煙稈生物質(zhì)炭對烤煙連作障礙的消減作用初探

孔明，王鐸，李杰，李正偉，張智俊，孔德旬，楊松兵，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）

烤煙忌連作，但由于耕地面積限制和經(jīng)濟效益驅(qū)使，我國烤煙連作現(xiàn)象呈逐年發(fā)展態(tài)勢［1］。據(jù)統(tǒng)計，我國至少有40×104hm2的植煙土壤存在連作現(xiàn)象，約占我國植煙總面積的30% ～60%，造成土壤環(huán)境急劇惡化［2］。另一方面，大量煙草秸稈的不合理利用同樣導(dǎo)致環(huán)境污染和病蟲害加劇，并與連作障礙共同制約著煙草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

前人研究表明，隨著連作年限的增加，煙株在大田生長后期的株高、莖圍等農(nóng)藝性狀指標均會下降，同時，連作條件下煙株根系發(fā)育也會受到較大的抑制［3，4］。有研究發(fā)現(xiàn)，與輪作種植模式相比，連作烤煙葉片總氮、煙堿含量偏高，產(chǎn)量、中上等煙比例也均低于輪作種植烤煙［5］。婁翼來等［6］研究表明，連作可顯著降低植煙土壤pH值，同時，烤煙長期連作會使土壤中的某一種或者幾種營養(yǎng)元素長期大量損耗，而其它營養(yǎng)元素則隨連作年限的增加大量積累，使得土壤養(yǎng)分嚴重失調(diào)，進而影響煙株的生長發(fā)育［7］。另外，白羽祥等［8］在對比研究連作4、6、8、14、16年植煙土壤細菌群落時發(fā)現(xiàn)，短期連作（6年以下）對植煙土壤細菌群落結(jié)構(gòu)影響較小，但連作達到8年以上時細菌群落結(jié)構(gòu)會發(fā)生劇變，連作14、16年的植煙土壤，細菌豐富度及多樣性也會顯著降低。

近年來，生物質(zhì)炭因其巨大的比表面積和強吸附性被廣泛應(yīng)用在植煙土壤修復(fù)方面［9，10］。生物質(zhì)炭是指在絕氧或限氧條件下，農(nóng)田廢棄物等生物質(zhì)經(jīng)過高溫?zé)峤馓炕傻囊环N具有高度芳香化、富含碳素的多孔固體顆粒物質(zhì)［11］。其孔隙結(jié)構(gòu)極其發(fā)達，含氧活性基團十分豐富［12，13］。大量研究表明，生物質(zhì)炭不僅可以改良土壤物理特性［14］、提高土壤肥力［15，16］，調(diào)節(jié)土壤pH值［17］，其特殊的結(jié)構(gòu)組成還能通過增加土壤微生物的生理活性對其群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響［18］。此外，張繼旭等［19］研究表明，生物質(zhì)炭的施用能夠有效提高土壤酸性磷酸酶和蔗糖酶的活性。施用生物質(zhì)炭可以促進煙株根系的伸長生長［20］，進而影響整個煙株的生長發(fā)育。王毅等［21］的研究也表明生物質(zhì)炭能通過改善植煙土壤環(huán)境對煙葉產(chǎn)質(zhì)量進一步產(chǎn)生影響。

現(xiàn)今，由于長期連作引發(fā)一系列土壤健康問題，嚴重制約著土壤的可持續(xù)利用及穩(wěn)定、高效產(chǎn)出。近年來，生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境改良方面的應(yīng)用效果已然成為國內(nèi)外研究熱點，但利用煙稈生物質(zhì)炭消減烤煙連作障礙的機理尚不清楚?；诖?，本研究以煙稈生物質(zhì)炭施用量為因素，通過對比不同煙稈生物質(zhì)物炭施用量下的連作烤煙全生育期農(nóng)藝性狀、光合特性及產(chǎn)質(zhì)量指標，初步探討連作烤煙對煙稈生物質(zhì)炭施用的響應(yīng)，進而明確連作烤煙最佳的煙稈生物質(zhì)炭施用量，以期為今后利用生物質(zhì)炭緩解烤煙連作障礙提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2019年4—9月在云南省昆明市宜良縣竹山鎮(zhèn)（24°37′58″N，103°7′51″E，海拔1 650 m）進行。供試土壤為連作6年的紅壤土，試驗地平坦，墑面向陽，排水良好。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：有機質(zhì)18.65 g/kg、水解氮72.54 mg/kg、有效磷11.92 mg/kg、速效鉀162.25 mg/kg，pH值5.37。

1.2 試驗材料

供試烤煙品種K326，由云南省煙草公司昆明市公司提供，4月22日采用膜下小苗移栽方式移栽。煙稈生物質(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?？緹熡谄饓徘皸l施煙草專用復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=12∶14∶24）610 kg/hm2為基肥，并于移栽后25 d內(nèi)分3次對水澆施煙草專用追肥（N∶P2O5∶K2O=15∶0∶30）360 kg/hm2。

1.3 試驗設(shè)計

以不同煙稈生物質(zhì)炭施用量為因素，共設(shè)4個處理，分別為A1（0 g/株）、A2（80 g/株）、A3（160 g/株）、A4（240 g/株）。隨機區(qū)組排列，重復(fù)3次。小區(qū)面積60 m2，每小區(qū)種植100株，行株距120 cm×50 cm。試驗田四周設(shè)保護行。栽培管理措施均按照當?shù)爻Ｒ?guī)優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)措施規(guī)范進行，確保各品種生長正常、科學(xué)烘烤。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 生育期觀察記載 按烤煙生育期調(diào)查標準準確記錄移栽期、團棵期、現(xiàn)蕾期、中心花開放期、腳葉成熟期、頂葉成熟期時間。

1.4.2 煙株農(nóng)藝性狀調(diào)查 于移栽后30、60、90 d，按照YC/T 142—2010煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查測量方法調(diào)查農(nóng)藝性狀，內(nèi)容包括株高、莖圍、有效葉片數(shù)、最大葉長、最大葉寬。

1.4.3 SPAD值測定 于移栽后30、60、90 d用SPAD-502型葉綠素測定儀測定各處理中部葉葉綠素含量。

1.4.4 光合特性測定 移栽后60 d，于晴朗天氣9∶00—12∶00，每個小區(qū)選5株長勢一致烤煙，在每株中部定點選取1片葉，用軟毛刷刷去葉面灰塵，用LI-6400型便攜式光合作用儀測定其最大凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率。設(shè)置光合有效輻射（PAR）為1 500μmol/（m2·s），CO2注入系統(tǒng)設(shè)定為400μmol/mol，氣體流速為500 mm/s，葉溫為25℃。

1.4.5 烤煙經(jīng)濟性狀調(diào)查 于烘烤結(jié)束后，按照42級國家煙葉分級標準分級、計產(chǎn)。依據(jù)2019年云南省煙草公司昆明市公司烤煙收購價格計算產(chǎn)值、均價及統(tǒng)計中上等煙比例。

1.4.6 烤后煙葉外觀質(zhì)量調(diào)查 于烘烤結(jié)束后，每處理采集C3F等級煙葉各1 kg，依據(jù)國家標準GB 2635—92進行烤煙外觀質(zhì)量鑒定，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)量評分標準［22］為各處理煙葉評分。

1.4.7 烤后煙葉化學(xué)成分分析 于烘烤結(jié)束后，每處理采集C3F等級煙葉各1 kg進行化學(xué)成分分析?？偺呛瓦€原糖含量參照YC/T 159—2002進行測定；煙堿含量參照YC/T 160—2002進行測定；總氮含量參照YC/T 161—2002進行測定；鉀含量參照YC/T 217—2007進行測定；氯含量參照YC/T 162—2002進行測定；淀粉含量參照YC/T 216—2007進行測定。計算糖堿比（還原糖/煙堿）、氮堿比（總氮/煙堿）及鉀氯比（鉀/氯）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013對數(shù)據(jù)進行處理和作圖，用SPSS 23.0軟件進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙生育期的影響

由表1可看出，隨著煙稈生物質(zhì)炭施用量的逐漸增加，各生育期均呈不同程度的延長趨勢，其中以A3、A4處理較為明顯。

表1 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙生育期的影響 （月/日）

2.2 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙農(nóng)藝性狀的影響

2.2.1 對連作烤煙株高的影響 由圖1可看出，在烤煙生長前期，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，各處理株高呈先升高后降低的趨勢。移栽后30 d，A2處理株高最高，A3次之，A1、A4間無顯著差異；移栽后60 d，A3處理表現(xiàn)較優(yōu)，A2顯著高于A1、A4，A1、A4表現(xiàn)最差；移栽后90 d，A2、A3處理間無顯著差異，且均優(yōu)于A1、A4。以上結(jié)果說明施入適量煙稈生物質(zhì)炭（80、160 g/株）可明顯促進連作煙田煙株生長，過量施用則有抑制生長的趨勢。

圖1 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙株高的影響

2.2.2 對連作烤煙莖圍的影響 由圖2可看出，移栽后30 d，A3處理莖圍最粗，A2次之，A1、A4間無顯著差異；移栽后60 d和90 d，A2、A3處理均顯著高于A1、A4處理，且A2、A3間和A1、A4間均無顯著差異。整體來看，160 g/株的煙稈生物質(zhì)炭施用量更有助于連作煙田煙株莖稈細胞分裂增殖。

圖2 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙莖圍的影響

2.2.3 對連作烤煙有效葉片數(shù)的影響 由圖3可看出，烤煙移栽后30 d和60 d，煙株有效葉片數(shù)隨煙稈生物質(zhì)炭施用量的增加呈先升高后降低的趨勢。移栽后30 d，以A3處理有效葉片數(shù)最多，A2次之，A1、A4較差；移栽后60 d，仍以A3處理表現(xiàn)最優(yōu)，A2、A4間無顯著差異，A1最差；移栽后90 d，各處理有效葉片數(shù)均趨于一致。這說明前中期適量的煙稈生物質(zhì)炭（160 g/株）施用能明顯促進連作烤煙開片，生長后期則無顯著增益效果。

圖3 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙有效葉片數(shù)的影響

2.2.4 對連作烤煙最大葉長的影響 由圖4可看出，烤煙移栽后30 d，A2、A3處理的最大葉長顯著高于A1、A4，且A2、A3間和A1、A4間均無顯著差異；移栽后60 d，則以A3處理表現(xiàn)最優(yōu)，且A1、A2、A4間均無顯著差異；移栽后90 d，各處理間最大葉長均趨于一致。這說明施用160 g/株的煙稈生物質(zhì)炭對烤煙前中期葉片伸長促進作用明顯，而生長后期則無顯著效果。

2.2.5 對連作烤煙最大葉寬的影響 由圖5可看出，移栽后30 d，A2處理最大葉寬顯著高于其它處理，A3次之，A1、A4較差；移栽后60 d和90 d，均以A3處理表現(xiàn)最優(yōu)，A2、A4間無顯著差異，A1最大葉寬最小。這說明80 g/株的煙稈生物質(zhì)炭施用量可顯著促進連作烤煙生長前期葉片拓寬，而施用量160 g/株則對中后期葉片促生作用明顯。

圖4 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙最大葉長的影響

圖5 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙最大葉寬的影響

2.3 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙SPAD值的影響

由圖6可看出，各時期葉片的SPAD值均隨煙稈生物質(zhì)炭施用量的增加呈先升后降的趨勢。移栽后30 d和60 d，均以A3處理SPAD值最高，A2、A4次之，A1最差；移栽后90 d，A2、A3處理顯著高于其它處理，且兩者間無顯著差異，A1顯著高于A4。這說明160 g/株的煙稈生物質(zhì)炭施用量最有利于連作烤煙葉片葉綠素含量的累積。

圖6 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙SPAD值的影響

2.4 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙光合特性的影響

由表2可知，隨著煙稈生物質(zhì)炭施用量的增加，烤煙凈光合速率、氣孔導(dǎo)度以及蒸騰速率均呈先升高后降低的趨勢，而胞間二氧化碳濃度則與之相反。具體來看，凈光合速率表現(xiàn)為A3＞A2＞A4＞A1；各處理間氣孔導(dǎo)度均無顯著差異；胞間二氧化碳濃度以A1處理最高，A2、A4次之，A3最低；蒸騰速率，A3處理顯著高于其它處理，且A1、A2、A4處理間均無顯著差異。綜上，煙稈生物質(zhì)炭的施用對烤煙凈光合速率、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率增益作用明顯，而對氣孔導(dǎo)度無顯著促進效果，且整體以160 g/株的煙稈生物質(zhì)炭施用量最有利于連作烤煙的光合作用。

表2 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙光合特性的影響

2.5 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙經(jīng)濟性狀的影響

由表3可知，隨著煙稈生物質(zhì)炭施用量的增加，各處理在經(jīng)濟性狀指標方面均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。具體來看：A2處理的產(chǎn)量最高，達2 423.13 kg/hm2，A3、A1次之，A4最低；均價方面，以A3處理表現(xiàn)最優(yōu)，A1最差，A2、A4間無顯著差異；產(chǎn)值表現(xiàn)為A3＞A2＞A4＞A1；中上等煙比例，A3處理最高，A2次之，A1、A4中上等煙比例較低。這表明80 g/株的煙稈生物質(zhì)炭施用量可顯著提高連作烤煙產(chǎn)量，而施用量為160 g/株的處理則有最高的均價、產(chǎn)值及中上等煙比例。

表3 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙經(jīng)濟性狀的影響

2.6 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙外觀質(zhì)量的影響

由表4可知，顏色方面，各處理均為橘黃，且以A3處理得分最高，A4、A2次之，A1稍差；成熟度，A3、A2處理表現(xiàn)較優(yōu)，A1、A4成熟度較低，且A3、A2間和A1、A4間得分均無顯著差異；對于結(jié)構(gòu)來講，A1處理為尚疏松，A2—A4處理均為疏松，且以A2分值最高，A3、A4次之，A1最差；身份方面，A1處理稍薄，A2—A4處理均為中等，其中A2分值最高，A3次之，A4、A1間無顯著差異；油分和色度方面，A3處理均最優(yōu)，A1最差，A2、A4間無顯著差異。綜合來看，各處理總分表現(xiàn)為A3＞A2＞A4＞A1。該結(jié)果說明，煙稈生物質(zhì)炭可顯著提高連作烤煙外觀質(zhì)量，且外觀質(zhì)量分值隨施用量的增加呈先升后降的趨勢，其中以160 g/株的處理增益效果最優(yōu)。

表4 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙外觀質(zhì)量的影響

2.7 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙化學(xué)成分的影響

一般認為，云南優(yōu)質(zhì)煙葉的煙堿含量要求達到1.5% ～3.5%、總氮1.5% ～3.5%、總糖25% ～27%、還原糖16% ～18%、氯1%以下、鉀2%以上、淀粉8%～10%、糖堿比10～15、氮堿比1、鉀氯比4～10為宜。由表5可看出，總糖和煙堿含量，均以A2處理表現(xiàn)最為適宜；A3、A4處理的總糖顯著高于其它處理，A1最低；A2處理的煙堿含量最高，A3、A4次之，A1最低。還原糖，A3處理最高，A4次之，A1、A2較低，但后二者均處于優(yōu)質(zhì)煙葉還原糖含量范圍內(nèi)?？偟⒙群?、鉀含量、糖堿比及鉀氯比，均以A3處理表現(xiàn)最優(yōu)。具體來看：A3處理的總氮和鉀含量最高，A1最低，而A2、A4間無顯著差異；氯含量，A1處理最高，A2、A4次之，A3最低；糖堿比，A3處理最高，A2最低，A1、A4間無顯著差異；鉀氯比則表現(xiàn)為A3＞A4＞A2＞A1。淀粉含量和氮堿比，均以A4處理表現(xiàn)最優(yōu)。具體來看：淀粉含量表現(xiàn)為A4＞A3＞A2＞A1；而A2、A4處理的氮堿比較低，A1、A3較高，且A2、A4間和A1、A3間均無顯著差異。綜合來看，160 g/株的煙稈生物質(zhì)炭施用量最有利于連作烤煙化學(xué)成分的平衡。

表5 煙稈生物質(zhì)炭施用對連作烤煙化學(xué)成分的影響

3 討論與結(jié)論

連作會導(dǎo)致土壤容重升高，孔隙度減小，含水量降低，土壤pH值降低，土壤養(yǎng)分流失，進而影響烤煙生長。生物質(zhì)炭作為新興的優(yōu)質(zhì)土壤改良劑，在植煙土壤保育、消減作物連作障礙等方面具有顯著作用。張福建［23］通過施用生物質(zhì)炭緩解辣椒連作障礙的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在辣椒連作土壤中添加適量的生物質(zhì)炭可顯著促進辣椒生長發(fā)育，并優(yōu)化其根際土壤環(huán)境。楊莉等［24］通過在連作人參土壤中增施生物質(zhì)炭發(fā)現(xiàn)，施用生物質(zhì)炭顯著增加土壤養(yǎng)分和酶活性，其中增幅最大的為速效鉀。周孚美等［25］研究表明，在連作烤煙移栽前穴施12 000 kg/hm2稻殼炭可顯著提高烤煙農(nóng)藝性狀及產(chǎn)質(zhì)量指標，且未發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的任何不利影響。劉術(shù)均等［26］研究表明，生物質(zhì)炭處理的同葉位茄子葉片的葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素總量及定植后的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均高于對照，而胞間CO2濃度卻低于對照，定植后60 d和90 d時達到顯著差異，說明生物質(zhì)炭處理可增加茄子葉片葉綠素含量，提高其凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度。王歡歡等［27］研究發(fā)現(xiàn)，施用2 400 kg/hm2的生物質(zhì)炭，SPAD值可提高57.68%，凈光合速率可提高77.32%，這可能和根系生理特征及葉綠素含量有關(guān)，即生物質(zhì)炭的施用可保障光合作用所需的礦質(zhì)營養(yǎng)、水分、酶等物質(zhì)的充分供應(yīng)，進而優(yōu)化光合特性的相關(guān)指標，為產(chǎn)質(zhì)量的形成打下堅實基礎(chǔ)。

本試驗初步研究了施加生物質(zhì)炭對烤煙連作障礙的消減作用，結(jié)果表明生物質(zhì)炭施加對烤煙的株高、莖圍、最大葉長、最大葉寬和有效葉片數(shù)均有一定程度的促進作用，且整體以160 g/株的施用量效果最佳。但在烤煙生長后期，各處理有效葉片數(shù)及最大葉長均無顯著差異，其原因可能為生物質(zhì)炭在烤煙生長前中期對土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性以及微生物群落結(jié)構(gòu)影響較大，對生長發(fā)育起到正向作用，而后期生物質(zhì)炭對葉片數(shù)及葉片長度的調(diào)控作用較弱，導(dǎo)致各處理葉片數(shù)及葉片伸長程度趨于一致［28］。葉綠素在煙株光合作用中起著重要作用，且其含量與降解產(chǎn)物的積累量、煙葉的外觀質(zhì)量和內(nèi)在品質(zhì)密切相關(guān)［29］。本試驗發(fā)現(xiàn)，施用160 g/株的煙稈生物質(zhì)炭可顯著提高烤煙SPAD值和光合特性指標，且最有利于產(chǎn)質(zhì)量的形成。本試驗還發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭施用過量會產(chǎn)生抑制烤煙生長的趨勢，這可能與生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)有關(guān)，即生物質(zhì)炭具有較高的含碳量，礦物養(yǎng)分含量低，如果施用量過多，則會影響作物對土壤養(yǎng)分的吸收，進而影響烤煙的生長發(fā)育。

綜上，施用煙稈生物質(zhì)炭可在烤煙生長發(fā)育和產(chǎn)質(zhì)量方面消減烤煙的連作障礙，其中整體以160 g/株的施用量效果最為顯著。