长期施用生物炭对玉溪典型植烟土壤与烟叶产质量的影响.doc

长期施用生物炭对玉溪典型植烟土壤及烟叶产质量的影响李江舟基金项目：中国烟草总公司云南省公司科技计划项目“基于玉溪卷烟品牌原料需求的绿色生态优质烟叶研究与开发”、“基于生物炭的植烟土壤改良技术研究与推广应用”（项目编号2012YN13、2013YN19）作者简介：李江舟，男，博士，研究方向为烟草栽培、植物营养、土壤养分管理，E-mail: 25032719* 通信作者：张立猛，男，博士，主要从事烟叶生产技术研究，E-mail:28832566，Tel:08772966641 计思贵 张立猛* 乔志新 代快 焦永鸽 周文兵 沙传平杞永礼 张翠萍（云南省烟草公司玉溪市公司，云南省玉溪市凤凰路102号 玉溪市 653100，中国）摘要：为了深入研究生物炭改良土壤、促进烤烟生长发育的作用，通过4年田间长期定位试验在玉溪典型低肥力与高肥力土壤上研究了施用生物炭对土壤理化性状及烤烟产质量的影响。在两类土壤上的结果表明：施用生物炭显著提高了土壤有机碳含量，其中主要提高了包裹态有机碳（oPOM）含量，稳定增加了土壤碳汇；4年累计提高土壤pH约0.5；显著降低了土壤容重；同时较对照显著提高土壤碱解氮、有效磷与有效钾含量，增强了土壤养分供给能力；两地年度氮素表观损失量只在生物炭累计施用量不超过30thm-2与60thm-2时减少，年度钾素表观损失量则随生物炭施用显著增加，表明生物炭的保肥能力是有限的。施用生物炭提高了烟叶产量产值，同时烟叶化学品质也得到改善，以累计用量60thm-2最佳；连续施用4年后两试验点烟叶产量、产值总体较对照分别增加5.1%-12.9%与12.6%-19.7%，且低肥力土壤烟叶产质量提升效果优于高肥力土壤。综上，生物炭适用于玉溪植烟土壤改良，建议生物炭累计施用量最高不宜超过60thm-2。关键词：生物炭；植烟土壤；土壤理化性状；烟叶产质量；长期定位研究Effects of biochar application on Yuxi typical tobacco soil and the tobacco yield and quality by long term experimentLi Jiangzhou Ji Sigui Zhang Limeng* Qiao Zhixin Dai Kuai Jiao Yongge Zhou Wenbing Sha Chuanping Qi Yongli Zhang Cuiping (Yunnan Tobacco Company, Yuxi Branch, Fenghuang Road No.102, Yuxi City, 653100, China)Abstract: In order to study the effect of biochar application on soil improvement and the promotion of flue-cured tobacco growth, a long-term field experiment of 4 years was executed in Yuxi typical low fertility and high fertility soil to analyze the soil physical-chemical properties and yield and quality of flue cured tobacco influenced by biochar. The results in these two types of soil showed that: soil organic carbon content was significantly increased by the application of biochar, which was mainly contributed to the increase of carbon of particulate organic matter (oPOM), and the soil carbon sequestration was increased stably. The soil pH was increased about 0.5 during 4 years and soil bulk density was significantly reduced. At the same time, the soil alkali-hydrolyzable nitrogen, available phosphorus and available potassium content were significantly increased compared to the control treatment, indicating the soil nutrient supplying capacity was enhanced. Annual apparent nitrogen loss was only reduced when the cumulative application of biochar less than 30 and 60 tons per hectare at two sites respectively. In the whole experiment period, annual apparent potassium loss was increased significantly by biochar application. These apparent nutrition losses indicate that biochar is limited in Yuxi tobacco soil to improve the fertility retention capacity. Applying biochar, the yield, output value and chemical components of flue-cured tobacco were improved, the biochar accumulation amount of 60thm-2 contributing the best effect; after 4 years, the yield and output value on both sites were increased 5.1%-12.9% and 12.6%-19.7% in total respectively compared to those control treatment. In addition, the promotion effect of tobacco yield and quality in low fertility soil was better than that in high fertility soil. In summary, biochar is fit for soil improvement in Yuxi tobacco planting, and the recommended long-term dosage should be no more than 60thm-2.Key word: biochar; tobacco soil; soil physical-chemical properties; tobacco yield and quality; long term study云南玉溪地区栽烟历史悠久，烟叶品质久负盛名，是云南乃至全国最著名的烟叶主产区之一。然而近年来玉溪农业种植结构发展不平衡，加之长期不合理施肥使得烟田土壤环境逐渐恶化，肥力下降，养分供应不均衡，板结严重，容重持续增加，导致烟株生长发育不良，烟叶质量出现较大波动1。秸秆还田与农家肥堆沤还田等常规培肥方式对土壤理化性状的改良效果不甚理想，同时也不利于土壤碳汇的稳定提升2。生物炭（Biochar）是农作物秸秆、木质物质、禽畜粪便或其他有机物料在低氧环境下，经过高温（300700）热解而得到的一类具有比表面积大、孔隙多、吸附与稳定性强等特点的高度芳香化富碳物质3。近年来，生物炭作为一种功能材料在农林、环境及能源诸多研究领域上的应用引起广泛关注，其在土壤耕性改良、肥力提升、温室气体减排及污染修复等方面呈现可观潜力4。国际上自20世纪90年代中后期以来，将生物炭作为土壤改良剂及固碳剂的研究日益增多，大量研究表明生物炭施于土壤后可以显著提高土壤有机碳含量，利于土壤团聚体的形成并降低土壤容重，改善酸性土壤pH，提高肥料养分利用率，增强土壤有效氮磷钾养分的保蓄能力5-8。然而生物炭对土壤有机质形成及转化的作用还不明确，Kimetu等9报道，施用生物炭土壤有机碳矿化量减少，且已存在的有机碳的稳定性上升，但生物炭对有机质组分及其含量的影响还鲜有研究。施用生物炭对土壤有效养分及作物产量的影响也存在一些争论。有研究表明生物炭对NH3与NH4+具有较强的吸附作用，可有效降低土壤铵态氮损失，提高铵态氮利用率20%-40%10；但也有研究认为只有在土壤或基质接近中性时才具有吸附作用11。Liang等12与Mukherjee等13认为生物炭的绝大多数表面吸附点位于羧酸基与酚基功能团，无法有效吸附硝态氮；而亦有田间实验发现添加25thm-2 的生物炭可以降低砂质土壤硝氮28%的淋出14。受土壤pH、表面电荷以及微生物活动的影响，生物炭对磷表现出有吸附作用15，或无吸附作用16，此外生物炭对磷的吸附与解吸可能表现并不同步13，其长期效应并不完全清楚。由于生物炭与氮肥有较好的交互作用，大部分试验证明生物炭可以促进种子萌发、植物生长并提高作物产量17-18，而含高挥发性物质的生物炭则可能抑制植物生长，减少氮素的吸收19。长期定位研究认为生物炭对作物的增产效果需要一定的作用时间，作物产量随着施用年限延长逐渐增加20-21。国内生物炭应用研究起步较晚，目前已在小麦、玉米、水稻及大豆等作物上开展了一些研究，但在烟草上的研究还比较少。一项针对植烟土壤的淋洗试验表明生物炭可降低土壤硝态氮淋失量，增加钾素淋失量22，对于烟草这种喜钾作物，钾素淋失增加会对烟株生长发育带来何种影响还无法判断。赵殿峰23等通过盆栽试验发现施用生物炭有效改善了土壤的理化性状与烟叶品质，但过高的用量降低了烟叶产量，适宜的生物炭施用量为土重的1.25%-2.50%（约为30-60thm-2）。而在豫中许昌地区的一年期田间研究发现，随生物炭施用量的增加，烤后烟叶的产量与产值逐渐提高，而烟叶品质随着生物炭施用量的增加呈先上升后下降的趋势，适宜的生物炭用量远低于土重的1%24。另一些研究认为施用生物炭的同时适当减少氮用量可以提高烟叶品质25。综上，目前在生物炭合理施用量、对土壤的改良效果及促进作物生长等方面结论不一致，甚至有些研究结果互相矛盾。生物炭在烟草上的应用缺乏长期田间研究，对于土壤养分供给能力、保肥能力及烟叶产质量的长期效应还不能做出科学判断。因此，针对玉溪烟区，本研究通过4年长期定位试验持续对植烟土壤添加不同用量的生物炭，研究生物炭对土壤理化性状、土壤保肥供肥能力、烤烟产质量及烟叶化学品质等方面影响的长期效应，旨在为生物炭在玉溪烟区特色优质烟叶生产中的利用提供科学依据，保障烟叶生产健康可持续发展。1 材料与方法1.1试验材料试验设在两个地区，分别为玉溪市红塔区低肥力试验点（H试验点）与玉溪市通海县高肥力试验点（T试验点），地理坐标分别是241724N，1023524E与241142N，1024623E，直线距离22km。两地气候相近，2011-2014年降雨量分别为824mm，819mm，871mm与883mm，初始土壤理化性状等情况见表1。红塔区低肥力试验点在试验开始前为“烤烟油菜烤烟”栽培模式，通海县高肥力试验点在试验开始前为“烤烟蔬菜烤烟”栽培模式。本研究烤烟栽培品种为K326。表1 试验地土壤背景情况Tab.1 Investigation on the soil baseline in experiment fields试验地location of experiment field土壤类型soil types有机碳soil organic carbon (gkg-1)全氮total nitrogen (gkg-1)碱解氮alkali-hydrolyzable nitrogen (mgkg-1)有效磷available phosphorus (mgkg-1)有效钾available potassium (mgkg-1)容重bulk density (gcm-3)pH红塔区 HHongta district黄棕壤yellow brown soil90.0557.91.324.50.450.015.50.1通海县 TTonghai town黄棕壤yellow brown soil80.040.370.015.80.1试验所用生物炭为烟杆炭，是通过专用炭化设备将烟杆在450缺氧环境下反应停留30 min制得，其基本理化性状见表2。表2 生物炭理化性状Tab.2 The physical and chemical characteristics of biochar含水率rate of water content(%)含碳量rate of carbon content(%)灰分rate of ash content(%)比表面积specific surface area (m2g-1)pH全氮含量total nitrogen (%)碱解氮alkali-hydrolyzable nitrogen (mgkg-1)有效磷available phosphorus (mgkg-1)有效钾available potassium (%)氯含量cl-1 content (%)6.51.066.70.61.210.070.060.021.2试验设计低肥力与高肥力试验点均设计三个处理，分别为C0：常规施肥不施用生物炭，C1：常规施肥并施用生物炭15thm-2，C2：常规施肥并施用生物炭30thm-2。每个处理均设3次重复，每次重复面积为666.7 m2，各小区随机排列。试验为长期定位试验，自2010年烤烟收获后开始，至2014年烤烟收获后止，试验区内统一采用“烤烟撂荒烤烟”的栽培模式，试验地点及小区分布在长期定位试验期内保持不变。常规施肥参照玉溪优质烤烟综合标准26，移栽时单株穴施基肥，基肥用量为总施肥量50%，移栽后25天追施剩余肥料。施氮量统一为120kg Nhm-2，肥料类型为烤烟专用复合肥，N:P2O5:K2O=12:6:24；移栽后40天追施K2SO4（含K2O 50%），120kghm-2。株行距0.5m1.2m，种植密度为每公顷16500株，其他田间管理技术参照玉溪优质烤烟综合标准执行。烤烟移栽于每年的4月20-25日进行，每年9月1-5日采烤结束。生物炭施用方法为犁地前撒施，并翻耕，与耕层20cm土壤充分混匀。1.3样品采集1.3.1土壤样品自2010年至2014年，于每年12月中旬采集土样，采集深度0-20cm，各小区五点采样，每份土样500g，混匀后取500g作为该重复测定用土样。土样放于阴凉处自然风干，用于分析土壤理化性状。1.3.2植物样品各小区分别选取烤后烟叶中部橘黄3级（C3F）2kg，测定烟叶化学成分。以小区重复为单位选取有代表性烟株3株，采集整株烟包含根茎叶，用于分析烟株氮素、钾素含量。1.4测定项目与方法1.4.1土壤有机碳组分及其含量土壤有机碳物理分组结合了Golchin等27与Cambardella等28方法的优点，采用“NaI溶液离心六偏磷酸钠萃取”法29，分离得到游离态颗粒有机质（fPOM）、包裹态颗粒有机质（oPOM）与矿物结合有机质（MOM），所有组分于50烘干，并使用元素分析仪（Elementar Vario MAX 德国）测定有机碳含量。1.4.2土壤容重、pH及养分每年12月中旬采集土样的同时，用不锈钢环刀（高20cm，直径10cm）在每个小区采3个原状土样，测定土壤容重。土壤pH采用电位法测定，水土比1:1。土壤全氮测定采用凯氏蒸馏法，土壤碱解氮测定采用碱解扩散法，有效磷测定采用0.5molL-1碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法，有效钾测定采用1molL-1乙酸铵浸提原子吸收分光光度法。1.4.3氮素、钾素表观损失量首先测定烟株全氮、全钾含量。烟株分根、茎、叶三部分于105杀青30min，然后在65条件下烘干至恒重并称量，使用球磨机将烘干后的根茎叶粉碎并充分混匀。烟株全氮含量测定采用凯氏定氮法，全钾含量测定采用H2SO4H2O2消化火焰光度法。氮素表观损失量=移栽前土壤碱解氮含量+氮肥施用量-烤烟吸氮量-收获后土壤残留碱解氮含量。其中土壤碱解氮含量=土壤容重土壤体积（按20cm深测算）土壤碱解氮浓度。钾素表观损失量=移栽前土壤有效钾含量+钾肥施用量+生物炭有效钾量-烤烟吸钾量-收获后土壤残留有效钾含量。其中土壤有效钾含量=土壤容重土壤体积（按20cm深测算）土壤有效钾浓度。1.4.4经济性状按照GB2635-1992烤烟分级方法对烟叶进行分级，调查各小区烤后烟叶的产量、产值、均价、上等烟比例、中上等烟比例等经济性状。1.4.5烟叶化学成分测定指标包括总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾含量，并参照烟草行业标准方法测定30-33。1.5数据分析采用SAS 8.0分析软件进行数据的统计、回归与拟合分析。2 结果与分析2.1长期施用生物炭对土壤有机碳组分及含量的影响注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异达显著水平（P0.05），不同大写字母表示同一处理不同时期差异达显著水平（P0.05）。图1 长期施用生物炭对土壤有机碳及其组分含量的影响（a）红塔区低肥力土壤H；（b）通海县高肥力土壤TFig.1 Effects of long term application of biochar on soil organic carbon content and its composition(a) the low fertility soil in Hongta district, H; (b) the high fertility soil in Tonghai town, T如图1（a,b）所示，整个试验期内施用生物炭显著提高了耕层土壤（0-20cm）总有机碳含量（P0.05）。在试验的前两年，H与T试验点都表现出土壤总有机碳含量随着生物炭用量的增加而上升，且差异显著（P0.05）。在试验的后两年，H与T试验点都发现继续施用生物炭土壤总有机碳含量增幅放缓。到试验结束时，HC1与HC2处理土壤总有机碳含量较其对照分别增加了73.2%与77.7%；TC1与TC2处理土壤总有机碳含量较其对照分别增加了45.7%与46.7%；在两试验点试验结束时累计施用生物炭60thm-2与120thm-2的处理其土壤总有机碳含量差异不显著。同时发现，尽管T试验点是高肥力土壤，其初始总有机碳含量明显高于H试验点，但施用生物炭四年后，它们的最终总含量相差不大。两试验点初始土壤有机碳组分中均以MOM态含量最高，oPOM态含量次之，fPOM态含量最少，其中H试验点MOM态与oPOM态有机碳含量分别占其总有机碳含量的47.9%与35.9%，T试验点分别为52.4%与31.3%。施用生物炭后，两试验点都表现为oPOM态有机碳含量迅速增加（图1a,b），是总有机碳含量增加的主要原因。到试验结束时，HC1与HC2处理中的oPOM态有机碳分别占到其土壤总有机碳含量的56.6%与57.3%，TC1与TC2处理则分别为41.7%与41.4%。fPOM态含量在施用生物炭后也显著增加，但对于总有机碳含量的贡献率较小。MOM态含量始终较为稳定，变化不大。2.2长期施用生物炭对土壤理化性状的影响2.2.1土壤碱解氮整个试验期内，在H与T试验点施用生物炭显著提高了土壤碱解氮含量（表3a,b）。H试验点碱解氮含量较低，施用生物炭的处理其碱解氮含量逐年递增，且生物炭用量越大增幅越大，到试验结束时，HC1与HC2处理碱解氮含量较对照分别增加了10.4%与21.0%，各处理间差异显著（P0.05）。T试验点碱解氮含量较高，施用生物炭的处理其碱解氮含量在第一年即显著增加（P0.05），而进入试验期的第三、四年则缓慢下降，提高生物炭用量并没有显著增加碱解氮含量，到试验结束时，TC1与TC2处理碱解氮含量较对照分别增加了12.2%与11.3%，施用生物炭的处理与对照间差异显著（P0.05）。2.2.2土壤有效磷整个试验期内，在H与T试验点施用生物炭显著提高了土壤有效磷含量（表3a,b）。两试验点都表现为施用生物炭的处理其有效磷含量在前两年即显著增加（P0.05），而进入试验期的第三、四年则保持相对稳定，提高生物炭用量并没有显著增加有效磷含量，到试验结束时，HC1与HC2处理有效磷含量较对照分别增加了21.9%与22.3%，TC1与TC2处理较其对照分别增加了8.1%与8.4%，施用生物炭的处理与对照间差异显著（P0.05）。2.2.3土壤有效钾整个试验期内，在H与T试验点施用生物炭显著提高了土壤有效钾含量（表3a,b）。两试验点都表现为施用生物炭的处理其有效钾含量在当年即显著增加（P0.05），不同之处为H试验点施用生物炭土壤有效钾含量持续增加，而T试验点土壤有效钾含量在施用期后两年并没有持续增加。提高生物炭用量显著增加了土壤有效钾含量（P0.05），到试验结束时，HC1与HC2处理有效钾含量较对照分别增加了67.7%与188.8%，TC1与TC2处理较其对照分别增加了43.9%与172.7%，各处理间差异显著（P0.05）。表3 长期施用生物炭对土壤主要养分及物理性状的影响Tab.3 Effects of long-term application of biochar on main soil nutrition properties and physical characteristic（a）红塔区低肥力土壤H，the low fertility soil in Hongta district, H年份Year处理Treatments碱解氮alkali-hydrolyzable nitrogen (mgkg-1)有效磷available phosphorus (mgkg-1)有效钾available potassium (mgkg-1)容重bulk density (gcm-3)pH2011HC058.60.6 b24.60.3 c135.22.5 c1.340.01 a5.50.1 aHC160.20.4 ab29.30.6 b181.35.2 b1.310.01 ab5.60.1 aHC262.51.1 a31.70.5 a248.86.9 a1.260.02 b5.70.1 a2012HC058.51.8 c24.50.5 b133.63.0 c1.350.01 a5.50.1 bHC162.60.2 b31.61.0 a207.76.2 b1.270.01 b5.70.1 abHC267.60.4 a30.30.8 a335.26.4 a1.210.01 b5.90.1 a2013HC059.31.7 c24.70.5 b133.34.0 c1.340.01 a5.60.1 bHC164.61.6 b30.80.6 a219.87.4 b1.230.02 b5.90.1 aHC271.31.0 a30.50.4 a370.89.5 a1.180.02 b6.00.1 a2014HC060.41.1 c24.70.4 b132.05.3 c1.340.02 a5.50.1 bHC166.70.8 b30.11.0 a221.47.7 b1.210.02 b6.00.1 aHC273.10.9 a30.21.1 a381.18.1 a1.160.01 b6.10.1 a（b）通海县高肥力土壤T，the high fertility soil in Tonghai town, T年份Year处理Treatments碱解氮alkali-hydrolyzable nitrogen (mgkg-1)有效磷available phosphorus (mgkg-1)有效钾available potassium (mgkg-1)容重bulk density (gcm-3)pH2011TC0188.62.6 b28.70.6 b128.44.9 c1.270.02 a5.80.1 aTC1197.73.5 ab30.60.5 a176.95.0 b1.230.02 a6.00.1 aTC2201.93.3 a29.50.8 ab231.27.9 a1.210.01 a6.00.1 a2012TC0182.13.2 b28.40.5 b122.53.4 c1.280.01 a5.80.1 aTC1201.13.7 a31.11.0 a184.38.2 b1.190.01 b6.00.1 aTC2203.44.6 a31.20.8 a295.47.6 a1.160.01 b6.10.1 a2013TC0179.64.1 b29.00.7 b118.93.2 c1.250.01 a5.80.1 bTC1199.53.8 a31.60.7 a180.56.6 b1.160.02 b6.10.1 abTC2197.24.2 a31.21.1 a308.37.3 a1.140.02 b6.20.1 a2014TC0173.63.5 b28.50.7 b112.22.3 c1.260.01 a5.80.1 bTC1194.83.4 a30.81.2 a161.46.9 b1.140.01 b6.20.1 aTC2193.22.7 a30.90.8 a306.08.5 a1.110.02 b6.30.1 a注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异达显著水平（P0.05）。2.2.4土壤容重总体来说，在H与T试验点施用生物炭均显著降低了土壤容重，且随着施用量与施用时间的增加，土壤容重持续降低，在试验后期其下降速率有所放缓（表3a,b）。到试验结束时，HC1与HC2处理土壤容重较对照分别降低了9.7%与13.4%，TC1与TC2处理较其对照分别降低了9.5%与11.9%，施用生物炭的处理与对照间差异显著（P0.05）。2.2.5土壤pH土壤pH也受到了生物炭的影响，但作用过程较为缓慢，每年上升0.1-0.2pH（表3a,b）。到试验结束时，H与T试验点的土壤pH累计上升0.5左右，施用生物炭的处理与对照间差异显著（P0.05）。2.3长期施用生物炭对土壤氮素、钾素表观损失量的影响2.3.1氮素表观损失量图2 长期施用生物炭对氮素表观损失的影响Fig.2 Effects of long-term application of biochar on annual apparent nitrogen loss由于生物炭是一年一施，为了便于比较，将各处理折算为累计施炭量并与年度氮素表观损失量进行关联分析。结果发现土壤年度氮素表观损失量受生物炭影响变化较大（图2）。H试验点试验初期年度氮素表观损失量随累计施炭量增加而逐渐下降，当生物炭累计施用量为60thm-2时，相比对照减少了年度氮素表观损失量约11kghm-2，但当生物炭累计施用量为90-120thm-2时，其值大幅增加。二者符合二次函数拟合，y = 0.63x2 - 4.71x + 31.58，R2 = 0.79。T试验点试验初期年度氮素表观损失量也随累计施炭量增加而逐渐下降，当生物炭累计施用量为30thm-2时，相比对照减少了年度氮素表观损失量约9kghm-2，但当生物炭累计施用量超过30thm-2时，其值又大幅增加。二者符合二次函数拟合，y = 0.32x2 0.96x + 35.89，R2 = 0.53。值得注意的是，在试验期内T试验点的年度氮素表观损失量明显高于H试验点。2.3.2钾素表观损失量图3 长期施用生物炭对钾素表观损失的影响Fig.3 Effects of long-term application of biochar on annual apparent potassium loss同样将各处理折算为累计施炭量并与年度钾素表观损失量进行关联分析，结果发现土壤年度钾素表观损失量也发生了较大变化（图3）。H与T试验点都表现为施用生物炭后，年度钾素表观损失量显著升高（P0.05），随着累计施炭量的增加年度钾素表观损失量逐渐增大。年度钾素表观损失量受土壤有效钾含量影响，不会持续增加下去，由于本研究试验长度的限制，只在中后期发现其增幅放缓。试验结束时，在H与T试验点，累计施炭120tonhm-2的处理相比对照增加了年度钾素表观损失量分别约为377kghm-2与397kghm-2。年度钾素表观损失量与累计施炭量符合二次函数拟合，在H与T试验点分别可表述为y = -1.60x2 + 58.75x + 195.57，R2 = 0.93与y = -3.23x2 + 73.86x + 207.78，R2 = 0.87。2.4长期施用生物炭对烟叶产量产值的影响注：不同小写字母表示同一时期不同处理间差异达显著水平（P0.05）。图4 长期施用生物炭对烟叶产量产值的影响（a）红塔区低肥力土壤H；（b）通海县高肥力土壤TFig.4 Effects of long-term application of biochar on tobacco yield and quality(a) the low fertility soil in Hongta district, H; (b) the high fertility soil in Tonghai town, T总体上在H与T试验点，施用生物炭的处理较对照显著提高了烟叶产量（图4a,b）。H试验点上前两年烟叶产量随着生物炭用量增加而增加，而在试验后两年提高生物炭用量，烟叶产量反而有所降低。到试验结束时，HC1与HC2处理烟叶产量分别达到2465kghm-2与2337kghm-2，较对照分别增加了12.9%与7.1%，各处理间差异显著（P0.05）。T试验点第一年施用生物炭的处理烟叶产量相比对照略有下降，此后施用生物炭的处理均增加了烟叶产量，在试验后两年提高生物炭的用量并没有持续增加烟叶产量。到试验结束时，TC1与TC2处理烟叶产量分别达到2591kghm-2与2555kghm-2，较对照分别增加了6.5%与5.1%，施用生物炭的处理与对照间差异显著（P0.05）。测产表明施用生物炭提高了烟叶的均价，烟叶产值的变化趋势总体上与烟叶产量接近。到试验结束时，HC1与HC2处理烟叶产值分别达到71150Yuanhm-2与70344Yuanhm-2，较其对照分别增加了19.7%与18.4%；TC1与TC2处理烟叶产值分别达到74995Yuanhm-2与76686Yuanhm-2，较其对照分别增加了12.6%与15.1%。在两试验点施用生物炭的处理烟叶产值与对照间差异显著（P0.05）。2.5长期施用生物炭对烟叶化学品质的影响2014年试验结束时采集C3F等级的烟叶并进行化学品质分析，结果见表4。本研究中烟叶化学成分因生物炭的施用表现出明显差异，长期施用生物炭提升了烟叶化学品质。在烟叶总糖、还原糖含量与钾含量方面，两试验点施用生物炭的处理相比对照均提高，烟碱含量也有所上升。一般来说，K326烟叶香吃味的好坏依赖于各种化学成分的比例是否协调，两糖差位于7-11之间，总氮与烟碱的比值接近1，烟叶水溶性总糖与烟碱的比值接近于10为佳。据此看来，HC1与TC1处理的烟叶化学品质处于较为理想的范围，烟叶品质最佳；HC2与TC2处理也较好，仍然优于对照处理。表4 长期施用生物炭对烟叶化学品质的影响Tab.4 Effects of long-term application of biochar on tobacco chemical quality（a）红塔区低肥力土壤H，the low fertility soil in Hongta district, H处理Treatments总糖total sugar(%)还原糖 reducing sugar(%)烟碱nicotine (%)总氮total nitrogen(%)氧化钾K2O (%)两糖差difference of total sugar and reducing sugar总氮/烟碱total nitrogen / nicotine总糖/烟碱total sugar / nicotineHC022.790.7418.730.652.880.062.640.071.960.044.060.927.91HC129.280.5219.590.713.140.070.079.691.039.32HC228.430.9322.560.433.020.053.350.072.120.055.871.119.41（b）通海县高肥力土壤T，the high fertility soil in Tonghai town, T处理Treatments总糖total sugar(%)还原糖 reducing sugar(%)烟碱nicotine (%)总氮total nitrogen(%)氧化钾K2O (%)两糖差difference of total sugar and reducing sugar总氮/烟碱total nitrogen / nicotine总糖/烟碱total sugar / nicotineTC025.160.5419.320.853.140.072.770.081.980.065.840.888.01TC129.310.6821.360.763.210.083.257.951.029.13TC228.150.6221.290.793.260.080.096.860.978.63注：各处理均选取C3F烟叶进行分析。3 结论与讨论3.1施用生物炭对土壤有机碳的长期效应虽然生物炭的化学结构不同于土壤腐殖质，但由于其自身碳含量非常高，施入土壤可以提高土壤C/N，进而有利于提高土壤有机碳含量，促进有机质形成，一般认为其提高的幅度取决于生物炭的用量及稳定性34。本研究中，施用生物炭可显著提高耕层土壤总有机碳含量，但在试验后期累计施用更多的生物炭并没有显著提升总有机碳含量，说明在本研究系统内总有机碳含量出现阈值。由于两种肥力土壤中的初始有机碳含量差异较大，而研究结束时几无差异，可进一步推断阈值效应可能主要受到有机物输入的质量、土壤微生物活性及微生物可利用的氮素含量影响5。研究结果同时也支持了“生物炭表面钝化理论”19，钝化后的有机碳增强了其氧化稳定性，一定时期内能保持土壤有机碳含量在较高水平。通过细分组分分析发现，生物炭显著提高了包裹态颗粒有机质（oPOM）碳的含量与游离态有机质（fPOM）碳的含量，而oPOM态碳是提高总有机碳含量的主要力量。MOM、oPOM与fPOM组分所含的烷基、羰基与芳香碳依次减少，稳定性依次下降，转化周期逐渐减小35。暗示施入生物炭形成的土壤有机碳性质较为稳定，可在土壤中长期存在并逐步转化，同时又在当季增加了植物利用率较高的fPOM含量，表现出积极的土壤改良效应。秸秆、绿肥及堆沤肥施入土壤，一般5-10年后所剩不过20%，仅有极少量碳被转化为有机质碳，而生物炭则被证明可以在土壤中存留上千年的时间2，利用生物炭增加土壤碳截留、缓解温室效应具有深远的意义。3.2施用生物炭对土壤保肥供肥能力的长期效应一般认为土壤容重降低表征着土壤物理结构得到改善，有助于提高土壤保肥供肥能力。本研究发现施用生物炭显著降低了土壤容重，且随着生物炭施用量增加容重呈下降趋势。其原因除了生物炭密度较低、孔隙度较大之外，还可能与生物炭表面的土壤团聚性增强、微生物活性增加有关36。土壤容重降低、结构改善可促进烟株根系发育，但本研究尺度中也发现过于疏松的土壤可能导致根系惰性生长，在胁迫环境下有可能降低烟叶品质。本研究施用生物炭提高了土壤pH，这与其本身的碱度与所含碳酸盐、有机酸根有关，在一定范围内可增强土壤有机质的稳定性及钙镁等元素的有效性。在整个试验期内，我们发现施用生物炭能显著提高土壤碱解氮、有效磷与有效钾的含量，增强土壤养分供应能力。虽然也有研究发现生物炭降低了植烟土壤碱解氮含量与氮素利用率37，但总的来看生物炭对于吸附与释放NH4+、NO3-主要取决于炭化过程中所形成的疏水性与亲水性集团及所带电荷11-13。本研究所用的生物炭已在另一项研究中被证明能有效降低土壤氮素的淋失量22，对于增强土壤氮素养分供应能力具有积极作用。本研究借助年度氮素表观损失量来分析生物炭的氮素保蓄能力，发现试验前期有较好的氮素保蓄能力，而中后期较差。这种现象的产生可能是持续施用生物炭提高了土壤pH与C/N，降低了土壤氮素的有效性，并可能通过改变部分生物炭表面电荷增加了氮的淋失。上述结论暗示着在玉溪植烟土壤中，施用生物炭受到特定土壤环境的影响，对有效氮素的保蓄能力是有限度的，根据土壤肥力差异施用30thm-2-60thm-2生物炭即达到最优的氮素供应与保蓄能力。此外，在长期施用生物炭的情况下可以适当降低氮肥用量，特别是针对高肥力土壤。土壤有效磷含量的提高可能取决于生物炭改变了土壤pH，CEC，表面电荷以及铁、铝、钙、镁的含量与形态，提高了解磷菌的活性15。我们发现虽然试验地四年内投入的磷肥相对其他作物比较有限，但在试验后期土壤有效磷保持在一个较为稳定的水平，暗示着本研究系统内土壤磷的循环趋向平衡，土壤中的生物炭可能延长了磷的有效期38。施用生物炭后土壤有效钾含量激增是没有预期到的，也鲜有相关报道。由于生物炭是由烟杆炭化而成，分析发现炭化过程使得钾素进一步浓缩并使其有效钾含量达到了1.31%，按年用量15thm-2-30thm-2折算即相当于当季钾肥施用量的80%-160%左右。故本研究中土壤有效钾含量的提高主要是由生物炭带入的钾引起。通过年度钾素表观损失量分析生物炭的钾素保蓄能力，发现土壤年度钾素表观损失量随累计施炭量增加而显著增加。钾素表观损失量的增加主要是由钾素的过度淋失造成，而其主要归咎于生物炭的施用可能导致土壤孔隙度变大，土壤CEC增加，进而使得钾素被大量淋洗39。据上述分析可认为在玉溪植烟土壤上，施用生物炭对土壤有效钾素没有保蓄能力。值得注意的是从土壤有效钾含量上看，生物炭带入的有效钾完全掩盖了土壤钾素的淋失作用，在长期施用生物炭的情况下可以大幅降低钾肥用量。从表观数据上，连续使用年用量30thm-2的生物炭甚至可以替代钾肥。3.3施用生物炭对烟叶产质量的长期效应总体上，本研究施用生物炭显著提高了烟叶产质量。低肥力土壤由于碱解氮初始含量较低，容重较大，烟叶产量增加空间较高，施用生物炭后产量产值在第一年就显著增加。高肥力土壤碱解氮含量较高，土壤较为疏松，施用生物炭第一年烟叶产量产值略有下降，此后才逐渐增加。在本研究中对于不同肥力土壤，生物炭初次施用时可能通过表面功能团的活化及其与根系的养分协同作用影响了作物对氮素的利用效率，国外其它地区与作物上的长期研究也支持了这一观点21,40。两个试验点都发现在试验后期高用量的生物炭反而降低了烟叶的产量，一项在小麦上的田间研究也证实了潜在的减产作用，发现施用生物炭200thm-2小麦减产30%41，一种可能的解释是极高用量的生物炭导致土壤NH4+、NO3-有效性持续降低并增加了氮素的淋溶与反硝化损失42。烟叶的产值受年际间调价影响较大，除此之外烟叶烤后品相略好于对照，均价也高于对照，烟叶产值总体上也是随着生物炭施用而显著增加。本研究发现施用生物炭能改善烟叶的化学品质。土壤理化性质与烟叶化学成