连续施用不同生物质炭对植烟土壤特性和烤烟品质的影响

肖和友 朱伟 王海军 刘旭 张赐喜 唐涛 陈立军 陈雯韵 曾钰 戴勇强 邹凯

摘 要：为探讨连续施用生物质炭对改良植烟土壤、提高烟叶品质的长期效应，设置不添加生物质炭（CK）、添加烟秆炭（T1）、废弃烟叶炭（T2）和玉米秸秆炭（T3）4个处理，通过连续3年定位试验研究其对植烟土壤pH和CEC值、烟叶外观质量及内在化学成分的影响。结果表明，施用生物质炭能够显著提高土壤的pH和CEC值，提升效果为T2>T1>T3。生物质炭处理的叶片外观质量略优于对照。连续施用生物质炭后烟叶品质显著高于对照，其中T2显著高于T1和T3。随着试验年限的延长，烟叶的总糖、还原糖、总氮含量和氮碱比、糖碱比升高，而烟碱、氯含量和糖氮比降低。整体上废弃烟叶炭（T2）处理更有利于提高土壤pH和CEC值、烟叶化学成分含量及协调性指标。施用生物质炭显著提高土壤理化性质、烟叶内在化学成分含量及协调性，但其效应存在一定的滞后性，随着试验年限的增加，连续施用生物质炭更有利于改良植烟土壤、提高烤后烟叶品质。

关键词：生物质炭;定位试验;植烟土壤;外观质量;化学成分

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

當前，我国植烟土壤环境呈现恶化趋势，烟叶品质处于较低水平，这与烟草的种植制度、栽培措施、施肥模式有关[1-2]。烟草是忌连作作物，且长期过量施用化肥造成土壤板结，养分流失加剧，元素利用率低下，烟株发育不良，烟叶化学成分和协调性逐渐偏离最佳值，烟叶品质下降[3]。植烟土壤环境的恶化是造成烟叶品质下降的主要原因之一[4]。因此，研究如何改善植烟土壤环境，提升烟叶品质是烟草行业关注的焦点。生物质炭是生物质高温热解后的产物，具有比表面积大、吸附性强和稳定性强等特点[5]。施用生物质炭可改良土壤，提高土壤肥力，并为植物生长提供较多的养分，从而促进作物生长发育。研究表明生物质炭可以提高土壤pH，在酸性土壤中效果尤为明显，在碱性土壤中则较弱[6]。生物质炭还有较强的离子吸附交换能力及一定的吸附容量，可改善土壤中阴阳离子交换量，有效减少土壤养分的流失，从而提高土壤的保肥能力[7]。毛家伟等[8]表明施用生物质炭能够降低上部叶片烟碱含量，提高烟叶钾含量。张弘等[9]发现施用生物质炭能够协调烤后烟叶化学成分，主要提高烟叶总糖和还原糖含量及协调糖碱比和钾氯比。尽管有关生物质炭的施用对土壤改良以及烤烟烟叶品质的影响已有大量的报道[10-12]，但连续施用生物质炭对植烟土壤理化性质及烤后烟叶品质的长期效应报道尚少。因此，本研究通过田间试验探讨连续施用不同种类生物质炭对植烟土壤理化性质及烤烟品质的影响，为生物质炭在烟草种植及植烟土壤改良方面的应用提供理论依据与实践参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试烟草品种为云烟87，由邵阳市烟草公司新宁县分公司提供。供试土壤为第四纪母质发育红壤，土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量分别为14.55、1.21、0.54和16.56 g/kg，碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为96.07、17.84和88.41 mg/kg，pH为4.72，CEC为6.06 cmol/kg，属于典型的湖南烟区酸性土壤。供试肥料为湖南金叶众望科技有限公司生产的烟草专用肥料，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]，硫酸钾（K2O≥50%）。生物质炭由烟叶废物、烟秆和玉米秸秆采用炭化炉法制备而成，其基本理化性质参见文献[3]，其中pH分别为9.55、7.71、9.97，电导率分别为184.87、5.61、70.8，有机碳含量分别为371.34、552.85、501.34 g/kg。

1.2 试验设计

田间试验于2016—2018年在湖南省邵阳市新宁县丰田乡堆子田村进行。共设计4个处理，以不添加生物质炭处理为对照（CK），其他3个处理分别添加烟秆炭（T1）、废弃烟叶炭（T2）、玉米秸秆炭（T3），不同年份施肥处理、施肥量和施肥方法相同。各处理的施肥量如下，CK：基肥750 kg/hm2，提苗肥75 kg/hm2，专用追肥450 kg/hm2，硫酸钾375 kg/hm2;T1、T2、T3的施肥量均为：生物质炭2250 kg/hm2，基肥600 kg/hm2，提苗肥75 kg/hm2，专用追肥450 kg/hm2，硫酸钾375 kg/hm2。每个处理3次重复，共12个田间小区（每个小区42 m2），每个小区移栽长势一致的烟苗64株，所有田间操作管理（包括采样时间以及采样方法）均按当地烟叶生产技术规范进行。每一年移栽前对土壤施用石灰消毒。烤烟于前一年12月中下旬播种，当年3月中上旬移栽，5月中上旬打顶，5月下旬开始采集烘烤下部叶片。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤理化性质的测定 分别在团棵期、旺长期、打顶期和采收期各取1次耕层土壤样，供土壤pH和土壤阳离子交换量（CEC）分析，测定方法参照文献[13]。

1.3.2 烟草外观质量评价 各处理分别取样2 kg，由专职评级人员按照GB 2635—92烤烟分级标准对其进行外观质量评价。评价指标包括烟叶样品的颜色、成熟度、叶片结构、身份、油分和色度等。

1.3.3 烟叶化学成分测定 烤后烟叶去除杂色、含青烟叶后，在其下部、中部和上部烟叶中取X2F、C3F和B2F烟叶各1 kg，进行烟叶主要化学物质成分分析。总糖含量采用蒽酮比色法测定，还原糖含量采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，烟碱含量采用紫外分光光度法测定，总氮含量采用过氧化氢-硫酸消化凯氏定氮法测定，氯含量采用莫尔法测定[14]。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2010和SPSS 17.2统计分析软件进行处理与分析。

2 结 果

2.1 连续施用不同生物质炭对植烟土壤pH的影响

长期施用不同生物质炭后各生育期土壤pH如图1所示。2016年生物炭处理的土壤pH略高于对照组，但未达到显著水平，随着施用年限的延长，在2017和2018年，生物质炭处理的土壤pH（4.88～5.18）显著高于对照（4.76～4.86），说明添加生物质炭可以提高植烟土壤pH，对烟田酸性土壤具有一定的改良效果，长期施用效果更佳。从各处理不同生育期的土壤pH来看，同一處理在不同时期的土壤pH无显著差异，且变化幅度很小。比较添加不同生物质炭处理后的植烟土壤pH，T2处理土壤pH为5.01～5.18，T1、T3分别为4.78～5.09、4.72～5.04，T2处理显著高于T1、T3，T1与T3间无显著差异。

2.2 连续施用不同生物质炭对植烟土壤CEC的影响

由图2可知，3年间生物质炭处理的植烟土壤CEC（5.88～6.33 cmol/kg）总体上显著高于对照（5.64～6.06 cmol/kg）。从连续3年施用不同生物质炭对土壤CEC的影响来看，T2与T3之间差异达到显著水平，其他处理间则无显著性差异，T2处理的土壤CEC介于6.15～6.33 cmol/kg之间，高于T1、T3处理，具体表现为T2>T1>T3，这与不同生物质炭处理后植烟土壤pH表现基本一致。在长期定位试验下，同一处理在不同时期的土壤CEC无显著差异，2017年和2018年采收期时达到最大值。总体上生物质炭能够显著提高土壤CEC，T2处理提升效果最好。

2.3 连续施用不同生物质炭对烟叶外观质量的影响

如表1所示，3年间同处理中部叶片的外观质量最好，而上部和下部叶片外观质量稍逊。分析经济价值较高的中部叶片，3年间不同处理中部叶片的外观质量规律基本类似，生物质炭处理的叶片外观质量都略优于对照处理，主要体现在油分、颜色和色度上。3年连作期间，连续施用生物质炭后的烟叶外观质量整体上油分含量更高，颜色更为橘黄，色度更为适中，但3种生物质炭处理的叶片外观质量基本一致，无明显差异。

2.4 连续施用不同生物质炭对烤后烟叶品质的影响

烤烟内在化学成分含量和各成分间的协调性与烟叶品质有关，是评价烤烟品质的重要指标[11]。一般认为，优质烟叶内在化学成分指标为总糖18%～22%，还原糖16%～20%，烟碱、总氮1.5%～3.5%（以2.5%为最佳），氯0.3%～0.8%（以0.45%为最佳），优质烟叶协调性指标为氮碱比≤1（接近1为最佳），糖氮比约6～10，糖碱比约8～12[15-16]。连续施用不同生物质炭对烤烟内在化学成分含量的影响如表2—4所示。3年连作期间，各处理烤后烟叶的总糖含量为14.10%～25.40%，还原糖含量为13.34%～23.36%，烟碱含量为2.45%～4.79%，总氮含量为1.99%～3.45%，氯含量为0.32%～0.79%，氮碱比为0.52～0.97，糖氮比为5.37～12.85，糖碱比为2.94～9.48。可见，中下部烟叶化学成分总体上处于适宜范围内，而B2F等级烟叶烟碱含量超出适宜范围，糖氮比、糖碱比低于适宜范围。

从表2—4可知，2016年各处理间无显著差异。连续施用生物炭2—3年后，2017—2018年各生物质炭处理均显著提高了同等级烟叶的糖、氮、碱等化学成分含量;其中T2处理同等级烟叶的糖、氮、碱和氯含量显著高于T1和T3处理，且其氮、碱和氯含量更接近最佳值。施用生物质炭3年后，B2F等级烟叶的总糖、还原性糖、烟碱、氯含量与对照相比分别增加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等级烟叶。就化学成分协调性而言，2017—2018年施用生物炭处理烟叶尤其是B2F烟叶的氮碱比、糖氮比和糖碱比均较对照显著提高，其中T2处理提高最显著。可见，随着试验年限的延长，连续施用生物质炭对烟叶尤其是中上部烟叶化学成分及化学协调性有较大改善;综合分析，T2处理改善作用最显著。

3 讨 论

土壤pH、CEC是土壤的基本特性和重要肥力影响因素之一，直接表征土壤的保肥、供肥性能和缓冲能力，并影响其他多种土壤理化性质[17-18]。本研究表明，连续施用不同种类生物质炭能显著提高土壤的pH和CEC，这与已有研究结果基本一致[19-21]。生物质炭一般呈碱性，可以降低土壤氢离子和交换性铝离子含量，从而提高土壤pH，酸性土壤尤为明显。同时生物质炭具有较多的官能团和较强的吸附能力，表面含有大量负电荷，易形成较高的阳离子交换量，从而增加土壤CEC。在施用生物质炭后第1年，各生物质炭处理后土壤pH和CEC差异不明显，但整体优于对照，而随着施用年限的延长，添加生物质炭处理的pH和CEC显著高于对照，这说明连续施用生物质炭有利于提高植烟土壤pH和CEC。废弃烟叶炭处理后土壤pH为5.01～5.18，显著高于烟秆炭和玉米秸秆炭;CEC则为6.15～6.33 cmol/kg，显著高于玉米秸秆炭，且高于烟秆炭和玉米秸秆炭。总体表现为烟秆炭和废弃烟叶炭提升效果优于玉米秸秆炭，这表明烟草废弃物制备的生物炭效果优于玉米秸秆生物炭，而烟叶生物炭提高土壤pH和CEC效果最好。同处理下不同时期的土壤pH和CEC无显著差异，连续施用生物质炭对不同生育期土壤pH影响较小，采收期时CEC达到最大值。从烟叶的外观质量来看，生物质炭处理的叶片外观质量略优于对照处理，主要体现在油分、颜色和色度上。这可能是因为施用生物质炭促进了烟叶干物质的积累，从而提高了烟叶的叶片结构、身份、油分。

烤后烟叶的常规化学成分含量及协调性影响烟气特性，与烟叶品质密切相关。烟叶中总糖、还原糖、烟碱、总氮和氯含量衡量烟葉内在品质和香吃味，而氮碱比、糖氮比和糖碱比反映烟气中酸性物质和碱性物质间的平衡性，表征烟叶化学成分的协调性，是控制卷烟质量的重要指标[22-23]。相关研究发现植烟土壤中施加生物质炭对烤后烟化学成分有显著的提高作用[24]。张军等[25]也表明增施适量的高碳基土壤修复肥可改善烟叶品质，表现为降低中部烟叶烟碱和氯含量，提高还原糖、总氮和钾含量、糖碱比。本研究发现相比对照处理，生物质炭处理显著提高同等级烟叶糖、碱、氮和氯等化学成分含量，这可能是添加生物质炭后活化了土壤养分，更利于营养物质的吸收及转化，进而最终改善烟叶品质。就改善烟叶各化学成分含量和协调性的效果而言，各生物质炭处理中以废弃烟叶炭效果最为显著，具体表现为废弃烟叶炭处理后的烟叶糖、氮、碱和氯含量均显著高于烟秆炭和玉米秸秆炭，更为接近最佳值;且氮碱比、糖氮比和糖碱比含量也均为最高，最为接近适宜值，而烟秆炭和玉米秸秆炭无显著差异。这说明生物质炭种类是影响烤后烟叶品质的重要因素之一。3年定位试验表明，随着时间的延长，烟叶内在化学成分含量及协调性存在显著差异，表现为生物质炭处理显著高于对照。随着试验年限的延长，总体上连续施用生物质炭处理后烟叶的总糖、还原糖、总氮含量和氮碱比、糖碱比升高，而烟碱、氯含量和糖氮比降低，这与尤垂淮等[26]研究结果不一致。刘卉等[12]研究发现，连续施用生物质炭能协调连作烤烟烟叶化学成分，缓解因连作时间的延长导致烟叶质量下降的趋势，但其缓解作用也会逐年减弱。本研究表明，随着试验年限的增加，连续施用生物质炭有利于提高烤后烟叶品质，这与上述研究结论稍有差异，可能是土壤自然环境和生物质炭材料不同造成的。

4 结 论

通过2016—2018年连续3年田间试验的研究发现，随着施用年限的延长，施用生物质炭显著提高土壤的pH和CEC。各生物质炭处理中废弃烟叶炭处理pH显著高于烟秆炭和玉米秸秆炭处理，CEC显著高于玉米秸秆炭处理，同处理下不同时期的土壤pH和CEC无显著差异。生物质炭处理的叶片外观质量略优于对照处理。连续施用生物质炭后烟叶品质显著高于对照，废弃烟叶炭处理显著高于烟秆炭和玉米秸秆炭处理，其烟叶糖、氮、碱和氯含量以及氮碱比、糖氮比和糖碱比最高，最为接近适宜值。随着试验年限的延长，烟叶的总糖、还原糖、总氮含量和氮碱比、糖碱比升高，而烟碱、氯含量和糖氮比降低。施用生物质炭有利于提高烟叶内在化学成分的含量及协调性，进而提高烟叶品质，但其效应存在一定的滞后性，随着试验年限的增加，连续施用生物质炭有利于提高烤后烟叶品质。整体上来看，废弃烟叶炭处理效果最佳。

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