樊紅柱,周焰西,王 勇,陳玉藍,張 瀟,龍 崗,陳 娟,付 益,秦魚生
(1.四川省農業科學院農業資源與環境研究所,四川 成都 610066;2.四川省農業科學院植物保護研究所,四川 成都 610066;3.四川省煙草公司涼山州公司,四川 西昌 637000)
【研究意義】化肥在煙草產業發展過程中發揮著重要作用,可為煙葉提質增效提供有力保障[1]。然而,長期施用化肥易導致植煙土壤板結、肥力下降及生物活性降低等問題,造成土壤養分供應不均衡、煙葉產質量低下,成為當前我國煙草可持續生產的主要瓶頸[2-3]。因此,如何在確保煙葉質量穩定的基礎上最大化實現化肥減量,已成為目前亟待解決的關鍵問題。【前人研究進展】生物炭是農林廢棄物等生物質在缺氧條件下熱裂解形成的穩定富碳產物,生物炭具有發達的孔隙結構和巨大的比表面積,使其具有高度穩定性和很強的蓄集能力,可起到吸附養分、蓄養水分的作用[4-5]。增施生物炭能夠提高土壤養分含量、豐富生物群落結構[6]、提高土壤過氧化氫酶和脲酶活性,但對根際土壤轉化酶和多酚氧化酶活性影響不大[7];不同材料生物炭對土壤營養元素的改善效果不同,如施用竹炭后土壤有機碳增幅優于椰殼炭、豬炭和煙稈炭,而豬炭顯著提高了土壤電導率、有效磷、速效鉀及過氧化氫酶和脲酶的活性[8]。生物炭對煙株生長的影響為旺長期之前抑制、旺長期之后促進[9]。也有研究指出,化肥、生物炭用量及其交互作用對煙草團棵期、旺長期和封頂期的株高、最大葉長和最大葉面積均有顯著影響,煙草減氮40%條件下生物炭能夠促進煙株根系各形態指標發育,提高根系活力[10]。隨著生物炭用量增加,根系傷流強度呈遞增趨勢,而根系活躍吸收面積及根干重呈先增加后減少的趨勢[11]。發達的根系促進了烤煙生長過程中對鉀素的吸收,降低打頂后磷、氮的吸收及各器官(根、莖、葉)干物質的積累[12]。生物炭與菜籽餅配施處理煙葉產量比對照提升6.2%、產值增加15.6%、上等煙和上中等煙比例分別提升8.3%和6.8%,且煙葉化學成分更協調[13];施用稻殼生物炭可改善植煙土壤理化性質,增加煙葉產量和產值,降低烤后上部葉煙堿含量,提高鉀含量,使化學成分更加協調[14]。竹炭、豬炭和煙稈炭處理烤后煙葉煙堿、總氮、還原糖和鉀均處于優質煙葉適宜范圍[8],表明生物炭對烤煙生長發育、煙葉化學成分及其協調性、感官質量和產質量均有重要影響,增施少量生物炭有利于改善煙葉品質,大量施用生物炭則有利于提高煙葉產量和產值[15]。綜上所述,生物炭在植煙土壤培肥改良和煙葉質量提升等方面效果顯著,使用生物炭作為一種新型土壤調理劑或有機肥源來減少化肥用量對實現我國化肥負增長意義重大。
【本研究切入點】四川是僅次于云南和貴州的我國第三大煙葉生產基地[16],關于該區化肥減量配施生物炭對煙株生長發育和烤后煙葉質量的研究鮮有報道,不利于該區優質煙葉可持續發展。【擬解決的關鍵問題】通過分析化肥與生物炭配施下烤煙農藝、經濟、質量性狀指標,探究化肥減量下最適的生物炭添加比例,以期為烤煙減量施肥提供科學依據。
試驗于2020 年4—9 月在四川省涼山彝族自治州冕寧縣回龍鎮石古村(28°29'31′′N、102°06′53′′E)進行。該區屬亞熱帶濕潤型氣候,年均降水量1 095 mm,年均溫度13.8 ℃,年日照時數約2 088 h,年無霜期300 d 左右。試驗地土壤為安寧河沖積物形成的新積土,試驗前0~20 cm 耕層土壤養分含量分別為有機質26.48 g/kg、全氮1.05 g/kg、堿解氮205.7 mg/kg、全磷1.29 g/kg、速效磷28.93 mg/kg、全鉀12.45 g/kg、速效鉀370 mg/kg,pH 5.36,質地為砂壤,土層淺薄,肥力較高,有機質、堿解氮和速效鉀含量豐富。冕寧縣是四川省優質烤煙典型種植區之一,由于光溫和氣候條件較好,該區煙葉清甜香型風格明顯[16]。
供試烤煙品種為云煙85,購自玉溪中煙種子責任有限公司。煙草專用基肥由涼山金葉化肥有限公司提供,總養分≥45%(10-15-20),硝態氮占總氮百分率≥40%;煙草專用追肥由涼山金葉化肥有限公司提供,總養分≥40%(9-0-35),硝態氮占總氮百分率≥40%。農家肥由農戶自行發酵腐熟。供試生物炭良生炭(Cool Terra)由上海然新能源科技有限公司提供。
試驗采用隨機區組設計,共設5個處理,分別為:對照(CK),常規施肥;T1,常規施肥+180 kg/hm2生物炭;T2,常規施肥+360 kg/hm2生物炭;T3,常規基施化肥80%+180 kg/hm2生物炭;T4,常規基施化肥80%+360 kg/hm2生物炭。云煙85 采用漂浮式育苗,育苗盤由泡沫塑料制成,每盤160 孔,苗盤長、寬和高分別為525 mm、335 mm 和60 mm,煙苗移栽密度為1.2 m×0.55 m,每個小區種植60 株,即每個小區起6 壟、每壟種植10 株,小區面積30 m2,每個處理3次重復。常規施肥化肥用量為純N 101 kg/hm2、P2O568 kg/hm2、K2O 295 kg/hm2,同時每公頃施混有菜籽餅發酵腐熟的農家肥4 500 kg(油枯混合量為300 kg/hm2),農家肥于起壟前條施。44%化學氮肥、100%化學磷肥和30%化學鉀肥(施用量為450 kg/hm2)和100%生物炭在煙苗移栽后距離煙苗5~10 cm 環狀施入;剩余56%氮肥和70%鉀肥作為追肥施用,于煙苗移栽后14 d 兌水澆灌施入225 kg/hm2的硝酸鉀溶液、移栽后45 d 揭膜培土時距離煙苗5~10 cm 環狀施入煙草專用追肥300 kg/hm2;常規基施化肥80%處理僅煙草專用基肥施用量調整為360 kg/hm2,其他施肥種類、方式和時期同常規施肥處理。
1.4.1 農藝和經濟性狀 于煙苗移栽后63 d(打頂期),每個小區隨機選擇5 株代表性煙株,按照《YC/T 142-2010 煙草農藝性狀調查測量方法》測定株高、節距、有效葉數、最大葉長和最大葉寬等指標[3],同時采用SPAD-502 型葉綠素測定儀測定中部葉的SPAD 值。煙葉成熟時各小區單獨采收編桿烘烤,參考當地煙葉收購標準和價格對各處理烘烤后的煙葉分級稱重、計算產量、產值、均價及中上等煙比例。
1.4.2 煙葉化學成分測定 采集每個處理烘烤后中桔三(C3F)煙葉樣品1.5 kg,一部分煙葉除去主葉脈后在50 ℃下烘干,磨粉并過篩(孔徑 0.25 mm)留樣。使用AA Ⅲ型連續流動化學分析儀測定煙葉樣品的常規化學成分,計算氮堿比、糖堿比和鉀氯比。
1.4.3 感官質量評價 用1.3.2 另一部分樣品進行感官質量評價。煙葉樣品經回潮處理,切成0.8~1.6 mm 的煙絲,制成單料煙,由四川中煙工業有限責任公司技術研發中心組織專職評吸人員進行評吸。按照《YC/T138-1998 煙草及煙草制品感官評價方法》和《四川煙葉質量評價體系》等相關評吸方法,以9 分制對濃度、勁頭、香氣質、香氣量、雜氣、刺激性、甜度和余味各指標進行賦值量化。
試驗數據利用WPS Office 和DPS 進行計算及統計分析。參考王彥亭等[17]和謝晉等[18]修改后的烤煙化學成分指標賦值法(表1),對烤后煙葉進行化學品質賦值評價。用Excel 對分值范圍與指標范圍進行等比例取值構建線性關系,如總氮分值100~90 對應總氮含量為2.50%~2.60%,取值用于線性建模的數據分值分別為100、98、96、94、92、90,對應總氮含量分別為2.50%、2.52%、2.54%、2.56%、2.58%、2.60%,將測得指標數據代入公式獲得對應化學成分指標量化分值。采用指數和法評價烤煙內在化學成分協調性綜合得分:

表1 烤煙化學成分指標賦值方法Table 1 Assignment method of chemical composition indexes from flue-cured tobacco
式中,P為煙葉化學成分協調性綜合得分,Ci為第i個化學成分指標量化分值,Pi為第i個化學成分指標相對權重。
參照劉志廣等[19]的方法計算烤煙感官質量總得分,除濃度和勁頭外的香氣質、香氣量、雜氣、刺激性、甜度和余味各指標權重依次為0.275、0.225、0.155、0.145、0.075 和0.125。以指數和法計算烤煙感官質量總得分。
式中,P為烤煙感官質量綜合得分,Ci為第i個感官質量指標的量化分值,Pi為第i個感官質量的權重。
農藝性狀是煙株生長過程中煙葉產量和質量協調性的最直接外在表現。從表2 可以看出,不同施肥處理間煙株的株高、最大葉面積、莖圍和中部葉片SPAD 值差異顯著,其中T2 處理的株高最大,比CK、T1 處理分別高10.90%和8.40%、差異顯著,但CK 與T1 處理的株高分別為104.08和106.83 cm、差異不顯著;同時,T2 處理的株高比T3 和T4 處理高,但這3 個處理間無顯著差異。T2 處理的最大葉面積顯著高于其他處理,為1 665.44 cm2,比CK 高39.42%;T3 處理的最大葉面積最小、為1 088.22 cm2,比CK 低8.90%;CK、T1 和T4 處理的最大葉面積差異不顯著,變化范圍為1 194.51~1 335.87 cm2。CK 煙株的莖圍顯著低于T1 和T2 處理,但與T3 和T4 處理無顯著差異。不同施肥處理間有效葉片數和節距均差異不大,變化范圍分別為15.00~15.92 片和6.97~7.29 cm。T3 和T4 處理中部煙葉SPAD 值差異不大,均顯著低于CK、T1 和T2 處理,且后3者之間無顯著差異。說明增施生物炭可顯著增加煙株株高和最大葉面積,而化肥減量增施生物炭沒有顯著降低株高、最大葉面積和莖圍,而顯著降低了中部葉SPAD 值。

表2 生物炭對烤煙打頂期農藝性狀的影響Table 2 Effects of biochar on agronomic traits of flue-cured tobacco at topping stage
產量、產值、均價和中上等煙比例是反映煙葉經濟性狀的重要指標。從表3 可以看出,各處理間煙葉的均價和中上等煙比例差異均不顯著,但煙葉產量和產值差異顯著,均表現為T2>T4 >T3 >T1 >CK,其中T2 處理的產量和產值均最高、分別為1 825.92 kg/hm2和50 573.34元/hm2,而該處理的煙葉均價和中上等煙比例相對最小,分別為27.70 元/kg 和96.96%,說明T2處理是由于增加煙葉單產、而不是靠增加煙葉均價和中上等煙比例來提高煙葉的產值。與CK 對比,增施生物炭的T1 和T2 處理,煙葉產量與產值均有所增加,僅T2 處理顯著高于CK 處理,這3 個處理間的均價和中上等煙比例差異不大,均價依次分別為29.22、28.65 和27.70 yuan/kg,中上等煙比例分別為97.23%、98.53%和96.96%。化肥減量增施生物炭的T3 和T4 處理煙葉產量比CK 分別增加8.10%和12.76%,產值分別提高5.11%和7.27%,中上等煙比例分別增加0.48%和0.60%,而均價分別降低2.77%和4.86%,說明化肥減量增施生物炭能夠影響煙葉產量和烤煙的等級結構,從而影響烤煙產值。T1 和T2 處理是在CK 處理的基礎上增施生物炭,且T2 處理生物炭施用量比T1 高1 倍,因此T1 處理的土壤C/N 高于CK、低于T2;同理,T3 和T4 處理是在CK 處理的基礎上基肥施用量減少20%增施生物炭,且T4 處理生物炭施用量比T3 高1 倍,因此T4 處理的土壤C/N 高于T3 處理。結果表明,由于減少了化肥用量、添加了生物炭,導致各處理土壤C/N 差異較大,從而引起煙葉產量、產值和等級結構的差異。

表3 生物炭對烤后煙葉經濟性狀的影響Table 3 Effects of biochar on the economic traits of flue-cured tobacco
煙葉質量取決于各內在化學成分之間的協調性。中部優質烤煙化學成分的適宜質量分數范圍為總糖20%~26%、還原糖18%~22%、總氮1.5%~2.5%、煙 堿1.8%~2.8%、鉀1.5%~3.5%、氯0.3%~0.8%、糖堿比8~12、氮堿比≤1、鉀氯比≥4[15,20]。施用生物質炭對烤后中桔三(C3F)煙葉內在化學成分影響如表4 所示。總體上,CK 和4 個生物炭處理煙葉的總糖含量為29.01%~34.99%,還原糖含量為28.87%~33.57%,總氮含量為1.64%~1.84%,煙堿含量為1.83%~2.04%,鉀含量為1.50%~2.08%,氯含量為0.30%~0.37%,糖堿比為14.86~18.35,氮堿比為0.84~0.91,鉀氯比為5.32~6.63。由表4 可知,C3F 等級中T4 處理的煙葉總糖和還原糖含量均顯著高于其他4 個處理,而CK 的總糖和還原糖含量均顯著低于其他處理,但T1~T3 處理間無顯著差異。T3 與T4 處理相比,較高土壤C/N 的T4 處理煙葉中總糖和還原糖含量顯著高于較低C/N 的T3 處理;T1 與T2 處理比較,也顯示出土壤C/N越高煙葉總糖和還原糖含量也越大的趨勢,表明土壤C/N 增大可顯著提高煙葉中總糖和還原糖含量;T1 處理的煙葉總氮含量顯著高于其他處理,而其他處理間無顯著差異,而T4 處理的煙葉煙堿含量顯著低于CK 和T1,呈現出土壤C/N 比值越大煙葉總氮和煙堿含量有降低趨勢;T1 和T2處理的煙葉鉀含量顯著高于其他3 個處理,但T1與T2 處理無顯著差異;T2 和T4 處理的煙葉糖堿比顯著高于CK、T1 和T3 處理,但后3 者間無顯著差異;所有處理的煙葉中氯含量、氮堿比和鉀氯比均無顯著差異。不同處理C3F 等級煙葉總糖、還原糖和糖堿比含量較高,總氮、煙堿、鉀、氮堿比和鉀氯比均處于優質烤煙適宜值范圍內,氯含量較低,說明CK 和T1 處理煙葉各成分間的協調性相對更佳,而化肥減量的T3 和T4 處理明顯降低了煙葉質量。
參考王彥亭等[17]和謝晉等[18]的烤煙化學成分指標賦值法(表1),對烤后煙葉C3F 化學成分協調性進行綜合評價,結果見表5。從單個化學成分指標得分來看,不同處理對中部煙葉總氮、煙堿、還原糖、鉀、糖堿比和鉀氯比影響較大,而對氮堿比影響不大。從綜合評分來看,T4 處理分值最低為58.93,T1 處理最高為77.50,其次為CK、T3 和T2。說明在烤煙種植時合理調控植煙土壤C/N 對改善烤后煙葉內在化學成分的協調性具有顯著效果。
煙葉的感官質量是指煙葉燃燒時,評吸專家對香氣特征、香氣質量、煙氣以及口感吃味特征的綜合評價,是判斷煙葉質量優劣的重要參考指標[15,19]。與CK 相比,T3 處理煙葉感官質量無明顯差異,表現為質量中等、略粗糙、略帶生青氣、具有回甜感、煙氣欠流暢;T1 處理煙葉感官質量明顯有所提升,表現為香氣質尚好、香氣量較充足、煙氣濃度較大、勁頭稍大、余味尚舒適、甜感好、韻調較明顯;T2 和T4 處理煙葉氣量不足、勁頭小、煙氣空、煙氣欠流暢和透發。從總體得分來看,不同處理煙葉的感官質量總分以T1 處理最高、為66.10 分,其次是CK 和T3、得分均為61.11 分,T4 處理得分為60.41 分,T2 處理得分最低、為59.86 分(表6)。上述結果表明增施適量的生物炭能夠明顯改善烤后煙葉感官品質,對香氣質、香氣量、濃度、勁頭、甜度和余味有顯著影響。

表6 生物炭對烤煙感觀質量評析的影響Table 6 Effects of biochar on sensory quality evaluation of flue-cured tobacco
一般認為,生物炭對煙株生長發育、煙葉產量和品質以及經濟效益的影響與生物炭材料、施用量、土壤性質和施肥狀況等諸多因素有關。本研究中,生物炭的施用對烤煙生長發育具有一定促進作用,增施生物炭可顯著增加株高和最大葉面積,而化肥減量配施生物炭并沒有顯著降低株高、最大葉面積和莖圍,但顯著降低了中部葉SPAD 值,這與龔絲雨等[9]和王成己等[15]的研究結果一致。生物炭的吸附性比普通的土壤膠體粒子高幾個數量級[4],可能會對土壤中的養分元素產生滯留束縛效應;此外,增施生物炭后土壤C/N 升高,微生物大量繁殖需要消耗一部分氮素;化肥減量增施生物炭提高了土壤C/N,限制了氮代謝引起中部葉片SPAD 值降低。
本研究中,添加生物炭對煙葉產量和產值的影響程度明顯大于化肥減量配施生物炭施肥方式,但這2 種施肥方式對煙葉均價和等級結構影響較小,其中各處理煙葉產量和產值均表現為T2>T4 >T3 >T1 >CK;增施生物炭的T2 處理土壤C/N 遠高于CK,該處理的煙葉產量與產值均顯著高于CK,但所有處理間煙葉均價和中上等煙比例差異不大,表明土壤C/N 高有利于提高煙葉產量和產值;多項研究指出,增施少量生物炭有利于改善煙葉品質,較多生物炭有利于提高煙葉產量和產值[9,15],這與本研究結果一致。生物炭具有獨特的物理、化學及生物學特性,添加后能增強耕層土壤通氣性、保水性、活化土壤養分及酶活性,更有利于改善植煙土壤質量[12-13];生物炭能夠促進煙株根系各形態指標發育,提高根系活力,增強根系對養分的吸收能力[9-10]。因此,增施生物炭后,煙株生長旺盛,煙葉產量和產值也隨之增加。化肥減量配施生物炭的T3 和T4 處理煙葉產量和產值分別比CK 增加8.10%~12.76%和5.11%~7.27%,但產量、產值、均價和中上等煙比例與CK 均無顯著差異,說明化肥減量配施生物炭并沒有顯著降低煙葉種植的經濟效益。
煙草是一種注重煙葉產量,更注重煙葉內在化學成分間協調性和感官質量的特殊經濟作物。感官質量是煙葉各種內在化學成分協調性在煙氣特征上的綜合表現,反映煙氣和香味特征的內在化學成分指標有總糖、還原糖、總氮、煙堿、鉀和氯,反映煙氣酸堿性物質平衡性的指標有糖堿比、氮堿比和鉀氯比[15,19]。本研究中,煙葉總糖、還原糖和糖堿比含量高于優質煙葉標準,總氮、煙堿、鉀、氮堿比和鉀氯比均處于優質烤煙適宜值范圍內,而氯含量較低,陳向東等[20]和王曉園等[21]的研究也表明總糖和還原糖含量較高是南方煙區的共同特點,但煙葉兩糖含量并非越高越好,過高的兩糖含量可能是今后煙葉生產亟待解決的科學問題;土壤C/N 過高顯著提高了煙葉中總糖和還原糖含量,而顯著降低了煙葉中總氮和煙堿含量,過高土壤C/N 的T4 處理煙葉內在化學成分綜合評分最低、為58.93,較高土壤C/N 的T1 處理綜合評分最高、為77.50,因此烤煙種植時調控植煙土壤C/N 對改善烤后煙葉內在化學成分的協調性具有重要影響。相關研究也表明,隨著土壤C/N 的增加,煙葉總糖、還原糖和鉀含量提高,而總氮和煙堿含量降低,適量生物炭可協調煙葉內在化學成分,過量則降低煙葉品質[15,22],這與本研究結果一致。
本研究結果顯示,施用生物炭對煙葉香氣質、香氣量、濃度、勁頭、甜度和余味具有重要影響,最終影響煙葉感官質量。T1 處理感官質量得分最高,其后依次是CK、T3、T4 處理,T2 處理得分最低,表明通過增施生物炭調控較高土壤C/N(T1 和T3 處理)對煙葉感官質量的改善效果更佳,若土壤C/N 過高(T2 和T4 處理)煙葉感官質量反而下降,與王成己等[15]和李雪利等[22]的研究結論一致。生物炭施用過量引起土壤C/N過高,一方面會導致煙葉香味前體物質的降解和轉化不充分,另一方面也會造成生育后期土壤養分充足,以致煙葉貪青晚熟不能正常分層落黃,不利于煙葉品質提升[9],其中化肥減量的T3 和T4 處理煙葉內在化學成分和感官質量得分均低于CK,表明化肥減量明顯降低了煙葉質量。煙葉品質形成是土壤各種養分均衡供應的結果,本研究的化肥減量T3 和T4 處理氮磷鉀元素比CK 處理相應各減少20%,氮磷鉀元素相同的減量比例可能導致土壤養分供應不平衡,致使煙葉質量下降,今后應針對該區土壤肥力狀況開展氮磷鉀元素個性化減量研究。北方煙區牡丹江市寧安縣的黑土生物炭底肥一次性施入合理用量為1 200~1 800 kg/hm2[23],黃淮煙區洛陽市洛寧縣的褐土生物碳底肥條施和追肥穴施適宜的用量為1 300~1 800 kg/hm2[24],東南煙區福建省長汀縣的紅壤條施煙稈生物質炭以0.4 kg/株為宜[15],長江中游煙區安康市旬陽縣的黃棕壤推薦以生物炭750 kg/hm2搭配菜籽餅750 kg/hm2基肥開溝一次性條施效果較好[13],西南煙區昆明市尋甸縣和安寧市建議烤煙生產中生物炭施用量以600 kg/hm2為宜[25],可見不同煙區植煙土壤適宜生物炭用量差異較大。本研究中,四川涼山州冕寧縣優質煙葉生產生物炭合理用量為180 kg/hm2,明顯低于其他研究結果,可能與生物炭施用量與土壤性質、生物炭材料、施肥水平和方式等密切相關;另外,本試驗區土壤基礎肥力較高、尤其是有機質和堿解氮含量豐富,同時本試驗還施用了大量的農家肥(4 500 kg/hm2),綜合因素導致該區生物炭合理施用量低于其他煙區。當然,從目前的試驗結果還不足以明確提出該區優質煙葉生產最佳土壤C/N 比值,還需今后深入研究。
本研究結果表明,在常規施肥基礎上增施生物炭,打頂期煙株株高、最大葉面積和莖圍較常規施肥(CK)分別提高2.64%~10.90%、11.83%~40.42%和7.68%~8.97%,化肥減量增施生物炭并沒有顯著降低株高、最大葉面積和莖圍,而中部葉SPAD 值顯著降低13.17%~15.06%。添加生物炭調控過高土壤C/N 的T2 處理煙葉產量和產值均顯著高于CK,分別為1 825.92 kg/hm2和50 573.34 元/hm2,所有處理間煙葉均價和中上等煙比例差異不大,土壤C/N 過高則有利于提高煙葉產量和產值。T1 處理感官質量得分最高(66.10分),其次是CK 和T3 處理(均為61.11 分),T4 處理為60.41 分,T2 處理最低(59.86 分),化肥減量配施生物炭沒有顯著降低煙葉種植的經濟效益,但明顯降低了煙葉質量。通過增施生物炭或化肥減量配施生物炭調控較高土壤C/N(T1和T3 處理)對煙葉質量的改善效果更佳,過高土壤C/N(T2 和T4 處理)煙葉質量反而下降。考慮肥料的綜合效應,建議四川冕寧縣煙區優質煙葉生產在常規施肥基礎上增施生物炭180 kg/hm2。