[免费论文]生物炭对植烟土壤的改良作用
,从而使烟草生理代谢失调.烟叶质量下降[3].改良植烟土壤.提高烟叶品质已经成为烟草行业可持续发展亟待解决的问题.生物炭是在低氧环境下,通过控制性的高温裂解(400~700℃)将木材.草.玉米秸秆等作物废弃物或动物骨骼等炭化,产生富含碳元素的固态产物[4~6].生物炭富含的有机碳大多以稳定芳香环不规则叠层堆积存在[7].生物炭具有巨大的表面积.发达的孔隙结构和较强的吸附能力[8],可以吸附铵.硝酸盐.磷和其他水溶性盐离子,具有较好的保肥性能[9],同时也给土壤微生物栖息和生长提供了良好的环境条件.生物炭呈弱碱性,具有较高的阳离子交换量,且本身具有一定的矿质养分,施入土壤后可以提高酸性土壤pH值,增加土壤阳离子交换量,改善土壤养分状况[10,11].还有报道指出[12]生物炭与其他有机肥或无机肥料配合施用可提高作物产量.目前,关于生物炭对土壤肥力的探究较多集中在风化土及典型热带贫瘠土壤上[13,14],对作物生长影响的探究集中在牧草[15].水稻[16].玉米[17]等作物上,关于生物炭对烟草的影响及利用生物炭改善植烟土壤的探究报道则较少[18,19].鉴于此,本文通过田间对比试验,探究施用生物炭对植烟土壤化学特性.烟叶品质等的影响,以期为生物炭改良植烟土壤及提高烤烟品质和经济性状提供参考依据.1材料与方法1.1试验点概况大田试验于2015年在河南省郏县进行.土壤类型为褐土,土壤pH6.12,有机质14.72gkg-1,碱解氮38.69mgkg-1,速效磷49.27mgkg-1,速效钾136.04mgkg-1.1.2供试材料供试烤烟品种为中烟100.本试验所用生物炭以花生壳为原料,将风干的花生壳粉碎后装入炭化炉中,在密封低氧状态和500℃下连续炭化而成,生物炭基本理化性质：pH7.17,全碳42.03%,无机碳0.007molL-1,CEC93.91cmolL-1.化肥使用复合肥(氮磷钾比例为1∶1∶2),氮肥施用饼肥,磷肥施用重过磷酸钙,钾肥为K2SO4.1.3试验设计试验设六个处理,分别为：对照CK(不施肥);T1常规施肥；T2(T1+生物炭4500kghm-2);T3(T1+生物炭9000kghm-2);T4(T1+生物炭4500kghm-2-纯氮5%);T5(T1+生物炭9000kghm-2-纯氮10%).处理T1.T2.T3施肥情况：N.P2O5.K2O用量分别为45.90.135kghm-2,处理T4:N.P2O5.K2O用量分别为42.75.85.5.128.25kghm-2.处理T5:N.P2O5.K2O用量分别为40.5.81.121.5kghm-2.70%的肥料作为基肥条施,30%作为窝肥穴施.配施生物炭时,其中1500kghm-2的生物炭与窝肥充分混匀后穴施,另一部分在起垄前撒施,撒匀后机械翻地,深度为0~20cm.试验采用随机区组设计,每个处理3次重复,每个小区面积66.7m2,株行距为50cm×120cm,于5月1日移栽,大田管理按照当地优质烟叶生产技术规程执行.1.4测定项目及方法1.4.1土壤特性分别在移栽后30d.60d和90d,用土钻在各小区烟株根部以烟株为圆心.15cm为半径的范围内采集土壤样品.一部分土样风干后过筛,用于测量土壤化学性质；另一部分鲜土于4℃保存,用于测量土壤微生物数量.土壤碱解氮采用碱解扩散法[20]测定；速效磷采用NaHCO3浸提钼锑抗比色法[20]测定；速效钾采用NH4OAc浸提,火焰光度法[20]测定；pH采用水浸提pH计法[20]测定；有机质含量采用重铬酸钾法[20]测定；土壤阳离子交换量采用乙酸铵交换法[20]测定.土壤微生物数量采用平板计数法[21]进行分离测定；细菌.真菌.放线菌分别采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基.马丁氏培养基和改良高氏1号培养基.1.4.2烟叶品质和经济性状烟叶成熟后按部位依次采收,并按照处理单独挂杆烘烤,对烤后烟叶进行分级,各个等级单独称样.计产.取C3F.B2F样品各1.0kg进行常规化学成分测定.还原糖和总糖按照YC/T159-200进行测定,烟碱.总氮.K+.Cl-分别按照YC/T159-2002.YC/T161-2002.YC/T173-2003.YC/T16/2-2002进行测定[22].单料烟感官评价由河南中烟.湖北中烟和河南农业大学评吸专家(共5人)进行,评价指标分为风格特征和品质特征,评分标准采用0~5分等距标度评分法[23],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,烤烟品质越好.1.5数据剖析采用MicrosoftOfficeExcel2003和SPSS22.0进行数据处理和统计剖析.2结果与剖析2.1生物炭与化肥配施对土壤特性的影响2.1.1生物炭与化肥配施对土壤碱解氮的影响如图1所示,各处理土壤碱解氮含量变化趋势一致,均随着烤烟生育期推进而增加.移栽后30d时,处理T3碱解氮含量为68.50mgkg-1,略高于处理T2,但高于T155.08%之多,且处理T3与T1间差异显着.移栽后60d时,处理T4碱解氮含量最低,仅为70.26mgkg-1.移栽后90d时,处理T3碱解氮含量最高,达到117.06mgkg-1,T2次之,处理T3与T2间无显着差异,但与其它处理间差异达到显着水平.此时,处理T4和T5碱解氮含量均低于T1,且差异显着.可以看出,生物炭能够显着增加土壤碱解氮含量,尤其是在烤烟生长前期.2.1.2生物炭与化肥配施对土壤速效磷的影响从图2可以看出,除处理T3以外,其它处理土壤速效磷含量呈现先增加再降低的趋势.移栽后30d时,处理T2.T3.T4.T5速效磷含量分别占T1的92.69%.85.81%.63.66%.59.32%,移栽后60d时,处理T2.T3.T4.T5速效磷含量分别占T1的95.28%.95.78%.93.80%.76.68%.在移栽后60d之前,施加生物炭的处理速效磷含量均低于常规施肥处理,且差异达到显着水平,说明生物炭对土壤速效磷表现出抑制作用,随着烤烟生长,这种抑制作用减弱.移栽后90d时,处理T2.T3和T4速效磷含量超过T1,其中处理T3速效磷含量高达98.71mgkg-1,高出处理T133.34%之多,且处理T3与其它处理间差异显着,此时生物炭对土壤速效磷表现出促进作用.2.1.3生物炭与化肥配施对土壤速效钾的影响整体来看,土壤速效钾含量表现为先增加后降低.在整个生育期内,处理T2速效钾含量均为最高,T3次之,说明生物炭施入量过多会减弱其对土壤速效钾的促进作用.移栽后60d时,各处理速效钾含量达到峰值,处理T2.T3速效钾含量分别为235.27mgkg-1和211.38mgkg-1,分别高于T153.02%和37.48%,且处理T2与T1间差异达到显着水平(图3)2.1.4生物炭与化肥配施对土壤有机质含量的影响由图4所示,在整个大田生育期内,各处理土壤有机质含量呈现持续增加的趋势.移栽后60d之前,处理T2.T3和T4有机质含量均大于T1.其中处理T3有机质含量最高,与T1之间差异显着.移栽后90d时,处理T3有机质含量高达16.88gkg-1,T2次之,为16.62gkg-1,分别高于处理T17.65%和5.99%.此时处理T3.T2与T1间差异达显着水平.剖析得出,生物炭可以显着提高土壤有机质含量,且土壤有机质含量随生物炭用量增加而增加.2.1.5生物炭与化肥配施对土壤pH值的影响土壤pH对植物的生长发育及土壤养分的有效性影响很大,也是衡量植烟土壤适宜性的重要指标之一[24].由图5可知,随着大田生育期推进,各处理pH整体上呈现升高的趋势.移栽后30d时,施加生物炭的处理pH均高于T1,处理T3高出T10.76个单位,且二者间差异显着.移栽后60d时,各处理pH均有不同程度增加.移栽后90d时,pH在各处理间表现为T3>T2>T4>T5>T1>CK,其中处理T3pH达7.77,高出T11.18个单位,与其它处理间差异达到显着水平.生物炭能够显着提高植烟土壤pH值,尤其是在烤烟生长后期.2.1.6生物炭与化肥配施对土壤阳离子交换量的影响CEC是土壤的基本特性和重要肥力影响因素之一,它直接反映土壤保蓄.供应和缓冲阳离子养分(K+.NH4+)的能力,同时影响多种其它土壤理化性质[25].由图6可以看出,除CK以外,其它处理土壤阳离子交换量(CEC)整体上表现出持续升高的趋势.处理T3在整个生育期内一直保持最高水平,T2次之,可以看出生物炭能够增加土壤CEC,且土壤CEC随生物炭用量增加呈现递增的趋势.2.1.7生物炭与化肥配施对土壤微生物数量的影响如表1所示,细菌数量在整个大田生育期表现为先增加后减少.不同时期细菌数量规律均是T3>T2>T4>T1>T5>CK.移栽后60d之前,处理T3与T1间差异达到显着水平.施加生物炭可以提高细菌数量,且细菌数量随生物炭用量增加呈现上升趋势.在真菌方面,移栽后30d时,施加生物炭的处理真菌数量均低于常规施肥处理；至移栽后60d时,各处理真菌数量均有所增加(除T5除外),处理T2和T3增加幅度较大,分别为31.82%和43.48%.此时,处理T2和T3真菌数量大于T1,且处理T3与T1间差异达显着水平.移栽后90d时,处理T2和T3真菌数量呈上升趋势,而其它处理均有所减少.随大田生育期推进,放线菌数量整体表现出先增加后减少的趋势.不同时期放线菌数量规律均呈现：T3>T2>T1>T4>CK>T5.移栽后60d时,处理T3放线菌数量高达5.2×106cfug-1土,与其它处理差异达显着水平.2.2生物炭与化肥配施对烤烟品质和经济性状的影响2.2.1生物炭与化肥配施对烤后烟叶化学成分及协调性的影响烤烟烟叶内在化学成分及其协调性是评价烤烟品质的重要指标[26~28].由表5可知,处理T2~T5烟碱含量均高于T1,说明生物炭可以提高烟叶的烟碱含量,但处理T4.T5中部叶烟碱含量超出优质烟叶2.0%~2.8%[29]的最适范围,烟碱含量过高会导致刺激性大,味苦,烟味辛辣[30].烟草是喜钾作物,烟叶钾含量不仅影响卷烟燃烧性和焦油释放量,而且对提高香气含量.改善烟叶香吃味以及烟叶外观和内在品质均有明显的影响[31].处理T2~T5烟叶钾含量均高于T1,其中处理T3钾含量高于T2,且二者间差异显着,说明生物炭能够提升烟叶钾含量,烟叶钾含量随生物炭用量增加呈现递增的趋势.整体来看,处理T2~T5两糖含量均小于T1,但在各处理间无明显规律.处理T2~T5中部叶总糖含量处于优质烟叶18%~22%[32]的范围,而上部叶总糖含量均高于优质烟叶适宜范围.处理T2和T3氯含量低于T1,T3与T1间差异不显着,而T2与T1间存在显着差异,处理T4和T5氯含量高于T1.处理T2.T3.和T4的钾氯比均高于T1,且它们与T1间差异显着,而处理T5的钾氯比略低于T12.2.2生物炭与化肥配施对烤后烟叶单料烟评吸质量的影响由表3可以看出,中.上部烟叶评吸标度值均呈现T3>T2>T4>T1>T5>CK的规律.处理T3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,且刺激性和干燥感较弱,处理T2在柔和程度上略低于T3.处理T5在柔和程度和圆润感方面较低.刺激性较大,从而导致标度值低于T1.2.2.3生物炭与化肥配施对烤烟经济性状的影响如表4所示,不同处理在各项经济性状指标方面呈现出一致的规律,即T3>T2>T4>T1>T5>CK.在产量方面,处理T2.T3.T4相对于处理T1分别提高了8%.18.15%.2.15%,处理T4与T1间无显着差异,处理T2.T3与T1间差异达到显着水平.处理T3产值高达41241.60元hm-2,相对于T1提高了24.41%,且二者间差异显着.在均价方面,处理T2和T3相对于T1分别提高了4.41%和5.29%,处理T3与T2间无显着差异,但它们与T1间差异达到显着水平.处理T3上中等烟比例高达88.03%,比T2高出了2.41%,但差异不显着；T3相对于T1提高了8.62%,二者差异达到显着水平.总体而言,以处理T3烟叶产量和经济效益最高,T2次之.3探讨生物炭固有的结构特征与理化特性,使其施入土壤后对土壤基础肥力和土壤微生物等产生一定的影响.土壤有机质不仅含有植物生长所需的各种营养元素,而且还是土壤肥力的物质基础,对土壤理化性质的改变具有重要作用[19].生物炭的化学结构虽然不同于有机质,但其分子结构为稳定芳香环结构,施入土壤中一样可以提高土壤有机碳含量,而且生物炭对土壤有机质含量的提高幅度与生物炭用量有关[7,33].本探究结果表明,施入生物炭显着提高了土壤有机质含量,有机质含量随生物炭用量增加呈现递增的趋势,这与Schmidt等[34]探究结果一致.生物炭不仅能稳定土壤有机碳库,还能有效减少土壤养分淋失[35].袁金华等[36]探究发现生物炭可以不同程度的增加红壤和黄棕壤的pH.土壤交换性盐基数量和盐基饱和度等,有效截留土壤养分以保持土壤肥力.也有探究认为[37,38],生物炭对土壤营养元素有较强吸持能力,可以提高土壤有效养分和生产性能.本探究结果表明施入生物炭对土壤pH.CEC及碱解氮和速效钾含量有提高作用.主要因为生物炭具有较多的官能团和较强的吸附能力,可以吸附硝酸盐.铵盐及其他水溶性盐离子,增加土壤CEC,降低土壤养分的淋溶损失[39].生物炭灰分中含有的盐基离子可以交换降低土壤中的氢离子及交换性铝离子水平[7,40,41],提高土壤盐基离子的饱和度,从而提高土壤pH值.此外,生物炭的施入引起土壤有机碳含量增加,进而导致土壤C/N比升高,使土壤对氮素及其他养分元素吸持容量增大[35].有探究发现[19]植烟土壤碱解氮含量随烤烟生育期推进表现为先升高后降低,在旺长期达到峰值.而本探究中土壤碱解氮含量呈现持续升高的趋势,造成这种现象的原因可能与生物炭和肥料的互补或协同作用有关,生物炭可以延缓肥料养分在土壤中的释放和降低养分淋失[42,43].虽然大部分生物炭不能被土壤微生物利用,但是生物炭特殊的结构能改善微生物细胞的附着性能,为土壤微生物提供良好的栖息环境[44].本探究结果表明,施加生物炭增加了土壤真菌.细菌和放线菌数量,且土壤微生物数量随生物炭用量增加而递增,这与吕伟波[45]探究结果一致.生物炭巨大的比表面积.发达的孔隙结构为土壤微生物栖息与繁殖提供了良好场所,生物炭吸附的肥料又为微生物提供了养分[46],而且生物炭可以明显改变土壤酶的活性[47],从而加速微生物的生长繁殖.本探究结果显示,生物炭提高烟叶钾含量的同时也降低了氯含量,增强了烟叶化学成分的协调性,而且提高了单料烟评吸质量与经济性状,随着生物碳用量增加,单料烟感官质量.烟叶产量.产值及上中等烟比例等呈现递增的趋势.这可能是由于生物炭可以吸附肥料并起到缓释作用,促进烟株对养分的充分吸收,所以在后期可以促进烟叶产量的提高.4结论植烟土壤施加生物炭后,其化学特性得到了明显的改善,土壤速效养分含量.有机质含量.pH值.CEC以及土壤微生物数量均有增加；烤后烟叶品质及经济性状也得到了进一步提高.配施生物炭条件下减纯氮则会对植烟土壤化学特性和烤后烟叶品质及经济性状造成一定的负面影响,生物炭9000kghm-2条件下减纯氮10%不仅减少了土壤速效养分含量.有机质含量.CEC和微生物数量,还降低了烟叶品质和经济性状.综上所述,以常规施肥配施生物炭9000kghm-2对植烟土壤的改良效果和烟叶品质及经济性状的提高作用最佳.参考文献：[1]SOMBROEKWG,DEOLIVEIRAPL.AmazonSoils:AReconnaissanceoftheSoilsoftheBrazilianAmazonRegion[J].Landbouwhogeschool,1966.[2]GOLDBERGED.Blackcarbonintheenvironment[M].NewYork:Wiley,1985.[3]李雪利,叶协锋,顾建国,等.土壤C/N比对烤烟碳氮代谢关键酶活性和烟叶品质影响的探究[J].我国烟草学报,2011,17(3)：32-36.[4]LEHMANNJ,GAUNTJ,RONDONM.Bio-charSequestrationinTerrestrialEcosystemsAReview[J].Mitigation&AdaptationStrategiesforGlobalChange,2006,11(2)：395-419.[5]LAIRDD,FLEMINGP,WANGB,etal.BiocharimpactonnutrientleachingfromaMidwesternagriculturalsoil[J].Geoderma,2010,158(s3-4)：436-442.[6]BRUUNEW,HAUGGAARD-NIELSENH,IBRAHIMN,etal.Influenceoffastpyrolysistemperatureonbiocharlabilefractionandshort-termcarbonlossinaloamysoil[J].Biomass&Bioenergy,2011,35(3)：1182-1189.[7]ZWIETENLV,KIMBERS,MORRISS,etal.Effectsofbiocharfromslowpyrolysisofpapermillwasteonagronomicperformanceandsoilfertility[J].Plant&Soil,2010,327(1-2)：235-246.[8]MAXK,YAELMH,ZOHARP,etal.Impactofbiocharapplicationtosoilontheroot-associatedbacterialcommunitystructureoffullydevelopedgreenhousepepperplants.[J].Applied&EnvironmentalMicrobiology,2011,77(14)：4924–4930.[9]张文玲,李桂花,高卫东.生物质炭对土壤性状和作物产量的影响[J].我国农学通报,2009,25(17)：153-157.[10]王丽渊,丁松爽,刘国顺.生物质炭土壤改良效应探究进展[J].我国土壤与肥料,2014(3)：1-6.[11]NOVAKJM,BUSSCHERWJ,LAIRDDL,etal.ImpactofBiocharAmendmentonFertilityofaSoutheasternCoastalPlainSoil[J].SoilScience,2009,174(2)：105-112.[12]刘瑾,邬建国.生物燃料的发展现状与前景[J].生态学报,2008,28(4)：1339-1353.[13]STEINERC,TEIXEIRAWG,LEHMANNJ,etal.Longtermeffectsofmanure,charcoalandmineralfertilizationoncropproductionandfertilityonahighlyweatheredCentralAmazonianuplandsoil[J].Plant&Soil,2007,291(1)：275-290.[14]OLAUGHLINJ,MCELLIGOTTK.BiocharforEnvironmentalManagement:ScienceandTechnology,JohannesLehmannStephenM.JosephEarthscan,LondonUK(2009),448p[J].ForestPolicy&Economics,2009,11(7)：535-536.[15]邓万刚,吴鹏豹,赵庆辉,等.低量生物质炭对2种热带牧草产量和品质的影响探究初报[J].草地学报,2010,18(6)：844-847.[16]曲晶晶,郑金伟,郑聚锋,等.小麦秸秆生物质炭对水稻产量及晚稻氮素利用率的影响[J].生态与农村环境学报,2012,28(3)：288-293.[17]张晗芝,黄云,刘钢,等.生物炭对玉米苗期生长.养分吸收及土壤化学性状的影响[J].生态环境学报,2010,19(11)：2713-2717.[18]张园营,刘国顺,刘宏恩.施用生物炭对烟叶石油醚提取物及致香物质的影响[J].江西农业学报,2013,25(5)：96-100.[19]赵殿峰,徐静,罗璇,等.生物炭对土壤养分.烤烟生长以及烟叶化学成分的影响[J].西北农业学报,2014,23(3)：85-92.[20]鲍士旦.土壤农化剖析[M].我国农业出版社.年？[21]姚槐应,黄昌勇.土壤微生物生态学及其实验技术[M].北京：科学出版社,2006.[22]宗胜杰,典瑞丽,于晓娜,等.重庆植烟土壤改良及其对烤烟产质量的影响[J].河南农业科学,2015,44(6)：72-75.[23]邓小华,杨丽丽,陆中山,等.湘西烟叶质量风格特色感官评价[J].我国烟草学报,2013(5)：22-27.[24]胡国松,郑伟,王震东.等.烤烟营养原理[M].北京：科学出版社,2000.[25]刘世全,蒲王琳,张世熔,等.西藏土壤阳离子交换量的空间变化和影响因素探究[J].水土保持学报,2004,18(5)：1-5.[26]窦逢科,张景略.烟草品质与土壤肥料[M].郑州：河南科技出版社,1992:50-52.[27]张晓兵,尹洁,杨洋,等.云南烟叶不同部位化学成分的协调性剖析[J].安徽农学通报,2010,16(21)：26-29.[28]朱尊权.从卷烟发展史看中式卷烟”[J].我国烟草学报,2004(2)：1-5.[29]史宏志,张建勋.烟草生物碱[M].北京：我国农业出版社,2004:38-39.[30]于建军,宫长荣.烟草原料初加工[M].北京：我国农业出版社,2009:53.[31]王程栋,王树声,刘新民,等.曲靖烟区土壤化学性状及海拔对烟叶钾含量的影响[J].我国烟草科学,2013,34(4)：25-29.[32]刘国顺.烟草栽培学[M].北京：我国农业出版社,2003.[33]BRUUNS,EL-ZAHERYT,JENSENL.Carbonsequestrationwithbiochar-stabilityandeffectondecompositionofsoilorganicmatter[C]//IOPConferenceSeries:EarthandEnvironmentalScience.IOPConferenceSeries:EarthandEnvironmentalScience,2009.[34]SCHMIDTMWI,NOACKAG.Blackcarboninsoilsandsediments:Analysis,distribution,implications,andcurrentchallenges[J].GlobalBiogeochemicalCycles,2000,14(3)：777-793.[35]何绪生,张树清,佘雕,等.生物炭对土壤肥料的作用及未来探究[J].我国农学通报,2011,27(15)：16-25.[36]袁金华,徐仁扣.稻壳制备的生物质炭对红壤和黄棕壤酸度的改良效果[J].生态与农村环境学报,2010,26(5)：472-476.[37]YUOY,RAICHLEB,SINKS.Impactofbiocharonthewaterholdingcapacityofloamysandsoil[J].InternationalJournalofEnergy&EnvironmentalEngineering,2013,4(1)：1-9.[38]FARRELLM,MACDONALDLM,BUTLERG,etal.Biocharandfertiliserapplicationsinfluencephosphorusfractionationandwheatyield[J].Biology&Fertilityo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