生物炭與復(fù)合肥混施對烤煙品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益的影響

夏榮帥，蔡憲杰，夏賢仁，李先才，馬愛國，呂世保，未啟立，王瑞寶，潘義宏，閆 鼎

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

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，中國每年生產(chǎn)約9億t的秸稈（相當(dāng)于450萬t的氮肥、950萬t的鉀肥、95萬t的磷肥），占全世界秸稈總量的20%～30%［2］。由于環(huán)境意識缺乏、回收成本較高等原因，大量秸稈被焚燒，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，溫室氣體的排放對生態(tài)環(huán)境造成了負(fù)擔(dān)。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)成為解決上述問題的重要舉措［3］。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、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］。烤煙作為中國重要的經(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)，煙葉質(zhì)量欠佳，限制了煙草農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。前人關(guān)于生物炭在烤煙生產(chǎn)上的應(yīng)用已進(jìn)行了大量研究，何曉冰等［10］研究表明增施生物炭基肥后烤煙干物質(zhì)積累和氮、磷、鉀的吸收均增加，干物質(zhì)積累是烤煙產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。劉卉等［11］研究表明，生物炭與氮肥配施能夠促進(jìn)煙株的生長發(fā)育，協(xié)調(diào)烤后煙葉的主要化學(xué)成分。劉領(lǐng)等［12］研究表明，施用生物炭能夠提高植煙土壤酶活性且對烤煙的生長具有積極的促進(jìn)效應(yīng)。以上研究均反映了烤煙品質(zhì)對生物炭的正響應(yīng)效應(yīng)，但目前鮮見將當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物秸稈炭化后應(yīng)用于烤煙生產(chǎn)，并研究其對烤煙物理特性、外觀質(zhì)量、化學(xué)成分、感官評吸質(zhì)量等品質(zhì)指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)效益影響的報(bào)道。本試驗(yàn)擬充分利用農(nóng)田生物秸稈（玉米、小麥），通過高溫碳化處理制成生物炭，研究不同生物炭施用量與煙草專用復(fù)合肥混施對烤煙各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)效益的影響，確定生物炭最佳施用量，明確其對煙葉原料的影響，為卷煙原料配方提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2019年在宣威市熱水鎮(zhèn)營溝村開展，供試烤煙品種為云煙105。試驗(yàn)地土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分如下：全氮1.96 g/kg，全鉀8.15 g/kg，全磷0.78 g/kg，速效磷23.23 mg/kg，堿解氮150.87 mg/kg，速效鉀319.81 mg/kg，pH 6.37，有機(jī)質(zhì)46.27 g/kg。生物炭選用由小麥（30%）、玉米秸稈（70%）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，N∶P2O5∶K2O=0.68∶0.21∶1.17，pH 6.5?？緹煙o機(jī)肥料為煙草專用復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=14∶10∶24）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理和1個(gè)對照（CK），具體處理方式見表1。當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥分基肥和追肥施用，每公頃純氮用量為105 kg，以此為基準(zhǔn)，依據(jù)生物炭養(yǎng)分含量，對增施生物炭的處理等氮減施復(fù)合肥，保證各處理純氮用量一致，各處理不足的磷鉀養(yǎng)分含量分別施過磷酸鈣（P2O5≥16%）、硫酸鉀（K2O≥50%）補(bǔ)齊。每個(gè)處理3次重復(fù)，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)一進(jìn)行對水追肥。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 試驗(yàn)處理

1.3 測定內(nèi)容及方法

煙葉烘烤回潮后，按照GB 2635—1992標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級測產(chǎn)，調(diào)查均價(jià)、產(chǎn)量、中上等煙比例以及產(chǎn)值等經(jīng)濟(jì)效益。分別選取各處理B2F（上部）和C3F（中部）煙葉3.0 kg作為煙葉樣品用于綜合品質(zhì)的檢測分析。

1.3.1 煙葉常規(guī)化學(xué)成分的測定 試樣制備采用烘箱法（YC/T 31—1996）；檢測項(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，采用YC/T 217—2007和YC/T 159～162—2002（連續(xù)流動法）進(jìn)行檢測。

1.3.2 煙葉感官評吸 將各處理煙葉切絲后卷制成單料煙，經(jīng)過48 h水分平衡后，由7名持證評吸專家按照YC/T 138—1998標(biāo)準(zhǔn)中“九分制”的方法對煙氣的刺激性、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。

1.3.3 煙葉外觀質(zhì)量評價(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)GB2635—1992標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分評價(jià)。

1.3.4 煙葉物理特性 包括煙葉抗張力、厚度、平衡含水率、葉面密度、填充值和含梗率等6項(xiàng)指標(biāo)，依據(jù)GB/T12914—2008、GB/T451.3—2002和YC/T142—2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定。

1.3.5 煙葉經(jīng)濟(jì)性狀 依據(jù)GB2635—1992，分別調(diào)查和統(tǒng)計(jì)各處理烤后煙葉的等級，計(jì)算等級結(jié)構(gòu)。同時(shí)統(tǒng)計(jì)均價(jià)和產(chǎn)值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，煙葉物理特性、外觀質(zhì)量、感官評吸質(zhì)量及綜合品質(zhì)均參照《中國煙草種植區(qū)劃》，采用權(quán)重賦值法進(jìn)行評價(jià)［13］。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)行評價(jià)［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙葉物理特性

各處理煙葉物理特性分析見表2。就中部煙葉而言，綜合得分排序?yàn)門1＞T2＞T3＞T4＞CK，CK最低，為84.54分，T1處理最高，達(dá)91.78分，較CK提高了8.56%。與各處理相比，CK處理煙葉含梗率較高，葉面密度、平衡含水率較低。上部葉T2處理得分最高，T4處理葉面密度偏高，得分最低，排序表現(xiàn)為T2＞T3＞T1＞CK＞T4。通過計(jì)算中、上部煙葉物理特性平均綜合得分可知，各處理平均綜合得分均高于CK，T1、T2、T3、T4分別較CK提高了4.17%、4.64%、4.21%、0.99%，T2表現(xiàn)最好，T4改善效果不理想。

表2 煙葉物理特性

2.2 煙葉外觀質(zhì)量

不同生物炭施用量煙葉外觀質(zhì)量見表3，各處理中部煙葉外觀質(zhì)量綜合得分以T2處理最高，T1處理最低，其余處理相差無幾，排序?yàn)門2＞T4＞T3＞CK＞T1。上部煙葉外觀質(zhì)量綜合得分在75.75～77.50，差異較小。計(jì)算中、上部煙葉平均綜合得分可知，T2處理煙葉外觀質(zhì)量最好，達(dá)81.28分，較CK提高2.59%，T3、T4得分分別為79.98、79.40，與CK相差較小。

表3 煙葉外觀質(zhì)量

2.3 煙葉常規(guī)化學(xué)成分

依據(jù)云南中煙工業(yè)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［15］，優(yōu)質(zhì)烤煙總糖含量為19%～28%，還原糖含量為16%～25%，總氮含量為1.5%～2.5%，鉀含量在1.5%以上，氯含量小于0.6%，上部煙葉煙堿含量為2.7%～3.7%，中部煙葉煙堿為2.1%～2.9%，下部煙葉煙堿含量為1.5%～2.2%。秸稈生物炭不同用量對煙葉化學(xué)成分的影響見表4。與優(yōu)質(zhì)煙葉相比較，各處理煙葉總糖均偏高，還原糖、總氮、氯離子含量相對適宜，總植物堿含量偏低，但與CK相比，增施不同量的生物炭使烤煙總植物堿含量均得到提高。中部煙葉除CK外的各處理鉀離子含量均達(dá)到優(yōu)質(zhì)煙葉范圍，T3、T4較高，上部煙葉鉀含量整體偏低，僅高炭處理T3、T4達(dá)標(biāo)。各處理糖堿比偏高，鉀氯比較適宜，中部煙葉氮堿比在適宜范圍，上部煙葉略高。對比中、上部煙葉各處理化學(xué)成分綜合得分，高低分別表現(xiàn)為T3＞T4＞T2＞CK＞T1和T4＞T3＞T1＞T2＞CK，綜合比較，生物炭高添加量的處理（T3和T4）對化學(xué)成分的改善作用較好。其中，中部葉除T1外，各處理綜合得分均高于CK，最高為T3（74.76分），達(dá)到較高等級，較CK提高28.06%；各處理上部葉綜合得分均高于CK，最高為T4（79.58分），達(dá)到“高”等級，較CK提高38.59%，效果明顯。計(jì)算平均綜合得分可知，T1、T2、T3、T4分別較CK提高了5.03%、4.96%、20.19%、20.97%。

表4 煙葉常規(guī)化學(xué)成分

2.4 煙葉感官評吸質(zhì)量

各處理煙葉感官質(zhì)量及綜合得分見表5。由結(jié)果（表5）可知，各處理中部煙葉感官質(zhì)量綜合得分均高于CK，其中以T3最高，達(dá)73.78分，具體表現(xiàn)為質(zhì)感尚細(xì)膩，清香韻稍顯，濃度較濃，刺激性較小，雜氣較小，生津回甜感好，但余味稍澀；除T4外，各處理上部葉感官質(zhì)量綜合得分均優(yōu)于CK，最高仍為T3，達(dá)75.06分，主要表現(xiàn)為略有焦甜香，量較足，濃度較濃，愉悅性和舒適感較好，刺激性較小，但微有枯焦氣。通過計(jì)算平均綜合得分可知，高低排序?yàn)門3＞T1＞T2＞T4＞CK，T3煙葉感官質(zhì)量綜合得分相較于CK提高了5.26%。

表5 煙葉感官質(zhì)量

2.5 煙葉綜合品質(zhì)評價(jià)

各處理煙葉綜合質(zhì)量評價(jià)結(jié)果見表6。結(jié)果（表6）表明，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，中部葉高低表現(xiàn)為T3＞T4＞T2＞T1＞CK，上部葉表現(xiàn)為T3＞T4＞T1＞T2＞CK。對各處理綜合品質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，采用中部和上部煙葉得分的平均值進(jìn)行比較。物理特性、外觀質(zhì)量均以T2最優(yōu)，化學(xué)成分分別以T3、T4最優(yōu)，分別較CK提高了20.19%、20.97%，升幅較大。感官評吸質(zhì)量以T3最優(yōu)，提高了5.26%。綜合來看，以不同量增施秸稈生物炭，對煙葉品質(zhì)均有一定的正面影響，以T3效果最佳，較對照平均提高7.62%，其次為T4處理，平均提高4.57%，T1、T2品質(zhì)提升效果稍差，分別提高2.70%、3.06%。

表6 煙葉綜合質(zhì)量評價(jià)

2.6 煙葉經(jīng)濟(jì)性狀

對各處理經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表7。對比可知，各處理經(jīng)濟(jì)性狀指標(biāo)均優(yōu)于CK，增施不同量的生物炭均能一定程度上提高產(chǎn)量、產(chǎn)值和等級結(jié)構(gòu)。其中，T3上等煙、中上等煙比例和產(chǎn)量、均價(jià)最高，與CK相比，產(chǎn)值提高8.89%，經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)最佳。

表7 煙葉經(jīng)濟(jì)性狀

3 小結(jié)與討論

含梗率是煙葉的煙梗所占總量的比例，在物理特性評價(jià)體系中所占權(quán)重高達(dá)0.35，是一個(gè)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)［16］?！吨袊鵁煵莘N植區(qū)劃》［13］認(rèn)為含梗率最佳范圍為22%～25%，但近些年來有上升的趨勢。從試驗(yàn)結(jié)果來看，各處理煙葉含梗率均高于最佳范圍，但增施生物炭后煙葉含梗率出現(xiàn)明顯下降，T1、T3上部煙葉含梗率已接近最佳范圍，說明增施生物炭可一定程度上降低含梗率，這對提高煙葉工業(yè)可用性和加工質(zhì)量具有積極意義。所以適宜的煙葉含梗率能滿足卷煙企業(yè)對高質(zhì)量煙葉原料的需求，最大限度地提高打葉復(fù)烤企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益［17］，增施生物炭可作為調(diào)控?zé)熑~含梗率的重要手段。

相比其他品質(zhì)指標(biāo)，煙葉化學(xué)成分對生物炭施用量的響應(yīng)程度最大，高施炭量處理T3、T4煙葉化學(xué)成分綜合得分分別提高20.19%、20.97%，升幅較大。外觀質(zhì)量和物理特性是煙葉品質(zhì)的表征，而化學(xué)成分便是決定烤煙品質(zhì)的內(nèi)在因素。前人研究認(rèn)為與評吸質(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最主要的成分，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)并對香氣質(zhì)影響較大；鉀作為品質(zhì)元素，同樣對煙葉品質(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，其含量過高會降低煙葉燃燒性，產(chǎn)生熄火現(xiàn)象［18-20］?？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。試驗(yàn)中，常規(guī)施肥下總糖高于優(yōu)質(zhì)煙葉化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)，總植物堿相對較低，糖堿比較高，增施生物炭后，總糖含量有了一定程度的降低，上部煙葉總氮、總植物堿明顯上升，糖堿比達(dá)到優(yōu)質(zhì)煙葉適宜范圍，化學(xué)成分協(xié)調(diào)性明顯改善，煙葉綜合品質(zhì)提高。這與肖佳冰等［21］、趙殿峰等［22］、李莉等［23］的研究較為一致，但趙殿峰等［22］認(rèn)為過多施用生物炭對烤煙生長及品質(zhì)的形成不利，這可能是由試驗(yàn)環(huán)境及試驗(yàn)設(shè)計(jì)的差異所致。增施生物炭后，煙葉鉀含量得到提高，T3、T4較為明顯。目前中國煙葉鉀含量普遍較低，是限制煙葉質(zhì)量進(jìn)一步提升的重要因素，也是中國煙葉與世界優(yōu)質(zhì)煙葉存在一定差距的重要原因［24，25］。因此，可在增施生物炭的同時(shí)，增施利于煙葉吸收的鉀肥或葉面肥，改善煙葉品質(zhì)。

增施生物炭可以使煙葉物理特性、外觀質(zhì)量、化學(xué)成分協(xié)調(diào)性和感官評吸質(zhì)量得到不同程度的提升。其中，對煙葉化學(xué)成分影響最大，高施炭量能提高其協(xié)調(diào)性。綜合烤煙4項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益來看，宣威煙葉產(chǎn)區(qū)最佳生物炭施用量為1 350 kg/hm2，可使煙葉綜合品質(zhì)較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥提高7.62%，經(jīng)濟(jì)效益提高8.89%。