生物炭和微生物菌剂对烤烟产质量的影响

阎海涛， 常栋， 许跃奇， 蔡宪杰， 杨楠，闫鼎， 曹亚凡， 马文辉， 许成悦*

(1.河南省烟草公司 平顶山市公司， 河南 平顶山 467000； 2.上海烟草集团有限责任公司，上海 200082)

0 引言

【研究意义】豫中烟区是我国浓香型烟叶主产区之一。然而，近年来烟田连作、过量施用化肥和农药等已对烟区土壤健康带来较大威胁。土壤板结、营养元素比例及菌群结构失衡等问题较为突出，严重制约烟叶产质量的提升[1-2]。合理高效施肥是保育土壤、提高烟叶产质量的重要途经之一。利用生物炭和微生物菌剂改良修复土壤、促进作物抗病增收的相关研究正受到广泛关注。【前人研究进展】生物炭是农业废弃物等在相对高温和缺氧的条件下制得，富含碳素并且性质稳定，施入土壤中能够显著提高土壤碳氮比，改善土壤微生态环境，提高农作物抗病性及产量[3-4]。陈山等[5]研究发现，烟田施用稻壳生物炭9 000 kg/hm2和12 000 kg/hm2烤烟有效叶片数最多，分别达18.0片/株和17.9片/株，且以9 000 kg/hm2处理上等烟比例最高，为49.35%，均较对照(未施稻壳生物炭)显著提高。龚丝雨等[6]研究指出，施用秸秆生物炭可以显著提高烟叶产质量。其中，无机肥与生物炭配施中部烟叶面积比单施无机肥显著增大19.73%，其产量、上等烟比例、中上等烟比例、产值及均价也分别提高5.06%、8.98%、0.08%、8.79%和3.58%，上、中部烟叶总糖含量分别提高2.85%、11.85%，烟碱含量分别降低10.19%、29.61%；生物有机肥与生物炭配施中部烟叶面积比单施生物有机肥显著增大9.39%，其产量、上等烟比例、中上等烟比例、产值及均价分别提高2.07%、10.88%、2.07%、12.28%和10.00%，上、中部烟叶总糖含量分别提高1.88%、3.49%，烟碱含量分别降低16.61%、5.21%；增施生物炭能降低烤后烟叶的叶绿素含量，提高其类胡萝卜素含量。生物炭与生物有机肥配施对烤烟产量和质量的提高效果最佳。微生物菌剂的施用一方面可通过调节植物激素和养分供应来促进作物生长，另一方面有益菌可以通过拮抗作用抵制有害菌对作物的侵染[7]。潘明锦等[8]研究表明，施用微生物菌剂可以显著提高烟苗根系活力和根鲜重。张子颖等[9]研究发现，绿色木霉可以促进烤烟生长，提高烤烟经济效益。【研究切入点】目前，微生物制剂的应用效果常随土壤及气候条件等发生变化，关于其在豫中烟田单施及与生物炭混合施用效果的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以河南郏县典型浓香型烤烟为研究对象，分析生物炭和微生物菌剂单施及混合施用对烤烟生长、病害发生情况和产质量的影响，以期为豫中烟区烤烟合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年4—10月在河南省郏县李口镇进行，土壤类型为褐土，基础理化特性为：有机质18.57 g/kg，碱解氮69.10 mg/kg，速效磷23.00 mg/kg，速效钾238.00 mg/kg，pH 7.02。

1.2 材料

1.2.1 品种 供试烤烟品种为当地主栽品种中烟100，由青岛中烟种子有限责任公司提供。

1.2.2 物料 生物炭为花生壳生物炭(pH 8.25，全碳含量434.40 g/kg，全氮含量13.2 g/kg)，河南惠农土质保育研发有限公司生产；复合芽孢杆菌(有效活菌数20亿/g)，河南省农业科学院提供；芝麻饼肥(氮5%，磷2.7%，钾1.6%，有机质50%)，平顶山金叶实业有限公司生产；烟草专用复合肥(氮8%，磷12%，钾20%)，湖北香青化肥有限公司生产。

1.2.3 仪器 HP5890-5972气质联用仪，Agilent公司生产。

1.3 方法

1.3.1 试验设计 试验采用随机区组设计，共设4个处理：CK，常规施肥，不施用生物炭和菌剂；B，常规施肥+生物炭750 kg/hm2；M，常规施肥+复合芽孢杆菌；BM，常规施肥+生物炭750 kg/hm2+复合芽孢杆菌。小区面积100 m2，3次重复。各小区化肥氮用量52.5 kg/hm2，氮、磷、钾施用比例为1∶1∶3.5，生物炭与菌剂于烟苗移栽时穴施，生物炭用量50 g/株，复合芽孢杆菌用量为2 g/株。其他施肥与大田管理按照当地优质烟叶生产技术进行。

1.3.2 指标测定

1) 农艺性状。于烟叶成熟期在各小区选择代表性烟株，按照YC/T142—2010方法测定烟株株高、茎围、最大叶长宽及有效叶片数。

2) 病害发生情况。按照GB/T23222—2008烟草病虫害分级及调查方法[10]，于烤烟成熟期调查烟草黑胫病和根腐病的发病情况，统计发病率和病情指数。

3) 烟叶内在质量。各小区选取中部代表性烤后烟叶样品1 kg，测定烟叶内在品质。常规化学成分采用连续流动分析仪测定；中性致香物质采用气质联用仪进行提取与检测。

4) 经济性状。烟叶成熟时对每个小区进行挂牌采收、烘烤，统计各小区烤后烟叶总重量和各等级烟叶重量，按照当年烟叶收购价格计算均价、中上等烟比例和产值。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0对数据进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理烤烟成熟期的农艺性状

由表1可知，不同处理对烤烟生长有较大影响。株高：各处理株高为98.60～113.20 cm，BM>M>B，B、M和BM分别比CK(89.50 cm)显著提高10.17%、20.00%和26.48%；M和BM显著高于B。茎围：不同处理的茎围为10.30～11.60 cm，BM>M>B，M和BM分别较CK(9.70 cm)显著提高15.46%和19.59%，BM和M显著高于B，B较CK提高6.19%，但差异不显著。最大叶长：不同处理的最大叶长为66.40～71.80 cm，BM>B>M，B、M和BM分别较CK(61.50 cm)显著提高9.59%、7.97%和16.75%，BM显著高于B和M；B与M差异不显著。最大叶宽：不同处理的最大叶宽为36.90～39.40 cm，BM>B>M，B、M和BM分别较CK(34.70 cm)显著提高9.80%、6.34%和13.54%，但B、M和BM间差异不显著。有效叶片数：各处理有效叶片数为21.00～22.30片，BM>B>M，B、M和BM分别较CK(19.10片)显著提高10.99%、9.95%和16.75%；BM显著高于B和M，B与M间差异不大。综合看，以BM处理烤烟生长情况最佳。

表 1 不同处理烤烟成熟期的农艺性状

2.2 不同处理烤烟根茎病害的发生情况

由表2可知，不同处理烤烟生长后期根茎类病害发生情况有一定差异。烟草黑胫病：各处理发病率在7.32%～8.33%，B>M>BM，B与CK差异不显著，但均显著高于M和BM；各处理病情指数为4.08～5.12，M>B>BM，B和M差异不大，但均显著高于BM，三者均显著低于CK。烟草根腐病：不同处理发病率为3.63%～4.09%，B>M>BM，B与CK差异不显著，M和BM显著低于B和CK；各处理病情指数为2.30～2.77，B>M>BM，其中，B与CK差异不显著，M和BM显著低于CK。综上可知，菌剂单施(M)或与生物炭配合施用(BM)对烤烟根茎类病害的发生有一定抑制作用。

表 2 不同处理烤烟根茎病害的发生情况

2.3 不同处理烟叶化学成分的含量

从表3看出，施用生物炭(B)和菌剂(M)对烟叶化学成分含量的影响不同。总糖：各处理含量为20.97%～22.80%，BM>B>M，BM和B显著高于CK(20.40%)，而M与CK差异不大。还原糖：各处理含量为18.01%～19.36%，BM>B>M，B和BM分别比CK(16.98%)提高10.84%和14.02%，M和CK不差异显著。总氮：各处理含量为2.11%～2.19%，M>BM>B，B、M及BM分别较CK(2.48%)显著降低14.92%、11.69%及14.52%。烟碱：各处理含量为2.41%～2.76%，M>B>BM，其中M和CK差异不显著，BM和B显著低于CK。钾：各处理含量为0.99%～1.21%，M>BM>B，B、M和BM均与CK无显著差异。氯：各处理含量为0.65%～0.73%，处理间差异不大，均在优质烟适宜范围内。糖碱比：各处理在7.60～9.46，B、M和BM均显著高于CK。两糖比：各处理在0.85～0.86，B、M和BM均高于CK，但差异均不显著。钾氯比：各处理在1.43～1.66，各处理与CK间差异不显著。

表 3 不同处理烟叶常规化学成分的含量

2.4 不同处理烟叶中性致香物质的含量

由表4可知，各处理共检测出烟叶中性致香物质6类30种。不同类别致香物质对生物炭和菌剂施用的响应不同。苯丙氨酸类总量以CK最低，各处理为B>BM>M，不同处理对苯丙氨酸类影响较大的成分为苯甲醛和苯甲醇；各处理美拉德反应产物总量在25.86～26.62 μg/g，处理间差异不大；茄酮含量以CK最低，B、M和BM分别较CK提高21.46%、7.03%和31.59%；类胡萝卜素降解产物总量以CK最低，B和M略高于CK，BM最高，较CK高17.25%，其中受影响最大的成分为β-大马酮；其他类致香物质总量以CK最高，各处理为B>M>BM；各处理新植二烯含量在771.03～964.99 μg/g，明显高于CK。除去新植二烯，中性致香物质总量以CK最低，M与CK差异不大，B和BM则分别比CK提高8.06%和15.13%。从致香物质总量看，施用生物炭和菌剂的处理(B、M和BM)比CK提高18.70%～46.17%。

表 4 不同处理烟叶中性致香物质的含量

2.5 不同处理烤烟的经济性状

从表5可知，不同处理烟叶经济性状存在差异。产量：各处理为2 255.17～2 376.21 kg/hm2，BM>M>B，M和BM分别较CK(2 218.42 kg/hm2)提高4.75%和7.11%，B与CK差异不显著。均价：各处理为24.39～26.01元/kg，BM>M>B，其中，M和BM显著高于CK(23.80元/kg)，B和CK差异不大。产值：各处理为55 006.21～60 711.44元/hm2，BM>M>B，均显著高于CK(52 809.38元/hm2)，较CK提高4.16%～14.96%。中上等烟比例：各处理为87.62%～89.50%，BM>M>B，其中，BM显著高于CK，其余处理与CK差异不显著。

表 5 不同处理烤烟的经济性状

3 讨论

施用生物炭可以促进烟株生长，提高产值，主要是因为土壤添加生物炭后，可通过改善土壤物理结构和生物学特性，提高土壤养分含量等促进作物生长，与丁艳丽等[11-13]研究结果一致。微生物菌剂可以大幅提高作物根域环境有益菌丰度，改善根际微生态环境，进而促进作物生长的同时对致病菌产生拮抗作用，提高作物抗性和产质量水平[14-16]。殷全玉等[17]研究指出，哈茨木霉和枯草芽孢杆菌可以提高烟田土壤养分含量和有益菌的丰度。滑夏华[18]研究发现，施用含有溶磷菌、解钾菌和芽孢杆菌的生物肥可以降低烟草黑胫病和青枯病发病率，提高烟叶产质量。研究结果表明，菌剂单独施用及与生物炭混合施用都可以促进烟株生长，降低烟草黑胫病和根腐病发病率，提高烟叶产质量，并且两者混合施用效果更好。可能是因为生物炭一方面改善了土壤微环境[19-20]，促进作物生长，提高了烟株系统抗性[21]，另一方面生物炭的多孔结构和较强的蓄水保肥能力有利于保障施入土壤中的菌剂微生物的活性[22]，对菌剂的施用起到增效作用。

烟叶常规化学成分含量及其协调性是评价烟叶品质的重要指标[23]。豫中烟叶是我国浓香型烟叶的典型代表，然而烟叶糖低碱高是浓香型特色彰显的限制因素之一。研究结果表明，生物炭单独施用以及和菌剂混合施用可以提高烟叶糖含量，降低烟碱和总氮含量，有利于提高烟叶吸食的舒适感，可能是因为生物炭对土壤氮素的固持作用[24]，使烟株对氮素的吸收利用更符合“少时富老来贫”的规律，有利于烟叶成熟期碳氮代谢的协调和适时转化。

4 结论

田间常规施肥条件下，配施生物炭和微生物菌剂均能够显著促进烟株生长。菌剂单独施用以及与生物炭混合施用对烟草黑胫病和根腐病有一定抑制作用。生物炭单独施用以及和菌剂混合施用均可对烤后烟叶起到控碱增糖的效果，同时可以显著提升烤后烟叶中性致香物质含量。综合看，生物炭与菌剂混合施用可以促进烤烟生长，降低根茎病害发生，提高烤后烟叶化学成分协调性和致香物质含量，同时增加烟叶经济效益。今后可在烟区生物有机肥的配方中逐步探索优化，开发适合本地的炭基生物有机肥产品。