连续施用生物炭对连作烤烟烟叶主要化学成分的影响

刘 卉，荆永锋，周清明，黎 娟*， 向德明

(1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128;2.湖南中烟工业有限责任公司，湖南 长沙 410014;3.湖南省烟草公司湘西自治州公司，湖南 吉首 416000)

【研究意义】烟草是忌连作作物，而长期连作形成的障碍因子影响烤烟产质量的形成[1]。近年来烤烟连作种植模式不断扩展，而烤烟连作往往会导致烤后烟叶品质下降[2]。这主要是由于连作会导致土壤养分比例失衡，影响烤烟的生长发育，导致烤后烟叶的品质下降[3]。生物炭具有密度低，比表面积高，稳定性强等特点，生物炭对土壤改良及烤烟产质量的影响也已经开展了大量的相关研究，具有一定的应用价值[4-6]。烤烟烟叶化学成分是评价烟叶内在质量的重要指标，同时也会影响烟叶的香吃味，而施用生物炭能协调烤后烟叶的化学成分，有利于提高烟叶质量[7]。【前人研究进展】毛家伟等[8]研究发现，施用生物炭能够降低上部叶烟碱含量，并促进烟叶钾含量的提高。张弘等[9]研究表明，施用生物炭能够调控烤后烟叶的化学成分，主要能够促进烟叶的总糖、还原糖含量提高及协调糖碱比和钾氯比。同时也有报道表明，适宜的生物炭用量有利于改善烤烟的化学成分，但过量的生物炭用量又会降低烤后烟叶品质[10]。尽管已有大量研究表明，施用生物炭主要能够调控烤后烟叶的化学成分含量，但不同的土壤类型及植烟区域其适宜的生物炭用量可能存在差异[11-15]。【本研究切入点】笔者前期的研究结果表明，湘西植烟土壤中施用生物炭有利于土壤改良和烤烟优质产质量的形成，而适宜的生物炭用量为3750 kg/hm2[6]，但针对烤烟连作情况下，连续施用生物炭对烤后烟叶品质的影响还未见报道。因此，本研究通过探讨连续施用生物炭对连作烤烟烟叶品质的影响，明确烤烟连作下连续施用生物炭对烤烟主要化学成分的调控效果。【拟解决的关键问题】为利用生物炭改善连作烤烟烟叶品质提供一定的试验依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验为三年定位试验，于2015年3月至2017年9月在湖南省凤凰县进行，烤烟品种为云烟87，试验土壤为黄灰土，基础地力：碱解氮0.11 g·kg-1；有效磷0.04 g·kg-1；有效钾0.26 g·kg-1；pH 6.50。生物炭为稻壳生物炭，由湖南正恒农业科技发展有限公司提供。生物炭的养分含量：速效氮26.00 mg·kg-1；有效磷459.00 mg·kg-1；有效钾3.71 g·kg-1；pH 9.44。试验施用肥料为烟草专用肥料，氮肥用量为112.50 kg·hm-2，且N∶P∶K=1∶1.18∶2.85。试验处理为T：连续施用生物炭(每年移栽前均施用3750 kg·hm-2生物炭)、CK：不施用生物炭。生物炭在移栽前划分小区时均匀撒施，并旋耕深翻与耕层土壤混匀。烤烟移栽期为4月28日，每小区面积为30 m2，设3次重复，其他烤烟栽培农艺措施按当地生产规范进行。

1.2 测定项目与方法

烤后每小区选取C3F等级烟叶1kg测定其化学成分。总糖、还原糖、总氮、烟碱、氯含量采用Skalar连续流动分析仪测定[7]；钾含量采用火焰光度计测定；糖碱比=总糖/烟碱、氮碱比=总氮/烟碱、糖氮比=总糖/总氮、钾氯比=钾/氯。

1.3 统计分析

采用Excel进行数据整理，独立样本T检验用SPSS22.0处理，主成分分析采用R语言进行。

2 结果与分析

2.1 连续施用生物炭对烤后烟叶总糖及还原糖含量的影响

连续施用生物炭后烤后烟叶总糖及还原糖含量如表1所示。烤后烟叶的总糖、还原糖含量的高低能够影响烟叶燃吸时烟气吃味，而总糖及还原糖适宜含量分别为22 %～28 %、15 %～20 %[6]。从总糖含量上来看，3年连作期间生物炭处理及对照烤后烟叶总糖含量均在适宜值范围内。对照表现为随着连作年限延长烤后烟叶总糖含量先降低然后略有升高，而生物炭处理表现为先升高然后略有降低。但3年连作期间，连续施用生物炭处理烤后烟叶的总糖含量均低于对照，其中只有2015年时与对照差异极显著。从还原糖含量上来看，2016年时对照及生物炭处理的还原糖含量均较低，以连续施用生物炭后烤后烟叶还原糖含量接近适宜值，而2015及2017年时对照及生物炭处理还原糖含量较为适宜。3年连作期间，对照及生物炭处理的烤后烟叶还原糖含量先降低后升高，2015及2017年时连续施用生物炭处理烤后烟叶的还原糖含量低于对照，而2016年时略高于对照，也表现为2015年时T处理与对照差异极显著。

表1 连续施用生物炭后不同年份烤后烟叶总糖及还原糖含量比较Table 1 The comparison of content of total sugar and reducing sugar of tobacco leaves after baking in different years after continuous application of biochar

注：**和*分别表示在1 %和5 %水平上差异显著。下同。
Note: ** and * mean significant difference at 0.01 and 0.05 probability levels, respectively. The same as following.

表2 连续施用生物炭后不同年份烤后烟叶总氮及烟碱含量比较Table 2 The comparison of content of total nitrogen and nicotine of tobacco leaves after baking in different years after continuous application of biochar

2.2 连续施用生物炭对烤后烟叶总氮及烟碱含量的影响

如表2所示，烤后烟叶的总氮、烟碱含量的高低影响烟气的刺激性，而总氮及烟碱适宜含量分别为2.5 %、2 %[6]。随着烤烟连作年限的延长，对照组烤后烟叶总氮含量逐年降低，而T处理烤后烟叶总氮含量先降低后升高，但T与CK总氮含量差异在3年中均不显著。3年连作期间，对照组烤后烟叶烟碱含量在2015及2016年时较适宜，至2017年时烤后烟叶烟碱含量偏高，而T处理烤后烟叶烟碱含量逐年降低，其中在2015年时与对照差异显著，总体表现为随着连作时间的延长，连续施用生物炭能够缓解烤后烟叶总氮含量降低、烟碱含量升高的趋势。

2.3 连续施用生物炭对烤后烟叶钾及氯含量的影响

连续施用生物炭后烤后烟叶钾及氯含量如表3所示。烤后烟叶的钾、氯含量与烟叶的燃烧性和吸湿性关系密切，而烟叶钾含量高于2 %较适宜、氯含量适宜含量为0.3 %～0.8 %[6]。从烤后烟叶钾含量上来看，对照组表现为随着连作时间延长，烤后烟叶钾含量先降低然后略有升高。T处理表现为随着连作时间延长，烤后烟叶钾含量逐年降低，但3年中连续施用生物炭处理的烤后烟叶钾含量均高于对照，其中以2015及2016年时T与CK差异极显著，且连作期间内连续施用生物炭后烤后烟叶的钾含量均处于适宜范围内，而对照组钾含量在2016年时偏低。从烤后烟叶氯含量上来看，对照组及T处理均表现为烤后烟叶氯含量随着连作年限延长先升高后降低，其中以2015及2016年时二者差异显著。烤烟连作期间，T处理烤后烟叶氯含量较为适宜，而对照组2017年时烤后烟叶氯含量偏低。

2.4 连续施用生物炭对烤后烟叶糖碱比、糖氮比、氮碱比及钾氯比的影响

如表4～5所示，烤后烟叶的糖碱比、糖氮比、氮碱比及钾氯比影响烤烟烟气醇和度、刺激性、吃味及燃烧性等，如糖碱比、糖氮比处于6～10较适宜，氮碱比为0.8～0.9较适宜，钾氯比>4较好[6]。从烤烟糖碱比及糖氮比来看，均以2015年时T处理与对照差异显著，而其他年份差异不显著。随着连作时间延长，连续施用生物炭后烤烟的糖碱比逐年增加，以2015时最适宜，而其他年份糖碱比偏高。糖氮比也以2015年时对照及T处理较适宜，其他年份均偏高。从烤烟氮碱比来看，对照组随着连作时间延长而逐渐降低，而连续施用生物炭后，烤烟氮碱比逐年升高，其中2017年时与对照差异显著。从烤烟钾氯比来看，3年中连续施用生物炭后烤烟的钾氯比值均处于适宜范围内，而对照组在2016年时钾氯比值偏低，极显著低于生物炭处理的烤烟钾氯比。这说明，随着连作时间的延长，烤后烟叶的化学成分常规比值逐渐偏离适宜值，连续施用生物炭主要有利于烤后烟叶钾氯比值处于适宜值。

表3 连续施用生物炭后不同年份烤后烟叶钾及氯含量比较Table 3 The comparison of content of potassium and chlorine of tobacco leaves after baking in different years after continuous application of biochar

表4连续施用生物炭后不同年份烤后烟叶糖碱比及糖氮比比较
Table 4 The comparison of the sugar nicotine ratio and sugar nitrogen ratio of tobacco leaves after baking in different years after continuous application of biochar

年份处理糖碱比糖氮比平均值标准差增量增幅(%)平均值标准差增量增幅(%)2015CK13.760∗∗ 0.695 -4.520 -32.849 10.840∗ 0.823 -2.947 -27.183 T9.240 0.505 7.893 0.984 2016CK12.907 0.199 3.420 26.498 14.240 0.445 -0.137 -0.960 T16.327 3.647 14.103 0.409 2017CK9.807 4.284 10.960 111.761 16.833 2.024 -3.670 -21.802 T20.767 8.455 13.163 2.414

表5连续施用生物炭后不同年份烤后烟叶氮碱比及钾氯比比较
Table 5 The comparison of the nitrogen nicotine ratio and potassium chlorine ratio of tobacco leaves after baking in different years after continuous application of biochar

年份处理氮碱比钾氯比平均值标准差增量增幅(%)平均值标准差增量增幅(%)2015CK1.273 0.035 -0.087 -6.806 7.897∗ 0.510 -1.000 -12.664 T1.187 0.191 6.897 0.323 2016CK0.910 0.040 0.247 27.106 3.360 0.111 2.733 81.349 T1.157 0.251 6.093∗∗ 0.962 2017CK0.610 0.348 0.917 150.273 8.637 2.709 -0.973 -11.270 T1.527∗ 0.405 7.663 0.589

2.5 连续施用生物炭不同年份烤后烟叶化学成分主成分分析

如表6、图1所示，3年中第1和2轴对烤烟主要化学成分的累计解释量分别为93.65 %、81.61 %、74.74 %。2015年及2016年时，连续施用生物炭处理与对照组的散点分布相距较远，说明二者的烤后烟叶主要化学成分差异较大；而2017年时，T处理与对照组的散点分布相距较近，二者之间的差异较小。结果表明烤烟连作期间连续施用生物炭后在2015及2016年对烤后烟叶化学成分的影响较大，而在2017年时影响减小，这说明连续施用生物炭对能够影响烤后烟叶化学成分，但这种影响会随着连作时间延长而减弱。

表6不同年份烤后烟叶化学成分主成分分析各轴特征值及解释量
Table 6 The eigenvalue and proportion explained of each shaft of the principal component analysis of chemical composition of tobacco leaves after baking in different years

年份项目PC1PC2PC3PC4PC52015 特征值7.505 1.860 0.551 0.054 0.030 解释量0.751 0.186 0.055 0.005 0.003 累计0.751 0.937 0.9920.997 1.000 2016 特征值5.716 2.445 1.656 0.134 0.048 解释量0.572 0.245 0.166 0.013 0.005 累计0.572 0.816 0.982 0.995 1.0002017 特征值4.904 2.569 1.527 0.589 0.411 解释量0.490 0.257 0.153 0.059 0.041 累计0.490 0.747 0.900 0.959 1.000

图1 2015年(a)、2016年(b)及2017年(c)烤后烟叶化学成分主成分分析结果Fig.1 The result of the principal component analysis of chemical composition of tobacco leaves after baking in 2015(a),2016(b) and 2017(c)

3 讨 论

由于适宜植烟土壤有限和种植条件等原因，烤烟连作现象长期存在，而连作又会对烟叶质量产生不利影响[16]。尤垂淮等[17]研究发现，随着连作年限增加，烤后烟叶中的总糖、还原糖含量和钾含量降低。本研究结果与之稍有差异，3年连作期间，对照组烤后烟叶的总糖、还原糖和钾含量先降低后然后略有升高，但与第1年对照组烤后烟叶总糖、还原糖含量和钾含量比较仍呈下降趋势；而连续施用生物炭后，3年中T处理烤后烟叶的总糖含量均低于对照组，还原糖含量除2016年略高于对照，其他年份也以T处理较低，这说明连续施用生物炭后降低了烤后烟叶的总糖及还原糖含量，这也与李司童等[11]的研究结果不一致，可能是由于生物炭的施用量不同及土壤类型等差异造成的。连续施用生物炭后烤后烟叶的钾含量较对照组高，且在2015及2016年时与对照差异达极显著水平。这说明，连续施用生物炭有利于提高连作烤烟烤后烟叶钾含量，这也与李莉等[18]研究结果相同。连续施用生物炭能缓解烤后烟叶钾含量随着连作时间延长降低的趋势，同时这种缓解作用也会随着连作年限延长而减弱。这可能与施用生物炭后提高了土壤中速效钾的含量有关，有利于烤烟对钾素的吸收利用，因而烤后烟叶中钾含量高于对照组[19]。潘金华等[20]研究发现，施用生物炭后烤后烟叶的烟碱及总氮含量下降。本研究结果表明，连续施用生物炭后烤后烟叶的烟碱含量逐年降低，但总氮含量呈现先降低后升高的变化规律。与对照比较，连续施用生物炭能够缓解烤后烟叶总氮含量降低、烟碱含量升高的趋势。随着连作时间的增加，对照组烤后烟叶的总氮含量不断降低，较低的总氮含量烟气吃味平淡；而烟碱含量至2017年时增至3.097 %，烟碱含量偏高，刺激性大，味苦烟味较辛辣[21]。连续施用生物炭后影响烤后烟叶的总糖、还原糖、总氮及烟碱含量，这可能与添施生物炭后能够影响烟叶的碳氮代谢，但由于经过调制过程会导致差异逐渐变小[22]，因而连续施用生物炭后烤后烟叶的总糖、还原糖、总氮及烟碱含量差异并没有在三年中均达到显著水平。本研究发现，对照组及连续施用生物炭处理均表现为烤后烟叶氯含量随着连作年限延长先升高后降低，其中以2015及2016年时二者差异显著，但以T处理烤后烟叶氯含量较为适宜。李岭等[23]研究发现，在镉污染土壤中添施生物炭后会降低氯含量，但该试验结果可能与本试验没有比较性，主要由于其采用盆栽试验，且测定的样品是杀青样而不是调制后的烟叶。而王欢欢等[13]研究结果表明，施用生物炭后会增加烤后烟叶中的氯含量。本研究发现在2015年时，施用生物炭后烤后烟叶氯含量极显著增加，而2016、2017年时又逐渐降低，这表明施用生物炭能够调控烤后烟叶中的氯含量，但会随着连作年限延长发生改变，3年连作期间均以连续施用生物炭处理的烤后烟叶氯含量处于或接近适宜值，这说明添施生物炭有利于协调烤后烟叶氯含量，改善其吸湿性。郑加玉等[24]研究发现，施用生物炭后增加了烤后烟叶的钾氯比值，但对氮碱比影响较小。本研究表明，连续施用生物炭后烤烟的钾氯比值均处于适宜范围内，而对照组在2016年时钾氯比值偏低，这说明连续施用生物炭后烤后烟叶钾氯比值在烤烟连作期间内较对照组稳定。对照及T处理的烤烟氮碱比在2015、2016年时接近适宜值，至2017年时表现为对照组氮碱比值偏低，而T处理氮碱比值偏高。这说明随着连作时间延长，连续生物炭也不能较好的调控烤后烟叶氮碱比值。本研究还发现，连续施用生物炭主要能影响2015年烤后烟叶的糖碱比及糖氮比，而对其他年份糖碱比及糖氮比的影响较小。这也说明，随着连作时间的延长，连续施用生物炭对烤后烟叶的化学成分协调性的影响逐渐降低。此外，主成分分析结果也同样验证了笔者的推论，即烤烟连作下连续施用生物炭对能够影响烤后烟叶化学成分，但这种影响会随着连作时间延长而减弱。

4 结 论

连续施用生物炭能影响连作烤烟烟叶化学成分。烤烟连作下连续施用生物炭后降低了烤后烟叶的总糖、还原糖含量，增加烤后烟叶钾含量。连续施用生物炭后烤后烟叶的烟碱含量逐年降低，但总氮含量呈现先降低后升高的变化规律，烤后烟叶氯含量较对照适宜。随着连作年限的延长，烤后烟叶的化学成分常规比值逐渐偏离适宜值，而连续施用生物炭主要有利于烤后烟叶钾氯比值处于适宜值。另外，连续施用生物炭对烤烟烟叶化学成分的影响会随着连作年限的增加逐渐减弱。