王成己 唐莉娜 胡忠良 李艷春 黃毅斌

(1福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部福州農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實驗站，福建 福州 350013；2福建省煙草專賣局煙草科學(xué)研究所，福建 福州 350003；3福建省煙草公司三明市公司，福建 三明 365000；4福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福建 福州 350013)

我國是世界煙草生產(chǎn)第一大國，煙草種植面積、總產(chǎn)量、卷煙產(chǎn)量及銷售量均居世界首位。2018年我國煙草種植面積為1.06×106hm2，生產(chǎn)煙葉2.24×106t，產(chǎn)生煙稈約1.18×106t[1]。煙草是我國重要的經(jīng)濟作物，煙葉提質(zhì)增效及綠色清潔生產(chǎn)已成為近年來煙草行業(yè)關(guān)注的焦點[2]。然而，煙草連作、長期施用化肥嚴重破壞了土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致煙田土壤養(yǎng)分比例失衡[3]、微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[4-6]、煙株抵御病蟲能力下降[7]，嚴重影響煙草生長發(fā)育及產(chǎn)質(zhì)量形成[8]，最終導(dǎo)致煙葉品質(zhì)下降[9]。當(dāng)前，我國煙葉品質(zhì)普遍較低，表現(xiàn)為煙堿含量偏高、鉀含量偏低[10-11]。不合理的種植制度、栽培方式和施肥模式，尤其是對化肥的過度依賴，對煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)造成重大影響[12-13]。傳統(tǒng)的農(nóng)藝措施雖然取得了一些進展，但仍無法解決煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)下降以及煙草連作障礙等生產(chǎn)瓶頸問題。在煙草及其制品實行綠色清潔生產(chǎn)的趨勢下，科研人員正致力于尋找更有效的解決方法，以促進煙草農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。近年來，生物炭和生物炭基肥(以下簡稱炭基肥)引起科研人員的廣泛關(guān)注。生物炭基產(chǎn)品獨特的物理、化學(xué)及生物學(xué)特性使其在農(nóng)業(yè)及環(huán)境領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并已取得積極的正效應(yīng)[14-18]。本文分析了生物炭和炭基肥的制備方法及其功能特性，綜述了生物炭和炭基肥對煙田土壤質(zhì)量、煙草生長和煙葉品質(zhì)、煙草土傳病害的影響，并展望了生物炭和炭基肥未來的研究方向，以期為生物炭和炭基肥在煙草農(nóng)業(yè)上的合理應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 生物炭的制備及其特性

1.1 生物炭的制備

生物炭(biochar，又稱生物質(zhì)炭，生物黑炭等)是生物質(zhì)材料在缺氧或少氧條件下熱裂解產(chǎn)生的芳香化富碳固體物質(zhì)[19]。生物質(zhì)熱裂解系統(tǒng)主要由原料處理模塊、炭化窯核心模塊和產(chǎn)物分離產(chǎn)出模塊三部分組成[20](圖1)，不同材料和炭化條件制備的生物炭，其性質(zhì)和施用效應(yīng)存在差異。生物炭制備原料來源廣泛。邱良祝等[21]基于402 篇文獻、1 763 組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明(表1)，林木、農(nóng)作物殘余物、草本植物是生物炭制備的重要原料；雖然林木炭所占比例逐年減少，但其占比依然最大；另外，對污泥炭的研究頻率逐年升高。依據(jù)溫度和時間，生物炭制備方法分為快速、慢速、閃速、濕法、微波加熱熱解等。慢速熱解溫度較低、時間較長，可通過優(yōu)化熱解條件來增加生物炭產(chǎn)率，是生物炭制備的常用方法[22]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明，生物質(zhì)炭化溫度總體為200～1 000℃，其中300～700℃占91.40%，而400～500℃和500～600℃的比例分別為28.60%和21.70%，說明生物質(zhì)適宜炭化溫度為400～600℃[21]。

表1 生物炭制備原料來源分布Table 1 Frequency distribution of biochars feedstocks /%

1.2 生物炭的基本特征及理化性質(zhì)

生物炭含有C、H、O、N 等元素，同時含有較高含量的P、K、Ca、Mg 等元素[19]。生物炭由無定形碳、芳香族碳和灰分等組成[23]，各組分碳含量與生物炭熱解條件(溫度和時間)相關(guān)[24]。生物質(zhì)材料在較低熱解溫度時產(chǎn)生無定形碳，較高溫度則產(chǎn)生芳香族碳，熱解過程中同時產(chǎn)生礦物質(zhì)灰分。生物炭的基本特征因生物質(zhì)材料、熱解溫度和時間不同而有所差異。研究表明，木本植物源生物炭含碳量較高、礦質(zhì)養(yǎng)分較少，而畜禽糞便及草本植物源生物炭含碳量較低，礦質(zhì)養(yǎng)分卻較多[25]。熱解溫度決定熱解過程中碳的損失，不同溫度下熱解炭化同種生物質(zhì)原料，其產(chǎn)物的理化性質(zhì)也存在顯著差異[26]。此外，生物炭具有優(yōu)于其原料的理化特性及熱穩(wěn)定性。

1.2.1 物理特性 熱解炭化形成的生物炭保留了生物質(zhì)原料的孔隙結(jié)構(gòu)。生物炭的微觀孔隙結(jié)構(gòu)是生物炭具有較大比表面積和較高吸附性能的原因之一，也是生物炭吸附養(yǎng)分、蓄養(yǎng)水分及微生物棲息的空間場所[27]。邱良祝等[21]基于大樣本的統(tǒng)計分析表明，生物炭灰分含量為7.84%～63.30%(林木炭最低，污泥炭最高)、比表面積為28.20～164.40 m2·g-1(污泥炭最低，林木炭最高)。生物質(zhì)原料及其裂解方式和條件顯著影響生物炭比表面積，在一定溫度范圍內(nèi)，隨著裂解溫度升高，生物炭比表面積增加[28]；王娜等[29]對3 種生物炭孔徑的研究表明，木薯稈炭平均孔徑(12.08 μm)最大，其次為水稻稈炭(4.26 μm)，蘆葦稈炭(2.53 μm)最小。生物炭孔徑大小決定其對重金屬離子的吸附性能[30]。

1.2.2 化學(xué)特性 研究表明，生物質(zhì)炭化后可改變其pH 值、陽離子交換量(cation exchange capacity，CEC)和碳氮比(C/N)[31-32]。邱良祝等[21]基于6 種原料生物炭的大樣本統(tǒng)計分析表明，生物炭pH 值為8.20～9.50(林木炭最低，畜禽糞便炭最高)、CEC 為20.90～98.60 cmol·kg-1(林木炭最低，草炭最高)、總有機碳含量為25.20%～72.60%(污泥炭最低，林木炭最高)、總氮含量為0.60%～2.70%(林木炭最低，二次廢物最高)、總磷含量為0.40%～3.00%(林木炭和草炭最低，污泥炭最高)、總鉀含量為0.70%～3.30%(林木炭最低，農(nóng)作物炭最高)。生物炭化學(xué)性質(zhì)與其生物質(zhì)原料及熱解條件(如時間和溫度)密切相關(guān)[24]，pH 值隨熱解溫度和熱解時間的提高而升高[33]，而CEC 則隨熱解溫度升高而降低[23]。與生物質(zhì)原料相比，生物炭CEC 變小[34-35]，但生物炭施入土壤后表面官能團被氧化，可使其CEC 升高[31]。另外，不同原料所制備生物炭的C/N 不同，其中園林垃圾所制備生物炭的C/N 最高，豆科作物炭次之，水稻和玉米秸稈炭最低[36]。綜上所述，農(nóng)作物秸稈炭的物理性質(zhì)和養(yǎng)分性質(zhì)均表現(xiàn)中等，結(jié)合我國農(nóng)作物秸稈資源狀況，農(nóng)作物殘余物可作為大規(guī)模生產(chǎn)生物炭的原料。

1.2.3 熱穩(wěn)定性 生物炭具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)以及羥基、酚基、羧基等官能團，其熱力學(xué)及生化穩(wěn)定性均高于其原料。研究表明，熱解溫度對生物炭穩(wěn)定性具有決定性作用，隨著生物炭熱解溫度的升高，生物炭H/C 和O/C 降低，羥基、羧基和羰基等含氧官能團含量減少，烷基鏈趨于芳香化，生物炭的芳香性增強，抗氧化穩(wěn)定性增加[37-39]。Lehmann 等[40]研究指出，生物炭在土壤中的穩(wěn)定性在很大程度上取決于其抗化學(xué)氧化能力，可通過快速分析生物炭化學(xué)氧化性來評估生物炭在土壤中的穩(wěn)定性。生物炭中的官能團可與土壤礦物結(jié)合形成有機無機復(fù)合體，增加生物炭的穩(wěn)定性，使生物炭免受土壤微生物氧化降解[41]，這是生物炭具有碳封存作用以及其能減緩溫室效應(yīng)的理論依據(jù)，也為緩釋型生物炭基肥的研發(fā)提供了理論和技術(shù)支撐。生物炭含有的羧基、羥基等含氧官能團及表面負電荷賦予了其改良土壤質(zhì)量的巨大潛力[42]。

1.3 生物炭改性

盡管生物炭具有較多優(yōu)點，但仍存在不足之處。隨著人們對生物炭認識及開發(fā)的不斷深入，生物炭改性及應(yīng)用已成為當(dāng)前的研究熱點[43]。生物炭改性主要是以物理、化學(xué)及生物學(xué)方法制備功能性生物炭，通過改善生物炭物理、化學(xué)和生物特性，活化生物炭表面性質(zhì)，強化其功能[44]。研究表明，改性后的生物炭對污染物的修復(fù)效果更好[45]，對土壤有機碳含量提升幅度更大[46]，對富營養(yǎng)化水體中磷的去除能力更強[47]，具有更高的CO2捕獲能力[48]。改性生物炭在污染環(huán)境治理、土壤肥力提升及應(yīng)對氣候變化等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

2 炭基肥的制備及其功能

炭基肥是利用特定方法將生物炭與普通肥料通過一定比例混合制成的具有緩/控釋性能的新型功能型生態(tài)肥料。炭基肥制備工藝包括摻混法、吸附法、包膜法和混合造粒法等，其中摻混法、吸附法和包膜法生產(chǎn)的炭基肥為細粉狀顆粒，灰分含量較高，不方便運輸，直接施用時易造成粉塵污染，而混合造粒法(分為擠壓法和團粒法)可有效解決上述問題，該方法操作簡便、生產(chǎn)效率高，是目前炭基肥的主要生產(chǎn)方式[49-50]。原魯明等[50]歸納整理了典型炭基肥配方及成型工藝，如表2所示，根據(jù)原料組成，炭基肥分為炭基有機肥、炭基無機肥、炭基有機無機復(fù)合肥等；從原料配比來看，生物炭還具備改善土壤結(jié)構(gòu)、鈍化土壤重金屬、吸附養(yǎng)分等功能，因此炭基肥產(chǎn)品中生物炭的添加量要依據(jù)各自不同的功能進行合理配比，目前的炭基肥產(chǎn)品中生物炭的添加比例一般在20%～60%之間。研究表明，不同制備工藝生產(chǎn)的炭基肥其作用機制存在差異，采用反應(yīng)型和吸附型工藝制備的炭基氮肥呈現(xiàn)不同的養(yǎng)分吸持機制，反應(yīng)型工藝制備的炭基氮肥養(yǎng)分控釋效果優(yōu)于吸附型工藝制備的炭基氮肥[27]。

炭基肥兼有惰性和活性的有機質(zhì)，生物炭的固定態(tài)有機質(zhì)碳架起載體作用，實現(xiàn)了炭質(zhì)-礦物質(zhì)-化肥養(yǎng)分的團聚體結(jié)合，延緩了化肥的快速溶解釋放，提高了養(yǎng)分的緩效性，從而顯著減少化肥用量[20]。炭基肥能有效吸附作物生長必需的營養(yǎng)元素，維護土壤微生態(tài)平衡，提高根系和土壤活性[51-52]。炭基肥彌補了生物炭養(yǎng)分不足、消耗量大等問題，同時也可減少化肥用量、改善土壤微生態(tài)環(huán)境并能提高養(yǎng)分利用率和作物品質(zhì)[53-54]。根據(jù)不同用途，業(yè)界相繼開發(fā)出包膜炭基肥[55]、炭基氮肥[27]和炭基鉀肥[56]，并已在北方壤土、砂土麥田和南方煙田進行應(yīng)用。

作為我國重要的經(jīng)濟作物，煙草長期連作、有機肥施用不足、過量施用化肥易造成土壤質(zhì)量下降、碳氮營養(yǎng)失衡、土壤生物活性降低、煙草土傳病害加重等情況，嚴重威脅優(yōu)質(zhì)煙草生產(chǎn)。因此，將煙稈炭化直接還田或者制備成炭基肥用于煙田，既促進了煙稈資源化利用，也有利于土壤改良和煙葉提質(zhì)增效，是實現(xiàn)煙田清潔生產(chǎn)的雙贏途徑。另外，由于煙草具有喜鉀特性，因此在生產(chǎn)上可開發(fā)高鉀炭基肥。

研究表明，炭基肥比生物炭直接還田具有更為穩(wěn)定的正調(diào)控效應(yīng)[57-58]?；谔炕试谕寥栏牧肌⒆魑锾豳|(zhì)增效等方面的優(yōu)良特性，有必要進一步研究炭基肥替代化肥的效果。在國家“一控兩減三基本”政策背景下，炭基肥施用成為我國煙區(qū)化肥減施增效的重要技術(shù)手段，對促進煙草農(nóng)業(yè)綠色健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。但是，炭基肥成本偏高問題是應(yīng)用推廣的一大障礙。因此，還應(yīng)開發(fā)新技術(shù)新工藝來降低炭基肥成本。

表2 典型炭基肥配方及成型工藝(依據(jù)文獻[50]，有改動)Table 2 Formulations and molding process of typical biochar-based fertilizer(Revised according to the reference[50])

3 生物炭及炭基肥對煙田土壤質(zhì)量的影響

生物炭因具有原料來源廣泛、比表面積大、孔隙發(fā)達、富含碳素、官能團豐富、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、吸附能力強等特點，在土壤改良、固碳減排、土壤微生境調(diào)控、污染物去除等方面具有廣泛用途[43，70]。炭基肥融合了生物炭與肥料各自的優(yōu)點，同時具有優(yōu)于其構(gòu)成組分的特性，可緩慢釋放養(yǎng)分、持久保持肥效，持續(xù)改善土壤環(huán)境，促進作物生長、穩(wěn)產(chǎn)或增產(chǎn)。生物炭及炭基肥主要從土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、煙田溫室氣體減排、土壤微生物及酶活性等方面對煙田土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3.1 對土壤理化性質(zhì)的影響

研究表明，施用生物炭和炭基肥可有效改善土壤理化性質(zhì)。生物炭可降低黃灰土煙田土壤容重、改變土壤三相比[71]，增加黃壤煙田田間持水量、土壤孔隙度及透氣性[72]，提高土壤pH 值、土壤導(dǎo)電率、團聚體穩(wěn)定性[73]，提升土壤有機碳含量和養(yǎng)分有效性[74-76]，促進土壤陽離子交換[70]。生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響與土壤類型、生物炭種類、制備工藝以及施用量和施用方式有關(guān)[24，51]。因此，在生產(chǎn)中要根據(jù)實際情況選擇合適的生物炭類型及用量。

3.2 對土壤養(yǎng)分的影響

閻海濤[77]研究表明，生物炭在增加植煙褐土有機碳、氮的同時減少了土壤可溶性有機碳、氮的淋失，且土壤總有機碳、全氮、微生物生物量碳、氮含量均隨著生物炭施用量增加而提高。陳懿等[78]研究表明，施用炭基肥可以顯著提升植煙黃壤pH 值、有效磷和速效鉀含量，并能提高肥料農(nóng)學(xué)利用率，增加土壤細菌、放線菌和真菌數(shù)量，提高土壤脲酶和過氧化氫酶活性。張志浩[79]研究表明，施用炭基肥(1.5 t·hm-2) 后暗棕土、褐土和水稻土植煙土壤堿解氮含量分別比對照(未添加炭基肥) 增加15.82%、23.56%和12.73%，同時顯著改變了3 種類型植煙土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)。李文淵[80]研究表明，施用高碳炭基肥料可提高中后期植煙土壤速效鉀含量、土壤微生物量碳、氮含量，顯著增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)，并使土壤蔗糖酶活性維持在較高水平，促進中后期煙株生長。相對于單獨施用生物炭，炭基肥賦予肥料養(yǎng)分緩釋性，提高了肥料利用率，可以持續(xù)改善土壤養(yǎng)分比例及結(jié)構(gòu)[51]。

3.3 對煙田溫室氣體排放的影響

近年來，研究人員在生物炭和炭基肥固碳減排方面做了大量工作，而其用于煙田固碳減排的研究相對較少。閻海濤[77]研究表明，大田條施1、2、4 t·hm-2生物炭時，其植煙土壤碳庫管理指數(shù)分別比對照(未施生物炭)提高18%、22%和34%。李亞森[81]研究表明，生物炭施用顯著提高了植煙土壤碳庫指數(shù)，而中、低劑量生物炭更有利于提高碳源利用率，其中，中劑量減排效果最優(yōu)，建議最佳土壤固碳減排生物炭施用量為每年15 t·hm-2。Huang 等[82]對煙稻輪作田溫室氣體排放的研究表明，生物炭可顯著降低稻田甲烷(CH4)排放，在較高施用量條件下有降低煙田氧化亞氮(N2O)排放的趨勢，進一步分析表明土壤溫室氣體排放與生物炭對非根際微生物的影響密切相關(guān)。

生物炭穩(wěn)定性較強，是長期存在于土壤中的“碳匯”，對土壤CH4和N2O 排放有重要影響[83]。土壤CH4排放是產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌平衡作用的結(jié)果[84]。生物炭通過影響土壤pH 值、有機質(zhì)含量、氧化還原電位、氮素形態(tài)、透氣性及土壤溫濕度等理化性質(zhì)來改變產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的活性及種群豐度，進而影響CH4排放[85-87]；同時，生物炭的疏松多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積有助于土壤吸收CH4，可為甲烷氧化菌提供碳源，促進土壤CH4氧化，減少CH4向大氣排放[88]。另外，有研究表明，生物炭可通過影響土壤孔隙度、pH 值、質(zhì)地、透氣性等理化性質(zhì)降低反硝化菌及其酶活性或增強氧化亞氮還原酶活性來抑制N2O排放[89-91]。目前生物炭和炭基肥施用對煙田土壤CH4和N2O 排放的影響機制研究還不夠深入，還需進一步研究。

3.4 對土壤微生物的影響

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有支撐土壤肥力、促進生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的作用[92]，在維系土壤結(jié)構(gòu)、保育土壤肥力等方面具有不可替代的作用[93]。生物炭對微生物的影響主要體現(xiàn)在兩方面:一是生物炭的多孔微觀結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積為微生物提供了適宜的生境[31]，二是生物炭可通過吸附養(yǎng)分或改良土壤間接影響微生物群落[94]。研究表明，生物炭在改善植煙土壤微生態(tài)、調(diào)控烤煙生理特性方面具有積極效應(yīng)[72]，可改善植煙土壤細菌群落多樣性及組成[95]，提高根際土壤細菌多樣性和分布均勻程度[96]，促進土壤有益微生物生長[97]。而炭基肥對土壤微生物群落的影響與生物炭存在差異，其主要通過豐富土壤氮磷鉀、有機質(zhì)、水分等微生物生長因子，協(xié)同提升土壤環(huán)境中細菌生長，提高土壤微生物群落的多樣性[98-99]。另外，生物炭可通過影響土壤環(huán)境來驅(qū)動土壤微生物群落的生態(tài)演替，進一步分析土壤理化性質(zhì)與真菌群落結(jié)果的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，土壤水溶性有機碳、pH 值和含水率對土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的影響最大[77]。因此，通過優(yōu)化改進施肥措施來改善植煙土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、培肥煙田土壤，對實現(xiàn)烤煙優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。

3.5 對土壤酶活性的影響

土壤酶來自生物的活體或殘體，是土壤生物學(xué)活性的重要組成部分，可以表征土壤肥力、物質(zhì)轉(zhuǎn)化、環(huán)境變化的動向和強度[100]。土壤蔗糖酶、土壤淀粉酶和土壤纖維素酶活性與微生物數(shù)量、土壤呼吸強度有關(guān)[101]。研究表明，施用生物炭有利于增加土壤蔗糖酶、脲酶活性和土壤微生物量碳含量，減少氮素流失[102]，但對土壤轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶活性無顯著影響[103]。另有研究表明，生物炭對烤煙前期根際土壤轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性有抑制作用，但可以提高烤煙后期土壤酶活性、促進微生物生物量碳形成，說明生物炭施入土壤后對土壤-作物系統(tǒng)的作用具有一定的滯后性[104]。

萬惠霞等[105]研究認為炭基肥刺激并增加了土壤細菌數(shù)量及其多樣性，提高了土壤轉(zhuǎn)化酶活性。潘全良等[106]研究表明，炭基肥對土壤蔗糖酶與土壤過氧化氫酶活性有抑制作用，而對土壤脲酶活性無明顯影響。而陳懿等[78]研究顯示，施用炭基肥可以提高土壤脲酶和過氧化氫酶活性，其中過氧化氫酶活性增幅達10.6%。生物炭和炭基肥對土壤酶活性產(chǎn)生復(fù)雜多變的效應(yīng)，其原因在于:一方面生物炭吸附酶促反應(yīng)的反應(yīng)底物，促進酶促反應(yīng)的進行，提高土壤酶活性；另一方面生物炭吸附保護酶促反應(yīng)的結(jié)合位點，從而抑制酶促反應(yīng)，降低酶活性[107]。

4 生物炭及炭基肥對煙草生長和煙葉品質(zhì)的影響

4.1 對煙草生長和產(chǎn)量的影響

生物炭具有獨特的理化特性及生化穩(wěn)定性，在作物產(chǎn)量及品質(zhì)提升方面具有較大的應(yīng)用潛力。研究表明，生物炭可改善煙草株高、有效葉、最大葉長(寬)和莖圍等農(nóng)藝性狀[108]，促進煙株生長、降低病毒病和赤星病發(fā)病率，提高煙草產(chǎn)量、產(chǎn)值及上等煙比例[109]。閻海濤[77]研究表明，施用生物炭各處理的煙株株高、莖圍及葉面積最多分別比對照(未施生物炭) 高6.48%、4.00%和23.54%，條施2 t·hm-2生物炭煙株干物質(zhì)積累量比對照高16.70%，煙草產(chǎn)量和經(jīng)濟效益分別比對照(未施生物炭)增加7.05%和15.76%。另外，與常規(guī)施肥相比，施用生物炭可增加煙草根際土壤含水量、根系活力及根冠比，提高葉片的光合性能[110]。但生物炭對煙草生長的作用具有滯后性，表現(xiàn)為生物炭抑制煙草前期生長，提高中后期煙葉葉綠素含量，并可顯著促進煙草后期生長[111-112]；此外，田間試驗表明，生物炭用量對煙草生長也具有明顯影響，用量過大會抑制煙草早期生長，降低其干物質(zhì)積累量[77]。因此，應(yīng)考慮生物炭的肥效特性及煙草生長需肥規(guī)律，開展生物炭不同用量在不同立地條件煙區(qū)的應(yīng)用效果研究。

炭基肥對作物生長及其產(chǎn)質(zhì)量的影響與炭基肥種類、組分比例、施用量及方式密切相關(guān)，不同原料的炭基肥對同一作物的施用效應(yīng)也存在差異[51]。研究表明，麥秸炭基肥可促進青椒根系生長，顯著提高青椒產(chǎn)量，而稻殼和花生殼炭基肥雖可顯著提升青椒品質(zhì)，卻對產(chǎn)量無顯著影響[113]。李彩斌等[114]研究認為，與其他比例生物炭基肥處理相比，BCF15 處理(N∶P2O5∶K2O=9∶13∶22，生物炭比例為15%)煙田土壤脲酶和土壤硝酸還原酶活性最高，煙草葉綠素含量、類胡蘿卜素含量、凈光合速率和水分利用率最高，氮和鉀積累量最大，經(jīng)濟性狀表現(xiàn)最突出，認為BCF15 處理是貴州黃壤煙田炭基復(fù)混肥較適宜的配方。然而，由于生物炭制備或施用時可能會釋放多環(huán)芳烴化合物、二噁英、酞酸酯以及向土壤中輸入外源重金屬，因此生物炭和炭基肥施入土壤后也可能會產(chǎn)生一些對土壤健康和煙草生長不利的負面作用，需要評估其潛在的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險[115]。

4.2 對煙葉品質(zhì)的影響

生物炭對煙草生長發(fā)育、煙葉化學(xué)成分及其協(xié)調(diào)性、感官質(zhì)量和產(chǎn)質(zhì)量均有重要影響。施用生物炭增加了煙株干重和煙葉產(chǎn)量，但當(dāng)生物炭施用量超過2 025 kg·hm-2時則會導(dǎo)致煙葉品質(zhì)下降[116]。王成己等[117]研究發(fā)現(xiàn)，中低劑量生物炭處理有利于改善煙葉品質(zhì)，中高劑量生物炭則有利于提高煙葉產(chǎn)量和產(chǎn)值，建議條施煙稈生物炭以每株0.4 kg 為宜。施用適量生物炭和炭基肥可提高烤后煙葉化學(xué)成分協(xié)調(diào)性，原因可能在于生物炭延長了煙葉成熟期、充分轉(zhuǎn)化煙葉內(nèi)在成分，提高了煙葉中石油醚提取物含量及烤后煙葉中致香物質(zhì)總量[112，118-120]。研究表明，施用生物炭可顯著增加煙株對磷和鉀的吸收[121]。鉀是煙草生長必需的營養(yǎng)元素，煙葉鉀含量高低是衡量煙葉品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。植煙土壤施入富鉀的生物炭可提高土壤中速效鉀水平，使煙草富集吸收更多鉀元素，從而提高煙葉品質(zhì)。生物炭也可促進煙草碳氮(鉀)代謝，提高中上部煙葉鉀氯比以及中部煙葉總糖含量、還原糖含量、鉀含量及糖堿比[122]。田間試驗表明，85%常規(guī)施肥＋1.5 t·hm-2炭基肥可改善煙葉內(nèi)在化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性，增加中性致香物質(zhì)，提高煙農(nóng)的經(jīng)濟效益[123]?；逝涫┨看追柿?，減施20%化肥時煙草產(chǎn)質(zhì)量仍高于常規(guī)施肥，說明生物炭與木醋液配合施用具有替代化肥的潛力[124]。另外，利用生物炭處理鎘污染土壤，可增加煙葉中總糖、氮和鉀含量、降低氯含量[125]。

5 生物炭及炭基肥對煙草土傳病害的影響

煙草土傳病害一直困擾著煙草農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，尋找解決土傳病害的方法迫在眉睫。煙草土傳病害成因復(fù)雜，但土傳病病原菌與根際微生物之間的相互作用關(guān)系是決定煙株能否持續(xù)健康生長的關(guān)鍵因素[126-127]。因此，構(gòu)建土壤營養(yǎng)、酸堿度、根際微生物與煙株生長的平衡體系，理清煙草土傳病害發(fā)病情況與土壤理化性質(zhì)及微生物區(qū)系的關(guān)系，是生物炭防控?zé)煵萃羵鞑『Φ暮诵膯栴}。

研究認為，生物炭防控土傳病害的重要原因是其誘導(dǎo)了植物對病害的系統(tǒng)抗性，促進了植物體內(nèi)抗性基因表達，而生物炭激發(fā)植物系統(tǒng)抗性的機理尚不明確，可能源自土壤微生物區(qū)系的改變[128]。陳懿等[72]研究表明，生物炭在改良植煙土壤微生態(tài)、調(diào)控烤煙生理特性方面具有積極效應(yīng)。王成己等[129]提出生物炭防控?zé)煵萸嗫莶〉奈锢砘瘜W(xué)及生物學(xué)機制，認為改善植煙土壤養(yǎng)分狀況和微生物群落結(jié)構(gòu)是生物炭防控?zé)煵萸嗫莶〉闹匾獧C理。青枯病是毀滅性的土傳病害，通過改善土壤微生物多樣性以提高對羧酸類和聚合物類碳源的利用能力[130]，并增加土壤有益微生物，是提高土壤免疫力、增強土壤抵御土傳病害能力的重要途徑[131]。閻海濤[77]研究表明，煙田添加生物炭后煙株氣候性斑點病和黑脛病發(fā)病率分別比對照降低17.26%～52.19%和9.01%～50.00%。煙草移栽時施用炭基肥可迅速提高煙株根圍土壤有機碳含量、改善土壤微生態(tài)功能，有助于煙株吸收利用養(yǎng)分、促進根系發(fā)育并提高青枯病抗性[105]。另外，相關(guān)研究表明土壤有機碳的增加會提升根際微生物有益菌數(shù)量，抑制病原菌繁殖，減輕土傳病害的發(fā)生，進而抑制煙草連作障礙[132-135]。

6 問題與展望

煙草是我國重要的經(jīng)濟作物，煙葉提質(zhì)增效及綠色清潔生產(chǎn)是煙草農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的必然趨勢。煙稈炭化還田是實現(xiàn)煙稈資源化利用和環(huán)境友好發(fā)展的雙贏途徑。生物炭較大的比表面積、發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、豐富的官能團、穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)以及良好的吸附特性賦予其改良連作障礙煙田土壤、重建健康微生物生境的巨大潛力，這是炭基有機肥/有機無機復(fù)合肥施用效果優(yōu)于普通有機肥/有機無機復(fù)合肥的重要原因[50，136]。炭基肥融合了生物炭與肥料各自的優(yōu)點，同時具有優(yōu)于其構(gòu)成組分的特性，可緩慢釋放養(yǎng)分、持久保持肥效，持續(xù)改善土壤環(huán)境，促進作物生長及穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)，在煙草農(nóng)業(yè)中具有較大的應(yīng)用潛力。但是，由于生物炭及炭基肥在煙草農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用時間較短，在一些理論及應(yīng)用問題上還存在爭議，今后的研究與應(yīng)用應(yīng)重點關(guān)注以下幾方面問題:

1)生物炭及炭基肥調(diào)控植煙土壤質(zhì)量及煙草生長和品質(zhì)的機制機理。從目前研究結(jié)果來看，生物炭及炭基肥對植煙土壤環(huán)境產(chǎn)生積極影響，可有效促進煙草生長、提升煙草產(chǎn)量及品質(zhì)，具有防控?zé)煵萃羵鞑『Φ臐摿Γ锾考疤炕蕦χ矡熗寥佬再|(zhì)的持久影響、生物炭影響植煙土壤質(zhì)量的微生物機制、生物炭防控?zé)煵萃羵鞑『Φ臋C理、生物炭及炭基肥施用時煙草-土壤-微生物的相互作用關(guān)系等科學(xué)問題還有待于長期深入研究。

2)生物炭及炭基肥施用的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險評價。生物炭制備時產(chǎn)生的多環(huán)芳烴會對植物、動物、微生物產(chǎn)生毒害作用，一些原料制備的炭基肥可能會向土壤輸入重金屬和有機污染物，后期應(yīng)考慮生物炭及炭基肥施用對煙田土壤健康和煙草生長產(chǎn)生的負面作用，通過長期試驗研究評估其潛在的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險。

3)生物炭及炭基肥生產(chǎn)技術(shù)工藝創(chuàng)新。生物炭及炭基肥的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能因生物質(zhì)材料、熱解溫度和時間以及制備工藝的不同存在較大差異，因此需要探索制備多功能生物炭及炭基肥的新方法、新工藝、新設(shè)備。通過生物炭改性制備功能性生物炭，因地制宜開發(fā)利用炭基有機肥、炭基無機肥、炭基有機無機復(fù)合肥以及炭基氮肥、炭基鉀肥等煙草專用炭基肥，是未來生物炭基產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域亟待解決的重要技術(shù)問題。