基于蒸汽爆破技术的烟秆炭与氮肥配施对烤后烟中性致香成分的影响

李静静， 李建华， 程 功， 任天宝， 葛少华， 刘国顺

(1.河南农业大学/国家烟草栽培生理生化研究基地，河南郑州 450002； 2.河南省烟草公司许昌市公司，河南许昌 456100)

土壤碳库在陆地碳循环和全球变化中起重要作用，如何增加土壤碳截留已引起研究者的高度重视[1]。近年来，由于不合理的耕作制度和栽培模式，致使土壤碳氮比下降，肥料利用率降低，土壤理化性状和生物特性逐步恶化。所以，提高碳库指数和土壤的C/N对于土壤改良和提高肥料利用率具有重要的意义。

目前，通过生物质热解制成的生物炭已日益被视为增加土壤碳截留、缓解温室气体效应的潜在有效措施，并将其用作土壤改良剂及固碳剂的研究日益增多[2-3]。国外在生物炭的性质和特征及其对土壤物理、化学性质、微生物作用，作物肥效及土壤固碳等方面展开了较广泛的研究，并取得明显进展[3]。本研究采用高温高压蒸汽裂解技术，将粉碎后的烟秆经过高温高压蒸汽介质进行热裂解然后瞬时爆破后形成一种高含碳量、性质稳定的产物。该烟秆炭具有炭含量高，比表面积大且吸附能力强的特点，既减少了烟秆固体废弃物引起的环境污染，又可以改善植烟土壤质量和提高肥料效率。唐光木等研究表明，施入20、40 t/hm2的生物炭，能显著提高土壤有机质含量，与基础土壤相比，分别提高了22.77%、49.80%[3]，明显高于秸秆还田、羊粪和腐殖酸有机肥等对土壤有机质的提升效果，施用生物炭提高了玉米单穗质量、千粒质量、产量以及生物量，降低了玉米的根冠比，促进玉米根系生长。马莉等研究表明，施用生物炭对小麦生长具有一定的促进作用，可显著提高小麦地上部干物质量、氮素吸收量、土壤中氮素残留量，减少土壤小麦体系氮素表观损失[4]。Baronti等进行沙壤土盆栽试验，结果表明，生物炭施用量为30、60 t/hm2时，黑麦草的生物量分别较对照增加了20%、52%，但继续增加生物炭施用量到100、200 t/hm2时，其生物量反而较对照降低8%和30%[5]。

关于生物炭与氮肥配施的研究多集中水稻、小麦、玉米等作物[6-7]领域，与烟草相关的研究大多集中在生物炭用量方面，而对于应用蒸汽爆破处理烟秆制成的生物质炭对土壤的改良和碳库修复方面的研究鲜有报道。因此本研究利用高温蒸汽爆破技术制成的生物炭与氮肥配施，探索其对烤后烟中性致香物质含量的影响方式及作用规律，以期在烟秆生物炭与氮肥配施促进烤烟生长改善烟叶品质的同时，达到改良植烟土壤质量，又为烟秆炭在减量化施肥中的应用和烟草废弃物肥料化利用提供技术支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验地概况

大田试验于2015年3—9月在河南省方城县金叶园开展。烤烟品种为云烟87，土壤类型为黄壤土。烟秆生物质炭制取工艺：烟秆粉碎成3～5 cm，在蒸汽压力4.2～4.5 MPa、温度350～360 ℃、保压时间240～260 s条件下进行瞬时高温高压蒸汽爆破处理，粉碎后过2 mm筛制得。土壤和烟秆生物质炭的基本性质见表1。

1.2 试验设计

设烟秆生物质炭、氮肥2个因素，其中，烟秆生物质炭3个水平，分别为C0(0 t/hm2)、C1(2.4 t/hm2)、C2(4.8 t/hm2)；氮肥(纯氮)处理的3个水平，分别为N1(22.5 kg/hm2)、N2(37.5 kg/hm2)、N3(52.5 kg/hm2)。所用氮肥为烟草专用复合肥(N ∶P2O5∶K2O=10 ∶10 ∶20)。并以N1(22.5 kg/hm2)水平来计算肥料施用量，用过磷酸钙和硫酸钾补足磷、钾肥。试验共9个处理。每个处理3次重复。

表1 烟秆和土壤生物质炭的理化性质

70%化肥、65%烟秆炭起垄前条施，30%化肥、35%烟秆炭于移栽前穴施，并将所施肥料与土壤混合均匀。田间栽培，行距1.1 m，株距0.55 m，试验地四周设保护行，于2014年4月30日移栽，按优质烟叶管理方法进行管理。

1.3 测定项目及方法

中性致香物质采用同时蒸馏萃取法进行前处理，上机所用仪器为HP5890—5972气质联用仪。GC/MS分析条件如下，色谱柱：HP-5(60 m×0.25 mm，0.25 μm)；载气及流速：He 0.8 mL/min；进样口温度：250 ℃；传输线温度280 ℃；离子源温度177 ℃。升温程序：50 ℃(2 min)—2 ℃/min—120 ℃(5 min)—2 ℃/min—240 ℃(30 min)；分流比与进样量：1 ∶15；2 μL；电离能70 eV；质量数范围：50～500 amu。MS谱库：NIST02。采用内标法定量，内标为硝基苯。

1.4 数据处理

采用Excel 2013对数据进行统计与分析。

2 结果与分析

2.1 烟秆炭与氮肥配施对苯丙氨酸类降解产物的影响

烤烟中的苯丙氨酸类香气物质主要是芳香族氨基酸降解产物苯甲醛、苯乙醛、苯甲醇和苯乙醇，这些是烟草中含量较多的香味成分。从表2可以看出，低氮水平下，配施烟秆炭处理C1苯丙氨酸类降解产物含量低于对照，C2高于对照；中氮水平下，施烟秆炭处理高于对照，且随着烟秆炭用量的增加而增加；高氮水平下，施烟秆炭的处理苯丙氨酸类降解产物含量低于对照，说明低氮和中氮条件下，土壤中添加烟秆炭可以增大烤后烟叶中的苯丙氨酸类降解产物的含量，但高氮水平下，土壤中添加烟秆炭则会降低其含量。

表2 不同处理苯丙氨酸类降解产物含量比较

2.2 烟秆炭与氮肥配施对棕色化反应产物的影响

棕色化反应产物包含许多令人感觉愉快的香气，对卷烟的香气和吃味均有良好的作用。从表3可以看出，低氮水平下，配施烟秆炭处理，C2棕色化反应产物总量要多于C0，但C1低于C0；中氮条件下，棕色化反应产物总量表现为C1>C0>C2；高氮水平下，配施烟秆炭处理与对照棕色化反应产物总量差异不大。表明低氮、中氮水平下，土壤中添加烟秆炭可以增加烤后烟中棕色化反应产物的含量，提高烟叶的香气。

表3 不同处理棕色化反应产物含量比较

2.3 烟秆炭与氮肥配施对类胡萝卜素降解产物的影响

类胡萝卜素降解产物占烟草香味物质总量的很大一部分，烤烟经过烘烤与纯化后，有95%的类胡萝卜素会降解成不同的香味物质，降解产物中，有相当多的化合物是烟草中的关键致香成分，如紫罗兰酮、巨豆三烯酮和氧化异佛尔酮等。β-大马酮具有玫瑰香特征的香气，加入烟草后可以显著提高烟气质量，在卷烟的加香方面也很有用处。从表4可以看出，随施氮量的提高，类胡萝卜素降解产物含量表现先增多后减少，说明中等氮肥水平下烤烟类胡萝卜素降解产物含量较高，氮肥过高或过低均会降低其含量。

不同烟秆炭用量处理方面，低氮条件下，不同处理间类胡萝卜素降解产物总量差异不明显；中氮水平下，C1处理类胡萝卜素降解产物总量多于对照；高氮水平下，配施烟秆炭处理类胡萝卜素降解产物总量均少于对照。说明中氮条件下，土壤中添加烟秆炭可以增加烤后烟类胡萝卜素降解产物总量。

2.4 烟秆炭与氮肥配施对类西柏烷类、叶绿素降解产物的影响

类西柏烷类香味物质主要由茄酮及其衍生物组成，烟草中的茄酮含量较多，是中性香味物质之一，自身有特别好的香气。香气物质中含量最多的化合物是新植二烯， 它是叶绿素

表4 不同处理类胡萝卜素降解产物含量

的降解产物，当烟叶燃吸时，它可以直接进入烟气当中，减少烟气的刺激性，柔和烟气。从表5可以看出，随着氮水平的提高，茄酮含量表现为先增多后减少(N3C1除外)；C0、C1水平下，随着氮水平的提高，新植二烯含量表现为先增多后降低。

不同烟秆炭用量处理，在低氮水平下，配施生物炭的C1、C2处理的茄酮含量比对照高。在中氮水平下，C1、C2处理的茄酮含量均比C0小，大小顺序表现为C0>C1>C2，C1处理的新植二烯含量大于C0，表明在中氮条件下，增施烟秆炭会降低茄酮含量，增施2.4 t/hm2烟秆炭可提高烟叶新植二烯含量；高氮水平下，配施烟秆炭的C1、C2处理茄酮含量均比对照高，表现为C1>C2>C0；C1处理的新植二烯含量比对照低，C2处理则相反。表明在不同氮素条件下，增施适量烟秆炭可以增加烤后烟叶茄酮、新植二烯含量。

表5 不同处理类西柏烷类和叶绿素降解产物含量比较

3 结论与讨论

烟叶香气成分是衡量烟叶品质好坏最重要的指标之一，多种香气成分的含量和比例共同决定烟叶的香气质量及香型。不同氮用量处理，总体表现为中氮水平下类胡萝卜素降解产物、茄酮、新植二烯含量较大。低氮水平下，配施中量烟秆炭可提高茄酮含量，配施高量烟秆炭可提高芳香族氨基酸降解产物、棕色化反应产物、类胡萝卜素降解产物、茄酮及新植二烯的含量。中氮水平下，配施中量烟秆炭可提高芳香族氨基酸降解产物、棕色化反应产物、类胡萝卜素降解产物及新植二烯含量，但降低茄酮含量，配施高量烟秆炭仅可增加芳香族氨基酸降解产物含量。高氮水平下，配施中量烟秆炭可提高茄酮含量降低芳香族氨基酸降解产物、棕色化反应产物、类胡萝卜素降解产物及新植二烯含量，配施高量烟秆炭可提高棕色化反应产物、茄酮及新植二烯的含量，降低芳香族氨基酸降解产物和类胡萝卜素降解产物含量。因此，中氮条件下配施中量烟秆炭对烤后中部烟叶致香物质含量提高较明显。

张园营等研究表明，施用750 kg/hm2生物炭时，相对于常规施肥，石油醚提取物含量增加12%，中性致香物质总量最高[8]。可能是因为生物炭用量、烤烟品种及种植地区生态环境的差异导致不同结果。王新发等研究发现，不同基因型烤烟中性致香物质对氮用量的响应不同[9]，具体原因还需通过相关试验进一步研究。

在试验条件下，中氮条件下应用2.4 t/hm2生物炭在烤烟生产上是可行的。这对当地烤烟生产上合理施用氮肥、避免资源浪费破坏土壤环境、促进优质烤烟生产的可持续发展有较大的借鉴意义和应用价值。

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