不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤煙產(chǎn)質(zhì)量及土壤理化性質(zhì)的影響

賈 孟，印 瀚，王 鐸，李 杰，楊青松，張?jiān)疲嵵拘拢瑢O五三，王家緒，陳 燕，白羽祥，王 戈*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南省煙草公司 昆明市公司，云南 昆明 650051；3.云南民族大學(xué) 民族藥資源化學(xué)國(guó)家民委-教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

烤煙作為典型的環(huán)境敏感性作物，土壤條件的優(yōu)劣直接決定其品質(zhì)的好壞[1-2]。目前，烤煙連作現(xiàn)象漸趨嚴(yán)重，輪作空間逐年縮小，化肥殘留日益累積，導(dǎo)致土壤質(zhì)量連年下降，土傳病害日漸凸顯，養(yǎng)分利用率得不到有效提高[3-5]。此外，每年烤煙采收完畢后，大量的煙草秸稈被焚毀、丟棄，進(jìn)而加重了環(huán)境污染和病害傳播的風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何改良植煙土壤以及高效地利用煙稈成為目前亟待解決的問(wèn)題[6]。

生物質(zhì)炭(biochar)在國(guó)內(nèi)最早由韓寶瑞等[7]于1998年提出并用于可再生能源，而近年來(lái)因其巨大的比表面積和卓越的吸附性能被廣泛應(yīng)用于土壤改良上[8-9]。管恩娜[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨著煙稈生物質(zhì)炭施用量的增加，田間持水量和土壤pH值也隨之增加，而土壤容重和土壤孔隙度則持續(xù)下降。在植煙土壤中施加煤炭可提高土壤電導(dǎo)率、有效磷、速效鉀含量，但對(duì)農(nóng)藝性狀的影響不大[11]。宋久洋等[12]在豫西煙區(qū)的研究結(jié)果表明，穴施600 kg/hm2的生物質(zhì)炭可顯著改善煙株葉片光合性能，促進(jìn)烤煙生長(zhǎng)。施用15000 kg/hm2的稻殼生物質(zhì)炭可顯著提高烤煙青枯病抗性，而煙稈生物質(zhì)炭則會(huì)加重青枯病的發(fā)生[13]。在土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，煙稈炭可有效促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，并降低團(tuán)聚體破壞率[14]。毛家偉等[15]研究發(fā)現(xiàn)，烤煙在生長(zhǎng)中后期的各項(xiàng)農(nóng)藝性狀指標(biāo)均隨生物質(zhì)炭施用量的增加而增加。牛玉德等[16]在漢中煙區(qū)的研究結(jié)果表明，3000 kg/hm2的生物質(zhì)炭施用可得到較優(yōu)的農(nóng)藝性狀指標(biāo)，而施用2250 kg/hm2的生物質(zhì)炭對(duì)經(jīng)濟(jì)性狀指標(biāo)效果更為顯著。

近年來(lái)，生物質(zhì)炭因其在土壤改良方面的應(yīng)用效果備受關(guān)注，但以土壤-植株為整體，系統(tǒng)地探討了生物質(zhì)炭施用-土壤環(huán)境優(yōu)化-植株生長(zhǎng)發(fā)育改善之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)目前尚不明確。另外，廢棄煙稈的高效利用至今仍未得到有效解決。基于此，本試驗(yàn)以煙稈生物質(zhì)炭為試驗(yàn)材料，通過(guò)對(duì)比不同添加量對(duì)烤煙產(chǎn)質(zhì)量及土壤理化性質(zhì)的影響，以期篩選出中低海拔煙區(qū)最適煙稈生物質(zhì)炭施用量，為今后煙稈生物質(zhì)炭的深入研究提供一定的科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2019年4月25日～2019年9月1日在云南省昆明市宜良縣耿家營(yíng)鄉(xiāng)(25°3′48″ N，103°23′49″ E，海拔1492 m)進(jìn)行。供試土壤為紅壤，土地平坦，排水良好，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：pH值5.84、有機(jī)質(zhì)22.29 g/kg、水解性氮111.95 mg/kg、有效磷9.16 mg/kg、速效鉀226.80 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

烤煙品種為K326，于2019年4月25日移栽。生物質(zhì)炭由昆明市祿勸生物質(zhì)炭廠采用鮮煙稈經(jīng)600 ℃炭化6 h制得。烤煙于起壟前條施煙草專(zhuān)用復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=12∶14∶24)600 kg/hm2為基肥，并于移栽后25 d內(nèi)分3次兌水澆施煙草專(zhuān)用追肥(N∶P2O5∶K2O=15∶0∶30)360 kg/hm2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以生物質(zhì)炭施用量為因素，設(shè)置4個(gè)處理，分別為A1：0 g/株、A2：80 g/株、A3：160 g/株、A4：240 g/株。每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)12個(gè)小區(qū)，小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列。每小區(qū)不少于50株，行株距120 cm×50 cm，試驗(yàn)田四周設(shè)有保護(hù)行。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 煙株農(nóng)藝性狀的調(diào)查 于移栽后90 d，按照YC/T 142─2010煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查測(cè)量方法進(jìn)行農(nóng)藝性狀調(diào)查。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)定株調(diào)查5株，調(diào)查內(nèi)容包括株高、莖圍、有效葉片數(shù)、最大葉長(zhǎng)、最大葉寬。

1.4.2 烤煙經(jīng)濟(jì)性狀的調(diào)查 于烘烤結(jié)束后，按照42級(jí)國(guó)家煙葉分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)，采收，按品種計(jì)產(chǎn)，依據(jù)2019年云南省煙草公司昆明市公司烤煙收購(gòu)價(jià)格，計(jì)算其產(chǎn)量、產(chǎn)值、均價(jià)及中上等煙比例。

1.4.3 烤后煙葉外觀質(zhì)量的調(diào)查 于烘烤結(jié)束后，每處理采集C3F等級(jí)煙葉各1 kg，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2635─1992進(jìn)行烤煙外觀質(zhì)量鑒定，鑒定內(nèi)容包括顏色、成熟度、結(jié)構(gòu)、身份、油分、色度。并依據(jù)煙葉外觀質(zhì)量評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[17]對(duì)各處理進(jìn)行評(píng)分。

1.4.4 烤后煙葉化學(xué)成分的分析 于烘烤結(jié)束后，每處理采集C3F等級(jí)煙葉各1 kg進(jìn)行化學(xué)成分分析。總糖和還原糖含量參照YC/T 159─2002進(jìn)行測(cè)定、煙堿含量參照YC/T 160─2002進(jìn)行測(cè)定、總氮含量參照YC/T 161─2002進(jìn)行測(cè)定、鉀含量參照YC/T 217─2007進(jìn)行測(cè)定、氯含量參照YC/T 162─2002進(jìn)行測(cè)定、淀粉含量參照YC/T 216─2007進(jìn)行測(cè)定，并計(jì)算糖堿比(還原糖/煙堿)、氮堿比(總氮/煙堿)及鉀氯比(鉀/氯)。同時(shí)，依據(jù)烤煙化學(xué)成分指標(biāo)賦值方法[18-19]對(duì)各處理進(jìn)行評(píng)分。

1.4.5 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定 于采烤結(jié)束后，采用抖動(dòng)法收集各處理根際土壤樣品。測(cè)定土壤中pH值(水土比為2.5∶1的電位法)、有機(jī)質(zhì)(重鉻酸鉀容量法-外加熱法)、全氮(凱氏定氮法)、全磷(高氯酸-硫酸法)、全鉀(GB 9836─1988)、速效氮(半微量滴定法)、速效磷(0.5 mo1/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法)、速效鉀(1 mol/L NH4OAC浸提-火焰光度法)含量[20]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析采用Excel 2013軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，用SPSS 23.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤煙農(nóng)藝性狀的影響

由表1可知，隨著煙稈生物質(zhì)炭施用量的增加，各處理的株高、莖圍、最大葉長(zhǎng)寬均呈先升高后降低的趨勢(shì)，而各處理有效葉片數(shù)則無(wú)顯著差異。在株高方面，以A3處理最高，A4處理次之，A1、A2處理間差異不顯著；對(duì)于莖圍和最大葉長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，均以A2處理為最優(yōu)，A1處理最差，A3、A4處理間無(wú)顯著差異；而在最大葉寬方面，仍以A2處理最高，其他處理間均差異不顯著。以上結(jié)果表明，160 g/株的煙稈生物質(zhì)炭施用可有效促進(jìn)煙株伸長(zhǎng)，而施用80 g/株的生物質(zhì)炭對(duì)烤煙莖圍、最大葉長(zhǎng)寬作用明顯。

表1 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤煙農(nóng)藝性狀的影響

2.2 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤煙經(jīng)濟(jì)性狀的影響

由表2可知，A3處理的產(chǎn)量最高，達(dá)2623.13 kg/hm2，A2處理次之，A1、A4處理間無(wú)顯著差異；在均價(jià)方面，以A2處理表現(xiàn)最優(yōu)，A1、A3處理次之，A4處理最低；對(duì)于產(chǎn)值而言，各處理間均具有顯著差異，具體表現(xiàn)為A2>A3>A1>A4；而在中上等煙比例方面，A2、A3處理顯著高于A1、A4處理，且A2與A3、A1與A4之間差異均不顯著。以上結(jié)果說(shuō)明，隨著煙稈生物質(zhì)炭施用量的提高，各經(jīng)濟(jì)性狀指標(biāo)均呈先升后降的趨勢(shì)，且160 g/株的生物質(zhì)炭施用可有效促進(jìn)烤煙產(chǎn)量的提升，80 g/株的生物質(zhì)炭可有較提高烤煙的均價(jià)和產(chǎn)值，而160 g/株和80 g/株的生物質(zhì)炭施用均可顯著提高中上等煙比例，過(guò)量的生物質(zhì)炭施用(240 g/株)則抑制了烤煙產(chǎn)質(zhì)量的形成。

表2 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤煙經(jīng)濟(jì)性狀的影響

2.3 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤后煙葉外觀質(zhì)量的影響

由表3可知，各處理烤后煙葉顏色均為橘黃，且以A2處理的分值最高，其他處理間無(wú)顯著差異；在成熟度方面，各處理均達(dá)到成熟，以A3處理分值最高，A2、A4處理次之，A1處理最低；對(duì)于葉片結(jié)構(gòu)和色度而言，A2、A3處理表現(xiàn)最優(yōu)，且分值顯著高于A4、A1處理；在身份和油分方面，均以A2處理為最優(yōu)，且A4處理的身份稍薄，A1處理油分欠佳。綜合來(lái)看，A2處理總分最高，A3處理次之，A1、A4處理間差異不顯著。以上結(jié)果說(shuō)明，隨著煙稈生物炭施用量的增加，烤后煙葉外觀質(zhì)量評(píng)分呈先升高后降低的趨勢(shì)，其中以80 g/株的生物質(zhì)增益效果最顯著。

表3 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤后煙葉外觀質(zhì)量的影響 分

2.4 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤后煙葉化學(xué)成分的影響

王彥亭等[18]提出的優(yōu)質(zhì)煙葉標(biāo)準(zhǔn)：煙堿2.20%～2.80%、總氮2.00%～2.50%、還原糖18.00%～22.00%、鉀≥2.50%、淀粉≤3.50%、糖堿比8.50～9.50、氮堿比0.95～1.05、鉀氯比≥8.00。由表4可知，A2、A3處理的煙堿含量顯著低于A1、A4處理，且二者均處于優(yōu)質(zhì)煙葉范圍內(nèi)；A2處理總氮含量最為適宜，而其他處理間均無(wú)顯著差異；在總糖和還原糖方面，以A3處理最高，A2處理次之，A1、A4處理最低；A2處理的氯含量最低，A3處理次之，A1、A4處理間差異不顯著；在鉀含量方面，以A2處理最為適宜，A1處理最低；A3、A4處理的淀粉含量相對(duì)較高，A1處理最低，但最為適宜；在糖堿比方面，以A2、A3處理顯著高于A1、A4處理，且A2、A3處理間，A1、A4處理間差異不顯著；在氮堿比方面，各處理均趨于一致，與之相反，各處理的鉀氯比間均具顯著差異，具體表現(xiàn)為A2>A3>A4>A1。

表4 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤后煙葉化學(xué)成分的影響

由表5可知，對(duì)烤后煙葉化學(xué)成分進(jìn)行評(píng)分后發(fā)現(xiàn)，A1處理的淀粉含量分值最高，煙堿、總氮、鉀含量和鉀氯比均以A2處理最優(yōu)，A3處理的還原糖、糖堿比和氮堿比最為適宜，綜合來(lái)看，A2處理總分達(dá)到最高的93.5分。以上結(jié)果說(shuō)明，80 g/株的煙稈生物質(zhì)炭施用最有利于烤后煙葉化學(xué)成分趨于協(xié)調(diào)，且對(duì)烤煙質(zhì)量的提升效果顯著。

表5 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤后煙葉化學(xué)成分的評(píng)分 分

2.5 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤煙根際土壤理化性質(zhì)的影響

由圖1、圖2和圖3可知，隨著煙稈生物質(zhì)炭施用量的增加，烤煙根際土壤pH值、有機(jī)質(zhì)和全鉀含量均持續(xù)升高，具體表現(xiàn)為：各處理間的pH值均具顯著差異，即A4>A3>A2>A1；而各處理有機(jī)質(zhì)含量上升幅度漸趨平緩，以致A3、A4處理間差異不顯著，A2次之，A1處理有機(jī)質(zhì)最低；在全鉀方面，A3、A4處理顯著高于A2、A1處理，但A3、A4處理間，A2、A1處理間均無(wú)顯著差異。

圖1 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤煙根際土壤pH值的影響

圖2 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤煙根際土壤有機(jī)質(zhì)的影響

圖3 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤煙根際土壤全鉀的影響

由圖4～圖8可知，隨著煙稈生物質(zhì)炭施用量的增加，各處理全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀含量均呈先升高后降低的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為：A3處理的全氮含量最高，A2、A4處理次之，A1處理最低；而在全磷、速效氮和速效磷方面，均以A2處理為最優(yōu)，A1處理最差；對(duì)于速效鉀而言，A1～A3處理間無(wú)顯著差異，且均顯著高于A4處理。以上結(jié)果說(shuō)明，煙稈生物質(zhì)炭的施用可顯著提高土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量，且二者含量與生物質(zhì)炭施用量呈線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系；160 g/株的生物質(zhì)炭可提高根際土壤全氮含量，80 g/株的生物質(zhì)炭對(duì)全磷、速效氮和速效磷含量方面促進(jìn)作用明顯，160 g/株和80 g/株的施用量均有較高的全鉀含量，但施用生物質(zhì)炭對(duì)根際土壤速效鉀含量無(wú)顯著促進(jìn)作用，相反，過(guò)量的生物質(zhì)炭(240 g/株)則抑制了根際土壤速效鉀的積累。

圖4 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤煙根際土壤全磷的影響

圖5 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤煙根際土壤全氮的影響

3 討論與結(jié)論

生物質(zhì)炭的施用可顯著促進(jìn)烤煙煙株及根系的生長(zhǎng)發(fā)育[21]。研究表明，400 g/株的煙稈生物質(zhì)炭施用可提高煙葉的產(chǎn)量和產(chǎn)值，但對(duì)品質(zhì)提升方面作用稍弱[22]。徐成龍等[23]研究發(fā)現(xiàn)，施用3.75 t/hm2的生物質(zhì)炭可有效促進(jìn)團(tuán)顆期烤煙的生長(zhǎng)發(fā)育，而4.5 t/hm2的施用量可顯著提高旺長(zhǎng)期和成熟期的農(nóng)藝性狀指標(biāo)，且促進(jìn)了品質(zhì)的形成。另有研究表明，2250 kg/hm2的煙葉生物質(zhì)炭和煙稈生物質(zhì)炭處理的烤煙產(chǎn)量分別比對(duì)照高9.62%、7.92%，產(chǎn)值分別比對(duì)照高7400元、6300元/hm2，且整體以煙葉生物質(zhì)炭效果最好[24]。陳山等[25]通過(guò)研究稻殼生物質(zhì)炭對(duì)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育的影響發(fā)現(xiàn)，9000 kg/hm2的施用量有最高的上等煙比例(49.35%)。而2.4 t/hm2的煙稈炭對(duì)烤后煙葉化學(xué)成分協(xié)調(diào)性及評(píng)分增益作用顯著[26]。這與本試驗(yàn)研究結(jié)果略有不同，即隨煙稈生物質(zhì)炭施用量的增加，處理農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟(jì)性狀指標(biāo)均呈先升高后降低的趨勢(shì)，具體為160 g/株的煙稈生物質(zhì)炭處理有最高的株高和產(chǎn)量，分別達(dá)到115.28 cm、2623.13 kg/hm2，而生物質(zhì)炭施用量為80 g/株的莖圍(10.22 cm)、最大葉長(zhǎng)(78.84 cm)、最大葉寬(39.17 cm)、均價(jià)(31.49元/kg)、產(chǎn)值(77225.76元/hm2)和中上等煙比例(84.90%)為最優(yōu)。究其原因，一方面，160 g/株的煙稈生物質(zhì)更利于烤煙根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而促進(jìn)了煙株莖稈和葉片干物質(zhì)的積累；另一方面，80 g/株的處理對(duì)優(yōu)化烤后煙葉外觀質(zhì)量和化學(xué)成分增益效果顯著，較利于中低海拔煙區(qū)烤煙品質(zhì)的形成和效益的提高。

圖6 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤煙根際土壤速效氮的影響

生物質(zhì)炭作為優(yōu)質(zhì)的土壤改良劑，在優(yōu)化土壤環(huán)境方面作用明顯。王麗淵等[27]研究發(fā)現(xiàn)，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨之升高，且以140 g/盆的施用量效果最為突出。而每盆施用生物炭1～2 kg可顯著提高土壤pH值[28]，且pH值與生物質(zhì)炭的施用量呈線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系。王成已等[29]研究表明，生物質(zhì)炭處理可顯著提高根際土壤全氮、全磷和速效鉀含量。又有研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭對(duì)土壤有效磷、鈣、鎂含量的提升作用明顯，而對(duì)氮和鉀含量無(wú)顯著影響[30]。

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著煙稈生物質(zhì)炭施用量的增加，根際土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量持續(xù)上升，處理全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀含量則均呈先升高后降低的趨勢(shì)。160 g/株的生物質(zhì)炭可提高根際土壤全氮含量，80 g/株的生物質(zhì)炭對(duì)全磷、速效氮和速效磷含量方面促進(jìn)效果明顯，160 g/株和80 g/株的施用量均有較高的全鉀含量，但施用生物質(zhì)炭對(duì)根際土壤速效鉀含量無(wú)顯著促進(jìn)作用。這與前人試驗(yàn)研究結(jié)果有部分差異，究其原因可能為煙稈生物質(zhì)炭具有獨(dú)特的物理性質(zhì)，為微生物的生長(zhǎng)提供了較為適宜的環(huán)境，使其活化養(yǎng)分能力增強(qiáng)，促進(jìn)了對(duì)氮、磷、全鉀的吸收。

圖7 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤煙根際土壤速效磷的影響

圖8 不同煙稈生物質(zhì)炭施用量對(duì)烤煙根際土壤速效鉀的影響

綜上，施用煙稈生物質(zhì)炭可促進(jìn)烤煙產(chǎn)質(zhì)量的形成，并優(yōu)化了土壤理化性質(zhì)，其中以80 g/株的施用量效果最為顯著。