生物炭基肥与化肥配施对烤烟干物质及养分积累的影响

何晓冰， 毛 娟， 王晓强， 许跃奇， 张 凯， 常 栋

(河南省烟草公司 平顶山市公司， 河南 平顶山 467000)

生物炭是农林废弃物等生物质在缺氧或低氧条件下热裂解形成的稳定富碳产物[1]。由于其特殊的物理结构和功能特性，在农业生产上可发挥良好的作用[2]。以生物炭为载体，与其他类型肥料混合制成的生物炭基肥，可弥补生物炭有效养分含量低的不足，同时可改善土壤状况，提高作物对养分的吸收利用及其品质[3-4]。康日峰等[5]通过盆栽试验表明，生物炭基肥可显著提高小麦对氮和磷的吸收利用率。马莉等[6]研究表明，不同温度热解制备的生物炭均对小麦生长有促进作用，并且小麦地上部的干物质重量也有显著提高。葛少华等[7]研究报道，增施生物炭减少化肥氮可提高烤烟对氮素的吸收利用率。刘卉等[8]研究表明，施用较低水平生物炭可促进烤烟前期的生长发育和化学成分的协调。高林等[9]研究表明，生物炭与化肥混施可一定程度上促进氮素和钾素养分的吸收利用，但磷素的积累呈下降状态。烤烟干物质的积累和养分吸收是烟株生长发育的重要指标，了解烤烟生长过程中干物质和养分的动态变化规律，有助于生产上采取有效措施调控烤烟的生长发育，提高其产质量。MOUSTAKAS等[10-12]对烤烟干物质积累和养分吸收方面已进行了研究报道。鲜见生物炭基肥不同用量对烤烟干物质和养分积累影响的研究报道。为此，采用大田试验方法，以河南省郏县主栽品种中烟100为研究对象，利用Logistic模型研究不同生物炭基肥用量下烤烟干物质积累和氮、磷、钾养分吸收的动态变化规律，以期为烤烟生产上科学施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2017年在河南省郏县茨芭镇进行(东经113.08°，北纬34.07°)，海拔224 m，主要种植作物为烟草，属暖温带大陆性季风气候，年平均气温14.6℃，≥10℃年活动积温4 734.9℃，无霜期220 d左右，年平均日照时数2 232 h，日照率50%。年平均降雨量680 mm，7-9月降雨量占全年的70%左右，属丘陵干热少雨区，高温期与多雨期同步。土壤类型为壤土，其有机质含量18.9 g/kg，碱解氮62.8 mg/kg，速效磷20.4 mg/kg，速效钾170.4 mg/kg，pH 7.12。

1.2 材料

1.2.1 烤烟 供试品种为中烟100，来源于青岛中烟种子有限责任公司。

1.2.2 肥料 化肥(N∶P2O5∶K2O 为8∶12∶20)，湖北香青化肥有限公司生产的烟草专用复合肥；生物炭基肥(生物炭种类为秸秆炭，有机质60%，全氮2.5%，全磷0.56%，全钾3.4%，pH 7.7)，河南宝融生物科技有限公司生产。

1.3 方法

1.3.1 试验设计 采用随机区组设计，共设4个处理：对照(CK)，施用纯化肥；T1，化肥+0.9 t/hm2生物炭基肥；T2，化肥+1.5 t/hm2生物炭基肥；T3，化肥+2.1 t/hm2生物炭基肥；3次重复。小区面积约130 m2，所有处理的化肥氮素用量均为52.5 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O施用比例为1∶1∶3.5，生物炭基肥全部用作基肥条施。大田管理按照平顶山市烟叶生产管理标准体系相关操作规程进行。

1.3.2 样品采集与测定 各处理自移栽后30 d起，每隔15 d选取3棵代表性烟株，分部位于105℃杀青15 min，并在65℃烘干至恒重，分别记录烤烟根、茎、叶的干物质重量，粉碎过60目筛，保存备用。总氮含量，参照文献[13]的方法，采用AA3型连续流动分析仪测定；总磷和总钾，参照文献[14]的方法，经稀硝酸浸提后，采用ICP-OES测定。

1.4 数据处理

数据收集后，利用Origin 9.0进行Logistic非线性方程拟合并估算参数a、b和c。烟株氮、磷、钾的积累利用干物质重与相对应的养分含量相乘获得，以g/m2表示。Logistic方程是描述干物质积累量随时间的增加而增大，且向潜在最大值渐进的一组曲线；干物质积累速率方程就是Logistic方程的一阶导数。其数学表达式如下。

式中，y是指在移栽后不同时间(x，d)烤烟干物质积累或养分积累的量，e为自然常数，a、b和c为模型参数，a表征烤烟潜在最大干物质量(g/m2)，b表征与干物质积累量有关的阻滞系数，c表征干物质的增长率(%)。

2 结果与分析

2.1 不同处理烤烟干物质积累量的变化

经对烤烟干物质积累动态进行曲线拟合，得出其不同处理参数的变化，各处理模型决定系数均在0.99以上，拟合程度较好，模拟值与实测值的相关性达极显著水平(表1)。从图1看出，T1、T2和T3分别在移栽后66 d、68 d和67 d烤烟干物质积累达最大积累速率，分别为11.98 g/(m2·d)、12.61 g/(m2·d)和11.28 g/(m2·d)；CK在移栽后61 d达最大积累速率，为10.55 g/(m2·d)。表明，增施生物炭基肥后，烤烟干物质最大积累速率均增大，最大速率出现时间较CK推后。CK快速增长期为移栽后的47～75 d，期间干物质积累量为256.97 g/m2，占全生育期总积累量的58.15%；T1、T2和T3快速增长期分别为移栽后的52～81 d、53～82 d和50～85 d，干物质积累量分别为300.88 g/m2、319.50 g/m2和351.22 g/m2，分别占全生育期总积累量的58.34%、58.42%和59.08%。增施高用量生物炭基肥烤烟快速增长期的持续时间延长，此阶段干物质的积累量增加，但其所占烟株干物质总积累量的比例变化不大。

表1生物炭基肥不同用量烤烟干物质积累模型的特征参数

Table 1 Characteristic parameters of dry matter accumulation model for flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

处理Treatment参数 Parameterabc决定系数R2Determination coefficientCK443.57 333.93 0.0950.996 2 ∗∗T1519.37 449.40 0.0920.995 9 ∗∗T2551.51 491.52 0.0910.994 9 ∗∗T3606.26 149.92 0.0740.998 4 ∗∗

注：**表示差异极显著(P<0.01)，下同。

Note:** indicates significance of difference atP<0.01 level. The same below.

图1生物炭基肥不同用量烤烟干物质积累量与积累速率的变化

Fig.1 Variation of dry matter accumulation and accumulation rate of flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

2.2 不同处理烤烟氮素积累量的变化

经对烤烟氮素积累动态进行曲线拟合，得出其不同处理参数的变化，各处理模型决定系数均在0.99以上，拟合程度较好，模拟值与实测值的相关性达极显著水平(表2)。从图2看出，T1、T2和T3分别在移栽后62 d、63 d和59 d烤烟氮素积累达最大积累速率，分别为0.19 g/(m2·d)、0.20 g/(m2·d)和0.21 g/(m2·d)；CK在移栽后61 d达最大积累速率，为0.15 g/(m2·d)。表明增施生物炭基肥后，烤烟氮素最大积累速率均增大，最大速率出现时间T3较CK早，T1和T2较CK略晚。CK快速增长期为移栽后的40～83 d，期间氮素积累量为5.67 g/m2，占全生育期总积累量的59.47%；T1、T2和T3快速增长期分别为移栽后的44～80 d、43～83 d和41～77 d，氮素积累量分别为6.05 g/m2、6.82 g/m2和6.82 g/m2，分别占全生育期总积累量的58.72%、59.20%和58.60%。增施生物炭基肥烤烟氮素快速增长期的持续时间较CK缩短，此阶段氮素的积累量较CK增加。

表2生物炭基肥不同用量烤烟氮素积累模型的特征参数

Table 2 Characteristic parameters of N accumulation model for flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

处理Treatment参数 Parameterabc决定系数R2Determination coefficientCK9.7945.110.0620.997 8 ∗∗T110.4497.620.0740.991 2 ∗∗T211.7767.760.0670.998 9 ∗∗T311.7772.400.0730.990 7 ∗∗

图2生物炭基肥不同用量烤烟氮素积累量与积累速率的变化

Fig.2 Variation of N accumulation and accumulation rate of flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

2.3 不同处理烤烟磷素积累量的变化

经对烤烟磷素积累动态进行曲线拟合，得出其不同处理参数的变化，各处理模型决定系数均在0.99以上，拟合程度较好，模拟值与实测值的相关性达极显著水平(表3)。从图3看出，T1、T2和T3分别在移栽后63 d、67 d和64 d烤烟磷素积累达最大积累速率，分别为0.009 1 g/(m2·d)、0.011 0 g/(m2·d)和0.012 1 g/(m2·d)；CK在移栽后61 d达最大积累速率，为0.008 8 g/(m2·d)。表明增施生物炭基肥后，烤烟磷素最大积累速率均增大，最大速率出现时间较CK推后。CK快速增长期为移栽后的42～80 d，期间磷素积累量为0.29 g/m2，占全生育期总积累量的58.87%；T1、T2和T3快速增长期分别为移栽后的44～82 d、47～86 d和45～83 d，磷素积累量分别为0.31 g/m2、0.38 g/m2和0.40 g/m2，分别占全生育期总积累量的59.09%、59.56%和59.05%。增施生物炭基肥烤烟磷素快速增长期的持续时间与CK接近，低用量生物炭基肥(T1)对于烟株磷素积累没有明显提升效果。

表3生物炭基肥不同用量烤烟磷素积累模型的特征参数

Table 3 Characteristic parameters of P accumulation model for flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

处理Treatment参数 Parameterabc决定系数R2Determination coefficientCK0.5072.190.0700.984 9 ∗∗T10.5378.910.0690.997 3 ∗∗T20.6687.210.0670.994 9 ∗∗T30.6985.940.0700.998 6 ∗∗

图3生物炭基肥不同用量烤烟磷素积累量与积累速率的变化

Fig.3 Variation of P accumulation and accumulation rate of flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

2.4 不同生物炭基肥用量下烤烟钾素积累变化规律

经对烤烟钾素积累动态进行曲线拟合，得出其不同处理参数的变化，各处理模型决定系数均在0.99以上，拟合程度较好，模拟值与实测值的相关性达极显著水平(表4)。从图4看出，T1、T2和T3分别在移栽后57 d、64 d和61 d烤烟钾素积累达最大积累速率，分别为0.10 g/(m2·d)、0.12 g/(m2·d)和0.14 g/(m2·d)；CK在移栽后60 d达最大积累速率，为0.08 g/(m2·d)。表明增施生物炭基肥后，烤烟钾素最大积累速率均增大。

表4生物炭基肥不同用量烤烟钾素积累模型的特征参数

Table 4 Characteristic parameters of K accumulation model for flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

处理Treatment参数 Parameterabc决定系数R2Determination coefficientCK5.76 23.84 0.053 0.990 8 ∗∗T16.02 38.49 0.064 0.999 0 ∗∗T27.72 57.70 0.064 0.993 3 ∗∗T37.74 72.70 0.070 0.993 3 ∗∗

图4生物炭基肥不同用量烤烟钾素积累量与积累速率的变化

Fig.4 Variation of K accumulation and accumulation rate of flue-cured tobacco applied with biochar-base fertilizer under different application level

最大速率出现时间T1最早，为57 d；T2最晚，为64 d；T2和T3较CK推后。CK快速增长期为移栽后的35～85 d，期间钾素积累量为3.34 g/m2，占全生育期总积累量的60.41%；T1、T2和T3快速增长期分别为移栽后的44～82 d、47～86 d和45～83 d，钾素积累量分别为3.48 g/m2、4.47 g/m2和4.48 g/m2，分别占全生育期总积累量的58.92%、59.52%和58.87%。增施生物炭基肥烤烟钾素快速增长期的持续时间均较CK短。

3 结论与讨论

研究结果表明，施用生物炭基肥烟株干物质积累和氮磷钾的吸收明显增加，对烟叶内在品质的提升具有重要的意义。目前，多数研究结果表明，施用生物炭对作物的养分积累有一定的促进作用，但由于土壤类型和生物炭种类等不同，研究结果也存在一定的差异性。因此，今后应深入研究生物炭对土壤改良的作用机理，为其合理施用提供科学依据。

干物质积累是烤烟产量形成的基础，不同栽培与施肥措施都会影响其干物质和养分的积累，同时烤烟所需的各类养分对干物质的形成影响较大。大量研究表明，适当添加生物炭能够促进作物生长，提高作物产量[15-19]。彭辉辉等[20]报道，生物炭、有机肥和化肥三者混施可增加春玉米对养分的吸收和利用；赵殿峰[21]研究表明，施用适量生物炭前期烤烟的生长受到抑制，但旺长期以后烤烟的干物质量提高。肖佳冰等[22]报道，施加生物炭600 kg/hm2和900 kg/hm2处理较不施加生物炭处理烟株的干物质积累量提高。研究结果表明，随着生物炭基肥用量的提高，干物质积累量也随之增加；此外，增施生物炭基肥延长了烤烟快速增长期的持续时间，增加了此阶段干物质的积累量。可能是施用生物炭可促进根系生长发育，从而提高植株对养分和营养物质的吸收，进而促进植株的生长发育[23]。

生物炭表面多孔、比表面积大，其特殊而稳定的结构对NO3-和NH4+具有较强的吸附能力，生产上常被用作土壤改良剂改善土壤性质和减少氮素养分的淋溶损失[24]。武丽君等[25-26]研究表明，生物炭在提高氮肥利用率和降低氮肥损失上具有很好的效果。吴嘉楠等[27-28]在研究生物炭与氮肥配施对烤烟氮素分配的影响时发现，与不施用生物炭相比，生物炭与氮肥配施烤烟生长前期氮素流失减少，烤烟氮素的累积量提高。曲晶晶等[29]报道，水稻田施用小麦秸秆生物炭可显著提高水稻对氮肥的利用率。樊鹏飞等[30]通过研究滴灌条件下施用生物炭对烤烟氮素的影响得出，施用生物炭氮肥利用率达68.01%，可明显促进烟株对氮素的吸收效果。研究结果表明，施用生物炭基肥可促进烟株对氮素吸收利用，其生长后期的氮素积累量增加，与前人的研究结果基本一致。

磷是烤烟生产中占主导地位的营养元素之一，其对烟株的能量代谢、碳水化合物代谢、氮代谢和有机物质的运转具有非常重要的作用[31]，烟株适宜的磷素含量对其正常生长发育尤其是烟叶品质提高均具有一定的促进作用[32]。王卫民等[33]报道，根区穴施0.2 kg/株的生物炭基肥可促进烟株根、茎和叶对磷素的吸收。陈懿等[34]对贵州植烟土壤施用生物炭基肥的研究也得出相同的结论，与常规施肥相比，施用生物炭基肥烤烟磷素的积累量提高。研究结果表明，低用量生物炭基肥对烟株磷素的积累影响不明显，但高用量的生物炭基肥则有利于磷素的积累。与前人的研究结果相似。但是高林等[9]的研究结果则得出相反的结论，随着生物炭用量的增加，烟株磷素的积累反而呈下降趋势。

除氮素和磷素外，钾素也是植物必需的营养元素之一，对烤烟的物质和能量代谢有很重要的作用，显著降低烟叶尼古丁的含量，同时钾素对烟叶的香吃味和燃烧性具有积极作用。管恩娜等[35]报道，在常规施肥基础上增施生物质炭可促进烤烟生长过程中对钾元素的吸收。高林等[9]研究表明，生物炭与化肥混施烟叶的钾含量有所提高。研究结果表明，随着生物炭用量的提高，烤烟的钾素积累量也随之增加，与前人的研究结果一致。