云南省玉溪烟区素有“云烟之乡”之美誉,是中国优质烟叶的价值原点[1]。目前,玉溪市植烟面积约3.7万hm2,年产烟叶8万t左右。近年来,受土地利用方式和农业种植结构调整的影响,植烟区域逐步由山间平地向山坡地转移,山坡地植烟面积已占玉溪植烟面积的70%左右[2]。然而,与山间平地相比,山坡地耕层较浅、坡度较大,土壤有机质含量低、保水保肥能力差且灌溉设施不完善,导致烤烟产量普遍较山间平地低30%左右[3,4]。有机质是土壤的重要组成部分,它不仅可以改善土壤结构和缓冲性能、提高土壤保蓄水分和养分的能力、减少土壤侵蚀和土壤退化[5,6],还可以为土壤微生物提供能量,是影响土壤肥力和作物产量的重要因素[7]。秸秆还田是提高土壤有机质的有效途径之一,然而,烟秆和烟株残体常常携带土传病原菌,烟农秸秆还田的积极性低[8]。如何快速有效提升植烟土壤有机质含量和保水保肥能力,降低烟田对水肥的过度依赖,是优质烤烟生产所面临的问题。生物炭具有稳定性强和孔隙结构发达等特性,近年来在土壤固碳减排、改良土壤和快速提升土壤有机质储量方面的作用受到广泛关注[9]。生物炭是指生物质原材料在无氧条件下,经过高温裂解生成的高度芳香化的固体颗粒物质[10,11,12,13]。生物炭多孔,有巨大比表面积和表面负电荷,对土壤养分离子有较强的吸附作用[14,15],能够有效降低养分损失、提高养分利用效率[16,17,18,19]。常规施氮水平下,与不施生物炭的对照相比,施用9~12t/hm2生物炭可显著提高三大粮食作物（水稻、小麦、玉米）吸氮量和氮肥农学利用效率,并显著降低氮素表观损失量[20,21,22]。此外,生物炭制作过程中无氧或高温裂解过程能有效杀灭植物残体所携带的有害微生物,抑制土传病害传播,对维持土壤生态系统平衡发挥着重要作用[23]。然而,有关生物炭对烟株产量和资源利用效率的研究鲜见报道,并且已有研究的结论也不尽一致。王卫民等[24]研究发现,根区穴施水稻秸秆生物炭后,烟株株高、叶面积等农艺性状表现较好,能够增加烟株的生物量,但随着生物炭施用量的增加,烟株生长发育受到一定程度的抑制,在3 300kg/hm2的生物炭用量下,烤烟整个生育期生长发育表现最好。代快等[25]在云南黄红壤、黄棕壤、赤红壤、水稻土和紫色土等5种不同土壤类型的盆栽试验表明,与不施用生物炭的对照相比,黄红壤和黄棕壤施用生物炭后烤烟产量有所下降或无明显差异,赤红壤、水稻土、紫色土烤烟产量则有所提高。邢光辉等[26]在豫西的研究结果表明,生物炭施用量介于10~40g/穴可显著提高烟株产量,这可能与生物炭种类和用量、供试土壤性质、气候条件和作物生物学特性有关。因此,在研究生物炭对作物生长和产量的影响时,需根据当地土壤条件和品种特性因地制宜,寻找适宜的生物炭施用量。
据此,在云南省玉溪烟区,采用统一的试验方案,以相邻山间平地为对照,选择3个山坡地施用不同数量的生物炭,通过测定烟株烟叶产量和产值、主要农艺性状、氮肥利用效率和土壤氮素表观损失量,评价低肥力山坡地施用生物炭的效果和适宜施用量,为玉溪山坡地植烟提质增效提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验设计与田间管理
采用二因素（地形、生物炭施用量）多点随机区组试验设计。其中地形为主因素,即山坡地植烟区、山间平地植烟区;每种地形各包含3个独立的试验点,分布在江川区、峨山县、通海县。生物炭用量为副因素,包含6个施用量,分别是0（对照）、4.5、9.0、13.5、18.0和22.5t/hm2。此外,为了计算烟株氮肥利用效率和氮素表观损失量,每个试验点增设1个均不施用肥料和生物炭的对照处理。每个处理均设3次重复,区组内各小区随机排列,每个试验点共计21个小区,小区面积为3 000m2（50m×60m）。上述各试验点均按完全统一的试验方案、田间管理、观测和采样方法进行。烟株采烤结束后,对各试验点所有样品进行统一处理和化学测定。从各试验点基础信息和土壤基础理化性状（表1）可以看出,山坡地土壤平均有机质含量显著低于山间平地。
表1 各试验点烤烟种植前茬作物和土壤主要基础理化性状
Table 1
| 地形 Topography | 地点 Site | 前茬作物 Preceding crop | 经度 Longtitude | 纬度 Latitude | 海拔(m) Altitude | 容重(g/cm3) Bulk density | pH | 有机质(g/kg) Organic matter | 无机氮 (mg/kg) Mineral-N | 有效磷 (mg/kg) Olsen-P | 速效钾 (mg/kg) Available-K |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 山间平地植烟区 Plain between mountain area | 江川Jiangchuan | 大白菜 | 102°43′42″ | 24°21′02″ | 1 743 | 1.36 | 6.3 | 16.2 | 23.6 | 49.2 | 244 |
| 峨山Eshan | 菜豌豆 | 102°25′56″ | 24°09′01″ | 1 569 | 1.31 | 6.3 | 18.0 | 17.0 | 31.5 | 258 | |
| 通海Tonghai | 洋葱 | 102°27′46″ | 24°06′54″ | 1 827 | 1.35 | 6.4 | 16.5 | 13.2 | 34.2 | 306 | |
| 平均Average | 1 713 | 1.34a | 6.3a | 16.9a | 17.9a | 38.3a | 269a | ||||
| 山坡地植烟区 Mountain slope area | 江川Jiangchuan | 大白菜 | 102°40′37″ | 24°24′31″ | 1 851 | 1.27 | 5.8 | 14.6 | 22.3 | 35.6 | 189 |
| 峨山Eshan | 菜豌豆 | 102°03′41″ | 24°10′26″ | 1 950 | 1.22 | 6.5 | 14.9 | 18.1 | 46.5 | 262 | |
| 通海Tonghai | 洋葱 | 102°41′10″ | 24°12′30″ | 1 959 | 1.25 | 6.1 | 13.7 | 15.0 | 42.1 | 234 | |
| 平均Average | 1 920 | 1.25b | 6.1a | 14.4b | 18.5a | 41.4a | 228a | ||||
Note: Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05)
注:不同小写字母表示差异显著（P<0.05）
各试验点烟株供试品种为K326,采用膜下小苗移栽,于2017年4月28-30日进行移栽,于9月1-5日结束采烤。依据试验设计计算各小区生物炭用量,于移栽前1周将生物炭均匀撒施于小区内,旋耕至20cm土层;此后,起垄、做移栽穴,垄高30cm左右,移栽穴直径40cm、深40cm。移栽前,将相应肥料施入移栽穴,与土壤混匀后移栽50d苗龄的幼苗。烟株的株、行距分别为0.5m、1.2m,即种植密度为16 500株/hm2。
试验用生物炭由烟秆高温热解制作,制备过程分为最高热解温度和反应停留时间两个变量。其中,最高热解温度设为450℃,升温时间约为1h,反应停留时间为30min[27]。通过上述方法制得生物炭的基本理化性质为:含碳量67%、灰分18%、比表面积6.0m2/g、pH 9.4、全氮3.4%、碱解氮0.33%、有效磷2.27%、有效钾1.3%。除对照外,所有处理施N 90kg/hm2、P2O545kg/hm2、K2O 300kg/hm2。供试肥料为烤烟专用复合肥（N:P2O5:K2O=12:6:24）和硫酸钾肥（K2O 50%）。基肥采用烤烟专用复合肥,施用量占复混肥总用量的50%。移栽后25d采用对水浇施的方法,追施剩余50%复混肥;移栽后40d对水浇施硫酸钾肥,用量为240kg/hm2。其他田间管理技术参照《玉溪优质烤烟综合标准》执行。
1.2 土壤样品采集与分析方法
2017年试验开始前和烤烟采烤结束后,用直径4cm土钻采集0~30cm土壤基础样品。在每个试验点随机选取5个点采集土壤样品,充分混匀后,取500g左右装入已标明采样地点与时间的封口袋,然后带回实验室风干,过2mm土筛,用于土壤基础物理与化学性状测定与分析。此外,用不锈钢环刀在每个试验点采集3个原状土样,用于测定土壤容重。采用电位法将土壤与去离子水按照1:1的比例进行浸提,之后用pH计测定土壤pH[28]。采用油浴加热重铬酸钾氧化·容量法测定土壤有机质含量[28]。采用2mol/L KCl浸提液浸提,之后用流动分析仪（Autoanalyser AA3,Bran &Luebbe,Nordstadt,德国汉堡）测定土壤NO3--N和NH4+-N含量。采用0.5mol/L碳酸氢钠浸提,钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量。采用1mol/L乙酸铵浸提,原子吸收分光光度法测定有效钾含量。
1.3 植株样品采集与分析方法
在团棵期,各小区选取长势均匀的9株烟株,挂3cm×5cm吊牌标记,用于团棵期、旺长期和打顶期株高、茎围等主要农艺性状调查（YC/T 142-2010烟草农艺性状调查方法）。采烤期,按照GB 2635-1992《烤烟》分级方法,对烟叶进行分级,调查烟叶产量、产值、单叶重、均价、上等烟比例等经济指标。此外,每个小区随机采集1株烟株样品,将其混合后,于烤房中烘干至恒重,用粉碎机粉碎,用于测定烤烟总氮含量（YC/T 161-2002烟草及烟草制品总氮的测定-连续流动分析仪法）。相对增幅、氮肥农学利用率、氮肥回收利用率[29]和氮素表观损失量计算方法如下。
相对增幅（%）=（施加生物炭处理的指标值-不施加生物炭处理的指标值）/不施加生物炭处理的指标值×100;
氮肥农学利用率（kg/kg N）=（施氮区产量-对照区产量）/施氮量;
氮肥回收利用率（%）=（施氮区氮素吸收量-不施氮区氮素吸收量）/施氮量×100;
氮素表观损失量（kg/hm2）=（移栽前土壤无机氮+施氮量+土壤氮净矿化量）-（烤烟氮素吸收量+收获后土壤残留无机氮）。
土壤净矿化氮（kg/hm2）=不施氮小区氮素吸收量+不施氮小区收获后土壤无机氮含量-不施氮小区移栽前土壤无机氮含量。
1.4 数据处理与统计分析
用Excel 2010进行数据处理。采用SAS 9.2中的GLM过程模型进行二因素和单因素方差分析,二因素方差分析模型包括地形和生物炭,以及地形×生物炭的交互作用。二因素和单因素分析均用最小二乘法（LSD）在0.05水平进行差异显著性检验。用Origin 8.0软件作图。
2 结果与分析
2.1 不同生育期烟株农艺性状与烟叶产量
表2 地形和生物炭对烟叶产量和产值等指标的二因素方差分析（P值）结果
Table 2
| 处理 Treatment | 产量 Yield | 产值 Economic value | 单叶重 Weight per leaf | 产量相对增幅 Relative increase in yield | 产值相对增幅 Relative increase in economic value |
|---|---|---|---|---|---|
| 地形Topography | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.001 |
| 生物炭Biochar | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.058 |
| 地形×生物炭Topography×Biochar | 0.3529 | 0.4662 | 0.1818 | 0.1272 | 0.3920 |
图1
图1
地形（n=54）和生物炭（n=18）对烤烟产量和产值的影响
“***”表示地形间在0.001水平差异显著;不同小写字母表示生物炭处理在0.05水平间差异显著,下同
Fig.1
Effects of topography (n=54) and biochar (n=18)on yield and economic value in tobacco
"***" indicate statistically significant difference between mountain slope areas and plain between mountain areas at 0.001 probability level; bars labeled with the different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05) between biochar treatments. The same below
图2
图2
地形（n=45）和生物炭（n=9）对烤烟产量和产值相对增幅的影响
“*”、“**”表示地形间在0.05、0.01水平差异显著;ns表示差异不显著。下同
Fig.2
Effects of topography (n=45) and biochar (n=9) on relative increase of yield and economic value in tobacco
"*", "**" indicate statistically significant difference between mountain slope areas and plain between mountain areas at 0.05, 0.01 probability level; ns indicate no significant. The same below
山间平地烟株单叶重显著高于山坡地（图3）。随着生物炭施用量增加,山坡地和山间平地烟株单叶重先显著增加,当生物炭施用量超过13.5t/hm2后,二者间单叶重差异不显著（图3）。两种地形间,生物炭施用量为9.0和13.5t/hm2时,山坡地烟株单叶重相对增幅显著高于山间平地;其他生物炭施用量处理,两种地形间差异不显著（图3）。同一地形内随着生物炭用量增加,山坡地单叶重相对增幅达显著水平;其中生物炭施用量达13.5t/hm2时单叶重相对增幅显著高于4.5t/hm2施用量处理,但与18.0和22.5t/hm2施用量处理差异不显著。然而,山间平地生物炭不同施用量间单叶重相对增幅均无显著差异（图3）。此外,团棵期和旺长期,施加生物炭对烟株株高、茎粗、叶片数均不存在显著影响;打顶期,施加生物炭显著影响烟株株高、叶片数和叶面积指数（表3）。
图3
图3
地形（n=54）和生物炭（n=18）用量对烟株单叶重及其相对增幅（n=9）的影响
Fig.3
Effects of topography (n=54) and biochar (n=18) on weight per leaf and relative increase (n=9)
表3 地形和生物炭对不同时期烤烟农艺性状的二因素方差分析（P值）结果
Table 3
| 性状Trait | 团棵期Rosette | 旺长期Vigorous | 打顶期Topping | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 地形 Topography | 生物炭 Biochar | 地形×生物炭 Topography× Biochar | 地形 Topography | 生物炭 Biochar | 地形×生物炭 Topography× Biochar | 地形 Topography | 生物炭 Biochar | 地形×生物炭 Topography× Biochar | |||
| 株高Plant height | 0.0001 | 0.0603 | 0.7898 | 0.0001 | 0.0645 | 0.9582 | 0.0001 | 0.0080 | 0.9168 | ||
| 茎粗Stem diameter | 0.0562 | 0.9932 | 0.9955 | 0.0001 | 0.8941 | 0.9723 | 0.0001 | 0.2915 | 0.9751 | ||
| 叶片数Number of leaf | 0.0025 | 0.9389 | 0.9925 | 0.0001 | 0.3915 | 0.9855 | 0.0001 | 0.0105 | 0.3782 | ||
| 叶面积指数Leaf area index | 0.0001 | 0.9737 | 0.9955 | 0.0001 | 0.4979 | 0.9990 | 0.0001 | 0.0002 | 0.9470 | ||
2.2 烟株氮素利用效率与土壤氮素表观平衡
二因素方差分析结果表明,地形和生物炭施用量均显著影响了烟株氮素吸收量、氮肥农学利用率、氮肥回收利用率和氮素表观损失量,但地形和生物炭施用量之间不存在显著交互作用（表4）。
表4 地形和生物炭对烟株氮素吸收量和氮肥利用率的二因素方差分析（P值）结果
Table 4
| 处理 Treatment | 氮素吸收量 Nitrogen uptake | 氮肥农学利用率 Nitrogen agronomic use efficiency | 氮肥回收利用率 Nitrogen fertilizer recovery efficiency | 氮素表观损失 N apparent loss |
|---|---|---|---|---|
| 地形Topography | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.001 |
| 生物炭Biochar | 0.001 | 0.001 | 0.027 | 0.001 |
| 地形×生物炭Topography×Biochar | 0.5718 | 0.9724 | 0.9272 | 0.5032 |
图4
图4
地形（n=18）和生物炭对烤烟氮素吸收量（n=6）及其相对增幅（n=3）的影响
Fig.4
Effects of topography (n=18) and biochar (n=6) on nitrogen uptake amount and relative increase (n=3)
图5
图5
地形（n=54）和生物炭（n=18）对氮肥农学利用率和回收利用率及其相对增幅（n=3）的影响
Fig.5
Effects of topography (n=54) and biochar (n=18) on nitrogen use efficiency and recovery efficiency and relative increase (n=3)
图6
图6
地形（n=18）和生物炭（n=6）对氮素表观损失量的影响
Fig.6
Effects of topography (n=18) and biochar (n=6) on N apparent loss
3 讨论
近年来,生物炭作为一种新型材料在诸多研究领域中备受重视。由于生物炭固有的结构特征与理化特性,其在改良土壤、降低温室气体排放、提高土壤保水保肥能力、环境生态修复等方面的功能已得到广泛认可[30]。目前,关于生物炭对不同作物生长和产量的影响,国内外尚无明确结论[21,31-34]。生物炭与氮肥配施可以显著增加水稻籽粒产量,生物炭施用量介于4 500~9 000kg/hm2时,水稻籽粒产量与生物炭用量呈显著正相关[21,31];然而,施用量增加到16t/hm2时,水稻籽粒产量反而减少了15%[31]。本研究结果表明,当生物炭施用量低于13.5t/hm2时,烟叶的产量、产值和单叶重均显著增加;超过这一施用量,其增幅不显著。这与以往在经济作物烟草和大豆上应用生物炭可增产15%左右的研究结果[35,36,37,38]基本一致,也与其在玉米和小麦等粮食作物可增产5%~18%的研究结果[20,22,39]基本吻合。也有研究[26]表明,生物炭对作物生长存在抑制作用,并可能导致烟叶产量减产18%~25%。这主要是由于生物炭施用量过大,因其疏松多孔的结构、巨大的比表面积和阳离子交换量,吸附了土壤中的速效养分,而使肥料释放速度延缓,进而抑制了当季作物生长[26,40]。
山坡地烟叶产量和产值显著低于山间平地,但施用生物炭后,肥力水平较低的山坡地烟叶产量、产值和单叶重的增加幅度显著高于肥力水平较高的山间平地植烟区。一般而言,作物产量一方面取决于品种特性,另一方面与栽培措施和土壤理化性状密切相关。本研究中,3个试验点供试品种均为K326,且田间施肥和栽培管理措施均参照玉溪优质烤烟标准严格进行。已有研究[7,25,41]表明,施用生物炭对作物产量的影响不仅和生物炭施用量有关,还与土壤质地和肥力状况有关。在肥力较低的山坡地地形内,生物炭施用量为13.5t/hm2的处理烟叶产量和产值相对增幅显著高于生物炭低施用量处理;继续增加生物炭施用量,则无显著差异。而在肥力较高的山间平地,各生物炭施用量之间烟叶产量和产值相对增幅不存在显著差异。生物炭具有多孔、巨大比表面积和表面负电荷等特性,对肥力水平较低的山坡地而言,可提高土壤保水保肥能力[16-17,30]。这一点从应用生物炭后,山坡地烟株氮素吸收量和氮肥利用率的增幅显著高于山间平地可以得到很好的验证。
烤烟氮肥利用率和氮素表观损失量既可以反映生产成本投入情况,也可以表征肥料的投入量是否合理[42]。如何提高烤烟氮肥利用率,进而降低氮素表观损失量,减少环境污染越来越多地受到人们的关注。一般而言,合理的氮肥运筹可提高氮肥利用率,降低氮素表观损失量。此外,通过调节土壤理化性状,降低损失途径也可实现上述目标[43]。目前,《玉溪优质烤烟综合标准》建议氮肥施用量为90kg/hm2,这一用量基本能够满足烟株对氮肥的需求。施用生物炭可有效降低土壤氨挥发,显著减少土壤氮素淋溶损失,提高土壤对氮素的固持能力和作物对氮素的吸收利用率,从而提高作物产量[42]。本研究结果表明,与不施用生物炭的对照处理相比,施用生物炭显著提高了烟株氮素吸收量、氮肥农学利用率和氮肥回收利用率,显著降低了氮素表观损失量。其原因是生物炭具有良好的吸附作用和阳离子交换量,能够吸附土壤铵态氮和硝态氮,提高土壤保肥供肥能力,降低氨挥发和淋失量,并为烤烟生长提供充足的养分,提高了烟株干物质积累量,促进了烟株对养分的吸收,进而提高氮肥利用率,降低氮素表观损失量[42,44]。此外,施用生物炭后,肥力水平较低的山坡地烟株氮素吸收量和氮肥利用率相对增幅显著高于肥力水平较高的山间平地植烟区。在肥力较低的山坡地,生物炭施用量达13.5t/hm2时,烟株氮素吸收量和氮肥利用率相对增幅显著高于低生物炭施用量处理;继续增加生物炭施用量则无显著差异。在肥力较高的山间平地,各生物炭施用量之间烟株氮素吸收量和氮肥利用率相对增幅则不存在显著差异。
综上所述,在有机质含量较低的山坡地,施用生物炭对提高烟叶产量和产值的效果更加显著,生物炭适宜施用量为13.5t/hm2。
4 结论
施加生物炭可显著提高烟叶产量和产值以及氮肥利用率,使土壤氮素表观损失量显著降低。同一生物炭处理,山坡地植烟区烟叶产量和产值及氮肥利用率相对增幅显著高于山间平地,土壤氮素表观损失量低于山间平地。山坡地植烟区,生物炭施用量为13.5t/hm2时,烟叶产量、产值和烟株氮素利用率相对增幅显著高于生物炭低施用量处理,而氮素表观损失量显著低于生物炭低施用量处理。继续增加生物炭施用量,烟叶产量、产值和烟株氮素利用率相对增幅与生物炭13.5t/hm2处理间无显著差异。据此认为,在有机质含量较低的山坡地植烟区应用生物炭效果更加显著,其适宜的施用量为13.5t/hm2。本研究尚未涉及生物炭对烤烟品质和化学成分以及对土壤物理化学和微生物性状的影响,今后应进行此方面深入研究,为生物炭在提高烤烟品质和烤烟种植体系可持续性提供强有力的理论支撑。
参考文献
The role of clay,organic C and long-term management on mouldboard plough draught measured on the broadbalk wheat experiment at Rothamsted
Soil management in relation to sustainable agriculture and ecosystem services
Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security
The art,science,and technology of charcoal production
Effect of coal derived humic substances on water retention and structural stability of Mediterranean soils
Slash-and-char:A feasible alternative for soil fertility management in the Central Amazon?
Biochar carbon stability in a clayey soil as a function of feedstock and pyrolysis temperature
Soil respiration curves as soil fertility indicators in perennial central Amazonian plantations treated with charcoal,and mineral or organic fertilizers
Plant nitrogen assimilation and use efficiency
生物炭对东北酸性土养分含量、酶活性及大豆产量的影响
生物炭与氮肥施用量对大豆生长发育及产量的影响
Contrasted effect of biochar and earthworms on rice growth and resource allocation in different soils
