有机肥配施生物炭对烤烟生长发育的影响

蒋弢 张涛 李修贤 单蕖 溥崇翔 朱毅 赵正雄

摘要  ［目的］探究云南省大理烤煙生产中有机肥配施生物炭的实际意义，从土壤养分转化、烟株的生长发育、烟株内部的碳氮代谢及烟叶的产质量4个方面展开研究。［方法］采用大田试验，设置只施加有机肥（Y）、只施加生物炭（S）和有机肥配施生物炭（Y+S）3个处理。各处理间C、N、P、K元素投入量保持一致。［结果］Y+S和Y处理较S处理更有利于烟株株高、茎围和叶面积的形成；植株中氮代谢相关酶活性与碳代谢相关酶活性均为Y+S最佳，且烟株生物量最大，上部烤后烟叶Y+S处理较Y和S处理增加水溶性糖、还原糖分别为830～8.95、4.90～6.09百分点，糖碱比和氮碱比分别为6.29～6.97和0.22～0.27，较S处理显著降低烟碱含量0.82百分点；中部烤后烟叶，Y+S处理较Y处理显著降低烟碱含量0.38百分点，增加了中上等烟比例，增加幅度分别为0.09和0.24；增加烤后烟叶产量分别为18615和510.9 kg/hm2，显著增加烤后烟叶产值分别为20 391.45和27 688.8元/hm2。［结论］有机肥配施生物炭的处理农艺性状和相关酶活性、土壤中有机质含量、全氮等养分都高于其他处理，显著增加了产量和产值。有机肥配施生物炭有利于进一步提高大理湾桥植烟区烟叶质量。

关键词  有机肥；生物炭；烤烟；生长发育；烟叶质量

中图分类号  S572   文献标识码  A   文章编号  0517-6611（2024）07-0163-06

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2024.07.039

Effect of Organic Fertilizer Combined with Biochar on Growth and Development of Flue-cured Tobacco

JIANG Tao， ZHANG  Tao， LI  Xiu-xian et al

（Yunnan Agricultural University， Kunming， Yunnan   650000）

Abstract  ［Objective］ To explore the practical significance of organic fertilizer combined with biochar in the production of fluecured tobacco in Dali， Yunnan Province， the study was carried out from four aspects： the transformation of soil nutrients， the growth and development of tobacco plants， the carbon and nitrogen metabolism in tobacco plants and the yield and quality of tobacco leaves. ［Method］ The field experiment was conducted， and three treatments were set up： applying only organic fertilizer （Y）， applying only biochar （S） and applying organic fertilizer with biochar （Y+S）. The input amount of C， N， P and K elements in each treatment room was consistent. ［Result］ Y+S and Y treatments were more beneficial to the formation of plant height， stem circumference and leaf area than S treatments;the activities of nitrogen metabolismrelated enzymes and carbon metabolismrelated enzymes in the plant were the best in Y+S， and the biomass of the tobacco plant was the largest.  Compared with Y and S treatments， the water soluble sugar and reducing sugar in the upper fluecured tobacco leaves were increased by 8.30-8.95 and 4.90-6.09 percentage points， respectively， and the ratio of sugar to alkali and potassium to chlorine was 6.29-697 and 022-0.27， significantly reducing the nicotine content by 0.82%; Compared with Y treatment， Y+S treatment significantly reduced the nicotine content by 0.38 percentage points and increased the proportion of equal tobacco， with an increase of 0.09 and 0.24 respectively;the output of fluecured tobacco increased by 186.15  and 510.9 kg/hm2 respectively， and the output value of fluecured tobacco increased significantly by 20 391.45 and 27 688.8 yuan/hm2 respectively. ［Conclusion］ The treatment of organic fertilizer combined with biochar is higher than other treatments in agronomic traits and related enzyme activities， organic matter content in soil， total nitrogen and other nutrients， significantly increasing the yield and output value. The application of organic fertilizer combined with biochar is beneficial to further improve the quality of tobacco leaves in Dali Bay Bridge tobacco planting area.

Key words  Organic fertilizer;Biochar;Flue-cured tobacco;Growth and development;Tobacco quality

烟草是我国最重要的经济作物之一。烟株良好的生长发育基础及其烤后烟的产质量均依赖于优质的植烟土壤［1］。然而，我国大部分植烟土壤，由于长期过量施用化肥，忽略了有机碳的添加，土壤酸化、板结、营养失衡、土壤活性降低、有机质减少的问题非常突出，导致土壤肥力下降现象严重［2-4］。增强植烟土壤健康、提高土壤肥力、恢复土壤生产力对烤烟的绿色长效发展极其重要。为土壤添加补充有机碳是恢复土壤肥力的重要手段，最简便、快捷的方法就是向土壤中投入有机肥和生物炭。有机肥因含有较丰富的矿质养分和有机碳，能够提高土壤肥力，改善土壤理化性状和土壤结构，还可以增强植株及土壤酶活性［5-8］。生物炭本身含有大量的碳，其自身又拥有较高孔隙度，巨大的比表面积，较高的化学 稳定性和吸附性［9-10］，可以改善土壤理化性状，提升烤烟品质［11-13］。

目前，在烤烟的种植和生产中，有机肥和生物炭的施用，或是有机肥与生物炭混施，越来越被重视。施用不同种类的有机肥可以促进烟草生长发育［14］，改善初烤烟叶化学品质与香气［15-16］，提高烟叶的产量与产值［14，17］。吉贵锋等［18］研究表明，增施适量的生物炭可以促进烟株根系生长和提高烤后烟叶质量。聂天宏等［19］研究了不同类型生物炭对植烟土壤和烤烟烟叶产量及品质的影响，发现添加合适类型的生物炭可改善植烟土壤理化性质和养分状况，提高烤烟烟叶产量和品质。

生物炭在提高土壤有机碳量的同时，也会与有机碳间相互作用，产生土壤有机碳激发效应。土壤有机碳的正激发效应是指生物炭的加入为微生物提供了碳源、能量和营养元素，提高了微生物活性从而加速了土壤本底有机碳的矿化；与此对应的是，负激发效应［20］可能是生物炭中毒性物质抑制酶活性与微生物活性，降低了有机碳的矿化［21-22］。

基于此，笔者在云南省大理州湾桥镇进行田间试验，通过外源添加有机肥和生物炭，研究在该地区土壤环境下，有机肥与生物炭配施对烤烟生长发育、产质量的影响，为今后该地的烤烟生产提供实践基础和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2021年在云南省大理州湾桥镇下湾桥村（100°8′E，25°48′N）开展，该地海拔2 090 m，地处低纬高原，具有独特的高原地方性气候，温差不大， 干湿季分明，属于低纬高原季风气候。土壤为砂壤土，pH  632，试验开始前表层土壤的理化性状：交换钙763.41 mg/kg、交换镁184.64 mg/kg、水溶性氯小于5 mg/kg、速效磷44.21 mg/kg 、有机质37.83 g/kg、全氮2.42 mg/kg、速效钾75.97 mg/kg，试验前该田块为休耕状态。

1.2 试验材料

K326为供试烤烟品种。供试有机肥为大理湾桥当地烟站所发放的弱碱性顺丰烟草专用有机肥（3-3-7.5），其中碳含量为52%，pH为7.8；供试生物炭（8-8-9），碳含量为60%。

1.3 试验设计

试验为单因素随机区组设计。共设计3个处理：①Y处理（单施烟草专用有机肥）；②S处理（单施生物炭）；③Y+S处理（将Y中的烟草专用有机肥含碳减半后配施含碳量减半的S中的生物炭）。施肥方式为移栽前拌塘穴施，基肥为各处理间的生物炭和有机肥，后续追肥根据处理不同，追加烟草复合肥（10-10-25）、硫酸钾和腐殖酸水溶肥（7-0-10），追肥2次。每个处理3次重复，随机区组排列，每个小区约60 m2。各处理间确保C、N、P、K元素的施用量保持一致，均按照大理湾桥地区优质烟叶的管理方式管理。肥料施用情况见表1。

1.4 测定项目与方法

1.4.1    土壤采集与处理。

2021年4月中旬对植烟田块的土壤进行取样，按照常规取样法分别取0～20 cm土层土样，每个小区沿对角线5点取样，然后混合均匀为1个样，挑除根系等杂质后，一部分土样过0.45 mm 筛后迅速放入做好标记的自封袋中，置于液氮中，带回实验室后，用于测定土壤酶活性；另一部分土样进行自然风干，待充分干燥后置于室温妥善保存，以备后续理化性质分析。2021年6月10日、7月30日、9月初，于烤烟旺长期、打顶期、第一次采烤前，采集烟株的根际土用于相关测定（测定指标、方法与之前相同）。

土壤中碳、氮代谢相关酶（S-UE、S-SC等）活性用酶标仪测定；土壤全氮（TN）用半微量凯氏法测定；土壤有机碳（SOC）用重铬酸钾氧化-外加热法测定。

1.4.2    烟叶样品采集与处理。

2021年6月10日、7月30日、9月初，于旺长期、打顶期、第一次采烤前，用卷尺对农艺性状进行测量，并采集烟株的中部烟叶，置于液氮中保存待测。于2021年9月底将采收的烟叶送至农户家中烘烤。

烟叶中的碳、氮代谢相关酶（GS、NR、SS、SPS等）活性用酶标仪测定。烤后烟叶的化学性质送至相关检测公司测定，产质量由湾桥烟站进行测定计算，外观评价由大理州红塔烟厂进行评析。

1.5 统计分析

试验结果统计与分析采用Excel 2013和SPSS 18.0软件进行，所有数据测定结果均以平均值±标准差（Mean±SD）表示。不同处理间采用邓肯（Duncan）新复数极差法进行差异显著性检验（P＜0.05）。相关图示用Origin 2021绘制。

2 結果与分析

2.1 不同施肥处理对烟株各时期土壤酶活性和土壤养分转化的影响

2.1.1    不同施肥处理对土壤中碳氮代谢相关酶活性的影响。

由图1可知，各处理的土壤脲酶（S-UE）活性在烟株旺长期时达到顶峰，而后逐渐下降，有助于烟叶内部干物质的积累和降低烟叶中的烟碱含量。旺长期Y+S处理与S处理无显著差异，而与Y处理存在差异显著；打顶期Y+S处理土壤脲酶（S-UE）活性显著高于Y和S处理；第一次采烤前3个处理间S-UE酶活性差异不显著（图1A）。Y处理和Y+S处理的土壤蔗糖酶（S-SC）活性的变化趋势均是先下降后上升。其中，旺长期Y+S处理S-SC酶活性显著高于S处理；打顶期Y+S处理S-SC酶活性显著高于其他2个处理；第一次采烤前S处理S-SC酶活性显著高于其余2个处理（图1B）。

2.1.2    不同施肥处理对土壤N素、有机碳及土壤C/N的影响。

从表2可以看出，不同处理下植烟土壤的全氮含量在旺长、打顶2个时期均无显著差异，但在第一次采烤前S处理下植烟土壤的全氮含量显著低于其余处理，Y、Y+S、S 3个处理从旺长期到打顶期土壤全氮含量分别增长了41%、56%、73%。此外，Y+S处理在旺长期时土壤全氮含量低于Y处理，随着烟株的生长，到打顶和第一次采烤时呈逐渐高于Y处理的趋势。 Y+S处理的土壤有机碳含量在整个生育期均高于其余处理，且随着烟株的生长呈逐渐增加趋势。相比于打顶期，在第一次采烤前Y+S处理的土壤有机碳含量提高了39%。在旺长期和打顶期时，Y+S与Y处理间土壤有机碳含量无显著差异，显著高于S处理，在第一次采烤前Y+S处理土壤有机碳含量显著高于Y和S处理。Y+S处理的土壤C/N在整个生育期均最高。在旺长期和第一次采烤前，Y+S处理的土壤C/N显著高于其他2个处理，在打顶期时，Y+S处理的土壤C/N显著高于Y处理。

2.2 不同施肥处理对烤烟农艺性状的影响

2.2.1    不同施肥处理对烤烟各生育期株高和茎围的影响。

烟株旺长期的株高，Y处理与其他2个处理差异显著；打顶期，Y+S处理与S处理的株高间差异显著，较S处理提高了23.25%（表3）。

在旺长期的烟株茎围，Y+S处理与其余2个处理之间差异不显著，打顶期时Y+S处理较其余2个处理的茎围分别提升了20.14%、24.56%，第一次采烤前Y+S处理下的茎围比S处理显著提升了32.96%，与Y处理差异不显著。

2.2.2    不同处理对烟株生育期最大叶长和最大叶宽的影响。

在旺长期时，Y+S处理与Y处理和S处理相比分别增长了18.56和12.63 cm，在打顶期时，Y+S处理与Y处理和S处理相比分别增长了1.83和10.13 cm，且Y+S处理与S处理差异显著。在第一次采烤前时，Y+S处理与Y处理和S处理相比分别增长了1.63和8.76 cm，且Y+S处理与S处理间差异显著（表4）。

旺长期时，Y处理叶宽最宽，S处理叶长最窄；在打顶期时，Y+S处理与Y处理和S处理相比分别增宽了0.93和4.1 cm，且Y+S处理与S处理差异显著。在第一次采烤前时，Y+S处理与Y处理和S处理相比分别增宽了2.14和4.37 cm，且Y+S处理与S处理差异显著。综合叶长和叶宽，有机肥配施生物炭有利于烟叶叶面积的增大（表4）。

2.3 不同处理间烟株各时期的植株相关代谢酶活性比较

2.3.1    植株中氮代谢相关酶活性。

烟株旺长期Y+S处理GS酶活性最高，各处理间谷氨酰胺合成酶（GS）活性均隨生育期推移而逐渐下降，且打顶期与旺长期比较，Y+S处理酶活性下降较快。旺长期Y+S处理和Y处理与S处理差异显著，各处理在打顶期和第一次采烤前均差异显著（图2A）。Y+S处理下，旺长期硝酸还原酶（NR）活性最高，各处理间NR酶活性均随时间推移而逐渐下降，打顶期较旺长期相比，Y+S处理酶活性下降最快。旺长期Y+S处理与Y处理差异显著，打顶期Y+S处理与Y处理和S处理有显著差异。第一次采烤前各处理差异不显著（图2B）。

2.3.2    植株中碳代谢相关酶活性。

旺长期是碳代谢相关酶活性最高时期，有利于烟叶中糖类物质的合成。旺长期Y+S处理与S处理SPS酶活性差异显著，打顶期3个处理差异显著，第一次采烤前，3个处理无显著差异（图3A）。旺长期Y+S处理与S处理SS酶活性无显著差异，而与Y处理差异显著。打顶期和第一次采烤前3个处理间无显著差异（图3B）。Y+S处理的蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶的活性在旺长期均最高，而2个酶活性都随着生育期逐渐降低，有利于干物质的积累。其中以Y+S处理最佳。

2.4 烤后烟叶产质量

烤后烟叶的产量和产值Y+S处理高于其他处理。产量Y+S处理与Y处理和S处理相比分别增产了186.15、510.9 kg/hm2，产量上Y+S处理与S处理差异显著。产值Y+S处理与Y处理与S处理相比分别增产了20 391.45、27 688.8元/hm2，产值上Y+S处理与S处理差异显著。中上等烟比例Y+S处理与Y处理和S处理相比分别增加了0.09和0.24，中上等烟比例上Y+S处理与Y处理和S处理均差异显著（表5）。

2.5 不同处理对烤后烟叶主要化学成分含量的影响

Y+S处理显著提高了上部烤后烟叶的水溶性糖、还原糖含量，其中水溶性糖含量较Y处理和S处理分别增加了895百分点和8.30百分点，还原糖含量分别增加了6.09百分点和 4.90百分点。Y+S处理较S处理烟碱含量显著降低了0.82百分点。且在烟碱含量上Y+S处理与Y处理和S处理都有显著差异。 Y+S处理较Y处理和S处理显著增大了糖碱比和氮碱比，糖碱比分别增大了6.29和6.97，氯碱比分别增大了0.22和0.27（表6）。

在中部烤后烟叶中，3个处理的水溶性糖含量较高，3个处理无显著差异，Y+S处理和S处理还原糖含量较高，Y+S处理和S处理较Y处理显著降低了烟碱含量，分别降低了038百分点和0.24百分点（表7）。说明有机肥配施生物炭可进一步改善上中部烤后烟叶内在质量。

3 讨论

3.1 有机肥配施生物炭对土壤中酶活性养分转化的影响

土壤中碳氮代谢相关酶的活性，直接影响了该时期植烟土壤中碳氮养分的供应状况。Y+S处理中添加生物炭独有的孔隙结构有利于土壤微生物的活动代谢［11］，同时有机肥还为其提供了烤烟生长、微生物代谢所需的碳源、氮素营养，微生物活动促进了氮素的周转，进而改善烤烟本身及其土壤中氮素的代谢［6-7］。土壤脲酶作为土壤中将氮素转化为氨的关键酶，其活性和土壤中氮素的周转有着重要的联系［23］。该研究中，Y+S处理中的土壤脲酶活性最高，S处理其次。可能是因为添加生物炭后，导致氮素周转高于Y处理。每个处理土壤脲酶的活性均在烟株旺长期达到顶峰，而后又逐渐下降。该变化符合优质烟叶（旺长期时大量吸收氮素营养，到打顶期后又急速下降，有助于烟叶内部干物质的积累和降低烟叶中的烟碱含量）的形成。土壤蔗糖酶可以将蔗糖水解为葡萄糖和果糖，是土壤中重要的碳代谢相关酶，土壤蔗糖酶活性可以用来作为表征土壤有机质含量的养分指标之一［24］。除S处理外，其他2个处理土壤蔗糖酶的变化趋势均是先下降后上升，有一个明显的反弹。可能是因为随着前期有机碳的输入，显著增加了土壤的活性有机碳含量［25-26］，土壤微生物可以利用的碳源增加，改变了土壤的C/N比，进而提高微生物在前期有机肥和生物炭中碳素养分的利用，使其活性增强，但随着时间的推移，土壤中碳源的减少，开始更强烈地分解土壤中原本的有机碳，使得土壤产生激发效应，增加了土壤中碳的转化，进而使得土壤中蔗糖还原酶活性增强，又刺激了微生物对其的利用［27］。所以呈现先下降后上升的趋势。

在土壤全氮、有机质及C/N分析中，Y+S处理在每个时期的C/N比和有机碳含量都最高。其原因可能是外源添加生物碳后，影响了土壤中碳、氮养分的周转，进而改变了植烟土壤不同时期的C/N，这有助于烤烟在旺长期时，大量吸收土壤中的养分，旺长期后又急速降低对土壤中养分的吸收利用，如此降低了烤烟内部对干物质的分解，有助于烤烟中干物质的积累及降低烟叶中的烟碱含量。但S处理表现为并非生物炭添加量越多越有利于烤烟生长发育和干物质累积量的增加，而当生物炭添加量在一定合适范围内才能够起到增加烤烟干物质积累量的作用［28］。这可能是生物炭自身的吸附性质导致，较高的施炭量吸附固定了一部分养分，烟株的养分供应得不到及时补充，在一定程度上抑制了根系的养分吸收能力，烟株同化作用被部分削弱。

3.2 有机肥配施生物炭对植株相关碳氮代谢酶活性养分转化的影响

该试验结果表明，3个处理的氮代谢相关酶活性均为旺长期达到顶峰，后随着时间的推移而缓慢下降。除Y+S处理外，其余2个处理间差异不显著。Y+S处理的GS酶与NR酶活性在旺长期均最高，随后下降最快，Y+S处理中氮代谢相关酶活性的变化，有利于烤烟在旺长期快速吸收氮素营养，减少后期的吸收，可以有效降低烟碱和干物质的积累。这一变化最符合优质烤烟生产过程中酶活性的变化，为进一步提升烟叶品质奠定基础。然而S处理中，虽然有生物炭的添加，但生物炭本身抑制了土壤中氮素的矿化，使得烤烟生长所需氮素营养供应不足，抑制酶活性与微生物活性进而体现在GS酶活性的低下，产生负激发效应［20］，说明有机肥和生物炭在促进烟株生长发育上具有协同效应［1］。各处理碳代谢相关酶SPS和SS在旺长期活性达到最高，随着时间的推移，这2个酶的活性又发生明显的下降。其中Y+S处理在旺长期的酶活性最高，隨后在第一次采烤前又略低于其他处理，说明该处理最有利于烤烟在旺长期时碳的循环代谢，有利于烟叶内干物质的积累。烟叶中氮转化相关酶（GS、NR）活性变化，均为Y+S处理在旺长期时最高，随后下降最快，碳转化相关酶（SPS、SS）的变化趋势相同。这有利于烟叶本身对氮素营养的利用及干物质的储存。Y+S处理最有利于优质烟叶的形成。

3.3 有机肥配施生物炭对烟株农艺性状和产值的影响

烤烟的农艺性状能在一定程度上直观地反映烤后烟叶的产量。研究表明，添加合适类型的生物炭可改善植烟土壤理化性质和养分状况、提高烤烟烟叶产量和品质［19］。生物炭由于良好的吸附效应，能一定程度上增强土壤保肥能力，也能提高土壤含水率，但生物炭本身并不具备太多的肥力，因此，烟草专用有机肥的配施，使得植烟土壤在烟草旺长期时，不仅可以提供充足的水分，还能为其提供必要的营养。在该研究中，有机肥配施生物炭增加了烟株株高和茎围，表现为有机肥配施生物炭有利于烟株地上部的生长。另外Y+S处理增加烟叶的叶面积，使得该处理中的烟株烟叶面积大于其他处理。因此所有处理中，Y+S处理的农艺性状远优于其他2个处理。这可能是因为生物炭能促进根系生长，并有效协调了地上部和地下部的比例［29］。

产量和产值是最佳烟草生产中重要的指标，同时也是农户种植烤烟最关心的问题。烟草专用有机肥配施生物炭处理，烤后烟叶的产量和产值均高于其他处理。

3.4 有机肥配施生物炭对烟叶化学成分的影响

在烤后烟叶的化学成分分析中，烟草专用有机肥配施生物炭的施肥方式，较其他处理，还原糖、水溶性糖含量明显较高。烟叶中的化学成分要有适宜的含量，水溶性糖含量在18％～22%，糖碱比则应大于10小于15［30］。该研究结果表明，除Y处理上部叶、S处理中部叶外，其余各处理的烟叶均处于最佳值。氮碱比则应在0.5～1.0为最佳，上述所有处理均在该范围内。钾氯比则应在4～10为最佳，S处理的上部叶，Y+S和S处理的中部叶在该范围内。

该研究主要针对有机肥配施生物炭对烤烟生长发育和烤后烟叶质量的影响，而有机肥配施生物炭如何影响植烟土壤的理化性状和改良植烟土壤的效果，以及对植烟土壤微生物群落和微生物功能多样性的影响值得进一步探究。

4 结论

在大理州湾桥镇有机肥配施生物炭的施肥模式下，农艺性状和相关酶活性、土壤中有机质含量、全氮等养分均高于其他处理，产量分别比其他2个处理显著提高186.15和510.9 kg/hm2，产值分别比其他2个处理显著增加20 391.45和27 688.8元/hm2。因此该试验初步认为，有机肥配施生物炭有利于进一步提高大理湾桥植烟区烟叶品质和经济效益。

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基金项目   红塔集团科技计划项目（2020YL03）。

作者简介   蒋弢（1997—），男，云南大理人，硕士研究生，研究方向：植物营养。

通信作者，教授，博士，博士生导师，从事植物营养研究。