生物炭与氮肥配施对烤烟生长及烟叶主要化学成分的影响

刘 卉,周清明,黎 娟,张黎明,张明发,孙 敏,刘智炫,陈佳亮

(1.湖南农业大学 农学院,湖南 长沙 410128;2.湖南省烟草公司 湘西自治州公司,湖南 吉首 416000)



生物炭与氮肥配施对烤烟生长及烟叶主要化学成分的影响

刘 卉1,周清明1,黎 娟1,张黎明2,张明发2,孙 敏1,刘智炫1,陈佳亮1

(1.湖南农业大学 农学院,湖南 长沙 410128;2.湖南省烟草公司 湘西自治州公司,湖南 吉首 416000)

为了探明不同生物炭用量与氮肥配施对烤烟生长及烟叶主要化学成分的影响,以云烟87为试材,通过田间小区试验研究了9种不同的生物炭与氮肥配施比例对烤烟生长及烟叶主要化学成分的影响。结果表明:生物炭与氮肥配施能够调控烤烟的生长,促进烟株的生长发育,加快出叶速度,但施炭量与对烤烟生长的促进作用不呈正相关,当施炭量超过3 750 kg/hm2、施氮量超过112.5 kg/hm2时对烤烟生长的促进作用逐渐下降。生物炭与氮肥配施能够在一定程度上促进根系的发育,提高烤烟干物质积累量。生物炭与氮肥配施能够调节烤后烟叶的总糖与还原糖含量至最适范围内,降低烟叶淀粉含量,提高烟叶钾含量,有利于提高烟叶燃烧性。同时合理配施生物炭与氮肥也能改善烟叶的糖碱比、糖氮比、钾氯比使之趋近于适宜值,但当配施比例较低时即施炭量为3 000 kg/hm2、施氮量为75.0 kg/hm2的配施比例不利于改善烤烟糖氮比以及钾氯比。综合来看，以施炭量3 750 kg/hm2,施氮量112.5 kg/hm2的配施比例适宜,烟株的生长发育较快,烤后烟叶的主要化学成分含量适宜。

烤烟;生物炭;氮肥;化学成分

生物炭是由生物质残体高温缺氧条件下裂解的产物[1-3],近几年生物炭被广泛地应用于土壤改良,促进作物生长提高作物产量[4-7],生物炭含有一定量的矿质养分,可增加土壤中矿质养分含量,如磷、钾、钙、镁及氮素,生物炭具有离子吸附交换能力及一定吸附容量,其可改善土壤的阳离子或阴离子交换量,从而可提高土壤的保肥能力[8-9]。生物炭对水稻、玉米等作物增产的作用显著,张伟明等[10]研究表明,施用生物炭后能够促进水稻根系生长。张娜等[11]研究发现,施用生物炭后能显著提高夏玉米干物质积累,促进夏玉米生长发育。李静静等[12]研究表明，生物炭与氮肥配施能够显著提高烤烟中后期的干物质积累量以及烤烟移栽后90 d的氮肥利用率,并且能改善土壤的生物学性状,促进烤烟的生长。张园营等[13]研究了施用生物炭对烟叶石油醚提取物及致香物质的影响,结果表明施用生物炭可以延长烟叶的成熟期,有利于烤烟致香物质的积累与转化。赵殿峰等[14]采用盆栽试验研究了生物炭施用后对烤烟生长的影响,结果表明添加适宜的生物炭量有利于烤烟的生长,施用量过高时抑制烤烟的生长降低烟叶品质。尤方芳等[15]研究表明,生物炭与有机肥和复合肥配施能显著改善烟株的镉胁迫环境,降低烟叶中的镉含量。大量研究表明施用生物炭能提高土壤供肥能力[16-21]。刘典三等[22]研究表明，施用生物炭能减少施肥量与施肥环境的同时又促进烟株生长发育。研究表明生物炭能够改良土壤,提高烤烟的品质[23-26]。前人在烤烟上对生物炭的研究主要集中在利用生物炭改良土壤，提高烤后烟叶的致香物质，降低烟叶重金属含量等[27-31]。在研究生物炭与氮肥的配施对促进烤烟生长的影响及不同配施比例对烤烟化学成分的影响还比较欠缺,因此,本试验通过研究不同用量的生物炭与氮肥配施对烤烟生长及烟叶主要化学成分的影响,旨在探索生物炭与氮肥的适宜配施比例,促进烤烟的生长,改善烤后烟叶的化学品质,为生物炭在烤烟生产上的应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验于2014年在湖南省湘西州凤凰县千工坪基地进行,供试品种为云烟87,供试土种为黄灰土,4月25日移栽,株行距为55 cm×110 cm。供试土壤的基础理化性质为:有机质21.1 g/kg、速效氮0.109 g/kg、速效磷0.058 g/kg、速效钾0.212 g/kg、pH值6.78。生物炭基本理化性质为:有机碳421.10 g/kg、速效氮0.442 g/kg、速效磷0.144 g/kg、速效钾3.760 g/kg、C/N 190.54、pH值9.80、灰分19.71%。

1.2 处理设计

设置10个处理,见表1,共3次重复,共计30个小区,每小区面积60 m2。在整地前、试验小区划分好后,按照各处理生物炭用量将生物炭均匀撒施在供试小区地表,旋耕深翻使其与土壤充分混合,肥料配方见表2,烟草专用复合肥采用传统基追结合施用方式,基追比(以纯N计)为6∶4,追肥时间参照当地常规时间实行,其他配套农艺措施按照当地技术规范实行。

表1 试验设计处理

1.3 测定项目与方法

1.3.1 农艺性状 烤烟移栽后分别在团棵期、旺长期、成熟期采用5点法测定不同处理的烟株农艺性状:株高、茎围、节距、最大叶长宽、有效叶数等。

1.3.2 干物质积累 成熟期时选取每小区有代表性烟株3株,采用杀青烘干称重法测定其根茎叶重量,并计算根冠比=地下部分/地上部分。

1.3.3 烤后烟叶化学成分 烤后烟叶取C3F等级烟叶测定其化学成分:总糖、还原糖、烟碱、氯、淀粉、总氮、钾含量。总糖、还原糖、总氮、烟碱、氯、淀粉含量采用Skalar连续流动分析仪测定,钾含量采用火焰光度计测定。钾氯比=钾含量/氯含量、糖碱比=总糖含量/烟碱含量、氮碱比=总氮含量/烟碱含量、糖氮比=总糖含量/总氮含量。

表2 肥料配方

1.4 统计分析

数据处理采用Excel,方差分析采用SPSS 22.0,多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 不同生物炭用量与氮肥配施对烤烟农艺性状的影响

不同生物炭用量与氮肥配施对烤烟农艺性状的影响由表3可以看出,在团棵期各处理农艺性状存在差异,从株高来看,不同处理株高基本在17.50～22.67 cm,以T4、T5、T6最高,T7处理显著低于T4、T5、T6,各处理与对照比较差异不显著。从茎围来看,不同处理间差异较小,各处理茎围基本在5 cm左右。从节距来看,各处理间差异较大,节距较大的处理是T2,T2处理与对照比较差异显著,其他处理与对照比较节距有所降低,以T5节距最小,与对照比较存在显著差异。从最大叶长来看,不同处理最大叶长基本在42.17～48.33 cm,最大叶长较长的是T6处理，为48.33 cm,略长于对照组最大叶长,差异不显著。最大叶长最短的是T1,处理为42.17 cm,与对照比较较短,差异不显著。从最大叶宽来看,不同处理最大叶宽基本在22.33～25.67 cm,最大叶宽较大的处理是T4,最大叶宽较小的处理是T2、T3,不同处理之间最大叶宽大小差异不显著。从有效叶数来看,团棵期时各处理有效叶数基本在10.67～12.67片左右,有效叶数较多的处理是T5为12.67片,有效叶数对于对照存在显著差异,有效叶数较少的处理是T8为10.67片,与对照比较差异不显著。

表3 团棵期各处理农艺性状

注:不同小写字母表示差异在5%显著水平。表4-9,图1-2同。

Note:Different of lowercase letters represent the significant at 5% probability level.The same as Tab.4-9,Fig.1-2.

由表4可以看出,进入旺长期时不同处理农艺性状的差异变大,各处理间株高存在差异,其中T6、T8显著低于其他处理。T4处理株高最高为131.42 cm,T6处理株高最低为105.43 cm。除T6、T8处理株高低于对照组,其余各处理株高均高于对照组。从茎围来看,与对照组比较茎围较粗的处理是T4、T5、T7,三者茎围均在7.50 cm以上。与对照比较茎围较细的处理是T2、T6,二者茎围在7.00 cm以下。从节距来看,生物炭与氮肥配施处理节距与对照比较不同程度减少,节距较小的处理是T4、T5、T9,三者节距均在6.00 cm以下。从最大叶长来看,与团棵期相同仍表现为生物炭与氮肥配施处理最大叶长小于对照,最大叶长最小的处理是T7。从最大叶宽来看,与最大叶长表现规律相反,生物炭与氮肥配施处理最大叶宽均大于对照组,这说明生物炭与氮肥配施能在一定程度上增加烤烟叶片的开片度。从有效叶数来看,旺长期时不同处理有效叶数增加至13.00～16.33片叶,生物炭与氮肥配施处理与对照组比较有效叶数差异显著,各处理有效叶数均多于对照,其中有效叶数较多的处理是T1、T2、T4、T5、T6为16片。

表4 旺长期各处理农艺性状

由表5可以看出,成熟期时不同处理株高为110.90～144.54 cm,其中株高与对照比较较低的处理是T5,株高较高的处理是T2、T3,二者株高在140 cm以上。从茎围来看,不同处理茎围为7.03～8.68 cm,与对照比较茎围较粗的处理是T3、T5、T6、T7、T8,茎围在8.00 cm左右。与对照比较茎围较细的处理是T2为7.03 cm。从节距来看,不同处理表现规律与团棵期、旺长期时一致,生物炭与氮肥配施处理与对照比较不同程度降低。从最大叶长来看,表现为生物炭与氮肥配施处理最大叶长小于对照,最大叶长较小的处理是T2、T7。从最大叶宽来看,表现为生物炭与氮肥配施处理最大叶宽大于对照。从有效叶数来看,进入成熟期时不同处理有效叶数基本在17片左右,生物炭与氮肥配施处理有效叶数多于对照组且差异显著。

2.2 不同生物炭用量与氮肥配施对烤烟干物质积累的影响

从图1可以看出，生物炭与氮肥配施处理后对烤烟干物质积累量有一定影响。施用生物炭后与对照比较烤烟干物质积累量有升高的趋势,这说明施用生物炭后有利于烟株的生长发育。干物质积累量较大的处理是T2、T3,且与对照比较差异显著。其他处理与对照比较干物质积累差异较小。

2.3 不同生物炭用量与氮肥配施对烤烟各器官干物质分配的影响

不同生物炭用量与氮肥配施后对烤烟各器官干物质分配的影响见表6,从根系来看,不同处理间根干质量存在差异但未达到显著水平。根干质量较大的处理是T2、T3,生物炭与氮肥配施后能在一定程度上促进根系的发育。从根干质量占全株比例来看,不同处理与对照比较根干质量占全株比例或高或低,其中根干质量占全株比例较高的处理是T3为45.96%,这可能是由于较高的施氮量而生物炭施用量较少,不能适宜平衡土壤中的水分与养分含量导致根系过于发达。从烟株茎秆来看,生物炭与氮肥配施处理与对照比较茎干质量差异较小,但茎干质量均较对照在不同程度上升高,这说明生物炭与氮肥配施后能一定程度上促进烟株茎秆的发育,为烤烟的生长提供较好的机械支撑作用。从茎干质量占全株比例来看,不同处理与对照比较茎干质量占全株比例或高或低,其中茎干质量占全株比例较高的处理是T4、T5,茎干质量占全株比例较低的处理是T2、T7。叶片是烤烟主要的收获产物,其干质量的大小在一定程度上能反映烟株光合作用强弱,并影响烤烟的产质量。从叶干质量来看,生物炭与氮肥配施的处理与对照比较叶干质量均有所升高,这说明生物炭与氮肥配施后能促进烟株的生长发育,提高烤烟的经济产量。但烤烟叶干质量并不是越大越好,其中叶干质量较大的处理是T6、T7、T8。从叶干质量占全株比例来看,T1、T2、T3、T4处理叶干质量占全株比例与对照比较有所降低,T5、T6处理叶干质量占全株比例与对照比较较大。从根冠比来看,不同处理间根冠比存在差异,其中根冠比较大的处理是T2、T3。从不同处理的表现来看，T5处理茎秆较对照发达，烤烟叶片干质量显著增加且在适宜值范围内，烟叶内含物含量较适宜，生物炭与氮肥配施比例适宜。

图1 不同处理烤烟干物质比较

表6 不同处理烤烟干物质分配比较

2.4 不同生物炭用量与氮肥配施对烤后烟叶化学成分的影响

2.4.1 不同处理对烤后烟叶总糖、还原糖及淀粉含量的影响 从表7可以看出,不同生物炭用量与氮肥配施后烤后烟叶总糖、还原糖及淀粉含量存在差异。烟叶总糖和还原糖含量能够影响烟气醇和度、吃味,适宜的总糖与还原糖含量有利于提高烟叶的香气和吃味,同时降低刺激性。生产上一般认为烤烟总糖含量为18%～22%,在20%左右较适宜。还原糖含量为14%～18%,最适含量为15%左右。从总糖含量上来看,生物炭与氮肥配施处理与对照比较烤后烟叶总糖含量有高有低,总糖含量处于适宜范围内的处理是T3、T5、T8、T9,T1、T2、T4、T7处理总糖含量偏高。从还原糖含量上来看,最接近适宜值的处理是T5,其他处理还原糖含量或偏高或偏低。淀粉含量一般需控制在5%以下,各处理烟叶淀粉含量均在适宜范围内,除T4处理外,其他处理烤后烟叶淀粉含量均低于对照。

表7 不同处理烤烟总糖、还原糖及淀粉含量比较

2.4.2 不同处理对烤后烟叶烟碱、总氮含量的影响 从图2可以看出,不同处理烤后烟叶烟碱及总氮含量存在差异。烤烟烟碱含量一般为1.5%～3.5%,当烟碱含量过低时烟气劲头不足且吃味平淡,烟碱含量过高时烟气不仅刺激性强且味苦辛辣,一般来讲烟碱含量在2.0%～2.5%较适宜。烤烟总氮含量对于烟味的影响与烟碱类似,总氮含量一般为1.5%～3.5%,最适含量为2.5%。从烟碱含量上来看,不同处理间烤后烟叶烟碱含量较高的处理是T3、T6,烟碱含量较低的处理是T1、T4,T7。T2、T5、T8、T9处理烤后烟叶烟碱含量较适宜。从总氮含量上来看,总氮含量处于适宜范围内的处理是T5、T6。

图2 不同处理烤烟烟碱及总氮含量比较

2.4.3 不同处理对烤后烟叶钾、氯含量的影响 烟叶中钾含量影响烟叶的燃烧性,钾含量高燃烧性好,烤烟氯含量能影响烟叶的吸湿性与燃烧性,烤烟氯含量过高时,烟叶吸湿性大,烟叶燃烧能力降低,一般氯含量控制在0.6%以下较适宜。从表8可以看出,不同处理烤后烟叶钾含量无显著差异,与对照比较,施用生物炭后能在一定程度上提高烤后烟叶钾含量,提高烟叶的燃烧性。这一方面是由于生物炭本身的灰分元素中有一定的钾含量,另一方面是由于生物炭的保肥能力促进了烟叶钾含量的提高。从氯含量上来看,不同处理烤后烟叶氯含量存在差异,各处理基本处于适宜范围内。

表8 不同处理烤后烟叶钾、氯含量比较

2.4.4 不同处理对烤后烟叶糖碱比、氮碱比、糖氮比及钾氯比的影响 烤烟糖碱比6～10较适宜，氮碱比0.8～0.9较适宜，糖氮比适宜值为6～10，钾氯比值大于4适宜。从表9可以看出,不同处理烤后烟叶糖碱比存在差异。T1、T4、T7处理糖碱比值较高,烟叶刺激性强。不同处理糖碱比结果表明,生物炭与氮肥配施后能在一定范围内调控烤后烟叶的糖碱比值。从氮碱比来看,不同处理间氮碱比值无显著差异。从糖氮比来看,不同处理烤后烟叶糖氮比存在差异,烤后烟叶糖氮比处于适宜范围内的处理是T3、T5、T6、T8、CK,烟叶吃味刺激性较适宜。T1、T4、T7糖氮比值较高,烟叶吃味刺激性较差,同时也表明较低的施氮量与生物炭配施比例不利于烤烟糖氮比的平衡。从钾氯比来看,不同处理烤后烟叶钾氯比存在差异,与对照比较各处理钾氯比值或高或低,比对照组烤后烟叶钾氯比值高的处理是T2、T3、T5、T6、T9,烟叶燃烧性较好,同时可以看出,较低的施氮量与生物炭配施比例不利于烤烟钾氯比值的提高。

表9 不同处理烤后烟叶糖碱比、氮碱比、糖氮比及钾氯比值比较

3 讨论与结论

各处理农艺性状的优良能间接地反映出烤后烟叶质量的高低。陈敏等[16]研究发现，土壤中施用生物炭后,能够提高土壤肥力,降低养分损失。王丽渊[32]研究表明,施用生物炭后能改良土壤的理化性状,有利于促进烟株根系生长发育。本研究也同样发现,生物炭与氮肥配施后烟株的长势较好,出叶速度较快,烤烟叶片的开片度得到改善。这说明生物炭与氮肥配施有利于烤烟的生长发育,这可能是由于生物炭的孔隙结构能够改良植烟土壤的孔隙性,生物炭的吸附作用同时又提高了养分的有效性,使得烤烟生长发育的土壤理化环境得到改善,因而有利于烟株的生长。不同生物炭用量与氮肥配施对烤烟的农艺性状影响存在差异,施用生物炭对烤烟生长的促进作用与施炭量不呈正相关,生物炭与氮肥配施比例都不宜过高,这与赵殿峰等[14]的结果一致。这可能是由于过高的生物炭用量导致土壤容重等偏离最适值,影响烤烟的生长发育。烤烟的干物质积累量及各器官干物质分配比例能一定程度上反映烟株的同化能力及源库流之间的协调性,并且影响烤烟的产质量。本研究发现施用生物炭后能够提高烤烟的干物质积累量,这与刘新源等[33]研究结果一致。且相同施氮量的水平下,烤烟干物质积累量随着施炭量的增加呈降低的趋势,相同施炭量的水平下,烤烟干物质积累量随着施氮量的增加呈升高的趋势。生物炭与氮肥配施后能在一定程度上促进根系的发育,改善烤烟各器官干物质分配比例,协调源库流的关系,促进烤烟地上部分与地下部分自我协调以及烟株的生长发育。烤烟的内含物影响烟叶品质,烟叶化学成分比例协调与否与烟叶质量密切相关[34-37]。本试验发现生物炭与氮肥配施后,能够调节改善烤后烟叶的总糖与还原糖含量,有利于提高烟叶的香气和吃味,同时降低刺激性。各处理烤后烟叶淀粉含量较对照有所降低,烟碱及总氮含量趋近于适宜值,提高烤后烟叶钾含量。生物炭与氮肥配施后能在一定范围内调控烤后烟叶的糖碱比值、糖氮比、钾氯比,较低的施氮量与生物炭配施比例不利于烤烟糖氮比的平衡,也不利于烤烟钾氯比值的提高。

综合来看，生物炭与氮肥配施能够调控烤烟的生长，促进烟株的生长发育,协调烤后烟叶的主要化学成分含量。T5处理即生物炭用量为3 750 kg/hm2,施氮量为112.5 kg/hm2,烤烟生长发育速度较快,烤烟各器官干物质分配比例协调,烤后烟叶化学成分含量适宜,有利于优质烤烟的生产。

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Effects of Biochar Application Combined with Nitrogen Fertilizer on Growth of Flue-cured Tobacco and Main Chemical Composition of Tobacco Leaves

LIU Hui1,ZHOU Qingming1,LI Juan1,ZHANG Liming2,ZHANG Mingfa2,SUN Min1,LIU Zhixuan1,CHEN Jialiang1

(1.College of Agronomy,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China;2.Xiangxi Autonomous Prefecture Branch of Hunan Provincial Tobacco Company,Jishou 416000,China)

In order to study the effects of different amount of biochar application combined with nitrogen fertilizer on the growth of flue-cured tobacco and the main chemical composition of tobacco leaves.Yunyan 87 was selected as testing material and a field experiment was designed to study the effects of nine different amount of biochar application combined with nitrogen fertilizer on the growth of flue-cured tobacco and the main chemical composition of tobacco leaves.The results showed that biochar application combined with nitrogen fertilizer could regulate and promote the growth of flue-cured tobacco,accelerate the speed of the leaves,but amount of biochar application was not positively correlated with the role of promotion tobacco growth,when applied to the biochar more than 3 750 kg/ha,and nitrogen fertilizer at 112.5 kg/ha,the role in promoting tobacco growth gradually decreased.Biochar application combined with nitrogen fertilizer could promote root growth,and improve the amount of dry matter accumulation of flue-cured tobacco.Coordinate the content of total sugar and reducing sugar,decline the content of starch,and improve the content of potassium in tobacco leaves and improve the combustibility of tobacco leaves.At the same time,it could also improve the ratio between sugar and nicotine,the ratio between sugar and nitrogen and the ratio between sugar and nitrogen of tobacco leaves.It was harmful to improve the ratio between sugar and nitrogen and the ratio between potassium and chlorine of tobacco leaves that a lower proportion of biochar application combined with nitrogen fertilizer that was 3 000 kg/ha biochar and 75.0 kg/ha nitrogen fertilizer.It was concluded that 3 750 kg/ha biochar and 112.5 kg/ha nitrogen fertilizer was the optimal proportion which had faster growth of tobacco plant and the appropriate content of main chemical composition of tobacco leaves.

Flue-cured tobacco;Biochar;Nitrogen fertilizer;Chemical composition

2016-07-12

湖南省烟草专卖局重点项目(13-14ZDAa03)

刘 卉(1990-),男,湖南常德人,在读博士,主要从事烟草原料与加工工程研究。

黎 娟(1981-),女,湖南常德人,副教授,在读博士,主要从事烟草科学与工程技术研究。

S572;S143.1

A

1000-7091(2016)05-0159-08

10.7668/hbnxb.2016.05.024