生物炭与复合肥混施对植烟土壤及烤烟生长的影响

李先才， 夏贤仁， 蔡宪杰， 潘义宏， 周玉思， 马爱国， 陈 彪， 王瑞宝， 闫 鼎*

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

0 引言

【研究意义】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，我国每年生产约9亿t的秸秆(其肥量相当于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，对生态环境造成负面影响。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]。【前人研究进展】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]。烤烟是我国重要的经济作物，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。农用地膜的长期使用，降低了土壤吸湿性、通透性，造成土壤污染，限制了烟草农业的健康可持续发展[10-11]。前人关于生物炭在植烟土壤改良上的应用已作了大量研究，邓子恒等[12]研究表明，施用生物炭改良剂使土壤有机质、速效钾含量明显提高。赵亚鹏等[13]研究认为，生物炭与腐熟秸秆混合施用对土壤有较好的改良作用。刘卉等[14-15]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，提高植烟土壤酶活性。【研究切入点】已有研究反映了植烟土壤养分、烤烟生长发育对生物炭的正响应效应，但未对土壤综合肥力及烟叶品质进行量化评价，缺乏直观性。【拟解决的关键问题】利用农田生物秸秆，通过高温碳化处理制成生物炭，研究不同用量生物炭与烟草专用复合肥混施对植烟土壤及烤烟生长的影响，量化评价土壤肥力、烟叶综合品质，直观反映生物炭对土壤改良、烤烟生长、烟叶提质的效果，明确生物炭最佳施用范围，以期为宣武地区烤烟生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

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。试验地土壤全氮，1.81 g/kg；全钾，7.98 g/kg；全磷，0.69 g/kg；速效磷，19.31 mg/kg；碱解氮，119.72 mg/kg；速效钾，130.76 mg/kg；pH值6.12；有机质43.27 g/kg。

1.2 材料

生物炭：选用由小麦、玉米秸秆粉碎后，经400～500℃高温裂解的产物生物炭，理化性质为有机碳456 g/kg，全氮6.8 g/kg，全磷2.1 g/kg，全钾11.67 g/kg，C/N67.1，pH 6.5。烤烟无机肥料：烟草专用复合肥，为总养分≥48%的三元复混肥(N∶P2O5∶K2O=14∶10∶24)，购自云南云叶化肥股份有限公司。

1.3 试验设计

试验施用不同肥料配比，设置4处理和1个对照，具体处理方式详见表1。当地常规施肥纯氮用量为105 kg/hm2，以此为基准，依据生物炭养分含量，对增施生物炭的处理适当减施复合肥，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用过磷酸钙(P2O5≥16%)。每个处理3次重复，每个处理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 不同肥料配比的试验设计

1.4 指标测定

1.4.1 植烟土壤评价

1) 土壤综合肥力。烟叶成熟采收后，长方形土块采取之字形、较为方正的地块采用对角线采集各处理植烟土壤耕层20 cm深的土样，在同一采样单元内每8～10个点的土样构成1个0.5～2.0 kg的混合土样，土壤样品经风干后，测定pH及有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量。根据主成分分析法及模糊数学分别确定各项肥力指标的权重和隶属度，二者的乘积作为土壤肥力综合指标值(Integrated Fertility Index，IFI)，以此评价土壤肥力[16]。

2) 土壤理化性质。参照文献[17]的方法测定土壤容重、比重、总孔隙度，参照文献[18]的方法测定腐殖质、胡敏酸、富里酸及有机碳含量。

3) 土壤微生物量。土壤微生物数量采用涂布平板法进行测定，细菌、真菌、放线菌分别采用肉膏蛋白胨培养基、孟加拉红培养基、高氏1号培养基培养，具体测定参照文献[19]的方法进行。

1.4.2 烤烟农艺性状及病害调查 参照中国烟草行业标准[20]于烤烟旺长期、现蕾期及打顶一周后调查农艺性状。参照国家标准[21]于烤烟移栽后15 d、30 d、45 d、60 d后调查主要土传病害黑胫病、根黑腐病、根结线虫病的发病率，计算平均发病率。

1.4.3 烟叶综合品质评价

烟叶烘烤回潮后，分别选取各处理B2F和C3F烟叶3.0 kg作为烟叶样品用于综合品质的检测分析。

1) 烟叶常规化学成分的测定。试样制备采用烘箱法[22]；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[23-27]。

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“9分制”[28]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。

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，依据标准[29]进行打分评价。

4) 烟叶物理特性。包括烟叶抗张力、厚度、平衡含水率、叶面密度和含梗率等5项指标，依据标准[30-31]进行测定。烟叶物理特性、外观质量、感官评吸质量以及综合品质均参照《中国烟草种植区划》采用赋值权重指数和法进行评价[32]。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，综合指数(I)划分为5个等级，即：高(I≥75)、较高(65≤I<75)、中(55≤I<65)、较低(45≤I<55)和低(I<45)[33]。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 植烟土壤性状

2.1.1 土壤综合肥力 由表2可见，各处理土壤呈微酸至中性，T1、T2、CK均为微酸性土壤，T3、T4为中性土壤，高施炭处理使微酸土壤得到改善，但均在烤烟种植适宜范围内。有机质含量均为“丰富至很丰富”水平，T1、T4相较于其他处理略低。各处理全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量虽存在差异，但均处于同一水平下，即“丰富”或“丰富至很丰富”水平，通过评价体系进行量化评价时得分一致，其中，随着施炭量的增加，碱解氮、速效磷含量整体呈现先升高后降低的趋势。T1、CK处理全磷含量明显低于T2、T3、T4处理，综合来看，除T1处理以外，其他3个生物炭处理均能明显提高土壤的综合肥力，T2、T3、T4分别较对照提高14.29%、14.29%和28.57%。说明，通过增施一定量的生物炭能使植烟土壤肥力更趋于均衡，提高植烟土壤的综合肥力。

表2 不同处理植烟土壤综合肥力

2.1.2 土壤理化性质 由表3可见，增施不同量的生物炭处理和常规施肥之间土壤容重、比重、总孔隙度虽有差异，彼此间差距较小。但在不同程度上增加土壤腐殖质、有机碳的含量，T2、T3最高，分别较CK提高27.80%、28.06%和27.73%、28.02%。T1、T2、T3的胡敏酸、富里酸含量也明显提高。综上，增施不同量的生物炭对土壤物理特性影响较小，但能提高有机碳和腐殖质含量。

表3 不同处理植烟土壤理化性质

2.1.3 土壤微生物 由表4可见，4个处理真菌、细菌和放线菌的数量随着有机炭添加量的增加而增加，其中，T4处理最高，分别较CK提高75.24%、51.24%和80.84%，总量较CK提高54.93%。说明，增施生物炭显著提高土壤微生物量，丰富微生物多样性，优化群落结构。

表4 不同处理植烟土壤微生物

2.2 烟叶农艺性状

在烤烟旺长期，除株高较CK高外，其余农艺指标各处理间差异较小。在烤烟现蕾期，各处理株高和节距均高于CK。CK单叶面积略高于其他处理，但差距较小，茎围和有效叶片数在各处理间无明显差异。烤烟打顶7 d后，各处理单叶面积、节距、有效叶数均无明显差距；茎围以T4最优，达12.48 cm；CK其次，为12.18 cm，株高以T2最低，为128.40 cm，其余处理间差异较小，以CK最高，为139.40 cm，T4其次，为138.80 cm。综合看，增施生物炭对烤烟农艺性状影响较小，仅对现蕾期株高有改善效果。

表5 不同处理烤烟各生育期农艺性状

2.3 主要土传病害的发生情况

由表6可知，将各处理及常规对照相比较，根黑腐病发病率T1>CK>T2>T4>T3，T2、T3、T4分别较CK降低9.15%、20.33%、11.50%。黑胫病发病率CK>T1>T2>T3>T4，T1、T2、T3、T4分别较CK降低7.46%、15.26%、22.55%、26.53%。根结线虫病发病率T1>CK>T2>T3=T4，T2、T3、T4分别较CK下降1.50%、26.32%、26.32%。增施不同量的生物炭均可不同程度降低黑胫病发病率，而生物炭添加量较高的处理(T2、T3和T4)根黑腐病、根结线虫病的发病率较低。综合看，生物炭施用量越高对病害的防治效果越好。

表6 不同处理主要土传病害的发病率

2.4 烟叶综合品质评价

由表7可知，增施秸秆生物炭，各处理烟叶综合品质得分均高于CK，其中，中部叶为T3>T4>T2>T1>CK，上部叶为T3>T4>T1>T2>CK。物理特性、外观质量均以T2处理最优。化学成分以T3、T4最优，分别较CK提高20.19%、20.97%。感官评吸质量以T3最优，较CK提高5.26%。综合来看，增施秸秆生物炭对烟叶品质均有一定的正面影响，以T3处理效果最佳，较CK平均提高7.62%，其次为T4处理，较CK提高4.57%，T1和T2处理品质提升效果稍差，分别较CK提高2.97%和2.70%。

表7 不同处理烟叶综合质量评价的得分

3 讨论

试验证明，T1(施炭量为450 kg/hm2)、CK(未添加生物炭)处理土壤综合肥力指标值(IFI)明显低于其他处理，其原因在于2个处理全磷、全钾含量较低，量化评价时得分低，此外，T4(施炭量为1 800 kg/hm2)有机质得分相较于其他处理高，其余指标得分较一致。因此，T4处理IFI最高，较CK提高28.57%，其次为T2(施炭量为900 kg/hm2)、T3(施炭量为1 350 kg/hm2)，均较CK提高14.29%。可见，增施一定量的生物炭对平衡土壤养分，提高综合肥力具有积极作用，且施用量越高，效果越佳。况帅等[34]研究认为，施用生物炭可显著提升土壤有机质及速效养分含量，与该研究存在差异。赵殿峰等[35]研究发现，随着生物炭施用量的提高，碱解氮、速效磷含量先升高后降低，认为是高施炭量引起土壤中碱解氮、有效磷的生物固定和化学固定，导致耕层土壤含量降低，与试验结果一致。土壤养分分级标准[36]认为，碱解氮含量在120 mg/kg以上、速效磷含量在20 mg/kg以上、速效钾含量在150 mg/kg以上即达到丰富水平，试验中所有处理速效养分均在此水平之上，可能与当地习惯于在烤烟生长中后期施用大量磷钾肥以及生物炭本身养分输入有关，已经施用充足的磷钾肥，但CK、T1仍有全磷、全钾含量相对较低的情况，推测可能是养分随水分淋失导致。生物炭具有较发达的孔隙结构和丰富的表面官能团，可以通过其表面酸性官能团对矿质阳离子产生吸附与持留作用[37]，从而达到保肥的效果，提高利用率。所以生物炭施用量较高的T2、T3、T4处理全磷、全钾含量相对较高，养分更为均衡，综合肥力较高。

该试验中各处理土壤容重、比重、总孔隙度相差较小，增施生物炭对土壤物理性质影响有限。但前人研究认为，施用生物炭能有效降低土壤容重，提高土壤孔隙度，改善耕层团粒结构[38]。究其原因在于，土壤改良是漫长过程，此类结论均建立在长期的田间定位试验基础上，而试验数据来自1年田间试验，时间较短，对土壤物理特性的影响较小，有待进一步验证。不同于土壤物理特性，各生物炭处理腐殖质、有机碳含量得到明显提高，其中以T2、T3最高，分别较CK提高27.80%、28.06%和27.73%、28.02%。胡敏酸、富里酸含量也得到明显提高，对由于农用地膜等带来的土壤污染、重金属超标问题具有积极意义[39-40]。

烤烟的农艺性状能较直观地反映烟株生长发育情况和产质量。在研究中，增施生物炭对烤烟现蕾期株高有改善效果，但增施生物炭对烤烟农艺性状影响较小，这与试验地的肥力水平和供肥条件有关，试验设置了4种不同用量生物炭处理，但通过减施一定的复合肥和增施过磷酸钙、硫酸钾控制各处理氮磷钾用量与CK保持一致，因此烤烟农艺性状受生物炭施用量的影响较小。病害调查结果显示，增施生物炭显著降低主要土传病害黑胫病、根黑腐病、根结线虫病的发病率，且施用量越高防治效果越佳。黑胫病、根黑腐病是烟草生产上极具毁灭性病害，其大田初侵染源主要来自带菌土壤，根结线虫以卵或二龄幼虫在土壤中越冬，线虫除对烟草造成直接危害外，其造成的伤口利于病原菌的侵染，可加重其他病害的严重度[41-42]。结合土壤微生物分析看，随着生物炭施用量的增加，土壤真菌、细菌、放线菌数量逐渐提高，T4处理最高，分别较CK提高75.24%、51.24%和80.84%，总量较CK提高54.93%，群落结构优化，微生物多样性大幅提升。或许增施生物炭使土壤有益菌增多，存在潜在的生防菌抑制病原菌的生长，使病害发病率下降。但试验未对土壤微生物进行分离鉴定，评价生防效果，具体原因有待进一步的研究。长期使用化学药剂进行病害防治易对环境产生副作用、病原菌产生抗药性。近年来，以菌防病、以菌治病的生物防治方法得到重视，在农作物病害防治方面的应用逐渐增多[43]。下一步应加大对土壤微生物的研究，挖掘潜在的生物防治菌，减轻对化学农药的依赖。

施炭量较高的T3和T4处理烤烟综合品质分别较CK提高7.62%和4.57%。从各项品质指标看，烟叶化学成分对生物炭施用量的响应程度最大，T3和T4处理烟叶化学成分得分分别提高20.19%和20.97%，升幅较大。化学成分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的最主要成分，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[44-46]。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，生物炭能显著改善烟叶化学成分协调性，提高品质。

4 结论

增施生物炭可协调土壤养分、提高土壤综合肥力，且施用量越高效果越好。在短期内，增施生物炭对土壤容重、比重、总孔隙度影响有限，但明显提高了腐殖质、有机碳含量，以900～1 350 kg/hm2较适宜。提高土壤微生物量，且施用量越高微生物量越高，丰富微生物多样性，群落结构得到优化。对烤烟农艺性状影响略微，但有效降低土传病害发病率，且施用量越高防治效果越佳，并提升烟叶综合品质，以1 350 kg/hm2最佳，较当地常规施肥提高7.62%。生物炭施用量可结合当地实际在1 350～1 800 kg/hm2灵活选择。