炭化烟草秸秆还田对连作植烟土壤及烤烟生长发育的影响①

谭 慧，彭五星，向必坤，尹忠春，孙玉晓，施河丽



炭化烟草秸秆还田对连作植烟土壤及烤烟生长发育的影响①

谭 慧，彭五星，向必坤，尹忠春，孙玉晓，施河丽*

(湖北省烟草公司恩施州公司，湖北恩施 445000)

为了修复连作植烟土壤，丰富生物质炭在烟草生产中的生态学效应，加快烟草废弃物的综合利用，选择连作15 a、烟草青枯病发生严重的植烟土壤，通过大田试验，研究了炭化烟草秸秆对连作植烟土壤理化性状、微生物数量及烤烟生长发育的影响。结果表明，在连作植烟土壤中添加1 500 kg/hm2炭化烟草秸秆，有利于改善土壤理化性质和养分状况，改变土壤微生物丰度，进而促进烤烟的生长，提高烟叶的产量，增加植烟的收益。

炭化烟草秸秆；连作；植烟土壤；烤烟

生物质炭是指生物有机材料(小薪柴、农作物秸秆、杂草、粪便等生物质) 在缺氧及低氧环境中通过高温裂解后的固体产物，碳含量极高[1]。近年来生物质炭引起全球环境学家、土壤学家和农学家越来越多的关注[2]。生物质炭在农业生态系统中的应用研究逐渐增多，在消除土壤污染、改善土壤性能、提高农业系统的生产力方面表现出潜在的应用前景[3]。烤烟是我国重要的经济作物，年产烟叶 236 万 t，相应要产出 236 万 t 烟杆(烟叶和烟杆的产量比为1:1)，大量烟杆被丢弃或焚烧掉，严重污染大气环境[4]。常年的烟叶生产也造成了烟区土壤养分供应能力降低和土壤微生物环境恶化，致使烟叶产质量降低[5-7]。目前，炭化烟草秸秆在烟草生产中的生态效应报道较少。为此，作者在湖北恩施烟区开展了炭化烟草秸秆还田对连作植烟土壤影响的研究，旨在进一步丰富生物质炭的生态学效应，为加快农业废弃物的综合利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 品种及试验地的选择 在宣恩县晓关乡古路村进行，选择连作15 a、烟草青枯病发生严重的黄棕壤烟田进行试验，供试烤烟品种为云烟87。

1.1.2 炭化烟草秸秆 研究所用的炭化烟草秸秆为自制，收集自然风干后的烟草秸秆(含水量约30%)备用，将收集的烟草秸秆堆积成堆，通过厌氧燃烧制备而成。其主要性状为：pH 10.54，有机碳含量811.2 g/kg，速效氮含量 12.0 g/kg，有效磷含量4.0 g/kg，速效钾含量3.5 g/kg。自制的炭化烟草秸秆成本为1 000元/t。

1.2 试验设计

试验为单因素2水平随机区组设计，3次重复，每小区植烟60株。处理分别为：T1：常规施肥+ 1 500 kg/hm2炭化烟草秸秆；CK：常规施肥。在施肥前将炭化烟草秸秆均匀撒施到烟田，并用旋耕机将炭化烟草秸秆与0 ~ 30 cm土层土壤进行均匀搅拌，其他主要栽培技术参照“优质烤烟栽培技术规程”执行。

1.3 取样和分析测定

1.3.1 土壤样品采集 分别于烟苗移栽后第30、60、90、120天采集根系土样，按照5点取样法采集烤烟根系周围0 ~ 20 cm耕层土样，测定土壤中微生物的数量。在采烤结束后采集根系土样，按照5点取样法采集烤烟根系周围0 ~ 20 cm耕层土样，测定土壤理化性质。

1.3.2 土壤理化性质测定 采集的土壤样品自然风干后，按照常规方法进行土壤基本理化性质的测定[8]。其中含水量采用烘干法测定；容重、总孔隙度、毛管孔隙度和通气孔隙度采用环刀法测定；pH采用酸度计法测定；有机质采用重铬酸钾外加热法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用NaHCO3浸提-钼酸钪比色法测定；速效钾采用NH4OAC浸提-火焰光度法测定；交换性Ca2+、Mg2+采用1 mol/LNH4OAC浸提-原子吸收分光光度法测定；交换性K+、Na+采用1 mol/L NH4OAC浸提-火焰光度法测定；交换性盐基总量采用交换性Ca2+、Mg2+、 K+、Na+之和计算得出；阳离子交换量采用1 mol/L NH4OAC交换法测定；盐基饱和度(BS)以土壤的交换性盐基总量(EB)占土壤阳离子交换量(CEC)的百分比表示。

1.3.3 土壤微生物数量测定 土壤细菌、真菌、放线菌和青枯菌数量采用室内恒温培养、计数的方法进行测定[9-10]。细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，37 ℃培养2 ~ 3 d；放线菌采用高氏1 号培养基，28 ℃培养7 ~ 10 d；真菌采用PDA 培养基，28 ℃培养5 ~ 7 d。

1.4 烟株农艺性状测定

参照YC/T 142-2010[11]分别于团棵期和成熟期测定烤烟株高、叶片数、茎围、最大叶面积等农艺性状。

1.5 烟草青枯病的发病情况调查

参照GB/23222-2008《烟草病虫害分级及调查方法》[12]，采用小区普查的方式，分别在烟苗移栽后第30、60、90、120 天调查各处理青枯病发病情况，并计算各处理发病率和防治效果。

1.6 烟叶产量和产值分析

不同处理单独采收、单独烘烤，烤后烟叶参照GB 2635-92[13]记录各等级产量，计算单位面积产量、产值、上中等烟比例。

1.7 数据处理

试验数据用Excel 2003和DPS 7.05进行数据处理和统计分析。

2 结果

2.1 炭化烟草秸秆还田对连作植烟土壤物理性状的影响

由表1可知，炭化烟草秸秆还田对植烟土壤含水量、容重和孔隙度影响较大，与CK相比，差异均达到显著水平。说明炭化烟草秸秆还田显著提高了土壤含水量，降低了土壤容重，增加了孔隙度，改善了连作植烟土壤的物理性状。

注：同列数据小写字母不同表示处理间差异达<0.05显著水平，大写字母不同表示处理间差异达<0.01显著水平，下同。

2.2 炭化烟草秸秆还田对连作植烟土壤pH和养分含量的影响

如表2所示，炭化烟草秸秆还田对连作植烟土壤的pH和养分含量存在一定的影响。与CK相比，T1处理pH和养分含量有增加的趋势，且碱解氮、有效磷和速效钾含量呈显著增加的趋势。pH比CK高0.78，有机质含量较CK提高了10.54%，碱解氮含量较CK提高了35.77%，有效磷含量较CK提高了97.09%，速效钾含量较CK提高了50.70%。总体表明，炭化烟草秸秆还田明显降低了连作植烟土壤的酸度，增加了连作植烟土壤的有机质含量，显著提高连作植烟土壤速效养分的含量。

2.3 炭化烟草秸秆还田对连作植烟土壤交换性能的影响

炭化烟草秸秆还田对连作植烟土壤交换性盐基的影响主要与其含量有关。如表3所示，炭化烟草秸秆还田后，连作植烟土壤交换性盐基含量较CK均有所增加，盐基饱和度也有所提高。交换性钙、镁、钾和钠含量分别较CK提高了32.30%、13.95%、32.21% 和4.89%，且交换性钙、交换性镁含量与CK差异达到显著水平。炭化烟草秸秆还田不仅使交换性盐基总量增加，而且使植烟土壤的阳离子交换量也显著提高，较CK提高了10%。

表2 炭化烟草秸秆对植烟土壤pH和养分含量的影响

表3 炭化烟草秸秆对植烟土壤交换性能的影响

2.4 炭化烟草秸秆还田对连作植烟土壤微生物区系的影响

由图1可知，两处理土壤中细菌数量变化趋势相似，在旺长期(移栽后60 d)均达到高峰值。总体来看，在整个烤烟生长发育期，与CK相比，T1处理土壤中的细菌数量均有所增加。表明炭化烟草秸秆还田促进了烤烟根系土壤细菌的繁殖。

图1 炭化烟草秸秆对烤烟根际土壤中细菌数量的影响

图2结果表明，两处理土壤中放线菌数量在旺长期(移栽后60 d)均达到较高值，然后急剧下降(移栽后90 d)，再缓慢上升(移栽后120 d)。在整个烤烟生长发育期，T1处理土壤中的放线菌数量较CK均有所增加。表明炭化烟草秸秆还田对土壤中放线菌生长有一定的促进作用。

图2 炭化烟草秸秆对烤烟根系土壤中放线菌数量的影响

CK处理土壤中的真菌数量变化波动较大，T1处理土壤中的真菌数量变化不大，两个处理均在旺长期(移栽后60 d)达到高峰值(图3)。在整个烤烟生长发育期，T1处理土壤中的真菌数量较CK均有所降低。说明炭化烟草秸秆还田降低了土壤中的真菌数量。

图3 炭化烟草秸秆对烤烟根系土壤中真菌数量的影响

2.5 炭化烟草秸秆还田对烤烟生长发育的影响

由表4可知，炭化烟草秸秆还田，改善了团棵期烟株的株高、叶数和最大叶面积等农艺性状，株高和最大叶面积两个指标与CK差异达到显著水平。成熟期烟株的株高、叶数、最大叶面积和茎围等农艺性状指标比CK均高，但差异不显著。表明炭化烟草秸秆还田能促进烟株的生长。

2.6 炭化烟草秸秆还田对烟草青枯病的防治效果

从表5、图4可以看出，CK处理土壤中的青枯菌数量变化波动较大，在旺长期(移栽后60 d)达到高峰值；T1处理土壤中的青枯病数量变化不大。在整个烤烟生长发育期，与CK相比，T1处理显著降低烟草青枯病的发病率，T1处理土壤中的青枯菌数量明显低于CK。说明炭化烟草秸秆还田对防治烟草青枯病具有显著效果。

2.7 炭化烟草秸秆还田对烤烟经济性状的影响

烤后烟叶的经济性状显示，T1处理产量、产值、均价及上中等烟比例等指标比CK均高，且产量指标存在显著差异(表6)。说明炭化烟草秸秆还田能取得较好的经济效益。

3 讨论

炭化烟草秸秆作为生物质炭的一种，具有生物质炭的所有特性。生物质炭的高孔隙度和大表面积，对土壤物理性质有一定影响。黄超等[14]研究表明红壤施用由小麦秸秆制成的生物质炭，能提高土壤水稳定性团聚体数量和土壤田间持水量，降低土壤容重。炭化烟草秸秆还田，显著提高了土壤含水量，降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，与前人的研究结果一致。

表4 炭化烟草秸秆对烤烟生长发育的影响

表5 炭化烟草秸秆对烟草青枯病的防治效果

图4 炭化烟草秸秆对烤烟根际土壤中青枯菌数量的影响

施用生物质炭能提高土壤pH已经为不少研究所证实[15-17]。连作植烟土壤一般酸化严重，pH较低，因此可以用生物质炭来中和植烟土壤中的酸性物质，提高植烟土壤的pH。而炭化烟草秸秆碱性物质的存在形态及其与土壤酸度的作用机制还有待于进一步研究。生物质炭含有较多的可溶性矿物养分，施入土壤后可提高土壤中的速效养分水平。试验结果表明，炭化烟草秸秆能够不同程度地增加连作植烟土壤的碱解氮、有效磷和速效钾含量。生物质炭的保肥效果来自于生物质炭对阳离子的吸附能力。Atkinson等[18]的研究认为，生物质炭施入土壤以后，其表面可能会氧化形成羰基、酚基、醌基，氧化后的生物质炭对土壤阳离子的吸附能力增强。Glaser等[19]的研究发现，加入竹炭可引起土壤交换性盐基离子明显增加。本试验与前人的研究结果一致，炭化烟草秸秆还田能提高植烟土壤盐基饱和度和阳离子交换量。

表6 炭化烟草秸秆还田对烤烟经济性状的影响

作物连作会造成根系分泌物和植株残茬的积累，从而导致正常微生物群落被打破，多样性水平降低。而生物质炭对土壤微生物的影响是复杂的、多方面的，作用机制也还不完全清楚。大多数研究表明，生物质炭的添加会增加土壤微生物量，明显改变土壤微生物群落结构组成[20-21]。张一鸣等[22]的研究显示，在番茄连作20年40茬土壤中施入炭化玉米芯，能提高土壤中细菌、放线菌的数量，降低真菌的数量，同时增强了对病原菌的拮抗作用。本研究发现炭化烟草秸秆还田，显著促进了连作植烟土壤细菌和放线菌的繁殖，降低了土壤真菌数量；同时对烟草青枯病的防治具有显著效果。烟株移栽后30 d左右，土壤中青枯病病原菌数量已经达到106cfu/g土，田间调查没有烟草青枯病发生；一直到移栽后60 d，田间才始见烟草青枯病发生，说明病原菌侵入烟株并使其发病需要一个过程，且发病率呈逐渐增大的趋势。移栽后120 d病原菌数量显著降低，可能是因为生长后期的烟株所能提供的营养有限，从而使病原菌表现出衰竭，活力下降。彭怀俊等人[23]的研究结果也显示土壤中青枯病病原菌繁殖到一定数量且生长一段时期后，田间烟株才会出现症状。

生物质炭对许多作物生长和产量有明显促进作用。研究发现，生物质炭可以促进玉米[24]、水稻[25]、小麦[26]、大豆[27]等作物的生长，提高作物的产量。本研究表明炭化烟草秸秆还田，能促进烟株的生长，提高烤烟的产量和产值。生物质炭对作物生长的促进作用，主要归因于其改善了土壤理化性质，提高了土壤养分的有效性，以及改变了土壤微生物丰度和群落结构[26]。

4 结论

在连作植烟土壤中添加1 500 kg/hm2炭化烟草秸秆，有利于改善土壤理化性质和养分状况，增加交换性盐基离子和阳离子交换量，改变土壤微生物丰度，进而促进了烤烟生长，提高了烟叶的产量，增加了植烟的收益。

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Influence of Carbonized Tobacco Stem on Physiochemical Properties of Continuous Tobacco-cropping Soil and Growth of Flue-cured Tobacco

TAN Hui, PENG Wuxing, XIANG Bikun, YIN Zhongchun, SUN Yuxiao, Shi Heli*

(Enshi Tobacco Company of Hubei Province, Enshi, Hubei 445000, China)

Yunyan 87 was taken as the test tobacco variety, a field experiment was conducted on a soil with15 a continuous tobacco-cropping and serious bacterial wilt in order to study the effects of carbonized tobacco stem (tobacco biochar) on soil physiochemical properties, microbial population and tobacco growth for restoring continuous cropping tobacco soil, further understanding the ecological effects of biochar on tobacco production, and accelerating the comprehensive utilization of tobacco waste. The results showed that compared with the treatment of conventional fertilization (CK), the treatment of CK+1 500 kg/hm2tobacco biochar could improve well soil physiochemical properties and nutrient status, promote soil microbial abundance, stimulate the growth of tobacco and increase the yield and earnings of tobacco.

Carbonized tobacco stem (tobacco biochar); Continuous cropping; Tobacco-planting soil; Flue-cured tobacco

中国烟草总公司科技重点项目(110201202014、110201402016)资助。

(154518720@qq.com)

谭慧(1979—)，男，湖北恩施人，专科，主要从事烟草栽培与病虫害综合防治研究。E-mail: 1259528761@qq.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.04.011

S158

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