生物炭用量与追肥次数对烤烟生长及氮素积累的影响

杨佳宜 何罗驭阳 唐昕 周成轩 周南 向世鹏 周智

摘  要：為实现生物炭施用下烤烟轻简化追肥，利用土柱淋溶试验结合大田试验，研究了生物炭施用量与追肥次数对烟草生长发育和氮素积累的影响。结果表明，生物炭用量达到10 t/hm时可以显著提高土壤含水率，显著降低氮总淋溶量。烤烟农艺性状主要受到生物炭用量的影响，烤烟干物质（特别是叶片干物质）及氮素积累主要受追肥次数的影响，生物炭用量、追肥次数及两者互作均对烤烟经济性状有显著影响，但主要受追肥次数的影响。总体来看，10 t/hm生物炭施用条件下，追肥2次提供了更适宜的养分供给模式，提高了烟草的氮肥利用率和经济效益，可以为发展烟草栽培轻简化追肥模式提供参考。

关键词：生物炭；氮素淋溶；追肥；烤烟；氮肥利用率

中图分类号：S572.01                       文献标识码：A                      文章编号：1007-5119（2023）05-0009-09

Effects of Biochar Dosage and Topdressing Frequency on Flue-Cured Tobacco Growth and Nitrogen Accumulation

YANG Jiayi， HE Luoyuyang， TANG Xin， ZHOU Chengxuan， ZHOU Nan，

XIANG Shipeng， ZHOU Zhi

（1. College of Agriculture， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China; 2. College of Chemistry and Materials Science， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China; 3. Changsha Branch of Hunan Provincial Tobacco Company， Changsha 410019， China）

 In order to realize the light and simplified topdressing of flue-cured tobacco under biochar application， the effects of biochar application rate and topdressing frequency on tobacco growth and nitrogen accumulation were studied by using the soil column leaching test combined with field experiments. The results showed that the dosage of biochar up to 10 t/ha could significantly increase the soil water content and significantly reduce the total leaching of N. The agronomic characteristics of tobacco were mainly affected by the dosage of biochar. The agronomic traits of flue-cured tobacco were mainly affected by the dosage of biochar， and the dry matter （especially leaf dry matter） and nitrogen accumulation of flue-cured tobacco were mainly affected by the number of times of fertilizer application. The dosage of biochar， the frequency of fertilizer application and the interaction between the two had significant effects on the economic traits of flue-cured tobacco， but they were mainly affected by the frequency of fertilizer application. Overall， under the condition of 10 t/ha biochar application， two times of topdressing provided a more suitable nutrient supply pattern， improved the nitrogen fertilizer utilization and economic benefits of tobacco， which can provide a reference for the development of light and simplified fertilizer chasing pattern in tobacco cultivation.

 biochar; nitrogen leaching; topdressing; flue-cured tobacco; nitrogen fertilizer efficiency

基金项目：湖南省烟草公司长沙市公司技术开发项目（CS2022KJ01）；湖南省烟草公司衡阳市公司技术开发项目（HYYC2023KJ31）

作者简介：杨佳宜（1996-），男，博士研究生，研究方向为作物土壤环境化学与烟草栽培生理。E-mail：479998176@qq.com

*通信作者。E-mail：向世鹏，xiangshipeng@qq.com；周  智，zhouzhi@hunau.edu.cn

收稿日期：2023-05-30                  修回日期：2023-09-24

烤烟作为我国一种重要的经济作物，肥料及施肥方式直接影响到其产量和品质。由于肥料释放的养分极易淋溶损失，不及时追肥将导致烤烟生长发育受限，产量与品质下降。湖南省气候潮湿，常年多雨，雨季发生在3—7月，因此湖南烟区的烟农为了保证烟叶产质量进行3～7次追肥，大大增加了劳动成本。

生物炭是生物质在厌氧条件下经过高温热解产生的稳定的富碳产物，由于其多孔结构以及表面丰富的官能团，能够吸附养分并作为养分的载体，起到养分缓释的效果。生物炭添加到土壤中可以改善土壤的理化性质，减少速效养分的淋溶损失，提高作物的肥料利用率和土壤肥力。然而关于生物炭的大田应用研究大多只关注化肥减量配施生物炭对土壤肥力、烟草或其他作物生长的影响，对于生物炭施用量与追肥次数对烟草生长发育和氮素积累的影响尚未见报道。本研究首先在室内设计不同生物炭用量的土柱淋溶试验，筛选出最适宜用量，并在此用量下进行生物炭与追肥结合的烟草大田试验，探究生物炭施用下不同追肥次数对烟草养分积累与产质量的影响，为湖南烟区追肥轻简化模式的发展提供参考。

1  材料与方法

1.1  试验地点

田间试验于2022年3—9月在长沙浏阳市永安镇进行，地理位置北纬28°17′9″，东经113°21′48″，海拔45 m，供试土壤类型为水稻土，土壤质地为壤质砂土，pH 7.51，含有机质14.271 g/kg，速效磷54.497 mg/kg，碱解氮181.358 mg/kg，阳离子交换量17.58 cmol/kg。试验地地势平坦，肥力均匀，代表性较强。

1.2  供试材料

供试烤烟品种为当地主栽品种G80，供试肥料为生物发酵饼肥（N+PO+KO≥8%，有机质≥47%）；烟草专用基肥[（N）∶（PO）∶（KO）=8∶10∶11]；煙草专用提苗肥[（N）∶（PO）∶（KO）=20∶9∶0]；硫酸钾（KO≥52%）及硝酸钾[（N）∶（PO）∶（KO）=13.5∶0∶44.5]。

所施生物炭由江苏华丰农业生物工程有限公司提供，原料为水稻秸秆，热解温度为450 ℃，其总比表面积为8.71 m/g，总孔体积0.036 cm/g，平均孔径8.24 nm，微孔体积0.003 7 cm/g，pH 8.45，全氮含量0.37%，全碳含量63.15%。

1.3  试验设计

1.3.1  室内土柱淋溶试验  在试验田翻耕之前取得耕层土壤样品，风干后粉碎并过2 mm筛，设计5组不同生物炭用量处理D1、D2、D3、D4、D5，生物炭施用量分别为0、5、10、20、40 t/hm，土柱淋溶试验设计具体方法参考CHEN等的研究（图1），采用高30 cm，内径4 cm PVC柱，柱内填充450 g土壤，首先将土柱填充到10 cm高度时用清水冲击使土壤自然沉降，剩余土壤与肥料混合后填充至25 cm高度，肥料为烟草专用基肥和硝酸钾肥，氮肥总量18.86 mg，每个处理重复3次。加蒸馏水至土柱完全湿润但不渗水。静置24 h。在静置24 h后的第1、4、7、10、13、16、19和22天，各添加100 mL蒸馏水，将土壤浸出液收集在容量为250 mL的锥形瓶中，收集时间持续6 h至不再有滤液渗出。渗滤液不足100 mL时加超纯水定容至100 mL后检测。采用连续流动分析仪测量浸出液中总氮含量，结合浸出液体积计算氮素淋容量和累计淋容量。收集完浸出液后利用土壤温湿度传感器检测土壤含水率。

1.3.2  大田试验  大田试验采用双因素裂区设计，主区为生物炭用量（生物炭用量由1.3.1的土柱淋溶试验选出），分为C0（不施生物炭）和C10（施生物炭10 t/hm）；副区为追肥次数，分为Z0（追肥0次）、Z1（追肥1次）、Z2（追肥2次）、Z3（追肥3次），另在主区C0内设不施肥、不施生物炭的CK对照以计算氮肥利用率。每个处理重复3次，共27个小区，小区面积106 m。除CK完全不施肥外，其余处理均基施烟草专用基肥1200 kg/hm和生物发酵饼肥450 kg/hm；追肥总量为硫酸钾肥300 kg/hm和硝酸钾肥375 kg/hm，追肥0次处理为全部追肥在移栽前14 d左右同基肥一起1次施入，其余追肥处理施用方案如表1所示，3次追肥时间分别在移栽后第15、28和35天。烤烟于2022年3月23日移栽，行距120 cm，株距50 cm，试验田采取漫灌方式沿围沟和垄沟灌溉整个田块，在烟株不同生育期控制灌水量以使烟田土壤相对含水量在适宜范围内，其他生产管理技术措施参照《浏阳市烟叶生产技术规程手册》。

1.4  测定项目及方法

1.4.1  生物炭与土壤理化性质测定  生物炭和土壤pH采用电位测定法，土壤有机质、碱解氮、速效磷和阳离子交换量的检测方法参考文献[21]，采用比表面仪（BET）检测生物炭的比表面积和孔径分布，用元素分析仪进行生物炭C、N含量检测。

1.4.2  淋溶液总氮测定  使用连续流动分析仪测定渗滤液中的总氮含量。

1.4.3  土柱含水率测定  收集完土壤渗滤液后利用土壤温湿度传感器检测土壤含水率。

1.4.4  农艺性状测定  移栽后60和80 d，参考YC/T 142—2010《烟草农艺性状调查测量方法》调查株高、茎围、最大叶叶长、最大叶叶宽、最大叶面积和有效叶数。

1.4.5  叶片SPAD值测定  使用SPAD-502 plus便携式叶绿素测定仪测定SPAD值，在移栽后60和80 d时，选择田间各处理中代表性烟株10株，测定从上至下数第5片烟叶的SPAD值。

1.4.6  烟株干物质量和养分测定  烤烟成熟期每处理选取具有代表性的3株。根、茎和叶分开装袋，105 ℃杀青30 min，80 ℃烘至恒重，测定根、茎和叶的干物质量及总氮含量，并用于计算肥料利用率。

1.4.7  烟叶经济性状统计和效益分析  各小区单独挂牌烘烤，单独计产，统计产量、均价、产值、中等烟比例、上等烟比例等，根据产值，肥料、生物炭及追肥用工成本，分析经济效益。

1.5  数据处理

相关参数与计算方法：

氮积累量（g/株）=干物质量（g）×植株含氮量（%）

氮肥表观利用率（ARE，%）=（施氮区烤烟氮积累量–不施氮区烤烟氮积累量）/施氮量×100

氮收获指数（%）=叶片氮积累量/植株氮积累量

采用SPSS 20.0软件中Analyze菜单里General Linear Model 的Univariate命令进行裂区统计分析，新复极差法进行多重比较，同时引入PEta值，用于比较不同因素对评价指标的影响大小。

2  结  果

2.1  生物炭用量对氮素淋溶的影响

如图2所示，土壤含水率与生物炭用量呈正相關（≤0.05），D4与D5处理显著高于其他3个处理，且二者之间存在显著性差异。在13～22 d时间段，D3与D1土壤含水率差异显著。

如图3所示，氮的总淋溶量与生物炭用量呈负相关，D1与D2处理间没有显著性差异，D3处理氮的淋溶量显著低于D1和D2处理，即当生物炭用量达到10 t/hm时，养分淋溶损失开始显著减少。D3处理1 d的氮淋溶量和22 d氮总淋溶量比D1分别少19.95%和14.53%。

考虑到后续大田试验采用漫灌的方式，与D1相比，D4和D5可能会造成过高的土壤含水率，不利于烟草根系的健康生长。且与D2相比，D3显著减少了氮素淋溶损失。因此，本研究选择D3即10 t/hm的生物炭用量来进行后续的大田试验。

2.2  生物炭与追肥方式对烟草农艺性状的影响

由表2可见，从生物炭用量看，移栽后60 d时，C10显著提高株高、最大叶面积及SPAD值；移栽后80 d时，C10显著提高株高、叶数、茎围、最大叶面积及SPAD值。从追肥次数看，移栽后60 d和80 d时，Z0的株高和最大叶面积显著低于Z2和Z3处理，Z1的各项农艺性状指标（除移栽后80 d的SPAD值外）均显著低于其他追肥处理，Z2和Z3之间的各项农艺性状指标无显著性差异。从生物炭用量和追肥次数组合看，在移栽后60 d和80 d时，在C0中，C0Z3的株高、茎围及最大叶面积为最高，且在移栽后80 d时C0Z3的最大叶面积显著高于C0Z2；在C10中，C10Z2的株高、茎围及最大叶面积均为各处理最高，且在移栽后80 d时，C10Z2的株高和最大叶面积显著高于C10Z3。从不同因子的效应量估算值（PEta）看，结合两个时间段的PEta值比较，生物炭用量（PEta平均值为1.054）对农艺性状指标的影响最大，其次是追肥次数（PEta平均值为0.567）的影响，两者互作（PEta平均值为0.279）的影响最小。可见烟株农艺性状主要受生物炭用量的影响，其次是追肥次数，最后是两者互作。总体上看，以“10 t/hm生物炭用量+追肥2次”处理更利于烤烟生长，其次是“0 t/hm生物炭用量+追肥3次”处理。

2.3  生物炭与追肥方式对烟草干物质积累的影响

表3示出，从生物炭用量看，C10显著提高叶片及整株干物质量，对根、茎干物质量没有显著影响。从追肥次数看，追肥次数的增加显著提高植株茎、叶及整株干质量，对根干物质量没有显著影响。从生物炭用量和追肥次数互作看，在C0中，C0Z2的叶片和整株干物质量显著低于C0Z3；在C10中，C10Z2与C10Z3处理的叶片及植株整株干质物量无显著性差异。从不同因子的PEta看，追肥次数（PEta=0.921）对叶片干物质量的影响大于生物炭用量（PEta=0.617）的影响，追肥次数（PEta=0.877）对整株干物质量的影响大于生物炭用量（PEta= 0.287）的影响，两者互作的效应没有对植株各部位干物质量产生显著影响。可见烟株各部位干质量，特别是叶片干质量，主要受追肥次数影响，其次是受生物炭用量影响，两者互作没有显著影响。生物炭用量的增加，显著增加了追肥1次和追肥2次处理的叶片及整株干质量。总体上看，以“10 t/hm生物炭用量+追肥2次”处理更利于烤烟干物质积累，其次是“0 t/hm生物炭用量+追肥3次”处理。

2.4  生物炭与追肥方式对烤烟氮素积累的影响

由表4发现，从生物炭用量看，C10对于增加叶片和植株氮积累量效果显著，显著提高了植株氮肥表观利用率及氮收获指数。从追肥次数看，追肥次数的增加可以显著增加植株各部位的氮积累量，显著提高植株氮肥表观利用率及氮收获指数。从生物炭用量和追肥次数互作看，C10Z2的植株氮积累量、氮肥表观利用率及氮收获指数最高，其次是C0Z3、C10Z3、C0Z2，C10Z0、C0Z0、C10Z1、C0Z1相对较低。从不同因子的PEta看，追肥次数（PEta平均值为0.804）对烤烟氮素积累指标的影响最大，其次是生物炭用量（PEta平均值为0.386）的影响，两者互作（PEta平均值为0.283）的影响最小。可见烤烟氮素积累特征主要受追肥次数影响，其次是生物炭用量，最后是两者互作。总体来看，“10 t/hm生物炭用量+追肥2次”处理的烤烟氮素积累能力最强，其次是“0 t/hm生物炭用量+追肥3次”处理。

2.5  生物炭与追肥方式對烤烟经济性状和经济效益的影响

由表5可见，从生物炭用量看，C10处理烤烟的各项经济指标均显著高于C0。从追肥次数看，Z3与Z2之间的各项经济性状指标差异不显著，Z3和Z2的各项经济性状指标均显著高于Z0，Z0的各项经济性状指标均显著高于Z1。从生物炭用量和追肥次数互作看，C10Z2的产值最高，其次是C0Z3、C10Z3、C0Z2，C10Z0、C10Z1、C0Z0、C0Z1相对较低。从不同因子的PEta看，追肥次数（PEta平均值为0.976）对烤烟经济性状指标的影响最大，其次是生物炭用量（PEta平均值为0.865）的影响，两者互作（PEta平均值为0.851）的影响最小。可见烤烟经济性状主要受追肥次数影响，其次是生物炭用量，最后是两者互作。

由表6可见，从生物炭用量看，C10的经济效益显著高于C0。从追肥次数看，Z1的经济效益显著低于Z0、Z2和Z3。从生物炭用量和追肥次数互作看，C10Z2的经济效益最高，其次是C0Z3、C10Z0、C0Z0，C0Z2、C10Z3、C10Z1、C0Z1相对较低。从不同因子的PEta看，追肥次数对经济效益影响最大，其次是两者互作，生物炭的影响最小。总体来看，“10 t/hm生物炭用量+追肥2次”处理的各项烤烟经济性状指标及经济效益最高。

3  讨  论

土柱淋溶试验结果表明，生物炭能够有效减少氮素养分的淋失，且生物炭用量越高，养分淋溶损失越少，这与詹舒婷的研究结果一致。本研究结果表明，生物炭用量增加可以显著增强土壤持水能力和养分缓释效果，这与生物炭表面丰富的官能团以及多孔结构有关，相关研究也表明生物炭施用量与土壤持水能力呈正相关，而烤烟属于旱地作物，长期保持过高的土壤含水率不利于烤烟生长发育，基于此确定以10 t/hm的生物炭用量进行后续大田试验。

大田试验结果表明，生物炭能够有效改善追肥次数减少对烟草的不利影响，这是由于生物炭独特的理化性质显著改善土壤的保水保肥能力，有效减少了速效养分的淋溶损失，在较长时间内维持土壤养分的充足供给，因此施加一定量的生物炭能够在追肥次数较少的情况下保证烟草正常生长发育。前人研究结果表明，适量生物炭与化肥配施可以显著提高烤烟生长发育和产质量。本研究中C0Z1处理的烟株农艺性状以及干物质量显著低于C0Z0处理，可能是因为C0Z1仅有的一次追肥过程中将速效养分全部兑入大量水中浇灌，烟株吸收利用有限，大量养分未被有效利用而被淋溶损失，烟草的氮肥利用率降低。黄容等研究发现，不科学的氮肥施用会影响土壤表面电化学性质，破坏土壤-作物体系的氮素平衡和作物对肥料的吸收利用，加剧速效养分的流失。

另外一項类似的研究对比了一次施用包膜尿素（PCU）和多次分批施用可溶性氮肥（硝酸铵和硫酸铵）两种施肥方式，结果发现，多次分批施用可溶性氮肥增加了NO− 3-N的淋溶，一次施用PCU相比较而言是更有效的氮肥管理策略。由此可见，多次追肥的施肥方式不仅增加了人工成本，也并不是最佳的养分管理模式，因为多次兑水浇施追肥增加了养分淋溶的风险。本研究结果表明生物炭是改善目前养分管理模式的有利工具，能减少人工成本，增加经济效益，但如何实现1次施肥就满足烟草全生育期养分需求，进一步提高烤烟经济效益，还有待通过研究生物炭对养分缓释的关键作用机理，制备出对养分缓释效果更好的生物炭或生物炭基肥。

4  结  论

本研究结果表明，生物炭能够增强土壤的持水、保肥能力，减少养分的淋溶损失，土壤的持水保肥能力会随着生物炭用量的增加而增强，可以在较长时间内保障烟草的养分需求。因此，与不添加生物炭的最佳处理相比，适宜生物炭用量的最佳处理减少了1次追肥次数，能够为烟草提供更适宜的养分供给模式，节约追肥人工成本，提高烟草的氮肥利用率和经济效益。本试验推荐的10 t/hm的生物炭用量以及追肥2次是基于湖南典型的稻作烟区试验田得出的结果，可为湖南稻作烟区发展烟草轻简化追肥模式提供参考。

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