炭基肥對植煙黃壤性狀和烤煙養分積累、產量及品質的影響*

陳 懿 林英超 黃化剛 林葉春 高維常 潘文杰?

（1貴州省煙草科學研究院，貴陽 550081）（2貴州省煙草公司畢節市公司，貴州畢節 551700）

我國是世界第一煙草生產大國，常年煙葉種植約在100萬hm2，烤煙種植面積占95%以上，如何科學施肥、培肥煙田土壤以進一步提升烤煙品質一直是我國煙草行業研究的主題之一。

生物炭在改善土壤理化性狀，調控土壤微生物數量及群落結構組成，削控土壤污染，提升作物產量和質量等方面的效果已得到廣泛認可［1-3］。生物炭在我國烤煙種植上也得到了較為廣泛的研究和應用，已有研究表明，生物炭提高土壤含水量，增加土壤孔隙度，提高土壤陽離子交換量（CEC）、總有機碳含量和養分有效性，降低土壤可溶性有機碳含量，增加根際土細菌豐富度和多樣性，改變根際土壤細菌群落結構組成，降低煙草青枯病發病率，提高烤煙葉片水勢、根系體積和干質量，提升烤煙產量和品質［4-8］。

近年來，為可持續保育農田、平衡作物生長所需養分以及解決生物炭在運輸和施用上不便的問題，將生物炭作為肥料載體制成炭基肥加以應用備受關注，更有利于形成產業化，其農用效果更好，應用前景更為廣闊［9-11］，符合國家提出化肥“零增加”的發展方向。炭基肥在煙草行業引起了高度關注并得到了一定的應用，并也表現出了積極的改土、增產和提質效果［12-13］。但炭基肥在烤煙種植上的應用研究集中在我國的山東和河南煙區，而在我國烤煙主產區（西南煙區）的研究報道甚少。貴州是我國第二大烤煙種植區，常年烤煙種植面積約占全國15%，其主要植煙土壤為有別于其他煙區土壤的黃壤（鋁質常濕淋溶土和雛形土），貴州喀斯特地區的巖溶地質構造特征和長期淋溶作用，煙農不重視肥力培育，偏重施用單一化肥，烤煙連作較普遍，植煙黃壤呈現酸化、水肥流失、瘠薄、板結等問題，導致烤煙養分吸收、產量和肥料利用率偏低，品質不穩定，制約貴州烤煙優質生產［14-15］。為此，針對以上問題，本研究選擇貴州植煙黃壤，通過大田試驗，設置不同施肥處理，探究炭基肥對土壤化學性質、微生物數量、酶活性和烤煙養分積累、產量、揮發性香氣物質、化學成分的影響，旨在促進炭基肥在貴州植煙黃壤乃至我國西南地區植煙土壤保育、烤煙養分和品質調控上的應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

大田試驗安排在貴州省煙草科學研究院的龍崗基地（26°52′N，107°5′E）進行，該基地海拔1 120 m，年均氣溫約16 ℃，降雨量約1 185 mm，無霜期約277 d，土壤為黃壤（鋁質常濕淋溶土），基本化學性質為pH 7.1，有機碳26.9 g·kg-1，堿解氮132.0 mg·kg-1，有效磷26.1 mg·kg-1，速效鉀288.5 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

大田試驗于2016年進行，供試烤煙品種為我國目前主要品種云煙87。供試肥料包括：烤煙專用基肥（N∶P2O5∶K2O=9∶13∶22），烤煙專用追肥（N∶P2O5∶K2O=12∶0∶24），炭基復混肥（N∶P2O5∶K2O=9∶11∶18，采用玉米秸稈炭和烤煙專用基礎肥復混圓盤造粒制成），以上肥料由畢節靈豐復肥有限公司加工制成；酒糟有機肥（N 2%、P2O50.6%、K2O 0.5%）、炭基酒糟有機肥（N 2%、P2O50.4%、K2O 0.9%，采用玉米秸稈炭和酒糟有機肥復混制成），以上肥料由金沙增孟專業合作社加工制成。

1.3 試驗設計

采用小區試驗，每個小區面積為36.3 m2，隨機區組排列，烤煙移栽的株行距為1.1 m×0.55 m，每個小區植煙60株。

設置3個施肥處理： （1）不施肥（NF）；（2）常規肥（CF）（條施酒糟有機肥、烤煙專用基肥，穴施烤煙專用追肥）；（3）炭基肥（BF）（條施炭基酒糟有機肥、炭基復混肥，穴施烤煙專用追肥）。每個處理設置3個重復。

施肥方法為：基肥在起壟前條施，其中烤煙專用基肥、炭基復混肥用量為600 kg·hm-2，酒糟有機肥、炭基酒糟有機肥用量為750 kg·hm-2，炭基肥處理分別用過磷酸鈣和硫酸鉀補足P2O5和K2O。填窖時穴施烤煙專用追肥，用量為150 kg·hm-2。烤煙生產其他措施均按當地優質煙葉生產規范進行操作。

1.4 土壤性狀與烤煙品質分析

烤煙栽后50 d（旺長期），利用抖土法采集根際土樣，放入無菌自封袋，一部分放入冰箱4℃冷藏，稀釋平板涂抹培養計數法測定土壤細菌、放線菌和真菌數量，采用的培養基分別是牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基、高氏1號培養基和馬丁氏培養基。另外一部分自然風干保存，采用靛酚比色法測定土壤脲酶活性，采用紫外分光光度法測定土壤過氧化氫酶活性。烤煙采收結束后，用對角線5點取樣法采集0～20 cm耕層土樣，去雜、充分混勻，自然風干、研磨過篩，采用常規方法測定土壤pH、有機碳、堿解氮、有效磷和速效鉀含量［16］。

烤煙栽后50 d，采集第10葉位鮮煙葉樣品，用于質體色素含量測定(95%乙醇提取，采用分光光度法)。采集C3F等級初烤煙葉樣品，采用頂空固相微萃取結合全二維氣相飛行時間質譜測定揮發性香氣物質含量［17］。采集C3F和B2F等級初烤煙葉樣品，采用連續流動法進行化學成分含量測定［18］。

1.5 統計與分析

烤煙養分積累量統計：煙葉于成熟采收前一天取樣，105℃殺青，60℃烘干后稱重保存。煙葉采收結束后，采集莖和根，殺青烘干稱重保存。分器官粉碎過篩，檢測全氮、全磷、全鉀含量，采用凱氏定氮法測定全氮，采用礬鉬黃比色法測定全磷，采用火焰光度法測定全鉀，方法參見文獻［19］。統計烤煙養分積累量。

各小區煙葉成熟采收，按照國家標準《GB2635-1992烤煙》［20］分級測產，計算不同肥料養分農學利用率，肥料養分農學利用率=（施肥區煙葉產量-無肥區煙葉產量）/肥料養分用量。

采用Systat Sigmaplot 10.0進行制圖，利用IBM SPSS Statistics 20.0進行單因素方差分析，多重比較采用Duncan法。

2 結 果

2.1 不同施肥處理對土壤化學性質的影響

由表1可看出，各處理之間土壤堿解氮和有機碳含量依次為炭基肥＞常規肥＞不施肥，差異不顯著。各處理之間土壤pH、有效磷和速效鉀含量依次為炭基肥＞不施肥＞常規肥，炭基肥處理顯著高于常規肥處理，土壤pH提高0.22個單位，有效磷和速效鉀含量增幅分別為30.2%和6.4%。說明炭基肥可明顯提升土壤pH、有效磷含量和速效鉀含量。

表1 不同施肥處理下土壤化學性質Table 1 Chemical properties of the tested soil relative to different fertilization treatment

2.2 不同施肥處理對土壤微生物數量與酶活性的影響

由表2可見，不同施肥處理土壤細菌數量、放線菌數量和真菌數量均呈現為炭基肥＞常規肥＞不施肥。炭基肥處理土壤細菌數量為常規肥處理的1.56倍，不同處理之間差異顯著。炭基肥處理土壤放線菌數量和真菌數量分別為常規肥處理的1.57倍和1.45倍，差異顯著。上述數據表明，施用炭基肥顯著增加土壤細菌、放線菌、真菌數量。

表2 不同施肥處理下土壤微生物數量Table 2 Microbe populations in the soil relative to different fertilization treatment

土壤酶活性在一定程度上反映了微生物活性及其在土壤養分循環過程中的作用［21］。如圖1所示，土壤脲酶活性趨勢是炭基肥處理最高，常規肥處理居中，不施肥處理最低，炭基肥處理顯著高于不施肥處理。與常規肥處理相比，炭基肥處理土壤脲酶活性提高7.8%。炭基肥處理土壤過氧化氫酶活性最高，較不施肥處理和常規肥處理分別提高7.6%和10.6%，均達0.05顯著水平。

2.3 不同施肥處理對烤煙養分積累、產量與肥料農學利用率的影響

各處理烤煙氮、磷、鉀養分積累量趨勢相同（見表3），大小依次為炭基肥＞常規肥＞不施肥。炭基肥處理和常規肥處理烤煙氮積累量顯著高于不施肥處理，炭基肥處理為常規肥處理的1.11倍。炭基肥處理烤煙磷積累量顯著高于不施肥處理，為常規肥處理的1.30倍。炭基肥處理和常規肥處理的烤煙鉀積累量顯著高于不施肥處理，炭基肥處理為常規肥處理的1.13倍。表明施用炭基肥促進烤煙養分吸收積累。

不同施肥處理對烤煙產量和產值具有顯著影響（表4）。炭基肥處理和常規肥處理烤煙產量顯著高于不施肥處理，炭基肥處理較常規肥處理提高1.6%。炭基肥處理烤煙產值最大，較不施肥處理和常規肥處理分別提高59.5和5.3%，處理間差異均達0.05顯著水平。與常規肥處理相比，炭基肥處理肥料農學利用率提高。兩種肥料磷農學利用率最高，氮農學利用率居中，鉀農學利用率最低。表明炭基肥對烤煙的增產效果和肥料農學利用率優于常規肥。

圖1 不同施肥處理下土壤脲酶和過氧化氫酶活性Fig. 1 Activities of soil urease and catalase in the soil relative to different fertilization treatment

表3 不同施肥處理下烤煙養分積累量Table 3 Nutrient accumulation of the flue-cured tobacco relative to different fertilization treatment

表4 不同施肥處理下烤煙產量、產值和肥料農學利用率Table 4 Yield,output value of the flue-cured tobacco and the fertilizer agronomic efficiencies relative to different fertilization treatment

2.4 不同施肥處理對烤煙品質的影響

質體色素是煙葉重要的香氣前體物，在煙葉成熟、調制、醇化和燃燒過程中可逐漸降解代謝形成多種香氣化合物，影響煙葉香氣特征［22］。如圖2所示，煙葉葉綠素含量高低依次為炭基肥處理＞常規肥處理＞不施肥處理，炭基肥處理和常規肥處理顯著高于不施肥處理，炭基肥處理較常規肥處理提高12.0%。炭基肥處理煙葉類胡蘿卜素含量較不施肥處理和常規肥處理分別提高53.2%和20.5%，各處理間差異顯著。

初烤煙葉揮發性香氣物質含量及其構成對烤煙香氣風格特征具有重要影響［23］。從表5可以看出，各處理煙葉葉綠素、類胡蘿卜素、美拉德反應降解產物含量及揮發性香氣物質總含量依次為炭基肥＞常規肥＞不施肥，其中炭基肥處理和常規肥處理煙葉葉綠素、類胡蘿卜素降解產物含量及揮發性香氣物質總含量顯著高于不施肥處理，炭基肥處理煙葉美拉德反應降解產物含量顯著高于不施肥處理。炭基肥處理煙葉揮發性香氣物質總含量較不施肥處理和常規肥處理分別提升31.1%和1.2%。苯丙氨酸降解產物含量依次為不施肥＞炭基肥＞常規肥。類西柏烷類降解產物含量依次為不施肥＞常規肥＞炭基肥，炭基肥處理較不施肥處理顯著下降18.9%。生物堿類香氣物質含量依次為常規肥＞炭基肥＞不施肥，處理間差異顯著，與常規肥處理比較，炭基肥處理和不施肥處理分別下降8.3%和45.4%。

圖2 不同施肥處理下煙葉質體色素含量Fig. 2 Plastid pigment contents in the tobacco leaves relative to fertilization treatment

表5 不同施肥處理下初烤煙葉揮發性香氣物質含量Table 5 Contents of volatile aroma components in the flue-cured tobacco leaves relative to different fertilization treatments / (ng·g-1)

我國優質煙葉總氮、煙堿、還原糖、氯、糖 堿比適宜范圍大致分別為15 g·kg-1～40 g·kg-1、13 g·kg-1～35 g·kg-1、180 g·kg-1～220 g·kg-1、2 g·kg-1～6 g·kg-1、和8～12［24］。煙葉化學成分結果見表6。與不施肥處理比較，施肥處理煙葉總氮和煙堿含量升高、糖堿比減小。較之常規肥處理，炭基肥處理煙葉總糖和還原糖含量降低、總氮和煙堿含量升高、糖堿比減小。炭基肥處理煙葉化學成分含量相對適宜，協調性較好。

表6 不同施肥處理下初烤煙葉化學成分Table 6 Chemical components of the flue-cured tobacco leaves relative to different fertilization treatment

3 討 論

3.1 炭基肥對植煙黃壤化學性質、微生物數量與酶活性的影響

據劉小虎等［25］研究報道，炭基緩釋花生專用肥施入后土壤中速效氮磷鉀含量明顯高于施用普通的氮磷鉀肥。李江舟等［26］認為施用生物炭能有效減少植煙土壤硝態氮和磷素的淋溶損失。潘復燕等［27］研究發現，化肥配施生物炭和硝化抑制劑，整個麥季通過徑流和滲漏損失的氮磷分別減少68.8%和26.1%。本研究結果表明，施用炭基肥明顯提升土壤pH、有效磷含量和速效鉀含量。生物炭含有K+、Ca2+、Mg2+等鹽基離子，進入土壤以后會一定程度的釋放，交換土壤中的H+和Al3+，從而降低其濃度，調節土壤pH。生物炭對肥料養分具有吸持效應，增強了土壤對外源養分更多的截獲，減少養分淋洗。因此，炭基復混肥配合炭基有機肥（炭基肥）施用可治理植煙黃壤酸化，提升植煙黃壤保肥能力。

陳偉等［28］研究認為，生物炭與生物有機肥聯合處理增加了土壤可培養微生物數量，增加了微生物對碳源的利用能力。Doan等［29］在施用化學肥料和生物有機肥的土壤中添加生物炭，發現土壤細菌數量、群落結構多樣性（Shannon）指數和豐富度指數均顯著增加。本研究結論類似，炭基肥顯著增加土壤細菌、放線菌及真菌數量。炭基肥以生物炭為肥料載體，通過生物炭、肥料實現與土壤微生物的交互作用，生物炭多微孔結構為微生物提供了繁殖環境，比表面積較大，表面具有豐富的官能團，可將肥料中養分吸附在其表面，為微生物提供易礦化的有機碳氮及速效氮，進而促進微生物繁殖。趙軍等［10］研究報道，FY（化學反應型生物炭基氮肥）、XF（固-液吸附型生物炭基氮肥）、CH（摻混型生物炭基氮肥）處理土壤脲酶活性顯著高于AN（硝酸銨氮肥）和CK（不施氮肥）處理；土壤過氧化氫酶活性的影響效應為FY＞AN＞XF＞CH＞CK。本研究表明，炭基肥處理土壤脲酶活性最高，常規肥處理居中，不施肥處理最低，炭基肥處理與不施肥處理差異顯著；炭基肥處理土壤過氧化氫酶活性顯著高于不施肥處理和常規肥處理。施用炭基肥提高土壤脲酶和氧化氫酶活性，原因可能是炭基肥為土壤微生物提供了充足的碳氮源，同時改善了土壤微生態環境（水分和通氣狀況），有利于土壤動物和微生物生長，肥料或土壤有機物分解加快，提供了更多土壤酶促反應底物。與趙軍研究結果略有差異，可能因為肥料綜合性質（pH、有機質含量、生物炭種類等）略有不同，對酶促反應底物含量的影響不同。可見，炭基復混肥配合炭基有機肥（炭基肥）施用可提升植煙黃壤生物活性。

3.2 炭基肥對烤煙養分積累、產量、品質及肥料農學利用率的影響

生物炭吸附的氮素在作物生長過程中可緩慢釋放［30］。代銀分等［31］通過添加生物炭對土壤磷吸附解析的影響研究中發現，隨著秸稈生物炭與土壤配比的增加，其對磷的吸附性逐漸增強；秸稈生物炭添加對土壤磷的解吸能力沒有明顯影響。生物炭與化學肥料互作明顯提高大豆單株氮、磷積累量［32］。高海英等［9］認為，施用竹炭基氮肥和木炭基氮肥顯著促進小麥、糜子生長和增產，并提高氮肥利用率。本研究發現，施用炭基肥提高烤煙氮、磷、鉀養分積累量，提高烤煙產量和肥料農學利用率。原因可能是炭基肥中生物炭對養分離子的物理吸附，減少了肥料養分淋洗損失，不影響養分適時釋放，良好的微生物響應催化了土壤的生化反應，增加烤煙養分吸收積累。炭基復混肥配合炭基有機肥（炭基肥）施用可提高烤煙養分積累、產量和肥料農學利用率。

本研究表明，施用炭基肥提高煙葉質體色素含量，其中類胡蘿卜素影響顯著。可能與生物炭改善土壤水、氣環境，促進根系生理代謝［33］，延緩煙葉衰老，質體色素代謝相關基因表達相對較強［34］有關。本研究結果表明，施用炭基肥提升煙葉葉綠素、類胡蘿卜素、美拉德反應降解產物含量及揮發性香氣物質總含量，炭基肥處理煙葉揮發性香氣物質總含量較不施肥處理和常規肥處理分別提升31.1%、1.2%。各處理煙葉生物堿類香氣物質含量依次為常規肥＞炭基肥＞不施肥，處理間差異顯著。炭基肥對煙葉揮發性香氣物質含量及其構成的影響，可以通過調控土壤養分吸附和轉化、烤煙根系吸收、煙葉香氣前體物積累實現。鄧小華等［35］研究認為，對于煙葉二氫獼猴桃內酯、巨豆三烯酮、β-紫羅蘭酮、糠醛等中性揮發性香氣物含量影響的前3個主要土壤因子為速效鉀、有效磷和pH。其中二氫獼猴桃內酯、巨豆三烯酮、β-紫羅蘭酮為煙葉類胡蘿卜素降解產物，糠醛為煙葉美拉德反應降解產物。薛超群等［36］研究報道，隨著生物炭用量的增加，煙葉美拉德反應產物含量升高，類胡蘿卜素降解產物含量、總香味物質含量先升后降。本研究發現，較之常規肥處理，炭基肥處理煙葉總糖和還原糖含量降低、總氮和煙堿含量升高、糖堿比減小。炭基復混肥配合炭基有機肥（炭基肥）施用可提升煙葉品質。

需要指出的是，本研究僅是大田試驗第一年結果的總結，也初步表明了炭基肥應用的積極效果和前景，下一步將繼續進行大田試驗，進一步豐富和驗證炭基肥的施用效果。

4 結 論

本研究初步揭示了炭基肥在貴州植煙黃壤上應用的良好效果，與常規肥比較，可顯著提升土壤pH、有效磷和速效鉀含量，顯著增加土壤細菌、放線菌和真菌數量，提高土壤脲酶和過氧化氫酶活性，提高烤煙養分積累、烤煙產量和肥料農學利用率，顯著提升烤煙產值，提高煙葉葉綠素、總氮、煙堿含量及揮發性香氣物質總含量，顯著增加煙葉類胡蘿卜素含量，降低煙葉總糖和還原糖含量，顯著降低煙葉揮發性生物堿類香氣含量，可以推廣應用于貴州乃至我國西南地區烤煙種植。