高炭基肥配施氮肥对牡丹江烤烟生长及产量和质量的影响

申洪涛， 张子颖， 王新中， 贾世伟， 韩灵梅， 蔡兴宏， 秦玉宝， 刘瑞卿

(1.河南中烟工业有限责任公司技术中心，河南 郑州 450000；2.河南科技大学经济学院，河南 洛阳 471023；3.黑龙江省烟草公司牡丹江烟叶公司，黑龙江 牡丹江 157011)

由于长期重种轻养、农田化肥大量不当施用、有机肥料施用量减少等，使东北黑土区土壤酸化板结、通透性降低及有机质含量下降等问题日趋严重[1-3]，导致牡丹江烟区烤烟产质量与工业可用性下降等问题[4]，严重制约了当地现代烟草农业的可持续发展。因此，如何在控制化肥施用量的同时提升烤烟产量、质量及工业可用性，是牡丹江烟区烟草农业发展面临的重要问题。生物炭具有富孔隙结构、比表面积较大的物理性质[5]及表面官能团丰富且活跃的化学性质[6]，使其在吸持和缓释养分、改善土壤理化性状、调节土壤微生物特性等方面具有积极作用[7]，进而成为一种具有优良性能的肥料载体[8-9]。目前，生物炭与其他传统肥料复合制成的生物炭基肥在农业生产方面的应用已经成为该领域的新兴研究热点。高炭基肥料是一种以生物炭为主体、含有多种有机物料的新型有机肥料，属于生物炭基肥中的一类，在烟草生产方面具有改良植烟土壤、促进烤烟生长及对养分的吸收、提高烤烟产质量[10-13]等多种积极作用。有关减少化肥施用的同时，配施生物炭或生物炭基肥在烤烟生产上的应用已有相关报道。刘领等[14]研究表明，在施用生物炭的同时减少10%～20%氮肥施用量对烤烟生长、烟叶叶绿素及类胡萝卜素含量、净光合速率无显著影响，但烤烟根际土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性均有不同程度提高，同时烤烟根系活力及根冠比亦得到不同程度提高。吴嘉楠等[15]采用15N同位素示踪技术研究了减氮配施生物炭对植烟土壤及烤烟氮素吸收的影响，结果表明，适量减氮条件下配施生物炭仍可提高烤烟成熟期氮素积累量，尤其是提高了烤烟对土壤氮的吸收和积累，植烟土壤微生物量碳及多种酶活性也有所提高。亦有研究表明，减施化肥氮15%的同时施用生物炭能够提高烤烟对氮素的利用，且连续施用生物炭条件下效果更为明显[16]。李文渊等[17]研究表明，减少25%基肥施用量条件下施用高炭基肥料，植烟土壤物理特性、土壤肥力及微生物活性得到明显改善，烤后烟叶钾含量及中性致香物质含量增加。王晓强等[18]发现，在豫中地区增施生物炭基肥基础上减少常规施肥量15%能够显著提高烤烟的产量、产值等经济指标，改善中上部烟叶化学成分协调性，增加烟叶中性致香物质含量。尽管关于减施化肥增施生物炭或生物炭基肥在烤烟生产上的研究已较为丰富，但有关研究多集中在南方烟区和黄淮烟区，在北方烟区开展相关研究的报道较少，尤其是对评吸使用的影响鲜有报道。因此，在牡丹江烟区白浆土植烟地块面积扩大的前提下[19]，本研究以牡丹江白浆土为对象，研究减施化肥配施高炭基肥料对烤烟生长、产质量以及感官质量的影响，探究在牡丹江烟区施用生物炭基肥同时减少化肥施用的可行性，为生物炭基肥的科学施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2018年3—9月进行。试验地位于黑龙江省牡丹江市东宁市道河镇岭后村，属北温带大陆性季风气候，年平均气温5.1 ℃，有效积温2 900～3 000 ℃，无霜期约为150 d，年均降雨量530 mm。供试烤烟为当地主栽品种龙江911。试验土壤为白浆土，土壤质地属黏壤土，肥力均匀中等，前茬作物为大豆，地势平坦，排灌方便。土壤理化性状为有机质25.02 g·kg-1，碱解氮119.44 mg·kg-1，有效磷42.23 mg·kg-1，速效钾221.26 mg·kg-1，pH值 6.48，氯离子含量23.67 mg·kg-1。

供试有机肥包括高炭基肥料(m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=2∶1∶2)，生物炭≥20%，有机质含量45%；三龙有机肥(m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=2.4∶2.2∶2.6)，有机质含量54%；芝麻饼肥(m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=5.8∶3∶1.3)，有机质含量70%。供试化肥包括：烟草专用肥(m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=7∶10∶21)，硝酸钾(N≥13.5%，K2O≥44.5%)，硫酸钾(K2O≥50%)，重过磷酸钙(P2O5≥44%)。

采用随机区组试验设计进行田间试验。设4个处理：以当地常规施肥作为对照(CK)；等氮配施高炭基肥料(T1)；减氮15%配施高炭基肥料(T2)；减氮30%配施高炭基肥料(T3)。当地常规施肥纯氮施用量为45 kg·hm-2，m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶1.5∶3。T1～T3处理高炭基肥料施用量均为900 kg·hm-2，T1处理氮、磷、钾施用量与对照保持一致。T2，T3处理在T1处理基础上分别减施化肥氮15%和30%，施氮量分别为38.25和31.50 kg·hm-2。各处理施用的磷、钾量不变，分别为67.5和135 kg·hm-2，施用高炭基肥料处理的磷、钾施用量采用硫酸钾和重过磷酸钙调节，与对照保持一致。除硝酸钾外的其他肥料在移栽前条施70%后起垄，剩余30%窝施。50%的硝酸钾肥料作为基肥条施，30%移栽时窝施，余下20%于2018-06-05作为追肥使用。各处理移栽日期为2018-05-12，于2018-07-20打顶抹杈，栽植行距120 cm，株距55 cm，成熟叶片采收后采用“三段式”烘烤工艺。各处理设3次重复，小区面积166.67 m2，小区周边设2行保护行，其他操作按当地优质烟叶标准化生产方案进行。

1.2 样品采集与指标测定

各小区选取长势相对均匀的15株烟挂牌标记(实测10株，其他备用)，于烤烟生长的团棵期、旺长期、成熟期根据烟草行业标准[20]测定株高、茎围、有效叶数、最大叶长及叶宽，并按公式(长×宽×0.634 5)计算最大叶面积。

烟叶按处理及部位分别采收并挂牌标记，统一烘烤，烤后烟叶按文献[21]进行分级，按处理分别计算产量、产值等经济指标。

各处理取中柠二(C2L)、上橘二(B2F)各2 kg，用半叶法处理烟叶样品，主脉一侧低温(40 ℃)烘干后粉碎过筛(筛网孔径0.25 mm)供常规化学成分检测使用，另一侧切丝后卷制单料烟供感官质量评吸使用。

烟叶常规化学成分(总氮、烟碱、蛋白质、总糖、还原糖、钾、氯)采用流动分析仪(AutoAnalyzer3)测定，参照文献[22]-[27]进行。

各处理各等级烤后烟叶样品切丝后，卷制成单料烟，在相对湿度65%、温度(22±2)℃的恒温恒湿箱(Binder KBF 240)中平衡水分48 h，使其含水率保持在12%左右，由河南中烟技术中心组织评吸人员(7人)按照“YC /T 138—1988 烟草及烟草制品感官评吸方法”进行评吸，并对香气质、香气量、浓度、柔细度、余味、杂气、刺激性、劲头、燃烧性和灰分进行评价打分，各项指标满分9分，打分的最小单位为0.5分。各项指标评分加和计算总得分。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2019和SPSS 22.0对各项数据进行处理及统计分析，不同处理间多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 高炭基肥配施氮肥对牡丹江烤烟农艺性状的影响

不同处理对牡丹江烤烟农艺性状的影响如表1所示。各处理烤烟生长速度在前期较快，后期趋缓。各处理团棵期株高以T1处理最大，达30.05 cm，相比对照(CK)增加了4.78%，CK，T1，T2处理株高无显著差异，T3处理相比其他处理有显著降低。T3处理茎围为5.06 cm，相比CK降低了8.33%，各处理团棵期茎围显著性规律与同期株高相同。T1处理有效叶数最高，为13.50片，相比CK增加了4.65%，T3处理相比CK有显著降低，CK，T1，T2处理间无显著差异，CK，T2，T3处理间亦无显著差异。最大叶面积以T1处理最高，达540.65 cm2，与CK相比提高9.62%，T3处理相比CK显著降低了10.00%，团棵期最大叶面积与同期有效叶数显著性规律一致。

旺长期各处理株高以T1处理最高，达123.07 cm，相比CK提高了5.67%，CK，T1，T2处理间无显著差异，CK与T3处理间无显著差异。T1处理茎围达7.46 cm，与其他处理对比均有显著提高，CK与T2处理间以及CK与T3处理间无显著差异。CK，T1，T2处理有效叶数无显著差异，但与T3处理相比均有显著提高。旺长期T1处理最大叶面积达842.68 cm2，相比CK，T3处理均有显著提高，分别提高了14.38%和22.60%，T2与T3处理间差异达显著水平，CK与T2处理、CK与T3处理间无显著差异。

成熟期烤烟株高仍以T1处理最大，达161.19 cm，与CK相比显著提高了3.54%，T3处理株高相比CK有所降低，CK与其他处理间无显著差异。T1，T2处理茎围与CK相比分别提高了24.56%和17.74%，差异均达到显著水平，T3处理与CK相比茎围无显著差异。T1处理有效叶数与CK相比有显著提高，T3处理有效叶数与CK相比有显著降低，T2和T1处理间、T2处理有效叶数与CK间无显著差异。各处理最大叶面积仅T1与T3处理间差异达显著水平，各处理与CK相比均无显著差异。

表1 高炭基肥配施氮肥对牡丹江烤烟农艺性状的影响Table 1 Effects of applying high-carbon base fertilizer with nitrogen on agronomic traits of flue-cured tobacco in Mudanjiang

注：同列不同小写字母表示同一测定时期不同处理差异达5%显著水平(P<0.05)。下同。

Note: Different letters in the same column indicate significant difference between different treatments at the same stage (P<0.05). The same as below.

2.2 高炭基肥配施氮肥对牡丹江烤烟常规化学成分的影响

2.2.1 高炭基肥配施氮肥对牡丹江烤烟中部叶常规化学成分含量的影响 如表2所示，T1～T3处理中部叶含氮化合物含量随施氮量的减少呈现出降低趋势。T1处理中部叶蛋白质含量与CK相比显著提高，达12.95%，T2处理与CK相比蛋白质含量有所提升，但差异未达显著水平，T3处理蛋白质含量相比CK有显著降低。各处理中部叶总氮含量以T1处理最高，与CK相比有显著提高，增幅达10.87%，T2处理中部叶总氮含量与CK相比有所降低，但未达显著水平。T3处理与CK相比中部叶总氮含量降低了17.56%，差异达显著水平。T1处理烟碱含量与CK相比有显著提高，增幅达10.41%，T3处理与CK相比有显著降低，T2处理与CK无显著差异。各处理中部叶烟碱含量的显著性规律与同部位总氮含量的相同，均表现为T1处理显著高于其他处理，T2处理与CK间无显著差异，T3处理相比CK有显著降低。

T1处理中部叶总糖含量与CK相比有所提高，增幅达到4.83%，T2,T3处理总糖含量相比CK有所降低，降幅分别为3.16%和14.06%，施用高炭基肥料处理与CK相比均未达显著差异。T1,T2处理中部叶还原糖含量与CK相比有所提高，但其差异均未达显著性水平，T3处理与CK相比有显著降低，降幅达18.97%。各处理中部叶钾含量以T2最高，相比CK增加了9.37%，差异达显著水平。T1处理与CK相比中部叶钾含量有显著提高，而T3处理相比CK有显著降低，T1,T2处理间无显著差异。各处理烤后中部烟叶氯含量无显著差异。

表2 高炭基肥配施氮肥对牡丹江烤烟化学成分含量的影响

2.2.2 高炭基肥配施氮肥对牡丹江烤烟上部叶常规化学成分含量的影响 施用高炭基肥料处理的上部烟叶含氮化合物含量随施氮量的减少而降低。T1处理上部叶蛋白质含量在各处理中最高，相比CK提高了14.10%，但未达显著性差异，T2处理相比CK蛋白质含量提高了5.53%，T3处理与CK相比降低了17.27%。T1处理上部叶总氮含量相比CK提高了13.19%，两处理间差异显著，T2处理相比CK总氮含量提高了6.80%，但差异未达显著水平，T3处理与CK相比有显著降低。各处理上部叶烟碱含量的显著性规律与总氮相同，T1,T2处理相比CK分别增加了13.35%和6.67%，T3处理相比CK降低了14.77%。

T1,T2处理上部叶总糖含量与CK相比均有提高，增幅分别为10.55%和2.79%，T3处理相比CK降低了10.67%，施用高炭基肥料处理与CK相比上部叶总糖含量均无显著性差异。各处理上部叶还原糖含量以T1处理最高，T3处理最低，T1,T2处理相比CK分别增加13.05%和5.39%，差异均未达显著水平，T3处理还原糖含量相比CK降低了10.00%，未达显著差异。T1,T2处理上部叶钾含量相比CK均有所提高，增幅分别为4.84%和4.06%，但均未达显著差异，T3处理相比CK降低了5.38%。各处理上部叶氯含量均无显著差异。

在本试验条件下，T2处理对烤烟中上部烟叶化学成分指标无显著影响。这表明该施肥措施在当地不会对烤烟生长过程中自有的碳氮代谢平衡产生负面效应。高炭基肥料中的生物炭通过富集土壤养分、促进烤烟对氮素的吸收和积累弥补了肥料氮素的减少，而T3处理与CK相比降低了烤烟中上部叶含氮化合物含量，说明在牡丹江地区白浆土条件下尽管施用高炭基肥料，减氮30%仍会对烤烟生长发育中的碳氮代谢产生负面影响。

2.3 高炭基肥配施氮肥对牡丹江烤烟经济效益的影响

如表3所示，T1处理产量达到2.54 t·hm-2，与CK，T2，T3处理相比分别提高了4.96%，6.28%和9.96%，差异均达显著水平。T3处理与CK相比产量有显著降低，降幅达4.55%，T2处理产量与CK相比无显著差异。T1处理产值与CK相比有显著提高，增幅为3.02%，T2处理产值与CK间无显著差异，T3处理相比其他处理有显著降低。各处理均价以T1处理最高，与CK相比T1处理均价增加了8.59%，差异达显著水平，T3处理与CK相比均价降低了7.62%，两处理间差异显著，T2处理与CK相比均价无显著差异。T1处理上等烟比例与CK相比提升了10.52%，T1，T2处理与CK间均无显著差异，T3处理上等烟比例相比CK降低了7.56%，差异显著。各处理上中等烟显著性规律表现为：T1处理相比其他处理有显著提高，T3处理与其他处理相比有显著降低，T2处理与CK间无显著差异，其中T1处理与CK相比上中等烟比例提高了2.74%，T3处理相比CK降低了5.13%。

表3 高炭基肥配施氮肥对牡丹江烤烟经济性状的影响

2.4 高炭基肥配施氮肥对牡丹江烤烟感官评吸质量的影响

如表4所示，T1处理中部叶感官评吸质量与CK相比，感官质量各项指标均有所提升，T1处理中部叶总得分为56.64分，与CK相比增幅达4.06%，两处理间总得分差异显著。T2处理中部叶感官质量较CK在香气质、香气量、柔细度、余味方面均有不同程度降低，降幅分别为2.31%，1.27%，2.33%和1.38%，总得分与CK相比提高了0.07分，未达到显著性差异水平。T3处理中部叶感官质量除浓度外均低于CK，总分相比CK降低了3.67%，T3处理中部叶总得分其他处理间差异达显著水平。

与CK相比，T1处理上部叶在香气量、浓度、柔细度、余味、劲头、燃烧性及灰色方面优于CK，增幅分别达到1.24%,2.66%,4.78%,2.63%,12.23%,25.10%及21.55%，与CK相比在杂气和刺激性方面有所降低，总得分与CK相比增加了5.92%。与CK相比，T2处理上部叶在香气质、香气量、柔细度、余味及杂气方面有所降低。除刺激性外，T3处理上部叶感官质量包括的其他指标均低于CK。各处理上部叶感官质量总得分以T1处理最高，与其他处理相比均有显著提高，CK与T2处理间无显著差异，T3与CK相比有显著降低。

表4 高炭基肥配施氮肥对牡丹江烤烟感官评吸质量的影响Table 4 Effects of applying high-carbon base fertilizer with nitrogen on sensory quality of flue-cured tobacco in Mudanjiang 分

3 结论与讨论

在常规施肥基础上配施生物炭基肥能够促进烤烟生长[11,13,17,28]。本研究试验结果也表明，在与对照施氮量相同的情况下，配施高炭基肥料对烤烟在团棵期、旺长期、成熟期的生长有促进作用，主要表现在与当地常规施肥相比，烤烟旺长期茎围与最大叶面积以及成熟期株高、茎围、有效叶数均有显著提高，说明高炭基肥料能够在牡丹江烟区白浆土条件下促进烤烟健壮生长和提高叶片开度。生物炭基肥对作物生长的促进作用主要是通过调节土壤的水肥气热条件以及促进作物对水肥的吸收来实现的，其促进作用的实现关键在于生物炭载体的缓释及调控性能的发挥[7]。研究表明，产生这种正向促进效应的原因主要是生物炭能够调节土壤微生物特性、改善土壤理化性质、提供营养元素以及吸持其他肥料养分的同时减少其养分损失等[7,29-30]。本试验中，减施化肥氮15%同时配施高炭基肥料的处理与当地常规施肥相比，烤烟团棵期、旺长期农艺性状均无显著差异，说明在白浆土条件下，以900 kg·hm-2的施用量施用高炭基肥料同时减少15%化学氮肥对牡丹江烤烟的生长没有产生显著的负面影响。减量施用化肥氮30%的处理在团棵期株高和茎围显著低于对照，在烤烟生长的中后期该处理农艺性状与常规施肥相比有所降低，而仅旺长期有效叶数有显著降低，说明减施化肥氮30%条件下施用高炭基肥料对烤烟生长前期有显著负面影响。随着高炭基肥料中生物炭所吸附养分的缓慢释放[31]，烤烟逐渐恢复正常生长，但与常规施肥相比农艺性状仍有所降低。施用高炭基肥料处理的农艺性状随施氮量的减少呈现出降低趋势。这与刘卉等[32]研究结果一致。

本试验中，与当地常规施肥施氮量相同的条件下施用高炭基肥料烤后中部叶蛋白质、总氮、烟碱含量和上部叶总氮、烟碱含量高于常规施肥，该结果与已有研究[11-12]相似，表现为等氮施用生物炭基肥可提高烤后中上部烟叶含氮化合物含量。有关研究表明，生物炭或生物炭基肥的添加不仅能够促进烤烟对氮素的吸收和积累[12,15-16]，而且对烤烟生长过程中叶片硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)的活性有显著提高作用[33-34]。这可能是本研究中与对照等施氮量施用高炭基肥料处理烤烟中上部烟叶含氮化合物含量高于常规施肥处理的原因。本研究中，随施氮量的减少，烤后烟叶中含氮化合物含量呈现出降低的趋势。这与吴嘉楠等[15]的研究结果一致。本试验中，控制施氮量与对照相同的前提下施用高炭基肥料能够提高烤烟中上部烟叶总糖、还原糖及钾含量，这与前人研究结果相似[18,32,35]。两处理间糖类化合物含量未达显著性差异水平可能与供试土壤类型及牡丹江烟区的生态气候条件有关。已有研究表明，随施氮量增加，烟草蔗糖转化酶、淀粉酶、碳代谢关键酶活性呈升高趋势[36-37]，烟草生育期糖代谢关键酶活性的提高伴随着叶片中淀粉的积累，从而为调制后烟叶可溶性糖含量的提高奠定基础[38]。本试验条件下，随着化肥氮素减施量的降低，烟叶中可溶性总糖及还原糖含量呈现出升高的趋势。这种现象可能与施氮量对烤烟生育期碳代谢相关酶活性的影响有关。

本研究结果表明，等氮条件下施用高炭基肥料对烤烟中部叶感官质量的各个指标均有所提高，其中部叶感官质量总得分与常规施肥处理相比增加了2.21分，该处理上部叶感官质量在香气量、浓度、柔细度、余味、劲头、燃烧性及灰色方面优于对照，总得分相比常规施肥增加了3.14分。这说明，等氮配施高炭基肥料能够提高牡丹江烟区中上部烟叶的感官品质，从而提高其工业可用性。随施氮量的减少，烤后中上部叶感官质量总得分呈现出降低的趋势，且均以减施化肥氮30%配施高炭基肥料处理的最低，与常规施肥处理相比差异显著，说明在牡丹江烟区白浆土条件下该配施措施会显著降低中上部烟叶的感官质量，对其工业使用价值造成负面影响。不同配施处理烤烟经济性状以等氮配施高炭基肥料最优，表现为较高的产量和较高的上中等烟比例，进而产生了较高的均价及良好的经济效益。随施氮量的减少，施用高炭基肥料处理的经济效益呈现出下降的趋势。这与已有研究结果[18]一致。

白浆土是中国东北地区的主要农田土壤之一，主要分布在黑龙江和吉林两省，是一类区域性低产土壤[39]，其白浆层平均厚度为20 cm，且全氮、全磷及有机质含量十分匮乏[40]。此外，白浆土土壤呈片状结构，质地非常紧实，对植物根系的生长和发育产生阻碍[41]。在水稻[42]、大豆[40]及玉米[41]种植方面已有研究表明，生物炭的施用具有改善白浆土物理结构及水分渗透性能、提高土壤养分、减少氮素淋溶等作用。这也是本试验中等氮配施高炭基肥料处理烤烟生长、烟叶化学成分协调性由于常规施肥的原因。此外，由于生物炭对于白浆土中氮素淋溶量降低作用有一定限度[43]，故过量减少氮肥施用量还是会对烤烟生长及产质量造成负面效应。

综上所述，在牡丹江烟区白浆土条件下，控制总施氮量为45 kg·hm-2、高炭基肥料施用量为900 kg·hm-2时，能够起到促进烤烟生长、改善中上部烟叶化学成分、提高中上部烟叶感官评吸质量及工业可用性多方面的作用。同时，减施化肥氮15%配施高炭基肥对当地烤烟的生长、产质量没有产生显著的负面影响。该施肥措施是可行的，而化肥氮素减量30%条件下，尽管与高炭基肥料配施也会对烤烟产质量造成明显的负面效应。