生物炭與氮肥配施對烤煙生長及煙葉主要化學成分的影響

劉 卉,周清明,黎 娟,張黎明,張明發,孫 敏,劉智炫,陳佳亮

(1.湖南農業大學 農學院,湖南 長沙 410128;2.湖南省煙草公司 湘西自治州公司,湖南 吉首 416000)

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生物炭與氮肥配施對烤煙生長及煙葉主要化學成分的影響

劉 卉1,周清明1,黎 娟1,張黎明2,張明發2,孫 敏1,劉智炫1,陳佳亮1

(1.湖南農業大學 農學院,湖南 長沙 410128;2.湖南省煙草公司 湘西自治州公司,湖南 吉首 416000)

為了探明不同生物炭用量與氮肥配施對烤煙生長及煙葉主要化學成分的影響,以云煙87為試材,通過田間小區試驗研究了9種不同的生物炭與氮肥配施比例對烤煙生長及煙葉主要化學成分的影響。結果表明:生物炭與氮肥配施能夠調控烤煙的生長,促進煙株的生長發育,加快出葉速度,但施炭量與對烤煙生長的促進作用不呈正相關,當施炭量超過3 750 kg/hm2、施氮量超過112.5 kg/hm2時對烤煙生長的促進作用逐漸下降。生物炭與氮肥配施能夠在一定程度上促進根系的發育,提高烤煙干物質積累量。生物炭與氮肥配施能夠調節烤后煙葉的總糖與還原糖含量至最適范圍內,降低煙葉淀粉含量,提高煙葉鉀含量,有利于提高煙葉燃燒性。同時合理配施生物炭與氮肥也能改善煙葉的糖堿比、糖氮比、鉀氯比使之趨近于適宜值,但當配施比例較低時即施炭量為3 000 kg/hm2、施氮量為75.0 kg/hm2的配施比例不利于改善烤煙糖氮比以及鉀氯比。綜合來看，以施炭量3 750 kg/hm2,施氮量112.5 kg/hm2的配施比例適宜,煙株的生長發育較快,烤后煙葉的主要化學成分含量適宜。

烤煙;生物炭;氮肥;化學成分

生物炭是由生物質殘體高溫缺氧條件下裂解的產物[1-3],近幾年生物炭被廣泛地應用于土壤改良,促進作物生長提高作物產量[4-7],生物炭含有一定量的礦質養分,可增加土壤中礦質養分含量,如磷、鉀、鈣、鎂及氮素,生物炭具有離子吸附交換能力及一定吸附容量,其可改善土壤的陽離子或陰離子交換量,從而可提高土壤的保肥能力[8-9]。生物炭對水稻、玉米等作物增產的作用顯著,張偉明等[10]研究表明,施用生物炭后能夠促進水稻根系生長。張娜等[11]研究發現,施用生物炭后能顯著提高夏玉米干物質積累,促進夏玉米生長發育。李靜靜等[12]研究表明，生物炭與氮肥配施能夠顯著提高烤煙中后期的干物質積累量以及烤煙移栽后90 d的氮肥利用率,并且能改善土壤的生物學性狀,促進烤煙的生長。張園營等[13]研究了施用生物炭對煙葉石油醚提取物及致香物質的影響,結果表明施用生物炭可以延長煙葉的成熟期,有利于烤煙致香物質的積累與轉化。趙殿峰等[14]采用盆栽試驗研究了生物炭施用后對烤煙生長的影響,結果表明添加適宜的生物炭量有利于烤煙的生長,施用量過高時抑制烤煙的生長降低煙葉品質。尤方芳等[15]研究表明,生物炭與有機肥和復合肥配施能顯著改善煙株的鎘脅迫環境,降低煙葉中的鎘含量。大量研究表明施用生物炭能提高土壤供肥能力[16-21]。劉典三等[22]研究表明，施用生物炭能減少施肥量與施肥環境的同時又促進煙株生長發育。研究表明生物炭能夠改良土壤,提高烤煙的品質[23-26]。前人在烤煙上對生物炭的研究主要集中在利用生物炭改良土壤，提高烤后煙葉的致香物質，降低煙葉重金屬含量等[27-31]。在研究生物炭與氮肥的配施對促進烤煙生長的影響及不同配施比例對烤煙化學成分的影響還比較欠缺,因此,本試驗通過研究不同用量的生物炭與氮肥配施對烤煙生長及煙葉主要化學成分的影響,旨在探索生物炭與氮肥的適宜配施比例,促進烤煙的生長,改善烤后煙葉的化學品質,為生物炭在烤煙生產上的應用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗于2014年在湖南省湘西州鳳凰縣千工坪基地進行,供試品種為云煙87,供試土種為黃灰土,4月25日移栽,株行距為55 cm×110 cm。供試土壤的基礎理化性質為:有機質21.1 g/kg、速效氮0.109 g/kg、速效磷0.058 g/kg、速效鉀0.212 g/kg、pH值6.78。生物炭基本理化性質為:有機碳421.10 g/kg、速效氮0.442 g/kg、速效磷0.144 g/kg、速效鉀3.760 g/kg、C/N 190.54、pH值9.80、灰分19.71%。

1.2 處理設計

設置10個處理,見表1,共3次重復,共計30個小區,每小區面積60 m2。在整地前、試驗小區劃分好后,按照各處理生物炭用量將生物炭均勻撒施在供試小區地表,旋耕深翻使其與土壤充分混合,肥料配方見表2,煙草專用復合肥采用傳統基追結合施用方式,基追比(以純N計)為6∶4,追肥時間參照當地常規時間實行,其他配套農藝措施按照當地技術規范實行。

表1 試驗設計處理

1.3 測定項目與方法

1.3.1 農藝性狀 烤煙移栽后分別在團棵期、旺長期、成熟期采用5點法測定不同處理的煙株農藝性狀:株高、莖圍、節距、最大葉長寬、有效葉數等。

1.3.2 干物質積累 成熟期時選取每小區有代表性煙株3株,采用殺青烘干稱重法測定其根莖葉重量,并計算根冠比=地下部分/地上部分。

1.3.3 烤后煙葉化學成分 烤后煙葉取C3F等級煙葉測定其化學成分:總糖、還原糖、煙堿、氯、淀粉、總氮、鉀含量。總糖、還原糖、總氮、煙堿、氯、淀粉含量采用Skalar連續流動分析儀測定,鉀含量采用火焰光度計測定。鉀氯比=鉀含量/氯含量、糖堿比=總糖含量/煙堿含量、氮堿比=總氮含量/煙堿含量、糖氮比=總糖含量/總氮含量。

表2 肥料配方

1.4 統計分析

數據處理采用Excel,方差分析采用SPSS 22.0,多重比較采用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 不同生物炭用量與氮肥配施對烤煙農藝性狀的影響

不同生物炭用量與氮肥配施對烤煙農藝性狀的影響由表3可以看出,在團棵期各處理農藝性狀存在差異,從株高來看,不同處理株高基本在17.50～22.67 cm,以T4、T5、T6最高,T7處理顯著低于T4、T5、T6,各處理與對照比較差異不顯著。從莖圍來看,不同處理間差異較小,各處理莖圍基本在5 cm左右。從節距來看,各處理間差異較大,節距較大的處理是T2,T2處理與對照比較差異顯著,其他處理與對照比較節距有所降低,以T5節距最小,與對照比較存在顯著差異。從最大葉長來看,不同處理最大葉長基本在42.17～48.33 cm,最大葉長較長的是T6處理，為48.33 cm,略長于對照組最大葉長,差異不顯著。最大葉長最短的是T1,處理為42.17 cm,與對照比較較短,差異不顯著。從最大葉寬來看,不同處理最大葉寬基本在22.33～25.67 cm,最大葉寬較大的處理是T4,最大葉寬較小的處理是T2、T3,不同處理之間最大葉寬大小差異不顯著。從有效葉數來看,團棵期時各處理有效葉數基本在10.67～12.67片左右,有效葉數較多的處理是T5為12.67片,有效葉數對于對照存在顯著差異,有效葉數較少的處理是T8為10.67片,與對照比較差異不顯著。

表3 團棵期各處理農藝性狀

注:不同小寫字母表示差異在5%顯著水平。表4-9,圖1-2同。

Note:Different of lowercase letters represent the significant at 5% probability level.The same as Tab.4-9,Fig.1-2.

由表4可以看出,進入旺長期時不同處理農藝性狀的差異變大,各處理間株高存在差異,其中T6、T8顯著低于其他處理。T4處理株高最高為131.42 cm,T6處理株高最低為105.43 cm。除T6、T8處理株高低于對照組,其余各處理株高均高于對照組。從莖圍來看,與對照組比較莖圍較粗的處理是T4、T5、T7,三者莖圍均在7.50 cm以上。與對照比較莖圍較細的處理是T2、T6,二者莖圍在7.00 cm以下。從節距來看,生物炭與氮肥配施處理節距與對照比較不同程度減少,節距較小的處理是T4、T5、T9,三者節距均在6.00 cm以下。從最大葉長來看,與團棵期相同仍表現為生物炭與氮肥配施處理最大葉長小于對照,最大葉長最小的處理是T7。從最大葉寬來看,與最大葉長表現規律相反,生物炭與氮肥配施處理最大葉寬均大于對照組,這說明生物炭與氮肥配施能在一定程度上增加烤煙葉片的開片度。從有效葉數來看,旺長期時不同處理有效葉數增加至13.00～16.33片葉,生物炭與氮肥配施處理與對照組比較有效葉數差異顯著,各處理有效葉數均多于對照,其中有效葉數較多的處理是T1、T2、T4、T5、T6為16片。

表4 旺長期各處理農藝性狀

由表5可以看出,成熟期時不同處理株高為110.90～144.54 cm,其中株高與對照比較較低的處理是T5,株高較高的處理是T2、T3,二者株高在140 cm以上。從莖圍來看,不同處理莖圍為7.03～8.68 cm,與對照比較莖圍較粗的處理是T3、T5、T6、T7、T8,莖圍在8.00 cm左右。與對照比較莖圍較細的處理是T2為7.03 cm。從節距來看,不同處理表現規律與團棵期、旺長期時一致,生物炭與氮肥配施處理與對照比較不同程度降低。從最大葉長來看,表現為生物炭與氮肥配施處理最大葉長小于對照,最大葉長較小的處理是T2、T7。從最大葉寬來看,表現為生物炭與氮肥配施處理最大葉寬大于對照。從有效葉數來看,進入成熟期時不同處理有效葉數基本在17片左右,生物炭與氮肥配施處理有效葉數多于對照組且差異顯著。

2.2 不同生物炭用量與氮肥配施對烤煙干物質積累的影響

從圖1可以看出，生物炭與氮肥配施處理后對烤煙干物質積累量有一定影響。施用生物炭后與對照比較烤煙干物質積累量有升高的趨勢,這說明施用生物炭后有利于煙株的生長發育。干物質積累量較大的處理是T2、T3,且與對照比較差異顯著。其他處理與對照比較干物質積累差異較小。

2.3 不同生物炭用量與氮肥配施對烤煙各器官干物質分配的影響

不同生物炭用量與氮肥配施后對烤煙各器官干物質分配的影響見表6,從根系來看,不同處理間根干質量存在差異但未達到顯著水平。根干質量較大的處理是T2、T3,生物炭與氮肥配施后能在一定程度上促進根系的發育。從根干質量占全株比例來看,不同處理與對照比較根干質量占全株比例或高或低,其中根干質量占全株比例較高的處理是T3為45.96%,這可能是由于較高的施氮量而生物炭施用量較少,不能適宜平衡土壤中的水分與養分含量導致根系過于發達。從煙株莖稈來看,生物炭與氮肥配施處理與對照比較莖干質量差異較小,但莖干質量均較對照在不同程度上升高,這說明生物炭與氮肥配施后能一定程度上促進煙株莖稈的發育,為烤煙的生長提供較好的機械支撐作用。從莖干質量占全株比例來看,不同處理與對照比較莖干質量占全株比例或高或低,其中莖干質量占全株比例較高的處理是T4、T5,莖干質量占全株比例較低的處理是T2、T7。葉片是烤煙主要的收獲產物,其干質量的大小在一定程度上能反映煙株光合作用強弱,并影響烤煙的產質量。從葉干質量來看,生物炭與氮肥配施的處理與對照比較葉干質量均有所升高,這說明生物炭與氮肥配施后能促進煙株的生長發育,提高烤煙的經濟產量。但烤煙葉干質量并不是越大越好,其中葉干質量較大的處理是T6、T7、T8。從葉干質量占全株比例來看,T1、T2、T3、T4處理葉干質量占全株比例與對照比較有所降低,T5、T6處理葉干質量占全株比例與對照比較較大。從根冠比來看,不同處理間根冠比存在差異,其中根冠比較大的處理是T2、T3。從不同處理的表現來看，T5處理莖稈較對照發達，烤煙葉片干質量顯著增加且在適宜值范圍內，煙葉內含物含量較適宜，生物炭與氮肥配施比例適宜。

圖1 不同處理烤煙干物質比較

表6 不同處理烤煙干物質分配比較

2.4 不同生物炭用量與氮肥配施對烤后煙葉化學成分的影響

2.4.1 不同處理對烤后煙葉總糖、還原糖及淀粉含量的影響 從表7可以看出,不同生物炭用量與氮肥配施后烤后煙葉總糖、還原糖及淀粉含量存在差異。煙葉總糖和還原糖含量能夠影響煙氣醇和度、吃味,適宜的總糖與還原糖含量有利于提高煙葉的香氣和吃味,同時降低刺激性。生產上一般認為烤煙總糖含量為18%～22%,在20%左右較適宜。還原糖含量為14%～18%,最適含量為15%左右。從總糖含量上來看,生物炭與氮肥配施處理與對照比較烤后煙葉總糖含量有高有低,總糖含量處于適宜范圍內的處理是T3、T5、T8、T9,T1、T2、T4、T7處理總糖含量偏高。從還原糖含量上來看,最接近適宜值的處理是T5,其他處理還原糖含量或偏高或偏低。淀粉含量一般需控制在5%以下,各處理煙葉淀粉含量均在適宜范圍內,除T4處理外,其他處理烤后煙葉淀粉含量均低于對照。

表7 不同處理烤煙總糖、還原糖及淀粉含量比較

2.4.2 不同處理對烤后煙葉煙堿、總氮含量的影響 從圖2可以看出,不同處理烤后煙葉煙堿及總氮含量存在差異。烤煙煙堿含量一般為1.5%～3.5%,當煙堿含量過低時煙氣勁頭不足且吃味平淡,煙堿含量過高時煙氣不僅刺激性強且味苦辛辣,一般來講煙堿含量在2.0%～2.5%較適宜。烤煙總氮含量對于煙味的影響與煙堿類似,總氮含量一般為1.5%～3.5%,最適含量為2.5%。從煙堿含量上來看,不同處理間烤后煙葉煙堿含量較高的處理是T3、T6,煙堿含量較低的處理是T1、T4,T7。T2、T5、T8、T9處理烤后煙葉煙堿含量較適宜。從總氮含量上來看,總氮含量處于適宜范圍內的處理是T5、T6。

圖2 不同處理烤煙煙堿及總氮含量比較

2.4.3 不同處理對烤后煙葉鉀、氯含量的影響 煙葉中鉀含量影響煙葉的燃燒性,鉀含量高燃燒性好,烤煙氯含量能影響煙葉的吸濕性與燃燒性,烤煙氯含量過高時,煙葉吸濕性大,煙葉燃燒能力降低,一般氯含量控制在0.6%以下較適宜。從表8可以看出,不同處理烤后煙葉鉀含量無顯著差異,與對照比較,施用生物炭后能在一定程度上提高烤后煙葉鉀含量,提高煙葉的燃燒性。這一方面是由于生物炭本身的灰分元素中有一定的鉀含量,另一方面是由于生物炭的保肥能力促進了煙葉鉀含量的提高。從氯含量上來看,不同處理烤后煙葉氯含量存在差異,各處理基本處于適宜范圍內。

表8 不同處理烤后煙葉鉀、氯含量比較

2.4.4 不同處理對烤后煙葉糖堿比、氮堿比、糖氮比及鉀氯比的影響 烤煙糖堿比6～10較適宜，氮堿比0.8～0.9較適宜，糖氮比適宜值為6～10，鉀氯比值大于4適宜。從表9可以看出,不同處理烤后煙葉糖堿比存在差異。T1、T4、T7處理糖堿比值較高,煙葉刺激性強。不同處理糖堿比結果表明,生物炭與氮肥配施后能在一定范圍內調控烤后煙葉的糖堿比值。從氮堿比來看,不同處理間氮堿比值無顯著差異。從糖氮比來看,不同處理烤后煙葉糖氮比存在差異,烤后煙葉糖氮比處于適宜范圍內的處理是T3、T5、T6、T8、CK,煙葉吃味刺激性較適宜。T1、T4、T7糖氮比值較高,煙葉吃味刺激性較差,同時也表明較低的施氮量與生物炭配施比例不利于烤煙糖氮比的平衡。從鉀氯比來看,不同處理烤后煙葉鉀氯比存在差異,與對照比較各處理鉀氯比值或高或低,比對照組烤后煙葉鉀氯比值高的處理是T2、T3、T5、T6、T9,煙葉燃燒性較好,同時可以看出,較低的施氮量與生物炭配施比例不利于烤煙鉀氯比值的提高。

表9 不同處理烤后煙葉糖堿比、氮堿比、糖氮比及鉀氯比值比較

3 討論與結論

各處理農藝性狀的優良能間接地反映出烤后煙葉質量的高低。陳敏等[16]研究發現，土壤中施用生物炭后,能夠提高土壤肥力,降低養分損失。王麗淵[32]研究表明,施用生物炭后能改良土壤的理化性狀,有利于促進煙株根系生長發育。本研究也同樣發現,生物炭與氮肥配施后煙株的長勢較好,出葉速度較快,烤煙葉片的開片度得到改善。這說明生物炭與氮肥配施有利于烤煙的生長發育,這可能是由于生物炭的孔隙結構能夠改良植煙土壤的孔隙性,生物炭的吸附作用同時又提高了養分的有效性,使得烤煙生長發育的土壤理化環境得到改善,因而有利于煙株的生長。不同生物炭用量與氮肥配施對烤煙的農藝性狀影響存在差異,施用生物炭對烤煙生長的促進作用與施炭量不呈正相關,生物炭與氮肥配施比例都不宜過高,這與趙殿峰等[14]的結果一致。這可能是由于過高的生物炭用量導致土壤容重等偏離最適值,影響烤煙的生長發育。烤煙的干物質積累量及各器官干物質分配比例能一定程度上反映煙株的同化能力及源庫流之間的協調性,并且影響烤煙的產質量。本研究發現施用生物炭后能夠提高烤煙的干物質積累量,這與劉新源等[33]研究結果一致。且相同施氮量的水平下,烤煙干物質積累量隨著施炭量的增加呈降低的趨勢,相同施炭量的水平下,烤煙干物質積累量隨著施氮量的增加呈升高的趨勢。生物炭與氮肥配施后能在一定程度上促進根系的發育,改善烤煙各器官干物質分配比例,協調源庫流的關系,促進烤煙地上部分與地下部分自我協調以及煙株的生長發育。烤煙的內含物影響煙葉品質,煙葉化學成分比例協調與否與煙葉質量密切相關[34-37]。本試驗發現生物炭與氮肥配施后,能夠調節改善烤后煙葉的總糖與還原糖含量,有利于提高煙葉的香氣和吃味,同時降低刺激性。各處理烤后煙葉淀粉含量較對照有所降低,煙堿及總氮含量趨近于適宜值,提高烤后煙葉鉀含量。生物炭與氮肥配施后能在一定范圍內調控烤后煙葉的糖堿比值、糖氮比、鉀氯比,較低的施氮量與生物炭配施比例不利于烤煙糖氮比的平衡,也不利于烤煙鉀氯比值的提高。

綜合來看，生物炭與氮肥配施能夠調控烤煙的生長，促進煙株的生長發育,協調烤后煙葉的主要化學成分含量。T5處理即生物炭用量為3 750 kg/hm2,施氮量為112.5 kg/hm2,烤煙生長發育速度較快,烤煙各器官干物質分配比例協調,烤后煙葉化學成分含量適宜,有利于優質烤煙的生產。

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Effects of Biochar Application Combined with Nitrogen Fertilizer on Growth of Flue-cured Tobacco and Main Chemical Composition of Tobacco Leaves

LIU Hui1,ZHOU Qingming1,LI Juan1,ZHANG Liming2,ZHANG Mingfa2,SUN Min1,LIU Zhixuan1,CHEN Jialiang1

(1.College of Agronomy,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China;2.Xiangxi Autonomous Prefecture Branch of Hunan Provincial Tobacco Company,Jishou 416000,China)

In order to study the effects of different amount of biochar application combined with nitrogen fertilizer on the growth of flue-cured tobacco and the main chemical composition of tobacco leaves.Yunyan 87 was selected as testing material and a field experiment was designed to study the effects of nine different amount of biochar application combined with nitrogen fertilizer on the growth of flue-cured tobacco and the main chemical composition of tobacco leaves.The results showed that biochar application combined with nitrogen fertilizer could regulate and promote the growth of flue-cured tobacco,accelerate the speed of the leaves,but amount of biochar application was not positively correlated with the role of promotion tobacco growth,when applied to the biochar more than 3 750 kg/ha,and nitrogen fertilizer at 112.5 kg/ha,the role in promoting tobacco growth gradually decreased.Biochar application combined with nitrogen fertilizer could promote root growth,and improve the amount of dry matter accumulation of flue-cured tobacco.Coordinate the content of total sugar and reducing sugar,decline the content of starch,and improve the content of potassium in tobacco leaves and improve the combustibility of tobacco leaves.At the same time,it could also improve the ratio between sugar and nicotine,the ratio between sugar and nitrogen and the ratio between sugar and nitrogen of tobacco leaves.It was harmful to improve the ratio between sugar and nitrogen and the ratio between potassium and chlorine of tobacco leaves that a lower proportion of biochar application combined with nitrogen fertilizer that was 3 000 kg/ha biochar and 75.0 kg/ha nitrogen fertilizer.It was concluded that 3 750 kg/ha biochar and 112.5 kg/ha nitrogen fertilizer was the optimal proportion which had faster growth of tobacco plant and the appropriate content of main chemical composition of tobacco leaves.

Flue-cured tobacco;Biochar;Nitrogen fertilizer;Chemical composition

2016-07-12

湖南省煙草專賣局重點項目(13-14ZDAa03)

劉 卉(1990-),男,湖南常德人,在讀博士,主要從事煙草原料與加工工程研究。

黎 娟(1981-),女,湖南常德人,副教授,在讀博士,主要從事煙草科學與工程技術研究。

S572;S143.1

A

1000-7091(2016)05-0159-08

10.7668/hbnxb.2016.05.024