烟秆炭基肥对烤烟生长和品质的影响

2022-09-05陈宇琳童晨晓吴凤英何峥旋周碧青毛艳玲

南方农业学报 2022年6期

陈宇琳，童晨晓，吴凤英，何峥旋，周碧青，毛艳玲，3*

（1福建农林大学资源与环境学院，福建福州 350002；2土壤生态系统健康与调控福建省高校重点实验室，福建福州 350002；3自然生物资源保育利用福建省高校工程研究中心，福建福州 350002）

0 引言

【研究意义】烟草是我国重要的经济作物之一，烟叶提质增效及绿色清洁生产已成为近年来烟草行业关注的焦点（王成己等，2021）。烟叶收获后产生大量废弃烟秆（谭慧等，2018），烟秆的不合理利用导致资源浪费（彭国勋等，2013；肖和友等，2018），因此，寻找一种适合烟秆农业废弃物回收再利用的方式极其重要。近年来国内外广受关注的生物炭技术为解决农业废弃物利用问题开拓了一条新思路，将烟秆制成生物炭还田是实现废弃烟秆资源化利用和提高烟叶品质的双赢途径（覃佐东等，2016）。烟秆中含有大量的纤维素和木质素，可作为土壤腐殖质的重要来源（付晨青等，2015），还含有3.0%～5.5%的KO，钾素含量丰富（符德龙等，2019），可改良土壤及促进烤烟增产提质，在烟草农业中具有较大的应用潜力。然而生物炭中可被植物直接利用的养分含量较低（Lehmann et al.，2003），单独施用不能很好地满足作物生长的需要，以生物炭为载体，按照作物养分需求与各种化学肥料混合配制炭基肥，可在维持生物炭特性前提下提高农作物对肥料的当季利用率（刘玉学等，2013），减少或延缓养分淋失（丁艳丽等，2013，樊鹏飞等，2020）。因此，探讨烟秆炭基肥对烤烟生长及品质的影响，对于指导烤烟生产、炭基肥推广应用及农业废弃物资源化利用均具有重要意义。【前人研究进展】炭基肥在提高作物对养分的吸收利用及促进作物生长、稳产增产和提高品质等方面的效果已得到广泛认可（高海英等，2013；王成己等，2021）。解秋等（2018）研究指出，复配木醋液的生物质炭基肥在提高肥料利用率、促进玉米生长方面具有很好潜力。李昌娟等（2021）研究表明施用生物炭基肥可促进茶树对氮、钾和镁的吸收，增强茶树光合作用从而显著提高茶叶的产量和质量。胡坤等（2021）研究表明，烟秆炭基肥可提高薏苡产量，促进薏苡生长和养分积累，并提高营养和功能性成分含量，有利于薏苡的增产、提质和增效。关于生物炭基肥对烤烟生长及品质的影响，陈懿等（2019）研究发现施用生物炭基肥可提高肥料农学利用率，提高烤烟氮、磷、钾积累量和产量、烟叶挥发性香气物质总含量，改善烟叶品质；毛娟等（2019）研究表明施用秸秆炭基肥可显著提高烤烟中上部叶的总糖和还原糖含量，降低总氮和烟碱含量，显著提高中部叶钾含量，从而改善烤烟内在化学成分及其协调性；王晓强等（2019）的田间试验表明，85%常规施肥+1.5 t/ha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；申洪涛等（2020）研究表明，减氮配施高炭基肥有利于提高烤烟各生育时期的农艺性状，从而促进烤烟生长；汪坤等（2021）研究表明，施入高碳基肥有利于提升烤烟的耐熟性和成熟度，对提高上部烟叶品质有提升作用。【本研究切入点】尽管生物炭基肥增产提质的效果已在烤烟生长上得到证实，但关于烟秆制备成生物炭基肥的应用研究较少，且缺乏对烤烟施用效果的研究。【拟解决的关键问题】以烤烟品种翠碧一号为试验对象，研究不同烟秆炭基肥施用量对烤烟产量、品质及经济效益的影响，综合评价烟秆炭基肥的施用效果，为烤烟增产提质及烟秆炭基肥的推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019年1—6月在福建省三明市尤溪县洋中镇福建农林大学科教基地进行。试验地属亚热带季风气候区，年平均气温19.2 ℃。试验点前茬作物为水稻，土壤类型为水稻土，土壤理化性质：pH 4.77、有机质26.16 g/kg、全氮1.45 g/kg、全磷1.04 g/kg、全钾9.85 g/kg、碱解氮69.52 mg/kg、有效磷159.15 mg/kg、速效钾139.18 mg/kg。

1.2 试验材料

供试烤烟品种为翠碧一号，试验选取生长状况良好、大小相近且无病虫害的烟苗。烟草专用肥［m（N）∶m（PO）∶m（KO）=12∶7∶22］由福建三明金明农资有限公司提供。烟秆品种为云烟87，自然风干后粉碎至1～2 cm块状，用于制备生物炭。生物炭采用便捷式生物质炭化机（淮安华电环保机械制造有限公司）制备，温度500 ℃，保留时间2 h，冷却至室温后进行粉碎、研磨，并过1 mm网筛。烟秆生物炭养分含量为总氮22 g/kg、全磷7 g/kg、全钾51 g/kg。烟秆炭基肥（N 8.50%、PO5.06%、KO 14.51%）由烟秆生物炭与硫酸铵（N 21%）、磷酸二铵（N 18%、PO46%）及硫酸钾（KO 50%）经平磨式挤压造粒机混合制成。

1.3 试验方法

采用田间微区试验，试验设5个处理，分别为：（1）对照（CK）：不施肥；（2）烟草专用肥（F）：施用烟草专用肥750 kg/ha；（3）低量炭基肥（LBF）：施用烟秆炭基肥525 kg/ha；（4）中量炭基肥（MBF）：施用烟秆炭基肥1050 kg/ha；（5）高量炭基肥（HBF）：施用烟秆炭基肥1575 kg/ha。其中F处理与MBF处理保持相同氮磷钾养分含量。每处理设3次重复，小区面积13 m，随机区组排列。各小区肥料在种植前条施，覆土起垄，覆膜，1月22日各小区移栽20株生长状况良好、大小相近且无病虫害的烟苗，株间距0.5 m，每小区种植1行。田间管理措施按当地生产技术方案进行。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 生长指标测定分别在烟叶旺长期和成熟期，每小区选取长势良好的5株烟株，根据YC/T 142—2010《烟草农艺性状调查测量方法》测定烟株的株高、有效叶片数、最大叶长、最大叶宽，计算最大叶面积，最大叶面积（cm）＝最大叶长×最大叶宽×0.6345。6月2日（移栽后130 d）成熟采收，用分光光度法测定鲜烟叶叶绿素含量；根、茎、叶置于烘箱中105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，测定干物质重量。

1.4.2 理化指标测定全氮含量采用碳氮元素分析仪（力可TruMacCN，美国）测定；全磷和全钾含量分别采用浓HSO-HO消煮—钼锑抗比色法和火焰光度法测定。烟叶烘烤后按照GB 2635—1992《烤烟》进行分级，选取各处理C3F烟叶测定其化学成分：总糖含量采用蒽酮比色法测定，还原糖含量采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，烟碱含量采用活性炭脱色提取—紫外分光光度法测定；钾含量采用乙酸铵提取—火焰光度法测定，氯含量采用热水蒸馏—硝酸银滴定法测定，计算糖碱比和氮碱比。

1.4.3 产量指标测定烟叶成熟后进行挂牌烘烤，烘烤结束后统计烤后烟叶产量、中上等烟比例、上等烟比例，并计算经济效益及肥料农学利用率。肥料农学利用率（kg/kg）=（施肥区烟叶产量-无肥区烟叶产量）/肥料养分用量。经济效益（元/ha）=产值-成本，成本包括原材料、肥料、人工和运输成本等。

1.5 统计分析

试验数据采用Excel 2019和Origin 2020进行数据整理和图表制作，各处理间差异性采用SPSS 25.0进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 烟秆炭基肥对肥料农学利用率的影响

由表1可知，与烟草专用肥相比，施用烟秆炭基肥能显著提高氮肥、磷肥和钾肥的农学利用率（＜0.05，下同）。各施肥处理氮肥农学利用率表现为MBF＞LBF＞HBF＞F，同等氮磷钾养分水平下，MBF处理氮肥农学利用率较F处理提高50.04%，且显著高于其他炭基肥处理，LBF和HBF处理间无显著差异（＞0.05，下同）。各施肥处理磷肥和钾肥农学利用率均表现为LBF＞MBF＞HBF＞F，且随着烟秆炭基肥施用量的增加，磷肥和钾肥农学利用率均呈递减趋势。与F处理相比，LBF处理磷肥和钾肥农学利用率分别增加25.40%和42.89%。同等氮磷钾养分水平下，MBF处理磷肥和钾肥农学利用率较F处理提高12.93%和31.74%。综上可知，烟秆炭基肥的肥料农学利用率优于烟草专用肥。

2.2 烟秆炭基肥对烤烟生长的影响

2.2.1 干重由图1可知，不同用量烟秆炭基肥处理对烤烟各个器官的生物量有不同影响，烟叶干物质重量表现为HBF＞MBF＞F＞LBF＞CK，HBF处理较MBF处理增加71.68 kg/ha，增幅达13.18%。茎干物质重量表现为HBF＞MBF＞LBF＞F＞CK，呈随烟秆炭基肥施用量增加而增加的趋势。根干物质重量表现为MBF＞HBF＞F＞LBF＞CK，其中MBF处理最高，达49.85 kg/ha。同等氮磷钾养分水平下，MBF处理的根、茎、叶干物质重量均高于F处理。表明烟秆炭基肥对于烤烟干物质重量增加有明显促进作用。

2.2.2 生长指标由表2可知，旺长期和成熟期不同处理烤烟的株高、最大叶长、最大叶宽及最大叶面积均表现为HBF＞MBF＞F＞LBF＞CK，变化趋势相同。旺长期时，HBF处理株高、最大叶长、最大叶宽较F处理分别提高4.54%、3.85%、4.88%。叶片数表现为HBF＞F＞MBF＞LBF＞CK，HBF 处理较F 处理提高1.4%，而HBF处理和MBF处理间无显著差异。成熟期时，打顶后不同烟秆炭基肥处理间株高和叶片数无显著差异，而最大叶长和最大叶面积差异明显，HBF处理较MBF处理分别显著提高3.56%和4.51%。

2.2.3 光合色素含量由图2可知，各处理叶绿素a含量表现为HBF＞F＞MBF＞LBF＞CK，烟秆炭基肥处理叶绿素a含量显著高于CK，且随着炭基肥施用量的增加而显著提高。各处理叶绿素b含量依次为HBF＞F＞MBF＞LBF＞CK，其中HBF处理叶绿素b含量显著高于其他处理，较F处理提高58.97%，LBF和MBF处理间差异不显著。各处理类胡萝卜素含量表现为HBF＞F＞MBF＞LBF＞CK，与CK相比，烟秆炭基肥可使类胡萝卜素含量提高0.05～0.09 mg/g，增幅达41.67%～75.00%。烤烟光合色素含量随着炭基肥施用量的增加呈增加趋势。同等氮磷钾养分水平下，MBF处理光合色素含量与F处理无显著差异。

2.3 烟秆炭基肥对烤烟品质的影响

由图3可知，烤烟总糖、还原糖、烟碱和钾含量均表现为HBF＞MBF＞F＞LBF＞CK。各处理间总糖含量均差异显著，且总糖含量随着烟秆炭基肥施用量的增加而增加；HBF处理总糖含量较MBF和F处理分别提高15.85%和24.77%；同等氮磷钾养分水平下，MBF处理总糖含量较F处理提高7.70%。各施肥处理间还原糖和烟碱含量无显著差异，但均显著高于CK；HBF处理的还原糖和烟碱含量最高，分别为23.90%和2.30%。与CK相比，施用烟秆炭基肥的烤烟钾含量显著提高，其中HBF处理钾含量最高，较MBF和F处理分别增加11.72%和16.09%；同等氮磷钾养分水平下，MBF处理烤烟钾含量较F处理提高3.91%。烟秆炭基肥可降低烤烟氯含量，其中HBF处理降幅最大，较CK 和F 处理分别降低10.00%和7.22%。施用不同量烟秆炭基肥后，烤烟中总氮含量显著增加，HBF处理的总氮含量最高，较F处理提高4.59%，MBF和F处理间总氮含量无显著差异。各炭基肥处理间糖碱比和氮碱比均无显著差异。

2.4 烟秆炭基肥对烤烟经济效益的影响

由表3可知，烤烟产量总体表现为HBF＞MBF＞F＞LBF＞CK，HBF处理烤烟产量最高，较F处理增加162.25 kg/ha，增幅为12.95%。中上等烟及上等烟比例均表现为MBF＞HBF＞F＞LBF＞CK，其中MBF处理中上等烟及上等烟比例达90.36%和66.27%，但各炭基肥处理间无显著差异。各处理烟叶市场均价在30.27～33.96元/kg，MBF处理均价最高，HBF与MBF处理相比无显著差异。烤烟投入以F处理最高，达3600元/ha，较MBF处理增加1081元/ha。相同氮磷钾养分水平下，MBF 处理经济效益较F 处理增加6761.19元/ha，增幅为19.27%。烤烟经济效益与产值总体趋势相似，MBF和HBF处理的产值和经济效益差异不显著。相同氮磷钾养分水平下，MBF处理在产量、均价、产值及经济效益上均显著高于F处理。

3 讨论

3.1 烟秆炭基肥对肥料农学利用率的影响

研究表明，肥料利用率与土壤通气状况、土壤含水量、微生物活性等影响土壤养分转化的因素密切相关（赵婉伊等，2017）。本研究中，与F处理相比，烟秆炭基肥能显著提高氮、磷、钾的肥料农学利用率。炭基肥中的生物炭因其表面具备活跃的羟基、羧基等官能团，可吸附利用土壤及肥料中的铵态及硝态氮离子，减少氮素损失（张萌等，2019）；同时，生物质炭对pH、孔隙度等土壤理化性质的改变均作用于微生物生境，为硝化菌、固氮菌等好氧微生物的生长繁殖提供了良好的环境，促进了氮素循环，从而提高了氮肥农学利用率（Rondon et al.，2007）。钾肥农学利用率的提高可能与烟秆炭中富含可被植物直接吸收利用的可溶性钾相关，除烟秆自身携带的钾素外，还可通过引起土壤理化性质和解钾菌数量变化等，提高土壤可溶性钾含量（倪超等，2017），也间接提高了土壤吸附固定态钾的有效性（聂新星和陈防，2016）。这对缓解植烟地区钾素匮乏、提高废弃烟秆钾素资源化利用具有深远意义。

3.2 烟秆炭基肥对烤烟生长的影响

施用高碳基肥可改善烟株的农艺性状，提高烤后烟叶的经济性状和品质（刁朝强等，2018）。本研究发现，在烤烟成熟期，烟秆炭基肥处理的烟株，其株高与F处理相比平均增高2.54%，最大叶面积平均增大2.88%。烤烟生长农艺性状和生物量均随炭基肥施用量的增加而提高，表明烟秆炭基肥可促进烟株的生长发育。一方面，生物炭本身含有一定数量的对植物生长发育有益的元素，可为植物生长发育提供良好的元素供应源；另一方面，烟秆炭基肥通过提高土壤酶活性和影响土壤微生物群落及多样性，进而增加土壤有效养分含量（Pypers et al.，2005），使土壤处于较高肥力水平。同时烟秆炭中还含有机酸、氨基酸、脂肪酸等物质可促进植物根系生长，增强对养分的吸收和利用能力（叶协锋等，2015）。旺长期时F处理与MBF处理的株高无显著差异，可能是因为速效肥料养分易淋失，而炭基肥中的生物炭表面疏松多孔，且表面带有电荷对肥料养分具有强离子吸附能力，赋予了肥料养分缓释性（Lehmann et al.，2011）。在成熟期时，各处理之间株高和叶片数无差异的主要原因是进行了打顶这一农艺措施。此外，植物光合性能强弱可通过光合色素来反映。本研究发现烟叶光合色素含量随着炭基肥施用量的增加呈增加趋势，与陈懿等（2019）施用玉米秸秆炭基肥可提高烟叶叶绿素含量和类胡萝卜素含量的研究结果一致。

3.3 烟秆炭基肥对烤烟品质的影响

烤烟中总糖及还原糖含量对烟气醇和度起重要作用，其含量越高则香气质和香气量越好，杂气越轻（倪超等，2017）。本研究中烟秆炭基肥处理烤烟的总糖含量显著增加，且随施用量增加而提高，与王晓强等（2019）通过减氮配施生物炭基肥显著提高烤烟中总糖和还原糖含量的研究结果相似。烟叶钾含量与燃烧性呈正相关，而氯含量与燃烧性呈负相关。本研究结果表明，烟秆炭基肥能提高烤烟钾含量，烟叶氯含量则与施用量呈负相关。张珂等（2016）研究表明，施用高碳基肥料可提高初烤烟叶的钾含量，降低氯含量。崔志燕等（2016）将炭基肥和普通肥料对比，发现炭基肥施用后能提高烟叶钾含量。烟秆炭基肥施用可提升烟叶品质，首要原因可能是生物炭中含有植物生长所必需的大量元素和中微量元素，可为植物生长提供必要的补充，有利于烟叶增产提质；其次，生物炭含碳量高，可调节土壤C/N比值，改善土壤微生物环境（Wang et al.，2016），使烟叶中的内在物质分解、转化充分，促进养分积累，从而提升烟叶品质；第三，生物炭疏松多孔的表面特性使其对土壤水溶液中的营养元素具有很强的物理吸附作用，可减少水溶性养分离子的溶解迁移，避免营养元素的淋洗损失，并在土壤中持续缓慢地加以释放，相当于营养元素的缓释载体，从而达到保肥效果（韩光明等，2012）。

3.4 烟秆炭基肥对经济效益的影响

经济效益为大田应用推广的重要指标，施用炭基肥能减少肥料用量，提升烤烟产量及品质，促进农民增产增收，同时实现废弃烟秆的综合利用，具有明显的经济效益。本研究结果表明，MBF处理中上等烟比例及均价较高，净产值虽略低于HBF处理，但无显著差异。生物炭本身质量轻体积大，在施用时存在施用不方便、费工费时的缺点。与生物炭相比，炭基肥可以较低的成本投入实现较高的净产值，原因在于炭基肥能将生物炭作为优秀的肥料负载体，弥补生物炭养分低的缺点，从而延缓肥料作用时间降低养分损耗。在本试验条件下，推荐1050 kg/ha为当地烤烟种植中烟秆炭基肥的最佳施用量。本研究虽初步探明了炭基肥应用的积极效果和前景，但在提高炭基肥施用的经济可行性上仍有待进一步研究，以降低炭基肥价格，使炭基肥更好地推广应用。