生物炭与氮肥减量配施对土壤养分含量及烟叶产质量的影响

阎海涛，常 栋，王晓强，蔡宪杰，何晓冰，张 凯，王明鑫，张富生，阴广宇，许成悦

(1.河南省烟草公司平顶山市公司，河南 平顶山 467000；2.上海烟草集团有限责任公司，上海 200082)

烤烟是豫中地区主要的经济作物之一。然而由于土地资源有限，烟草连作现象难以避免，加之近年来生产中大量施用化肥农药等，对土壤健康带来较大威胁，土壤质量退化，微生态环境失衡，病害发生情况逐年加重，严重制约着烤烟产质量的提升[1～3]。生产中氮肥过量过大常造成烟叶叶片过厚，烘烤风险提高，烤后烟气杂气较重，感官质量下降，香气风格弱化[4～5]。为此，培肥土壤，减少氮肥施用量是烤烟生产上亟待解决的问题。

生物炭是农林废弃物在相对高温缺氧条件下制得，富含芳香态碳且性质稳定，最早用于环境领域固碳减排[6]。近年来在农田土壤保育方面也展现了诸多潜力，土壤添加生物炭可以提高土壤有机碳含量，改良土壤结构，改善微生态环境，提高肥料利用率[7～9]。生物炭施用下氮肥运筹的研究多见于其他作物[10～12]，在烟草上研究较少[13]，生物炭与氮肥减量配施的效果在豫中烟区尚不明确。为了探明生物炭减少氮肥施用的潜力，笔者研究以河南省郏县典型烟田为对象，研究生物炭与氮肥减量配施对土壤特性及烟叶产质量的影响，以期为豫中烟叶生产上合理施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在河南省郏县李口镇进行。试验地海拔224 m，年平均气温14.6℃，土壤类型为褐土，其基本理化性质：有机质12.06 g/kg，碱解氮69.10 mg/kg，速效磷17.32 mg/kg，速效钾110.51 mg/kg，pH 6.08。

1.2 材料

1.2.1 品种 烤烟品种为中烟100，由青岛中烟种子有限责任公司提供。

1.2.2 肥料 化肥(氮8%，磷12%，钾20%)，湖北香青化肥有限公司；生物炭为花生壳生物炭(pH 8.25，全碳434.40 g/kg、全氮13.2 g/kg)，河南惠农土质保育研发有限公司；芝麻饼肥(氮5%，磷2.7%，钾1.6%，有机质50%)，平顶山金叶实业有限公司。

1.2.3 仪器 流动注射分析仪。

1.3 方法

1.3.1 试验设计 试验采用随机区组设计，共设4个处理：常规施氮肥(CK)；生物炭+100%常规施氮肥(B)、生物炭+85%常规施氮肥(BN1)；生物炭+70%常规施氮肥(BN2)。每个小区面积100 m2，设3次重复。常规施肥化肥氮用量52.5 kg/hm2，氮、磷、钾施用比例为1∶1∶3.5。各处理中磷钾量保持一致，生物炭作基肥条施，用量为1 500 kg/hm2。其他施肥与大田管理按照当地优质烟叶生产技术进行。

1.3.2 指标测定 主要有:

(1)土壤特性。于烤烟旺长期采集根际土壤，去除杂物混合均匀后分为两份，一份放于4℃冰箱用于土壤微生物生物量碳氮、硝态氮和铵态氮的分析，一份于室内阴凉通风处晾干，用于土壤理化指标的测定。土壤微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸硫酸钾浸提法测定[14]；土壤溶解性有机碳采用0.5 mol/L K2SO4浸提法测定；土壤硝态氮和铵态氮采用0.1 mol/L CaCl2溶液浸提-流动注射分析仪测定。其他土壤指标采用常规方法进行测定[15]。

(2)烤烟常规化学成分。每个小区取中部烤后烟叶样品2 kg，去除烟梗在60℃条件下烘干，过60目筛后，按照行业标准方法[16]测定烟叶烟碱、总氮、总糖、还原糖、钾、氯含量，计算两糖比、糖碱比和钾氯比。

(3)烤烟经济性状。烟叶成熟时对每个小区进行挂牌采收、烘烤，统计各小区烤后烟叶总重量和各等级烟叶重量，按照当年烟叶收购价格计算均价、中上等烟比例和产值。

1.4 统计分析

采用SPSS22.0软件进行数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤养分含量和pH的影响

从表1可以看出，生物炭与氮肥配施对土壤养分各指标的影响不同。添加生物炭的各处理土壤有机碳含量均显著高于对照，B、BN1和BN2处理分别比对照提高了25.82%、26.71%和31.90%，除CK外，各处理间差异不显著。土壤溶解性有机碳以CK含量最低，为25.05 mg/kg，最高的为BN2处理，比对照提高了39.84%，其次为B和BN1处理。施用生物炭的处理土壤全氮含量比对照提高了6.94%～15.28%，且随着氮用量的减少而降低。土壤硝态氮含量以对照最低，施用生物炭的各处理分别比对照提高了56.40%、40.34%和20.10%，其中B、BN1处理与对照呈显著性差异。各处理铵态氮含量3.65～4.00 mg/kg，大小依次为BN2>B>CK>BN1，处理间无显著差异。各处理土壤速效磷含量18.74～24.34 mg/kg，最大的为B处理，依次为BN1、BN2和CK。土壤速效钾含量109.42～133.75 mg/kg，大小依次为B>BN1>BN2>CK。与对照相比，施用生物炭的各处理土壤pH提高了0.10～0.13个单位。

表1 不同处理土壤养分含量和pH值

2.2 不同处理对土壤微生物生物量的影响

土壤微生物生物量是土壤生物学特性的重要方面。从表2可知，氮肥用量相同的情况下，土壤添加生物炭可以显著提高微生物生物量碳的含量，增幅为49.76%。生物炭应用条件下减施氮肥的处理分别比对照提高了38.76%和55.34%。从土壤微生物生物量氮来看，CK处理含量最低，为12.29 mg/kg，B、BN1和BN2处理分别比对照提高了78.92%、83.48%和158.58%，施用生物炭的各处理与CK呈显著性差异。各处理土壤微生物生物量碳氮的比值5.50～9.15，以CK最大，添加生物炭显著降低了其比值，且随着氮用量的减少，土壤微生物生物量碳氮比值逐渐降低。

表2 不同处理土壤微生物生物量碳氮

2.3 不同处理对烟叶常规化学成分含量的影响

烤后烟叶化学成分含量及其比值可以反应烟叶的内在品质。由表3可以看出，生物炭与氮肥减量配施对烟叶化学成分有较大影响。施用生物炭的处理烟叶淀粉含量明显低于对照，且随着氮用量的减少而逐渐降低，B、BN1和BN2处理分别比对照降低了10.15%、14.86%和18.48%。总糖含量则以对照最低，其他处理比对照提高了16.24%～18.83%，差异呈显著水平。各处理还原糖含量在14.78%～18.92%，大小依次为BN2>BN1>B>CK。与对照相比，生物炭与氮肥配施显著降低了烟叶总氮含量，BN1降幅最大，为18.36%。不同处理对烟叶烟碱含量的影响与总氮相似。不同处理烟叶钾含量0.77～1.10，以CK最低，其他处理比对照提高了31.17%～42.86%。氯含量则以CK最高，B、BN1和BN2处理分别比对照降低了25.66%、38.94%和31.86%。各处理糖碱比在7.36～9.90，施用生物炭的处理显著高于对照，其中最大的为BN1处理，比对照提高了34.51%。各处理两糖比0.81～0.89，以BN2处理最大。钾氯比则以CK最低，B、BN1和BN2处理分别比对照提高了0.56、0.94和0.68。

表3 不同处理烟叶常规化学成分的含量

2.4 不同处理对烤烟经济性状的影响

从表4可知，不同处理烟叶经济性状差异较大。BN2处理产量显著低于CK，BN1与CK无显著差异，B处理则比CK提高了3.00%。从烟叶均价来看，BN1处理比CK提高了2.37%，差异达显著水平，B、BN2与CK差异不大。不同处理烟叶产值以BN2最低，为52 690.17元/hm2，最高的为B处理，达到56 650.54元/hm2。不同处理中上等烟比例85.20%～87.00%，最大的为BN1处理，其次为B处理，均显著高于CK，BN2与CK无显著性差异。

表4 不同处理烤烟经济性状

3 结论与讨论

笔者研究中，生物炭与氮肥配施显著提高了土壤有机碳含量，有利于农田土壤固碳，这与前人的研究结果一致[17]，主要是因为生物炭富含有机碳[6]，施入土壤相当于直接向土壤中添加了外源有机碳，从而增加土壤碳库。溶解性有机碳是土壤有机碳的活性组分，生物炭与氮肥配施提高了土壤溶解性有机碳含量，可能是因为生物炭表层小分子碳降解所致[18]，也可能是因为生物炭的激发效应促进了土壤本土有机碳降解为小分子活性有机碳[19]。土壤硝态氮和铵态氮可反映短期内土壤氮素供应情况。笔者研究发现，施用生物炭的处理，土壤硝态氮含量显著增加，而铵态氮变化不大，这与宋大利等[20]的研究结果一致，可能是因为旱地土壤较强的硝化作用促进土壤铵态氮向硝态氮转化[21]。此外生物炭与氮肥配施显著提高了土壤全氮、速效钾含量，主要是因为生物炭本身含有一定养分[22]，同时生物炭比表面积较大，吸附作用强，减少了土壤中养分元素的淋失[23]。

土壤微生物量碳氮可以表征微生物生物量，也是土壤生物肥力的重要方面。生物炭与氮肥配施显著提高了土壤微生物量碳氮含量，说明不同施肥处理有利于土壤微生物繁殖，这与Chen等[24]的研究结果一致，可能是一方面生物炭的添加提高了土壤肥力，为微生物提供了充足的碳源和氮源[22]，另一方面生物炭自身的多孔结构可为微生物提供良好的栖息环境[25]。然而也有研究发现土壤添加树枝生物炭后降低了土壤微生物量碳氮含量[26]，这可能与土壤类型、生物炭材料及用量等不同有关。

烟草是产量和质量并重的作物之一，对氮肥用量十分敏感，氮素用量过大会导致烟叶单叶重过大，烟碱及总氮含量偏高，品质降低[27]。研究在施用生物炭的条件下减少15%～30%氮素应用，对于烟叶增糖降氮，提高化学成分协调性效果较好，虽然减少15%氮肥施用对产量有一定影响，但是因为烟叶养分协调，烤后中上等烟比例提高，最终产值和对照差异不大，以上结果说明生物炭的施用可对烟叶生产中氮素运筹起到积极作用。

综上，生物炭与氮肥减量配施可显著提高土壤碳库及养分含量，增加土壤微生物生物量，有利于提高土壤肥力。生物炭施用条件下，适量降低氮肥用量(常规施氮基础上减少30%以内)可以提高烤后烟叶糖含量、两糖比和钾氯比，降低烟叶烟碱和总氮含量，有利于提升烟叶化学成分协调性；减氮15%可以提高上中等烟比例和均价，对烟叶总产值影响不大。兼顾土壤固碳培肥效果和烟叶产质量水平，建议豫中烟区可在施用1 500 kg/hm2生物炭的条件下减少15%氮肥应用。