生物炭与复合肥混施对烤烟品质及经济效益的影响

夏荣帅，蔡宪杰，夏贤仁，李先才，马爱国，吕世保，未启立，王瑞宝，潘义宏，闫 鼎

（1.云南省烟草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000；2.上海烟草集团有限责任公司，上海 200082；3.云南五佳生物科技有限公司，昆明 650106；4.华环国际烟草有限公司，安徽 滁州 233121）

农业废弃物是农业生产和再生产链中资源投入与产出物质和能量的差额，其成分主要包括植物纤维性废弃物和畜禽粪便两大类［1］。以秸秆为代表，中国每年生产约9亿t的秸秆（相当于450万t的氮肥、950万t的钾肥、95万t的磷肥），占全世界秸秆总量的20%～30%［2］。由于环境意识缺乏、回收成本较高等原因，大量秸秆被焚烧，资源浪费严重，温室气体的排放对生态环境造成了负担。由此，将农田废弃物在绝氧或缺氧的密闭环境中，经高温炭化形成生物炭用于农业生产成为解决上述问题的重要举措［3］。生物炭具有比表面积大、稳定性高、孔隙度发达、高度芳香化、含碳量丰富等特点［4］，已有大量研究认为生物炭可以促进作物生长、提高其产量及品质，在玉米、油菜、水稻、大豆、水蜜桃等作物上均有报道［5-8］。同时，生物炭具有改善土壤物理性质、改善土壤酸度、提高有机质含量等作用［9］。烤烟作为中国重要的经济作物，不合理施肥及连作现象普遍，导致植烟土壤板结、养分失调、有机碳含量较低、碳氮比例失调，烟叶质量欠佳，限制了烟草农业的可持续发展。前人关于生物炭在烤烟生产上的应用已进行了大量研究，何晓冰等［10］研究表明增施生物炭基肥后烤烟干物质积累和氮、磷、钾的吸收均增加，干物质积累是烤烟产量形成的基础。刘卉等［11］研究表明，生物炭与氮肥配施能够促进烟株的生长发育，协调烤后烟叶的主要化学成分。刘领等［12］研究表明，施用生物炭能够提高植烟土壤酶活性且对烤烟的生长具有积极的促进效应。以上研究均反映了烤烟品质对生物炭的正响应效应，但目前鲜见将当地农作物秸秆炭化后应用于烤烟生产，并研究其对烤烟物理特性、外观质量、化学成分、感官评吸质量等品质指标及经济效益影响的报道。本试验拟充分利用农田生物秸秆（玉米、小麦），通过高温碳化处理制成生物炭，研究不同生物炭施用量与烟草专用复合肥混施对烤烟各项品质指标及经济效益的影响，确定生物炭最佳施用量，明确其对烟叶原料的影响，为卷烟原料配方提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2019年在宣威市热水镇营沟村开展，供试烤烟品种为云烟105。试验地土壤基础养分如下：全氮1.96 g/kg，全钾8.15 g/kg，全磷0.78 g/kg，速效磷23.23 mg/kg，碱解氮150.87 mg/kg，速效钾319.81 mg/kg，pH 6.37，有机质46.27 g/kg。生物炭选用由小麦（30%）、玉米秸秆（70%）粉碎后，经400～500℃高温裂解的产物生物炭，理化性质为有机碳456 g/kg，N∶P2O5∶K2O=0.68∶0.21∶1.17，pH 6.5。烤烟无机肥料为烟草专用复合肥（N∶P2O5∶K2O=14∶10∶24）。

1.2 试验设计

试验设置4个处理和1个对照（CK），具体处理方式见表1。当地常规施肥分基肥和追肥施用，每公顷纯氮用量为105 kg，以此为基准，依据生物炭养分含量，对增施生物炭的处理等氮减施复合肥，保证各处理纯氮用量一致，各处理不足的磷钾养分含量分别施过磷酸钙（P2O5≥16%）、硫酸钾（K2O≥50%）补齐。每个处理3次重复，300株烤烟。生物炭与70%复合肥施用前进行充分混匀，于烤烟移栽时一次性塘施，留30%复合肥于烤烟移栽后第20天统一进行对水追肥。各处理烤烟其他管理参照曲靖市优质烟叶生产技术进行，烟叶成熟后挂牌标记烘烤。

表1 试验处理

1.3 测定内容及方法

烟叶烘烤回潮后，按照GB 2635—1992标准进行分级测产，调查均价、产量、中上等烟比例以及产值等经济效益。分别选取各处理B2F（上部）和C3F（中部）烟叶3.0 kg作为烟叶样品用于综合品质的检测分析。

1.3.1 烟叶常规化学成分的测定 试样制备采用烘箱法（YC/T 31—1996）；检测项目包括烟叶总糖、氯离子、钾离子、还原糖、总氮和总植物碱等6项指标的含量，采用YC/T 217—2007和YC/T 159～162—2002（连续流动法）进行检测。

1.3.2 烟叶感官评吸 将各处理烟叶切丝后卷制成单料烟，经过48 h水分平衡后，由7名持证评吸专家按照YC/T 138—1998标准中“九分制”的方法对烟气的刺激性、浓度、余味、燃烧性、香气质、香气量、灰色、杂气和劲头等指标进行打分。

1.3.3 烟叶外观质量评价 包括烟叶的身份、颜色、色度、成熟度、油分、组织结构等6项指标，依据GB2635—1992标准进行打分评价。

1.3.4 烟叶物理特性 包括烟叶抗张力、厚度、平衡含水率、叶面密度、填充值和含梗率等6项指标，依据GB/T12914—2008、GB/T451.3—2002和YC/T142—2010标准进行测定。

1.3.5 烟叶经济性状 依据GB2635—1992，分别调查和统计各处理烤后烟叶的等级，计算等级结构。同时统计均价和产值。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理和分析，烟叶物理特性、外观质量、感官评吸质量及综合品质均参照《中国烟草种植区划》，采用权重赋值法进行评价［13］。烟叶常规化学成分采用模糊数学隶属函数的数据模型进行评价［14］。

2 结果与分析

2.1 烟叶物理特性

各处理烟叶物理特性分析见表2。就中部烟叶而言，综合得分排序为T1＞T2＞T3＞T4＞CK，CK最低，为84.54分，T1处理最高，达91.78分，较CK提高了8.56%。与各处理相比，CK处理烟叶含梗率较高，叶面密度、平衡含水率较低。上部叶T2处理得分最高，T4处理叶面密度偏高，得分最低，排序表现为T2＞T3＞T1＞CK＞T4。通过计算中、上部烟叶物理特性平均综合得分可知，各处理平均综合得分均高于CK，T1、T2、T3、T4分别较CK提高了4.17%、4.64%、4.21%、0.99%，T2表现最好，T4改善效果不理想。

表2 烟叶物理特性

2.2 烟叶外观质量

不同生物炭施用量烟叶外观质量见表3，各处理中部烟叶外观质量综合得分以T2处理最高，T1处理最低，其余处理相差无几，排序为T2＞T4＞T3＞CK＞T1。上部烟叶外观质量综合得分在75.75～77.50，差异较小。计算中、上部烟叶平均综合得分可知，T2处理烟叶外观质量最好，达81.28分，较CK提高2.59%，T3、T4得分分别为79.98、79.40，与CK相差较小。

表3 烟叶外观质量

2.3 烟叶常规化学成分

依据云南中烟工业公司企业标准［15］，优质烤烟总糖含量为19%～28%，还原糖含量为16%～25%，总氮含量为1.5%～2.5%，钾含量在1.5%以上，氯含量小于0.6%，上部烟叶烟碱含量为2.7%～3.7%，中部烟叶烟碱为2.1%～2.9%，下部烟叶烟碱含量为1.5%～2.2%。秸秆生物炭不同用量对烟叶化学成分的影响见表4。与优质烟叶相比较，各处理烟叶总糖均偏高，还原糖、总氮、氯离子含量相对适宜，总植物碱含量偏低，但与CK相比，增施不同量的生物炭使烤烟总植物碱含量均得到提高。中部烟叶除CK外的各处理钾离子含量均达到优质烟叶范围，T3、T4较高，上部烟叶钾含量整体偏低，仅高炭处理T3、T4达标。各处理糖碱比偏高，钾氯比较适宜，中部烟叶氮碱比在适宜范围，上部烟叶略高。对比中、上部烟叶各处理化学成分综合得分，高低分别表现为T3＞T4＞T2＞CK＞T1和T4＞T3＞T1＞T2＞CK，综合比较，生物炭高添加量的处理（T3和T4）对化学成分的改善作用较好。其中，中部叶除T1外，各处理综合得分均高于CK，最高为T3（74.76分），达到较高等级，较CK提高28.06%；各处理上部叶综合得分均高于CK，最高为T4（79.58分），达到“高”等级，较CK提高38.59%，效果明显。计算平均综合得分可知，T1、T2、T3、T4分别较CK提高了5.03%、4.96%、20.19%、20.97%。

表4 烟叶常规化学成分

2.4 烟叶感官评吸质量

各处理烟叶感官质量及综合得分见表5。由结果（表5）可知，各处理中部烟叶感官质量综合得分均高于CK，其中以T3最高，达73.78分，具体表现为质感尚细腻，清香韵稍显，浓度较浓，刺激性较小，杂气较小，生津回甜感好，但余味稍涩；除T4外，各处理上部叶感官质量综合得分均优于CK，最高仍为T3，达75.06分，主要表现为略有焦甜香，量较足，浓度较浓，愉悦性和舒适感较好，刺激性较小，但微有枯焦气。通过计算平均综合得分可知，高低排序为T3＞T1＞T2＞T4＞CK，T3烟叶感官质量综合得分相较于CK提高了5.26%。

表5 烟叶感官质量

2.5 烟叶综合品质评价

各处理烟叶综合质量评价结果见表6。结果（表6）表明，增施秸秆生物炭，各处理烟叶综合品质得分均高于CK，其中，中部叶高低表现为T3＞T4＞T2＞T1＞CK，上部叶表现为T3＞T4＞T1＞T2＞CK。对各处理综合品质进行评价，采用中部和上部烟叶得分的平均值进行比较。物理特性、外观质量均以T2最优，化学成分分别以T3、T4最优，分别较CK提高了20.19%、20.97%，升幅较大。感官评吸质量以T3最优，提高了5.26%。综合来看，以不同量增施秸秆生物炭，对烟叶品质均有一定的正面影响，以T3效果最佳，较对照平均提高7.62%，其次为T4处理，平均提高4.57%，T1、T2品质提升效果稍差，分别提高2.70%、3.06%。

表6 烟叶综合质量评价

2.6 烟叶经济性状

对各处理经济性状进行统计，结果见表7。对比可知，各处理经济性状指标均优于CK，增施不同量的生物炭均能一定程度上提高产量、产值和等级结构。其中，T3上等烟、中上等烟比例和产量、均价最高，与CK相比，产值提高8.89%，经济效益表现最佳。

表7 烟叶经济性状

3 小结与讨论

含梗率是烟叶的烟梗所占总量的比例，在物理特性评价体系中所占权重高达0.35，是一个重要的技术经济指标［16］。《中国烟草种植区划》［13］认为含梗率最佳范围为22%～25%，但近些年来有上升的趋势。从试验结果来看，各处理烟叶含梗率均高于最佳范围，但增施生物炭后烟叶含梗率出现明显下降，T1、T3上部烟叶含梗率已接近最佳范围，说明增施生物炭可一定程度上降低含梗率，这对提高烟叶工业可用性和加工质量具有积极意义。所以适宜的烟叶含梗率能满足卷烟企业对高质量烟叶原料的需求，最大限度地提高打叶复烤企业的经济效益［17］，增施生物炭可作为调控烟叶含梗率的重要手段。

相比其他品质指标，烟叶化学成分对生物炭施用量的响应程度最大，高施炭量处理T3、T4烟叶化学成分综合得分分别提高20.19%、20.97%，升幅较大。外观质量和物理特性是烟叶品质的表征，而化学成分便是决定烤烟品质的内在因素。前人研究认为与评吸质量密切相关的化学成分主要是糖组分和含氮化合物，烟碱是满足吸食者生理需求最主要的成分，与总氮一起影响劲头和刺激性，总糖、还原糖含量与吃味相关并对香气质影响较大；钾作为品质元素，同样对烟叶品质有很大影响，主要体现在香气质、香气量、燃烧性、安全性等方面；烟草是忌氯作物，其含量过高会降低烟叶燃烧性，产生熄火现象［18-20］。可见协调的化学成分是优质烟叶原料、高品质卷烟产品的前提。试验中，常规施肥下总糖高于优质烟叶化学成分标准，总植物碱相对较低，糖碱比较高，增施生物炭后，总糖含量有了一定程度的降低，上部烟叶总氮、总植物碱明显上升，糖碱比达到优质烟叶适宜范围，化学成分协调性明显改善，烟叶综合品质提高。这与肖佳冰等［21］、赵殿峰等［22］、李莉等［23］的研究较为一致，但赵殿峰等［22］认为过多施用生物炭对烤烟生长及品质的形成不利，这可能是由试验环境及试验设计的差异所致。增施生物炭后，烟叶钾含量得到提高，T3、T4较为明显。目前中国烟叶钾含量普遍较低，是限制烟叶质量进一步提升的重要因素，也是中国烟叶与世界优质烟叶存在一定差距的重要原因［24，25］。因此，可在增施生物炭的同时，增施利于烟叶吸收的钾肥或叶面肥，改善烟叶品质。

增施生物炭可以使烟叶物理特性、外观质量、化学成分协调性和感官评吸质量得到不同程度的提升。其中，对烟叶化学成分影响最大，高施炭量能提高其协调性。综合烤烟4项品质指标和经济效益来看，宣威烟叶产区最佳生物炭施用量为1 350 kg/hm2，可使烟叶综合品质较当地常规施肥提高7.62%，经济效益提高8.89%。