炭基肥对植烟黄壤性状和烤烟养分积累、产量及品质的影响*

陈 懿 林英超 黄化刚 林叶春 高维常 潘文杰†

（1贵州省烟草科学研究院，贵阳 550081）（2贵州省烟草公司毕节市公司，贵州毕节 551700）

我国是世界第一烟草生产大国，常年烟叶种植约在100万hm2，烤烟种植面积占95%以上，如何科学施肥、培肥烟田土壤以进一步提升烤烟品质一直是我国烟草行业研究的主题之一。

生物炭在改善土壤理化性状，调控土壤微生物数量及群落结构组成，削控土壤污染，提升作物产量和质量等方面的效果已得到广泛认可［1-3］。生物炭在我国烤烟种植上也得到了较为广泛的研究和应用，已有研究表明，生物炭提高土壤含水量，增加土壤孔隙度，提高土壤阳离子交换量（CEC）、总有机碳含量和养分有效性，降低土壤可溶性有机碳含量，增加根际土细菌丰富度和多样性，改变根际土壤细菌群落结构组成，降低烟草青枯病发病率，提高烤烟叶片水势、根系体积和干质量，提升烤烟产量和品质［4-8］。

近年来，为可持续保育农田、平衡作物生长所需养分以及解决生物炭在运输和施用上不便的问题，将生物炭作为肥料载体制成炭基肥加以应用备受关注，更有利于形成产业化，其农用效果更好，应用前景更为广阔［9-11］，符合国家提出化肥“零增加”的发展方向。炭基肥在烟草行业引起了高度关注并得到了一定的应用，并也表现出了积极的改土、增产和提质效果［12-13］。但炭基肥在烤烟种植上的应用研究集中在我国的山东和河南烟区，而在我国烤烟主产区（西南烟区）的研究报道甚少。贵州是我国第二大烤烟种植区，常年烤烟种植面积约占全国15%，其主要植烟土壤为有别于其他烟区土壤的黄壤（铝质常湿淋溶土和雏形土），贵州喀斯特地区的岩溶地质构造特征和长期淋溶作用，烟农不重视肥力培育，偏重施用单一化肥，烤烟连作较普遍，植烟黄壤呈现酸化、水肥流失、瘠薄、板结等问题，导致烤烟养分吸收、产量和肥料利用率偏低，品质不稳定，制约贵州烤烟优质生产［14-15］。为此，针对以上问题，本研究选择贵州植烟黄壤，通过大田试验，设置不同施肥处理，探究炭基肥对土壤化学性质、微生物数量、酶活性和烤烟养分积累、产量、挥发性香气物质、化学成分的影响，旨在促进炭基肥在贵州植烟黄壤乃至我国西南地区植烟土壤保育、烤烟养分和品质调控上的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大田试验安排在贵州省烟草科学研究院的龙岗基地（26°52′N，107°5′E）进行，该基地海拔1 120 m，年均气温约16 ℃，降雨量约1 185 mm，无霜期约277 d，土壤为黄壤（铝质常湿淋溶土），基本化学性质为pH 7.1，有机碳26.9 g·kg-1，碱解氮132.0 mg·kg-1，有效磷26.1 mg·kg-1，速效钾288.5 mg·kg-1。

1.2 试验材料

大田试验于2016年进行，供试烤烟品种为我国目前主要品种云烟87。供试肥料包括：烤烟专用基肥（N∶P2O5∶K2O=9∶13∶22），烤烟专用追肥（N∶P2O5∶K2O=12∶0∶24），炭基复混肥（N∶P2O5∶K2O=9∶11∶18，采用玉米秸秆炭和烤烟专用基础肥复混圆盘造粒制成），以上肥料由毕节灵丰复肥有限公司加工制成；酒糟有机肥（N 2%、P2O50.6%、K2O 0.5%）、炭基酒糟有机肥（N 2%、P2O50.4%、K2O 0.9%，采用玉米秸秆炭和酒糟有机肥复混制成），以上肥料由金沙增孟专业合作社加工制成。

1.3 试验设计

采用小区试验，每个小区面积为36.3 m2，随机区组排列，烤烟移栽的株行距为1.1 m×0.55 m，每个小区植烟60株。

设置3个施肥处理： （1）不施肥（NF）；（2）常规肥（CF）（条施酒糟有机肥、烤烟专用基肥，穴施烤烟专用追肥）；（3）炭基肥（BF）（条施炭基酒糟有机肥、炭基复混肥，穴施烤烟专用追肥）。每个处理设置3个重复。

施肥方法为：基肥在起垄前条施，其中烤烟专用基肥、炭基复混肥用量为600 kg·hm-2，酒糟有机肥、炭基酒糟有机肥用量为750 kg·hm-2，炭基肥处理分别用过磷酸钙和硫酸钾补足P2O5和K2O。填窖时穴施烤烟专用追肥，用量为150 kg·hm-2。烤烟生产其他措施均按当地优质烟叶生产规范进行操作。

1.4 土壤性状与烤烟品质分析

烤烟栽后50 d（旺长期），利用抖土法采集根际土样，放入无菌自封袋，一部分放入冰箱4℃冷藏，稀释平板涂抹培养计数法测定土壤细菌、放线菌和真菌数量，采用的培养基分别是牛肉膏蛋白胨琼脂培养基、高氏1号培养基和马丁氏培养基。另外一部分自然风干保存，采用靛酚比色法测定土壤脲酶活性，采用紫外分光光度法测定土壤过氧化氢酶活性。烤烟采收结束后，用对角线5点取样法采集0～20 cm耕层土样，去杂、充分混匀，自然风干、研磨过筛，采用常规方法测定土壤pH、有机碳、碱解氮、有效磷和速效钾含量［16］。

烤烟栽后50 d，采集第10叶位鲜烟叶样品，用于质体色素含量测定(95%乙醇提取，采用分光光度法)。采集C3F等级初烤烟叶样品，采用顶空固相微萃取结合全二维气相飞行时间质谱测定挥发性香气物质含量［17］。采集C3F和B2F等级初烤烟叶样品，采用连续流动法进行化学成分含量测定［18］。

1.5 统计与分析

烤烟养分积累量统计：烟叶于成熟采收前一天取样，105℃杀青，60℃烘干后称重保存。烟叶采收结束后，采集茎和根，杀青烘干称重保存。分器官粉碎过筛，检测全氮、全磷、全钾含量，采用凯氏定氮法测定全氮，采用矾钼黄比色法测定全磷，采用火焰光度法测定全钾，方法参见文献［19］。统计烤烟养分积累量。

各小区烟叶成熟采收，按照国家标准《GB2635-1992烤烟》［20］分级测产，计算不同肥料养分农学利用率，肥料养分农学利用率=（施肥区烟叶产量-无肥区烟叶产量）/肥料养分用量。

采用Systat Sigmaplot 10.0进行制图，利用IBM SPSS Statistics 20.0进行单因素方差分析，多重比较采用Duncan法。

2 结 果

2.1 不同施肥处理对土壤化学性质的影响

由表1可看出，各处理之间土壤碱解氮和有机碳含量依次为炭基肥＞常规肥＞不施肥，差异不显著。各处理之间土壤pH、有效磷和速效钾含量依次为炭基肥＞不施肥＞常规肥，炭基肥处理显著高于常规肥处理，土壤pH提高0.22个单位，有效磷和速效钾含量增幅分别为30.2%和6.4%。说明炭基肥可明显提升土壤pH、有效磷含量和速效钾含量。

表1 不同施肥处理下土壤化学性质Table 1 Chemical properties of the tested soil relative to different fertilization treatment

2.2 不同施肥处理对土壤微生物数量与酶活性的影响

由表2可见，不同施肥处理土壤细菌数量、放线菌数量和真菌数量均呈现为炭基肥＞常规肥＞不施肥。炭基肥处理土壤细菌数量为常规肥处理的1.56倍，不同处理之间差异显著。炭基肥处理土壤放线菌数量和真菌数量分别为常规肥处理的1.57倍和1.45倍，差异显著。上述数据表明，施用炭基肥显著增加土壤细菌、放线菌、真菌数量。

表2 不同施肥处理下土壤微生物数量Table 2 Microbe populations in the soil relative to different fertilization treatment

土壤酶活性在一定程度上反映了微生物活性及其在土壤养分循环过程中的作用［21］。如图1所示，土壤脲酶活性趋势是炭基肥处理最高，常规肥处理居中，不施肥处理最低，炭基肥处理显著高于不施肥处理。与常规肥处理相比，炭基肥处理土壤脲酶活性提高7.8%。炭基肥处理土壤过氧化氢酶活性最高，较不施肥处理和常规肥处理分别提高7.6%和10.6%，均达0.05显著水平。

2.3 不同施肥处理对烤烟养分积累、产量与肥料农学利用率的影响

各处理烤烟氮、磷、钾养分积累量趋势相同（见表3），大小依次为炭基肥＞常规肥＞不施肥。炭基肥处理和常规肥处理烤烟氮积累量显著高于不施肥处理，炭基肥处理为常规肥处理的1.11倍。炭基肥处理烤烟磷积累量显著高于不施肥处理，为常规肥处理的1.30倍。炭基肥处理和常规肥处理的烤烟钾积累量显著高于不施肥处理，炭基肥处理为常规肥处理的1.13倍。表明施用炭基肥促进烤烟养分吸收积累。

不同施肥处理对烤烟产量和产值具有显著影响（表4）。炭基肥处理和常规肥处理烤烟产量显著高于不施肥处理，炭基肥处理较常规肥处理提高1.6%。炭基肥处理烤烟产值最大，较不施肥处理和常规肥处理分别提高59.5和5.3%，处理间差异均达0.05显著水平。与常规肥处理相比，炭基肥处理肥料农学利用率提高。两种肥料磷农学利用率最高，氮农学利用率居中，钾农学利用率最低。表明炭基肥对烤烟的增产效果和肥料农学利用率优于常规肥。

图1 不同施肥处理下土壤脲酶和过氧化氢酶活性Fig. 1 Activities of soil urease and catalase in the soil relative to different fertilization treatment

表3 不同施肥处理下烤烟养分积累量Table 3 Nutrient accumulation of the flue-cured tobacco relative to different fertilization treatment

表4 不同施肥处理下烤烟产量、产值和肥料农学利用率Table 4 Yield,output value of the flue-cured tobacco and the fertilizer agronomic efficiencies relative to different fertilization treatment

2.4 不同施肥处理对烤烟品质的影响

质体色素是烟叶重要的香气前体物，在烟叶成熟、调制、醇化和燃烧过程中可逐渐降解代谢形成多种香气化合物，影响烟叶香气特征［22］。如图2所示，烟叶叶绿素含量高低依次为炭基肥处理＞常规肥处理＞不施肥处理，炭基肥处理和常规肥处理显著高于不施肥处理，炭基肥处理较常规肥处理提高12.0%。炭基肥处理烟叶类胡萝卜素含量较不施肥处理和常规肥处理分别提高53.2%和20.5%，各处理间差异显著。

初烤烟叶挥发性香气物质含量及其构成对烤烟香气风格特征具有重要影响［23］。从表5可以看出，各处理烟叶叶绿素、类胡萝卜素、美拉德反应降解产物含量及挥发性香气物质总含量依次为炭基肥＞常规肥＞不施肥，其中炭基肥处理和常规肥处理烟叶叶绿素、类胡萝卜素降解产物含量及挥发性香气物质总含量显著高于不施肥处理，炭基肥处理烟叶美拉德反应降解产物含量显著高于不施肥处理。炭基肥处理烟叶挥发性香气物质总含量较不施肥处理和常规肥处理分别提升31.1%和1.2%。苯丙氨酸降解产物含量依次为不施肥＞炭基肥＞常规肥。类西柏烷类降解产物含量依次为不施肥＞常规肥＞炭基肥，炭基肥处理较不施肥处理显著下降18.9%。生物碱类香气物质含量依次为常规肥＞炭基肥＞不施肥，处理间差异显著，与常规肥处理比较，炭基肥处理和不施肥处理分别下降8.3%和45.4%。

图2 不同施肥处理下烟叶质体色素含量Fig. 2 Plastid pigment contents in the tobacco leaves relative to fertilization treatment

表5 不同施肥处理下初烤烟叶挥发性香气物质含量Table 5 Contents of volatile aroma components in the flue-cured tobacco leaves relative to different fertilization treatments / (ng·g-1)

我国优质烟叶总氮、烟碱、还原糖、氯、糖 碱比适宜范围大致分别为15 g·kg-1～40 g·kg-1、13 g·kg-1～35 g·kg-1、180 g·kg-1～220 g·kg-1、2 g·kg-1～6 g·kg-1、和8～12［24］。烟叶化学成分结果见表6。与不施肥处理比较，施肥处理烟叶总氮和烟碱含量升高、糖碱比减小。较之常规肥处理，炭基肥处理烟叶总糖和还原糖含量降低、总氮和烟碱含量升高、糖碱比减小。炭基肥处理烟叶化学成分含量相对适宜，协调性较好。

表6 不同施肥处理下初烤烟叶化学成分Table 6 Chemical components of the flue-cured tobacco leaves relative to different fertilization treatment

3 讨 论

3.1 炭基肥对植烟黄壤化学性质、微生物数量与酶活性的影响

据刘小虎等［25］研究报道，炭基缓释花生专用肥施入后土壤中速效氮磷钾含量明显高于施用普通的氮磷钾肥。李江舟等［26］认为施用生物炭能有效减少植烟土壤硝态氮和磷素的淋溶损失。潘复燕等［27］研究发现，化肥配施生物炭和硝化抑制剂，整个麦季通过径流和渗漏损失的氮磷分别减少68.8%和26.1%。本研究结果表明，施用炭基肥明显提升土壤pH、有效磷含量和速效钾含量。生物炭含有K+、Ca2+、Mg2+等盐基离子，进入土壤以后会一定程度的释放，交换土壤中的H+和Al3+，从而降低其浓度，调节土壤pH。生物炭对肥料养分具有吸持效应，增强了土壤对外源养分更多的截获，减少养分淋洗。因此，炭基复混肥配合炭基有机肥（炭基肥）施用可治理植烟黄壤酸化，提升植烟黄壤保肥能力。

陈伟等［28］研究认为，生物炭与生物有机肥联合处理增加了土壤可培养微生物数量，增加了微生物对碳源的利用能力。Doan等［29］在施用化学肥料和生物有机肥的土壤中添加生物炭，发现土壤细菌数量、群落结构多样性（Shannon）指数和丰富度指数均显著增加。本研究结论类似，炭基肥显著增加土壤细菌、放线菌及真菌数量。炭基肥以生物炭为肥料载体，通过生物炭、肥料实现与土壤微生物的交互作用，生物炭多微孔结构为微生物提供了繁殖环境，比表面积较大，表面具有丰富的官能团，可将肥料中养分吸附在其表面，为微生物提供易矿化的有机碳氮及速效氮，进而促进微生物繁殖。赵军等［10］研究报道，FY（化学反应型生物炭基氮肥）、XF（固-液吸附型生物炭基氮肥）、CH（掺混型生物炭基氮肥）处理土壤脲酶活性显著高于AN（硝酸铵氮肥）和CK（不施氮肥）处理；土壤过氧化氢酶活性的影响效应为FY＞AN＞XF＞CH＞CK。本研究表明，炭基肥处理土壤脲酶活性最高，常规肥处理居中，不施肥处理最低，炭基肥处理与不施肥处理差异显著；炭基肥处理土壤过氧化氢酶活性显著高于不施肥处理和常规肥处理。施用炭基肥提高土壤脲酶和氧化氢酶活性，原因可能是炭基肥为土壤微生物提供了充足的碳氮源，同时改善了土壤微生态环境（水分和通气状况），有利于土壤动物和微生物生长，肥料或土壤有机物分解加快，提供了更多土壤酶促反应底物。与赵军研究结果略有差异，可能因为肥料综合性质（pH、有机质含量、生物炭种类等）略有不同，对酶促反应底物含量的影响不同。可见，炭基复混肥配合炭基有机肥（炭基肥）施用可提升植烟黄壤生物活性。

3.2 炭基肥对烤烟养分积累、产量、品质及肥料农学利用率的影响

生物炭吸附的氮素在作物生长过程中可缓慢释放［30］。代银分等［31］通过添加生物炭对土壤磷吸附解析的影响研究中发现，随着秸秆生物炭与土壤配比的增加，其对磷的吸附性逐渐增强；秸秆生物炭添加对土壤磷的解吸能力没有明显影响。生物炭与化学肥料互作明显提高大豆单株氮、磷积累量［32］。高海英等［9］认为，施用竹炭基氮肥和木炭基氮肥显著促进小麦、糜子生长和增产，并提高氮肥利用率。本研究发现，施用炭基肥提高烤烟氮、磷、钾养分积累量，提高烤烟产量和肥料农学利用率。原因可能是炭基肥中生物炭对养分离子的物理吸附，减少了肥料养分淋洗损失，不影响养分适时释放，良好的微生物响应催化了土壤的生化反应，增加烤烟养分吸收积累。炭基复混肥配合炭基有机肥（炭基肥）施用可提高烤烟养分积累、产量和肥料农学利用率。

本研究表明，施用炭基肥提高烟叶质体色素含量，其中类胡萝卜素影响显著。可能与生物炭改善土壤水、气环境，促进根系生理代谢［33］，延缓烟叶衰老，质体色素代谢相关基因表达相对较强［34］有关。本研究结果表明，施用炭基肥提升烟叶叶绿素、类胡萝卜素、美拉德反应降解产物含量及挥发性香气物质总含量，炭基肥处理烟叶挥发性香气物质总含量较不施肥处理和常规肥处理分别提升31.1%、1.2%。各处理烟叶生物碱类香气物质含量依次为常规肥＞炭基肥＞不施肥，处理间差异显著。炭基肥对烟叶挥发性香气物质含量及其构成的影响，可以通过调控土壤养分吸附和转化、烤烟根系吸收、烟叶香气前体物积累实现。邓小华等［35］研究认为，对于烟叶二氢猕猴桃内酯、巨豆三烯酮、β-紫罗兰酮、糠醛等中性挥发性香气物含量影响的前3个主要土壤因子为速效钾、有效磷和pH。其中二氢猕猴桃内酯、巨豆三烯酮、β-紫罗兰酮为烟叶类胡萝卜素降解产物，糠醛为烟叶美拉德反应降解产物。薛超群等［36］研究报道，随着生物炭用量的增加，烟叶美拉德反应产物含量升高，类胡萝卜素降解产物含量、总香味物质含量先升后降。本研究发现，较之常规肥处理，炭基肥处理烟叶总糖和还原糖含量降低、总氮和烟碱含量升高、糖碱比减小。炭基复混肥配合炭基有机肥（炭基肥）施用可提升烟叶品质。

需要指出的是，本研究仅是大田试验第一年结果的总结，也初步表明了炭基肥应用的积极效果和前景，下一步将继续进行大田试验，进一步丰富和验证炭基肥的施用效果。

4 结 论

本研究初步揭示了炭基肥在贵州植烟黄壤上应用的良好效果，与常规肥比较，可显著提升土壤pH、有效磷和速效钾含量，显著增加土壤细菌、放线菌和真菌数量，提高土壤脲酶和过氧化氢酶活性，提高烤烟养分积累、烤烟产量和肥料农学利用率，显著提升烤烟产值，提高烟叶叶绿素、总氮、烟碱含量及挥发性香气物质总含量，显著增加烟叶类胡萝卜素含量，降低烟叶总糖和还原糖含量，显著降低烟叶挥发性生物碱类香气含量，可以推广应用于贵州乃至我国西南地区烤烟种植。