不同烟秆生物质炭施用量对烤烟产质量及土壤理化性质的影响

2021-05-24杨青松张云郑志新孙五三王家绪白羽祥

江西农业学报 2021年5期

贾孟，印瀚，王铎，李杰，杨青松，张云，郑志新，孙五三，王家绪，陈燕，白羽祥，王戈*

(1.云南农业大学烟草学院，云南昆明 650201；2.云南省烟草公司昆明市公司，云南昆明 650051；3.云南民族大学民族药资源化学国家民委-教育部重点实验室，云南昆明 650500)

烤烟作为典型的环境敏感性作物，土壤条件的优劣直接决定其品质的好坏[1-2]。目前，烤烟连作现象渐趋严重，轮作空间逐年缩小，化肥残留日益累积，导致土壤质量连年下降，土传病害日渐凸显，养分利用率得不到有效提高[3-5]。此外，每年烤烟采收完毕后，大量的烟草秸秆被焚毁、丢弃，进而加重了环境污染和病害传播的风险。因此，如何改良植烟土壤以及高效地利用烟秆成为目前亟待解决的问题[6]。

生物质炭(biochar)在国内最早由韩宝瑞等[7]于1998年提出并用于可再生能源，而近年来因其巨大的比表面积和卓越的吸附性能被广泛应用于土壤改良上[8-9]。管恩娜[10]研究发现，随着烟秆生物质炭施用量的增加，田间持水量和土壤pH值也随之增加，而土壤容重和土壤孔隙度则持续下降。在植烟土壤中施加煤炭可提高土壤电导率、有效磷、速效钾含量，但对农艺性状的影响不大[11]。宋久洋等[12]在豫西烟区的研究结果表明，穴施600 kg/hm2的生物质炭可显著改善烟株叶片光合性能，促进烤烟生长。施用15000 kg/hm2的稻壳生物质炭可显著提高烤烟青枯病抗性，而烟秆生物质炭则会加重青枯病的发生[13]。在土壤团聚体结构稳定性方面，烟秆炭可有效促进大团聚体的形成，并降低团聚体破坏率[14]。毛家伟等[15]研究发现，烤烟在生长中后期的各项农艺性状指标均随生物质炭施用量的增加而增加。牛玉德等[16]在汉中烟区的研究结果表明，3000 kg/hm2的生物质炭施用可得到较优的农艺性状指标，而施用2250 kg/hm2的生物质炭对经济性状指标效果更为显著。

近年来，生物质炭因其在土壤改良方面的应用效果备受关注，但以土壤-植株为整体，系统地探讨了生物质炭施用-土壤环境优化-植株生长发育改善之间的内在关联目前尚不明确。另外，废弃烟秆的高效利用至今仍未得到有效解决。基于此，本试验以烟秆生物质炭为试验材料，通过对比不同添加量对烤烟产质量及土壤理化性质的影响，以期筛选出中低海拔烟区最适烟秆生物质炭施用量，为今后烟秆生物质炭的深入研究提供一定的科学依据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2019年4月25日～2019年9月1日在云南省昆明市宜良县耿家营乡(25°3′48″ N，103°23′49″ E，海拔1492 m)进行。供试土壤为红壤，土地平坦，排水良好，土壤基础理化性质：pH值5.84、有机质22.29 g/kg、水解性氮111.95 mg/kg、有效磷9.16 mg/kg、速效钾226.80 mg/kg。

1.2 试验材料

烤烟品种为K326，于2019年4月25日移栽。生物质炭由昆明市禄劝生物质炭厂采用鲜烟秆经600 ℃炭化6 h制得。烤烟于起垄前条施烟草专用复合肥(N∶P2O5∶K2O=12∶14∶24)600 kg/hm2为基肥，并于移栽后25 d内分3次兑水浇施烟草专用追肥(N∶P2O5∶K2O=15∶0∶30)360 kg/hm2。

1.3 试验设计

以生物质炭施用量为因素，设置4个处理，分别为A1：0 g/株、A2：80 g/株、A3：160 g/株、A4：240 g/株。每个处理3次重复，共计12个小区，小区随机区组排列。每小区不少于50株，行株距120 cm×50 cm，试验田四周设有保护行。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 烟株农艺性状的调查于移栽后90 d，按照YC/T 142─2010烟草农艺性状调查测量方法进行农艺性状调查。每个小区随机定株调查5株，调查内容包括株高、茎围、有效叶片数、最大叶长、最大叶宽。

1.4.2 烤烟经济性状的调查于烘烤结束后，按照42级国家烟叶分级标准分级，采收，按品种计产，依据2019年云南省烟草公司昆明市公司烤烟收购价格，计算其产量、产值、均价及中上等烟比例。

1.4.3 烤后烟叶外观质量的调查于烘烤结束后，每处理采集C3F等级烟叶各1 kg，依据国家标准GB 2635─1992进行烤烟外观质量鉴定，鉴定内容包括颜色、成熟度、结构、身份、油分、色度。并依据烟叶外观质量评分标准[17]对各处理进行评分。

1.4.4 烤后烟叶化学成分的分析于烘烤结束后，每处理采集C3F等级烟叶各1 kg进行化学成分分析。总糖和还原糖含量参照YC/T 159─2002进行测定、烟碱含量参照YC/T 160─2002进行测定、总氮含量参照YC/T 161─2002进行测定、钾含量参照YC/T 217─2007进行测定、氯含量参照YC/T 162─2002进行测定、淀粉含量参照YC/T 216─2007进行测定，并计算糖碱比(还原糖/烟碱)、氮碱比(总氮/烟碱)及钾氯比(钾/氯)。同时，依据烤烟化学成分指标赋值方法[18-19]对各处理进行评分。

1.4.5 土壤理化性质的测定于采烤结束后，采用抖动法收集各处理根际土壤样品。测定土壤中pH值(水土比为2.5∶1的电位法)、有机质(重铬酸钾容量法-外加热法)、全氮(凯氏定氮法)、全磷(高氯酸-硫酸法)、全钾(GB 9836─1988)、速效氮(半微量滴定法)、速效磷(0.5 mo1/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法)、速效钾(1 mol/L NH4OAC浸提-火焰光度法)含量[20]。

1.5 数据处理与分析采用Excel 2013软件对数据进行处理和作图，用SPSS 23.0软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同烟秆生物质炭施用量对烤烟农艺性状的影响

由表1可知，随着烟秆生物质炭施用量的增加，各处理的株高、茎围、最大叶长宽均呈先升高后降低的趋势，而各处理有效叶片数则无显著差异。在株高方面，以A3处理最高，A4处理次之，A1、A2处理间差异不显著；对于茎围和最大叶长来说，均以A2处理为最优，A1处理最差，A3、A4处理间无显著差异；而在最大叶宽方面，仍以A2处理最高，其他处理间均差异不显著。以上结果表明，160 g/株的烟秆生物质炭施用可有效促进烟株伸长，而施用80 g/株的生物质炭对烤烟茎围、最大叶长宽作用明显。

表1 不同烟秆生物质炭施用量对烤烟农艺性状的影响

2.2 不同烟秆生物质炭施用量对烤烟经济性状的影响

由表2可知，A3处理的产量最高，达2623.13 kg/hm2，A2处理次之，A1、A4处理间无显著差异；在均价方面，以A2处理表现最优，A1、A3处理次之，A4处理最低；对于产值而言，各处理间均具有显著差异，具体表现为A2>A3>A1>A4；而在中上等烟比例方面，A2、A3处理显著高于A1、A4处理，且A2与A3、A1与A4之间差异均不显著。以上结果说明，随着烟秆生物质炭施用量的提高，各经济性状指标均呈先升后降的趋势，且160 g/株的生物质炭施用可有效促进烤烟产量的提升，80 g/株的生物质炭可有较提高烤烟的均价和产值，而160 g/株和80 g/株的生物质炭施用均可显著提高中上等烟比例，过量的生物质炭施用(240 g/株)则抑制了烤烟产质量的形成。

表2 不同烟秆生物质炭施用量对烤烟经济性状的影响

2.3 不同烟秆生物质炭施用量对烤后烟叶外观质量的影响

由表3可知，各处理烤后烟叶颜色均为橘黄，且以A2处理的分值最高，其他处理间无显著差异；在成熟度方面，各处理均达到成熟，以A3处理分值最高，A2、A4处理次之，A1处理最低；对于叶片结构和色度而言，A2、A3处理表现最优，且分值显著高于A4、A1处理；在身份和油分方面，均以A2处理为最优，且A4处理的身份稍薄，A1处理油分欠佳。综合来看，A2处理总分最高，A3处理次之，A1、A4处理间差异不显著。以上结果说明，随着烟秆生物炭施用量的增加，烤后烟叶外观质量评分呈先升高后降低的趋势，其中以80 g/株的生物质增益效果最显著。

表3 不同烟秆生物质炭施用量对烤后烟叶外观质量的影响分

2.4 不同烟秆生物质炭施用量对烤后烟叶化学成分的影响

王彦亭等[18]提出的优质烟叶标准：烟碱2.20%～2.80%、总氮2.00%～2.50%、还原糖18.00%～22.00%、钾≥2.50%、淀粉≤3.50%、糖碱比8.50～9.50、氮碱比0.95～1.05、钾氯比≥8.00。由表4可知，A2、A3处理的烟碱含量显著低于A1、A4处理，且二者均处于优质烟叶范围内；A2处理总氮含量最为适宜，而其他处理间均无显著差异；在总糖和还原糖方面，以A3处理最高，A2处理次之，A1、A4处理最低；A2处理的氯含量最低，A3处理次之，A1、A4处理间差异不显著；在钾含量方面，以A2处理最为适宜，A1处理最低；A3、A4处理的淀粉含量相对较高，A1处理最低，但最为适宜；在糖碱比方面，以A2、A3处理显著高于A1、A4处理，且A2、A3处理间，A1、A4处理间差异不显著；在氮碱比方面，各处理均趋于一致，与之相反，各处理的钾氯比间均具显著差异，具体表现为A2>A3>A4>A1。

表4 不同烟秆生物质炭施用量对烤后烟叶化学成分的影响

由表5可知，对烤后烟叶化学成分进行评分后发现，A1处理的淀粉含量分值最高，烟碱、总氮、钾含量和钾氯比均以A2处理最优，A3处理的还原糖、糖碱比和氮碱比最为适宜，综合来看，A2处理总分达到最高的93.5分。以上结果说明，80 g/株的烟秆生物质炭施用最有利于烤后烟叶化学成分趋于协调，且对烤烟质量的提升效果显著。

表5 不同烟秆生物质炭施用量对烤后烟叶化学成分的评分分

2.5 不同烟秆生物质炭施用量对烤烟根际土壤理化性质的影响

由图1、图2和图3可知，随着烟秆生物质炭施用量的增加，烤烟根际土壤pH值、有机质和全钾含量均持续升高，具体表现为：各处理间的pH值均具显著差异，即A4>A3>A2>A1；而各处理有机质含量上升幅度渐趋平缓，以致A3、A4处理间差异不显著，A2次之，A1处理有机质最低；在全钾方面，A3、A4处理显著高于A2、A1处理，但A3、A4处理间，A2、A1处理间均无显著差异。

图1 不同烟秆生物质炭施用量对烤烟根际土壤pH值的影响

图2 不同烟秆生物质炭施用量对烤烟根际土壤有机质的影响

图3 不同烟秆生物质炭施用量对烤烟根际土壤全钾的影响

由图4～图8可知，随着烟秆生物质炭施用量的增加，各处理全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾含量均呈先升高后降低的趋势，具体表现为：A3处理的全氮含量最高，A2、A4处理次之，A1处理最低；而在全磷、速效氮和速效磷方面，均以A2处理为最优，A1处理最差；对于速效钾而言，A1～A3处理间无显著差异，且均显著高于A4处理。以上结果说明，烟秆生物质炭的施用可显著提高土壤pH值和有机质含量，且二者含量与生物质炭施用量呈线性相关关系；160 g/株的生物质炭可提高根际土壤全氮含量，80 g/株的生物质炭对全磷、速效氮和速效磷含量方面促进作用明显，160 g/株和80 g/株的施用量均有较高的全钾含量，但施用生物质炭对根际土壤速效钾含量无显著促进作用，相反，过量的生物质炭(240 g/株)则抑制了根际土壤速效钾的积累。

图4 不同烟秆生物质炭施用量对烤烟根际土壤全磷的影响

图5 不同烟秆生物质炭施用量对烤烟根际土壤全氮的影响

3 讨论与结论

生物质炭的施用可显著促进烤烟烟株及根系的生长发育[21]。研究表明，400 g/株的烟秆生物质炭施用可提高烟叶的产量和产值，但对品质提升方面作用稍弱[22]。徐成龙等[23]研究发现，施用3.75 t/hm2的生物质炭可有效促进团颗期烤烟的生长发育，而4.5 t/hm2的施用量可显著提高旺长期和成熟期的农艺性状指标，且促进了品质的形成。另有研究表明，2250 kg/hm2的烟叶生物质炭和烟秆生物质炭处理的烤烟产量分别比对照高9.62%、7.92%，产值分别比对照高7400元、6300元/hm2，且整体以烟叶生物质炭效果最好[24]。陈山等[25]通过研究稻壳生物质炭对烤烟生长发育的影响发现，9000 kg/hm2的施用量有最高的上等烟比例(49.35%)。而2.4 t/hm2的烟秆炭对烤后烟叶化学成分协调性及评分增益作用显著[26]。这与本试验研究结果略有不同，即随烟秆生物质炭施用量的增加，处理农艺性状和经济性状指标均呈先升高后降低的趋势，具体为160 g/株的烟秆生物质炭处理有最高的株高和产量，分别达到115.28 cm、2623.13 kg/hm2，而生物质炭施用量为80 g/株的茎围(10.22 cm)、最大叶长(78.84 cm)、最大叶宽(39.17 cm)、均价(31.49元/kg)、产值(77225.76元/hm2)和中上等烟比例(84.90%)为最优。究其原因，一方面，160 g/株的烟秆生物质更利于烤烟根系对养分的吸收，进而促进了烟株茎秆和叶片干物质的积累；另一方面，80 g/株的处理对优化烤后烟叶外观质量和化学成分增益效果显著，较利于中低海拔烟区烤烟品质的形成和效益的提高。

图6 不同烟秆生物质炭施用量对烤烟根际土壤速效氮的影响

生物质炭作为优质的土壤改良剂，在优化土壤环境方面作用明显。王丽渊等[27]研究发现，随着生物质炭施用量的增加，土壤有机质含量随之升高，且以140 g/盆的施用量效果最为突出。而每盆施用生物炭1～2 kg可显著提高土壤pH值[28]，且pH值与生物质炭的施用量呈线性相关关系。王成已等[29]研究表明，生物质炭处理可显著提高根际土壤全氮、全磷和速效钾含量。又有研究发现，生物质炭对土壤有效磷、钙、镁含量的提升作用明显，而对氮和钾含量无显著影响[30]。

本研究发现，随着烟秆生物质炭施用量的增加，根际土壤pH值和有机质含量持续上升，处理全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾含量则均呈先升高后降低的趋势。160 g/株的生物质炭可提高根际土壤全氮含量，80 g/株的生物质炭对全磷、速效氮和速效磷含量方面促进效果明显，160 g/株和80 g/株的施用量均有较高的全钾含量，但施用生物质炭对根际土壤速效钾含量无显著促进作用。这与前人试验研究结果有部分差异，究其原因可能为烟秆生物质炭具有独特的物理性质，为微生物的生长提供了较为适宜的环境，使其活化养分能力增强，促进了对氮、磷、全钾的吸收。