基于蒸汽爆破技術的煙稈炭與氮肥配施對烤后煙中性致香成分的影響

李靜靜， 李建華， 程 功， 任天寶， 葛少華， 劉國順

(1.河南農業大學/國家煙草栽培生理生化研究基地，河南鄭州 450002； 2.河南省煙草公司許昌市公司，河南許昌 456100)

土壤碳庫在陸地碳循環和全球變化中起重要作用，如何增加土壤碳截留已引起研究者的高度重視[1]。近年來，由于不合理的耕作制度和栽培模式，致使土壤碳氮比下降，肥料利用率降低，土壤理化性狀和生物特性逐步惡化。所以，提高碳庫指數和土壤的C/N對于土壤改良和提高肥料利用率具有重要的意義。

目前，通過生物質熱解制成的生物炭已日益被視為增加土壤碳截留、緩解溫室氣體效應的潛在有效措施，并將其用作土壤改良劑及固碳劑的研究日益增多[2-3]。國外在生物炭的性質和特征及其對土壤物理、化學性質、微生物作用，作物肥效及土壤固碳等方面展開了較廣泛的研究，并取得明顯進展[3]。本研究采用高溫高壓蒸汽裂解技術，將粉碎后的煙稈經過高溫高壓蒸汽介質進行熱裂解然后瞬時爆破后形成一種高含碳量、性質穩定的產物。該煙稈炭具有炭含量高，比表面積大且吸附能力強的特點，既減少了煙稈固體廢棄物引起的環境污染，又可以改善植煙土壤質量和提高肥料效率。唐光木等研究表明，施入20、40 t/hm2的生物炭，能顯著提高土壤有機質含量，與基礎土壤相比，分別提高了22.77%、49.80%[3]，明顯高于秸稈還田、羊糞和腐殖酸有機肥等對土壤有機質的提升效果，施用生物炭提高了玉米單穗質量、千粒質量、產量以及生物量，降低了玉米的根冠比，促進玉米根系生長。馬莉等研究表明，施用生物炭對小麥生長具有一定的促進作用，可顯著提高小麥地上部干物質量、氮素吸收量、土壤中氮素殘留量，減少土壤小麥體系氮素表觀損失[4]。Baronti等進行沙壤土盆栽試驗，結果表明，生物炭施用量為30、60 t/hm2時，黑麥草的生物量分別較對照增加了20%、52%，但繼續增加生物炭施用量到100、200 t/hm2時，其生物量反而較對照降低8%和30%[5]。

關于生物炭與氮肥配施的研究多集中水稻、小麥、玉米等作物[6-7]領域，與煙草相關的研究大多集中在生物炭用量方面，而對于應用蒸汽爆破處理煙稈制成的生物質炭對土壤的改良和碳庫修復方面的研究鮮有報道。因此本研究利用高溫蒸汽爆破技術制成的生物炭與氮肥配施，探索其對烤后煙中性致香物質含量的影響方式及作用規律，以期在煙稈生物炭與氮肥配施促進烤煙生長改善煙葉品質的同時，達到改良植煙土壤質量，又為煙稈炭在減量化施肥中的應用和煙草廢棄物肥料化利用提供技術支持和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗地概況

大田試驗于2015年3—9月在河南省方城縣金葉園開展。烤煙品種為云煙87，土壤類型為黃壤土。煙稈生物質炭制取工藝：煙稈粉碎成3～5 cm，在蒸汽壓力4.2～4.5 MPa、溫度350～360 ℃、保壓時間240～260 s條件下進行瞬時高溫高壓蒸汽爆破處理，粉碎后過2 mm篩制得。土壤和煙稈生物質炭的基本性質見表1。

1.2 試驗設計

設煙稈生物質炭、氮肥2個因素，其中，煙稈生物質炭3個水平，分別為C0(0 t/hm2)、C1(2.4 t/hm2)、C2(4.8 t/hm2)；氮肥(純氮)處理的3個水平，分別為N1(22.5 kg/hm2)、N2(37.5 kg/hm2)、N3(52.5 kg/hm2)。所用氮肥為煙草專用復合肥(N ∶P2O5∶K2O=10 ∶10 ∶20)。并以N1(22.5 kg/hm2)水平來計算肥料施用量，用過磷酸鈣和硫酸鉀補足磷、鉀肥。試驗共9個處理。每個處理3次重復。

表1 煙稈和土壤生物質炭的理化性質

70%化肥、65%煙稈炭起壟前條施，30%化肥、35%煙稈炭于移栽前穴施，并將所施肥料與土壤混合均勻。田間栽培，行距1.1 m，株距0.55 m，試驗地四周設保護行，于2014年4月30日移栽，按優質煙葉管理方法進行管理。

1.3 測定項目及方法

中性致香物質采用同時蒸餾萃取法進行前處理，上機所用儀器為HP5890—5972氣質聯用儀。GC/MS分析條件如下，色譜柱：HP-5(60 m×0.25 mm，0.25 μm)；載氣及流速：He 0.8 mL/min；進樣口溫度：250 ℃；傳輸線溫度280 ℃；離子源溫度177 ℃。升溫程序：50 ℃(2 min)—2 ℃/min—120 ℃(5 min)—2 ℃/min—240 ℃(30 min)；分流比與進樣量：1 ∶15；2 μL；電離能70 eV；質量數范圍：50～500 amu。MS譜庫：NIST02。采用內標法定量，內標為硝基苯。

1.4 數據處理

采用Excel 2013對數據進行統計與分析。

2 結果與分析

2.1 煙稈炭與氮肥配施對苯丙氨酸類降解產物的影響

烤煙中的苯丙氨酸類香氣物質主要是芳香族氨基酸降解產物苯甲醛、苯乙醛、苯甲醇和苯乙醇，這些是煙草中含量較多的香味成分。從表2可以看出，低氮水平下，配施煙稈炭處理C1苯丙氨酸類降解產物含量低于對照，C2高于對照；中氮水平下，施煙稈炭處理高于對照，且隨著煙稈炭用量的增加而增加；高氮水平下，施煙稈炭的處理苯丙氨酸類降解產物含量低于對照，說明低氮和中氮條件下，土壤中添加煙稈炭可以增大烤后煙葉中的苯丙氨酸類降解產物的含量，但高氮水平下，土壤中添加煙稈炭則會降低其含量。

表2 不同處理苯丙氨酸類降解產物含量比較

2.2 煙稈炭與氮肥配施對棕色化反應產物的影響

棕色化反應產物包含許多令人感覺愉快的香氣，對卷煙的香氣和吃味均有良好的作用。從表3可以看出，低氮水平下，配施煙稈炭處理，C2棕色化反應產物總量要多于C0，但C1低于C0；中氮條件下，棕色化反應產物總量表現為C1>C0>C2；高氮水平下，配施煙稈炭處理與對照棕色化反應產物總量差異不大。表明低氮、中氮水平下，土壤中添加煙稈炭可以增加烤后煙中棕色化反應產物的含量，提高煙葉的香氣。

表3 不同處理棕色化反應產物含量比較

2.3 煙稈炭與氮肥配施對類胡蘿卜素降解產物的影響

類胡蘿卜素降解產物占煙草香味物質總量的很大一部分，烤煙經過烘烤與純化后，有95%的類胡蘿卜素會降解成不同的香味物質，降解產物中，有相當多的化合物是煙草中的關鍵致香成分，如紫羅蘭酮、巨豆三烯酮和氧化異佛爾酮等。β-大馬酮具有玫瑰香特征的香氣，加入煙草后可以顯著提高煙氣質量，在卷煙的加香方面也很有用處。從表4可以看出，隨施氮量的提高，類胡蘿卜素降解產物含量表現先增多后減少，說明中等氮肥水平下烤煙類胡蘿卜素降解產物含量較高，氮肥過高或過低均會降低其含量。

不同煙稈炭用量處理方面，低氮條件下，不同處理間類胡蘿卜素降解產物總量差異不明顯；中氮水平下，C1處理類胡蘿卜素降解產物總量多于對照；高氮水平下，配施煙稈炭處理類胡蘿卜素降解產物總量均少于對照。說明中氮條件下，土壤中添加煙稈炭可以增加烤后煙類胡蘿卜素降解產物總量。

2.4 煙稈炭與氮肥配施對類西柏烷類、葉綠素降解產物的影響

類西柏烷類香味物質主要由茄酮及其衍生物組成，煙草中的茄酮含量較多，是中性香味物質之一，自身有特別好的香氣。香氣物質中含量最多的化合物是新植二烯， 它是葉綠素

表4 不同處理類胡蘿卜素降解產物含量

的降解產物，當煙葉燃吸時，它可以直接進入煙氣當中，減少煙氣的刺激性，柔和煙氣。從表5可以看出，隨著氮水平的提高，茄酮含量表現為先增多后減少(N3C1除外)；C0、C1水平下，隨著氮水平的提高，新植二烯含量表現為先增多后降低。

不同煙稈炭用量處理，在低氮水平下，配施生物炭的C1、C2處理的茄酮含量比對照高。在中氮水平下，C1、C2處理的茄酮含量均比C0小，大小順序表現為C0>C1>C2，C1處理的新植二烯含量大于C0，表明在中氮條件下，增施煙稈炭會降低茄酮含量，增施2.4 t/hm2煙稈炭可提高煙葉新植二烯含量；高氮水平下，配施煙稈炭的C1、C2處理茄酮含量均比對照高，表現為C1>C2>C0；C1處理的新植二烯含量比對照低，C2處理則相反。表明在不同氮素條件下，增施適量煙稈炭可以增加烤后煙葉茄酮、新植二烯含量。

表5 不同處理類西柏烷類和葉綠素降解產物含量比較

3 結論與討論

煙葉香氣成分是衡量煙葉品質好壞最重要的指標之一，多種香氣成分的含量和比例共同決定煙葉的香氣質量及香型。不同氮用量處理，總體表現為中氮水平下類胡蘿卜素降解產物、茄酮、新植二烯含量較大。低氮水平下，配施中量煙稈炭可提高茄酮含量，配施高量煙稈炭可提高芳香族氨基酸降解產物、棕色化反應產物、類胡蘿卜素降解產物、茄酮及新植二烯的含量。中氮水平下，配施中量煙稈炭可提高芳香族氨基酸降解產物、棕色化反應產物、類胡蘿卜素降解產物及新植二烯含量，但降低茄酮含量，配施高量煙稈炭僅可增加芳香族氨基酸降解產物含量。高氮水平下，配施中量煙稈炭可提高茄酮含量降低芳香族氨基酸降解產物、棕色化反應產物、類胡蘿卜素降解產物及新植二烯含量，配施高量煙稈炭可提高棕色化反應產物、茄酮及新植二烯的含量，降低芳香族氨基酸降解產物和類胡蘿卜素降解產物含量。因此，中氮條件下配施中量煙稈炭對烤后中部煙葉致香物質含量提高較明顯。

張園營等研究表明，施用750 kg/hm2生物炭時，相對于常規施肥，石油醚提取物含量增加12%，中性致香物質總量最高[8]。可能是因為生物炭用量、烤煙品種及種植地區生態環境的差異導致不同結果。王新發等研究發現，不同基因型烤煙中性致香物質對氮用量的響應不同[9]，具體原因還需通過相關試驗進一步研究。

在試驗條件下，中氮條件下應用2.4 t/hm2生物炭在烤煙生產上是可行的。這對當地烤煙生產上合理施用氮肥、避免資源浪費破壞土壤環境、促進優質烤煙生產的可持續發展有較大的借鑒意義和應用價值。

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