蘆海靈，張 翔，李 亮，范藝寬，張 盟，張艷玲，楊 欣，梁太波，翟 振，戴華鑫*

1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，鄭州市花園路116號(hào) 450002 2.河南省煙草公司，鄭州市商務(wù)外環(huán)路15號(hào) 450046 3.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號(hào) 450001 4.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣州市天河區(qū)林和西橫路186號(hào) 510032

生物炭是有機(jī)物料如農(nóng)作物秸稈、木質(zhì)物、畜禽糞便等在低氧環(huán)境下經(jīng)過高溫?zé)峤夂螽a(chǎn)生的一種富含碳的材料［1］。由于生物炭具有比表面積大、疏松多孔、吸附能力強(qiáng)和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，在改良土壤、修復(fù)生態(tài)環(huán)境和降低溫室氣體排放等方面的應(yīng)用價(jià)值較大［2］。研究表明，施用生物炭可提高土壤的通氣性和保水保肥能力［3］，改善烤煙根系形態(tài)生理特征［4］，促進(jìn)作物生長及品質(zhì)改良［5-6］。深耕條件下施用生物炭可促進(jìn)烤煙根系對(duì)鉀元素的吸收，增加土壤微生物數(shù)量，提高成熟期葉片葉綠素含量［7-8］。在生物炭的還田方式上，目前已有生物炭條施、穴施、表土層摻混等多種施用技術(shù)［9-10］。由于生物炭自身具有密度低、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，導(dǎo)致其在運(yùn)輸和直接還田過程中易產(chǎn)生損耗［11］，因此生物炭常作為肥料增效載體與一定量的肥料配伍后施于大田，在不增加勞動(dòng)力成本的前提下，完成生物炭還田及其他營養(yǎng)元素補(bǔ)充的雙重工序［12］。

河南是濃香型煙葉的典型代表性產(chǎn)區(qū)。近年來，隨著工業(yè)化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，煙區(qū)普遍存在長期連作、化肥施用過量及土地重用輕養(yǎng)等不科學(xué)的種植方式與耕作措施，導(dǎo)致煙田耕層淺、土壤黏重、土壤養(yǎng)分不協(xié)調(diào)、生物活性下降等現(xiàn)象，影響了煙株根系生長和煙葉品質(zhì)提升［13-15］，成為限制河南濃香型煙葉生產(chǎn)持續(xù)健康發(fā)展的瓶頸。針對(duì)以上問題，本研究中選擇豫中典型煙田土壤，通過設(shè)置大田深耕與綠肥掩青條件下不同生物炭用量和施用方式的多個(gè)處理組合，探究生物炭對(duì)煙株農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟(jì)性狀、煙葉化學(xué)成分以及土壤養(yǎng)分和微生物數(shù)量的影響，旨在探明適合河南煙區(qū)土壤改良的生物炭施用組合技術(shù)，為生物炭在土壤保育、烤煙營養(yǎng)和品質(zhì)調(diào)控上的應(yīng)用提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018—2019年在河南省許昌市襄城縣汾陳鄉(xiāng)雙樓張村進(jìn)行，試驗(yàn)地肥力均勻一致，地勢平坦，排灌方便。試驗(yàn)地前茬作物為煙草，供試煙草品種為中煙100，土壤類型為褐土。2018年10月下旬拔除前茬煙稈和雜草后采集基礎(chǔ)土樣，檢測土壤理化指標(biāo)，分別為pH 7.20、有機(jī)質(zhì)14.6 g/kg、總氮0.81 g/kg、全磷0.64 g/kg、全鉀1.60%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、堿解氮79.5 mg/kg、速效磷16.8 mg/kg、速效鉀134.2 mg/kg、陽離子交換量（Cation exchange capacity，CEC）12.7 cmol/kg。生物炭（玉米秸稈）理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)50.1%、氮（N）0.74%、磷（P2O5）0.28%、鉀（K2O）0.86%（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、含水率22.6%，pH 7.89。

表1 深耕和綠肥掩青條件下施用生物炭的試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)Tab.1 Treatments of biochar combined with deep tillage or green manure

分別為試驗(yàn)設(shè)置12個(gè)處理，包括2個(gè)對(duì)照（深耕、綠肥掩青）、生物炭用量復(fù)合深耕、生物炭用量復(fù)合綠肥掩青等10個(gè)處理（表1）。條施是在煙壟行的側(cè)下方開溝，深度為15～20 cm，與煙株行平行距離3～5 cm，施入生物炭后用田間本土覆蓋；撒施是在旋耕后將生物炭均勻撒在大田上，隨后起壟將之翻入土壤中；穴施是將生物炭施入按行株距挖好的離煙株2～3 cm深度10 cm左右的穴內(nèi)，之后覆土。各處理間氮、磷、鉀用量相同，分別為每畝3.5 kg、3.5 kg、12.25 kg，生物炭含氮量按比例折算為當(dāng)?shù)厥┑?，磷鉀不?jì)算在內(nèi)，氮肥不足部分用硝酸銨補(bǔ)充，磷鉀肥分別為重過磷酸鈣、硫酸鉀。其他各項(xiàng)田間生產(chǎn)管理措施統(tǒng)一按當(dāng)?shù)匾?guī)范化措施進(jìn)行。綠肥掩青用油菜于2018年10月播種，播種量15.0 kg/hm2，次年4月10日掩青。先將油菜田間機(jī)械粉碎，然后翻壓20 cm掩青，掩青鮮草量21 750 kg/hm2。油菜含水率93.25%，鮮樣中碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分積累量分別為2.54%、0.21%、0.05%和0.48%。

試驗(yàn)采用區(qū)組隨機(jī)排列，行株距為110 cm×50 cm，重復(fù)3次，每個(gè)處理面積333.4 m2。每個(gè)小區(qū)選擇有代表性的煙株15株掛牌作標(biāo)記，圓頂期時(shí)測定株高、莖圍、有效葉片數(shù)、最大葉長、葉寬等農(nóng)藝性狀，葉面積=葉片長×葉片寬×葉面積指數(shù)（0.6345）。采收后煙葉統(tǒng)一裝于烤房中部，按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)烘烤工藝烘烤，挑選烤后C3F等級(jí)煙葉用于煙葉化學(xué)指標(biāo)的測定。分別于圓頂期和采收結(jié)束后，在兩個(gè)煙株間中心點(diǎn)位置耕層（0～20 cm）處采集土樣，采用多點(diǎn)取樣法在每個(gè)小區(qū)選10棵煙株間的土壤混成1個(gè)樣品，混勻后將土壤樣品過2 mm篩后裝入無菌瓶中，冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室并保存于-4℃冰箱中用于土壤細(xì)菌及真菌數(shù)量的測定；采收結(jié)束后，將采集的壟體耕層土壤樣品裝于布袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，過篩后用于土壤養(yǎng)分指標(biāo)的測定。

1.2 測定方法

1.2.1 土壤養(yǎng)分指標(biāo)測定

參照魯如坤［16］的方法測定土壤化學(xué)指標(biāo)。采用水浸提電位法測定pH，水土質(zhì)量比為2.5∶1；重鉻酸鉀容量法測定有機(jī)質(zhì)含量；采用高錳酸鉀氧化法測定溶解性有機(jī)碳（Dissolved organic carbon，DOC）；半微量凱氏定氮法測定總氮；乙酸銨交換法測定陽離子交換量（CEC）；堿解擴(kuò)散法測定堿解氮含量；碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法測定速效磷；醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量。

1.2.2 土壤微生物數(shù)量測定

參照林先貴［17］的平板培養(yǎng)計(jì)數(shù)法測定土壤微生物數(shù)量。細(xì)菌、真菌和放線菌分別用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、馬丁孟加拉紅-鏈霉素培養(yǎng)基和高氏1號(hào)培養(yǎng)基稀釋培養(yǎng)，121℃滅菌20 min，重復(fù)3次。主要過程如下：準(zhǔn)確稱取10 g新鮮土壤樣品，放入裝有90 mL無菌水以及小玻璃珠的三角瓶中，180 r/min震蕩30 min，使微生物細(xì)胞充分分散后靜置1 min，得到10-1梯度稀釋液。使用移液器吸取1 mL的10-1梯度稀釋液至裝有9 mL無菌水試管中，反復(fù)吹吸若干次，混合均勻，得到10-2梯度稀釋液，以此類推，連續(xù)稀釋成10-3、10-4、10-5、10-6、10-7和10-8梯度稀釋菌液。初篩后發(fā)現(xiàn)，測定細(xì)菌和放線菌數(shù)量時(shí)選用10-6、10-7梯度的稀釋菌液測定真菌時(shí)選用10-5梯度的稀釋菌液較為合適。吸取1 mL稀釋液滴置于無菌培養(yǎng)皿中，加入冷卻至45℃左右的培養(yǎng)基12～15 mL，立即混合均勻，凝固后，轉(zhuǎn)入28℃恒溫培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)計(jì)數(shù)。計(jì)算公式：CFU/g＝平均數(shù)×10×稀釋倍數(shù)/（1-含水率）

1.2.3 煙葉化學(xué)成分測定

參考《中國煙草種植區(qū)劃》［14］的方法測定烤煙化學(xué)成分，包括總植物堿、總氮、還原糖、總糖、鉀、氯等指標(biāo)，計(jì)算糖堿比、氮堿比、鉀氯比和兩糖比。

1.2.4經(jīng)濟(jì)性狀測定

各處理小區(qū)煙葉單獨(dú)采收編桿，單獨(dú)計(jì)產(chǎn)。待各處理煙葉全部采收烘烤完畢后，根據(jù)烤煙國標(biāo)（GB2635—92）進(jìn)行分級(jí)，參照2019年煙葉收購價(jià)格計(jì)算產(chǎn)值，統(tǒng)計(jì)煙葉產(chǎn)量和上等煙比例。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析，單因素法方差分析和Duncan’s新復(fù)極差法比較檢驗(yàn)顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)煙株農(nóng)藝性狀的影響

由表2可見，與單獨(dú)深耕或綠肥掩青相比，條施生物炭3 000 kg/hm2和撒施4 500 kg/hm2顯著增加了株高、葉片數(shù)、莖圍和葉面積；深耕配合穴施750 kg/hm2生物炭增加了煙株莖圍和葉面積；綠肥掩青配合穴施750 kg/hm2生物炭增加了煙株株高、葉片數(shù)、莖圍和葉面積。深耕或綠肥掩青條件下撒施7 kg/hm2生物炭對(duì)煙株株高影響不顯著，但增加了有效葉片數(shù)、莖圍和葉面積。

2.2 不同處理對(duì)經(jīng)濟(jì)性狀的影響

由表3可見，與單獨(dú)深耕或綠肥掩青相比，條施生物炭3 000 kg/hm2、撒施4 500 kg/hm2和穴施750 kg/hm2顯著增加了煙葉產(chǎn)量。深耕或綠肥掩青條件下配施生物炭均顯著增加了煙葉產(chǎn)值，其中綠肥+穴施生物炭750 kg/hm2、綠肥+撒施生物炭4 500 kg/hm2處理后的產(chǎn)值較高，其次為深耕+條施生物炭3 000 kg/hm2、綠肥+條施生物炭7 500 kg/hm2、綠肥+條施生物炭3 000 kg/hm2、深耕+條施生物炭7 500 kg/hm2。單獨(dú)深耕處理后的煙葉產(chǎn)值較低。深耕條件下，除條施1 500 kg/hm2外，其他生物炭處理均顯著提高了烤煙均價(jià)和上等煙比例。與單獨(dú)深耕相比較，綠肥掩青后配施生物炭后烤煙均價(jià)和上等煙比例增加明顯。

2.3 不同處理對(duì)煙葉化學(xué)成分的影響

由表4可見，與單獨(dú)深耕或綠肥掩青相比，生物炭施用3 000 kg/hm2以上和穴施750 kg/hm2均降低了C3F煙葉煙堿含量。配施生物炭后煙葉總氮含量降低，這可能與施用生物炭降低了土壤堿解氮含量有關(guān)。深耕配施生物炭撒施4 500 kg/hm2和穴施750 kg/hm2條件下，煙葉還原糖、總糖、鉀含量以及糖堿比、氮堿比和鉀氯比均顯著提高。綠肥掩青后條施生物炭3 000 kg/hm2、撒施4 500 kg/hm2和穴施750 kg/hm2條件下，煙葉還原糖、總糖、鉀含量以及糖堿比和氮堿比增加明顯。綠肥掩青后，施用生物炭提高了煙葉鉀氯比。與單獨(dú)深耕或綠肥掩青相比，施用生物炭降低了煙葉氯含量，兩糖比無顯著變化。

表2 不同處理對(duì)圓頂期煙株農(nóng)藝性狀的影響①Tab.2 Effects of different treatments on agronomic traits of tobacco plants at round top stage

表3 不同處理對(duì)煙葉經(jīng)濟(jì)性狀的影響Tab.3 Effects of different treatments on economic traits of tobacco leaves

2.4 不同處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

由表5可見，深耕和綠肥掩青條件下配施生物炭對(duì)土壤pH和CEC含量無顯著影響。與單獨(dú)深耕相比，深耕+生物炭3 000 kg/hm2或綠肥+生物炭1 500 kg/hm2及以上時(shí)顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量。與單獨(dú)深耕或綠肥掩青相比，土壤DOC含量在生物炭用量3 000 kg/hm2及以上時(shí)顯著增加，穴施750 kg/hm2生物炭后DOC含量變化不大。與單獨(dú)深耕相比，每公頃撒施量4 500 kg或綠肥+生物炭1 500 kg/hm2及以上后土壤總氮含量顯著提高。與單獨(dú)深耕或綠肥掩青相比，隨著生物炭施用量的增加，土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量呈增加趨勢；相同生物炭施用量條件下，與深耕處理相比，綠肥掩青后土壤有機(jī)質(zhì)、DOC、總氮、堿解氮、速效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量的增幅相對(duì)較高。

2.5 不同處理對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

由表6可見，深耕條件下增施生物炭可顯著增加細(xì)菌數(shù)量。綠肥掩青后，條施和撒施生物炭可顯著增加圓頂期時(shí)的細(xì)菌數(shù)量，但穴施效果不明顯。采烤結(jié)束后，綠肥掩青處理之間細(xì)菌數(shù)量無顯著差異，但均顯著高于深耕處理。圓頂期時(shí)，與單獨(dú)深耕或綠肥掩青相比，配施生物炭顯著增加了真菌數(shù)量，且綠肥掩青后的效果更顯著。采收結(jié)束后，撒施4 500 kg/hm2生物炭配合深耕或綠肥掩青的真菌數(shù)量相對(duì)較高。圓頂期內(nèi)不同處理間放線菌數(shù)量的變化趨勢與采收結(jié)束后相似，與單獨(dú)深耕或綠肥掩青相比，條施或撒施生物炭顯著增加了放線菌數(shù)量，但穴施生物炭后無顯著變化。

表4 不同處理對(duì)烤后C3F煙葉化學(xué)成分的影響Tab.4 Effects of different treatments on chemical components in cured C3F tobacco leaves

表5 不同處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響Tab.5 Effects of different treatments on soil nutrients

3 討論

生物炭有利于提高農(nóng)作物葉片凈光合速率和干物質(zhì)積累，并最終提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)［18］。施用生物炭后，水稻［11］、玉米［19］、大豆［20］的株高、葉片面積及干物質(zhì)積累量明顯增加，烤煙的株高、有效葉片數(shù)、最大葉長寬、產(chǎn)量和產(chǎn)值等農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)顯著提高［21-22］，這與本研究中的結(jié)論一致，主要原因可能是施用生物炭能改善土壤孔隙性質(zhì)、微生態(tài)環(huán)境和烤煙根系的通氣狀況［23］，促進(jìn)根系的發(fā)育及對(duì)養(yǎng)分的吸收效率［24］，增加烤煙葉片的類胡蘿卜素和葉綠素含量［25］，有利于光合能力的提高，從而促進(jìn)了烤煙的干物質(zhì)積累?？緹熒a(chǎn)過程中，有效葉片數(shù)和葉面積是產(chǎn)量的基礎(chǔ)。張廣雨［23］通過盆栽和大田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施用生物炭后烤煙苗期和旺長期時(shí)的有效葉片數(shù)顯著增多；肖和友等［26］發(fā)現(xiàn)生物炭對(duì)烤煙不同生育期有效葉片數(shù)的影響與生物炭的施用年限有關(guān)，施用生物炭的前2年有效葉片數(shù)增加，第3年則無顯著變化；張志浩［27］報(bào)道烤煙有效葉片數(shù)受土壤類型影響，在暗棕土壤中施加生物炭可增加烤煙葉片數(shù)，然而在褐土和水稻土中施加生物炭對(duì)烤煙葉片數(shù)的影響不顯著。本研究中，生物炭顯著提高了烤煙圓頂期時(shí)的有效葉片數(shù)，原因可能是生物炭改善了土壤保肥性能和養(yǎng)分有效性，葉片凈光合速率增強(qiáng)，從而有利于烤煙中上部煙葉的營養(yǎng)吸收和開片，烤煙的產(chǎn)量、產(chǎn)值和上等煙比例也隨之增加。從煙葉經(jīng)濟(jì)性狀來看，綠肥掩青與生物炭結(jié)合（穴施750 kg/hm2或撒施4 500 kg/hm2）效果較好。

表6 不同處理對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響Tab.6 Effects of different treatments on soil microbial quantity （cfu·g-1）

一般認(rèn)為，河南烤煙中部煙葉煙堿含量、糖堿比、氮堿比、鉀氯比和兩糖比的較合適范圍分別為2.0%～2.8%、8.0～9.5、0.7～1.0、≥3.0和≥0.8［14］。研究表明，增施生物炭能顯著提高烤煙中部煙葉的總糖含量，降低煙堿含量，使化學(xué)成分更協(xié)調(diào)，煙葉的香吃味和口感得以改善［5］。此外，生物炭能降低烤煙對(duì)銨態(tài)氮的吸收速率［28］，提高土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的相對(duì)比例［29］，減少植株對(duì)氮素的吸收，從而削弱煙葉中煙堿的合成［30］。本研究中發(fā)現(xiàn)，生物炭可降低烤煙的煙堿和總氮含量，提高總糖、還原糖和鉀含量，這與前人的研究結(jié)果一致［21,23］。同時(shí)，生物炭改變了煙葉兩糖及鉀氯含量，提高了糖堿比、鉀氯比和燃燒性，這可能與生物炭調(diào)節(jié)土壤碳/氮比值、改善土壤微生態(tài)環(huán)境、提高煙葉質(zhì)體色素含量，進(jìn)而提升煙葉品質(zhì)有關(guān)［5］。此外，關(guān)于生物炭對(duì)烤煙氯離子含量的影響，不同研究者的結(jié)論有所差異，煙葉氯離子含量有上升［5］、不變［29］和下降［31］3種變化，并受生物炭用量［23］、土壤類型［27］等因素的影響。因此，生物炭對(duì)烤煙吸收氯離子方面的影響與生物炭種類、施用方式及土壤環(huán)境密切相關(guān)，其具體作用機(jī)理還需進(jìn)一步研究。綜合來看，深耕條件下配施生物炭撒施4 500 kg/hm2和穴施750 kg/hm2，或綠肥掩青后撒施4 500 kg/hm2、條施生物炭3 000 kg/hm2和穴施750 kg/hm2，均可改善烤煙化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性。

由于生物炭含有大量K+、Ca2+、Mg2+等鹽基離子，且本身是堿性的，故可提高酸性土壤的pH，但其對(duì)偏堿性土壤的pH作用效果不明顯［32］。有報(bào)道指出，生物炭可提高土壤總碳和總氮含量［33］，大田增施生物炭后土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量上升顯著，且提升效果隨著生物炭用量的增加而增加［23］，本研究中也發(fā)現(xiàn)有類似趨勢，這可能與生物炭和肥料的互補(bǔ)或協(xié)同作用有關(guān)，即生物炭豐富的官能團(tuán)和巨大的比表面積可吸附多種離子，延緩肥料養(yǎng)分在土壤中釋放并降低養(yǎng)分淋失，從而增加土壤保肥性能和養(yǎng)分的有效性［2］。本研究中還發(fā)現(xiàn)，與深耕處理相比，相同用量的生物炭結(jié)合綠肥處理后土壤養(yǎng)分指標(biāo)的增幅相對(duì)較高，這可能是由于油菜綠肥的養(yǎng)分較為豐富，碳氮比適中，還田后易于被微生物分解發(fā)酵，進(jìn)而促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的增加［34-35］。此外，生物炭可促進(jìn)以羧酸類和多聚物類物質(zhì)為碳源的土壤微生物生長，增強(qiáng)微生物對(duì)碳源的利用程度［36］。本研究中生物炭施入土壤后顯著增加了圓頂期時(shí)土壤的細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量，這與前人的研究結(jié)果一致［25］，這可能與生物炭的多微孔結(jié)構(gòu)為微生物提供了較好的棲息環(huán)境有關(guān)［37］。生物炭對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響與生物炭自身特性、土壤類型及試驗(yàn)地條件等多種綜合因素密切相關(guān)，而土壤環(huán)境變化的復(fù)雜性，使生物炭對(duì)土壤微生物的數(shù)量和多樣性的影響較難預(yù)計(jì)［38］；本研究中穴施生物炭后圓頂期時(shí)細(xì)菌、放線菌數(shù)量無明顯變化，可能與取樣點(diǎn)位置距離生物炭穴施點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn)、穴施生物炭用量相對(duì)有限等因素有關(guān)。

4 結(jié)論

深耕或綠肥掩青條件下配施生物炭，提高了烤煙株高、葉片數(shù)、莖圍和葉面積等農(nóng)藝性狀指標(biāo)，烤煙產(chǎn)量、產(chǎn)值和上等煙比例等經(jīng)濟(jì)性狀也相應(yīng)提升，烤煙化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性得到明顯改善。深耕或綠肥掩青條件下配施生物炭可提高土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、堿解氮、速效磷和速效鉀、DOC及總氮等養(yǎng)分含量。與對(duì)照相比，條施和撒施生物炭顯著增加了圓頂期時(shí)的微生物數(shù)量；相比深耕處理，綠肥掩青后土壤多種養(yǎng)分含量的增幅相對(duì)較高，更有利于微生物的繁殖。綜合比較各處理，以撒施4 500 kg/hm2或穴施750 kg/hm2效果較好。