連續(xù)施用不同生物質(zhì)炭對植煙土壤特性和烤煙品質(zhì)的影響

肖和友 朱偉 王海軍 劉旭 張賜喜 唐濤 陳立軍 陳雯韻 曾鈺 戴勇強 鄒凱

摘 要：為探討連續(xù)施用生物質(zhì)炭對改良植煙土壤、提高煙葉品質(zhì)的長期效應(yīng)，設(shè)置不添加生物質(zhì)炭（CK）、添加煙稈炭（T1）、廢棄煙葉炭（T2）和玉米秸稈炭（T3）4個處理，通過連續(xù)3年定位試驗研究其對植煙土壤pH和CEC值、煙葉外觀質(zhì)量及內(nèi)在化學(xué)成分的影響。結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭能夠顯著提高土壤的pH和CEC值，提升效果為T2>T1>T3。生物質(zhì)炭處理的葉片外觀質(zhì)量略優(yōu)于對照。連續(xù)施用生物質(zhì)炭后煙葉品質(zhì)顯著高于對照，其中T2顯著高于T1和T3。隨著試驗?zāi)晗薜难娱L，煙葉的總糖、還原糖、總氮含量和氮堿比、糖堿比升高，而煙堿、氯含量和糖氮比降低。整體上廢棄煙葉炭（T2）處理更有利于提高土壤pH和CEC值、煙葉化學(xué)成分含量及協(xié)調(diào)性指標(biāo)。施用生物質(zhì)炭顯著提高土壤理化性質(zhì)、煙葉內(nèi)在化學(xué)成分含量及協(xié)調(diào)性，但其效應(yīng)存在一定的滯后性，隨著試驗?zāi)晗薜脑黾樱B續(xù)施用生物質(zhì)炭更有利于改良植煙土壤、提高烤后煙葉品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭;定位試驗;植煙土壤;外觀質(zhì)量;化學(xué)成分

Abstract： To explore the long-term effects of continuous application of biochar on improving tobacco-planting soil and tobacco leaf quality， four treatments were set with no biochar （CK）， tobacco stem-derived biochar （T1）， wasted tobacco leaf-derived biochar （T2）， and maize straw-derived biochar （T3）. The effects of these treatments on the pH and CEC values of tobacco-planting soil， appearance quality and internal chemical composition of tobacco leaves were studied through a 3-year field experiment. The results showed that pH value and CEC value of soil were significantly increased by applying biochar， and the promotion effect was T2>T1>T3. The leaf appearance quality of biochar treatments was slightly better than CK. After continuous application of biochar， the quality of tobacco leaf was significantly higher than CK， and T2 was significantly higher than T1 and T3. With the extension of experiment period， total sugar， reducing sugar， total nitrogen content， total nitrogen-nicotine ratio， total sugar-nicotine ratio of tobacco leaves increased， while nicotine， chlorine content and total sugar-nitrogen ratio decreased. On the whole， The T2 treatment was more beneficial in improving pH value， CEC value， chemical composition content and coordination index of tobacco leaves. Application of biochar significantly improved soil physical and chemical properties， the content of intrinsic chemicals and their coordination， but its effects were lagged. Along with the increasing of test time， the continuous application of biochar is more conducive to improve the tobacco-planting soil and the quality of flue-cured tobacco leaves.

Keywords： biochar; located experiment; tobacco-planting soil; appearance quality; chemical content

當(dāng)前，我國植煙土壤環(huán)境呈現(xiàn)惡化趨勢，煙葉品質(zhì)處于較低水平，這與煙草的種植制度、栽培措施、施肥模式有關(guān)[1-2]。煙草是忌連作作物，且長期過量施用化肥造成土壤板結(jié)，養(yǎng)分流失加劇，元素利用率低下，煙株發(fā)育不良，煙葉化學(xué)成分和協(xié)調(diào)性逐漸偏離最佳值，煙葉品質(zhì)下降[3]。植煙土壤環(huán)境的惡化是造成煙葉品質(zhì)下降的主要原因之一[4]。因此，研究如何改善植煙土壤環(huán)境，提升煙葉品質(zhì)是煙草行業(yè)關(guān)注的焦點。生物質(zhì)炭是生物質(zhì)高溫?zé)峤夂蟮漠a(chǎn)物，具有比表面積大、吸附性強和穩(wěn)定性強等特點[5]。施用生物質(zhì)炭可改良土壤，提高土壤肥力，并為植物生長提供較多的養(yǎng)分，從而促進(jìn)作物生長發(fā)育。研究表明生物質(zhì)炭可以提高土壤pH，在酸性土壤中效果尤為明顯，在堿性土壤中則較弱[6]。生物質(zhì)炭還有較強的離子吸附交換能力及一定的吸附容量，可改善土壤中陰陽離子交換量，有效減少土壤養(yǎng)分的流失，從而提高土壤的保肥能力[7]。毛家偉等[8]表明施用生物質(zhì)炭能夠降低上部葉片煙堿含量，提高煙葉鉀含量。張弘等[9]發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭能夠協(xié)調(diào)烤后煙葉化學(xué)成分，主要提高煙葉總糖和還原糖含量及協(xié)調(diào)糖堿比和鉀氯比。盡管有關(guān)生物質(zhì)炭的施用對土壤改良以及烤煙煙葉品質(zhì)的影響已有大量的報道[10-12]，但連續(xù)施用生物質(zhì)炭對植煙土壤理化性質(zhì)及烤后煙葉品質(zhì)的長期效應(yīng)報道尚少。因此，本研究通過田間試驗探討連續(xù)施用不同種類生物質(zhì)炭對植煙土壤理化性質(zhì)及烤煙品質(zhì)的影響，為生物質(zhì)炭在煙草種植及植煙土壤改良方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)與實踐參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試煙草品種為云煙87，由邵陽市煙草公司新寧縣分公司提供。供試土壤為第四紀(jì)母質(zhì)發(fā)育紅壤，土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量分別為14.55、1.21、0.54和16.56 g/kg，堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為96.07、17.84和88.41 mg/kg，pH為4.72，CEC為6.06 cmol/kg，屬于典型的湖南煙區(qū)酸性土壤。供試肥料為湖南金葉眾望科技有限公司生產(chǎn)的煙草專用肥料，基肥[m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=8∶11∶11]，追肥[m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=10∶0∶32]，提苗肥[m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=20∶9∶0]，硫酸鉀（K2O≥50%）。生物質(zhì)炭由煙葉廢物、煙稈和玉米秸稈采用炭化爐法制備而成，其基本理化性質(zhì)參見文獻(xiàn)[3]，其中pH分別為9.55、7.71、9.97，電導(dǎo)率分別為184.87、5.61、70.8，有機碳含量分別為371.34、552.85、501.34 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗于2016—2018年在湖南省邵陽市新寧縣豐田鄉(xiāng)堆子田村進(jìn)行。共設(shè)計4個處理，以不添加生物質(zhì)炭處理為對照（CK），其他3個處理分別添加煙稈炭（T1）、廢棄煙葉炭（T2）、玉米秸稈炭（T3），不同年份施肥處理、施肥量和施肥方法相同。各處理的施肥量如下，CK：基肥750 kg/hm2，提苗肥75 kg/hm2，專用追肥450 kg/hm2，硫酸鉀375 kg/hm2;T1、T2、T3的施肥量均為：生物質(zhì)炭2250 kg/hm2，基肥600 kg/hm2，提苗肥75 kg/hm2，專用追肥450 kg/hm2，硫酸鉀375 kg/hm2。每個處理3次重復(fù)，共12個田間小區(qū)（每個小區(qū)42 m2），每個小區(qū)移栽長勢一致的煙苗64株，所有田間操作管理（包括采樣時間以及采樣方法）均按當(dāng)?shù)責(zé)熑~生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。每一年移栽前對土壤施用石灰消毒?？緹熡谇耙荒?2月中下旬播種，當(dāng)年3月中上旬移栽，5月中上旬打頂，5月下旬開始采集烘烤下部葉片。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)的測定 分別在團棵期、旺長期、打頂期和采收期各取1次耕層土壤樣，供土壤pH和土壤陽離子交換量（CEC）分析，測定方法參照文獻(xiàn)[13]。

1.3.2 煙草外觀質(zhì)量評價 各處理分別取樣2 kg，由專職評級人員按照GB 2635—92烤煙分級標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行外觀質(zhì)量評價。評價指標(biāo)包括煙葉樣品的顏色、成熟度、葉片結(jié)構(gòu)、身份、油分和色度等。

1.3.3 煙葉化學(xué)成分測定 烤后煙葉去除雜色、含青煙葉后，在其下部、中部和上部煙葉中取X2F、C3F和B2F煙葉各1 kg，進(jìn)行煙葉主要化學(xué)物質(zhì)成分分析?？偺呛坎捎幂焱壬y定，還原糖含量采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，煙堿含量采用紫外分光光度法測定，總氮含量采用過氧化氫-硫酸消化凱氏定氮法測定，氯含量采用莫爾法測定[14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 17.2統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行處理與分析。

2 結(jié) 果

2.1 連續(xù)施用不同生物質(zhì)炭對植煙土壤pH的影響

長期施用不同生物質(zhì)炭后各生育期土壤pH如圖1所示。2016年生物炭處理的土壤pH略高于對照組，但未達(dá)到顯著水平，隨著施用年限的延長，在2017和2018年，生物質(zhì)炭處理的土壤pH（4.88～5.18）顯著高于對照（4.76～4.86），說明添加生物質(zhì)炭可以提高植煙土壤pH，對煙田酸性土壤具有一定的改良效果，長期施用效果更佳。從各處理不同生育期的土壤pH來看，同一處理在不同時期的土壤pH無顯著差異，且變化幅度很小。比較添加不同生物質(zhì)炭處理后的植煙土壤pH，T2處理土壤pH為5.01～5.18，T1、T3分別為4.78～5.09、4.72～5.04，T2處理顯著高于T1、T3，T1與T3間無顯著差異。

2.2 連續(xù)施用不同生物質(zhì)炭對植煙土壤CEC的影響

由圖2可知，3年間生物質(zhì)炭處理的植煙土壤CEC（5.88～6.33 cmol/kg）總體上顯著高于對照（5.64～6.06 cmol/kg）。從連續(xù)3年施用不同生物質(zhì)炭對土壤CEC的影響來看，T2與T3之間差異達(dá)到顯著水平，其他處理間則無顯著性差異，T2處理的土壤CEC介于6.15～6.33 cmol/kg之間，高于T1、T3處理，具體表現(xiàn)為T2>T1>T3，這與不同生物質(zhì)炭處理后植煙土壤pH表現(xiàn)基本一致。在長期定位試驗下，同一處理在不同時期的土壤CEC無顯著差異，2017年和2018年采收期時達(dá)到最大值?？傮w上生物質(zhì)炭能夠顯著提高土壤CEC，T2處理提升效果最好。

2.3 連續(xù)施用不同生物質(zhì)炭對煙葉外觀質(zhì)量的影響

如表1所示，3年間同處理中部葉片的外觀質(zhì)量最好，而上部和下部葉片外觀質(zhì)量稍遜。分析經(jīng)濟價值較高的中部葉片，3年間不同處理中部葉片的外觀質(zhì)量規(guī)律基本類似，生物質(zhì)炭處理的葉片外觀質(zhì)量都略優(yōu)于對照處理，主要體現(xiàn)在油分、顏色和色度上。3年連作期間，連續(xù)施用生物質(zhì)炭后的煙葉外觀質(zhì)量整體上油分含量更高，顏色更為橘黃，色度更為適中，但3種生物質(zhì)炭處理的葉片外觀質(zhì)量基本一致，無明顯差異。

2.4 連續(xù)施用不同生物質(zhì)炭對烤后煙葉品質(zhì)的影響

烤煙內(nèi)在化學(xué)成分含量和各成分間的協(xié)調(diào)性與煙葉品質(zhì)有關(guān)，是評價烤煙品質(zhì)的重要指標(biāo)[11]。一般認(rèn)為，優(yōu)質(zhì)煙葉內(nèi)在化學(xué)成分指標(biāo)為總糖18%～22%，還原糖16%～20%，煙堿、總氮1.5%～3.5%（以2.5%為最佳），氯0.3%～0.8%（以0.45%為最佳），優(yōu)質(zhì)煙葉協(xié)調(diào)性指標(biāo)為氮堿比≤1（接近1為最佳），糖氮比約6～10，糖堿比約8～12[15-16]。連續(xù)施用不同生物質(zhì)炭對烤煙內(nèi)在化學(xué)成分含量的影響如表2—4所示。3年連作期間，各處理烤后煙葉的總糖含量為14.10%～25.40%，還原糖含量為13.34%～23.36%，煙堿含量為2.45%～4.79%，總氮含量為1.99%～3.45%，氯含量為0.32%～0.79%，氮堿比為0.52～0.97，糖氮比為5.37～12.85，糖堿比為2.94～9.48。可見，中下部煙葉化學(xué)成分總體上處于適宜范圍內(nèi)，而B2F等級煙葉煙堿含量超出適宜范圍，糖氮比、糖堿比低于適宜范圍。

從表2—4可知，2016年各處理間無顯著差異。連續(xù)施用生物炭2—3年后，2017—2018年各生物質(zhì)炭處理均顯著提高了同等級煙葉的糖、氮、堿等化學(xué)成分含量;其中T2處理同等級煙葉的糖、氮、堿和氯含量顯著高于T1和T3處理，且其氮、堿和氯含量更接近最佳值。施用生物質(zhì)炭3年后，B2F等級煙葉的總糖、還原性糖、煙堿、氯含量與對照相比分別增加7.87%～23.76%、6.95%～23.52%、6.94%～11.11%、21.21%～42.42%，其增加幅度高于C3F和X2F等級煙葉。就化學(xué)成分協(xié)調(diào)性而言，2017—2018年施用生物炭處理煙葉尤其是B2F煙葉的氮堿比、糖氮比和糖堿比均較對照顯著提高，其中T2處理提高最顯著?？梢姡S著試驗?zāi)晗薜难娱L，連續(xù)施用生物質(zhì)炭對煙葉尤其是中上部煙葉化學(xué)成分及化學(xué)協(xié)調(diào)性有較大改善;綜合分析，T2處理改善作用最顯著。

3 討 論

土壤pH、CEC是土壤的基本特性和重要肥力影響因素之一，直接表征土壤的保肥、供肥性能和緩沖能力，并影響其他多種土壤理化性質(zhì)[17-18]。本研究表明，連續(xù)施用不同種類生物質(zhì)炭能顯著提高土壤的pH和CEC，這與已有研究結(jié)果基本一致[19-21]。生物質(zhì)炭一般呈堿性，可以降低土壤氫離子和交換性鋁離子含量，從而提高土壤pH，酸性土壤尤為明顯。同時生物質(zhì)炭具有較多的官能團和較強的吸附能力，表面含有大量負(fù)電荷，易形成較高的陽離子交換量，從而增加土壤CEC。在施用生物質(zhì)炭后第1年，各生物質(zhì)炭處理后土壤pH和CEC差異不明顯，但整體優(yōu)于對照，而隨著施用年限的延長，添加生物質(zhì)炭處理的pH和CEC顯著高于對照，這說明連續(xù)施用生物質(zhì)炭有利于提高植煙土壤pH和CEC。廢棄煙葉炭處理后土壤pH為5.01～5.18，顯著高于煙稈炭和玉米秸稈炭;CEC則為6.15～6.33 cmol/kg，顯著高于玉米秸稈炭，且高于煙稈炭和玉米秸稈炭?？傮w表現(xiàn)為煙稈炭和廢棄煙葉炭提升效果優(yōu)于玉米秸稈炭，這表明煙草廢棄物制備的生物炭效果優(yōu)于玉米秸稈生物炭，而煙葉生物炭提高土壤pH和CEC效果最好。同處理下不同時期的土壤pH和CEC無顯著差異，連續(xù)施用生物質(zhì)炭對不同生育期土壤pH影響較小，采收期時CEC達(dá)到最大值。從煙葉的外觀質(zhì)量來看，生物質(zhì)炭處理的葉片外觀質(zhì)量略優(yōu)于對照處理，主要體現(xiàn)在油分、顏色和色度上。這可能是因為施用生物質(zhì)炭促進(jìn)了煙葉干物質(zhì)的積累，從而提高了煙葉的葉片結(jié)構(gòu)、身份、油分。

烤后煙葉的常規(guī)化學(xué)成分含量及協(xié)調(diào)性影響煙氣特性，與煙葉品質(zhì)密切相關(guān)。煙葉中總糖、還原糖、煙堿、總氮和氯含量衡量煙葉內(nèi)在品質(zhì)和香吃味，而氮堿比、糖氮比和糖堿比反映煙氣中酸性物質(zhì)和堿性物質(zhì)間的平衡性，表征煙葉化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性，是控制卷煙質(zhì)量的重要指標(biāo)[22-23]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)植煙土壤中施加生物質(zhì)炭對烤后煙化學(xué)成分有顯著的提高作用[24]。張軍等[25]也表明增施適量的高碳基土壤修復(fù)肥可改善煙葉品質(zhì)，表現(xiàn)為降低中部煙葉煙堿和氯含量，提高還原糖、總氮和鉀含量、糖堿比。本研究發(fā)現(xiàn)相比對照處理，生物質(zhì)炭處理顯著提高同等級煙葉糖、堿、氮和氯等化學(xué)成分含量，這可能是添加生物質(zhì)炭后活化了土壤養(yǎng)分，更利于營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及轉(zhuǎn)化，進(jìn)而最終改善煙葉品質(zhì)。就改善煙葉各化學(xué)成分含量和協(xié)調(diào)性的效果而言，各生物質(zhì)炭處理中以廢棄煙葉炭效果最為顯著，具體表現(xiàn)為廢棄煙葉炭處理后的煙葉糖、氮、堿和氯含量均顯著高于煙稈炭和玉米秸稈炭，更為接近最佳值;且氮堿比、糖氮比和糖堿比含量也均為最高，最為接近適宜值，而煙稈炭和玉米秸稈炭無顯著差異。這說明生物質(zhì)炭種類是影響烤后煙葉品質(zhì)的重要因素之一。3年定位試驗表明，隨著時間的延長，煙葉內(nèi)在化學(xué)成分含量及協(xié)調(diào)性存在顯著差異，表現(xiàn)為生物質(zhì)炭處理顯著高于對照。隨著試驗?zāi)晗薜难娱L，總體上連續(xù)施用生物質(zhì)炭處理后煙葉的總糖、還原糖、總氮含量和氮堿比、糖堿比升高，而煙堿、氯含量和糖氮比降低，這與尤垂淮等[26]研究結(jié)果不一致。劉卉等[12]研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)施用生物質(zhì)炭能協(xié)調(diào)連作烤煙煙葉化學(xué)成分，緩解因連作時間的延長導(dǎo)致煙葉質(zhì)量下降的趨勢，但其緩解作用也會逐年減弱。本研究表明，隨著試驗?zāi)晗薜脑黾?，連續(xù)施用生物質(zhì)炭有利于提高烤后煙葉品質(zhì)，這與上述研究結(jié)論稍有差異，可能是土壤自然環(huán)境和生物質(zhì)炭材料不同造成的。

4 結(jié) 論

通過2016—2018年連續(xù)3年田間試驗的研究發(fā)現(xiàn)，隨著施用年限的延長，施用生物質(zhì)炭顯著提高土壤的pH和CEC。各生物質(zhì)炭處理中廢棄煙葉炭處理pH顯著高于煙稈炭和玉米秸稈炭處理，CEC顯著高于玉米秸稈炭處理，同處理下不同時期的土壤pH和CEC無顯著差異。生物質(zhì)炭處理的葉片外觀質(zhì)量略優(yōu)于對照處理。連續(xù)施用生物質(zhì)炭后煙葉品質(zhì)顯著高于對照，廢棄煙葉炭處理顯著高于煙稈炭和玉米秸稈炭處理，其煙葉糖、氮、堿和氯含量以及氮堿比、糖氮比和糖堿比最高，最為接近適宜值。隨著試驗?zāi)晗薜难娱L，煙葉的總糖、還原糖、總氮含量和氮堿比、糖堿比升高，而煙堿、氯含量和糖氮比降低。施用生物質(zhì)炭有利于提高煙葉內(nèi)在化學(xué)成分的含量及協(xié)調(diào)性，進(jìn)而提高煙葉品質(zhì)，但其效應(yīng)存在一定的滯后性，隨著試驗?zāi)晗薜脑黾?，連續(xù)施用生物質(zhì)炭有利于提高烤后煙葉品質(zhì)。整體上來看，廢棄煙葉炭處理效果最佳。

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