烟秆生物炭与化肥配施对烟草生长及产量的影响

李 格，代 快，李江舟，孙 华，张宇航，李 莎，张立猛，龙怀玉*，徐爱国

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.云南省烟草公司玉溪市公司/烟草行业病虫害生物防治工程研究中心，云南 玉溪 653100）

生物炭是指通过高温热解在缺氧条件下稳定形成的生物质碳[1]，不仅在固碳减排、缓解温室气体方面具有重要作用，还有改善土壤肥力和增加农作物产量的能力[2-4]，此外生产并使用生物炭可实现对农业废物资源化的高效利用[5]。研究表明，生物炭在农业生产中作为土壤改良剂可以通过改变土壤的化学、生物学和物理特性来提高水和养分的利用效率，从而提高土壤生产力和肥力[6-11]。但在作物生产中单独施用生物炭难以代替化肥所起的作用，同时会增加生产成本，所以如何发挥生物炭的优势对提高农业生产效益十分重要[7]。大豆田间试验结果表明，林木生物炭和生物肥料配施可提高其产量51%[12]。水稻盆栽试验发现施用木薯茎生物炭可使肥料氮的回收率提高22%～26%，肥料氮的损失率降低9%～10%，水稻对氮肥的吸收增加23%～27%，谷物产量提高8%～10%[13]。稻壳生物炭和氮肥配施可提高水稻140%的农艺效率和191%的养分吸收，并且可降低土壤容重，增加持水量，提高土壤pH、氮、磷、钾和阳离子交换量等[9]。在红壤旱地上的大田试验表明，玉米秸秆生物质炭与秸秆配施能够提高土壤中的总有机碳和惰性有机碳含量，减少土壤基础呼吸[14]。稻麦轮作的大田试验表明，长期施用小麦/水稻生物炭可降低土壤中镉吸附并降低其生物有效性[15]。

综上，不论何种原料（水稻、小麦、玉米等的秸秆、木材、果壳等）制备的生物炭对作物，更多是粮食作物在产量、土壤理化性质、土壤修复和温室气体排放等方面均有较好的应用效果[16-20]。而烟草作为一种重要的经济作物，每年秸秆产出超过百万t，为了避免病菌传播、缓解连作障碍，烟秆一般不能直接还田，导致烟秆成为影响烤烟生产和环境质量的废弃物，将烟秆制作成生物炭是解决这一问题的重要技术途径[21]，而关于烟秆生物炭田间的应用效果的研究较少，如代快等[22]通过盆栽试验发现烟秆生物炭能明显提高云南植烟土壤的保水效果，烟秆生物炭，特别是配施化肥对大田烤烟的影响尚不清楚。因此本文通过研究不同用量的烟秆生物炭与化肥配施对烤烟的经济性状、农艺性状以及病虫害的影响，以期确立在云南烤烟生产中烟秆生物炭和化肥配施的最佳用量，为实现烟草生态循环、绿色发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试烟草品种为K326，土壤类型为黄棕壤，其 理 化 性 质 如 下：pH 5.5、有 机 碳14.2 g·kg-1、容重1.35 g·cm-3、全氮1.29 g·kg-1、碱解氮57.9 mg·kg-1、有效磷24.5 mg·kg-1、速效钾136.6 mg·kg-1。供试肥料为烤烟专用复合肥（N∶P2O5∶K2O=12∶6∶24），各小区磷钾用量一致，P2O5用量60 kg·hm-2，K2O用量300 kg·hm-2，不足的磷钾肥用过磷酸钙和硫酸钾补足。供试生物炭由烤烟秸秆粉碎后在450℃厌氧条件下通过专用碳化设备制备而成，颗粒直径0.2～0.5 mm，其理化性质为含水量2.9%、pH 9.4、总腐植酸13.8%、碳66.7%、氮3.4%、硫0.95%。

1.2 试验设计

试验于2018年4～8月在云南省玉溪市红塔区的玉溪市烟草公司赵桅基地（102°35′24ʺ E，24°17′24ʺ N）进行定位试验（2013年开始），采用小区试验，设氮肥用量和生物炭用量2个因素，其中氮肥用量有3个水平（F0、F1、F2）、生物炭用量有4个水平（B0、B1、B2、B3），共12个处理（表1），小区面积33.33 m2重复3次。考虑到生物炭中氮素释放非常慢，对当季作物几乎没有贡献，因此在设计施氮量时未考虑生物炭中的氮素。烟草株距为50 cm，行距为1.2 m，供试化肥分3次施入，基追比为4∶6，基肥采用穴施，追肥兑水浇施，烟秆生物炭做基肥在移栽时一次性施入。各处理统一采用玉溪市烤烟标准化生产技术进行管理。

表1 试验设计

1.3 测定指标及方法

1.3.1 烤烟农艺性状调查

分别在团棵期（移栽后35 d）、旺长期（移栽后50 d）和封顶期（移栽后65 d）每处理定点9株烟草，依据行业标准《烟草农艺性状调查测量方法》（YC/T 142—2010）测量主要农艺性状，其中叶面积=叶片长×叶片宽×0.6345[23-24]。

1.3.2 病虫害统计

对各处理所有烟株分别在移栽后35、50和65 d，根据《GB/T 23222-2008烟草病虫害分级及调查方法》对主要病虫害的发病情况进行调查。发病率（%）=（发病株数/调查总株数）×100；

病害指数=∑（各级病株数×该病级值）/（调查总株数×最高级值）×100。

1.3.3 烤后烟叶产量与品质

统计烤后烟叶上中等烟比例、均价、产量和产值。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2010和SAS 9.2进行数据处理和统计分析，多重比较采用Duncan法（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对烤烟经济性状的影响

由表2可知，在不同施肥量处理中，不施化肥显著降低烟草的产量，烟草产量随着施肥量的增加呈增加趋势，但F1和F2差异不显著，F1、F2较F0相比分别可提高烟草产量26.82%、32.91%；各施肥量处理的烟草均价、上等烟比例差异均不显著，产值、中等烟比例及上中等烟比例的变化趋势与产量变化一致，均随施肥量增加呈增加趋势，但F1和F2差异并不显著。不同生物炭用量处理中，各处理烟草的产量差异不显著，但产量随生物炭用量呈先增加后减少的变化趋势，当生物炭用量为6000 kg·hm-2时，烟草产量达到最大值，较不施生物炭可增产8.21%，之后随着生物炭用量增加，烟草产量迅速下降；烟草的中等烟比例和上中等烟比例也随生物炭用量呈先增加后减少的变化趋势，但其变化幅度相对产量较小；各生物炭处理烟草均价和产值差异均不显著，其均价变化范围为17.58～20.05元·kg-1，产值为31693.55～37676.16元·hm-2。

表2 不同施肥量和不同生物炭用量下的烤烟经济性状

由表3可知，各处理烟草产量的大小顺序为F2B2＞F1B1＞F1B0＞F2B1＞F2B3＞F2B0＞F1B2＞F1B3＞F0B2＞F0B3＞F0B1＞F0B0，各处理烟草的上等烟比例大小顺序为F1B1＞F2B3＞F1B3＞F2B2＞F2B1＞F0B3＞F0B1＞F0B2＞F2B0＞F1B2＞F1B0＞F0B0。各 处 理中F2B2处理的烟草产量达到最高，为2346.21 kg·hm-2，与F2B0、F0B2和F0B0相比分别提高产量22.30%、43.37%和66.45%，其次为F1B1处理，产 量 为2132.96 kg·hm-2，与F1B0、F0B1和F0B0相比分别提高产量5.38%、43.05%和51.32%，适当生物炭和化肥配施可提高烟草产量，产量高于单施化肥和单施生物炭。F2B2处理的烟草均价为20.66元·kg-1，产值为48470.90元·hm-2，达到各处理中最大值，与F2B0、F0B2和F0B0相比分别提高产值37.63%、50.55%和117.90%，且其上中等烟比例达到了100.00%；F1B1处理的烟草均价为22.65元·kg-1，其产值达到各处理中除F2B2处理外的最大值，为48302.76元·hm-2，与F1B0、F0B1和F0B0相比分别提高产值28.41%、81.70%和117.14%，且其上等烟比例达到了41.97%，为各处理中最大值。

表3 不同处理下烤烟的经济性状

2.2 不同处理对烤烟各生育时期农艺性状的影响

在烟草团棵期，肥料用量对烟草的株高、茎围、叶片数、最大叶长、最大叶宽和最大叶面积均有极显著（P＜0.01）的影响，生物炭用量对这些指标有显著（P＜0.05）影响，肥料和生物炭用量间的交互作用对烟草的株高、叶片数、最大叶长、最大叶宽和最大叶面积有极显著（P＜0.01）影响（表4）。由表5可知，在烟草团棵期，不同施肥量处理的株高、叶片数、最大叶长和最大叶面积间的差异均达显著（P＜0.05）水平，各处理大小顺序为F0＜F2＜F1，而F1和F2处理的茎围和最大叶宽间的差异并不显著。不同生物炭用量处理中，烟草的农艺性状表现不完全相同，B0、B1、B2和B3处理的茎围和最大叶宽均随生物炭用量的增加而提高，但B0、B1和B2间的差异并不显著，直到生物炭用量达到9000 kg·hm-2时，团棵期烤烟的茎围、最大叶宽和最大叶面积显著（P＜0.05）提高。

表4 烟草不同生育时期的施肥量、生物炭用量的双因素试验方差分析（F值）

表5 不同施肥量和不同生物炭用量下的烟草农艺性状

在烟草旺长期，肥料用量对烟草的株高、茎围、叶片数、最大叶长、最大叶宽和最大叶面积均有极显著（P＜0.01）的影响，生物炭用量对烟草的株高有显著（P＜0.05）影响，对烟草的最大叶长、最大叶宽和最大叶面积有极显著（P＜0.01）影响，肥料和生物炭用量间的交互作用对烟草的株高、茎围、最大叶长、最大叶宽和最大叶面积有显著（P＜0.05）影响（表4）。由表5可知，在烟草旺长期，不同施肥量处理的株高、茎围间的差异均达显著（P＜0.05）水平，各处理大小顺序为F0＜F2＜F1；而F0处理的叶片数、最大叶长、最大叶宽与最大叶面积均显著（P＜0.05）低于F1、F2处理，但是F1与F2相比差异并不显著。不同生物炭用量处理对烟草的农艺性状有一定影响，B0、B1、B2和B3处理的株高、茎围、最大叶宽和最大叶面积均随生物炭用量的增加而提高，其大小顺序为B0＜B1＜B2＜B3，但各处理的叶片数差异不显著。

在烟草封顶期，肥料用量对烟草的株高、茎围、叶片数、最大叶长、最大叶宽和最大叶面积均有极显著（P＜0.01）的影响；生物炭用量对烟草的株高、茎围、叶片数和最大叶长有极显著（P＜0.01）影响，对烟草的最大叶面积有显著（P＜0.05）影响，对烟草的最大叶宽没有显著影响；肥料和生物炭用量间的交互作用对烟草的株高、茎围、叶片数、最大叶长、最大叶宽均有极显著（P＜0.01）影响，对烟草的最大叶面积有显著（P＜0.05）影响。由表5可知，在烟草封顶期，不同施肥量处理的株高、最大叶长间的差异均达显著（P＜0.05）水平，各处理大小顺序为F0＜F2＜F1；而F0处理的茎围、叶片数、最大叶宽与最大叶面积均与F1、F2相比差异显著（P＜0.05），但是F1与F2相比差异并不显著。不同生物炭用量处理中，B0、B1、B2和B3处理的株高和叶片数随生物炭用量的增加而提高，其大小顺序为B0＜B1＜B2＜B3；B1、B2和B3处理的最大叶长、最大叶宽和最大叶面积差异均不显著，其大小顺序均为B1＜B3＜B2。

各处理烟草的农艺性状自团棵期至封顶期有相同的变化趋势，株高、茎围、叶片数、最大叶长、最大叶宽和最大叶面积逐渐增加（表6），农艺性状大体上随着化肥用量的提高呈先增加后减少的趋势，随生物炭用量的提高呈逐渐增加的趋势。不施化肥与生物炭显著（P＜0.05）降低了烟草团棵期的株高、叶片数、最大叶长和最大叶宽，旺长期的株高、茎围、最大叶长、最大叶宽和最大叶面积，封顶期的株高、茎围和叶片数。与F0B0处理相比，团棵期F1B1处理的株高、茎围、叶片数和最大叶面积分别增加了318.50%、55.12%、147.39%和777.62%，F2B2处理则分别增加了209.33%、43.46%、131.75%和544.40%；旺长期F1B1处理的株高、茎围、叶片数和最大叶面积分别增加了343.06%、74.88%、87.50%和447.11%，F2B2处理则分别增加了249.11%、58.06%、66.63%和391.01%；封顶期F1B1处理的株高、茎围、叶片数和最大叶面积分别增加了164.45%、34.56%、52.15%和117.86%，F2B2处理则分别增加了123.51%、23.15%、41.85%和73.95%。生物炭与化肥配施促进烟草的株高、茎围在旺长期的增长较大，而对叶片数、最大叶长、最大叶宽和最大叶面积的提高则在烟草团棵期影响较大。团棵期至旺长期，F1B1处理的株高、茎围、叶片数和最大叶面积分别增加了127.44%、68.11%、43.68%和165.73%，F2B2处理的株高、茎围、叶片数和最大叶面积分别增加了142.46%、64.29%、36.30%和224.80%；旺长期至封顶期，F1B1处理的株高、茎围和叶片数分别增加了44.56%、8.67%和31.87%，F2B2处理的株高、茎围和叶片数分别增加了55.07%、10.04%和38.33%。

表6 不同处理下烟草的农艺性状

2.3 不同处理对烤烟病虫害的影响

在不同施肥量处理中，不施化肥增加了烟草黑胫病的发病率和病情指数，且在旺长期和封顶期时黑胫病病株率显著（P＜0.05）提高，在旺长期F0处理在旺长期的黑胫病病株率较F1和F2分别提高了3.11和2.88个百分点，在封顶期较F1和F2分别提高了3.11和2.77个百分点；施用化肥则可能引起烟草的番茄斑萎病，但F1和F2处理间的差异并不显著，旺长期病株率在0.17%～0.33%之间，封顶期病株率稍有增加，为0.34%～0.50%（表7）。不同生物炭用量处理中，各处理烟草的病株率和病情指数差异并不显著，施用生物炭可能引起烟草团棵期黑胫病、旺长期和封顶期的番茄斑萎病，但其病株率和病情指数均小于1%，施用适量生物炭（3000 kg·hm-2）则可抑制烟草旺长期和封顶期黑胫病的病株率和病情指数，但其效果并不显著。

表7 不同施肥量和不同生物炭用量下的烟草病害

由表8可见，在不同施肥量处理中，各处理金龟虫株率在团棵期差异不大，旺长期施用96 kg·hm-2化肥处理的虫株率则显著（P＜0.05）降低，施用120 kg·hm-2化肥的处理也有所降低，但差异不显著，在烟草封顶期施用化肥的处理虫株率为0.00%，而不施化肥的处理则为0.34%；不施化肥处理的烟草在团棵期和旺长期的烟青虫虫株率为0.00%，施用化肥可能引起小于3%的烟青虫虫株率；各处理黄虫虫株率在团棵期差异不显著，在旺长期不施肥处理则显著（P＜0.05）提高了黄虫虫株率。在不同生物炭用量处理中，烟草团棵期与不施生物炭相比，施用3000 kg·hm-2生物炭可降低金龟虫株率0.21个百分点、黄虫虫株率0.45个百分点，但可增加烟青虫虫株率2.25个百分点，而与其他处理相比差异并不显著，旺长期与封顶期各处理的虫株率差异不显著。

表8 不同施肥量和不同生物炭用量下的烟草虫害 （%）

3 讨论与结论

通常，作物对施用生物炭和化肥的响应具体取决于生物炭及肥料的类型和施用量、土壤类型、气候条件和农作物类型以及其他因素[22，25-27]，Kamau等[28]研究发现在有或者没有生物炭的情况下施肥的地块间玉米产量差异不显著，在本文中有类似的发现，虽然烟草产量随着施肥量的增加呈增加趋势，但两个施肥量间的差异并不显著，仅不施化肥显著降低了烟草的产量。Jeffery等[29]对生物炭和作物生产力（产量或地上部生物量）进行荟萃分析的结果表明，将生物炭施入土壤对作物生产力总体影响较小，但统计学上的平均增幅高达10%，在酸性（14%）和中性（13%）土壤上，以及粗质地（10%）或中质地（13%）土壤上，石灰效应和土壤持水量的增加可能是生物炭提高作物养分利用率的主要机制，本试验土壤属于酸性土壤，理应也存在上述增产的机制。但本研究发现不同生物炭用量的烤烟产量差异不显著，很可能是田间试验偶然误差较大，从而统计数据掩盖了生物炭的效应，但产量随生物炭用量呈先增加后减少的变化趋势，当生物炭用量为6000 kg·hm-2时烟草产量最大，当生物炭用量为9000 kg·hm-2时烟草产量迅速下降，甚至比不施生物炭处理还低23.64 kg·hm-2，这可能是由于过高的碳素养分破坏了土壤的碳氮平衡，过高碳氮比使得土壤中的铵态氮或者硝态氮转化为微生物量氮等形式固定，从而降低了烟草的氮素利用率进而影响其产量的形成[7，30]。

化肥肥料可以通过增加植物营养和改变微生物群落来促进植物生长[31]，对作物产量提高、作物品质改良十分重要，肥料种类、肥料用量及其施用时间和施用方法对其效果直接相关[32-35]。本试验结果表明，肥料用量对团棵期、旺长期和封顶期烟草的农艺性状均产生了极显著影响，生物炭与化肥配施促进烟草的株高、茎围在旺长期的增长较大，而对叶片数、最大叶长、最大叶宽和最大叶面积的提高则在烟草团棵期表现明显；生物炭用量对团棵期烟草农艺性状影响显著，而对旺长期烟草除茎围和叶片数外其他农艺性状有显著影响，到封顶期则除了烟草最大叶宽外都有显著影响，烟草不同生育时期的农艺性状大体上随生物炭用量增加而提高，而张广雨等[36]的研究则发现，低量和中量生物炭对团棵期烤烟发育的促进作用随生物炭用量增加而增加，但高用量生物炭对烟草表现出了一定的抑制作用，而在旺长期高用量的生物炭对烟草发育的抑制作用转变为促进作用，其效果不同可能与烟草品种（K326、NC102）、生物炭类型（烟秆、玉米秸秆）、土壤类型（黄棕壤、褐土）等多种因素有关。

烟草黑胫病是烟草生产上最具毁灭性的病害之一，是由真菌引起的病害。Zhang等[37]研究表明，生物炭和化肥的施用对酸性土壤的α多样性影响较大，而对碱性土壤的α多样性影响较小，从真菌群落的角度来看，黄棕壤更适合单次施用生物炭，不仅提高土壤降解持久性有机物的能力，而且抑制了土壤病原体的传播，在本文中似乎得到了部分验证，本研究表明不同生物炭用量处理中，各处理烟草的病株率和病情指数差异并不显著，其病株率和病情指数均小于1%，施用适量生物炭（3000 kg·hm-2）则可抑制烟草旺长期和封顶期黑胫病的病株率和病情指数，但其效果并不显著，有待进一步研究。

综上所述，本文通过小区试验研究不同用量烟秆生物炭与化肥配施对烤烟的影响，研究表明烟草产量随着施肥量的增加呈增加趋势，施用96和120 kg·hm-2化肥较不施化肥可分别提高烟草产量26.82%和32.91%；烟草产量随生物炭用量呈先增后减的变化趋势，当生物炭用量为6000 kg·hm-2时，烟草产量达到最大值，之后随着生物炭用量增加，烟草产量迅速下降；生物炭和化肥配施对烤烟产量有明显影响，最佳配比为6000 kg·hm-2生物炭与120 kg·hm-2化肥配施，此时烟草产量达到最高，为2346.21 kg·hm-2，且其上中等烟比例达到了100%，其次为3000 kg·hm-2生物炭与96 kg·hm-2化肥配施，产量为2132.96 kg·hm-2，且其上等烟比例达到了41.97%；生物炭与化肥配施对病虫害没有明显影响，有些阶段还缓解了病虫害。适量施用化肥可以减轻烟草黑胫病的发病率和病情指数，降低金龟虫株率和烟草旺长期的黄虫虫株率；施用少量生物炭（3000 kg·hm-2）则可抑制烟草旺长期和封顶期黑胫病的病株率和病情指数，降低烟草团棵期的金龟虫株率和黄虫虫株率。适当施用烟秆生物炭和化肥可提高烟草产量与品质，对形成烤烟提质增效的培肥技术、促进农业绿色发展具有一定意义。