深耕和绿肥掩青条件下生物炭对烟叶产质量和土壤养分的影响

芦海灵，张 翔，李 亮，范艺宽，张 盟，张艳玲，杨 欣，梁太波，翟 振，戴华鑫*

1.河南省农业科学院，郑州市花园路116号 450002 2.河南省烟草公司，郑州市商务外环路15号 450046 3.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001 4.广东中烟工业有限责任公司，广州市天河区林和西横路186号 510032

生物炭是有机物料如农作物秸秆、木质物、畜禽粪便等在低氧环境下经过高温热解后产生的一种富含碳的材料［1］。由于生物炭具有比表面积大、疏松多孔、吸附能力强和稳定性高的特点，在改良土壤、修复生态环境和降低温室气体排放等方面的应用价值较大［2］。研究表明，施用生物炭可提高土壤的通气性和保水保肥能力［3］，改善烤烟根系形态生理特征［4］，促进作物生长及品质改良［5-6］。深耕条件下施用生物炭可促进烤烟根系对钾元素的吸收，增加土壤微生物数量，提高成熟期叶片叶绿素含量［7-8］。在生物炭的还田方式上，目前已有生物炭条施、穴施、表土层掺混等多种施用技术［9-10］。由于生物炭自身具有密度低、质量轻的特点，导致其在运输和直接还田过程中易产生损耗［11］，因此生物炭常作为肥料增效载体与一定量的肥料配伍后施于大田，在不增加劳动力成本的前提下，完成生物炭还田及其他营养元素补充的双重工序［12］。

河南是浓香型烟叶的典型代表性产区。近年来，随着工业化和农业生产方式的转变，烟区普遍存在长期连作、化肥施用过量及土地重用轻养等不科学的种植方式与耕作措施，导致烟田耕层浅、土壤黏重、土壤养分不协调、生物活性下降等现象，影响了烟株根系生长和烟叶品质提升［13-15］，成为限制河南浓香型烟叶生产持续健康发展的瓶颈。针对以上问题，本研究中选择豫中典型烟田土壤，通过设置大田深耕与绿肥掩青条件下不同生物炭用量和施用方式的多个处理组合，探究生物炭对烟株农艺性状、经济性状、烟叶化学成分以及土壤养分和微生物数量的影响，旨在探明适合河南烟区土壤改良的生物炭施用组合技术，为生物炭在土壤保育、烤烟营养和品质调控上的应用提供支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2018—2019年在河南省许昌市襄城县汾陈乡双楼张村进行，试验地肥力均匀一致，地势平坦，排灌方便。试验地前茬作物为烟草，供试烟草品种为中烟100，土壤类型为褐土。2018年10月下旬拔除前茬烟秆和杂草后采集基础土样，检测土壤理化指标，分别为pH 7.20、有机质14.6 g/kg、总氮0.81 g/kg、全磷0.64 g/kg、全钾1.60%（质量分数）、碱解氮79.5 mg/kg、速效磷16.8 mg/kg、速效钾134.2 mg/kg、阳离子交换量（Cation exchange capacity，CEC）12.7 cmol/kg。生物炭（玉米秸秆）理化性质为：有机质50.1%、氮（N）0.74%、磷（P2O5）0.28%、钾（K2O）0.86%（均为质量分数，下同）、含水率22.6%，pH 7.89。

表1 深耕和绿肥掩青条件下施用生物炭的试验处理设计Tab.1 Treatments of biochar combined with deep tillage or green manure

分别为试验设置12个处理，包括2个对照（深耕、绿肥掩青）、生物炭用量复合深耕、生物炭用量复合绿肥掩青等10个处理（表1）。条施是在烟垄行的侧下方开沟，深度为15～20 cm，与烟株行平行距离3～5 cm，施入生物炭后用田间本土覆盖；撒施是在旋耕后将生物炭均匀撒在大田上，随后起垄将之翻入土壤中；穴施是将生物炭施入按行株距挖好的离烟株2～3 cm深度10 cm左右的穴内，之后覆土。各处理间氮、磷、钾用量相同，分别为每亩3.5 kg、3.5 kg、12.25 kg，生物炭含氮量按比例折算为当地施氮量，磷钾不计算在内，氮肥不足部分用硝酸铵补充，磷钾肥分别为重过磷酸钙、硫酸钾。其他各项田间生产管理措施统一按当地规范化措施进行。绿肥掩青用油菜于2018年10月播种，播种量15.0 kg/hm2，次年4月10日掩青。先将油菜田间机械粉碎，然后翻压20 cm掩青，掩青鲜草量21 750 kg/hm2。油菜含水率93.25%，鲜样中碳、氮、磷、钾养分积累量分别为2.54%、0.21%、0.05%和0.48%。

试验采用区组随机排列，行株距为110 cm×50 cm，重复3次，每个处理面积333.4 m2。每个小区选择有代表性的烟株15株挂牌作标记，圆顶期时测定株高、茎围、有效叶片数、最大叶长、叶宽等农艺性状，叶面积=叶片长×叶片宽×叶面积指数（0.6345）。采收后烟叶统一装于烤房中部，按照当地常规烘烤工艺烘烤，挑选烤后C3F等级烟叶用于烟叶化学指标的测定。分别于圆顶期和采收结束后，在两个烟株间中心点位置耕层（0～20 cm）处采集土样，采用多点取样法在每个小区选10棵烟株间的土壤混成1个样品，混匀后将土壤样品过2 mm筛后装入无菌瓶中，冷藏带回实验室并保存于-4℃冰箱中用于土壤细菌及真菌数量的测定；采收结束后，将采集的垄体耕层土壤样品装于布袋中，带回实验室自然风干，过筛后用于土壤养分指标的测定。

1.2 测定方法

1.2.1 土壤养分指标测定

参照鲁如坤［16］的方法测定土壤化学指标。采用水浸提电位法测定pH，水土质量比为2.5∶1；重铬酸钾容量法测定有机质含量；采用高锰酸钾氧化法测定溶解性有机碳（Dissolved organic carbon，DOC）；半微量凯氏定氮法测定总氮；乙酸铵交换法测定阳离子交换量（CEC）；碱解扩散法测定碱解氮含量；碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法测定速效磷；醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾含量。

1.2.2 土壤微生物数量测定

参照林先贵［17］的平板培养计数法测定土壤微生物数量。细菌、真菌和放线菌分别用牛肉膏蛋白胨培养基、马丁孟加拉红-链霉素培养基和高氏1号培养基稀释培养，121℃灭菌20 min，重复3次。主要过程如下：准确称取10 g新鲜土壤样品，放入装有90 mL无菌水以及小玻璃珠的三角瓶中，180 r/min震荡30 min，使微生物细胞充分分散后静置1 min，得到10-1梯度稀释液。使用移液器吸取1 mL的10-1梯度稀释液至装有9 mL无菌水试管中，反复吹吸若干次，混合均匀，得到10-2梯度稀释液，以此类推，连续稀释成10-3、10-4、10-5、10-6、10-7和10-8梯度稀释菌液。初筛后发现，测定细菌和放线菌数量时选用10-6、10-7梯度的稀释菌液测定真菌时选用10-5梯度的稀释菌液较为合适。吸取1 mL稀释液滴置于无菌培养皿中，加入冷却至45℃左右的培养基12～15 mL，立即混合均匀，凝固后，转入28℃恒温培养箱中倒置培养计数。计算公式：CFU/g＝平均数×10×稀释倍数/（1-含水率）

1.2.3 烟叶化学成分测定

参考《中国烟草种植区划》［14］的方法测定烤烟化学成分，包括总植物碱、总氮、还原糖、总糖、钾、氯等指标，计算糖碱比、氮碱比、钾氯比和两糖比。

1.2.4经济性状测定

各处理小区烟叶单独采收编杆，单独计产。待各处理烟叶全部采收烘烤完毕后，根据烤烟国标（GB2635—92）进行分级，参照2019年烟叶收购价格计算产值，统计烟叶产量和上等烟比例。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0进行数据整理和统计分析，单因素法方差分析和Duncan’s新复极差法比较检验显著性差异。

2 结果与分析

2.1 不同处理对烟株农艺性状的影响

由表2可见，与单独深耕或绿肥掩青相比，条施生物炭3 000 kg/hm2和撒施4 500 kg/hm2显著增加了株高、叶片数、茎围和叶面积；深耕配合穴施750 kg/hm2生物炭增加了烟株茎围和叶面积；绿肥掩青配合穴施750 kg/hm2生物炭增加了烟株株高、叶片数、茎围和叶面积。深耕或绿肥掩青条件下撒施7 kg/hm2生物炭对烟株株高影响不显著，但增加了有效叶片数、茎围和叶面积。

2.2 不同处理对经济性状的影响

由表3可见，与单独深耕或绿肥掩青相比，条施生物炭3 000 kg/hm2、撒施4 500 kg/hm2和穴施750 kg/hm2显著增加了烟叶产量。深耕或绿肥掩青条件下配施生物炭均显著增加了烟叶产值，其中绿肥+穴施生物炭750 kg/hm2、绿肥+撒施生物炭4 500 kg/hm2处理后的产值较高，其次为深耕+条施生物炭3 000 kg/hm2、绿肥+条施生物炭7 500 kg/hm2、绿肥+条施生物炭3 000 kg/hm2、深耕+条施生物炭7 500 kg/hm2。单独深耕处理后的烟叶产值较低。深耕条件下，除条施1 500 kg/hm2外，其他生物炭处理均显著提高了烤烟均价和上等烟比例。与单独深耕相比较，绿肥掩青后配施生物炭后烤烟均价和上等烟比例增加明显。

2.3 不同处理对烟叶化学成分的影响

由表4可见，与单独深耕或绿肥掩青相比，生物炭施用3 000 kg/hm2以上和穴施750 kg/hm2均降低了C3F烟叶烟碱含量。配施生物炭后烟叶总氮含量降低，这可能与施用生物炭降低了土壤碱解氮含量有关。深耕配施生物炭撒施4 500 kg/hm2和穴施750 kg/hm2条件下，烟叶还原糖、总糖、钾含量以及糖碱比、氮碱比和钾氯比均显著提高。绿肥掩青后条施生物炭3 000 kg/hm2、撒施4 500 kg/hm2和穴施750 kg/hm2条件下，烟叶还原糖、总糖、钾含量以及糖碱比和氮碱比增加明显。绿肥掩青后，施用生物炭提高了烟叶钾氯比。与单独深耕或绿肥掩青相比，施用生物炭降低了烟叶氯含量，两糖比无显著变化。

表2 不同处理对圆顶期烟株农艺性状的影响①Tab.2 Effects of different treatments on agronomic traits of tobacco plants at round top stage

表3 不同处理对烟叶经济性状的影响Tab.3 Effects of different treatments on economic traits of tobacco leaves

2.4 不同处理对土壤养分的影响

由表5可见，深耕和绿肥掩青条件下配施生物炭对土壤pH和CEC含量无显著影响。与单独深耕相比，深耕+生物炭3 000 kg/hm2或绿肥+生物炭1 500 kg/hm2及以上时显著提高了土壤有机质含量。与单独深耕或绿肥掩青相比，土壤DOC含量在生物炭用量3 000 kg/hm2及以上时显著增加，穴施750 kg/hm2生物炭后DOC含量变化不大。与单独深耕相比，每公顷撒施量4 500 kg或绿肥+生物炭1 500 kg/hm2及以上后土壤总氮含量显著提高。与单独深耕或绿肥掩青相比，随着生物炭施用量的增加，土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量呈增加趋势；相同生物炭施用量条件下，与深耕处理相比，绿肥掩青后土壤有机质、DOC、总氮、碱解氮、速效磷、速效钾等养分含量的增幅相对较高。

2.5 不同处理对土壤微生物数量的影响

由表6可见，深耕条件下增施生物炭可显著增加细菌数量。绿肥掩青后，条施和撒施生物炭可显著增加圆顶期时的细菌数量，但穴施效果不明显。采烤结束后，绿肥掩青处理之间细菌数量无显著差异，但均显著高于深耕处理。圆顶期时，与单独深耕或绿肥掩青相比，配施生物炭显著增加了真菌数量，且绿肥掩青后的效果更显著。采收结束后，撒施4 500 kg/hm2生物炭配合深耕或绿肥掩青的真菌数量相对较高。圆顶期内不同处理间放线菌数量的变化趋势与采收结束后相似，与单独深耕或绿肥掩青相比，条施或撒施生物炭显著增加了放线菌数量，但穴施生物炭后无显著变化。

表4 不同处理对烤后C3F烟叶化学成分的影响Tab.4 Effects of different treatments on chemical components in cured C3F tobacco leaves

表5 不同处理对土壤养分的影响Tab.5 Effects of different treatments on soil nutrients

3 讨论

生物炭有利于提高农作物叶片净光合速率和干物质积累，并最终提升农作物产量和品质［18］。施用生物炭后，水稻［11］、玉米［19］、大豆［20］的株高、叶片面积及干物质积累量明显增加，烤烟的株高、有效叶片数、最大叶长宽、产量和产值等农艺性状和经济指标显著提高［21-22］，这与本研究中的结论一致，主要原因可能是施用生物炭能改善土壤孔隙性质、微生态环境和烤烟根系的通气状况［23］，促进根系的发育及对养分的吸收效率［24］，增加烤烟叶片的类胡萝卜素和叶绿素含量［25］，有利于光合能力的提高，从而促进了烤烟的干物质积累。烤烟生产过程中，有效叶片数和叶面积是产量的基础。张广雨［23］通过盆栽和大田试验发现施用生物炭后烤烟苗期和旺长期时的有效叶片数显著增多；肖和友等［26］发现生物炭对烤烟不同生育期有效叶片数的影响与生物炭的施用年限有关，施用生物炭的前2年有效叶片数增加，第3年则无显著变化；张志浩［27］报道烤烟有效叶片数受土壤类型影响，在暗棕土壤中施加生物炭可增加烤烟叶片数，然而在褐土和水稻土中施加生物炭对烤烟叶片数的影响不显著。本研究中，生物炭显著提高了烤烟圆顶期时的有效叶片数，原因可能是生物炭改善了土壤保肥性能和养分有效性，叶片净光合速率增强，从而有利于烤烟中上部烟叶的营养吸收和开片，烤烟的产量、产值和上等烟比例也随之增加。从烟叶经济性状来看，绿肥掩青与生物炭结合（穴施750 kg/hm2或撒施4 500 kg/hm2）效果较好。

表6 不同处理对土壤微生物数量的影响Tab.6 Effects of different treatments on soil microbial quantity （cfu·g-1）

一般认为，河南烤烟中部烟叶烟碱含量、糖碱比、氮碱比、钾氯比和两糖比的较合适范围分别为2.0%～2.8%、8.0～9.5、0.7～1.0、≥3.0和≥0.8［14］。研究表明，增施生物炭能显著提高烤烟中部烟叶的总糖含量，降低烟碱含量，使化学成分更协调，烟叶的香吃味和口感得以改善［5］。此外，生物炭能降低烤烟对铵态氮的吸收速率［28］，提高土壤硝态氮和铵态氮的相对比例［29］，减少植株对氮素的吸收，从而削弱烟叶中烟碱的合成［30］。本研究中发现，生物炭可降低烤烟的烟碱和总氮含量，提高总糖、还原糖和钾含量，这与前人的研究结果一致［21,23］。同时，生物炭改变了烟叶两糖及钾氯含量，提高了糖碱比、钾氯比和燃烧性，这可能与生物炭调节土壤碳/氮比值、改善土壤微生态环境、提高烟叶质体色素含量，进而提升烟叶品质有关［5］。此外，关于生物炭对烤烟氯离子含量的影响，不同研究者的结论有所差异，烟叶氯离子含量有上升［5］、不变［29］和下降［31］3种变化，并受生物炭用量［23］、土壤类型［27］等因素的影响。因此，生物炭对烤烟吸收氯离子方面的影响与生物炭种类、施用方式及土壤环境密切相关，其具体作用机理还需进一步研究。综合来看，深耕条件下配施生物炭撒施4 500 kg/hm2和穴施750 kg/hm2，或绿肥掩青后撒施4 500 kg/hm2、条施生物炭3 000 kg/hm2和穴施750 kg/hm2，均可改善烤烟化学成分的协调性。

由于生物炭含有大量K+、Ca2+、Mg2+等盐基离子，且本身是碱性的，故可提高酸性土壤的pH，但其对偏碱性土壤的pH作用效果不明显［32］。有报道指出，生物炭可提高土壤总碳和总氮含量［33］，大田增施生物炭后土壤有机质、总氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量上升显著，且提升效果随着生物炭用量的增加而增加［23］，本研究中也发现有类似趋势，这可能与生物炭和肥料的互补或协同作用有关，即生物炭丰富的官能团和巨大的比表面积可吸附多种离子，延缓肥料养分在土壤中释放并降低养分淋失，从而增加土壤保肥性能和养分的有效性［2］。本研究中还发现，与深耕处理相比，相同用量的生物炭结合绿肥处理后土壤养分指标的增幅相对较高，这可能是由于油菜绿肥的养分较为丰富，碳氮比适中，还田后易于被微生物分解发酵，进而促进了土壤养分的增加［34-35］。此外，生物炭可促进以羧酸类和多聚物类物质为碳源的土壤微生物生长，增强微生物对碳源的利用程度［36］。本研究中生物炭施入土壤后显著增加了圆顶期时土壤的细菌、真菌和放线菌数量，这与前人的研究结果一致［25］，这可能与生物炭的多微孔结构为微生物提供了较好的栖息环境有关［37］。生物炭对土壤微生物数量的影响与生物炭自身特性、土壤类型及试验地条件等多种综合因素密切相关，而土壤环境变化的复杂性，使生物炭对土壤微生物的数量和多样性的影响较难预计［38］；本研究中穴施生物炭后圆顶期时细菌、放线菌数量无明显变化，可能与取样点位置距离生物炭穴施点相对较远、穴施生物炭用量相对有限等因素有关。

4 结论

深耕或绿肥掩青条件下配施生物炭，提高了烤烟株高、叶片数、茎围和叶面积等农艺性状指标，烤烟产量、产值和上等烟比例等经济性状也相应提升，烤烟化学成分的协调性得到明显改善。深耕或绿肥掩青条件下配施生物炭可提高土壤有机质、总氮、碱解氮、速效磷和速效钾、DOC及总氮等养分含量。与对照相比，条施和撒施生物炭显著增加了圆顶期时的微生物数量；相比深耕处理，绿肥掩青后土壤多种养分含量的增幅相对较高，更有利于微生物的繁殖。综合比较各处理，以撒施4 500 kg/hm2或穴施750 kg/hm2效果较好。