生物炭對不同烤煙品種生理及煙草黑脛病的影響

匡志豪 殷全玉 李想 任志超 農世英 宋戰鋒 周文亮

摘要：為明確生物炭與烤煙品種的互作特性，促進綠色優質煙葉的生產，在溫室盆栽條件下，以黑脛病高抗品種G28、NC82，中抗品種K326、云煙87（YY87），高感品種紅花大金元（HD）、凈葉黃（JYH）為試驗材料，探究生物炭對不同品種烤煙農藝性狀、根系形態、光合生理、煙草黑脛病防治效果及抗氧化酶活性的影響。結果表明，施用生物炭能有效促進煙株生長，相比對照，高抗品種G28長勢最強，其株高、莖圍、葉面積、總根長、根表面積的提高幅度最大，分別為15.72%、10.37%、30.98%、33.69%、54.65%。高抗品種NC82凈光合速率、蒸騰速率較對照升高幅度最大，達到34.52%、32.15%。施用生物炭對高抗品種NC82、中抗品種K326煙草黑脛病的防治效果達到80.21%、76.82%，煙株根系抗氧化酶（POD、CAT、SOD）活性大幅升高。施用生物炭后，煙株抗氧化酶活性和黑脛病防治效果整體表現與烤煙品種自身抗性呈正相關，即高抗品種>中抗品種>高感品種。綜上所述，施用生物炭能有效提高烤煙光合作用，促進煙株生長，并在煙草疫霉脅迫下誘導煙草防御性酶活性升高，增強煙株對煙草黑脛病的抗性。

關鍵詞：烤煙品種；生物炭；農藝性狀；光合生理；煙草黑脛?。环乐涡Ч?/p>

中圖分類號：S572.04；S435.72 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）15-0100-06

基金項目：中國煙草總公司廣西壯族自治區公司科技創新計劃（編號：201845000024137）。

作者簡介：匡志豪（1997—），男，河南潢川人，碩士研究生，主要從事煙草栽培和生理生化研究。E-mail：1832786548@qq.com。

通信作者：周文亮，碩士，農藝師，主要從事煙葉生產科學研究及管理工作。E-mail：zhouwenliang9725@163.com。

煙草黑脛病是由煙草疫霉（Phytophthora nicotianae）引起的一種土傳真菌病害［1］，是煙葉生產中面臨的突出性難題。該病一旦暴發流行，往往造成大面積煙株死亡，影響煙葉產質量［2］。目前主要的防治措施包括種植抗病性品種和施用化學農藥，但由于煙草工業對原料的需求和地域間煙草疫霉致病性差異等原因，抗性品種無法大面積推廣［3］。

生物炭是指生物有機材料在高溫缺氧條件下碳化熱解而產生的富碳固體物質［4］。近年來，生物炭由于自身具有多孔性、比表面積大、離子交換能力強等優良特性，在農業生產中得到越來越廣泛的應用［5］。閆新偉等研究發現，生物炭顯著增加了花生的株高、分枝數、根體積和主根長，有效改善了花生的農藝性狀［6］。丁俊男等通過對比不同生物炭用量發現，大豆的蒸騰速率和氣孔導度均隨生物炭施用量的增加而升高，光合速率顯著高于對照，生物炭可提高光合作用強度，增加光合產物積累，促進作物生長［7］。除此自外，生物炭在植物病害的防治方面也表現出巨大潛力。Ogawa等研究發現，生物炭和生物炭與堆肥混合物均能抑制細菌和真菌引起的土傳病害［8］。張廣雨等發現，生物炭對煙草青枯病病原菌有顯著抑制作用，施用生物炭后，煙草青枯病發病率由84.13%降至24.92%，防治效果達到81.38%［9］。目前，生物炭對植株生長和病害防治效應的研究報道多數來自水稻、大豆、花生等作物，在煙草上的應用研究相對較少。本研究以不同烤煙品種為材料，探究施用生物炭對煙株農藝性狀、根系發育、光合生理及煙草黑脛病防治效果的影響，通過綠色防治手段，提高煙株自身抗性，降低黑脛病發生，促進優質煙葉生產，以期為生物炭在烤煙生產中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試煙草品種

本試驗選用的烤煙品種為高抗煙草黑脛病品種G28、NC82，中抗煙草黑脛病品種K326、云煙87 （YY87），高感煙草黑脛病品種紅花大金元（HD）、凈葉黃（JYH），均由河南農業大學煙草學院提供。

1.1.2 供試生物炭

本試驗選用的生物炭為河南惠農土質保育研發有限公司所生產，由花生殼粉碎后在400 ℃條件下不完全燃燒24 h制成。其pH值為8.33，總碳含量為414.72 g/kg，總氮含量為14.36 g/kg，碳氮比28.88，比表面積22.97 m2/g。

1.1.3 供試土壤

盆栽土壤采用大田耕層0～30 cm 土壤，土壤基礎肥力：pH值7.57，含有機質11.5 g/kg、速效氮81.59 mg/kg、速效磷 10.09 mg/kg、速效鉀134.57 mg/kg。

1.1.4 供試菌株及菌液制備

煙草疫霉由中國農業科學院農業微生物菌種保藏中心提供。煙草疫霉接入燕麥瓊脂（OA）培養基，（26±1） ℃培養6～7 d后，用無菌水沖洗孢子，并調節為1×105 CFU/mL 疫霉孢子懸浮液備用。

1.2 試驗設計

本試驗于2020年5—9月在河南農業大學許昌校區人工氣候室內進行。試驗采用雙因素隨機區組設計。試驗因素為生物炭（施用與未施用）和烤煙品種（6個品種），共12個處理組合，每個組合重復3次，每次重復10盆。

采用上口徑33.0 cm、高31.5 cm、底徑22.5 cm的塑料盆栽培，盆栽土除去雜草和碎石后過1 cm×1 cm 篩網，每盆按1.83 g/kg添加復合肥（N、P2O5、K2O質量比為1 ∶1.5 ∶3）、100 g生物炭（對照組不施加生物炭）與15 kg土壤充分混勻裝盆。選取由常規漂浮育苗所培育的長勢一致的不同烤煙品種煙苗，于5月5日進行移栽，澆足等量移栽水，栽培措施及后期管理措施保持一致。

1.3 試驗測定指標及方法

1.3.1 農藝性狀測定

按照YC/T 142—2010《煙草農藝性狀調查方法》的標準，在煙苗移栽后30 d，調查測定各處理煙株的株高、莖圍、葉長、葉寬、有效葉數。葉面積計算公式：葉面積=葉長×葉寬×0.634 5［10］。

1.3.2 根系形態測定

移栽后30 d挖出煙株，抖落根部土壤，用清水反復沖洗干凈，切下整株煙株根系，通過EPSON根系掃描儀將完整掃描的根系圖像存入計算機，利用WinRHIZO分析總根長、根體積、根表面積、平均根徑、根投影面積、分枝數。

1.3.3 光合生理指標測定

移栽后30 d，選擇各處理煙株自上而下的第5張煙葉，用Li-6400XT便攜式光合儀測定葉片光合參數。每張葉子測量3次，取平均值。測定凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率，測量時間為09：00—11：30，連續測量3 d，取平均值。

1.3.4 煙草黑脛病防治效果

在煙苗移栽后30 d，采用灌根接種法取配制好的煙草疫霉孢子懸浮液（1×105 CFU/mL），按20 mL/株均勻接種至煙株根部土壤，10 d后調查發病率，計算病情指數和防治效果。

煙草黑脛病分級參照GB/T 23222—2008《煙草病蟲害分類及調查方法》標準進行。

發病率=［病葉（株）數/調查總數（株數）］×100%；

病情指數=∑（病級數×該級病株數）/（最高病級數×調查總株樹）×100；

防治效果=（對照病指-處理病指）/對照病指×100%。

1.3.5 抗氧化酶活性測定

移栽后40 d，取各處理煙株相同部位的葉片，參考趙世杰等的方法［11］，測定過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）的活性，采用氮藍四唑法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性，每個處理重復3次。

1.4 數據處理

數據采用Execl 2019和SPSS 25.0進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 生物炭對不同烤煙品種農藝性狀的影響

由表1可知，移栽后30 d，施加生物炭的各烤煙品種的株高、莖圍、有效葉數、葉面積均顯著高于對照，說明生物炭對烤煙地上部生長具有顯著促進作用。與對照相比，G28、HD在施加生物炭后，煙株的株高提升效果最顯著，增幅分別達到15.72%、14.74%（P<0.05）。G28、NC82較對照莖圍分別提高10.37%、8.46%（P<0.05）。施用生物炭對烤煙YY87的有效葉數有較大促進作用，比未施用生物炭處理增加了16.49%（P<0.05）。施用生物炭后G28的葉面積提升最顯著，較對照提高30.98%（P<0.05）；其次是NC82，較對照提高28.29%（P<0.05）。綜合各指標分析，施用生物炭對G28促進效果最顯著。

2.2 生物炭對不同烤煙品種根系發育的影響

由表2可知，施加生物炭對各烤煙品種煙株根系發育有不同程度的促進作用。與對照相比 移栽后30 d，G28的總根長、根表面積、平均根直徑增加效果最顯著，分別提高33.69%、54.65%、26.92%（P<0.05）。K326的根體積較對照增幅達到最大，為31.98%；其次是JYH，增幅為24.91%（P<0.05）。生物炭對NC82、HD的分枝數增加作用更顯著，分別上升15.18%、23.78%（P<0.05）；而YY87分枝數與對照數值接近，不存在明顯差異。整體來看，施用生物炭更有利于G28、K326的根系擴展，促使根系發達。

2.3 生物炭對不同烤煙品種光合生理的影響

由圖1可知，生物炭對6個烤煙品種的凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導度、蒸騰速率均有顯著促進作用，有效提高了葉片光合作用能力，加快煙株生長和生物量積累。凈光合速率和蒸騰速率均以NC82、JYH較其他處理提高更顯著，凈光合速率相比對照增幅分別為34.52%、30.17%（P<0.05），蒸騰速率提高了32.15%、30.11%（P<0.05），相比之下，HD對于凈光合速率和蒸騰速率的響應程度略低。施加生物炭后，G28的胞間CO2濃度達到最高，增幅為42.61%（P<0.05）；其次是JYH，較未施用處理提高38.03%。與對照相比，各烤煙品種的氣孔導度提升效果表現為G28>NC82>JYH>HD>YY87>K326，其中G28增幅達到54.18%（P<0.05）。

2.4 生物炭對不同烤煙品種煙草黑脛病防治效果的影響

由表3可知，施加生物炭后，不同黑脛病抗性烤煙品種的發病率、病情指數相比對照均顯著下降。高抗黑脛病品種G28、NC82的發病率分別降至27.65%、23.27%（P<0.05），顯著低于剩余烤煙品種，防治效果分別達到73.65%、80.21%（P<0.05）；其次是中抗品種K326、YY87，防治效果為76.82%、62.86%（P<0.05）。根據各烤煙品種特性分析，生物炭能有效抑制煙草黑脛病發生，且防治效果與烤煙自身抗性呈正相關，即防治效果由高到低排序為高抗黑脛病品種＞中抗黑脛病品種＞高感黑脛病品種。

2.5 生物炭對不同烤煙品種抗氧化酶活性的影響

為探索生物炭誘導烤煙抗煙草黑脛病的機制，于移栽后30 d對施用生物炭的各烤煙品種接種煙草疫霉孢子懸浮液，10 d后對各處理煙株葉片的POD、CAT、SOD活性進行分析。由表4可知，生物炭對煙株體內抗氧化酶活性具有激發效應。

施加生物炭有助于提高各烤煙品種根系POD活性，相比對照，中抗品種K326和高感品種HD、JYH的POD活性升高幅度較大，分別為80.97%、76.55%、81.28%（P<0.05），高抗品種G28、NC82的POD活性較高。高抗品種G28、中抗品種YY87的CAT活性增幅最大，分別為41.06%、37.56%（P<0.05）；其他品種烤煙CAT活性升高幅度相近。高抗品種G28、NC82施用生物炭后，煙株的SOD活性最高，增幅最大。

3 討論與結論

株高和莖圍是煙株生長過程中的重要農藝性狀，直接關系到煙株的形態構建和物質積累。葉片大小、葉片數與煙草后期產量、煙葉質量密切相關［12］。生物炭的孔隙結構、巨大的表面積、豐富的芳香環結構和羥羧基等基團，賦予生物炭強吸附能力和較大的離子交換量，可以通過改善土壤離子交換量而提高土壤保肥能力［13］。研究表明，木材生物炭能有效提高土壤對N的固定能力，從而提高作物對N的利用率［14］。白雪等研究發現，施用生物炭能顯著提高元寶楓幼苗的株高、莖粗、葉面積、生物量積累［15］。周勁松等通過對比生物炭不同施用量對水稻幼苗根系形態建成，發現不同用量生物炭均能促進水稻根系生長，總根長、根直徑、根體積、根表面積均得到顯著提高［16］。本試驗選取不同烤煙品種進行對比，避免了單一品種造成的差異性。試驗結果顯示，施用生物炭對煙株株高、莖圍、有效葉數、葉面積均有顯著促進作用，總體上以G28品種各指標提高最顯著。這可能是因為生物炭增加了土壤透水性和持水性，改善土壤通透性，降低土壤容重，最終促進植物根系生長和地上部形態建成。與對照相比，施用生物炭后，煙株的總根長、根表面積、根體積、分枝數顯著升高，說明生物炭有利于煙株形成更發達的根系網絡，使得煙株根部與土壤間有更大的接觸面積和吸收范圍，能在更廣泛的土壤中獲取水和養分，進而提高煙株地上部的各種農藝性狀。

光合作用是植物干物質生成和積累的主要過程，也是影響煙葉產質量的重要機制。影響光合作用的因素有很多，如光照、溫度、水分、CO2濃度、礦質營養元素等［17］。王力等研究表明，施用生物炭有效提高了青貯玉米凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率［18］。張偉明等研究顯示，生物炭與化肥互作顯著提高了大豆葉片光合作用的強度，增強了大豆苗期和結莢期凈光合作用速率與蒸騰速率，促使大豆提質增產［19］。本試驗也取得了相似結果，施用生物炭后各品種烤煙的凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導度、蒸騰速率均有不同程度的增加，其中以G28品種的凈光合速率、胞間CO2濃度和氣孔導度增加幅度最大，光合強度最大。其原因可能是，生物炭中富含能被植物吸收利用的礦質營養元素，為煙株提供了豐富的養分［20］，同時生物炭促進了煙株根系發育，增強了對水肥的吸收能力，進而提升煙株光合能力，提高煙葉光能利用率，促進煙株生長和干物質積累。

植物防衛機制的形成是在相關防御性酶催化下進行的一系列復雜生理生化代謝的結果［21］，通常以POD、CAT、SOD等抗氧化酶活性作為植物抗病能力的評判標準［22］。SOD、POD、CAT是植物體內清除活性氧的主要酶，且POD能清除胺類毒性，誘導木質素的合成，強化植物組織，增加病原菌入侵阻力［23］。劉悅等研究表明，生物炭對小麥赤霉病具有一定的防治作用，病情指數由26.6降至11.5，防治效果達到57.0%［24］。張廣雨等研究發現，起壟前撒施生物炭能顯著降低煙草青枯病的發病率，與對照相比，旺長期青枯病發病率由31.70%降至3.33%，采收期青枯病發病率由66.73%降至14.50%［25］。Akther等發現，土壤中施入生物炭后能促進植株根系生長并且分泌更多次生代謝物，抵抗病菌侵染［26］。本試驗結果顯示，不同抗性烤煙品種施用生物炭后，煙草黑脛病發病率、病情指數均顯著降低，煙株體內抗氧化酶活性大幅升高，其中以高抗品種NC82體內POD、CAT、SOD的活性最高，分別較對照提高26.47%、18.30%、24.59%，對煙草黑脛病防治效果達到80.21%。可能原因是，一方面，施用生物炭促進了煙株生長，提高煙株自身抗性水平，包括抗氧化酶活性等，從而降低煙草黑脛病發病率；另一方面，生物炭吸附煙草疫霉或煙株根系相關代謝產物，改變病原菌對根際的趨向運動，減少病原菌的群集效應及在煙株根際的定殖，最終提高烤煙抗病能力。此外，施用生物炭可改變根際細菌群落組成，增加根際細菌群落多樣性，抑制病原菌活動［27］，這可能也是煙草黑脛病發病率降低的重要原因。

生物炭能較大幅度地促進烤煙根系擴展，加強對水肥和礦質營養的吸收，提高葉片光合作用強度，加快干物質的生成和積累，促進煙株生長。在煙草疫霉脅迫下，生物炭能夠激發烤煙抗氧化酶活性，降低煙草黑脛病的發生。

參考文獻：

［1］夏振遠，谷醫林，張宏越，等. 復合微生物制劑改善土壤生物學特性和防治煙草黑脛病的研究［J］. 中國土壤與肥料，2021（1）：192-196.

［2］張 凱，謝利麗，武云杰，等. 煙草黑脛病的發生及綜合防治研究進展［J］. 中國農業科技導報，2015，17（4）：62-70.

［3］何 宇，呂衛光，張娟琴，等. 生防菌對稻瘟病害控制的研究進展［J］. 江蘇農業科學，2021，49（21）：40-46.

［4］白 馬，柴友正，陳安偉，等. 尖晶石型雙金屬修飾生物炭對水中鎘的去除［J］. 農業環境科學學報，2022，41（7）：1544-1554.

［5］Lehmann J，Rillig M C，Thies J，et al. Biochar effects on soil biota-A review［J］. Soil Biology and Biochemistry，2011，43（9）：1812-1836.

［6］閆新偉，王艷芳，李繼偉，等. 施用生物炭對旱作花生生長和產量構成及土壤酶活性的影響［J］. 河南科技大學學報（自然科學版），2018，39（3）：66-70，8.

［7］丁俊男，于少鵬，李 鑫，等. 生物炭對大豆生理指標和農藝性狀的影響［J］. 江蘇農業學報，2019，35（4）：784-789.

［8］Ogawa M，Okimori Y. Pioneering works in biochar research，Japan［J］. Soil Research，2010，48（7）：489.

［9］張廣雨，胡志明，褚德朋，等. 生物炭對根際土壤微生態的調控及對煙草青枯病的防控作用［J］. 中國煙草學報，2020，26（6）：81-88.

［10］潘金華，黃化剛，陳 雪，等. 深耕與施肥對畢節烤煙生長及產質量的影響［J］. 中國煙草科學，2017，38（3）：14-19.

［11］趙世杰. 植物生理學實驗指導［M］. 北京：中國農業科技出版社，1998：68-72.

［12］李亞飛，張 翔，常 棟，等. 豆漿溶鉀灌根對土壤養分及煙葉產質量的影響［J］. 河南農業科學，2021，50（6）：44-53.

［13］勾芒芒，屈忠義，王 凡，等. 生物炭施用對農業生產與環境效應影響研究進展分析［J］. 農業機械學報，2018，49（7）：1-12.

［14］Steiner C，Glaser B，Geraldes Teixeira W，et al. Nitrogen retention and plant uptake on a highly weathered central Amazonian Ferralsol amended with compost and charcoal［J］. Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2008，171（6）：893-899.[HJ1.9mm]

［15］白 雪，李小英，邱宗海. 添加生物炭與菌肥的復合基質對元寶楓幼苗生長的影響［J］. 西南林業大學學報（自然科學），2020，40（4）：14-22.

［16］周勁松，閆 平，張偉明，等. 生物炭對東北冷涼區水稻秧苗根系形態建成與解剖結構的影響［J］. 作物學報，2017，43（1）：72-81.

［17］李 亮，張 翔，王亞寧，等. 不同栽培方式與追鉀時間對烤煙光合特性、鉀含量及產質量的影響［J］. 中國土壤與肥料，2018（4）：67-74，113.

［18］王 力，顧 浩，李嘉亮，等. 氮肥配施生物炭對坡耕地烤煙/青貯玉米套作生物量和光合特性的影響［J］. 云南農業大學學報（自然科學），2021，36（6）：985-992.

［19］張偉明，管學超，黃玉威，等. 生物炭與化學肥料互作的大豆生物學效應［J］. 作物學報，2015，41（1）：109-122.

［20］張紅雪，吳鳳英，陳宇琳，等. 煙稈生物炭對土壤不同形態鉀含量及煙草光合特性的影響［J］. 福建農林大學學報（自然科學版），2022，51（4）：468-477.

［21］陳 亮，陳年來. 西瓜葉片防御酶活性與枯萎病抗性的關系［J］. 河南農業科學，2019，48（1）：77-83，114.

［22］馬光恕，梁 梟，李 梅，等. 木霉菌對黃瓜生理特性及立枯病防治效果的影響［J］. 中國生物防治學報，2021，37（2）：277-285.

［23］劉海穎，司二靜，郭 銘，等. 外源水楊酸誘導大麥對條紋病的抗性研究［J］. 植物病理學報，2022，52（4）：658-668.

［24］劉 悅，史文琦，曾凡松，等. 生物炭對小麥赤霉病的防治效果及產量的影響［J］. 植物保護，2020，46（4）：270-274，281.

［25］張廣雨，褚德朋，劉元德，等. 生物炭及海藻肥對煙草生長、土壤性狀及青枯病發生的影響［J］. 中國煙草科學，2019，40（5）：15-22.

［26］Akhter A，Hage-Ahmed K，Soja G，et al. Potential of Fusarium wilt-inducing chlamydospores，in vitro behaviour in root exudates and physiology of tomato in biochar and compost amended soil［J］. Plant and Soil，2016，406（1/2）：425-440.

［27］Gu Y A，Hou Y G，Huang D P，et al. Application of biochar reduces Ralstonia solanacearum infection via effects on pathogen chemotaxis，swarming motility，and root exudate adsorption［J］. Plant and Soil，2017，415（1）：269-281.