連續(xù)施用生物炭對連作烤煙煙葉主要化學(xué)成分的影響

劉 卉，荊永鋒，周清明，黎 娟*， 向德明

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128;2.湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410014;3.湖南省煙草公司湘西自治州公司，湖南 吉首 416000)

【研究意義】煙草是忌連作作物，而長期連作形成的障礙因子影響烤煙產(chǎn)質(zhì)量的形成[1]。近年來烤煙連作種植模式不斷擴(kuò)展，而烤煙連作往往會(huì)導(dǎo)致烤后煙葉品質(zhì)下降[2]。這主要是由于連作會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分比例失衡，影響烤煙的生長發(fā)育，導(dǎo)致烤后煙葉的品質(zhì)下降[3]。生物炭具有密度低，比表面積高，穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，生物炭對土壤改良及烤煙產(chǎn)質(zhì)量的影響也已經(jīng)開展了大量的相關(guān)研究，具有一定的應(yīng)用價(jià)值[4-6]。烤煙煙葉化學(xué)成分是評價(jià)煙葉內(nèi)在質(zhì)量的重要指標(biāo)，同時(shí)也會(huì)影響煙葉的香吃味，而施用生物炭能協(xié)調(diào)烤后煙葉的化學(xué)成分，有利于提高煙葉質(zhì)量[7]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】毛家偉等[8]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能夠降低上部葉煙堿含量，并促進(jìn)煙葉鉀含量的提高。張弘等[9]研究表明，施用生物炭能夠調(diào)控烤后煙葉的化學(xué)成分，主要能夠促進(jìn)煙葉的總糖、還原糖含量提高及協(xié)調(diào)糖堿比和鉀氯比。同時(shí)也有報(bào)道表明，適宜的生物炭用量有利于改善烤煙的化學(xué)成分，但過量的生物炭用量又會(huì)降低烤后煙葉品質(zhì)[10]。盡管已有大量研究表明，施用生物炭主要能夠調(diào)控烤后煙葉的化學(xué)成分含量，但不同的土壤類型及植煙區(qū)域其適宜的生物炭用量可能存在差異[11-15]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】筆者前期的研究結(jié)果表明，湘西植煙土壤中施用生物炭有利于土壤改良和烤煙優(yōu)質(zhì)產(chǎn)質(zhì)量的形成，而適宜的生物炭用量為3750 kg/hm2[6]，但針對烤煙連作情況下，連續(xù)施用生物炭對烤后煙葉品質(zhì)的影響還未見報(bào)道。因此，本研究通過探討連續(xù)施用生物炭對連作烤煙煙葉品質(zhì)的影響，明確烤煙連作下連續(xù)施用生物炭對烤煙主要化學(xué)成分的調(diào)控效果?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為利用生物炭改善連作烤煙煙葉品質(zhì)提供一定的試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為三年定位試驗(yàn)，于2015年3月至2017年9月在湖南省鳳凰縣進(jìn)行，烤煙品種為云煙87，試驗(yàn)土壤為黃灰土，基礎(chǔ)地力：堿解氮0.11 g·kg-1；有效磷0.04 g·kg-1；有效鉀0.26 g·kg-1；pH 6.50。生物炭為稻殼生物炭，由湖南正恒農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司提供。生物炭的養(yǎng)分含量：速效氮26.00 mg·kg-1；有效磷459.00 mg·kg-1；有效鉀3.71 g·kg-1；pH 9.44。試驗(yàn)施用肥料為煙草專用肥料，氮肥用量為112.50 kg·hm-2，且N∶P∶K=1∶1.18∶2.85。試驗(yàn)處理為T：連續(xù)施用生物炭(每年移栽前均施用3750 kg·hm-2生物炭)、CK：不施用生物炭。生物炭在移栽前劃分小區(qū)時(shí)均勻撒施，并旋耕深翻與耕層土壤混勻?？緹熞圃云跒?月28日，每小區(qū)面積為30 m2，設(shè)3次重復(fù)，其他烤煙栽培農(nóng)藝措施按當(dāng)?shù)厣a(chǎn)規(guī)范進(jìn)行。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

烤后每小區(qū)選取C3F等級煙葉1kg測定其化學(xué)成分?？偺恰⑦€原糖、總氮、煙堿、氯含量采用Skalar連續(xù)流動(dòng)分析儀測定[7]；鉀含量采用火焰光度計(jì)測定；糖堿比=總糖/煙堿、氮堿比=總氮/煙堿、糖氮比=總糖/總氮、鉀氯比=鉀/氯。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)用SPSS22.0處理，主成分分析采用R語言進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 連續(xù)施用生物炭對烤后煙葉總糖及還原糖含量的影響

連續(xù)施用生物炭后烤后煙葉總糖及還原糖含量如表1所示?？竞鬅熑~的總糖、還原糖含量的高低能夠影響煙葉燃吸時(shí)煙氣吃味，而總糖及還原糖適宜含量分別為22 %～28 %、15 %～20 %[6]。從總糖含量上來看，3年連作期間生物炭處理及對照烤后煙葉總糖含量均在適宜值范圍內(nèi)。對照表現(xiàn)為隨著連作年限延長烤后煙葉總糖含量先降低然后略有升高，而生物炭處理表現(xiàn)為先升高然后略有降低。但3年連作期間，連續(xù)施用生物炭處理烤后煙葉的總糖含量均低于對照，其中只有2015年時(shí)與對照差異極顯著。從還原糖含量上來看，2016年時(shí)對照及生物炭處理的還原糖含量均較低，以連續(xù)施用生物炭后烤后煙葉還原糖含量接近適宜值，而2015及2017年時(shí)對照及生物炭處理還原糖含量較為適宜。3年連作期間，對照及生物炭處理的烤后煙葉還原糖含量先降低后升高，2015及2017年時(shí)連續(xù)施用生物炭處理烤后煙葉的還原糖含量低于對照，而2016年時(shí)略高于對照，也表現(xiàn)為2015年時(shí)T處理與對照差異極顯著。

表1 連續(xù)施用生物炭后不同年份烤后煙葉總糖及還原糖含量比較Table 1 The comparison of content of total sugar and reducing sugar of tobacco leaves after baking in different years after continuous application of biochar

注：**和*分別表示在1 %和5 %水平上差異顯著。下同。
Note: ** and * mean significant difference at 0.01 and 0.05 probability levels, respectively. The same as following.

表2 連續(xù)施用生物炭后不同年份烤后煙葉總氮及煙堿含量比較Table 2 The comparison of content of total nitrogen and nicotine of tobacco leaves after baking in different years after continuous application of biochar

2.2 連續(xù)施用生物炭對烤后煙葉總氮及煙堿含量的影響

如表2所示，烤后煙葉的總氮、煙堿含量的高低影響煙氣的刺激性，而總氮及煙堿適宜含量分別為2.5 %、2 %[6]。隨著烤煙連作年限的延長，對照組烤后煙葉總氮含量逐年降低，而T處理烤后煙葉總氮含量先降低后升高，但T與CK總氮含量差異在3年中均不顯著。3年連作期間，對照組烤后煙葉煙堿含量在2015及2016年時(shí)較適宜，至2017年時(shí)烤后煙葉煙堿含量偏高，而T處理烤后煙葉煙堿含量逐年降低，其中在2015年時(shí)與對照差異顯著，總體表現(xiàn)為隨著連作時(shí)間的延長，連續(xù)施用生物炭能夠緩解烤后煙葉總氮含量降低、煙堿含量升高的趨勢。

2.3 連續(xù)施用生物炭對烤后煙葉鉀及氯含量的影響

連續(xù)施用生物炭后烤后煙葉鉀及氯含量如表3所示。烤后煙葉的鉀、氯含量與煙葉的燃燒性和吸濕性關(guān)系密切，而煙葉鉀含量高于2 %較適宜、氯含量適宜含量為0.3 %～0.8 %[6]。從烤后煙葉鉀含量上來看，對照組表現(xiàn)為隨著連作時(shí)間延長，烤后煙葉鉀含量先降低然后略有升高。T處理表現(xiàn)為隨著連作時(shí)間延長，烤后煙葉鉀含量逐年降低，但3年中連續(xù)施用生物炭處理的烤后煙葉鉀含量均高于對照，其中以2015及2016年時(shí)T與CK差異極顯著，且連作期間內(nèi)連續(xù)施用生物炭后烤后煙葉的鉀含量均處于適宜范圍內(nèi)，而對照組鉀含量在2016年時(shí)偏低。從烤后煙葉氯含量上來看，對照組及T處理均表現(xiàn)為烤后煙葉氯含量隨著連作年限延長先升高后降低，其中以2015及2016年時(shí)二者差異顯著。烤煙連作期間，T處理烤后煙葉氯含量較為適宜，而對照組2017年時(shí)烤后煙葉氯含量偏低。

2.4 連續(xù)施用生物炭對烤后煙葉糖堿比、糖氮比、氮堿比及鉀氯比的影響

如表4～5所示，烤后煙葉的糖堿比、糖氮比、氮堿比及鉀氯比影響烤煙煙氣醇和度、刺激性、吃味及燃燒性等，如糖堿比、糖氮比處于6～10較適宜，氮堿比為0.8～0.9較適宜，鉀氯比>4較好[6]。從烤煙糖堿比及糖氮比來看，均以2015年時(shí)T處理與對照差異顯著，而其他年份差異不顯著。隨著連作時(shí)間延長，連續(xù)施用生物炭后烤煙的糖堿比逐年增加，以2015時(shí)最適宜，而其他年份糖堿比偏高。糖氮比也以2015年時(shí)對照及T處理較適宜，其他年份均偏高。從烤煙氮堿比來看，對照組隨著連作時(shí)間延長而逐漸降低，而連續(xù)施用生物炭后，烤煙氮堿比逐年升高，其中2017年時(shí)與對照差異顯著。從烤煙鉀氯比來看，3年中連續(xù)施用生物炭后烤煙的鉀氯比值均處于適宜范圍內(nèi)，而對照組在2016年時(shí)鉀氯比值偏低，極顯著低于生物炭處理的烤煙鉀氯比。這說明，隨著連作時(shí)間的延長，烤后煙葉的化學(xué)成分常規(guī)比值逐漸偏離適宜值，連續(xù)施用生物炭主要有利于烤后煙葉鉀氯比值處于適宜值。

表3 連續(xù)施用生物炭后不同年份烤后煙葉鉀及氯含量比較Table 3 The comparison of content of potassium and chlorine of tobacco leaves after baking in different years after continuous application of biochar

表4連續(xù)施用生物炭后不同年份烤后煙葉糖堿比及糖氮比比較
Table 4 The comparison of the sugar nicotine ratio and sugar nitrogen ratio of tobacco leaves after baking in different years after continuous application of biochar

年份處理糖堿比糖氮比平均值標(biāo)準(zhǔn)差增量增幅(%)平均值標(biāo)準(zhǔn)差增量增幅(%)2015CK13.760?? 0.695 -4.520 -32.849 10.840? 0.823 -2.947 -27.183 T9.240 0.505 7.893 0.984 2016CK12.907 0.199 3.420 26.498 14.240 0.445 -0.137 -0.960 T16.327 3.647 14.103 0.409 2017CK9.807 4.284 10.960 111.761 16.833 2.024 -3.670 -21.802 T20.767 8.455 13.163 2.414

表5連續(xù)施用生物炭后不同年份烤后煙葉氮堿比及鉀氯比比較
Table 5 The comparison of the nitrogen nicotine ratio and potassium chlorine ratio of tobacco leaves after baking in different years after continuous application of biochar

年份處理氮堿比鉀氯比平均值標(biāo)準(zhǔn)差增量增幅(%)平均值標(biāo)準(zhǔn)差增量增幅(%)2015CK1.273 0.035 -0.087 -6.806 7.897? 0.510 -1.000 -12.664 T1.187 0.191 6.897 0.323 2016CK0.910 0.040 0.247 27.106 3.360 0.111 2.733 81.349 T1.157 0.251 6.093?? 0.962 2017CK0.610 0.348 0.917 150.273 8.637 2.709 -0.973 -11.270 T1.527? 0.405 7.663 0.589

2.5 連續(xù)施用生物炭不同年份烤后煙葉化學(xué)成分主成分分析

如表6、圖1所示，3年中第1和2軸對烤煙主要化學(xué)成分的累計(jì)解釋量分別為93.65 %、81.61 %、74.74 %。2015年及2016年時(shí)，連續(xù)施用生物炭處理與對照組的散點(diǎn)分布相距較遠(yuǎn)，說明二者的烤后煙葉主要化學(xué)成分差異較大；而2017年時(shí)，T處理與對照組的散點(diǎn)分布相距較近，二者之間的差異較小。結(jié)果表明烤煙連作期間連續(xù)施用生物炭后在2015及2016年對烤后煙葉化學(xué)成分的影響較大，而在2017年時(shí)影響減小，這說明連續(xù)施用生物炭對能夠影響烤后煙葉化學(xué)成分，但這種影響會(huì)隨著連作時(shí)間延長而減弱。

表6不同年份烤后煙葉化學(xué)成分主成分分析各軸特征值及解釋量
Table 6 The eigenvalue and proportion explained of each shaft of the principal component analysis of chemical composition of tobacco leaves after baking in different years

年份項(xiàng)目PC1PC2PC3PC4PC52015 特征值7.505 1.860 0.551 0.054 0.030 解釋量0.751 0.186 0.055 0.005 0.003 累計(jì)0.751 0.937 0.9920.997 1.000 2016 特征值5.716 2.445 1.656 0.134 0.048 解釋量0.572 0.245 0.166 0.013 0.005 累計(jì)0.572 0.816 0.982 0.995 1.0002017 特征值4.904 2.569 1.527 0.589 0.411 解釋量0.490 0.257 0.153 0.059 0.041 累計(jì)0.490 0.747 0.900 0.959 1.000

圖1 2015年(a)、2016年(b)及2017年(c)烤后煙葉化學(xué)成分主成分分析結(jié)果Fig.1 The result of the principal component analysis of chemical composition of tobacco leaves after baking in 2015(a),2016(b) and 2017(c)

3 討 論

由于適宜植煙土壤有限和種植條件等原因，烤煙連作現(xiàn)象長期存在，而連作又會(huì)對煙葉質(zhì)量產(chǎn)生不利影響[16]。尤垂淮等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨著連作年限增加，烤后煙葉中的總糖、還原糖含量和鉀含量降低。本研究結(jié)果與之稍有差異，3年連作期間，對照組烤后煙葉的總糖、還原糖和鉀含量先降低后然后略有升高，但與第1年對照組烤后煙葉總糖、還原糖含量和鉀含量比較仍呈下降趨勢；而連續(xù)施用生物炭后，3年中T處理烤后煙葉的總糖含量均低于對照組，還原糖含量除2016年略高于對照，其他年份也以T處理較低，這說明連續(xù)施用生物炭后降低了烤后煙葉的總糖及還原糖含量，這也與李司童等[11]的研究結(jié)果不一致，可能是由于生物炭的施用量不同及土壤類型等差異造成的。連續(xù)施用生物炭后烤后煙葉的鉀含量較對照組高，且在2015及2016年時(shí)與對照差異達(dá)極顯著水平。這說明，連續(xù)施用生物炭有利于提高連作烤煙烤后煙葉鉀含量，這也與李莉等[18]研究結(jié)果相同。連續(xù)施用生物炭能緩解烤后煙葉鉀含量隨著連作時(shí)間延長降低的趨勢，同時(shí)這種緩解作用也會(huì)隨著連作年限延長而減弱。這可能與施用生物炭后提高了土壤中速效鉀的含量有關(guān)，有利于烤煙對鉀素的吸收利用，因而烤后煙葉中鉀含量高于對照組[19]。潘金華等[20]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后烤后煙葉的煙堿及總氮含量下降。本研究結(jié)果表明，連續(xù)施用生物炭后烤后煙葉的煙堿含量逐年降低，但總氮含量呈現(xiàn)先降低后升高的變化規(guī)律。與對照比較，連續(xù)施用生物炭能夠緩解烤后煙葉總氮含量降低、煙堿含量升高的趨勢。隨著連作時(shí)間的增加，對照組烤后煙葉的總氮含量不斷降低，較低的總氮含量煙氣吃味平淡；而煙堿含量至2017年時(shí)增至3.097 %，煙堿含量偏高，刺激性大，味苦煙味較辛辣[21]。連續(xù)施用生物炭后影響烤后煙葉的總糖、還原糖、總氮及煙堿含量，這可能與添施生物炭后能夠影響煙葉的碳氮代謝，但由于經(jīng)過調(diào)制過程會(huì)導(dǎo)致差異逐漸變小[22]，因而連續(xù)施用生物炭后烤后煙葉的總糖、還原糖、總氮及煙堿含量差異并沒有在三年中均達(dá)到顯著水平。本研究發(fā)現(xiàn)，對照組及連續(xù)施用生物炭處理均表現(xiàn)為烤后煙葉氯含量隨著連作年限延長先升高后降低，其中以2015及2016年時(shí)二者差異顯著，但以T處理烤后煙葉氯含量較為適宜。李嶺等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在鎘污染土壤中添施生物炭后會(huì)降低氯含量，但該試驗(yàn)結(jié)果可能與本試驗(yàn)沒有比較性，主要由于其采用盆栽試驗(yàn)，且測定的樣品是殺青樣而不是調(diào)制后的煙葉。而王歡歡等[13]研究結(jié)果表明，施用生物炭后會(huì)增加烤后煙葉中的氯含量。本研究發(fā)現(xiàn)在2015年時(shí)，施用生物炭后烤后煙葉氯含量極顯著增加，而2016、2017年時(shí)又逐漸降低，這表明施用生物炭能夠調(diào)控烤后煙葉中的氯含量，但會(huì)隨著連作年限延長發(fā)生改變，3年連作期間均以連續(xù)施用生物炭處理的烤后煙葉氯含量處于或接近適宜值，這說明添施生物炭有利于協(xié)調(diào)烤后煙葉氯含量，改善其吸濕性。鄭加玉等[24]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后增加了烤后煙葉的鉀氯比值，但對氮堿比影響較小。本研究表明，連續(xù)施用生物炭后烤煙的鉀氯比值均處于適宜范圍內(nèi)，而對照組在2016年時(shí)鉀氯比值偏低，這說明連續(xù)施用生物炭后烤后煙葉鉀氯比值在烤煙連作期間內(nèi)較對照組穩(wěn)定。對照及T處理的烤煙氮堿比在2015、2016年時(shí)接近適宜值，至2017年時(shí)表現(xiàn)為對照組氮堿比值偏低，而T處理氮堿比值偏高。這說明隨著連作時(shí)間延長，連續(xù)生物炭也不能較好的調(diào)控烤后煙葉氮堿比值。本研究還發(fā)現(xiàn)，連續(xù)施用生物炭主要能影響2015年烤后煙葉的糖堿比及糖氮比，而對其他年份糖堿比及糖氮比的影響較小。這也說明，隨著連作時(shí)間的延長，連續(xù)施用生物炭對烤后煙葉的化學(xué)成分協(xié)調(diào)性的影響逐漸降低。此外，主成分分析結(jié)果也同樣驗(yàn)證了筆者的推論，即烤煙連作下連續(xù)施用生物炭對能夠影響烤后煙葉化學(xué)成分，但這種影響會(huì)隨著連作時(shí)間延長而減弱。

4 結(jié) 論

連續(xù)施用生物炭能影響連作烤煙煙葉化學(xué)成分。烤煙連作下連續(xù)施用生物炭后降低了烤后煙葉的總糖、還原糖含量，增加烤后煙葉鉀含量。連續(xù)施用生物炭后烤后煙葉的煙堿含量逐年降低，但總氮含量呈現(xiàn)先降低后升高的變化規(guī)律，烤后煙葉氯含量較對照適宜。隨著連作年限的延長，烤后煙葉的化學(xué)成分常規(guī)比值逐漸偏離適宜值，而連續(xù)施用生物炭主要有利于烤后煙葉鉀氯比值處于適宜值。另外，連續(xù)施用生物炭對烤煙煙葉化學(xué)成分的影響會(huì)隨著連作年限的增加逐漸減弱。