不同煙稈生物質炭施用量對烤煙產質量及土壤理化性質的影響

賈 孟，印 瀚，王 鐸，李 杰，楊青松，張云，鄭志新，孫五三，王家緒，陳 燕，白羽祥，王 戈*

(1.云南農業大學 煙草學院，云南 昆明 650201；2.云南省煙草公司 昆明市公司，云南 昆明 650051；3.云南民族大學 民族藥資源化學國家民委-教育部重點實驗室，云南 昆明 650500)

烤煙作為典型的環境敏感性作物，土壤條件的優劣直接決定其品質的好壞[1-2]。目前，烤煙連作現象漸趨嚴重，輪作空間逐年縮小，化肥殘留日益累積，導致土壤質量連年下降，土傳病害日漸凸顯，養分利用率得不到有效提高[3-5]。此外，每年烤煙采收完畢后，大量的煙草秸稈被焚毀、丟棄，進而加重了環境污染和病害傳播的風險。因此，如何改良植煙土壤以及高效地利用煙稈成為目前亟待解決的問題[6]。

生物質炭(biochar)在國內最早由韓寶瑞等[7]于1998年提出并用于可再生能源，而近年來因其巨大的比表面積和卓越的吸附性能被廣泛應用于土壤改良上[8-9]。管恩娜[10]研究發現，隨著煙稈生物質炭施用量的增加，田間持水量和土壤pH值也隨之增加，而土壤容重和土壤孔隙度則持續下降。在植煙土壤中施加煤炭可提高土壤電導率、有效磷、速效鉀含量，但對農藝性狀的影響不大[11]。宋久洋等[12]在豫西煙區的研究結果表明，穴施600 kg/hm2的生物質炭可顯著改善煙株葉片光合性能，促進烤煙生長。施用15000 kg/hm2的稻殼生物質炭可顯著提高烤煙青枯病抗性，而煙稈生物質炭則會加重青枯病的發生[13]。在土壤團聚體結構穩定性方面，煙稈炭可有效促進大團聚體的形成，并降低團聚體破壞率[14]。毛家偉等[15]研究發現，烤煙在生長中后期的各項農藝性狀指標均隨生物質炭施用量的增加而增加。牛玉德等[16]在漢中煙區的研究結果表明，3000 kg/hm2的生物質炭施用可得到較優的農藝性狀指標，而施用2250 kg/hm2的生物質炭對經濟性狀指標效果更為顯著。

近年來，生物質炭因其在土壤改良方面的應用效果備受關注，但以土壤-植株為整體，系統地探討了生物質炭施用-土壤環境優化-植株生長發育改善之間的內在關聯目前尚不明確。另外，廢棄煙稈的高效利用至今仍未得到有效解決。基于此，本試驗以煙稈生物質炭為試驗材料，通過對比不同添加量對烤煙產質量及土壤理化性質的影響，以期篩選出中低海拔煙區最適煙稈生物質炭施用量，為今后煙稈生物質炭的深入研究提供一定的科學依據和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2019年4月25日～2019年9月1日在云南省昆明市宜良縣耿家營鄉(25°3′48″ N，103°23′49″ E，海拔1492 m)進行。供試土壤為紅壤，土地平坦，排水良好，土壤基礎理化性質：pH值5.84、有機質22.29 g/kg、水解性氮111.95 mg/kg、有效磷9.16 mg/kg、速效鉀226.80 mg/kg。

1.2 試驗材料

烤煙品種為K326，于2019年4月25日移栽。生物質炭由昆明市祿勸生物質炭廠采用鮮煙稈經600 ℃炭化6 h制得。烤煙于起壟前條施煙草專用復合肥(N∶P2O5∶K2O=12∶14∶24)600 kg/hm2為基肥，并于移栽后25 d內分3次兌水澆施煙草專用追肥(N∶P2O5∶K2O=15∶0∶30)360 kg/hm2。

1.3 試驗設計

以生物質炭施用量為因素，設置4個處理，分別為A1：0 g/株、A2：80 g/株、A3：160 g/株、A4：240 g/株。每個處理3次重復，共計12個小區，小區隨機區組排列。每小區不少于50株，行株距120 cm×50 cm，試驗田四周設有保護行。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 煙株農藝性狀的調查 于移栽后90 d，按照YC/T 142─2010煙草農藝性狀調查測量方法進行農藝性狀調查。每個小區隨機定株調查5株，調查內容包括株高、莖圍、有效葉片數、最大葉長、最大葉寬。

1.4.2 烤煙經濟性狀的調查 于烘烤結束后，按照42級國家煙葉分級標準分級，采收，按品種計產，依據2019年云南省煙草公司昆明市公司烤煙收購價格，計算其產量、產值、均價及中上等煙比例。

1.4.3 烤后煙葉外觀質量的調查 于烘烤結束后，每處理采集C3F等級煙葉各1 kg，依據國家標準GB 2635─1992進行烤煙外觀質量鑒定，鑒定內容包括顏色、成熟度、結構、身份、油分、色度。并依據煙葉外觀質量評分標準[17]對各處理進行評分。

1.4.4 烤后煙葉化學成分的分析 于烘烤結束后，每處理采集C3F等級煙葉各1 kg進行化學成分分析。總糖和還原糖含量參照YC/T 159─2002進行測定、煙堿含量參照YC/T 160─2002進行測定、總氮含量參照YC/T 161─2002進行測定、鉀含量參照YC/T 217─2007進行測定、氯含量參照YC/T 162─2002進行測定、淀粉含量參照YC/T 216─2007進行測定，并計算糖堿比(還原糖/煙堿)、氮堿比(總氮/煙堿)及鉀氯比(鉀/氯)。同時，依據烤煙化學成分指標賦值方法[18-19]對各處理進行評分。

1.4.5 土壤理化性質的測定 于采烤結束后，采用抖動法收集各處理根際土壤樣品。測定土壤中pH值(水土比為2.5∶1的電位法)、有機質(重鉻酸鉀容量法-外加熱法)、全氮(凱氏定氮法)、全磷(高氯酸-硫酸法)、全鉀(GB 9836─1988)、速效氮(半微量滴定法)、速效磷(0.5 mo1/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法)、速效鉀(1 mol/L NH4OAC浸提-火焰光度法)含量[20]。

1.5 數據處理與分析采用Excel 2013軟件對數據進行處理和作圖，用SPSS 23.0軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同煙稈生物質炭施用量對烤煙農藝性狀的影響

由表1可知，隨著煙稈生物質炭施用量的增加，各處理的株高、莖圍、最大葉長寬均呈先升高后降低的趨勢，而各處理有效葉片數則無顯著差異。在株高方面，以A3處理最高，A4處理次之，A1、A2處理間差異不顯著；對于莖圍和最大葉長來說，均以A2處理為最優，A1處理最差，A3、A4處理間無顯著差異；而在最大葉寬方面，仍以A2處理最高，其他處理間均差異不顯著。以上結果表明，160 g/株的煙稈生物質炭施用可有效促進煙株伸長，而施用80 g/株的生物質炭對烤煙莖圍、最大葉長寬作用明顯。

表1 不同煙稈生物質炭施用量對烤煙農藝性狀的影響

2.2 不同煙稈生物質炭施用量對烤煙經濟性狀的影響

由表2可知，A3處理的產量最高，達2623.13 kg/hm2，A2處理次之，A1、A4處理間無顯著差異；在均價方面，以A2處理表現最優，A1、A3處理次之，A4處理最低；對于產值而言，各處理間均具有顯著差異，具體表現為A2>A3>A1>A4；而在中上等煙比例方面，A2、A3處理顯著高于A1、A4處理，且A2與A3、A1與A4之間差異均不顯著。以上結果說明，隨著煙稈生物質炭施用量的提高，各經濟性狀指標均呈先升后降的趨勢，且160 g/株的生物質炭施用可有效促進烤煙產量的提升，80 g/株的生物質炭可有較提高烤煙的均價和產值，而160 g/株和80 g/株的生物質炭施用均可顯著提高中上等煙比例，過量的生物質炭施用(240 g/株)則抑制了烤煙產質量的形成。

表2 不同煙稈生物質炭施用量對烤煙經濟性狀的影響

2.3 不同煙稈生物質炭施用量對烤后煙葉外觀質量的影響

由表3可知，各處理烤后煙葉顏色均為橘黃，且以A2處理的分值最高，其他處理間無顯著差異；在成熟度方面，各處理均達到成熟，以A3處理分值最高，A2、A4處理次之，A1處理最低；對于葉片結構和色度而言，A2、A3處理表現最優，且分值顯著高于A4、A1處理；在身份和油分方面，均以A2處理為最優，且A4處理的身份稍薄，A1處理油分欠佳。綜合來看，A2處理總分最高，A3處理次之，A1、A4處理間差異不顯著。以上結果說明，隨著煙稈生物炭施用量的增加，烤后煙葉外觀質量評分呈先升高后降低的趨勢，其中以80 g/株的生物質增益效果最顯著。

表3 不同煙稈生物質炭施用量對烤后煙葉外觀質量的影響 分

2.4 不同煙稈生物質炭施用量對烤后煙葉化學成分的影響

王彥亭等[18]提出的優質煙葉標準：煙堿2.20%～2.80%、總氮2.00%～2.50%、還原糖18.00%～22.00%、鉀≥2.50%、淀粉≤3.50%、糖堿比8.50～9.50、氮堿比0.95～1.05、鉀氯比≥8.00。由表4可知，A2、A3處理的煙堿含量顯著低于A1、A4處理，且二者均處于優質煙葉范圍內；A2處理總氮含量最為適宜，而其他處理間均無顯著差異；在總糖和還原糖方面，以A3處理最高，A2處理次之，A1、A4處理最低；A2處理的氯含量最低，A3處理次之，A1、A4處理間差異不顯著；在鉀含量方面，以A2處理最為適宜，A1處理最低；A3、A4處理的淀粉含量相對較高，A1處理最低，但最為適宜；在糖堿比方面，以A2、A3處理顯著高于A1、A4處理，且A2、A3處理間，A1、A4處理間差異不顯著；在氮堿比方面，各處理均趨于一致，與之相反，各處理的鉀氯比間均具顯著差異，具體表現為A2>A3>A4>A1。

表4 不同煙稈生物質炭施用量對烤后煙葉化學成分的影響

由表5可知，對烤后煙葉化學成分進行評分后發現，A1處理的淀粉含量分值最高，煙堿、總氮、鉀含量和鉀氯比均以A2處理最優，A3處理的還原糖、糖堿比和氮堿比最為適宜，綜合來看，A2處理總分達到最高的93.5分。以上結果說明，80 g/株的煙稈生物質炭施用最有利于烤后煙葉化學成分趨于協調，且對烤煙質量的提升效果顯著。

表5 不同煙稈生物質炭施用量對烤后煙葉化學成分的評分 分

2.5 不同煙稈生物質炭施用量對烤煙根際土壤理化性質的影響

由圖1、圖2和圖3可知，隨著煙稈生物質炭施用量的增加，烤煙根際土壤pH值、有機質和全鉀含量均持續升高，具體表現為：各處理間的pH值均具顯著差異，即A4>A3>A2>A1；而各處理有機質含量上升幅度漸趨平緩，以致A3、A4處理間差異不顯著，A2次之，A1處理有機質最低；在全鉀方面，A3、A4處理顯著高于A2、A1處理，但A3、A4處理間，A2、A1處理間均無顯著差異。

圖1 不同煙稈生物質炭施用量對烤煙根際土壤pH值的影響

圖2 不同煙稈生物質炭施用量對烤煙根際土壤有機質的影響

圖3 不同煙稈生物質炭施用量對烤煙根際土壤全鉀的影響

由圖4～圖8可知，隨著煙稈生物質炭施用量的增加，各處理全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀含量均呈先升高后降低的趨勢，具體表現為：A3處理的全氮含量最高，A2、A4處理次之，A1處理最低；而在全磷、速效氮和速效磷方面，均以A2處理為最優，A1處理最差；對于速效鉀而言，A1～A3處理間無顯著差異，且均顯著高于A4處理。以上結果說明，煙稈生物質炭的施用可顯著提高土壤pH值和有機質含量，且二者含量與生物質炭施用量呈線性相關關系；160 g/株的生物質炭可提高根際土壤全氮含量，80 g/株的生物質炭對全磷、速效氮和速效磷含量方面促進作用明顯，160 g/株和80 g/株的施用量均有較高的全鉀含量，但施用生物質炭對根際土壤速效鉀含量無顯著促進作用，相反，過量的生物質炭(240 g/株)則抑制了根際土壤速效鉀的積累。

圖4 不同煙稈生物質炭施用量對烤煙根際土壤全磷的影響

圖5 不同煙稈生物質炭施用量對烤煙根際土壤全氮的影響

3 討論與結論

生物質炭的施用可顯著促進烤煙煙株及根系的生長發育[21]。研究表明，400 g/株的煙稈生物質炭施用可提高煙葉的產量和產值，但對品質提升方面作用稍弱[22]。徐成龍等[23]研究發現，施用3.75 t/hm2的生物質炭可有效促進團顆期烤煙的生長發育，而4.5 t/hm2的施用量可顯著提高旺長期和成熟期的農藝性狀指標，且促進了品質的形成。另有研究表明，2250 kg/hm2的煙葉生物質炭和煙稈生物質炭處理的烤煙產量分別比對照高9.62%、7.92%，產值分別比對照高7400元、6300元/hm2，且整體以煙葉生物質炭效果最好[24]。陳山等[25]通過研究稻殼生物質炭對烤煙生長發育的影響發現，9000 kg/hm2的施用量有最高的上等煙比例(49.35%)。而2.4 t/hm2的煙稈炭對烤后煙葉化學成分協調性及評分增益作用顯著[26]。這與本試驗研究結果略有不同，即隨煙稈生物質炭施用量的增加，處理農藝性狀和經濟性狀指標均呈先升高后降低的趨勢，具體為160 g/株的煙稈生物質炭處理有最高的株高和產量，分別達到115.28 cm、2623.13 kg/hm2，而生物質炭施用量為80 g/株的莖圍(10.22 cm)、最大葉長(78.84 cm)、最大葉寬(39.17 cm)、均價(31.49元/kg)、產值(77225.76元/hm2)和中上等煙比例(84.90%)為最優。究其原因，一方面，160 g/株的煙稈生物質更利于烤煙根系對養分的吸收，進而促進了煙株莖稈和葉片干物質的積累；另一方面，80 g/株的處理對優化烤后煙葉外觀質量和化學成分增益效果顯著，較利于中低海拔煙區烤煙品質的形成和效益的提高。

圖6 不同煙稈生物質炭施用量對烤煙根際土壤速效氮的影響

生物質炭作為優質的土壤改良劑，在優化土壤環境方面作用明顯。王麗淵等[27]研究發現，隨著生物質炭施用量的增加，土壤有機質含量隨之升高，且以140 g/盆的施用量效果最為突出。而每盆施用生物炭1～2 kg可顯著提高土壤pH值[28]，且pH值與生物質炭的施用量呈線性相關關系。王成已等[29]研究表明，生物質炭處理可顯著提高根際土壤全氮、全磷和速效鉀含量。又有研究發現，生物質炭對土壤有效磷、鈣、鎂含量的提升作用明顯，而對氮和鉀含量無顯著影響[30]。

本研究發現，隨著煙稈生物質炭施用量的增加，根際土壤pH值和有機質含量持續上升，處理全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀含量則均呈先升高后降低的趨勢。160 g/株的生物質炭可提高根際土壤全氮含量，80 g/株的生物質炭對全磷、速效氮和速效磷含量方面促進效果明顯，160 g/株和80 g/株的施用量均有較高的全鉀含量，但施用生物質炭對根際土壤速效鉀含量無顯著促進作用。這與前人試驗研究結果有部分差異，究其原因可能為煙稈生物質炭具有獨特的物理性質，為微生物的生長提供了較為適宜的環境，使其活化養分能力增強，促進了對氮、磷、全鉀的吸收。

圖7 不同煙稈生物質炭施用量對烤煙根際土壤速效磷的影響

圖8 不同煙稈生物質炭施用量對烤煙根際土壤速效鉀的影響

綜上，施用煙稈生物質炭可促進烤煙產質量的形成，并優化了土壤理化性質，其中以80 g/株的施用量效果最為顯著。