氮肥配施生物炭對(duì)烤煙生長(zhǎng)及烤后煙葉化學(xué)品質(zhì)的影響*

何聰蓮，顧 浩，張錦韜，姜永雷，陳 頤，郭笑維，王 力，何承剛

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，云南 昆明 650201；2.湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007；3.云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，云南 昆明 650031)

煙草是中國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，適宜的土壤養(yǎng)分是烤煙產(chǎn)質(zhì)量形成的關(guān)鍵，也是保證烤煙生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。但近年來(lái)，隨著煙農(nóng)對(duì)烤煙產(chǎn)量的追求，化肥投入量連年增多，養(yǎng)分管理問(wèn)題日益凸顯[2]。氮素是烤煙生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必不可少的元素之一，增施氮肥是提高烤煙產(chǎn)量的有效手段[3]，但氮肥的大量施用不僅會(huì)造成土壤酸化和土壤板結(jié)致使肥料利用率降低，還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞[4]。因此，在烤煙生產(chǎn)中減氮增效勢(shì)在必行。

生物炭是生物質(zhì)在低氧或缺氧環(huán)境下經(jīng)高溫裂解而成的高碳物質(zhì)，具有容重小、比表面積大和吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)[5]。王博等[6]研究發(fā)現(xiàn)：減氮條件下適量施用生物炭有利于煙株根系的生長(zhǎng)，促進(jìn)其對(duì)植煙土壤養(yǎng)分和水分的吸收；龔絲雨等[7]研究發(fā)現(xiàn)：施用生物炭能增加煙株的干物質(zhì)積累量，使煙葉的化學(xué)成分趨于協(xié)調(diào)；李飛[8]研究發(fā)現(xiàn)：施氮量對(duì)烤煙的氮素代謝及香氣前體物的形成至關(guān)重要；劉領(lǐng)等[9]認(rèn)為：生物炭與氮肥配施對(duì)減少氮肥施用量以及提高煙田肥料利用率具有積極影響；胡茜等[10]研究發(fā)現(xiàn)：生物炭配施化肥能提高土壤有機(jī)碳和堿解氮含量。已有研究均表明生物炭與氮肥配施對(duì)提升烤煙品質(zhì)及氮肥利用率具有重要意義，但這些研究主要集中于施用量[11]、種類(lèi)[12]以及與其他肥料配施[13-14]對(duì)煙草生長(zhǎng)發(fā)育的影響，而鮮有針對(duì)不同氮肥施用量與生物炭配施對(duì)烤煙生長(zhǎng)及烤后各部位煙葉化學(xué)品質(zhì)的系統(tǒng)性研究。本研究分析了不同氮肥施用量與生物炭配施對(duì)烤煙各生育時(shí)期生長(zhǎng)及煙葉內(nèi)在化學(xué)成分和致香前體物含量的影響，旨在為生物炭對(duì)烤煙營(yíng)養(yǎng)和品質(zhì)調(diào)控研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2019 年在云南省昆明市云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源和節(jié)水灌溉實(shí)驗(yàn)室(海拔1 943 m，N25°7′51.92″，E102°45′10.39″)進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)材料

供試烤煙品種為云煙87。供試土壤為紅壤，土壤養(yǎng)分狀況為有機(jī)質(zhì)含量1.565%，堿解氮含量120.43 mg/kg，速效磷含量40.87 mg/kg，速效鉀含量209.54 mg/kg，土壤pH 值5.21。供試生物炭原材料為烤煙煙桿(品種為中煙100)，炭化溫度500 ℃，有機(jī)碳含量476.68 g/kg，全氮含量3.29 g/kg，全磷含量2.25 g/kg，全鉀含量17.52 g/kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置18 個(gè)坡度為10°的徑流小區(qū)，小區(qū)長(zhǎng)140.2 cm，寬53.3 cm，高26.4 cm，裝滿(mǎn)經(jīng)過(guò)10 mm 篩處理的土壤，以模擬大田環(huán)境。

采用雙因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，設(shè)置2 個(gè)生物炭施用量水平 (B0：不施用生物炭；B1：每100 kg 土壤施用3 kg 生物炭) 和3 個(gè)氮肥施用量水平 (N0：0 kg/hm2；N1：52.5 kg/hm2；N2：105.0 kg/hm2)，共6 個(gè)處理，分別為：B0N0，不施用生物炭和氮肥；B0N1，僅施用氮肥52.5 kg/hm2；B0N2，僅施用氮肥105 kg/hm2；B1N0，僅每100 kg 土壤施用3 kg 生物炭；B1N1，每100 kg 土壤施用3 kg生物炭與52.5 kg/hm2氮肥配施；B1N2，每100 kg土壤施用3 kg 生物炭與105.0 kg/hm2氮肥配施；每處理設(shè)3 次重復(fù)。試驗(yàn)用肥料為烤煙專(zhuān)用復(fù)合肥[m(N)：m(P2O5)：m(K2O)=15∶18∶30]、普鈣(P2O5≥16%)和農(nóng)業(yè)用硫酸鉀(K2O≥50%)，烤煙專(zhuān)用復(fù)合肥分基肥和追肥2 次施用，基肥和追肥各施用50%，磷、鉀肥作基肥一次性施用。各處理磷肥和鉀肥施用量相同，磷肥用量為105 kg/hm2，鉀肥用量為210 kg/hm2，施肥方式均為環(huán)施。設(shè)置烤煙株距為50 cm，將烤煙移栽至徑流小區(qū)中間，每個(gè)徑流小區(qū)移栽3 株烤煙，其他田間管理按優(yōu)質(zhì)烤煙栽培生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行，于烤煙成熟期分別對(duì)煙株上、中、下3 個(gè)部位的煙葉進(jìn)行采收，按三段式烘烤工藝進(jìn)行烘烤。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

(1) 煙株生長(zhǎng)指標(biāo)：烤煙移栽后分別在伸根期、團(tuán)棵期、旺長(zhǎng)期和成熟期參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查測(cè)量方法》(YC/T 142—1998)測(cè)定各處理株高、莖圍、有效葉數(shù)、最大葉長(zhǎng)和最大葉寬。

(2) 烤后煙葉化學(xué)成分及香氣前體物質(zhì)：參照劉卉等[15]的方法進(jìn)行煙葉化學(xué)成分測(cè)定，包括總糖、還原糖、總氮、煙堿、鉀和氯含量，并計(jì)算鉀氯比(鉀含量/氯含量)、糖堿比(總糖含量/煙堿含量)和氮堿比(總氮含量/煙堿含量)；烤煙香氣前體物質(zhì)含量參照YC/T 202—2002 取烤煙中部葉進(jìn)行測(cè)定，包括β-胡蘿卜素、葉黃素、綠原酸和蕓香苷含量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2010 和SPSS 18.0 軟件進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭與氮肥配施對(duì)烤煙生長(zhǎng)的影響

由表1 可知：在伸根期，施用生物炭可極顯著提高烤煙的株高(P＜0.01)，而對(duì)其他生長(zhǎng)指標(biāo)無(wú)顯著影響；在團(tuán)棵期，施用生物炭可顯著或極顯著提高烤煙的有效葉數(shù)、最大葉長(zhǎng)、最大葉寬和株高(P＜0.05 或P＜0.01)，但對(duì)莖圍無(wú)顯著影響；在旺長(zhǎng)期和成熟期，施用生物炭可顯著或極顯著提高烤煙的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)。在伸根期，施用氮肥可顯著或極顯著提高烤煙的株高和最大葉長(zhǎng)(P＜0.05 或P＜0.01)，但對(duì)其他生長(zhǎng)指標(biāo)無(wú)顯著影響；在團(tuán)棵期、旺長(zhǎng)期和成熟期，施用氮肥可極顯著提高烤煙的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)(P＜0.01)。生物炭與氮肥配施可顯著增加伸根期烤煙的最大葉長(zhǎng)(P＜0.05)，極顯著增加團(tuán)棵期烤煙的株高和最大葉長(zhǎng)(P＜0.01)，顯著或極顯著增加旺長(zhǎng)期烤煙的莖圍、最大葉長(zhǎng)和最大葉寬(P＜0.05 或P＜0.01)，顯著提高成熟期烤煙的最大葉寬(P＜0.05)。在旺長(zhǎng)期和成熟期，無(wú)論增施生物炭與否，各生長(zhǎng)指標(biāo)均隨氮肥施用量的增加而提高，在施用生物炭(B1)的條件下正常施氮處理(N2)的各生長(zhǎng)指標(biāo)都顯著高于不施氮處理(N0)，但正常施氮(N2)和減氮(N1)處理的大部分生長(zhǎng)指標(biāo) (除旺長(zhǎng)期的最大葉長(zhǎng)和葉寬、成熟期的有效葉數(shù)外)差異不顯著。這說(shuō)明施用生物炭在減氮條件下能促進(jìn)烤煙生長(zhǎng)，并且在烤煙生育后期 (旺長(zhǎng)期和成熟期) 對(duì)生長(zhǎng)的影響愈發(fā)明顯。

表1 不同處理各生育時(shí)期煙株的生長(zhǎng)指標(biāo)Tab.1 Growth indexes of tobacco plant at different growth stages under different treatments

2.2 生物炭與氮肥配施對(duì)烤后煙葉各化學(xué)成分含量的影響

由表2 可知：施用生物炭可顯著或極顯著增加下部煙葉的總氮、煙堿、鉀、氯和總糖含量(P＜0.05 或P＜0.01)，但對(duì)還原糖含量無(wú)顯著影響，還可極顯著影響鉀氯比(P＜0.01)；對(duì)中部葉而言，施用生物炭可極顯著增加除總糖外的其他化學(xué)成分含量以及氮堿比和糖堿比(P＜0.01)；可顯著或極顯著增加上部煙葉所有化學(xué)成分含量以及糖堿比(P＜0.05 或P＜0.01)。施用氮肥可極顯著增加烤煙下部葉各化學(xué)成分的含量以及鉀氯比(P＜0.01)；對(duì)中部葉而言，除對(duì)總糖含量的影響達(dá)顯著水平外(P＜0.05)，對(duì)其他化學(xué)成分含量的影響均達(dá)極顯著水平(P＜0.01)，還可極顯著影響氮堿比和糖堿比(P＜0.01)；可極顯著增加上部煙葉總氮、煙堿、鉀和氯含量(P＜0.01)，并對(duì)糖堿比產(chǎn)生極顯著影響(P＜0.01)。生物炭與氮肥配施可顯著或極顯著增加下部葉的總氮、煙堿和鉀含量，中部葉的煙堿和氯含量，上部葉的總糖和還原糖含量(P＜0.05 或P＜0.01)；在化學(xué)成分協(xié)調(diào)性方面，二者配施可顯著或極顯著增加中部葉的氮堿比、糖堿比和鉀氯比以及上部葉的糖堿比(P＜0.05 或P＜0.01)。

表2 不同處理各部位烤后煙葉化學(xué)成分含量及比值Tab.2 Content of chemical components and ratio of flue-cured tobacco leaves under different treatments

2.3 生物炭與氮肥配施對(duì)烤后煙葉香氣前體物的影響

由表3 可知：施用生物炭可顯著或極顯著提高中部煙葉中蕓香苷、β-胡蘿卜素、葉黃素和綠原酸含量(P＜0.05 或P＜0.01)；施用氮肥可極顯著提高中部煙葉中上述4 種致香前體物的含量(P＜0.01)；而生物炭與氮肥配施僅可極顯著提高煙葉中β-胡蘿卜素和葉黃素的含量(P＜0.01)；在施用生物炭(B1)的條件下，4 種香氣前體物含量隨氮肥施用量的增加而增加，正常施氮處理(N2)的4 種致香前體物的含量都顯著高于不施氮處理(N0)，但正常施氮(N2)和減氮(N1)處理的致香前體物含量除綠原酸外差異均不顯著。這說(shuō)明減氮條件下施用生物炭也能顯著提高煙葉中香氣前體物質(zhì)的含量。

表3 不同處理烤后中部煙葉香氣前體物質(zhì)的含量Tab.3 Content of aroma precursors in flue-cured tobacco middle leaves under different treatments

3 討論

3.1 生物炭與氮肥配施對(duì)烤煙各生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

生物炭與氮肥配施有利于烤煙的生長(zhǎng)，且在一定程度上能減少氮肥的施用。肖和友等[14]研究發(fā)現(xiàn)：施用生物炭可增加煙株的葉片數(shù)、株高、莖圍和最大葉面積等生長(zhǎng)指標(biāo)。本研究中，不施氮肥條件下，與不施生物炭相比，施用生物炭可促進(jìn)烤煙成熟期各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)的增加，與前人研究結(jié)果一致。究其原因，可能是由于生物炭本身的特性，降低了土壤容重，增加孔隙度，同時(shí)其本身的吸附作用提高了土壤養(yǎng)分的有效性[15]，有利于根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。

生物炭配施氮肥對(duì)烤煙各生育時(shí)期生長(zhǎng)指標(biāo)的影響不盡相同。本研究中，生物炭配施氮肥在團(tuán)棵期和旺長(zhǎng)期對(duì)煙株的生長(zhǎng)影響較大，對(duì)伸根期和成熟期的影響較小，比較發(fā)現(xiàn)：每100 kg 土壤施用3 kg 生物炭+施用氮肥105.0 kg/hm2(B1N2)處理下煙株的生長(zhǎng)指標(biāo)表現(xiàn)最優(yōu)，而僅施用氮肥105.0 kg/hm2(B0N2)和每100 kg 土壤施用3 kg 生物炭+施用氮肥52.5 kg/hm2(B1N1)的煙株長(zhǎng)勢(shì)次于B1N2處理，但B1N1與B1N2間的株高和有效葉數(shù)等多項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)差異并不顯著，說(shuō)明生物炭與氮肥配施在促進(jìn)煙株生長(zhǎng)的同時(shí)，還能在一定程度上減少氮肥的施用量。此外，郭偉等[16]研究發(fā)現(xiàn)：生物炭具有緩釋化肥的作用，因而氮素不易被沖刷和淋溶，從而保證煙株正常生長(zhǎng)發(fā)育所需的氮素水平，也進(jìn)一步說(shuō)明生物炭與氮肥配施對(duì)減少氮肥的施用有一定作用。

3.2 生物炭與氮肥配施對(duì)烤后煙葉化學(xué)成分的影響

土壤對(duì)烤煙內(nèi)在化學(xué)成分積累有重要影響，也是決定烤煙品質(zhì)的重要環(huán)境因素[17]。崔文芳等[18]研究發(fā)現(xiàn)：生物炭的施用可有效增加土壤全氮、速效磷和速效鉀含量，達(dá)到增加土壤養(yǎng)分、提高土壤肥力的作用。馮慧琳等[19]研究發(fā)現(xiàn)：生物炭能夠增加土壤中的全碳含量及碳氮比，并且能夠保持土壤中的有機(jī)質(zhì)不被降解和淋溶。在烤煙生產(chǎn)中，氮素是對(duì)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育最為重要的營(yíng)養(yǎng)元素，煙葉內(nèi)總氮和煙堿含量可以反映土壤氮素供應(yīng)能力[20]。本研究中，施用生物炭的3 個(gè)處理中，除下部葉總氮外，其他各部位煙葉的總氮和煙堿含量均高于不施用生物炭的3 個(gè)處理，表明生物炭與氮肥配施對(duì)提高土壤氮素水平、促進(jìn)煙葉中煙堿和總氮的合成有積極影響。黎妍妍等[21]研究發(fā)現(xiàn)：煙葉中總糖和還原糖含量受土壤中鉀素和氮素供應(yīng)狀況的調(diào)控；也有研究認(rèn)為煙葉內(nèi)總糖含量與土壤有機(jī)質(zhì)豐富程度密切相關(guān)[22]。徐照麗等[23]認(rèn)為土壤中氮素水平和硝態(tài)氮比例對(duì)煙葉中鉀和氯元素的積累影響較大。本研究中，相較于不施用生物炭和氮肥處理(B0N0)，僅施用生物炭處理 (B1N0)可增加煙葉中總糖和還原糖的含量；施用生物炭條件下，中部葉的鉀元素隨氮肥施用量的增加而增加，氯元素隨之降低，這與鄒健等[24]的研究結(jié)果一致。分析其原因，可能是生物炭含有一定量的鉀，從而增加了土壤中的鉀含量，也進(jìn)一步驗(yàn)證了施用生物炭可提高土壤氮素水平、增加土壤養(yǎng)分和減少有機(jī)質(zhì)淋溶作用。

烤煙碳氮代謝協(xié)調(diào)是煙葉品質(zhì)形成的關(guān)鍵[25]。張弘等[26]研究發(fā)現(xiàn)：施用生物炭能提高煙葉硝酸還原酶、轉(zhuǎn)化酶和淀粉酶等3 種碳氮代謝關(guān)鍵酶活性；葛國(guó)鋒等[27]研究發(fā)現(xiàn)：充足的氮素供應(yīng)是保障煙株碳氮代謝過(guò)程有序進(jìn)行的基礎(chǔ)。氮堿比、糖堿比和鉀氯比在反映煙葉內(nèi)在化學(xué)成分含量變化的同時(shí)也是評(píng)價(jià)煙葉化學(xué)品質(zhì)協(xié)調(diào)性的重要指標(biāo)。本研究中，生物炭與氮肥配施可極顯著影響中部葉的氮堿比和糖堿比以及上部葉的糖堿比、顯著影響中部葉的鉀氯比，對(duì)下部葉并未產(chǎn)生顯著影響。表明生物炭與氮肥配施對(duì)烤煙中上部煙葉品質(zhì)的影響較大，也從側(cè)面說(shuō)明通過(guò)生物炭與氮肥的合理配施可以調(diào)節(jié)烤煙內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)的協(xié)調(diào)性。

3.3 生物炭與氮肥配施對(duì)烤后煙葉香氣前體物質(zhì)的影響

烤煙香氣前體物是煙葉香氣風(fēng)格形成的基礎(chǔ)，與感官評(píng)吸質(zhì)量密切相關(guān)[28]。王力等[29]研究發(fā)現(xiàn)生物炭與氮肥配施能提高煙葉中質(zhì)體色素含量。本研究中，生物炭與氮肥配施極顯著增加了烤煙中部葉的β-胡蘿卜素和葉黃素含量。分析其原因，可能是土壤中氮素水平的增加促進(jìn)了煙株氮代謝進(jìn)程，有利于二者合成；也有可能是施用生物炭增加了土壤中的鉀含量，促進(jìn)β-胡蘿卜素和葉黃素在煙葉中積累，該研究結(jié)果和劉國(guó)順等[30]的研究基本一致。綠原酸與蕓香苷是煙葉中豐富的酚類(lèi)物質(zhì)[31]。李飛等[32]研究發(fā)現(xiàn)：氮素代謝的強(qiáng)弱影響類(lèi)胡蘿卜素和多酚等香氣前體物的形成。本研究中，不論是否施用生物炭，綠原酸和蕓香苷含量均隨著氮肥施用量的增加而增加，但施用生物炭處理的含量較高，說(shuō)明烤煙生產(chǎn)中可通過(guò)合理配施生物炭與氮肥調(diào)控烤煙香氣前體物的合成。

4 結(jié)論

生物炭與氮肥配施可促進(jìn)烤煙生長(zhǎng)，有利于其內(nèi)在化學(xué)成分和香氣前體物的積累，也從側(cè)面說(shuō)明通過(guò)施用生物炭調(diào)節(jié)煙田的碳氮平衡進(jìn)而調(diào)控?zé)熑~品質(zhì)的可行性，并且在烤煙生產(chǎn)中通過(guò)生物炭與氮肥的配施可減少氮肥的施用量。