生物炭與氮肥減量配施對土壤養(yǎng)分含量及煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響

閻海濤，常 棟，王曉強，蔡憲杰，何曉冰，張 凱，王明鑫，張富生，陰廣宇，許成悅

(1.河南省煙草公司平頂山市公司，河南 平頂山 467000；2.上海煙草集團有限責任公司，上海 200082)

烤煙是豫中地區(qū)主要的經(jīng)濟作物之一。然而由于土地資源有限，煙草連作現(xiàn)象難以避免，加之近年來生產(chǎn)中大量施用化肥農(nóng)藥等，對土壤健康帶來較大威脅，土壤質(zhì)量退化，微生態(tài)環(huán)境失衡，病害發(fā)生情況逐年加重，嚴重制約著烤煙產(chǎn)質(zhì)量的提升[1～3]。生產(chǎn)中氮肥過量過大常造成煙葉葉片過厚，烘烤風險提高，烤后煙氣雜氣較重，感官質(zhì)量下降，香氣風格弱化[4～5]。為此，培肥土壤，減少氮肥施用量是烤煙生產(chǎn)上亟待解決的問題。

生物炭是農(nóng)林廢棄物在相對高溫缺氧條件下制得，富含芳香態(tài)碳且性質(zhì)穩(wěn)定，最早用于環(huán)境領(lǐng)域固碳減排[6]。近年來在農(nóng)田土壤保育方面也展現(xiàn)了諸多潛力，土壤添加生物炭可以提高土壤有機碳含量，改良土壤結(jié)構(gòu)，改善微生態(tài)環(huán)境，提高肥料利用率[7～9]。生物炭施用下氮肥運籌的研究多見于其他作物[10～12]，在煙草上研究較少[13]，生物炭與氮肥減量配施的效果在豫中煙區(qū)尚不明確。為了探明生物炭減少氮肥施用的潛力，筆者研究以河南省郟縣典型煙田為對象，研究生物炭與氮肥減量配施對土壤特性及煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響，以期為豫中煙葉生產(chǎn)上合理施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在河南省郟縣李口鎮(zhèn)進行。試驗地海拔224 m，年平均氣溫14.6℃，土壤類型為褐土，其基本理化性質(zhì)：有機質(zhì)12.06 g/kg，堿解氮69.10 mg/kg，速效磷17.32 mg/kg，速效鉀110.51 mg/kg，pH 6.08。

1.2 材料

1.2.1 品種 烤煙品種為中煙100，由青島中煙種子有限責任公司提供。

1.2.2 肥料 化肥(氮8%，磷12%，鉀20%)，湖北香青化肥有限公司；生物炭為花生殼生物炭(pH 8.25，全碳434.40 g/kg、全氮13.2 g/kg)，河南惠農(nóng)土質(zhì)保育研發(fā)有限公司；芝麻餅肥(氮5%，磷2.7%，鉀1.6%，有機質(zhì)50%)，平頂山金葉實業(yè)有限公司。

1.2.3 儀器 流動注射分析儀。

1.3 方法

1.3.1 試驗設(shè)計 試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)4個處理：常規(guī)施氮肥(CK)；生物炭+100%常規(guī)施氮肥(B)、生物炭+85%常規(guī)施氮肥(BN1)；生物炭+70%常規(guī)施氮肥(BN2)。每個小區(qū)面積100 m2，設(shè)3次重復(fù)。常規(guī)施肥化肥氮用量52.5 kg/hm2，氮、磷、鉀施用比例為1∶1∶3.5。各處理中磷鉀量保持一致，生物炭作基肥條施，用量為1 500 kg/hm2。其他施肥與大田管理按照當?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)進行。

1.3.2 指標測定 主要有:

(1)土壤特性。于烤煙旺長期采集根際土壤，去除雜物混合均勻后分為兩份，一份放于4℃冰箱用于土壤微生物生物量碳氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的分析，一份于室內(nèi)陰涼通風處晾干，用于土壤理化指標的測定。土壤微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸硫酸鉀浸提法測定[14]；土壤溶解性有機碳采用0.5 mol/L K2SO4浸提法測定；土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用0.1 mol/L CaCl2溶液浸提-流動注射分析儀測定。其他土壤指標采用常規(guī)方法進行測定[15]。

(2)烤煙常規(guī)化學成分。每個小區(qū)取中部烤后煙葉樣品2 kg，去除煙梗在60℃條件下烘干，過60目篩后，按照行業(yè)標準方法[16]測定煙葉煙堿、總氮、總糖、還原糖、鉀、氯含量，計算兩糖比、糖堿比和鉀氯比。

(3)烤煙經(jīng)濟性狀。煙葉成熟時對每個小區(qū)進行掛牌采收、烘烤，統(tǒng)計各小區(qū)烤后煙葉總重量和各等級煙葉重量，按照當年煙葉收購價格計算均價、中上等煙比例和產(chǎn)值。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SPSS22.0軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤養(yǎng)分含量和pH的影響

從表1可以看出，生物炭與氮肥配施對土壤養(yǎng)分各指標的影響不同。添加生物炭的各處理土壤有機碳含量均顯著高于對照，B、BN1和BN2處理分別比對照提高了25.82%、26.71%和31.90%，除CK外，各處理間差異不顯著。土壤溶解性有機碳以CK含量最低，為25.05 mg/kg，最高的為BN2處理，比對照提高了39.84%，其次為B和BN1處理。施用生物炭的處理土壤全氮含量比對照提高了6.94%～15.28%，且隨著氮用量的減少而降低。土壤硝態(tài)氮含量以對照最低，施用生物炭的各處理分別比對照提高了56.40%、40.34%和20.10%，其中B、BN1處理與對照呈顯著性差異。各處理銨態(tài)氮含量3.65～4.00 mg/kg，大小依次為BN2>B>CK>BN1，處理間無顯著差異。各處理土壤速效磷含量18.74～24.34 mg/kg，最大的為B處理，依次為BN1、BN2和CK。土壤速效鉀含量109.42～133.75 mg/kg，大小依次為B>BN1>BN2>CK。與對照相比，施用生物炭的各處理土壤pH提高了0.10～0.13個單位。

表1 不同處理土壤養(yǎng)分含量和pH值

2.2 不同處理對土壤微生物生物量的影響

土壤微生物生物量是土壤生物學特性的重要方面。從表2可知，氮肥用量相同的情況下，土壤添加生物炭可以顯著提高微生物生物量碳的含量，增幅為49.76%。生物炭應(yīng)用條件下減施氮肥的處理分別比對照提高了38.76%和55.34%。從土壤微生物生物量氮來看，CK處理含量最低，為12.29 mg/kg，B、BN1和BN2處理分別比對照提高了78.92%、83.48%和158.58%，施用生物炭的各處理與CK呈顯著性差異。各處理土壤微生物生物量碳氮的比值5.50～9.15，以CK最大，添加生物炭顯著降低了其比值，且隨著氮用量的減少，土壤微生物生物量碳氮比值逐漸降低。

表2 不同處理土壤微生物生物量碳氮

2.3 不同處理對煙葉常規(guī)化學成分含量的影響

烤后煙葉化學成分含量及其比值可以反應(yīng)煙葉的內(nèi)在品質(zhì)。由表3可以看出，生物炭與氮肥減量配施對煙葉化學成分有較大影響。施用生物炭的處理煙葉淀粉含量明顯低于對照，且隨著氮用量的減少而逐漸降低，B、BN1和BN2處理分別比對照降低了10.15%、14.86%和18.48%?？偺呛縿t以對照最低，其他處理比對照提高了16.24%～18.83%，差異呈顯著水平。各處理還原糖含量在14.78%～18.92%，大小依次為BN2>BN1>B>CK。與對照相比，生物炭與氮肥配施顯著降低了煙葉總氮含量，BN1降幅最大，為18.36%。不同處理對煙葉煙堿含量的影響與總氮相似。不同處理煙葉鉀含量0.77～1.10，以CK最低，其他處理比對照提高了31.17%～42.86%。氯含量則以CK最高，B、BN1和BN2處理分別比對照降低了25.66%、38.94%和31.86%。各處理糖堿比在7.36～9.90，施用生物炭的處理顯著高于對照，其中最大的為BN1處理，比對照提高了34.51%。各處理兩糖比0.81～0.89，以BN2處理最大。鉀氯比則以CK最低，B、BN1和BN2處理分別比對照提高了0.56、0.94和0.68。

表3 不同處理煙葉常規(guī)化學成分的含量

2.4 不同處理對烤煙經(jīng)濟性狀的影響

從表4可知，不同處理煙葉經(jīng)濟性狀差異較大。BN2處理產(chǎn)量顯著低于CK，BN1與CK無顯著差異，B處理則比CK提高了3.00%。從煙葉均價來看，BN1處理比CK提高了2.37%，差異達顯著水平，B、BN2與CK差異不大。不同處理煙葉產(chǎn)值以BN2最低，為52 690.17元/hm2，最高的為B處理，達到56 650.54元/hm2。不同處理中上等煙比例85.20%～87.00%，最大的為BN1處理，其次為B處理，均顯著高于CK，BN2與CK無顯著性差異。

表4 不同處理烤煙經(jīng)濟性狀

3 結(jié)論與討論

筆者研究中，生物炭與氮肥配施顯著提高了土壤有機碳含量，有利于農(nóng)田土壤固碳，這與前人的研究結(jié)果一致[17]，主要是因為生物炭富含有機碳[6]，施入土壤相當于直接向土壤中添加了外源有機碳，從而增加土壤碳庫。溶解性有機碳是土壤有機碳的活性組分，生物炭與氮肥配施提高了土壤溶解性有機碳含量，可能是因為生物炭表層小分子碳降解所致[18]，也可能是因為生物炭的激發(fā)效應(yīng)促進了土壤本土有機碳降解為小分子活性有機碳[19]。土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮可反映短期內(nèi)土壤氮素供應(yīng)情況。筆者研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭的處理，土壤硝態(tài)氮含量顯著增加，而銨態(tài)氮變化不大，這與宋大利等[20]的研究結(jié)果一致，可能是因為旱地土壤較強的硝化作用促進土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化[21]。此外生物炭與氮肥配施顯著提高了土壤全氮、速效鉀含量，主要是因為生物炭本身含有一定養(yǎng)分[22]，同時生物炭比表面積較大，吸附作用強，減少了土壤中養(yǎng)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。生物炭與氮肥配施顯著提高了土壤微生物量碳氮含量，說明不同施肥處理有利于土壤微生物繁殖，這與Chen等[24]的研究結(jié)果一致，可能是一方面生物炭的添加提高了土壤肥力，為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結(jié)構(gòu)可為微生物提供良好的棲息環(huán)境[25]。然而也有研究發(fā)現(xiàn)土壤添加樹枝生物炭后降低了土壤微生物量碳氮含量[26]，這可能與土壤類型、生物炭材料及用量等不同有關(guān)。

煙草是產(chǎn)量和質(zhì)量并重的作物之一，對氮肥用量十分敏感，氮素用量過大會導(dǎo)致煙葉單葉重過大，煙堿及總氮含量偏高，品質(zhì)降低[27]。研究在施用生物炭的條件下減少15%～30%氮素應(yīng)用，對于煙葉增糖降氮，提高化學成分協(xié)調(diào)性效果較好，雖然減少15%氮肥施用對產(chǎn)量有一定影響，但是因為煙葉養(yǎng)分協(xié)調(diào)，烤后中上等煙比例提高，最終產(chǎn)值和對照差異不大，以上結(jié)果說明生物炭的施用可對煙葉生產(chǎn)中氮素運籌起到積極作用。

綜上，生物炭與氮肥減量配施可顯著提高土壤碳庫及養(yǎng)分含量，增加土壤微生物生物量，有利于提高土壤肥力。生物炭施用條件下，適量降低氮肥用量(常規(guī)施氮基礎(chǔ)上減少30%以內(nèi))可以提高烤后煙葉糖含量、兩糖比和鉀氯比，降低煙葉煙堿和總氮含量，有利于提升煙葉化學成分協(xié)調(diào)性；減氮15%可以提高上中等煙比例和均價，對煙葉總產(chǎn)值影響不大。兼顧土壤固碳培肥效果和煙葉產(chǎn)質(zhì)量水平，建議豫中煙區(qū)可在施用1 500 kg/hm2生物炭的條件下減少15%氮肥應(yīng)用。