煙稈生物質炭對烤煙連作障礙的消減作用初探

孔明，王鐸，李杰，李正偉，張智俊，孔德旬，楊松兵，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）

烤煙忌連作，但由于耕地面積限制和經濟效益驅使，我國烤煙連作現象呈逐年發展態勢［1］。據統計，我國至少有40×104hm2的植煙土壤存在連作現象，約占我國植煙總面積的30% ～60%，造成土壤環境急劇惡化［2］。另一方面，大量煙草秸稈的不合理利用同樣導致環境污染和病蟲害加劇，并與連作障礙共同制約著煙草產業的發展。

前人研究表明，隨著連作年限的增加，煙株在大田生長后期的株高、莖圍等農藝性狀指標均會下降，同時，連作條件下煙株根系發育也會受到較大的抑制［3，4］。有研究發現，與輪作種植模式相比，連作烤煙葉片總氮、煙堿含量偏高，產量、中上等煙比例也均低于輪作種植烤煙［5］。婁翼來等［6］研究表明，連作可顯著降低植煙土壤pH值，同時，烤煙長期連作會使土壤中的某一種或者幾種營養元素長期大量損耗，而其它營養元素則隨連作年限的增加大量積累，使得土壤養分嚴重失調，進而影響煙株的生長發育［7］。另外，白羽祥等［8］在對比研究連作4、6、8、14、16年植煙土壤細菌群落時發現，短期連作（6年以下）對植煙土壤細菌群落結構影響較小，但連作達到8年以上時細菌群落結構會發生劇變，連作14、16年的植煙土壤，細菌豐富度及多樣性也會顯著降低。

近年來，生物質炭因其巨大的比表面積和強吸附性被廣泛應用在植煙土壤修復方面［9，10］。生物質炭是指在絕氧或限氧條件下，農田廢棄物等生物質經過高溫熱解炭化而成的一種具有高度芳香化、富含碳素的多孔固體顆粒物質［11］。其孔隙結構極其發達，含氧活性基團十分豐富［12，13］。大量研究表明，生物質炭不僅可以改良土壤物理特性［14］、提高土壤肥力［15，16］，調節土壤pH值［17］，其特殊的結構組成還能通過增加土壤微生物的生理活性對其群落結構產生影響［18］。此外，張繼旭等［19］研究表明，生物質炭的施用能夠有效提高土壤酸性磷酸酶和蔗糖酶的活性。施用生物質炭可以促進煙株根系的伸長生長［20］，進而影響整個煙株的生長發育。王毅等［21］的研究也表明生物質炭能通過改善植煙土壤環境對煙葉產質量進一步產生影響。

現今，由于長期連作引發一系列土壤健康問題，嚴重制約著土壤的可持續利用及穩定、高效產出。近年來，生物質炭在農業土壤環境改良方面的應用效果已然成為國內外研究熱點，但利用煙稈生物質炭消減烤煙連作障礙的機理尚不清楚。基于此，本研究以煙稈生物質炭施用量為因素，通過對比不同煙稈生物質物炭施用量下的連作烤煙全生育期農藝性狀、光合特性及產質量指標，初步探討連作烤煙對煙稈生物質炭施用的響應，進而明確連作烤煙最佳的煙稈生物質炭施用量，以期為今后利用生物質炭緩解烤煙連作障礙提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2019年4—9月在云南省昆明市宜良縣竹山鎮（24°37′58″N，103°7′51″E，海拔1 650 m）進行。供試土壤為連作6年的紅壤土，試驗地平坦，墑面向陽，排水良好。土壤基礎理化性質：有機質18.65 g/kg、水解氮72.54 mg/kg、有效磷11.92 mg/kg、速效鉀162.25 mg/kg，pH值5.37。

1.2 試驗材料

供試烤煙品種K326，由云南省煙草公司昆明市公司提供，4月22日采用膜下小苗移栽方式移栽。煙稈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?？緹熡谄饓徘皸l施煙草專用復合肥（N∶P2O5∶K2O=12∶14∶24）610 kg/hm2為基肥，并于移栽后25 d內分3次對水澆施煙草專用追肥（N∶P2O5∶K2O=15∶0∶30）360 kg/hm2。

1.3 試驗設計

以不同煙稈生物質炭施用量為因素，共設4個處理，分別為A1（0 g/株）、A2（80 g/株）、A3（160 g/株）、A4（240 g/株）。隨機區組排列，重復3次。小區面積60 m2，每小區種植100株，行株距120 cm×50 cm。試驗田四周設保護行。栽培管理措施均按照當地常規優質煙葉生產技術措施規范進行，確保各品種生長正常、科學烘烤。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 生育期觀察記載 按烤煙生育期調查標準準確記錄移栽期、團棵期、現蕾期、中心花開放期、腳葉成熟期、頂葉成熟期時間。

1.4.2 煙株農藝性狀調查 于移栽后30、60、90 d，按照YC/T 142—2010煙草農藝性狀調查測量方法調查農藝性狀，內容包括株高、莖圍、有效葉片數、最大葉長、最大葉寬。

1.4.3 SPAD值測定 于移栽后30、60、90 d用SPAD-502型葉綠素測定儀測定各處理中部葉葉綠素含量。

1.4.4 光合特性測定 移栽后60 d，于晴朗天氣9∶00—12∶00，每個小區選5株長勢一致烤煙，在每株中部定點選取1片葉，用軟毛刷刷去葉面灰塵，用LI-6400型便攜式光合作用儀測定其最大凈光合速率、氣孔導度、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率。設置光合有效輻射（PAR）為1 500μmol/（m2·s），CO2注入系統設定為400μmol/mol，氣體流速為500 mm/s，葉溫為25℃。

1.4.5 烤煙經濟性狀調查 于烘烤結束后，按照42級國家煙葉分級標準分級、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產值、均價及統計中上等煙比例。

1.4.6 烤后煙葉外觀質量調查 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—92進行烤煙外觀質量鑒定，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［22］為各處理煙葉評分。

1.4.7 烤后煙葉化學成分分析 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。計算糖堿比（還原糖/煙堿）、氮堿比（總氮/煙堿）及鉀氯比（鉀/氯）。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2013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 煙稈生物質炭施用對連作烤煙生育期的影響

由表1可看出，隨著煙稈生物質炭施用量的逐漸增加，各生育期均呈不同程度的延長趨勢，其中以A3、A4處理較為明顯。

表1 煙稈生物質炭施用對連作烤煙生育期的影響 （月/日）

2.2 煙稈生物質炭施用對連作烤煙農藝性狀的影響

2.2.1 對連作烤煙株高的影響 由圖1可看出，在烤煙生長前期，隨著生物質炭施用量的增加，各處理株高呈先升高后降低的趨勢。移栽后30 d，A2處理株高最高，A3次之，A1、A4間無顯著差異；移栽后60 d，A3處理表現較優，A2顯著高于A1、A4，A1、A4表現最差；移栽后90 d，A2、A3處理間無顯著差異，且均優于A1、A4。以上結果說明施入適量煙稈生物質炭（80、160 g/株）可明顯促進連作煙田煙株生長，過量施用則有抑制生長的趨勢。

圖1 煙稈生物質炭施用對連作烤煙株高的影響

2.2.2 對連作烤煙莖圍的影響 由圖2可看出，移栽后30 d，A3處理莖圍最粗，A2次之，A1、A4間無顯著差異；移栽后60 d和90 d，A2、A3處理均顯著高于A1、A4處理，且A2、A3間和A1、A4間均無顯著差異。整體來看，160 g/株的煙稈生物質炭施用量更有助于連作煙田煙株莖稈細胞分裂增殖。

圖2 煙稈生物質炭施用對連作烤煙莖圍的影響

2.2.3 對連作烤煙有效葉片數的影響 由圖3可看出，烤煙移栽后30 d和60 d，煙株有效葉片數隨煙稈生物質炭施用量的增加呈先升高后降低的趨勢。移栽后30 d，以A3處理有效葉片數最多，A2次之，A1、A4較差；移栽后60 d，仍以A3處理表現最優，A2、A4間無顯著差異，A1最差；移栽后90 d，各處理有效葉片數均趨于一致。這說明前中期適量的煙稈生物質炭（160 g/株）施用能明顯促進連作烤煙開片，生長后期則無顯著增益效果。

圖3 煙稈生物質炭施用對連作烤煙有效葉片數的影響

2.2.4 對連作烤煙最大葉長的影響 由圖4可看出，烤煙移栽后30 d，A2、A3處理的最大葉長顯著高于A1、A4，且A2、A3間和A1、A4間均無顯著差異；移栽后60 d，則以A3處理表現最優，且A1、A2、A4間均無顯著差異；移栽后90 d，各處理間最大葉長均趨于一致。這說明施用160 g/株的煙稈生物質炭對烤煙前中期葉片伸長促進作用明顯，而生長后期則無顯著效果。

2.2.5 對連作烤煙最大葉寬的影響 由圖5可看出，移栽后30 d，A2處理最大葉寬顯著高于其它處理，A3次之，A1、A4較差；移栽后60 d和90 d，均以A3處理表現最優，A2、A4間無顯著差異，A1最大葉寬最小。這說明80 g/株的煙稈生物質炭施用量可顯著促進連作烤煙生長前期葉片拓寬，而施用量160 g/株則對中后期葉片促生作用明顯。

圖4 煙稈生物質炭施用對連作烤煙最大葉長的影響

圖5 煙稈生物質炭施用對連作烤煙最大葉寬的影響

2.3 煙稈生物質炭施用對連作烤煙SPAD值的影響

由圖6可看出，各時期葉片的SPAD值均隨煙稈生物質炭施用量的增加呈先升后降的趨勢。移栽后30 d和60 d，均以A3處理SPAD值最高，A2、A4次之，A1最差；移栽后90 d，A2、A3處理顯著高于其它處理，且兩者間無顯著差異，A1顯著高于A4。這說明160 g/株的煙稈生物質炭施用量最有利于連作烤煙葉片葉綠素含量的累積。

圖6 煙稈生物質炭施用對連作烤煙SPAD值的影響

2.4 煙稈生物質炭施用對連作烤煙光合特性的影響

由表2可知，隨著煙稈生物質炭施用量的增加，烤煙凈光合速率、氣孔導度以及蒸騰速率均呈先升高后降低的趨勢，而胞間二氧化碳濃度則與之相反。具體來看，凈光合速率表現為A3＞A2＞A4＞A1；各處理間氣孔導度均無顯著差異；胞間二氧化碳濃度以A1處理最高，A2、A4次之，A3最低；蒸騰速率，A3處理顯著高于其它處理，且A1、A2、A4處理間均無顯著差異。綜上，煙稈生物質炭的施用對烤煙凈光合速率、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率增益作用明顯，而對氣孔導度無顯著促進效果，且整體以160 g/株的煙稈生物質炭施用量最有利于連作烤煙的光合作用。

表2 煙稈生物質炭施用對連作烤煙光合特性的影響

2.5 煙稈生物質炭施用對連作烤煙經濟性狀的影響

由表3可知，隨著煙稈生物質炭施用量的增加，各處理在經濟性狀指標方面均呈現先升高后降低的趨勢。具體來看：A2處理的產量最高，達2 423.13 kg/hm2，A3、A1次之，A4最低；均價方面，以A3處理表現最優，A1最差，A2、A4間無顯著差異；產值表現為A3＞A2＞A4＞A1；中上等煙比例，A3處理最高，A2次之，A1、A4中上等煙比例較低。這表明80 g/株的煙稈生物質炭施用量可顯著提高連作烤煙產量，而施用量為160 g/株的處理則有最高的均價、產值及中上等煙比例。

表3 煙稈生物質炭施用對連作烤煙經濟性狀的影響

2.6 煙稈生物質炭施用對連作烤煙外觀質量的影響

由表4可知，顏色方面，各處理均為橘黃，且以A3處理得分最高，A4、A2次之，A1稍差；成熟度，A3、A2處理表現較優，A1、A4成熟度較低，且A3、A2間和A1、A4間得分均無顯著差異；對于結構來講，A1處理為尚疏松，A2—A4處理均為疏松，且以A2分值最高，A3、A4次之，A1最差；身份方面，A1處理稍薄，A2—A4處理均為中等，其中A2分值最高，A3次之，A4、A1間無顯著差異；油分和色度方面，A3處理均最優，A1最差，A2、A4間無顯著差異。綜合來看，各處理總分表現為A3＞A2＞A4＞A1。該結果說明，煙稈生物質炭可顯著提高連作烤煙外觀質量，且外觀質量分值隨施用量的增加呈先升后降的趨勢，其中以160 g/株的處理增益效果最優。

表4 煙稈生物質炭施用對連作烤煙外觀質量的影響

2.7 煙稈生物質炭施用對連作烤煙化學成分的影響

一般認為，云南優質煙葉的煙堿含量要求達到1.5% ～3.5%、總氮1.5% ～3.5%、總糖25% ～27%、還原糖16% ～18%、氯1%以下、鉀2%以上、淀粉8%～10%、糖堿比10～15、氮堿比1、鉀氯比4～10為宜。由表5可看出，總糖和煙堿含量，均以A2處理表現最為適宜；A3、A4處理的總糖顯著高于其它處理，A1最低；A2處理的煙堿含量最高，A3、A4次之，A1最低。還原糖，A3處理最高，A4次之，A1、A2較低，但后二者均處于優質煙葉還原糖含量范圍內?？偟?、氯含量、鉀含量、糖堿比及鉀氯比，均以A3處理表現最優。具體來看：A3處理的總氮和鉀含量最高，A1最低，而A2、A4間無顯著差異；氯含量，A1處理最高，A2、A4次之，A3最低；糖堿比，A3處理最高，A2最低，A1、A4間無顯著差異；鉀氯比則表現為A3＞A4＞A2＞A1。淀粉含量和氮堿比，均以A4處理表現最優。具體來看：淀粉含量表現為A4＞A3＞A2＞A1；而A2、A4處理的氮堿比較低，A1、A3較高，且A2、A4間和A1、A3間均無顯著差異。綜合來看，160 g/株的煙稈生物質炭施用量最有利于連作烤煙化學成分的平衡。

表5 煙稈生物質炭施用對連作烤煙化學成分的影響

3 討論與結論

連作會導致土壤容重升高，孔隙度減小，含水量降低，土壤pH值降低，土壤養分流失，進而影響烤煙生長。生物質炭作為新興的優質土壤改良劑，在植煙土壤保育、消減作物連作障礙等方面具有顯著作用。張福建［23］通過施用生物質炭緩解辣椒連作障礙的研究結果發現，在辣椒連作土壤中添加適量的生物質炭可顯著促進辣椒生長發育，并優化其根際土壤環境。楊莉等［24］通過在連作人參土壤中增施生物質炭發現，施用生物質炭顯著增加土壤養分和酶活性，其中增幅最大的為速效鉀。周孚美等［25］研究表明，在連作烤煙移栽前穴施12 000 kg/hm2稻殼炭可顯著提高烤煙農藝性狀及產質量指標，且未發現生物質炭的任何不利影響。劉術均等［26］研究表明，生物質炭處理的同葉位茄子葉片的葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素總量及定植后的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均高于對照，而胞間CO2濃度卻低于對照，定植后60 d和90 d時達到顯著差異，說明生物質炭處理可增加茄子葉片葉綠素含量，提高其凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度。王歡歡等［27］研究發現，施用2 400 kg/hm2的生物質炭，SPAD值可提高57.68%，凈光合速率可提高77.32%，這可能和根系生理特征及葉綠素含量有關，即生物質炭的施用可保障光合作用所需的礦質營養、水分、酶等物質的充分供應，進而優化光合特性的相關指標，為產質量的形成打下堅實基礎。

本試驗初步研究了施加生物質炭對烤煙連作障礙的消減作用，結果表明生物質炭施加對烤煙的株高、莖圍、最大葉長、最大葉寬和有效葉片數均有一定程度的促進作用，且整體以160 g/株的施用量效果最佳。但在烤煙生長后期，各處理有效葉片數及最大葉長均無顯著差異，其原因可能為生物質炭在烤煙生長前中期對土壤理化性質、土壤酶活性以及微生物群落結構影響較大，對生長發育起到正向作用，而后期生物質炭對葉片數及葉片長度的調控作用較弱，導致各處理葉片數及葉片伸長程度趨于一致［28］。葉綠素在煙株光合作用中起著重要作用，且其含量與降解產物的積累量、煙葉的外觀質量和內在品質密切相關［29］。本試驗發現，施用160 g/株的煙稈生物質炭可顯著提高烤煙SPAD值和光合特性指標，且最有利于產質量的形成。本試驗還發現，生物質炭施用過量會產生抑制烤煙生長的趨勢，這可能與生物質炭的理化性質有關，即生物質炭具有較高的含碳量，礦物養分含量低，如果施用量過多，則會影響作物對土壤養分的吸收，進而影響烤煙的生長發育。

綜上，施用煙稈生物質炭可在烤煙生長發育和產質量方面消減烤煙的連作障礙，其中整體以160 g/株的施用量效果最為顯著。