個月將生物炭撒勻后機械翻地，深度為0 ～ 20cm，然后起壟。移栽時進行生物炭穴施。供試品種為中煙100。其他管理措施與當?shù)貎?yōu)質煙葉生產管理措施相同。試驗地土壤基礎肥力和生物炭理化特性見表1和表2。

表1 試驗田土壤基礎肥力Tab.1 Basic soil fertility of experimental field

表2 生物質炭的理化性質Tab. 2 Physical and chemical properties of biochar

1.2 測定指標與方法

分別于移栽后30d、45d、60d、75d、90d和105d采集煙株根系附近土壤。將樣品混勻后分成二份，一份鮮樣于4℃保存，進行微生物計數(shù)測定，另一份于-4℃保存用于微生物生物量碳和微生物生物量氮測定。樣品在測定的同時采用烘干法測定土壤含水率[13]。剩余土樣風干過100目篩用于測定土壤全碳和全氮。

土壤微生物數(shù)量的測定采用不同培養(yǎng)基按稀釋平板法進行微生物培養(yǎng)計數(shù)[14-15]，細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基：牛肉膏5g；蛋白胨10 g；NaCl 5g；瓊脂17 ～ 20 g；水1000 mL； pH7.0 ～ 7.2；121 ℃、20 min滅菌；真菌采用馬丁氏瓊脂培養(yǎng)基：葡萄糖10 g；蛋白胨5 g；KH2PO41g；MgSO4·7H2O 0.5g；孟加拉紅水溶液（1/3000）100 mL；瓊脂17 ～ 20 g；pH 7.0～ 7.2；蒸餾水800 mL；121 ℃、20 min滅菌。出鍋后在無菌條件下加入200 mL含鏈霉素0.03%的無菌液；放線菌采用高氏1號培養(yǎng)基：可溶性淀粉20 g；KNO31 g；FeSO4·7H2O 0.01 g；KH2PO40.5g；MgSO4·7H2O 0.5g；NaCl0.5g；瓊脂17 ～ 20 g；蒸餾水1000 mL；臨用時加入3%K2CrO7液3.3mL，pH7.2 ～7.4。每個處理重復三次，接種后的培養(yǎng)皿放在28℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，細菌培養(yǎng)時間為12h ～ 24h、真菌培養(yǎng)時間為3d ～ 4d，放線菌培養(yǎng)時間為5d ～ 7d。菌落計數(shù)計算公式：每克干土中的菌數(shù)=菌落平均數(shù)×稀釋倍數(shù)/土樣質量×烘干后土樣質量/原始土樣質量。

土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮的測定前仔細去除土壤中的植物殘體，過篩（＜2mm）并混勻。將土壤置于密封的塑料桶內，在25 ℃下預培養(yǎng)7 ～15 d，桶內放置適量水以保持相對濕度為100%，并放一小杯1 mol/L NaOH溶液以吸收釋放的CO2。然后采用氯仿熏蒸法[16]測定土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮。

土壤全碳和全氮采用元素分析儀進行分析（Vario Macro Cube，Elementar大進樣量元素分析儀，德國Elementar公司）。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理采用SPSS13.0和Excel2007進行。

表3 生物炭對植煙土壤細菌的影響（×106cfu·g-1干土）Tab. 3 Effect of biochar application on bacteria in soil

2 結果分析

2.1 生物炭對土壤微生物數(shù)量的影響

如表3所示，除處理CK外，細菌數(shù)量在整個大田生育期表現(xiàn)為先增加后減少。CK、處理T1、處理T3均在移栽后75d達到最大，此時的細菌數(shù)量表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞CK，處理T2在移栽后45d達到最大。移栽后75d到105d天，細菌數(shù)量開始明顯下降。

表4 生物炭對植煙土壤真菌的影響（×106cfu·g-1干土）Tab. 4 Effect of biochar application on fungal quantity in soil

由表4可知，移栽后30d到45d，除CK真菌數(shù)量略有下降以外，其它處理均有所增加；在45d時，真菌數(shù)量表現(xiàn)為T3＞T2＞CK＞T1。移栽后45d到75d，除T1外，其它處理真菌數(shù)量均逐步下降，在移栽后75d時真菌數(shù)量表現(xiàn)為T3＞T2=T1＞CK。移栽后75d到105d，各處理真菌數(shù)量整體提高,尤其是在移栽后90d到105d之間，真菌數(shù)量增長較快。施用生物炭增加了土壤真菌數(shù)量，煙稈炭在煙株生長前期作用明顯，而花生殼炭在煙株生長后期作用明顯。

表5 生物炭對植煙土壤放線菌的影響（×106cfu·g-1干土）Tab. 5 Effect of biochar application on actinomycetes quantity in soil

如表5所示，與CK相比，施用生物炭明顯增加了土壤放線菌數(shù)量。從移栽后30d到45d，各處理放線菌數(shù)量均有所增加,但從移栽后45d到75d，CK和處理T1放線菌數(shù)量表現(xiàn)出先增加后下降，處理T2和T3則逐步下降。移栽后75d到105d，處理T1和T2放線菌數(shù)量逐漸增加，CK和處理T3則在105d時略有下降。施用煙稈炭有增加放線菌數(shù)量的趨勢，而花生殼炭對放線菌數(shù)量影響不明顯。

2.2 生物炭對植煙土壤微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）的影響

圖1 生物炭對植煙土壤微生物生物量碳含量的影響Fig.1 Effect of biochar application on MBC content in soil

由圖1所示，植煙土壤MBC含量呈現(xiàn)出先增加后降低再增加的趨勢，峰值分別在移栽后45d和105d時出現(xiàn)，且以移栽后45d時含量最高。在移栽后45d時，MBC含量T2＞T3＞T1＞CK。CK、處理T1和T2的最小值出現(xiàn)在移栽后75d，而處理T3的最小值出現(xiàn)在移栽后90d。在105天時，T2＞T1＞CK＞T3。施用花生殼炭增加了植煙土壤微生物量碳含量，而煙稈炭降低了煙株生長后期的微生物量碳含量。

圖2 生物炭對植煙土壤微生物生物量氮的影響Fig.2 Effect of biochar application on MBN content in soil

由圖2所示，各處理植煙土壤MBN的含量均表現(xiàn)為有先增加后降低的趨勢。處理T1和T2的最大值出現(xiàn)在移栽后45d；CK和處理T3的最大值出現(xiàn)在移栽后60d。與CK相比，施用生物炭明顯增加了植煙土壤MBN含量；與處理T1相比，施用生物炭有增加植煙土壤MBN含量的趨勢，尤其以煙稈炭增加趨勢更明顯。

圖3 生物炭對植煙土壤微生物生物量碳與生物量氮比值的影響Fig.3 Effect of biochar application on ration between MBC and MBN of flue-cured tobacco in soil

如圖3所示，隨著煙草的生長發(fā)育，土壤MBC/MBN呈現(xiàn)出“M”型升降變化趨勢，這與土壤MBC的變化規(guī)律相對應。整體看，施用生物炭有增加土壤MBC/MBN比值的趨勢，其中移栽后30d、60d、75d、90d時處理T2的MBC/MBN高于CK和處理T1，移栽后45d和75d時處理T3的MBC/MBN高于CK和處理T1。在烤煙生育后期，即移栽后105d時，施用生物炭降低了土壤MBC/MBN的比值。施用生物炭增加了前期MBC/MBN的比值，降低了后期MBC/MBN的比值。

2.3 生物炭對植煙土壤全碳和全氮含量的影響

圖4 生物炭對植煙土壤全碳含量的影響Fig.4 Effect of biochar application on total carbon content of fluecured tobacco in soil

圖5 生物炭對植煙土壤全氮含量的影響Fig.5 Effect of biochar application on total nitrogen content of fluecured tobacco in soil

由圖4和圖5可知，土壤全碳和全氮含量均有先升高后下降再升高的趨勢。除移栽后30d時處理T3的土壤全氮含量低于處理T1，其他時期處理T2和T3的土壤全氮含量都高于CK和處理T1。處理T2的土壤全碳和全氮含量均優(yōu)于處理T3，即施用花生殼炭對土壤全碳和全氮含量的效果優(yōu)于煙稈炭。

3 討論

煙田施入生物炭明顯改善了土壤微生物的數(shù)量，原因可能是生物炭發(fā)達的孔隙結構和較大的比表面積對水肥有強烈的吸附作用[17]，改善了土壤的物理性質[18]，為微生物生存提供了良好環(huán)境；同時，生物炭可以提高土壤的鹽基飽和度[19]，以及其較高的陽離子交換量對提高土壤肥力與生產性能具有重要作用，進而影響土壤微生物的總量[20]； 并且土壤中添加生物炭可以明顯改變土壤酶活性[21]，影響微生物的生長繁殖。施用花生殼炭和煙稈炭對土壤微生物的影響是不同的，這可能是生物炭原材料組成和結構差異所致。

Lehmann等[22]指出由于作為生物炭制備材料的植物生物質中含有水分、纖維素和木質素等組分不同，所以相同裂解溫度下這些組分的熱解程度有較大差異。隨著裂解溫度升高，秸稈中有機質被逐漸熱解，生物炭表面結構發(fā)生明顯變化，比表面積增大，且發(fā)育出更多的微孔結構?？緹熃斩捴杏袡C碳為45.02%，纖維素含量為43.45%[11]，花生殼中纖維素含量為28.9%[23]，兩種秸稈有機質等含量區(qū)別較大，所以在裂解過程中生物質炭的表面結構就會有所差異。

土壤微生物生物量碳在土壤碳庫中所占比例很小，一般只占土壤有機碳全量的1%～4%，但對土壤有效養(yǎng)分而言， 卻是一個很大的給源和庫存[24-25]。施用花生殼炭增加了植煙土壤微生物量碳含量，Galvez等[26]和許濤等[27]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以提高微生物生物量碳的含量，與本研究結果相一致。而煙稈炭降低了煙株生長后期的微生物生物量碳含量，增加了微生物生物量氮含量。土壤微生物生物量氮對土壤氮素有效性有重要影響，也是土壤堿解氮的重要來源之一[26]。本研究結果表明，煙稈炭對微生物生物量氮有明顯提高，表明有較多的氮素通過同化作用進入微生物體內暫時固定，從而減少通過NH3揮發(fā)和NO3-的淋失以及反硝化脫氮等途徑的氮素損失[20-22]。

土壤微生物生物量碳與微生物生物量氮的比值一般小于土壤碳氮比值，一定程度上也說明土壤微生物生物量氮是植物有效氮的重要儲備[25]。一般認為土壤微生物的組成不同會導致土壤微生物生物量碳與微生物生物量氮比值的變化。本試驗中土壤微生物生物量碳與微生物生物量氮比值因施用生物炭種類的不同而有明顯差異。土壤碳氮比值較高時會促進根系生長，在移栽后45d時，微生物生物量碳量與微生物生物氮比值較大，可能也有促進根系發(fā)育的作用。

土壤全碳、全氮是影響土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮的主要因素，因為土壤全碳和全氮是土壤微生物在進行自身合成與代謝過程中的主要碳源和氮源[27]。土壤碳、氮處于礦質化和腐殖化的動態(tài)平衡過程，在種植作物后這種動態(tài)變化更加復雜。添加生物炭后促進土壤中微生物的生命活動，且根系在生長過程中分泌有機物質，以及細胞死亡脫落等，添加生物炭后也外源增加了碳、氮[27]。本試驗中，施加生物炭明顯提高了土壤全碳全氮含量，以花生殼炭效果明顯，這與生物炭高孔隙度結構和比表面積導致的強吸附性有關，生物炭的強吸附性增加了土壤的保肥保水效果，降低了淋溶土壤的營養(yǎng)損失[25]。

4 結論

施用生物炭增加了土壤微生物數(shù)量，改善了土壤微生物生物量碳與微生物生物量氮含量，增加了土壤全碳和全氮含量。施用花生殼炭和煙稈炭對植煙土壤的生物學特性有較好的改良作用，但兩者所產生的土壤改良效果略有不同。

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Effects of two biochars on biological characteristics of tobacco growing soil

YE Xiefeng1, YU Xiaona1, LI Zhipeng1, ZHOU Hanjun1, ZHANG Xiaofan1, SONG Xianfeng2, FU Zhongyi1, LING Tianxiao1,ZHENG Hao1
1 College of Tobacco Science, Henan Agricultural University/National Tobacco Cultivation and Physiology and Biochemistry Research Centre/Key Laboratory for Tobacco Cultivation of Tobacco Industry, Zhengzhou 450002, China;2 Jiaxian County Tobacco Company, Jiaxian 467100, Henan, China

[Objective] This paper was to study the effect of peanut-shell-biochar and tobacco-stalk-biochar on biological characteristics of tobacco growing soil. [Methods] Field experiment was carried out in Jiaxian county of Henan province. Four treatments were tested,namely, CK : no fertilizer, T1 :conventional fertilizer, T2 :peanut-shell-biochar + T1, and T3 : tobacco-stalk-biochar + T1. The quantity of biochar was 6000 kg/hm2. [Results] Biochar increased quantity of soil bacteria and fungi 45 d to 75 d after transplanting. Tobacco-stalkbiochar had obvious effect in former growth stage, and peanut-shell-biochar had obvious effect in later growth stage. Tobacco-stalk-biochar revealed a tendency to increase quantity of actinomycetes, but peanut-shell-biochar application had little influence on actinomycetes quantity. Application of peanut-shell-biochar could increase content of soil microbial biomass carbon (MBC) while tobacco-stalk-biochar application could decrease content of MBC in later growth stage. Tobacco-stalk-biochar application could increase content of microbial biomass nitrogen (MBN) in soil. Application of biochar could increase the ratio of MBC/MBN in former growth stage and decrease the ratio of MBC/MBN in later growth stage. Application of biochar could increase soil total carbon and total nitrogen content and peanutshell-biochar application had better effect. [Conclusion] Peanut-shell-biochar and tobacco-stalk-biochar application had better effect in improving biological characteristics of tobacco growing soil.

biochar; tobacco growing soil; biological characteristics

葉協(xié)鋒，于曉娜，李志鵬，等. 兩種生物炭對植煙土壤生物學特性的影響[J]. 中國煙草學報，2016,22（6）

煙草行業(yè)煙草栽培重點實驗室資助項目“植煙土壤肥力培育及提高肥料利用率技術研究”（ 中煙辦[2014]334號）；河南省煙草公司資助項目“秸稈生物質炭對土壤—烤煙養(yǎng)分高效協(xié)同利用機制研究”（ HYKJ201301）

葉協(xié)鋒(1979—)，博士，副教授，碩士研究生導師，主要從事煙草栽培生理和土壤改良研究，Email：yexiefeng@163.com

2015-12-04

：YE Xiefeng, YU Xiaona, LI Zhipeng, et al. Effects of two biochars on biological characteristics of tobacco growing soil [J].Acta Tabacaria Sinica, 2016, 22(6)