李先才， 夏賢仁， 蔡憲杰， 潘義宏， 周玉思， 馬愛國， 陳 彪， 王瑞寶， 閆 鼎*

(1.云南五佳生物科技有限公司，云南 昆明 650106； 2.云南省煙草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000； 3.上海煙草集團有限責任公司，上海 200082； 4.華環(huán)國際煙草有限公司，安徽 滁州 233121)

0 引言

【研究意義】農(nóng)業(yè)廢棄物是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和再生產(chǎn)鏈中資源投入與產(chǎn)出物質(zhì)和能量的差額，其成分主要包括植物纖維性廢棄物和畜禽糞便兩大類[1]。以秸稈為代表，我國每年生產(chǎn)約9億t的秸稈(其肥量相當于450萬t的氮肥、950萬t的鉀肥、95萬t的磷肥)，占全世界秸稈總量的20%～30%[2]。由于環(huán)境意識缺乏、回收成本較高等原因，大量秸稈被焚燒，資源浪費嚴重，對生態(tài)環(huán)境造成負面影響。由此，將農(nóng)田廢棄物在絕氧或缺氧的密閉環(huán)境中，經(jīng)高溫炭化形成生物炭用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成為解決上述問題的重要舉措[3]?！厩叭搜芯窟M展】生物炭具有比表面積大、穩(wěn)定性高、孔隙度發(fā)達、高度芳香化、含碳量豐富等特點[4]，已有大量研究認為，生物炭可以促進作物生長、提高其產(chǎn)量及品質(zhì)，在玉米、油菜、水稻、大豆、水蜜桃等作物上均有報道[5-8]。同時，生物炭具有改善土壤物理性質(zhì)、改善土壤酸度、提高有機質(zhì)含量等作用[9]?？緹熓俏覈匾慕?jīng)濟作物，不合理施肥及連作現(xiàn)象普遍，導致植煙土壤板結(jié)、養(yǎng)分失調(diào)、有機碳含量較低、碳氮比例失調(diào)。農(nóng)用地膜的長期使用，降低了土壤吸濕性、通透性，造成土壤污染，限制了煙草農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展[10-11]。前人關(guān)于生物炭在植煙土壤改良上的應用已作了大量研究，鄧子恒等[12]研究表明，施用生物炭改良劑使土壤有機質(zhì)、速效鉀含量明顯提高。趙亞鵬等[13]研究認為，生物炭與腐熟秸稈混合施用對土壤有較好的改良作用。劉卉等[14-15]研究表明，生物炭與氮肥配施能夠促進煙株的生長發(fā)育，協(xié)調(diào)烤后煙葉的主要化學成分，提高植煙土壤酶活性?！狙芯壳腥朦c】已有研究反映了植煙土壤養(yǎng)分、烤煙生長發(fā)育對生物炭的正響應效應，但未對土壤綜合肥力及煙葉品質(zhì)進行量化評價，缺乏直觀性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】利用農(nóng)田生物秸稈，通過高溫碳化處理制成生物炭，研究不同用量生物炭與煙草專用復合肥混施對植煙土壤及烤煙生長的影響，量化評價土壤肥力、煙葉綜合品質(zhì)，直觀反映生物炭對土壤改良、烤煙生長、煙葉提質(zhì)的效果，明確生物炭最佳施用范圍，以期為宣武地區(qū)烤煙生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在宣威市熱水鎮(zhèn)營溝村開展，供試烤煙品種為云煙105。試驗地土壤全氮，1.81 g/kg；全鉀，7.98 g/kg；全磷，0.69 g/kg；速效磷，19.31 mg/kg；堿解氮，119.72 mg/kg；速效鉀，130.76 mg/kg；pH值6.12；有機質(zhì)43.27 g/kg。

1.2 材料

生物炭：選用由小麥、玉米秸稈粉碎后，經(jīng)400～500℃高溫裂解的產(chǎn)物生物炭，理化性質(zhì)為有機碳456 g/kg，全氮6.8 g/kg，全磷2.1 g/kg，全鉀11.67 g/kg，C/N67.1，pH 6.5。烤煙無機肥料：煙草專用復合肥，為總養(yǎng)分≥48%的三元復混肥(N∶P2O5∶K2O=14∶10∶24)，購自云南云葉化肥股份有限公司。

1.3 試驗設計

試驗施用不同肥料配比，設置4處理和1個對照，具體處理方式詳見表1。當?shù)爻Ｒ?guī)施肥純氮用量為105 kg/hm2，以此為基準，依據(jù)生物炭養(yǎng)分含量，對增施生物炭的處理適當減施復合肥，保證各處理純氮用量一致，各處理不足的磷鉀養(yǎng)分含量分別施用過磷酸鈣(P2O5≥16%)。每個處理3次重復，每個處理300株烤煙。生物炭與70%復合肥施用前進行充分混勻于烤煙移栽時一次性塘施，留30%復合肥于烤煙移栽后第20 天統(tǒng)一對水追肥。各處理烤煙其他管理參照曲靖市優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)進行，煙葉成熟后掛牌標記烘烤。

表1 不同肥料配比的試驗設計

1.4 指標測定

1.4.1 植煙土壤評價

1) 土壤綜合肥力。煙葉成熟采收后，長方形土塊采取之字形、較為方正的地塊采用對角線采集各處理植煙土壤耕層20 cm深的土樣，在同一采樣單元內(nèi)每8～10個點的土樣構(gòu)成1個0.5～2.0 kg的混合土樣，土壤樣品經(jīng)風干后，測定pH及有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量。根據(jù)主成分分析法及模糊數(shù)學分別確定各項肥力指標的權(quán)重和隸屬度，二者的乘積作為土壤肥力綜合指標值(Integrated Fertility Index，IFI)，以此評價土壤肥力[16]。

2) 土壤理化性質(zhì)。參照文獻[17]的方法測定土壤容重、比重、總孔隙度，參照文獻[18]的方法測定腐殖質(zhì)、胡敏酸、富里酸及有機碳含量。

3) 土壤微生物量。土壤微生物數(shù)量采用涂布平板法進行測定，細菌、真菌、放線菌分別采用肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、孟加拉紅培養(yǎng)基、高氏1號培養(yǎng)基培養(yǎng)，具體測定參照文獻[19]的方法進行。

1.4.2 烤煙農(nóng)藝性狀及病害調(diào)查 參照中國煙草行業(yè)標準[20]于烤煙旺長期、現(xiàn)蕾期及打頂一周后調(diào)查農(nóng)藝性狀。參照國家標準[21]于烤煙移栽后15 d、30 d、45 d、60 d后調(diào)查主要土傳病害黑脛病、根黑腐病、根結(jié)線蟲病的發(fā)病率，計算平均發(fā)病率。

1.4.3 煙葉綜合品質(zhì)評價

煙葉烘烤回潮后，分別選取各處理B2F和C3F煙葉3.0 kg作為煙葉樣品用于綜合品質(zhì)的檢測分析。

1) 煙葉常規(guī)化學成分的測定。試樣制備采用烘箱法[22]；檢測項目包括煙葉總糖、氯離子、鉀離子、還原糖、總氮和總植物堿等6項指標的含量[23-27]。

2) 煙葉感官評吸。將各處理煙葉切絲后卷制成單料煙，經(jīng)過48 h水分平衡后，由7名持證評吸專家按照“9分制”[28]對煙氣的刺激性、濃度、余味、燃燒性、香氣質(zhì)、香氣量、灰色、雜氣和勁頭等指標進行打分。

3) 煙葉外觀質(zhì)量評價。包括煙葉的身份、顏色、色度、成熟度、油分、組織結(jié)構(gòu)等6項指標，依據(jù)標準[29]進行打分評價。

4) 煙葉物理特性。包括煙葉抗張力、厚度、平衡含水率、葉面密度和含梗率等5項指標，依據(jù)標準[30-31]進行測定。煙葉物理特性、外觀質(zhì)量、感官評吸質(zhì)量以及綜合品質(zhì)均參照《中國煙草種植區(qū)劃》采用賦值權(quán)重指數(shù)和法進行評價[32]。煙葉常規(guī)化學成分采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)的數(shù)據(jù)模型進行評價，綜合指數(shù)(I)劃分為5個等級，即：高(I≥75)、較高(65≤I<75)、中(55≤I<65)、較低(45≤I<55)和低(I<45)[33]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植煙土壤性狀

2.1.1 土壤綜合肥力 由表2可見，各處理土壤呈微酸至中性，T1、T2、CK均為微酸性土壤，T3、T4為中性土壤，高施炭處理使微酸土壤得到改善，但均在烤煙種植適宜范圍內(nèi)。有機質(zhì)含量均為“豐富至很豐富”水平，T1、T4相較于其他處理略低。各處理全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量雖存在差異，但均處于同一水平下，即“豐富”或“豐富至很豐富”水平，通過評價體系進行量化評價時得分一致，其中，隨著施炭量的增加，堿解氮、速效磷含量整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。T1、CK處理全磷含量明顯低于T2、T3、T4處理，綜合來看，除T1處理以外，其他3個生物炭處理均能明顯提高土壤的綜合肥力，T2、T3、T4分別較對照提高14.29%、14.29%和28.57%。說明，通過增施一定量的生物炭能使植煙土壤肥力更趨于均衡，提高植煙土壤的綜合肥力。

表2 不同處理植煙土壤綜合肥力

2.1.2 土壤理化性質(zhì) 由表3可見，增施不同量的生物炭處理和常規(guī)施肥之間土壤容重、比重、總孔隙度雖有差異，彼此間差距較小。但在不同程度上增加土壤腐殖質(zhì)、有機碳的含量，T2、T3最高，分別較CK提高27.80%、28.06%和27.73%、28.02%。T1、T2、T3的胡敏酸、富里酸含量也明顯提高。綜上，增施不同量的生物炭對土壤物理特性影響較小，但能提高有機碳和腐殖質(zhì)含量。

表3 不同處理植煙土壤理化性質(zhì)

2.1.3 土壤微生物 由表4可見，4個處理真菌、細菌和放線菌的數(shù)量隨著有機炭添加量的增加而增加，其中，T4處理最高，分別較CK提高75.24%、51.24%和80.84%，總量較CK提高54.93%。說明，增施生物炭顯著提高土壤微生物量，豐富微生物多樣性，優(yōu)化群落結(jié)構(gòu)。

表4 不同處理植煙土壤微生物

2.2 煙葉農(nóng)藝性狀

在烤煙旺長期，除株高較CK高外，其余農(nóng)藝指標各處理間差異較小。在烤煙現(xiàn)蕾期，各處理株高和節(jié)距均高于CK。CK單葉面積略高于其他處理，但差距較小，莖圍和有效葉片數(shù)在各處理間無明顯差異?？緹煷蝽? d后，各處理單葉面積、節(jié)距、有效葉數(shù)均無明顯差距；莖圍以T4最優(yōu)，達12.48 cm；CK其次，為12.18 cm，株高以T2最低，為128.40 cm，其余處理間差異較小，以CK最高，為139.40 cm，T4其次，為138.80 cm。綜合看，增施生物炭對烤煙農(nóng)藝性狀影響較小，僅對現(xiàn)蕾期株高有改善效果。

表5 不同處理烤煙各生育期農(nóng)藝性狀

2.3 主要土傳病害的發(fā)生情況

由表6可知，將各處理及常規(guī)對照相比較，根黑腐病發(fā)病率T1>CK>T2>T4>T3，T2、T3、T4分別較CK降低9.15%、20.33%、11.50%。黑脛病發(fā)病率CK>T1>T2>T3>T4，T1、T2、T3、T4分別較CK降低7.46%、15.26%、22.55%、26.53%。根結(jié)線蟲病發(fā)病率T1>CK>T2>T3=T4，T2、T3、T4分別較CK下降1.50%、26.32%、26.32%。增施不同量的生物炭均可不同程度降低黑脛病發(fā)病率，而生物炭添加量較高的處理(T2、T3和T4)根黑腐病、根結(jié)線蟲病的發(fā)病率較低。綜合看，生物炭施用量越高對病害的防治效果越好。

表6 不同處理主要土傳病害的發(fā)病率

2.4 煙葉綜合品質(zhì)評價

由表7可知，增施秸稈生物炭，各處理煙葉綜合品質(zhì)得分均高于CK，其中，中部葉為T3>T4>T2>T1>CK，上部葉為T3>T4>T1>T2>CK。物理特性、外觀質(zhì)量均以T2處理最優(yōu)?；瘜W成分以T3、T4最優(yōu)，分別較CK提高20.19%、20.97%。感官評吸質(zhì)量以T3最優(yōu)，較CK提高5.26%。綜合來看，增施秸稈生物炭對煙葉品質(zhì)均有一定的正面影響，以T3處理效果最佳，較CK平均提高7.62%，其次為T4處理，較CK提高4.57%，T1和T2處理品質(zhì)提升效果稍差，分別較CK提高2.97%和2.70%。

表7 不同處理煙葉綜合質(zhì)量評價的得分

3 討論

試驗證明，T1(施炭量為450 kg/hm2)、CK(未添加生物炭)處理土壤綜合肥力指標值(IFI)明顯低于其他處理，其原因在于2個處理全磷、全鉀含量較低，量化評價時得分低，此外，T4(施炭量為1 800 kg/hm2)有機質(zhì)得分相較于其他處理高，其余指標得分較一致。因此，T4處理IFI最高，較CK提高28.57%，其次為T2(施炭量為900 kg/hm2)、T3(施炭量為1 350 kg/hm2)，均較CK提高14.29%。可見，增施一定量的生物炭對平衡土壤養(yǎng)分，提高綜合肥力具有積極作用，且施用量越高，效果越佳。況帥等[34]研究認為，施用生物炭可顯著提升土壤有機質(zhì)及速效養(yǎng)分含量，與該研究存在差異。趙殿峰等[35]研究發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭施用量的提高，堿解氮、速效磷含量先升高后降低，認為是高施炭量引起土壤中堿解氮、有效磷的生物固定和化學固定，導致耕層土壤含量降低，與試驗結(jié)果一致。土壤養(yǎng)分分級標準[36]認為，堿解氮含量在120 mg/kg以上、速效磷含量在20 mg/kg以上、速效鉀含量在150 mg/kg以上即達到豐富水平，試驗中所有處理速效養(yǎng)分均在此水平之上，可能與當?shù)亓晳T于在烤煙生長中后期施用大量磷鉀肥以及生物炭本身養(yǎng)分輸入有關(guān)，已經(jīng)施用充足的磷鉀肥，但CK、T1仍有全磷、全鉀含量相對較低的情況，推測可能是養(yǎng)分隨水分淋失導致。生物炭具有較發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團，可以通過其表面酸性官能團對礦質(zhì)陽離子產(chǎn)生吸附與持留作用[37]，從而達到保肥的效果，提高利用率。所以生物炭施用量較高的T2、T3、T4處理全磷、全鉀含量相對較高，養(yǎng)分更為均衡，綜合肥力較高。

該試驗中各處理土壤容重、比重、總孔隙度相差較小，增施生物炭對土壤物理性質(zhì)影響有限。但前人研究認為，施用生物炭能有效降低土壤容重，提高土壤孔隙度，改善耕層團粒結(jié)構(gòu)[38]。究其原因在于，土壤改良是漫長過程，此類結(jié)論均建立在長期的田間定位試驗基礎上，而試驗數(shù)據(jù)來自1年田間試驗，時間較短，對土壤物理特性的影響較小，有待進一步驗證。不同于土壤物理特性，各生物炭處理腐殖質(zhì)、有機碳含量得到明顯提高，其中以T2、T3最高，分別較CK提高27.80%、28.06%和27.73%、28.02%。胡敏酸、富里酸含量也得到明顯提高，對由于農(nóng)用地膜等帶來的土壤污染、重金屬超標問題具有積極意義[39-40]。

烤煙的農(nóng)藝性狀能較直觀地反映煙株生長發(fā)育情況和產(chǎn)質(zhì)量。在研究中，增施生物炭對烤煙現(xiàn)蕾期株高有改善效果，但增施生物炭對烤煙農(nóng)藝性狀影響較小，這與試驗地的肥力水平和供肥條件有關(guān)，試驗設置了4種不同用量生物炭處理，但通過減施一定的復合肥和增施過磷酸鈣、硫酸鉀控制各處理氮磷鉀用量與CK保持一致，因此烤煙農(nóng)藝性狀受生物炭施用量的影響較小。病害調(diào)查結(jié)果顯示，增施生物炭顯著降低主要土傳病害黑脛病、根黑腐病、根結(jié)線蟲病的發(fā)病率，且施用量越高防治效果越佳。黑脛病、根黑腐病是煙草生產(chǎn)上極具毀滅性病害，其大田初侵染源主要來自帶菌土壤，根結(jié)線蟲以卵或二齡幼蟲在土壤中越冬，線蟲除對煙草造成直接危害外，其造成的傷口利于病原菌的侵染，可加重其他病害的嚴重度[41-42]。結(jié)合土壤微生物分析看，隨著生物炭施用量的增加，土壤真菌、細菌、放線菌數(shù)量逐漸提高，T4處理最高，分別較CK提高75.24%、51.24%和80.84%，總量較CK提高54.93%，群落結(jié)構(gòu)優(yōu)化，微生物多樣性大幅提升?；蛟S增施生物炭使土壤有益菌增多，存在潛在的生防菌抑制病原菌的生長，使病害發(fā)病率下降。但試驗未對土壤微生物進行分離鑒定，評價生防效果，具體原因有待進一步的研究。長期使用化學藥劑進行病害防治易對環(huán)境產(chǎn)生副作用、病原菌產(chǎn)生抗藥性。近年來，以菌防病、以菌治病的生物防治方法得到重視，在農(nóng)作物病害防治方面的應用逐漸增多[43]。下一步應加大對土壤微生物的研究，挖掘潛在的生物防治菌，減輕對化學農(nóng)藥的依賴。

施炭量較高的T3和T4處理烤煙綜合品質(zhì)分別較CK提高7.62%和4.57%。從各項品質(zhì)指標看，煙葉化學成分對生物炭施用量的響應程度最大，T3和T4處理煙葉化學成分得分分別提高20.19%和20.97%，升幅較大。化學成分是決定烤煙品質(zhì)的內(nèi)在因素。前人研究認為，與評吸質(zhì)量密切相關(guān)的化學成分主要是糖組分和含氮化合物，煙堿是滿足吸食者生理需求的最主要成分，與總氮一起影響勁頭和刺激性，總糖、還原糖含量與吃味相關(guān)并對香氣質(zhì)影響較大；鉀作為品質(zhì)元素，同樣對煙葉品質(zhì)有很大影響，主要體現(xiàn)在香氣質(zhì)、香氣量、燃燒性、安全性等方面；煙草是忌氯作物，其含量過高會降低煙葉燃燒性，產(chǎn)生熄火現(xiàn)象[44-46]。可見協(xié)調(diào)的化學成分是優(yōu)質(zhì)煙葉原料、高品質(zhì)卷煙產(chǎn)品的前提，生物炭能顯著改善煙葉化學成分協(xié)調(diào)性，提高品質(zhì)。

4 結(jié)論

增施生物炭可協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分、提高土壤綜合肥力，且施用量越高效果越好。在短期內(nèi)，增施生物炭對土壤容重、比重、總孔隙度影響有限，但明顯提高了腐殖質(zhì)、有機碳含量，以900～1 350 kg/hm2較適宜。提高土壤微生物量，且施用量越高微生物量越高，豐富微生物多樣性，群落結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。對烤煙農(nóng)藝性狀影響略微，但有效降低土傳病害發(fā)病率，且施用量越高防治效果越佳，并提升煙葉綜合品質(zhì)，以1 350 kg/hm2最佳，較當?shù)爻Ｒ?guī)施肥提高7.62%。生物炭施用量可結(jié)合當?shù)貙嶋H在1 350～1 800 kg/hm2靈活選擇。