煙稈炭基肥對烤煙生長和品質(zhì)的影響

陳宇琳，童晨曉，吳鳳英，何崢旋，周碧青，毛艷玲，3*

（1福建農(nóng)林大學資源與環(huán)境學院，福建福州 350002；2土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與調(diào)控福建省高校重點實驗室，福建福州 350002；3自然生物資源保育利用福建省高校工程研究中心，福建福州 350002）

0 引言

【研究意義】煙草是我國重要的經(jīng)濟作物之一，煙葉提質(zhì)增效及綠色清潔生產(chǎn)已成為近年來煙草行業(yè)關注的焦點（王成己等，2021）。煙葉收獲后產(chǎn)生大量廢棄煙稈（譚慧等，2018），煙稈的不合理利用導致資源浪費（彭國勛等，2013；肖和友等，2018），因此，尋找一種適合煙稈農(nóng)業(yè)廢棄物回收再利用的方式極其重要。近年來國內(nèi)外廣受關注的生物炭技術為解決農(nóng)業(yè)廢棄物利用問題開拓了一條新思路，將煙稈制成生物炭還田是實現(xiàn)廢棄煙稈資源化利用和提高煙葉品質(zhì)的雙贏途徑（覃佐東等，2016）。煙稈中含有大量的纖維素和木質(zhì)素，可作為土壤腐殖質(zhì)的重要來源（付晨青等，2015），還含有3.0%～5.5%的KO，鉀素含量豐富（符德龍等，2019），可改良土壤及促進烤煙增產(chǎn)提質(zhì)，在煙草農(nóng)業(yè)中具有較大的應用潛力。然而生物炭中可被植物直接利用的養(yǎng)分含量較低（Lehmann et al.，2003），單獨施用不能很好地滿足作物生長的需要，以生物炭為載體，按照作物養(yǎng)分需求與各種化學肥料混合配制炭基肥，可在維持生物炭特性前提下提高農(nóng)作物對肥料的當季利用率（劉玉學等，2013），減少或延緩養(yǎng)分淋失（丁艷麗等，2013，樊鵬飛等，2020）。因此，探討煙稈炭基肥對烤煙生長及品質(zhì)的影響，對于指導烤煙生產(chǎn)、炭基肥推廣應用及農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用均具有重要意義。【前人研究進展】炭基肥在提高作物對養(yǎng)分的吸收利用及促進作物生長、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)和提高品質(zhì)等方面的效果已得到廣泛認可（高海英等，2013；王成己等，2021）。解秋等（2018）研究指出，復配木醋液的生物質(zhì)炭基肥在提高肥料利用率、促進玉米生長方面具有很好潛力。李昌娟等（2021）研究表明施用生物炭基肥可促進茶樹對氮、鉀和鎂的吸收，增強茶樹光合作用從而顯著提高茶葉的產(chǎn)量和質(zhì)量。胡坤等（2021）研究表明，煙稈炭基肥可提高薏苡產(chǎn)量，促進薏苡生長和養(yǎng)分積累，并提高營養(yǎng)和功能性成分含量，有利于薏苡的增產(chǎn)、提質(zhì)和增效。關于生物炭基肥對烤煙生長及品質(zhì)的影響，陳懿等（2019）研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭基肥可提高肥料農(nóng)學利用率，提高烤煙氮、磷、鉀積累量和產(chǎn)量、煙葉揮發(fā)性香氣物質(zhì)總含量，改善煙葉品質(zhì)；毛娟等（2019）研究表明施用秸稈炭基肥可顯著提高烤煙中上部葉的總糖和還原糖含量，降低總氮和煙堿含量，顯著提高中部葉鉀含量，從而改善烤煙內(nèi)在化學成分及其協(xié)調(diào)性；王曉強等（2019）的田間試驗表明，85%常規(guī)施肥+1.5 t/ha炭基肥可改善煙葉內(nèi)在化學成分協(xié)調(diào)性，增加中性致香物質(zhì)含量；申洪濤等（2020）研究表明，減氮配施高炭基肥有利于提高烤煙各生育時期的農(nóng)藝性狀，從而促進烤煙生長；汪坤等（2021）研究表明，施入高碳基肥有利于提升烤煙的耐熟性和成熟度，對提高上部煙葉品質(zhì)有提升作用。【本研究切入點】盡管生物炭基肥增產(chǎn)提質(zhì)的效果已在烤煙生長上得到證實，但關于煙稈制備成生物炭基肥的應用研究較少，且缺乏對烤煙施用效果的研究。【擬解決的關鍵問題】以烤煙品種翠碧一號為試驗對象，研究不同煙稈炭基肥施用量對烤煙產(chǎn)量、品質(zhì)及經(jīng)濟效益的影響，綜合評價煙稈炭基肥的施用效果，為烤煙增產(chǎn)提質(zhì)及煙稈炭基肥的推廣應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2019年1—6月在福建省三明市尤溪縣洋中鎮(zhèn)福建農(nóng)林大學科教基地進行。試驗地屬亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫19.2 ℃。試驗點前茬作物為水稻，土壤類型為水稻土，土壤理化性質(zhì)：pH 4.77、有機質(zhì)26.16 g/kg、全氮1.45 g/kg、全磷1.04 g/kg、全鉀9.85 g/kg、堿解氮69.52 mg/kg、有效磷159.15 mg/kg、速效鉀139.18 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試烤煙品種為翠碧一號，試驗選取生長狀況良好、大小相近且無病蟲害的煙苗。煙草專用肥［m（N）∶m（PO）∶m（KO）=12∶7∶22］由福建三明金明農(nóng)資有限公司提供。煙稈品種為云煙87，自然風干后粉碎至1～2 cm塊狀，用于制備生物炭。生物炭采用便捷式生物質(zhì)炭化機（淮安華電環(huán)保機械制造有限公司）制備，溫度500 ℃，保留時間2 h，冷卻至室溫后進行粉碎、研磨，并過1 mm網(wǎng)篩。煙稈生物炭養(yǎng)分含量為總氮22 g/kg、全磷7 g/kg、全鉀51 g/kg。煙稈炭基肥（N 8.50%、PO5.06%、KO 14.51%）由煙稈生物炭與硫酸銨（N 21%）、磷酸二銨（N 18%、PO46%）及硫酸鉀（KO 50%）經(jīng)平磨式擠壓造粒機混合制成。

1.3 試驗方法

采用田間微區(qū)試驗，試驗設5個處理，分別為：（1）對照（CK）：不施肥；（2）煙草專用肥（F）：施用煙草專用肥750 kg/ha；（3）低量炭基肥（LBF）：施用煙稈炭基肥525 kg/ha；（4）中量炭基肥（MBF）：施用煙稈炭基肥1050 kg/ha；（5）高量炭基肥（HBF）：施用煙稈炭基肥1575 kg/ha。其中F處理與MBF處理保持相同氮磷鉀養(yǎng)分含量。每處理設3次重復，小區(qū)面積13 m，隨機區(qū)組排列。各小區(qū)肥料在種植前條施，覆土起壟，覆膜，1月22日各小區(qū)移栽20株生長狀況良好、大小相近且無病蟲害的煙苗，株間距0.5 m，每小區(qū)種植1行。田間管理措施按當?shù)厣a(chǎn)技術方案進行。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 生長指標測定 分別在煙葉旺長期和成熟期，每小區(qū)選取長勢良好的5株煙株，根據(jù)YC/T 142—2010《煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查測量方法》測定煙株的株高、有效葉片數(shù)、最大葉長、最大葉寬，計算最大葉面積，最大葉面積（cm）＝最大葉長×最大葉寬×0.6345。6月2日（移栽后130 d）成熟采收，用分光光度法測定鮮煙葉葉綠素含量；根、莖、葉置于烘箱中105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，測定干物質(zhì)重量。

1.4.2 理化指標測定 全氮含量采用碳氮元素分析儀（力可TruMacCN，美國）測定；全磷和全鉀含量分別采用濃HSO-HO消煮—鉬銻抗比色法和火焰光度法測定。煙葉烘烤后按照GB 2635—1992《烤煙》進行分級，選取各處理C3F煙葉測定其化學成分：總糖含量采用蒽酮比色法測定，還原糖含量采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，煙堿含量采用活性炭脫色提取—紫外分光光度法測定；鉀含量采用乙酸銨提取—火焰光度法測定，氯含量采用熱水蒸餾—硝酸銀滴定法測定，計算糖堿比和氮堿比。

1.4.3 產(chǎn)量指標測定 煙葉成熟后進行掛牌烘烤，烘烤結束后統(tǒng)計烤后煙葉產(chǎn)量、中上等煙比例、上等煙比例，并計算經(jīng)濟效益及肥料農(nóng)學利用率。肥料農(nóng)學利用率（kg/kg）=（施肥區(qū)煙葉產(chǎn)量-無肥區(qū)煙葉產(chǎn)量）/肥料養(yǎng)分用量。經(jīng)濟效益（元/ha）=產(chǎn)值-成本，成本包括原材料、肥料、人工和運輸成本等。

1.5 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2019和Origin 2020進行數(shù)據(jù)整理和圖表制作，各處理間差異性采用SPSS 25.0進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 煙稈炭基肥對肥料農(nóng)學利用率的影響

由表1可知，與煙草專用肥相比，施用煙稈炭基肥能顯著提高氮肥、磷肥和鉀肥的農(nóng)學利用率（＜0.05，下同）。各施肥處理氮肥農(nóng)學利用率表現(xiàn)為MBF＞LBF＞HBF＞F，同等氮磷鉀養(yǎng)分水平下，MBF處理氮肥農(nóng)學利用率較F處理提高50.04%，且顯著高于其他炭基肥處理，LBF和HBF處理間無顯著差異（＞0.05，下同）。各施肥處理磷肥和鉀肥農(nóng)學利用率均表現(xiàn)為LBF＞MBF＞HBF＞F，且隨著煙稈炭基肥施用量的增加，磷肥和鉀肥農(nóng)學利用率均呈遞減趨勢。與F處理相比，LBF處理磷肥和鉀肥農(nóng)學利用率分別增加25.40%和42.89%。同等氮磷鉀養(yǎng)分水平下，MBF處理磷肥和鉀肥農(nóng)學利用率較F處理提高12.93%和31.74%。綜上可知，煙稈炭基肥的肥料農(nóng)學利用率優(yōu)于煙草專用肥。

2.2 煙稈炭基肥對烤煙生長的影響

2.2.1 干重 由圖1可知，不同用量煙稈炭基肥處理對烤煙各個器官的生物量有不同影響，煙葉干物質(zhì)重量表現(xiàn)為HBF＞MBF＞F＞LBF＞CK，HBF處理較MBF處理增加71.68 kg/ha，增幅達13.18%。莖干物質(zhì)重量表現(xiàn)為HBF＞MBF＞LBF＞F＞CK，呈隨煙稈炭基肥施用量增加而增加的趨勢。根干物質(zhì)重量表現(xiàn)為MBF＞HBF＞F＞LBF＞CK，其中MBF處理最高，達49.85 kg/ha。同等氮磷鉀養(yǎng)分水平下，MBF處理的根、莖、葉干物質(zhì)重量均高于F處理。表明煙稈炭基肥對于烤煙干物質(zhì)重量增加有明顯促進作用。

2.2.2 生長指標 由表2可知，旺長期和成熟期不同處理烤煙的株高、最大葉長、最大葉寬及最大葉面積均表現(xiàn)為HBF＞MBF＞F＞LBF＞CK，變化趨勢相同。旺長期時，HBF處理株高、最大葉長、最大葉寬較F處理分別提高4.54%、3.85%、4.88%。葉片數(shù)表現(xiàn)為HBF＞F＞MBF＞LBF＞CK，HBF 處 理 較F 處 理 提 高1.4%，而HBF處理和MBF處理間無顯著差異。成熟期時，打頂后不同煙稈炭基肥處理間株高和葉片數(shù)無顯著差異，而最大葉長和最大葉面積差異明顯，HBF處理較MBF處理分別顯著提高3.56%和4.51%。

2.2.3 光合色素含量 由圖2可知，各處理葉綠素a含量表現(xiàn)為HBF＞F＞MBF＞LBF＞CK，煙稈炭基肥處理葉綠素a含量顯著高于CK，且隨著炭基肥施用量的增加而顯著提高。各處理葉綠素b含量依次為HBF＞F＞MBF＞LBF＞CK，其中HBF處理葉綠素b含量顯著高于其他處理，較F處理提高58.97%，LBF和MBF處理間差異不顯著。各處理類胡蘿卜素含量表現(xiàn)為HBF＞F＞MBF＞LBF＞CK，與CK相比，煙稈炭基肥可使類胡蘿卜素含量提高0.05～0.09 mg/g，增幅達41.67%～75.00%。烤煙光合色素含量隨著炭基肥施用量的增加呈增加趨勢。同等氮磷鉀養(yǎng)分水平下，MBF處理光合色素含量與F處理無顯著差異。

2.3 煙稈炭基肥對烤煙品質(zhì)的影響

由圖3可知，烤煙總糖、還原糖、煙堿和鉀含量均表現(xiàn)為HBF＞MBF＞F＞LBF＞CK。各處理間總糖含量均差異顯著，且總糖含量隨著煙稈炭基肥施用量的增加而增加；HBF處理總糖含量較MBF和F處理分別提高15.85%和24.77%；同等氮磷鉀養(yǎng)分水平下，MBF處理總糖含量較F處理提高7.70%。各施肥處理間還原糖和煙堿含量無顯著差異，但均顯著高于CK；HBF處理的還原糖和煙堿含量最高，分別為23.90%和2.30%。與CK相比，施用煙稈炭基肥的烤煙鉀含量顯著提高，其中HBF處理鉀含量最高，較MBF和F處理分別增加11.72%和16.09%；同等氮磷鉀養(yǎng)分水平下，MBF處理烤煙鉀含量較F處理提高3.91%。煙稈炭基肥可降低烤煙氯含量，其中HBF處理降幅最大，較CK 和F 處理分別降低10.00%和7.22%。施用不同量煙稈炭基肥后，烤煙中總氮含量顯著增加，HBF處理的總氮含量最高，較F處理提高4.59%，MBF和F處理間總氮含量無顯著差異。各炭基肥處理間糖堿比和氮堿比均無顯著差異。

2.4 煙稈炭基肥對烤煙經(jīng)濟效益的影響

由表3可知，烤煙產(chǎn)量總體表現(xiàn)為HBF＞MBF＞F＞LBF＞CK，HBF處理烤煙產(chǎn)量最高，較F處理增加162.25 kg/ha，增幅為12.95%。中上等煙及上等煙比例均表現(xiàn)為MBF＞HBF＞F＞LBF＞CK，其中MBF處理中上等煙及上等煙比例達90.36%和66.27%，但各炭基肥處理間無顯著差異。各處理煙葉市場均價在30.27～33.96元/kg，MBF處理均價最高，HBF與MBF處理相比無顯著差異。烤煙投入以F處理最高，達3600元/ha，較MBF處理增加1081元/ha。相同氮磷鉀養(yǎng)分水平下，MBF 處理經(jīng)濟效益較F 處理增加6761.19元/ha，增幅為19.27%。烤煙經(jīng)濟效益與產(chǎn)值總體趨勢相似，MBF和HBF處理的產(chǎn)值和經(jīng)濟效益差異不顯著。相同氮磷鉀養(yǎng)分水平下，MBF處理在產(chǎn)量、均價、產(chǎn)值及經(jīng)濟效益上均顯著高于F處理。

3 討論

3.1 煙稈炭基肥對肥料農(nóng)學利用率的影響

研究表明，肥料利用率與土壤通氣狀況、土壤含水量、微生物活性等影響土壤養(yǎng)分轉化的因素密切相關（趙婉伊等，2017）。本研究中，與F處理相比，煙稈炭基肥能顯著提高氮、磷、鉀的肥料農(nóng)學利用率。炭基肥中的生物炭因其表面具備活躍的羥基、羧基等官能團，可吸附利用土壤及肥料中的銨態(tài)及硝態(tài)氮離子，減少氮素損失（張萌等，2019）；同時，生物質(zhì)炭對pH、孔隙度等土壤理化性質(zhì)的改變均作用于微生物生境，為硝化菌、固氮菌等好氧微生物的生長繁殖提供了良好的環(huán)境，促進了氮素循環(huán)，從而提高了氮肥農(nóng)學利用率（Rondon et al.，2007）。鉀肥農(nóng)學利用率的提高可能與煙稈炭中富含可被植物直接吸收利用的可溶性鉀相關，除煙稈自身攜帶的鉀素外，還可通過引起土壤理化性質(zhì)和解鉀菌數(shù)量變化等，提高土壤可溶性鉀含量（倪超等，2017），也間接提高了土壤吸附固定態(tài)鉀的有效性（聶新星和陳防，2016）。這對緩解植煙地區(qū)鉀素匱乏、提高廢棄煙稈鉀素資源化利用具有深遠意義。

3.2 煙稈炭基肥對烤煙生長的影響

施用高碳基肥可改善煙株的農(nóng)藝性狀，提高烤后煙葉的經(jīng)濟性狀和品質(zhì)（刁朝強等，2018）。本研究發(fā)現(xiàn)，在烤煙成熟期，煙稈炭基肥處理的煙株，其株高與F處理相比平均增高2.54%，最大葉面積平均增大2.88%。烤煙生長農(nóng)藝性狀和生物量均隨炭基肥施用量的增加而提高，表明煙稈炭基肥可促進煙株的生長發(fā)育。一方面，生物炭本身含有一定數(shù)量的對植物生長發(fā)育有益的元素，可為植物生長發(fā)育提供良好的元素供應源；另一方面，煙稈炭基肥通過提高土壤酶活性和影響土壤微生物群落及多樣性，進而增加土壤有效養(yǎng)分含量（Pypers et al.，2005），使土壤處于較高肥力水平。同時煙稈炭中還含有機酸、氨基酸、脂肪酸等物質(zhì)可促進植物根系生長，增強對養(yǎng)分的吸收和利用能力（葉協(xié)鋒等，2015）。旺長期時F處理與MBF處理的株高無顯著差異，可能是因為速效肥料養(yǎng)分易淋失，而炭基肥中的生物炭表面疏松多孔，且表面帶有電荷對肥料養(yǎng)分具有強離子吸附能力，賦予了肥料養(yǎng)分緩釋性（Lehmann et al.，2011）。在成熟期時，各處理之間株高和葉片數(shù)無差異的主要原因是進行了打頂這一農(nóng)藝措施。此外，植物光合性能強弱可通過光合色素來反映。本研究發(fā)現(xiàn)煙葉光合色素含量隨著炭基肥施用量的增加呈增加趨勢，與陳懿等（2019）施用玉米秸稈炭基肥可提高煙葉葉綠素含量和類胡蘿卜素含量的研究結果一致。

3.3 煙稈炭基肥對烤煙品質(zhì)的影響

烤煙中總糖及還原糖含量對煙氣醇和度起重要作用，其含量越高則香氣質(zhì)和香氣量越好，雜氣越輕（倪超等，2017）。本研究中煙稈炭基肥處理烤煙的總糖含量顯著增加，且隨施用量增加而提高，與王曉強等（2019）通過減氮配施生物炭基肥顯著提高烤煙中總糖和還原糖含量的研究結果相似。煙葉鉀含量與燃燒性呈正相關，而氯含量與燃燒性呈負相關。本研究結果表明，煙稈炭基肥能提高烤煙鉀含量，煙葉氯含量則與施用量呈負相關。張珂等（2016）研究表明，施用高碳基肥料可提高初烤煙葉的鉀含量，降低氯含量。崔志燕等（2016）將炭基肥和普通肥料對比，發(fā)現(xiàn)炭基肥施用后能提高煙葉鉀含量。煙稈炭基肥施用可提升煙葉品質(zhì)，首要原因可能是生物炭中含有植物生長所必需的大量元素和中微量元素，可為植物生長提供必要的補充，有利于煙葉增產(chǎn)提質(zhì)；其次，生物炭含碳量高，可調(diào)節(jié)土壤C/N比值，改善土壤微生物環(huán)境（Wang et al.，2016），使煙葉中的內(nèi)在物質(zhì)分解、轉化充分，促進養(yǎng)分積累，從而提升煙葉品質(zhì)；第三，生物炭疏松多孔的表面特性使其對土壤水溶液中的營養(yǎng)元素具有很強的物理吸附作用，可減少水溶性養(yǎng)分離子的溶解遷移，避免營養(yǎng)元素的淋洗損失，并在土壤中持續(xù)緩慢地加以釋放，相當于營養(yǎng)元素的緩釋載體，從而達到保肥效果（韓光明等，2012）。

3.4 煙稈炭基肥對經(jīng)濟效益的影響

經(jīng)濟效益為大田應用推廣的重要指標，施用炭基肥能減少肥料用量，提升烤煙產(chǎn)量及品質(zhì)，促進農(nóng)民增產(chǎn)增收，同時實現(xiàn)廢棄煙稈的綜合利用，具有明顯的經(jīng)濟效益。本研究結果表明，MBF處理中上等煙比例及均價較高，凈產(chǎn)值雖略低于HBF處理，但無顯著差異。生物炭本身質(zhì)量輕體積大，在施用時存在施用不方便、費工費時的缺點。與生物炭相比，炭基肥可以較低的成本投入實現(xiàn)較高的凈產(chǎn)值，原因在于炭基肥能將生物炭作為優(yōu)秀的肥料負載體，彌補生物炭養(yǎng)分低的缺點，從而延緩肥料作用時間降低養(yǎng)分損耗。在本試驗條件下，推薦1050 kg/ha為當?shù)乜緹煼N植中煙稈炭基肥的最佳施用量。本研究雖初步探明了炭基肥應用的積極效果和前景，但在提高炭基肥施用的經(jīng)濟可行性上仍有待進一步研究，以降低炭基肥價格，使炭基肥更好地推廣應用。

4 結論

煙稈炭基肥能促進烤煙生長，提高煙葉總糖和鉀含量，降低氯含量，改善煙葉化學成分協(xié)調(diào)性，提高烤后煙葉內(nèi)在品質(zhì)及經(jīng)濟效益。以中量煙稈炭基肥處理（1050 kg/ha）表現(xiàn)最優(yōu)，在烤煙種植中具有良好的應用潛力和推廣價值。