小麦秸秆还田对烤烟叶片发育及产质量的影响

王毅 宋文静 吴元华 高政绪 刘祥 刘跃东 管恩森 李文丽 张本强 王树声

摘 要：为探讨适宜的小麦秸秆施用方式，田间试验比较了小麦秸秆直接施用和制成生物炭施用两种方式对烤烟叶片发育、烟叶产量及品质的影响。结果表明，与常规施肥相比，秸秆直接施用前期抑制、后期促进烟株叶片发育，对产量、产值及中部叶片外观质量影响较小，中、上部烟叶含钾量及烟碱含量均显著提高；施用秸秆生物炭促进了烤烟叶片发育，产量、产值显著提高，增幅分别为21.83%、54.23%，改善了中部烟叶外观质量，叶片身份、油分得分及外观质量总分显著增加，显著提高了中、上部烟叶含钾量，增幅分别为8.39%和22.63%，且烟碱含量增加不明显。可见，施用小麦秸秆生物炭能够促进烟株生长、提高烟叶产量、改善烟叶品质。

关键词：麦秸秆；生物质炭；烤烟叶片发育；产量；烟叶质量

中图分类号：S572.01 文章编号：1007-5119（2018）02-0032-07 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2018.02.005

Effects of Returning Wheat Straw to Soil on Leaf Development， Yield and Quality of Tobacco

WANG Yi1，2，3， SONG Wenjing1， WU Yuanhua1， GAO Zhengxu3， LIU Xiang1， LIU Yuedong1，

GUAN Ensen3， LI Wenli1，2， ZHANG Benqiang4， WANG Shusheng1*

（1.Ministry of Agriculture， Tobacco Research Institute of Chinese Academy of Agriculture Sciences， Qingdao 266101， China； 2. The Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081， China； 3. Weifang Tobacco Co.， Ltd. of Shandong Province， Weifang 262200， China； 4. Shandong Tobacco Industrial Co.， Ltd.， Jinan 250014， China）

Abstract： To explore suitable wheat straw application measure， a field experiment was carried out to determine contrasting effects of wheat straw incorporation and wheat straw-derived biochar on leaf development， yield and quality of tobacco leaves. The results showed that tobacco leaf development was firstly restrained， then promoted when using wheat straw incorporation， which showed little impact on tobacco yield， output as well as visual appearance of middle tobacco leaves. And contents of potassium and nicotine in both middle and upper leaves were significantly increased in this treatment. Tobacco leaf development was generally promoted with application of wheat straw-derived biochar， and yield and output of tobacco were significantly increased by 21.83%， 54.23% respectively. Scores of body， oil and total scores of visual appearance in middle tobacco leaves were significantly increased in this treatment. Contents of potassium in middle and upper leaves were also significantly increased by 8.39%， 22.63%， respectively， while no significant increase of nicotine content was observed with biochar addition. Therefore， biochar addition is a suitable strategy to improve leaf development， as well as yield and quality of tobacco.

Keywords： wheat straw； biochar； development of flue-cured tobacco leaf； yield； quality

為了追求经济效益，烟叶生产过度依赖氮肥、盲目追求产量的现象较为普遍，这往往造成土壤养分失衡、土壤结构变差，烟株生理代谢失调、贪青晚熟、烟叶品质下降[1]。大量研究表明，秸秆还田是促进烟株发育，改善烟叶品质，增加烟农收入的有效途径[2-3]。

作物秸秆中含有丰富的磷、钾、镁等元素[4]。

研究表明，长期秸秆还田作为一种重要的农田培肥

基金项目：中国农业科学院科技创新工程（ASTIP-TRICO3）

作者简介：王 毅（1981-），博士研究生，主要从事烤烟栽培与耕作方面研究。E-mail：65202900@qq.com。*通信作者，E-mail：wangshusheng@caas.cn

收稿日期：2017-08-24 修回日期：2018-01-05

措施，是保持土壤持久生产力、促进农业生产可持续发展的重要手段[5]。但也有人认为，秸秆直接还田会造成土壤碳氮比失调、土壤微生物与作物幼苗争夺养分、增加田间病虫害等问题[6-7]。秸秆的还田方式主要有直接还田、高茬还田、覆盖还田等，秸秆以何种方式还田更有利于作物产量的提高、品质的改善还存在较大争议[8]。

生物質炭是将有机废弃物资源在高温厌氧条件下进行热解后产生的含碳高分子化合物，具有较大的比表面积、高度的稳定性及较强的吸附特性[9]，可以吸附铵、硝酸盐、磷和其他水溶性盐离子，具有较好的保肥性能[10]。国内外大量研究表明，施用秸秆生物炭能够增加土壤有机碳含量，改良土壤理化性质[11]，增加作物产量[12]，减少温室气体排放[13]。由于在土壤改良、固碳减排等方面的良好作用，生物质炭已经为越来越多的科研工作者所关注。

本文以小麦秸秆为例，系统比较了等秸秆用量条件下，小麦秸秆直接还田和制成生物炭还田两种方式对烤烟叶片生长发育、烟叶产量及不同部位叶片质量的影响，以期为提升烟叶种植效益和改善烟叶品质提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016年在山东省诸城市贾悦镇西洛庄进行。试验区地处鲁东丘陵区，属温带季风气候区，季风气候特征明显。年平均日照时数2 578.4 h；年平均气温12.3 ℃；年平均降雨量773 mm，无霜期为232 d。试验田土壤类型为潮褐土，试验田肥力均匀，常年种植烤烟，为一年一熟制，已连续种植5年以上。试验区土壤主要理化性质如下：有机质8.58 g/kg，碱解氮91 g/kg，有效磷20.6 g/kg，有效钾为213.59 g/kg；小麦秸秆及小麦秸秆生物炭基本理化性状如表1所示。

1.2 试验设计

试验共设3个处理，其中T1：常规施肥+施用小麦秸秆6.75 t/hm2；T2：常规施肥+施用小麦秸秆生物炭2.25 t/hm2（生物炭为当地自制，以小麦秸秆为原料，经400～500 ℃高温热解转化而成，小麦秸秆转化为生物炭的比例约为33.3%）；CK：常规施肥。每个处理设3次重复，试验小区面积为48 m2，烟株行、株距为1.2 m×0.5 m，移栽密度为16 500棵/hm2。在烟田起垄前（2016年3月25日），将小麦秸秆（生物炭）进行地表撒施，经翻耕混匀后，进行施肥起垄。参考当地施肥方案，化学肥料按照纯氮施用量76.5 kg/hm2，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=1∶1.1∶2.5的比例施用。供试烤烟品种为NC55，于5月10日移栽，9月10日采收结束；大田管理按照当地优质烟叶生产技术规范进行。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 叶片生长发育及单叶重 每试验小区选取5株长势正常的烟株，分别于移栽后25、40、55、70和85 d测定最大叶长、最大叶宽及生物学叶片数，叶面积=叶片长×叶片宽×经验校正系数0.634 5[14]；并于烟株打顶前，对烤烟有效叶片进行标记，烘烤结束后，测定标记叶片的单叶重。

1.3.2 烤烟经济性状分析 烟叶烘烤结束后，依据2016年山东潍坊烟草有限公司的烟叶收购等级及价格，对不同试验处理烤后烟叶进行测产、分级后，进行经济性状分析。

表1 试验材料基本理化性状

Table 1 Basic properties of experimental materials

试验材料

Experimental material

pH 总有机碳

Total organic carbon/

（mg·kg-1） 全氮

Total nitrogen/

% 全磷

Total phosphorus/

（g·kg-1） 全钾

Total Potassium/

（g·kg-1） 全钙

Total Calcium/

（g·kg-1） 全镁

Total Magnesium/

（g·kg-1）

小麦秸秆 7.62 26.44 1.16 1.04 10.00 6.50 3.20

小麦秸秆生物炭 10.58 36.98 1.20 0.21 4.20 9.80 5.20

1.3.3 烤烟外观质量 每试验小区取采集烤后的 X2F、C3F和B2F等级烟叶各1 kg，按照国标GB 2635—92[15]，组织3名具有专业分级技术资质人员对部位、颜色、成熟度、叶片结构、身份、油分、色度等外观品质因素进行鉴定并打分；参考文献[16]的评分标准（表2）。

表2 烟叶外观质量及评分标准

Table 2 Raw tobacco appearance quality and standard for evaluation

部位Part 颜色Color 成熟度Maturity 结构Structure 身份Body 油分Oil 色度Color intensity

标准

Standard 得分

Score 标准

Standard 得分

Score 标准

Standard 得分

Score 标准

Standard 得分

Score 标准

Standard 得分

Score 标准

Standard 得分

Score 标准

Standard 得分

Score

上部 5～8 橘黄 7～10 完熟 6～9 疏松 8～10 中等 7～10 多 8～10 浓 8～10

中部 8～10 柠檬黄 6～9 成熟 7～10 尚疏松 5～8 稍薄 4～7 有 5～8 强 6～8

下部 3～6 红棕 3～7 尚熟 4～7 稍密 3～5 薄 0～4 稍有 3～5 中 4～6

紧密 0～3 少 0～3 弱 2～4

淡 0～2

1.3.4 內在化学成分分析 采用近红外光谱（NIR）定量分析技术对烟叶样品的主要化学成分进行分析，近红外分析仪为NIRS DS2500型多功能近红外光谱仪（丹麦FOSS公司制造），使用光栅检测器，空气作背景。首先将烤烟烟叶样品烘干，研磨成粉

末，粒度为40目。取烟叶样品粉末10 g置于直径5 cm石英测量杯中，用自制压样器压样后，按下述条件进行光谱扫描：采样间隔0.5 nm，扫描次数64次，光谱范围400～2500 nm，室温（16～28 ℃），湿度70%以下。

1.4 数据处理

采用EXCEL 2013和SPSS 13.0进行数据处理和统计分析。

2 结 果

2.1 不同处理烤烟叶片数变化

如图1所示，随生育期进展，不同处理烤烟叶片数均呈递增趋势。移栽后25 d，不同处理间烤烟叶片数与CK差异不显著，移栽后40、55、70及85 d，T2处理叶片数均显著高于T1、CK，但T1与CK差异不显著。

2.2 不同处理烤烟最大叶面积变化

如图2所示，移栽后20 d，各处理叶面积差异不大；移栽后40 d，T2处理叶面积显著高于其他处理，CK显著高于T1；移栽后40～55 d，各处理叶面积急剧增加，随后叶面积变化比较平缓；移栽后55、70及85 d，各处理叶面积均以T2最大，且显著高于CK，平均增幅达到9.21%；栽后55和70 d，T1处理叶面积与CK相比差异不显著，栽后85 d， T1处理叶面积显著高于CK，增幅为12.94%。

注：字母不同表示处理间显著差异（P<0.05）。下同。

Note： Different letters in the same stage represent the significance among treatments at P< 0.05.The same as in Fig 2.

图1 不同处理对烤烟生物学叶片数的影响

Fig 1 Effects of different treatments on the number of biological leaves

图2 不同处理对烤烟最大叶面积的影响

Fig 2 Effects of different treatments on the largest tobacco leaf area

2.3 不同部位叶片单叶重

如表3所示，与CK相比，T1下部叶单叶重略

有降低，中、上部烟叶单叶重略有增加；T2处理下、中、上部叶片单叶重均显著提高，增幅分别为6.76%，

12.33%和8.90%。

表3 不同处理对单叶重的影响

Table 3 Effect of different treatments on single-leaf weight g/片

处理

Treatment 下部叶

Lower leaf 中部叶

Middle leaf 上部叶

Upper leaf

T1 7.32b 10.88ab 11.31ab

T2 8.21a 11.57a 11.62a

CK 7.69b 10.30b 10.67b

注：表中不同字母表示不同处理间差异显著（P<0.05），下同。

Note： Different letters in the table represent the significance among treatments at P<0.05.

2.4 烤烟经济性状

如表4所示，T1处理叶片平均单叶重、有效叶数、产量、产值、上等烟比例、均价等均略高于CK，但与CK相比差异不显著；T2处理叶片平均单叶重、有效叶数、产量、产值、上等烟比例及均价均为最高，且与CK相比差异显著，产量、产值分别较CK提高21.83%和54.23%。

2.5 烤后烟叶外观质量

如表5所示，下部烟叶外观质量总分处理间差异不显著，与CK相比，T2显著提高了烟叶颜色、成熟度得分，但身份、油分得分显著低于CK；中部烟叶外观质量总分以T2为最高，且总分、身份、油分得分均显著高于CK，上部烟叶外观质量总分以T1处理最高，且成熟度、结构、身份得分显著高于CK。

2.6 烟叶内在化学成分

一般认为，优质烤烟要求总糖含量18%～22%、还原糖含量16%～20%、烟碱含量1.5%～3.5%、总氮含量1.5%～3.5%、钾含量>2%[19]，而优质烟叶的适宜烟碱含量为2.2～2.8%[20]。如表6所示，除中、上部烟叶部分处理总糖含量略高、钾含量普遍偏低外，试验各处理烟叶化学成分含量基本都处于适宜范围内。与其他处理相比，T2处理不同部位烟叶总糖、还原糖含量偏低，以上部烟叶表现最为明显。烟碱含量下部叶片表现为CK>T2>T1，中部叶片表现为T1>CK≈T2，上部叶片则表现为T1>T2>CK，T1处理叶片中、上部叶片烟碱含量比CK分别提高了5.94%、18.97%，已超出2.2%～2.8%的适宜值；处理间总氮变化趋势与烟碱类似，但略有差异。此外，T1、T2处理中、上部烟叶钾含量显著高于CK，增幅分别为10.97%～21.17%和8.39%～22.63%。不同部

表4 不同处理对烤烟经济性状的影响

Table 4 Effects of different treatments on economic properties of flue-cured tobacco

处理

Treatment 单叶重

Single leaf

weight/（g·piece-1） 有效叶数

Effective leaf

number 产量Yield/

（kg·hm-2） 产值

Output value/（Yuan·hm-2） 上等烟

Percent of high

grade leaves/% 均价

Average price/

（Yuan·kg-1）

T1 8.98ab 19.33ab 2390.25ab 47559.0ab 14.78ab 19.90ab

T2 9.08a 20.33a 2464.80a 52027.5a 18.55a 21.11a

CK 8.65b 18.67b 2023.20b 33733.5b 10.72b 16.67b

表5 不同处理对烤后烟叶外观质量的影响

Table 5 Effects of different treatments on visual appearance of flue-cured tobacco

处理

Treatment 等级

Grade 外观质量 Visual appearance

部位Part 颜色Color 成熟度Maturity 结构Structure 身份Body 油分Oil 色度Color intensity 总分Total Score

T1 X2F 5.50a 7.70ab 7.90a 7.97a 5.87b 4.17ab 4.13a 43.23a

T2 5.50a 7.90a 7.93a 7.93a 5.97b 3.97b 4.17a 43.37a

CK 5.63a 7.63b 7.60b 7.93a 6.20a 4.50a 4.17a 43.67a

T1 C3F 9.27a 7.57b 7.56b 8.23a 8.60a 6.23b 5.40a 52.87b

T2 9.17ab 8.17a 8.00a 8.06a 8.60a 6.43a 5.57a 54.00a

CK 8.83b 8.03a 7.90a 8.07a 8.27b 6.27b 5.43a 52.80b

T1 B2F 7.27a 7.80a 7.70a 6.40a 6.00a 6.33a 5.60a 47.10a

T2 7.07a 7.87a 7.10b 5.57b 5.90ab 6.53a 5.63a 45.67ab

CK 7.13a 7.77a 7.17b 5.63b 5.53b 6.53a 5.67a 45.43b

表6 不同處理对烤后烟叶内在化学成分的影响

Table 6 Effects of different treatments on main chemical composition in tobacco leaves

处理

Treatment 等级

Grade 总糖

Total sugar/% 还原糖

Reducing sugar/% 总烟碱

Total nicotine/% 总氮

Total nitrogen/% 钾

Potassium/% 糖碱比

Sugar nicotine ratio

T1 X2F

21.39a 19.08a 2.12b 1.60b 2.16a 10.14a

T2 20.47a 17.10a 2.37ab 1.65ab 2.04a 8.69b

CK 21.21a 18.18a 2.64a 1.87a 2.02a 8.08b

T1 C3F 23.26a 20.63a 3.03a 1.83a 1.72a 7.67a

T2 23.23a 19.02a 2.80b 1.74b 1.68a 8.29a

CK 23.50a 20.61a 2.86b 1.73b 1.55b 8.21a

T1 B2F 24.15a 19.17ab 3.45a 1.92a 1.66a 7.00b

T2 21.49b 17.33b 3.12ab 1.94a 1.68a 6.76b

CK 24.39a 20.33a 2.90b 1.72b 1.37b 8.41a

位的糖碱比，下部烟叶T1处理显著高于其他处理；中部烟叶处理间差异不显著；上部烟叶CK最高，与其他处理相比差异显著。

3 讨 论

3.1 秸秆还田对烟株叶片发育及产量的影响

大量研究表明，适当添加秸秆生物炭能够促进作物生长、提高作物产量，但不同用量生物炭对作物产量的影响存在较大差异[14，19-20]。张继旭等[19]在湖北恩施通过盆栽试验研究了不同生物炭施用量对烤烟生长发育的影响，认为低量生物炭添加（生物炭占盆栽土壤比例为0.2%～1.0%）能够促进不同部位烟株叶片的发育，高量的生物炭添加则明显抑制烟株叶片的发育。而赵殿峰等[20]研究则认为，土壤中添加生物炭后抑制了团棵期前烤烟叶片的发育，但进入旺长期后，低量生物炭添加促进了烤烟叶片的发育和干物质的积累，而高量生物炭添加烟株表现则完全相反。在本试验中，生物炭处理能够促进不同时期烟株叶片的发育（栽后20 d除外），并提高烤烟叶片的单叶重，增加有效叶片数，从而提高烟叶产量。这可能与生物炭用量较低，添加到土壤中后能够迅速增加土壤有机碳含量，提高土壤养分的有效性有关[14]。

3.2 秸秆还田对烟叶品质的影响

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能够提升烟叶的香吃味品质，并降低刺激性。在本研究中，生物炭处理不同部位烟叶总糖、还原糖含量均低于其他处理，且含量更接近18%～22%和16%～20%的适宜值，以上部叶片表现最为明显。叶协锋等[21]在陕西汉中3个试验地点的研究也进一步证实了这个结论，他认为施用花生壳生物质炭后，中、上部烟叶的总糖、还原糖含量明显降低，且随着生物炭用量的增加，总糖、还原糖表现出明显的下降趋势，其原因可能与较高的有机碳输入影响了烟株的碳代谢有关。

烟碱和总氮含量是衡量烟叶内在质量和感官质量的重要因子。在一定范围内，增加烟碱和总氮含量有助于烟叶香气的提升，但其含量过高时也增加了烟叶的刺激性[22]。在本研究中，与常规施肥相比，生物炭处理下、中部叶片中总氮及烟碱含量均无显著差异，而秸秆还田处理总氮、烟碱含量表现为下部叶片显著降低，中、上部叶片显著升高。这与熊茜等[23]在云南楚雄开展的小麦秸秆还田试验获取的研究结果类似。这是因为小麦秸秆富含大量纤维素、木质素等难降解组分，C/N比高[24]，降解初期土壤中的微生物会与烟苗争夺土壤中的氮，并影响了烟株下部烟叶对氮素的吸收和转化；随着小麦秸秆不断腐解，烟株发育进入中、后期后，秸秆内富含的氮素养分大量释放到土壤中，并被中、上部烟叶所吸收利用。秸秆粉碎后直接还田，中、上部叶片的烟碱含量明显增加，特别是上部叶片烟碱含量达到3.45%，远高于2.2%～2.8%的适宜范围，这不利于烟叶的香、吃味品质的提高。因此，相比秸秆还田处理，生物碳处理能更好调节烟碱含量。

烟草是一种“喜钾”作物，适宜的钾含量能够改善烟叶的燃烧性，提高烟叶品质[25]。在本研究中，相比常规施肥，秸秆还田及生物炭处理中、上部烟叶含

钾量均明显提高。李正风等[26]、牛玉德等[27]也得到类似结论。秸秆还田处理烟叶钾含量的提高与前面讨论的秸秆腐解后期养分的释放有关；而生物炭处理烟叶钾含量的提高一方面是因为其本身携带一定的矿质养分，输入土壤后能够改善烟田土壤肥力条件；另一方面是因为生物炭含有大量的官能團，还田后，可以改善土壤的缓冲性能，减少养分的淋失，并延缓肥料在土壤中的释放[23，28]，有利于调节养分在叶片中的分配。

4 结 论

小麦秸秆还田前期制约、后期促进叶片发育，烟叶产量、产值增加不明显；能够提高上部烟叶外观质量总分，增加成熟度、结构、身份得分，但对中部烟叶影响较小；能够提高中、上部烟叶钾含量，但叶片烟碱含量偏高。相比小麦秸秆还田，施用生物炭更有利于促进烤烟叶片发育，增加单叶重和有效叶数，并提高烟叶产量和经济效益；更有利于增加中部烟叶身份、油分得分，改善其外观质量；在提高烟叶钾含量的同时，能更好调节中、上部叶片烟碱含量，使烟叶内在化学成分更加协调。

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