李先才， 夏賢仁， 蔡憲杰， 潘義宏， 周玉思， 馬愛國(guó)， 陳 彪， 王瑞寶， 閆 鼎*

(1.云南五佳生物科技有限公司，云南 昆明 650106； 2.云南省煙草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655000； 3.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海 200082； 4.華環(huán)國(guó)際煙草有限公司，安徽 滁州 233121)

0 引言

【研究意義】農(nóng)業(yè)廢棄物是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和再生產(chǎn)鏈中資源投入與產(chǎn)出物質(zhì)和能量的差額，其成分主要包括植物纖維性廢棄物和畜禽糞便兩大類[1]。以秸稈為代表，我國(guó)每年生產(chǎn)約9億t的秸稈(其肥量相當(dāng)于450萬(wàn)t的氮肥、950萬(wàn)t的鉀肥、95萬(wàn)t的磷肥)，占全世界秸稈總量的20%～30%[2]。由于環(huán)境意識(shí)缺乏、回收成本較高等原因，大量秸稈被焚燒，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。由此，將農(nóng)田廢棄物在絕氧或缺氧的密閉環(huán)境中，經(jīng)高溫炭化形成生物炭用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成為解決上述問(wèn)題的重要舉措[3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】生物炭具有比表面積大、穩(wěn)定性高、孔隙度發(fā)達(dá)、高度芳香化、含碳量豐富等特點(diǎn)[4]，已有大量研究認(rèn)為，生物炭可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)、提高其產(chǎn)量及品質(zhì)，在玉米、油菜、水稻、大豆、水蜜桃等作物上均有報(bào)道[5-8]。同時(shí)，生物炭具有改善土壤物理性質(zhì)、改善土壤酸度、提高有機(jī)質(zhì)含量等作用[9]?？緹熓俏覈?guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，不合理施肥及連作現(xiàn)象普遍，導(dǎo)致植煙土壤板結(jié)、養(yǎng)分失調(diào)、有機(jī)碳含量較低、碳氮比例失調(diào)。農(nóng)用地膜的長(zhǎng)期使用，降低了土壤吸濕性、通透性，造成土壤污染，限制了煙草農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展[10-11]。前人關(guān)于生物炭在植煙土壤改良上的應(yīng)用已作了大量研究，鄧子恒等[12]研究表明，施用生物炭改良劑使土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量明顯提高。趙亞鵬等[13]研究認(rèn)為，生物炭與腐熟秸稈混合施用對(duì)土壤有較好的改良作用。劉卉等[14-15]研究表明，生物炭與氮肥配施能夠促進(jìn)煙株的生長(zhǎng)發(fā)育，協(xié)調(diào)烤后煙葉的主要化學(xué)成分，提高植煙土壤酶活性。【研究切入點(diǎn)】已有研究反映了植煙土壤養(yǎng)分、烤煙生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)生物炭的正響應(yīng)效應(yīng)，但未對(duì)土壤綜合肥力及煙葉品質(zhì)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，缺乏直觀性。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】利用農(nóng)田生物秸稈，通過(guò)高溫碳化處理制成生物炭，研究不同用量生物炭與煙草專用復(fù)合肥混施對(duì)植煙土壤及烤煙生長(zhǎng)的影響，量化評(píng)價(jià)土壤肥力、煙葉綜合品質(zhì)，直觀反映生物炭對(duì)土壤改良、烤煙生長(zhǎng)、煙葉提質(zhì)的效果，明確生物炭最佳施用范圍，以期為宣武地區(qū)烤煙生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年在宣威市熱水鎮(zhèn)營(yíng)溝村開展，供試烤煙品種為云煙105。試驗(yàn)地土壤全氮，1.81 g/kg；全鉀，7.98 g/kg；全磷，0.69 g/kg；速效磷，19.31 mg/kg；堿解氮，119.72 mg/kg；速效鉀，130.76 mg/kg；pH值6.12；有機(jī)質(zhì)43.27 g/kg。

1.2 材料

生物炭：選用由小麥、玉米秸稈粉碎后，經(jīng)400～500℃高溫裂解的產(chǎn)物生物炭，理化性質(zhì)為有機(jī)碳456 g/kg，全氮6.8 g/kg，全磷2.1 g/kg，全鉀11.67 g/kg，C/N67.1，pH 6.5?？緹煙o(wú)機(jī)肥料：煙草專用復(fù)合肥，為總養(yǎng)分≥48%的三元復(fù)混肥(N∶P2O5∶K2O=14∶10∶24)，購(gòu)自云南云葉化肥股份有限公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)施用不同肥料配比，設(shè)置4處理和1個(gè)對(duì)照，具體處理方式詳見表1。當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥純氮用量為105 kg/hm2，以此為基準(zhǔn)，依據(jù)生物炭養(yǎng)分含量，對(duì)增施生物炭的處理適當(dāng)減施復(fù)合肥，保證各處理純氮用量一致，各處理不足的磷鉀養(yǎng)分含量分別施用過(guò)磷酸鈣(P2O5≥16%)。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)處理300株烤煙。生物炭與70%復(fù)合肥施用前進(jìn)行充分混勻于烤煙移栽時(shí)一次性塘施，留30%復(fù)合肥于烤煙移栽后第20 天統(tǒng)一對(duì)水追肥。各處理烤煙其他管理參照曲靖市優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行，煙葉成熟后掛牌標(biāo)記烘烤。

表1 不同肥料配比的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 植煙土壤評(píng)價(jià)

1) 土壤綜合肥力。煙葉成熟采收后，長(zhǎng)方形土塊采取之字形、較為方正的地塊采用對(duì)角線采集各處理植煙土壤耕層20 cm深的土樣，在同一采樣單元內(nèi)每8～10個(gè)點(diǎn)的土樣構(gòu)成1個(gè)0.5～2.0 kg的混合土樣，土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后，測(cè)定pH及有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量。根據(jù)主成分分析法及模糊數(shù)學(xué)分別確定各項(xiàng)肥力指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度，二者的乘積作為土壤肥力綜合指標(biāo)值(Integrated Fertility Index，IFI)，以此評(píng)價(jià)土壤肥力[16]。

2) 土壤理化性質(zhì)。參照文獻(xiàn)[17]的方法測(cè)定土壤容重、比重、總孔隙度，參照文獻(xiàn)[18]的方法測(cè)定腐殖質(zhì)、胡敏酸、富里酸及有機(jī)碳含量。

3) 土壤微生物量。土壤微生物數(shù)量采用涂布平板法進(jìn)行測(cè)定，細(xì)菌、真菌、放線菌分別采用肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、孟加拉紅培養(yǎng)基、高氏1號(hào)培養(yǎng)基培養(yǎng)，具體測(cè)定參照文獻(xiàn)[19]的方法進(jìn)行。

1.4.2 烤煙農(nóng)藝性狀及病害調(diào)查 參照中國(guó)煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[20]于烤煙旺長(zhǎng)期、現(xiàn)蕾期及打頂一周后調(diào)查農(nóng)藝性狀。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[21]于烤煙移栽后15 d、30 d、45 d、60 d后調(diào)查主要土傳病害黑脛病、根黑腐病、根結(jié)線蟲病的發(fā)病率，計(jì)算平均發(fā)病率。

1.4.3 煙葉綜合品質(zhì)評(píng)價(jià)

煙葉烘烤回潮后，分別選取各處理B2F和C3F煙葉3.0 kg作為煙葉樣品用于綜合品質(zhì)的檢測(cè)分析。

1) 煙葉常規(guī)化學(xué)成分的測(cè)定。試樣制備采用烘箱法[22]；檢測(cè)項(xiàng)目包括煙葉總糖、氯離子、鉀離子、還原糖、總氮和總植物堿等6項(xiàng)指標(biāo)的含量[23-27]。

2) 煙葉感官評(píng)吸。將各處理煙葉切絲后卷制成單料煙，經(jīng)過(guò)48 h水分平衡后，由7名持證評(píng)吸專家按照“9分制”[28]對(duì)煙氣的刺激性、濃度、余味、燃燒性、香氣質(zhì)、香氣量、灰色、雜氣和勁頭等指標(biāo)進(jìn)行打分。

3) 煙葉外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)。包括煙葉的身份、顏色、色度、成熟度、油分、組織結(jié)構(gòu)等6項(xiàng)指標(biāo)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[29]進(jìn)行打分評(píng)價(jià)。

4) 煙葉物理特性。包括煙葉抗張力、厚度、平衡含水率、葉面密度和含梗率等5項(xiàng)指標(biāo)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[30-31]進(jìn)行測(cè)定。煙葉物理特性、外觀質(zhì)量、感官評(píng)吸質(zhì)量以及綜合品質(zhì)均參照《中國(guó)煙草種植區(qū)劃》采用賦值權(quán)重指數(shù)和法進(jìn)行評(píng)價(jià)[32]。煙葉常規(guī)化學(xué)成分采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合指數(shù)(I)劃分為5個(gè)等級(jí)，即：高(I≥75)、較高(65≤I<75)、中(55≤I<65)、較低(45≤I<55)和低(I<45)[33]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植煙土壤性狀

2.1.1 土壤綜合肥力 由表2可見，各處理土壤呈微酸至中性，T1、T2、CK均為微酸性土壤，T3、T4為中性土壤，高施炭處理使微酸土壤得到改善，但均在烤煙種植適宜范圍內(nèi)。有機(jī)質(zhì)含量均為“豐富至很豐富”水平，T1、T4相較于其他處理略低。各處理全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量雖存在差異，但均處于同一水平下，即“豐富”或“豐富至很豐富”水平，通過(guò)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行量化評(píng)價(jià)時(shí)得分一致，其中，隨著施炭量的增加，堿解氮、速效磷含量整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。T1、CK處理全磷含量明顯低于T2、T3、T4處理，綜合來(lái)看，除T1處理以外，其他3個(gè)生物炭處理均能明顯提高土壤的綜合肥力，T2、T3、T4分別較對(duì)照提高14.29%、14.29%和28.57%。說(shuō)明，通過(guò)增施一定量的生物炭能使植煙土壤肥力更趨于均衡，提高植煙土壤的綜合肥力。

表2 不同處理植煙土壤綜合肥力

2.1.2 土壤理化性質(zhì) 由表3可見，增施不同量的生物炭處理和常規(guī)施肥之間土壤容重、比重、總孔隙度雖有差異，彼此間差距較小。但在不同程度上增加土壤腐殖質(zhì)、有機(jī)碳的含量，T2、T3最高，分別較CK提高27.80%、28.06%和27.73%、28.02%。T1、T2、T3的胡敏酸、富里酸含量也明顯提高。綜上，增施不同量的生物炭對(duì)土壤物理特性影響較小，但能提高有機(jī)碳和腐殖質(zhì)含量。

表3 不同處理植煙土壤理化性質(zhì)

2.1.3 土壤微生物 由表4可見，4個(gè)處理真菌、細(xì)菌和放線菌的數(shù)量隨著有機(jī)炭添加量的增加而增加，其中，T4處理最高，分別較CK提高75.24%、51.24%和80.84%，總量較CK提高54.93%。說(shuō)明，增施生物炭顯著提高土壤微生物量，豐富微生物多樣性，優(yōu)化群落結(jié)構(gòu)。

表4 不同處理植煙土壤微生物

2.2 煙葉農(nóng)藝性狀

在烤煙旺長(zhǎng)期，除株高較CK高外，其余農(nóng)藝指標(biāo)各處理間差異較小。在烤煙現(xiàn)蕾期，各處理株高和節(jié)距均高于CK。CK單葉面積略高于其他處理，但差距較小，莖圍和有效葉片數(shù)在各處理間無(wú)明顯差異?？緹煷蝽? d后，各處理單葉面積、節(jié)距、有效葉數(shù)均無(wú)明顯差距；莖圍以T4最優(yōu)，達(dá)12.48 cm；CK其次，為12.18 cm，株高以T2最低，為128.40 cm，其余處理間差異較小，以CK最高，為139.40 cm，T4其次，為138.80 cm。綜合看，增施生物炭對(duì)烤煙農(nóng)藝性狀影響較小，僅對(duì)現(xiàn)蕾期株高有改善效果。

表5 不同處理烤煙各生育期農(nóng)藝性狀

2.3 主要土傳病害的發(fā)生情況

由表6可知，將各處理及常規(guī)對(duì)照相比較，根黑腐病發(fā)病率T1>CK>T2>T4>T3，T2、T3、T4分別較CK降低9.15%、20.33%、11.50%。黑脛病發(fā)病率CK>T1>T2>T3>T4，T1、T2、T3、T4分別較CK降低7.46%、15.26%、22.55%、26.53%。根結(jié)線蟲病發(fā)病率T1>CK>T2>T3=T4，T2、T3、T4分別較CK下降1.50%、26.32%、26.32%。增施不同量的生物炭均可不同程度降低黑脛病發(fā)病率，而生物炭添加量較高的處理(T2、T3和T4)根黑腐病、根結(jié)線蟲病的發(fā)病率較低。綜合看，生物炭施用量越高對(duì)病害的防治效果越好。

表6 不同處理主要土傳病害的發(fā)病率

2.4 煙葉綜合品質(zhì)評(píng)價(jià)

由表7可知，增施秸稈生物炭，各處理煙葉綜合品質(zhì)得分均高于CK，其中，中部葉為T3>T4>T2>T1>CK，上部葉為T3>T4>T1>T2>CK。物理特性、外觀質(zhì)量均以T2處理最優(yōu)。化學(xué)成分以T3、T4最優(yōu)，分別較CK提高20.19%、20.97%。感官評(píng)吸質(zhì)量以T3最優(yōu)，較CK提高5.26%。綜合來(lái)看，增施秸稈生物炭對(duì)煙葉品質(zhì)均有一定的正面影響，以T3處理效果最佳，較CK平均提高7.62%，其次為T4處理，較CK提高4.57%，T1和T2處理品質(zhì)提升效果稍差，分別較CK提高2.97%和2.70%。

表7 不同處理煙葉綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)的得分

3 討論

試驗(yàn)證明，T1(施炭量為450 kg/hm2)、CK(未添加生物炭)處理土壤綜合肥力指標(biāo)值(IFI)明顯低于其他處理，其原因在于2個(gè)處理全磷、全鉀含量較低，量化評(píng)價(jià)時(shí)得分低，此外，T4(施炭量為1 800 kg/hm2)有機(jī)質(zhì)得分相較于其他處理高，其余指標(biāo)得分較一致。因此，T4處理IFI最高，較CK提高28.57%，其次為T2(施炭量為900 kg/hm2)、T3(施炭量為1 350 kg/hm2)，均較CK提高14.29%?？梢姡鍪┮欢康纳锾繉?duì)平衡土壤養(yǎng)分，提高綜合肥力具有積極作用，且施用量越高，效果越佳。況帥等[34]研究認(rèn)為，施用生物炭可顯著提升土壤有機(jī)質(zhì)及速效養(yǎng)分含量，與該研究存在差異。趙殿峰等[35]研究發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭施用量的提高，堿解氮、速效磷含量先升高后降低，認(rèn)為是高施炭量引起土壤中堿解氮、有效磷的生物固定和化學(xué)固定，導(dǎo)致耕層土壤含量降低，與試驗(yàn)結(jié)果一致。土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[36]認(rèn)為，堿解氮含量在120 mg/kg以上、速效磷含量在20 mg/kg以上、速效鉀含量在150 mg/kg以上即達(dá)到豐富水平，試驗(yàn)中所有處理速效養(yǎng)分均在此水平之上，可能與當(dāng)?shù)亓?xí)慣于在烤煙生長(zhǎng)中后期施用大量磷鉀肥以及生物炭本身養(yǎng)分輸入有關(guān)，已經(jīng)施用充足的磷鉀肥，但CK、T1仍有全磷、全鉀含量相對(duì)較低的情況，推測(cè)可能是養(yǎng)分隨水分淋失導(dǎo)致。生物炭具有較發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團(tuán)，可以通過(guò)其表面酸性官能團(tuán)對(duì)礦質(zhì)陽(yáng)離子產(chǎn)生吸附與持留作用[37]，從而達(dá)到保肥的效果，提高利用率。所以生物炭施用量較高的T2、T3、T4處理全磷、全鉀含量相對(duì)較高，養(yǎng)分更為均衡，綜合肥力較高。

該試驗(yàn)中各處理土壤容重、比重、總孔隙度相差較小，增施生物炭對(duì)土壤物理性質(zhì)影響有限。但前人研究認(rèn)為，施用生物炭能有效降低土壤容重，提高土壤孔隙度，改善耕層團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[38]。究其原因在于，土壤改良是漫長(zhǎng)過(guò)程，此類結(jié)論均建立在長(zhǎng)期的田間定位試驗(yàn)基礎(chǔ)上，而試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自1年田間試驗(yàn)，時(shí)間較短，對(duì)土壤物理特性的影響較小，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。不同于土壤物理特性，各生物炭處理腐殖質(zhì)、有機(jī)碳含量得到明顯提高，其中以T2、T3最高，分別較CK提高27.80%、28.06%和27.73%、28.02%。胡敏酸、富里酸含量也得到明顯提高，對(duì)由于農(nóng)用地膜等帶來(lái)的土壤污染、重金屬超標(biāo)問(wèn)題具有積極意義[39-40]。

烤煙的農(nóng)藝性狀能較直觀地反映煙株生長(zhǎng)發(fā)育情況和產(chǎn)質(zhì)量。在研究中，增施生物炭對(duì)烤煙現(xiàn)蕾期株高有改善效果，但增施生物炭對(duì)烤煙農(nóng)藝性狀影響較小，這與試驗(yàn)地的肥力水平和供肥條件有關(guān)，試驗(yàn)設(shè)置了4種不同用量生物炭處理，但通過(guò)減施一定的復(fù)合肥和增施過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀控制各處理氮磷鉀用量與CK保持一致，因此烤煙農(nóng)藝性狀受生物炭施用量的影響較小。病害調(diào)查結(jié)果顯示，增施生物炭顯著降低主要土傳病害黑脛病、根黑腐病、根結(jié)線蟲病的發(fā)病率，且施用量越高防治效果越佳。黑脛病、根黑腐病是煙草生產(chǎn)上極具毀滅性病害，其大田初侵染源主要來(lái)自帶菌土壤，根結(jié)線蟲以卵或二齡幼蟲在土壤中越冬，線蟲除對(duì)煙草造成直接危害外，其造成的傷口利于病原菌的侵染，可加重其他病害的嚴(yán)重度[41-42]。結(jié)合土壤微生物分析看，隨著生物炭施用量的增加，土壤真菌、細(xì)菌、放線菌數(shù)量逐漸提高，T4處理最高，分別較CK提高75.24%、51.24%和80.84%，總量較CK提高54.93%，群落結(jié)構(gòu)優(yōu)化，微生物多樣性大幅提升?；蛟S增施生物炭使土壤有益菌增多，存在潛在的生防菌抑制病原菌的生長(zhǎng)，使病害發(fā)病率下降。但試驗(yàn)未對(duì)土壤微生物進(jìn)行分離鑒定，評(píng)價(jià)生防效果，具體原因有待進(jìn)一步的研究。長(zhǎng)期使用化學(xué)藥劑進(jìn)行病害防治易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生副作用、病原菌產(chǎn)生抗藥性。近年來(lái)，以菌防病、以菌治病的生物防治方法得到重視，在農(nóng)作物病害防治方面的應(yīng)用逐漸增多[43]。下一步應(yīng)加大對(duì)土壤微生物的研究，挖掘潛在的生物防治菌，減輕對(duì)化學(xué)農(nóng)藥的依賴。

施炭量較高的T3和T4處理烤煙綜合品質(zhì)分別較CK提高7.62%和4.57%。從各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)看，煙葉化學(xué)成分對(duì)生物炭施用量的響應(yīng)程度最大，T3和T4處理煙葉化學(xué)成分得分分別提高20.19%和20.97%，升幅較大。化學(xué)成分是決定烤煙品質(zhì)的內(nèi)在因素。前人研究認(rèn)為，與評(píng)吸質(zhì)量密切相關(guān)的化學(xué)成分主要是糖組分和含氮化合物，煙堿是滿足吸食者生理需求的最主要成分，與總氮一起影響勁頭和刺激性，總糖、還原糖含量與吃味相關(guān)并對(duì)香氣質(zhì)影響較大；鉀作為品質(zhì)元素，同樣對(duì)煙葉品質(zhì)有很大影響，主要體現(xiàn)在香氣質(zhì)、香氣量、燃燒性、安全性等方面；煙草是忌氯作物，其含量過(guò)高會(huì)降低煙葉燃燒性，產(chǎn)生熄火現(xiàn)象[44-46]?？梢妳f(xié)調(diào)的化學(xué)成分是優(yōu)質(zhì)煙葉原料、高品質(zhì)卷煙產(chǎn)品的前提，生物炭能顯著改善煙葉化學(xué)成分協(xié)調(diào)性，提高品質(zhì)。

4 結(jié)論

增施生物炭可協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分、提高土壤綜合肥力，且施用量越高效果越好。在短期內(nèi)，增施生物炭對(duì)土壤容重、比重、總孔隙度影響有限，但明顯提高了腐殖質(zhì)、有機(jī)碳含量，以900～1 350 kg/hm2較適宜。提高土壤微生物量，且施用量越高微生物量越高，豐富微生物多樣性，群落結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。對(duì)烤煙農(nóng)藝性狀影響略微，但有效降低土傳病害發(fā)病率，且施用量越高防治效果越佳，并提升煙葉綜合品質(zhì)，以1 350 kg/hm2最佳，較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥提高7.62%。生物炭施用量可結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際在1 350～1 800 kg/hm2靈活選擇。