深耕和綠肥掩青條件下生物炭對煙葉產質量和土壤養分的影響

蘆海靈，張 翔，李 亮，范藝寬，張 盟，張艷玲，楊 欣，梁太波，翟 振，戴華鑫*

1.河南省農業科學院，鄭州市花園路116號 450002 2.河南省煙草公司，鄭州市商務外環路15號 450046 3.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2號 450001 4.廣東中煙工業有限責任公司，廣州市天河區林和西橫路186號 510032

生物炭是有機物料如農作物秸稈、木質物、畜禽糞便等在低氧環境下經過高溫熱解后產生的一種富含碳的材料［1］。由于生物炭具有比表面積大、疏松多孔、吸附能力強和穩定性高的特點，在改良土壤、修復生態環境和降低溫室氣體排放等方面的應用價值較大［2］。研究表明，施用生物炭可提高土壤的通氣性和保水保肥能力［3］，改善烤煙根系形態生理特征［4］，促進作物生長及品質改良［5-6］。深耕條件下施用生物炭可促進烤煙根系對鉀元素的吸收，增加土壤微生物數量，提高成熟期葉片葉綠素含量［7-8］。在生物炭的還田方式上，目前已有生物炭條施、穴施、表土層摻混等多種施用技術［9-10］。由于生物炭自身具有密度低、質量輕的特點，導致其在運輸和直接還田過程中易產生損耗［11］，因此生物炭常作為肥料增效載體與一定量的肥料配伍后施于大田，在不增加勞動力成本的前提下，完成生物炭還田及其他營養元素補充的雙重工序［12］。

河南是濃香型煙葉的典型代表性產區。近年來，隨著工業化和農業生產方式的轉變，煙區普遍存在長期連作、化肥施用過量及土地重用輕養等不科學的種植方式與耕作措施，導致煙田耕層淺、土壤黏重、土壤養分不協調、生物活性下降等現象，影響了煙株根系生長和煙葉品質提升［13-15］，成為限制河南濃香型煙葉生產持續健康發展的瓶頸。針對以上問題，本研究中選擇豫中典型煙田土壤，通過設置大田深耕與綠肥掩青條件下不同生物炭用量和施用方式的多個處理組合，探究生物炭對煙株農藝性狀、經濟性狀、煙葉化學成分以及土壤養分和微生物數量的影響，旨在探明適合河南煙區土壤改良的生物炭施用組合技術，為生物炭在土壤保育、烤煙營養和品質調控上的應用提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2018—2019年在河南省許昌市襄城縣汾陳鄉雙樓張村進行，試驗地肥力均勻一致，地勢平坦，排灌方便。試驗地前茬作物為煙草，供試煙草品種為中煙100，土壤類型為褐土。2018年10月下旬拔除前茬煙稈和雜草后采集基礎土樣，檢測土壤理化指標，分別為pH 7.20、有機質14.6 g/kg、總氮0.81 g/kg、全磷0.64 g/kg、全鉀1.60%（質量分數）、堿解氮79.5 mg/kg、速效磷16.8 mg/kg、速效鉀134.2 mg/kg、陽離子交換量（Cation exchange capacity，CEC）12.7 cmol/kg。生物炭（玉米秸稈）理化性質為：有機質50.1%、氮（N）0.74%、磷（P2O5）0.28%、鉀（K2O）0.86%（均為質量分數，下同）、含水率22.6%，pH 7.89。

表1 深耕和綠肥掩青條件下施用生物炭的試驗處理設計Tab.1 Treatments of biochar combined with deep tillage or green manure

分別為試驗設置12個處理，包括2個對照（深耕、綠肥掩青）、生物炭用量復合深耕、生物炭用量復合綠肥掩青等10個處理（表1）。條施是在煙壟行的側下方開溝，深度為15～20 cm，與煙株行平行距離3～5 cm，施入生物炭后用田間本土覆蓋；撒施是在旋耕后將生物炭均勻撒在大田上，隨后起壟將之翻入土壤中；穴施是將生物炭施入按行株距挖好的離煙株2～3 cm深度10 cm左右的穴內，之后覆土。各處理間氮、磷、鉀用量相同，分別為每畝3.5 kg、3.5 kg、12.25 kg，生物炭含氮量按比例折算為當地施氮量，磷鉀不計算在內，氮肥不足部分用硝酸銨補充，磷鉀肥分別為重過磷酸鈣、硫酸鉀。其他各項田間生產管理措施統一按當地規范化措施進行。綠肥掩青用油菜于2018年10月播種，播種量15.0 kg/hm2，次年4月10日掩青。先將油菜田間機械粉碎，然后翻壓20 cm掩青，掩青鮮草量21 750 kg/hm2。油菜含水率93.25%，鮮樣中碳、氮、磷、鉀養分積累量分別為2.54%、0.21%、0.05%和0.48%。

試驗采用區組隨機排列，行株距為110 cm×50 cm，重復3次，每個處理面積333.4 m2。每個小區選擇有代表性的煙株15株掛牌作標記，圓頂期時測定株高、莖圍、有效葉片數、最大葉長、葉寬等農藝性狀，葉面積=葉片長×葉片寬×葉面積指數（0.6345）。采收后煙葉統一裝于烤房中部，按照當地常規烘烤工藝烘烤，挑選烤后C3F等級煙葉用于煙葉化學指標的測定。分別于圓頂期和采收結束后，在兩個煙株間中心點位置耕層（0～20 cm）處采集土樣，采用多點取樣法在每個小區選10棵煙株間的土壤混成1個樣品，混勻后將土壤樣品過2 mm篩后裝入無菌瓶中，冷藏帶回實驗室并保存于-4℃冰箱中用于土壤細菌及真菌數量的測定；采收結束后，將采集的壟體耕層土壤樣品裝于布袋中，帶回實驗室自然風干，過篩后用于土壤養分指標的測定。

1.2 測定方法

1.2.1 土壤養分指標測定

參照魯如坤［16］的方法測定土壤化學指標。采用水浸提電位法測定pH，水土質量比為2.5∶1；重鉻酸鉀容量法測定有機質含量；采用高錳酸鉀氧化法測定溶解性有機碳（Dissolved organic carbon，DOC）；半微量凱氏定氮法測定總氮；乙酸銨交換法測定陽離子交換量（CEC）；堿解擴散法測定堿解氮含量；碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法測定速效磷；醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量。

1.2.2 土壤微生物數量測定

參照林先貴［17］的平板培養計數法測定土壤微生物數量。細菌、真菌和放線菌分別用牛肉膏蛋白胨培養基、馬丁孟加拉紅-鏈霉素培養基和高氏1號培養基稀釋培養，121℃滅菌20 min，重復3次。主要過程如下：準確稱取10 g新鮮土壤樣品，放入裝有90 mL無菌水以及小玻璃珠的三角瓶中，180 r/min震蕩30 min，使微生物細胞充分分散后靜置1 min，得到10-1梯度稀釋液。使用移液器吸取1 mL的10-1梯度稀釋液至裝有9 mL無菌水試管中，反復吹吸若干次，混合均勻，得到10-2梯度稀釋液，以此類推，連續稀釋成10-3、10-4、10-5、10-6、10-7和10-8梯度稀釋菌液。初篩后發現，測定細菌和放線菌數量時選用10-6、10-7梯度的稀釋菌液測定真菌時選用10-5梯度的稀釋菌液較為合適。吸取1 mL稀釋液滴置于無菌培養皿中，加入冷卻至45℃左右的培養基12～15 mL，立即混合均勻，凝固后，轉入28℃恒溫培養箱中倒置培養計數。計算公式：CFU/g＝平均數×10×稀釋倍數/（1-含水率）

1.2.3 煙葉化學成分測定

參考《中國煙草種植區劃》［14］的方法測定烤煙化學成分，包括總植物堿、總氮、還原糖、總糖、鉀、氯等指標，計算糖堿比、氮堿比、鉀氯比和兩糖比。

1.2.4經濟性狀測定

各處理小區煙葉單獨采收編桿，單獨計產。待各處理煙葉全部采收烘烤完畢后，根據烤煙國標（GB2635—92）進行分級，參照2019年煙葉收購價格計算產值，統計煙葉產量和上等煙比例。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0進行數據整理和統計分析，單因素法方差分析和Duncan’s新復極差法比較檢驗顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 不同處理對煙株農藝性狀的影響

由表2可見，與單獨深耕或綠肥掩青相比，條施生物炭3 000 kg/hm2和撒施4 500 kg/hm2顯著增加了株高、葉片數、莖圍和葉面積；深耕配合穴施750 kg/hm2生物炭增加了煙株莖圍和葉面積；綠肥掩青配合穴施750 kg/hm2生物炭增加了煙株株高、葉片數、莖圍和葉面積。深耕或綠肥掩青條件下撒施7 kg/hm2生物炭對煙株株高影響不顯著，但增加了有效葉片數、莖圍和葉面積。

2.2 不同處理對經濟性狀的影響

由表3可見，與單獨深耕或綠肥掩青相比，條施生物炭3 000 kg/hm2、撒施4 500 kg/hm2和穴施750 kg/hm2顯著增加了煙葉產量。深耕或綠肥掩青條件下配施生物炭均顯著增加了煙葉產值，其中綠肥+穴施生物炭750 kg/hm2、綠肥+撒施生物炭4 500 kg/hm2處理后的產值較高，其次為深耕+條施生物炭3 000 kg/hm2、綠肥+條施生物炭7 500 kg/hm2、綠肥+條施生物炭3 000 kg/hm2、深耕+條施生物炭7 500 kg/hm2。單獨深耕處理后的煙葉產值較低。深耕條件下，除條施1 500 kg/hm2外，其他生物炭處理均顯著提高了烤煙均價和上等煙比例。與單獨深耕相比較，綠肥掩青后配施生物炭后烤煙均價和上等煙比例增加明顯。

2.3 不同處理對煙葉化學成分的影響

由表4可見，與單獨深耕或綠肥掩青相比，生物炭施用3 000 kg/hm2以上和穴施750 kg/hm2均降低了C3F煙葉煙堿含量。配施生物炭后煙葉總氮含量降低，這可能與施用生物炭降低了土壤堿解氮含量有關。深耕配施生物炭撒施4 500 kg/hm2和穴施750 kg/hm2條件下，煙葉還原糖、總糖、鉀含量以及糖堿比、氮堿比和鉀氯比均顯著提高。綠肥掩青后條施生物炭3 000 kg/hm2、撒施4 500 kg/hm2和穴施750 kg/hm2條件下，煙葉還原糖、總糖、鉀含量以及糖堿比和氮堿比增加明顯。綠肥掩青后，施用生物炭提高了煙葉鉀氯比。與單獨深耕或綠肥掩青相比，施用生物炭降低了煙葉氯含量，兩糖比無顯著變化。

表2 不同處理對圓頂期煙株農藝性狀的影響①Tab.2 Effects of different treatments on agronomic traits of tobacco plants at round top stage

表3 不同處理對煙葉經濟性狀的影響Tab.3 Effects of different treatments on economic traits of tobacco leaves

2.4 不同處理對土壤養分的影響

由表5可見，深耕和綠肥掩青條件下配施生物炭對土壤pH和CEC含量無顯著影響。與單獨深耕相比，深耕+生物炭3 000 kg/hm2或綠肥+生物炭1 500 kg/hm2及以上時顯著提高了土壤有機質含量。與單獨深耕或綠肥掩青相比，土壤DOC含量在生物炭用量3 000 kg/hm2及以上時顯著增加，穴施750 kg/hm2生物炭后DOC含量變化不大。與單獨深耕相比，每公頃撒施量4 500 kg或綠肥+生物炭1 500 kg/hm2及以上后土壤總氮含量顯著提高。與單獨深耕或綠肥掩青相比，隨著生物炭施用量的增加，土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量呈增加趨勢；相同生物炭施用量條件下，與深耕處理相比，綠肥掩青后土壤有機質、DOC、總氮、堿解氮、速效磷、速效鉀等養分含量的增幅相對較高。

2.5 不同處理對土壤微生物數量的影響

由表6可見，深耕條件下增施生物炭可顯著增加細菌數量。綠肥掩青后，條施和撒施生物炭可顯著增加圓頂期時的細菌數量，但穴施效果不明顯。采烤結束后，綠肥掩青處理之間細菌數量無顯著差異，但均顯著高于深耕處理。圓頂期時，與單獨深耕或綠肥掩青相比，配施生物炭顯著增加了真菌數量，且綠肥掩青后的效果更顯著。采收結束后，撒施4 500 kg/hm2生物炭配合深耕或綠肥掩青的真菌數量相對較高。圓頂期內不同處理間放線菌數量的變化趨勢與采收結束后相似，與單獨深耕或綠肥掩青相比，條施或撒施生物炭顯著增加了放線菌數量，但穴施生物炭后無顯著變化。

表4 不同處理對烤后C3F煙葉化學成分的影響Tab.4 Effects of different treatments on chemical components in cured C3F tobacco leaves

表5 不同處理對土壤養分的影響Tab.5 Effects of different treatments on soil nutrients

3 討論

生物炭有利于提高農作物葉片凈光合速率和干物質積累，并最終提升農作物產量和品質［18］。施用生物炭后，水稻［11］、玉米［19］、大豆［20］的株高、葉片面積及干物質積累量明顯增加，烤煙的株高、有效葉片數、最大葉長寬、產量和產值等農藝性狀和經濟指標顯著提高［21-22］，這與本研究中的結論一致，主要原因可能是施用生物炭能改善土壤孔隙性質、微生態環境和烤煙根系的通氣狀況［23］，促進根系的發育及對養分的吸收效率［24］，增加烤煙葉片的類胡蘿卜素和葉綠素含量［25］，有利于光合能力的提高，從而促進了烤煙的干物質積累。烤煙生產過程中，有效葉片數和葉面積是產量的基礎。張廣雨［23］通過盆栽和大田試驗發現施用生物炭后烤煙苗期和旺長期時的有效葉片數顯著增多；肖和友等［26］發現生物炭對烤煙不同生育期有效葉片數的影響與生物炭的施用年限有關，施用生物炭的前2年有效葉片數增加，第3年則無顯著變化；張志浩［27］報道烤煙有效葉片數受土壤類型影響，在暗棕土壤中施加生物炭可增加烤煙葉片數，然而在褐土和水稻土中施加生物炭對烤煙葉片數的影響不顯著。本研究中，生物炭顯著提高了烤煙圓頂期時的有效葉片數，原因可能是生物炭改善了土壤保肥性能和養分有效性，葉片凈光合速率增強，從而有利于烤煙中上部煙葉的營養吸收和開片，烤煙的產量、產值和上等煙比例也隨之增加。從煙葉經濟性狀來看，綠肥掩青與生物炭結合（穴施750 kg/hm2或撒施4 500 kg/hm2）效果較好。

表6 不同處理對土壤微生物數量的影響Tab.6 Effects of different treatments on soil microbial quantity （cfu·g-1）

一般認為，河南烤煙中部煙葉煙堿含量、糖堿比、氮堿比、鉀氯比和兩糖比的較合適范圍分別為2.0%～2.8%、8.0～9.5、0.7～1.0、≥3.0和≥0.8［14］。研究表明，增施生物炭能顯著提高烤煙中部煙葉的總糖含量，降低煙堿含量，使化學成分更協調，煙葉的香吃味和口感得以改善［5］。此外，生物炭能降低烤煙對銨態氮的吸收速率［28］，提高土壤硝態氮和銨態氮的相對比例［29］，減少植株對氮素的吸收，從而削弱煙葉中煙堿的合成［30］。本研究中發現，生物炭可降低烤煙的煙堿和總氮含量，提高總糖、還原糖和鉀含量，這與前人的研究結果一致［21,23］。同時，生物炭改變了煙葉兩糖及鉀氯含量，提高了糖堿比、鉀氯比和燃燒性，這可能與生物炭調節土壤碳/氮比值、改善土壤微生態環境、提高煙葉質體色素含量，進而提升煙葉品質有關［5］。此外，關于生物炭對烤煙氯離子含量的影響，不同研究者的結論有所差異，煙葉氯離子含量有上升［5］、不變［29］和下降［31］3種變化，并受生物炭用量［23］、土壤類型［27］等因素的影響。因此，生物炭對烤煙吸收氯離子方面的影響與生物炭種類、施用方式及土壤環境密切相關，其具體作用機理還需進一步研究。綜合來看，深耕條件下配施生物炭撒施4 500 kg/hm2和穴施750 kg/hm2，或綠肥掩青后撒施4 500 kg/hm2、條施生物炭3 000 kg/hm2和穴施750 kg/hm2，均可改善烤煙化學成分的協調性。

由于生物炭含有大量K+、Ca2+、Mg2+等鹽基離子，且本身是堿性的，故可提高酸性土壤的pH，但其對偏堿性土壤的pH作用效果不明顯［32］。有報道指出，生物炭可提高土壤總碳和總氮含量［33］，大田增施生物炭后土壤有機質、總氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量上升顯著，且提升效果隨著生物炭用量的增加而增加［23］，本研究中也發現有類似趨勢，這可能與生物炭和肥料的互補或協同作用有關，即生物炭豐富的官能團和巨大的比表面積可吸附多種離子，延緩肥料養分在土壤中釋放并降低養分淋失，從而增加土壤保肥性能和養分的有效性［2］。本研究中還發現，與深耕處理相比，相同用量的生物炭結合綠肥處理后土壤養分指標的增幅相對較高，這可能是由于油菜綠肥的養分較為豐富，碳氮比適中，還田后易于被微生物分解發酵，進而促進了土壤養分的增加［34-35］。此外，生物炭可促進以羧酸類和多聚物類物質為碳源的土壤微生物生長，增強微生物對碳源的利用程度［36］。本研究中生物炭施入土壤后顯著增加了圓頂期時土壤的細菌、真菌和放線菌數量，這與前人的研究結果一致［25］，這可能與生物炭的多微孔結構為微生物提供了較好的棲息環境有關［37］。生物炭對土壤微生物數量的影響與生物炭自身特性、土壤類型及試驗地條件等多種綜合因素密切相關，而土壤環境變化的復雜性，使生物炭對土壤微生物的數量和多樣性的影響較難預計［38］；本研究中穴施生物炭后圓頂期時細菌、放線菌數量無明顯變化，可能與取樣點位置距離生物炭穴施點相對較遠、穴施生物炭用量相對有限等因素有關。

4 結論

深耕或綠肥掩青條件下配施生物炭，提高了烤煙株高、葉片數、莖圍和葉面積等農藝性狀指標，烤煙產量、產值和上等煙比例等經濟性狀也相應提升，烤煙化學成分的協調性得到明顯改善。深耕或綠肥掩青條件下配施生物炭可提高土壤有機質、總氮、堿解氮、速效磷和速效鉀、DOC及總氮等養分含量。與對照相比，條施和撒施生物炭顯著增加了圓頂期時的微生物數量；相比深耕處理，綠肥掩青后土壤多種養分含量的增幅相對較高，更有利于微生物的繁殖。綜合比較各處理，以撒施4 500 kg/hm2或穴施750 kg/hm2效果較好。