化肥减量配施炭基肥对烤烟产质量及土壤酶活性的影响

2022-03-18张金峰谭小兵吕世保合云宇李云川施定国白羽祥

南方农业学报 2022年11期

张金峰，谭小兵，吕世保，合云宇，李云川，施定国，王戈，白羽祥*

（1云南农业大学烟草学院，云南昆明 650201；2云南省烟草公司保山市公司昌宁县分公司，云南保山 678100；3云南省烟草公司曲靖市公司，云南曲靖 655000；4云南省烟草公司昆明市公司，云南昆明 650051）

0 引言

【研究意义】化肥在烟草产业发展过程中发挥重要作用，可为烤烟产量及品质的形成提供有力保障；但长期以来因化肥的不合理施用造成的土壤环境恶化及烟田面源污染情况渐趋严重，如何在保障烤烟产质量稳定的基础上最大化实施化肥减量，并探索高效、科学、环境友好的施肥措施，已成为目前亟待解决的关键问题。生物质炭基肥是以生物质炭为基质，通过添加一种或多种营养元素，经一定比例混合制成的新型功能型肥料（Gwenzi et al.，2017；Li et al.，2019），具有改良土壤（陈坤等，2018）、使作物提质增效（张萌等，2019）及养分缓释（赵泽州等，2021）等优良特性。基于此，进一步研究炭基肥替代化肥的应用效果，探明化肥减量的可行性，对促进烟草产业资源可持续利用具有重要的现实意义。【前人研究进展】近年来，众多学者在烤烟化肥减量条件下配以生物有机肥（封传欣，2019）、改良追肥方式（朱经伟等，2020）、配施水溶性追肥和有机肥（沈晗等，2021；刘魁等，2022）等方面开展了大量研究，已初步证实一定程度的化肥减量并辅以适宜的施肥策略并不会对烤烟产质量及土壤环境造成消极影响。同时，大量研究表明，生物质炭基肥在生态环境治理（穆青和刘锦华，2019）、促进养分积累（何晓冰等，2020）、改良植烟土壤（陈懿等，2020）等方面具有巨大潜力，是实现可持续发展的重要新型肥料。相较于生物质炭的单独施用，炭基肥中的养分具有缓/控释性，可有效提高作物肥料利用率，显著改善土壤环境（魏春辉等，2016）。陈懿等（2019）研究发现，施用玉米秸秆生物质炭基肥可增加土壤细菌、放线菌和真菌数量，并提高烤烟氮、磷、钾积累量和产量。王晓强等（2019）研究表明，减氮增施生物质炭基肥可改善烟叶内在化学成分协调性，增加中性致香物质含量，提升烟叶品质。毛娟等（2019）通过对比不同用量炭基肥对烤烟产质量的影响发现，1.5 t/ha的炭基肥用量改善了烤烟内在化学成分及其协调性，增加了香气物质含量，提高了经济效益。李彩斌等（2019）通过对比不同炭基复混肥配方处理对烤烟生理、养分及产量特征的影响发现，在N:P2O5:K2O为9:13:22，生物炭比例为15%的配方处理下，烤烟叶片叶绿素和类胡萝卜素含量、净光合速率及水分利用率最高。申洪涛等（2020）研究发现，减施化肥氮15%同时配施高炭基肥料的处理对烤烟生长及产质量形成无显著负面影响，而在减氮30%条件下，尽管配施高炭基肥料也会对烤烟生长及产质量造成负效应。【本研究切入点】目前关于肥料运筹的研究大多集中于有机无机配施、生物质炭基肥增施等方面（王日俊等，2021；赵东等，2021），而忽略了生物质炭基肥施用条件下的化肥减施研究。【拟解决的关键问题】通过对比不同化肥与生物质炭基肥配比下的烤烟农艺性状、经济性状、烤后烟叶化学成分及土壤酶活性等指标，探究最适的化肥减量比例，以期为烤烟生物质炭基肥的全方位应用提供技术支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2020年4—10月在云南省保山市昌宁县珠街彝族乡（东经99°53＇41″，北纬25°8＇9″，海拔1920 m）进行试验。试验地土壤为红壤，基础理化性质：pH 5.62，有机质24.21 g/kg，水解性氮147.28 mg/kg，有效磷36.97 mg/kg，速效钾232.83 mg/kg。前茬作物为玉米。

1.2 试验材料

供试烤烟品种为K326；供试化肥为烟草专用复合肥（N∶P2O5∶K2O=12∶6∶24）和烟草专用追肥（N∶P2O5∶K2O=15∶0∶30），均购自当地农资公司；供试生物质炭基肥为玉米秸秆生物质炭基肥，由玉米秸秆生物质炭和烟草专用复合肥复合造粒制成（玉米秸秆生物质炭含量45%，有机质含量50%，N含量1.2%，P2O5含量0.6%，K2O含量2.4%）。

1.3 试验方法

按照烟草专用复合肥与生物质炭基肥中养分含量折算基肥施用量，确保各处理N（72 kg/ha）、P2O5（36 kg/ha）、K2O（144 kg/ha）施用量保持一致。试验采用随机区组设计，共设4个处理，分别为对照（CK）：100%化肥；T1：80%化肥+20%生物质炭基肥；T2：60%化肥+40%生物质炭基肥；T3：40%化肥+60%生物质炭基肥。具体施肥情况见表1。各处理基肥均在移栽前混匀条施，且均于移栽后25 d内分3次对水浇施烟草专用追肥360 kg/ha。每处理设3次重复，共12个小区，每小区烤烟不少于100株，行株距为120 cm×50 cm，其他管理措施均按保山市优质烟叶生产规范执行。

表1 试验处理设置Table 1 Test treatment setup

1.4 测定项目及方法

1.4.1 农艺性状调查于移栽后30、60和90 d，分别在每小区随机选取10株长势一致的烟株，按照YC/T 142—2010《烟草农艺性状调查测量方法》调查株高、茎围、有效叶片数、最大叶长和最大叶宽。

1.4.2 SPAD值测定于移栽后30、60和90 d，分别在每小区随机选取10株长势一致的烟株，用SPAD-502型叶绿素测定仪测定各烟株中部叶的SPAD值。

1.4.3 烤烟经济性状调查烘烤结束后，按照42级国家烟叶分级标准分级、计产，并依据2020年云南省烟草公司保山市公司烤烟收购价格计算产值、均价及中上等烟比例。

1.4.4 烤后烟叶外观质量调查烘烤结束后，在每小区随机采集1 kg C3F等级烟叶，依据GB 2635—1992《烤烟》进行颜色、成熟度、结构、身份、油分和色度调查，并依据烟叶外观质量评分标准进行评分（王芳等，2014）。

1.4.5 烤后烟叶化学成分分析烘烤结束后，在每小区随机采集1 kg C3F等级烟叶，分别依据YC/T 159—2002《烟草及烟草制品水溶性糖的测定连续流动法》测定总糖和还原糖含量、YC/T 161—2002《烟草及烟草制品总氮的测定连续流动法》测定总氮含量、YC/T 468—2013《烟草及烟草制品总植物碱的测定连续流动（硫氰酸钾）法》测定烟碱含量、YC/T 173—2003《烟草及烟草制品钾的测定火焰光度法》测定钾含量、YC/T 162—2011《烟草及烟草制品氯的测定连续流动法》测定氯含量、YC/T 216—2013《烟草及烟草制品淀粉的测定连续流动法》测定淀粉含量，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对各处理进行评分（王彦亭等，2010；谢晋等，2014）。

1.4.6 土壤酶活性测定烤烟采收完毕后，在每小区随机选取10株长势一致的烟株，采用抖根法收集根际土壤，参照李振高等（2008）的方法进行土壤脲酶、土壤蔗糖酶、土壤过氧化氢酶、土壤酸性磷酸酶活性测定。

1.5 统计分析

采用Excel 2019进行数据处理和作图，运用SPSS 23.0进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 化肥减量配施炭基肥对烤烟农艺性状的影响

2.1.1 对烤烟株高的影响由图1可看出，与CK相比，各化肥减量配施炭基肥处理在移栽后30和60 d均不利于烟株伸长，且各处理株高随炭基肥配比的增加呈持续降低趋势；移栽后90 d，不同处理株高则随炭基肥配比的增加而先升高后降低，表现为T2＞T1＞CK＞T3，T1和T2处理的株高差异不显著（P＞0.05，下同），但二者显著高于CK和T3处理（P＜0.05，下同）。说明化肥减量配施炭基肥在烤烟生长的前、中期不利于烟株生长，在生长后期炭基肥优势逐步凸显，但过高的炭基肥用量（T3处理）会抑制烤烟生长。

图1 化肥减量配施炭基肥对烤烟株高的影响Fig.1 Effect of chemical fertilizer reduction combined with biochars-based fertilizers on plant height of flue-cured tobacco

2.1.2 对烤烟茎围的影响由图2可看出，相较于CK，烤烟移栽后30和60 d，各化肥减量配施炭基肥处理均显著抑制烟株茎秆生长，且各处理茎围随炭基肥配比的增加持续减小；在移栽后90 d，仅T1处理的茎围显著高于CK，且不同处理茎围随炭基肥配比的增加呈先增大后减小的变化趋势，即表现为T1＞CK＞T2＞T3。说明只有80%化肥配施20%炭基肥的T1处理在烤烟生长后期有利于烤烟茎秆生长，其他处理较CK而言均无促进作用。

图2 化肥减量配施炭基肥对烤烟茎围的影响Fig.2 Effect of chemical fertilizer reduction combined with biochars-based fertilizers on stem girth of flue-cured tobacco

2.1.3 对烤烟最大叶长的影响由图3可看出，相较于CK，在移栽后30 d，各化肥减量配施炭基肥处理不利于烤烟叶片伸长，且各处理最大叶长随炭基肥配比的增加呈持续减小趋势；在烤烟生长中、后期，不同处理最大叶长随炭基肥配比的增加呈先增大后减小的变化趋势，即在移栽后60 d，以T1处理最大叶长显著高于其他处理，T2处理次之，CK和T3处理较小且二者间差异不显著。说明化肥减量20%～40%同时配施生物质炭基肥在中、后期有助于烟株叶片的发育。

图3 化肥减量配施炭基肥对烤烟最大叶长的影响Fig.3 Effect of chemical fertilizer reduction combined with biochars-based fertilizers on maximum leaf length of flue-cured tobacco

2.1.4 对烤烟最大叶宽的影响由图4可看出，相较于CK，在移栽后30 d，各化肥减量配施炭基肥处理均抑制烟株叶片增宽，且各处理最大叶宽随炭基肥配比的增加呈持续减小趋势；在烤烟生长中、后期，不同处理最大叶宽随炭基肥配比的增加呈先增大后减小的变化趋势，即在移栽后60 d，各处理最大叶宽表现为T1＞T2＞T3＞CK；在移栽后90 d，以T1处理最大叶宽显著高于其他处理，T2处理次之，CK和T3处理最大叶宽较小且二者差异不显著。说明化肥减量配施炭基肥在烤烟生长中期才逐渐凸显促进作用，且整体以80%化肥配施20%炭基肥的效果较佳。

图4 化肥减量配施炭基肥对烤烟最大叶宽的影响Fig.4 Effect of chemical fertilizer reduction combined with biochars-based fertilizers on maximum leaf width of flue-cured tobacco

2.1.5 对烤烟有效叶片数的影响由图5可看出，化肥减量配施炭基肥处理的有效叶片数在移栽后30 d与CK均无显著差异；在烤烟生长中、后期，不同处理的有效叶片数随炭基肥配比的增加持续增加，即在移栽后60 d，各处理有效叶片数表现为T3＞T2＞T1＞CK；在移栽后90 d，以T3处理有效叶片数最多，显著高于其他处理，T1和T2处理有效叶片数无显著差异，CK处理有效叶片数显著少于其他处理。说明化肥减量配施炭基肥在烤烟生长中期可显著增加有效叶片数，且这种效应随炭基肥配比的升高而增加。

图5 化肥减量配施炭基肥对烤烟有效叶片数的影响Fig.5 Effect of chemical fertilizer reduction combined with biochars-based fertilizers on effective blade number of flue-cured tobacco

2.2 化肥减量配施炭基肥对烤烟SPAD值的影响

由图6可看出，相较于CK，在移栽后30 d，T2和T3处理过高的化肥减量（40%和60%）会降低烤烟SPAD值；在移栽后60和90 d，SPAD值随炭基肥配比的增加整体呈先升高后降低的变化趋势，即均以T2处理SPAD值显著高于其他处理，CK的SPAD值显著低于其他处理，T1和T3处理差异不显著。说明60%化肥配施40%炭基肥有利于叶片叶绿素的积累。

图6 化肥减量配施炭基肥对烤烟SPAD值的影响Fig.6 Effect of chemical fertilizer reduction combined with biochars-based fertilizers on SPAD value of flue-cured tobacco

2.3 化肥减量配施炭基肥对烤后烟叶外观质量的影响

由表2可知，化肥减量配施炭基肥可在一定程度上提高烤后烟叶的外观质量。颜色和油分方面，各处理均为橘黄，CK和T1处理的油分多，而T2和T3处理为有油分，且颜色和油分分值均以T1处理最高，显著高于其他处理，T3处理颜色和油分最差，CK和T2处理间无显著差异；成熟度方面，各处理均为成熟，以CK分值最高，T1处理次之，T2和T3处理显著低于其他处理；结构和身份方面，CK、T1、T2处理分别为疏松和中等，T3处理为尚疏松和稍薄，T2处理结构和身份的分值均显著高于其他处理，CK和T1处理次之且二者差异不显著，T3处理最差；色度方面，各处理均为强，T2和T3处理分值显著高于CK和T1处理。各处理总分表现为T2＞T1＞CK＞T3，且各处理间均达显著差异水平。由此可知，适宜的化肥减量配施炭基肥可显著提高烤烟外观质量，但化肥配比过低（40%化肥+60%炭基肥）不利于优质烟叶外观质量的形成。

表2 化肥减量配施炭基肥对烤后烟叶外观质量的影响Table 2 Effect of chemical fertilizer reduction combined with biochars-based fertilizers on appearance quality of flue-cured tobacco

2.4 化肥减量配施炭基肥对烤后烟叶经济性状的影响

由表3可知，相较于CK，适宜比例的化肥减量配施炭基肥可提高烤烟的各项经济性状指标。在产量方面以T1处理最高，T2处理次之，CK和T3处理较低且二者差异不显著；在均价及中上等烟比例方面均以T2处理最高，显著高于其他处理，T1处理与CK间无显著差异，T3处理最低；在产值方面表现为T2＞T1＞CK＞T3，且各处理间均显著差异。以上结果表明，80%化肥+20%炭基肥的T1处理产量最高，均价、产值、中上等烟比例方面以60%化肥+40%炭基肥的T2处理最高，过量化肥减施的T3处理（40%化肥+60%炭基肥）各项经济性状指标均最低。

表3 化肥减量配施炭基肥对烤后烟叶经济性状的影响Table 3 Effect of chemical fertilizer reduction combined with biochars-based fertilizers on economic characters of flue-cured tobacco

2.5 化肥减量配施炭基肥对烤后烟叶化学成分的影响

优质烟叶标准为还原糖18.00%～22.00%、总氮2.00%～2.50%、烟碱2.20%～2.80%、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（王彦亭等，2010）。由表4可看出，随着炭基肥配施比例的增加，烤烟总糖含量和钾氯比均呈持续升高趋势，还原糖、钾和淀粉含量及糖碱比均先升高后降低；总氮、烟碱和氯含量持续下降；氮碱比则先降低后升高。具体来看，还原糖含量以CK和T1处理较优，T2和T3处理还原糖含量分别过高和过低；仅T3处理的总氮和烟碱含量处于优质烟叶范围，其他处理均过高；钾含量以T2处理较优，其他处理均较低；淀粉含量以T2处理较优，其他处理均较高；各处理糖碱比均较低，但以T2处理最接近优质烟叶范围；氮碱比和钾氯比仅T3处理较适宜，其他处理均较低。对烤后烟叶化学成分进行评分（表5），CK和T1处理的还原糖分值最高，T2处理的烟碱、钾、淀粉、糖碱比分值最高，T3处理的总氮、烟碱、氮碱比、钾氯比分值最高；总分表现为T2＞T3＞T1＞CK。以上结果表明，化肥减量配施炭基肥可显著改善烤后烟叶化学成分协调性，其中以60%化肥+40%炭基肥处理最优。

表4 化肥减量配施炭基肥对烤后烟叶化学成分的影响Table 4 Effect of chemical fertilizer reduction combined with biochars-based fertilizers on chemical composition of flue-cured tobacco

表5 化肥减量配施炭基肥烤后烟叶化学成分评分Table 5 Scores of chemical fertilizer reduction combined with biochars-based fertilizers on chemical components of flue-cured tobacco

2.6 化肥减量配施炭基肥对土壤酶活性的影响

由图7可看出，化肥减量配施炭基肥对各土壤酶活性有不同影响。随着炭基肥配比的增加，土壤脲酶活性呈持续上升趋势，T3处理显著高于其他处理，T1、T2处理次之，二者无显著差异，CK的脲酶活性最低（图7-A）。土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶活性均随着炭基肥配比的增加呈先升高后降低的变化趋势（图7-B和图7-C）；土壤蔗糖酶活性以T2处理最高，T1处理次之，CK和T3处理最低；土壤酸性磷酸酶活性以T2处理最高，CK最低。土壤过氧化氢酶活性以CK、T1处理显著高于其他处理，且二者无显著差异，T2处理次之，T3处理显著低于其他处理（图7-D）。以上结果表明，化肥减量配施炭基肥可不同程度地提高土壤脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性，而显著降低过氧化氢酶活性。

图7 化肥减量配施炭基肥对土壤酶活性的影响Fig.7 Effect of chemical fertilizer reduction combined with biochars-based fertilizers on soil enzyme

3 讨论

生物质炭基肥因其固定态的有机碳架起载体作用，故实现了炭质—矿物质—化肥养分的团聚体结合，延缓了化肥释放，从而减少化肥用量（潘根兴等，2017）。施用生物质炭基肥可增加土壤有机质、速效钾、速效磷和碱解氮含量，提高蔗糖酶和脲酶活性（汪坤等，2021），较单施生物质炭具有更稳定的正调控作用效应（李艳梅等，2015；Li et al.，2017）。陈懿等（2019）研究表明，与常规施肥相比，施用750 kg/ha的炭基酒糟有机肥可显著增加土壤细菌、放线菌和真菌数量，提高土壤脲酶与过氧化氢酶活性；潘全良等（2016）通过在花生田连续6年施用生物质炭与炭基肥，发现施用炭基肥处理抑制过氧化氢酶与蔗糖酶活性，施用生物质炭则提高土壤蔗糖酶活性。本研究结果表明，在烤烟生长前期，化肥减量配施炭基肥对烤烟生长有轻微抑制作用，且这种现象随炭基肥配比的增加而愈发明显，原因可能为此时炭基肥肥效尚未释放，导致烟株暂时脱肥（毛娟等，2019）；也可能是随着炭基肥施用比例的逐渐增加，导致高含量的生物质炭破坏了土壤平衡，降低了土壤养分有效性，减缓了土壤改良速度，进而抑制烤烟的生长发育（李春阳，2020；贾孟等，2021）。在烟株生长中、后期，炭基肥优势逐渐凸显，在株高、茎围、最大叶长宽方面均以80%化肥+20%炭基肥表现较优；而在SPAD值、外观质量、经济性状和化学成分协调性方面，则均以60%化肥+40%炭基肥表现较优。随着炭基肥配比的增加，有效叶片数逐渐增加，烤后烟叶总氮、烟碱和氯含量逐渐降低，钾和还原糖含量先升高后降低，总糖含量持续增加。说明在养分等同情况下，炭基肥比例的增加并不能促进烟叶含氮化合物的积累，但可促进糖类物质的贮存，进而改善烟叶化学成分协调性。土壤脲酶活性持续上升，过氧化氢酶活性则与之相反，原因可能为生物炭的施入导致土壤微生物群落结构和理化性状发生变化，进而使过氧化氢酶活性下降（Kolb et al.，2009）。过量的化肥减施（40%化肥+60%炭基肥）则不利于烤烟生长和产质量的提高，且蔗糖酶和酸性磷酸酶活性随炭基肥配比增加呈先升高后降低的趋势，原因可能有3个方面：第一可能是高比例的炭基肥肥效释放尚不完全，烟株养分吸收不足，导致其生长受抑（申洪涛等，2020）；第二是土壤过氧化氢酶活性下降导致土壤分解过氧化氢并降低其对生物体的毒害作用效果弱化（邓欧平等，2018）；第三可能是过量生物质炭吸附酶所用底物，从而抑制酶活性。以上结果说明炭基肥中生物炭所吸附的养分在烤烟生长中、后期可缓慢释放，但过量的炭基肥则不利于烤烟的生长发育及产质量的形成，与张志浩（2019）的研究结果一致。