有機肥配施生物炭對烤煙生長發育的影響

蔣弢 張濤 李修賢 單蕖 溥崇翔 朱毅 趙正雄

摘要? ［目的］探究云南省大理烤煙生產中有機肥配施生物炭的實際意義，從土壤養分轉化、煙株的生長發育、煙株內部的碳氮代謝及煙葉的產質量4個方面展開研究。［方法］采用大田試驗，設置只施加有機肥（Y）、只施加生物炭（S）和有機肥配施生物炭（Y+S）3個處理。各處理間C、N、P、K元素投入量保持一致。［結果］Y+S和Y處理較S處理更有利于煙株株高、莖圍和葉面積的形成；植株中氮代謝相關酶活性與碳代謝相關酶活性均為Y+S最佳，且煙株生物量最大，上部烤后煙葉Y+S處理較Y和S處理增加水溶性糖、還原糖分別為830～8.95、4.90～6.09百分點，糖堿比和氮堿比分別為6.29～6.97和0.22～0.27，較S處理顯著降低煙堿含量0.82百分點；中部烤后煙葉，Y+S處理較Y處理顯著降低煙堿含量0.38百分點，增加了中上等煙比例，增加幅度分別為0.09和0.24；增加烤后煙葉產量分別為18615和510.9 kg/hm2，顯著增加烤后煙葉產值分別為20 391.45和27 688.8元/hm2。［結論］有機肥配施生物炭的處理農藝性狀和相關酶活性、土壤中有機質含量、全氮等養分都高于其他處理，顯著增加了產量和產值。有機肥配施生物炭有利于進一步提高大理灣橋植煙區煙葉質量。

關鍵詞? 有機肥；生物炭；烤煙；生長發育；煙葉質量

中圖分類號? S572?? 文獻標識碼? A?? 文章編號? 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

煙草是我國最重要的經濟作物之一。煙株良好的生長發育基礎及其烤后煙的產質量均依賴于優質的植煙土壤［1］。然而，我國大部分植煙土壤，由于長期過量施用化肥，忽略了有機碳的添加，土壤酸化、板結、營養失衡、土壤活性降低、有機質減少的問題非常突出，導致土壤肥力下降現象嚴重［2-4］。增強植煙土壤健康、提高土壤肥力、恢復土壤生產力對烤煙的綠色長效發展極其重要。為土壤添加補充有機碳是恢復土壤肥力的重要手段，最簡便、快捷的方法就是向土壤中投入有機肥和生物炭。有機肥因含有較豐富的礦質養分和有機碳，能夠提高土壤肥力，改善土壤理化性狀和土壤結構，還可以增強植株及土壤酶活性［5-8］。生物炭本身含有大量的碳，其自身又擁有較高孔隙度，巨大的比表面積，較高的化學 穩定性和吸附性［9-10］，可以改善土壤理化性狀，提升烤煙品質［11-13］。

目前，在烤煙的種植和生產中，有機肥和生物炭的施用，或是有機肥與生物炭混施，越來越被重視。施用不同種類的有機肥可以促進煙草生長發育［14］，改善初烤煙葉化學品質與香氣［15-16］，提高煙葉的產量與產值［14，17］。吉貴鋒等［18］研究表明，增施適量的生物炭可以促進煙株根系生長和提高烤后煙葉質量。聶天宏等［19］研究了不同類型生物炭對植煙土壤和烤煙煙葉產量及品質的影響，發現添加合適類型的生物炭可改善植煙土壤理化性質和養分狀況，提高烤煙煙葉產量和品質。

生物炭在提高土壤有機碳量的同時，也會與有機碳間相互作用，產生土壤有機碳激發效應。土壤有機碳的正激發效應是指生物炭的加入為微生物提供了碳源、能量和營養元素，提高了微生物活性從而加速了土壤本底有機碳的礦化；與此對應的是，負激發效應［20］可能是生物炭中毒性物質抑制酶活性與微生物活性，降低了有機碳的礦化［21-22］。

基于此，筆者在云南省大理州灣橋鎮進行田間試驗，通過外源添加有機肥和生物炭，研究在該地區土壤環境下，有機肥與生物炭配施對烤煙生長發育、產質量的影響，為今后該地的烤煙生產提供實踐基礎和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2021年在云南省大理州灣橋鎮下灣橋村（100°8′E，25°48′N）開展，該地海拔2 090 m，地處低緯高原，具有獨特的高原地方性氣候，溫差不大， 干濕季分明，屬于低緯高原季風氣候。土壤為砂壤土，pH? 632，試驗開始前表層土壤的理化性狀：交換鈣763.41 mg/kg、交換鎂184.64 mg/kg、水溶性氯小于5 mg/kg、速效磷44.21 mg/kg 、有機質37.83 g/kg、全氮2.42 mg/kg、速效鉀75.97 mg/kg，試驗前該田塊為休耕狀態。

1.2 試驗材料

K326為供試烤煙品種。供試有機肥為大理灣橋當地煙站所發放的弱堿性順豐煙草專用有機肥（3-3-7.5），其中碳含量為52%，pH為7.8；供試生物炭（8-8-9），碳含量為60%。

1.3 試驗設計

試驗為單因素隨機區組設計。共設計3個處理：①Y處理（單施煙草專用有機肥）；②S處理（單施生物炭）；③Y+S處理（將Y中的煙草專用有機肥含碳減半后配施含碳量減半的S中的生物炭）。施肥方式為移栽前拌塘穴施，基肥為各處理間的生物炭和有機肥，后續追肥根據處理不同，追加煙草復合肥（10-10-25）、硫酸鉀和腐殖酸水溶肥（7-0-10），追肥2次。每個處理3次重復，隨機區組排列，每個小區約60 m2。各處理間確保C、N、P、K元素的施用量保持一致，均按照大理灣橋地區優質煙葉的管理方式管理。肥料施用情況見表1。

1.4 測定項目與方法

1.4.1??? 土壤采集與處理。

2021年4月中旬對植煙田塊的土壤進行取樣，按照常規取樣法分別取0～20 cm土層土樣，每個小區沿對角線5點取樣，然后混合均勻為1個樣，挑除根系等雜質后，一部分土樣過0.45 mm 篩后迅速放入做好標記的自封袋中，置于液氮中，帶回實驗室后，用于測定土壤酶活性；另一部分土樣進行自然風干，待充分干燥后置于室溫妥善保存，以備后續理化性質分析。2021年6月10日、7月30日、9月初，于烤煙旺長期、打頂期、第一次采烤前，采集煙株的根際土用于相關測定（測定指標、方法與之前相同）。

土壤中碳、氮代謝相關酶（S-UE、S-SC等）活性用酶標儀測定；土壤全氮（TN）用半微量凱氏法測定；土壤有機碳（SOC）用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定。

1.4.2??? 煙葉樣品采集與處理。

2021年6月10日、7月30日、9月初，于旺長期、打頂期、第一次采烤前，用卷尺對農藝性狀進行測量，并采集煙株的中部煙葉，置于液氮中保存待測。于2021年9月底將采收的煙葉送至農戶家中烘烤。

煙葉中的碳、氮代謝相關酶（GS、NR、SS、SPS等）活性用酶標儀測定?？竞鬅熑~的化學性質送至相關檢測公司測定，產質量由灣橋煙站進行測定計算，外觀評價由大理州紅塔煙廠進行評析。

1.5 統計分析

試驗結果統計與分析采用Excel 2013和SPSS 18.0軟件進行，所有數據測定結果均以平均值±標準差（Mean±SD）表示。不同處理間采用鄧肯（Duncan）新復數極差法進行差異顯著性檢驗（P＜0.05）。相關圖示用Origin 2021繪制。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對煙株各時期土壤酶活性和土壤養分轉化的影響

2.1.1??? 不同施肥處理對土壤中碳氮代謝相關酶活性的影響。

由圖1可知，各處理的土壤脲酶（S-UE）活性在煙株旺長期時達到頂峰，而后逐漸下降，有助于煙葉內部干物質的積累和降低煙葉中的煙堿含量。旺長期Y+S處理與S處理無顯著差異，而與Y處理存在差異顯著；打頂期Y+S處理土壤脲酶（S-UE）活性顯著高于Y和S處理；第一次采烤前3個處理間S-UE酶活性差異不顯著（圖1A）。Y處理和Y+S處理的土壤蔗糖酶（S-SC）活性的變化趨勢均是先下降后上升。其中，旺長期Y+S處理S-SC酶活性顯著高于S處理；打頂期Y+S處理S-SC酶活性顯著高于其他2個處理；第一次采烤前S處理S-SC酶活性顯著高于其余2個處理（圖1B）。

2.1.2??? 不同施肥處理對土壤N素、有機碳及土壤C/N的影響。

從表2可以看出，不同處理下植煙土壤的全氮含量在旺長、打頂2個時期均無顯著差異，但在第一次采烤前S處理下植煙土壤的全氮含量顯著低于其余處理，Y、Y+S、S 3個處理從旺長期到打頂期土壤全氮含量分別增長了41%、56%、73%。此外，Y+S處理在旺長期時土壤全氮含量低于Y處理，隨著煙株的生長，到打頂和第一次采烤時呈逐漸高于Y處理的趨勢。 Y+S處理的土壤有機碳含量在整個生育期均高于其余處理，且隨著煙株的生長呈逐漸增加趨勢。相比于打頂期，在第一次采烤前Y+S處理的土壤有機碳含量提高了39%。在旺長期和打頂期時，Y+S與Y處理間土壤有機碳含量無顯著差異，顯著高于S處理，在第一次采烤前Y+S處理土壤有機碳含量顯著高于Y和S處理。Y+S處理的土壤C/N在整個生育期均最高。在旺長期和第一次采烤前，Y+S處理的土壤C/N顯著高于其他2個處理，在打頂期時，Y+S處理的土壤C/N顯著高于Y處理。

2.2 不同施肥處理對烤煙農藝性狀的影響

2.2.1??? 不同施肥處理對烤煙各生育期株高和莖圍的影響。

煙株旺長期的株高，Y處理與其他2個處理差異顯著；打頂期，Y+S處理與S處理的株高間差異顯著，較S處理提高了23.25%（表3）。

在旺長期的煙株莖圍，Y+S處理與其余2個處理之間差異不顯著，打頂期時Y+S處理較其余2個處理的莖圍分別提升了20.14%、24.56%，第一次采烤前Y+S處理下的莖圍比S處理顯著提升了32.96%，與Y處理差異不顯著。

2.2.2??? 不同處理對煙株生育期最大葉長和最大葉寬的影響。

在旺長期時，Y+S處理與Y處理和S處理相比分別增長了18.56和12.63 cm，在打頂期時，Y+S處理與Y處理和S處理相比分別增長了1.83和10.13 cm，且Y+S處理與S處理差異顯著。在第一次采烤前時，Y+S處理與Y處理和S處理相比分別增長了1.63和8.76 cm，且Y+S處理與S處理間差異顯著（表4）。

旺長期時，Y處理葉寬最寬，S處理葉長最窄；在打頂期時，Y+S處理與Y處理和S處理相比分別增寬了0.93和4.1 cm，且Y+S處理與S處理差異顯著。在第一次采烤前時，Y+S處理與Y處理和S處理相比分別增寬了2.14和4.37 cm，且Y+S處理與S處理差異顯著。綜合葉長和葉寬，有機肥配施生物炭有利于煙葉葉面積的增大（表4）。

2.3 不同處理間煙株各時期的植株相關代謝酶活性比較

2.3.1??? 植株中氮代謝相關酶活性。

煙株旺長期Y+S處理GS酶活性最高，各處理間谷氨酰胺合成酶（GS）活性均隨生育期推移而逐漸下降，且打頂期與旺長期比較，Y+S處理酶活性下降較快。旺長期Y+S處理和Y處理與S處理差異顯著，各處理在打頂期和第一次采烤前均差異顯著（圖2A）。Y+S處理下，旺長期硝酸還原酶（NR）活性最高，各處理間NR酶活性均隨時間推移而逐漸下降，打頂期較旺長期相比，Y+S處理酶活性下降最快。旺長期Y+S處理與Y處理差異顯著，打頂期Y+S處理與Y處理和S處理有顯著差異。第一次采烤前各處理差異不顯著（圖2B）。

2.3.2??? 植株中碳代謝相關酶活性。

旺長期是碳代謝相關酶活性最高時期，有利于煙葉中糖類物質的合成。旺長期Y+S處理與S處理SPS酶活性差異顯著，打頂期3個處理差異顯著，第一次采烤前，3個處理無顯著差異（圖3A）。旺長期Y+S處理與S處理SS酶活性無顯著差異，而與Y處理差異顯著。打頂期和第一次采烤前3個處理間無顯著差異（圖3B）。Y+S處理的蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶的活性在旺長期均最高，而2個酶活性都隨著生育期逐漸降低，有利于干物質的積累。其中以Y+S處理最佳。

2.4 烤后煙葉產質量

烤后煙葉的產量和產值Y+S處理高于其他處理。產量Y+S處理與Y處理和S處理相比分別增產了186.15、510.9 kg/hm2，產量上Y+S處理與S處理差異顯著。產值Y+S處理與Y處理與S處理相比分別增產了20 391.45、27 688.8元/hm2，產值上Y+S處理與S處理差異顯著。中上等煙比例Y+S處理與Y處理和S處理相比分別增加了0.09和0.24，中上等煙比例上Y+S處理與Y處理和S處理均差異顯著（表5）。

2.5 不同處理對烤后煙葉主要化學成分含量的影響

Y+S處理顯著提高了上部烤后煙葉的水溶性糖、還原糖含量，其中水溶性糖含量較Y處理和S處理分別增加了895百分點和8.30百分點，還原糖含量分別增加了6.09百分點和 4.90百分點。Y+S處理較S處理煙堿含量顯著降低了0.82百分點。且在煙堿含量上Y+S處理與Y處理和S處理都有顯著差異。 Y+S處理較Y處理和S處理顯著增大了糖堿比和氮堿比，糖堿比分別增大了6.29和6.97，氯堿比分別增大了0.22和0.27（表6）。

在中部烤后煙葉中，3個處理的水溶性糖含量較高，3個處理無顯著差異，Y+S處理和S處理還原糖含量較高，Y+S處理和S處理較Y處理顯著降低了煙堿含量，分別降低了038百分點和0.24百分點（表7）。說明有機肥配施生物炭可進一步改善上中部烤后煙葉內在質量。

3 討論

3.1 有機肥配施生物炭對土壤中酶活性養分轉化的影響

土壤中碳氮代謝相關酶的活性，直接影響了該時期植煙土壤中碳氮養分的供應狀況。Y+S處理中添加生物炭獨有的孔隙結構有利于土壤微生物的活動代謝［11］，同時有機肥還為其提供了烤煙生長、微生物代謝所需的碳源、氮素營養，微生物活動促進了氮素的周轉，進而改善烤煙本身及其土壤中氮素的代謝［6-7］。土壤脲酶作為土壤中將氮素轉化為氨的關鍵酶，其活性和土壤中氮素的周轉有著重要的聯系［23］。該研究中，Y+S處理中的土壤脲酶活性最高，S處理其次?？赡苁且驗樘砑由锾亢?，導致氮素周轉高于Y處理。每個處理土壤脲酶的活性均在煙株旺長期達到頂峰，而后又逐漸下降。該變化符合優質煙葉（旺長期時大量吸收氮素營養，到打頂期后又急速下降，有助于煙葉內部干物質的積累和降低煙葉中的煙堿含量）的形成。土壤蔗糖酶可以將蔗糖水解為葡萄糖和果糖，是土壤中重要的碳代謝相關酶，土壤蔗糖酶活性可以用來作為表征土壤有機質含量的養分指標之一［24］。除S處理外，其他2個處理土壤蔗糖酶的變化趨勢均是先下降后上升，有一個明顯的反彈?？赡苁且驗殡S著前期有機碳的輸入，顯著增加了土壤的活性有機碳含量［25-26］，土壤微生物可以利用的碳源增加，改變了土壤的C/N比，進而提高微生物在前期有機肥和生物炭中碳素養分的利用，使其活性增強，但隨著時間的推移，土壤中碳源的減少，開始更強烈地分解土壤中原本的有機碳，使得土壤產生激發效應，增加了土壤中碳的轉化，進而使得土壤中蔗糖還原酶活性增強，又刺激了微生物對其的利用［27］。所以呈現先下降后上升的趨勢。

在土壤全氮、有機質及C/N分析中，Y+S處理在每個時期的C/N比和有機碳含量都最高。其原因可能是外源添加生物碳后，影響了土壤中碳、氮養分的周轉，進而改變了植煙土壤不同時期的C/N，這有助于烤煙在旺長期時，大量吸收土壤中的養分，旺長期后又急速降低對土壤中養分的吸收利用，如此降低了烤煙內部對干物質的分解，有助于烤煙中干物質的積累及降低煙葉中的煙堿含量。但S處理表現為并非生物炭添加量越多越有利于烤煙生長發育和干物質累積量的增加，而當生物炭添加量在一定合適范圍內才能夠起到增加烤煙干物質積累量的作用［28］。這可能是生物炭自身的吸附性質導致，較高的施炭量吸附固定了一部分養分，煙株的養分供應得不到及時補充，在一定程度上抑制了根系的養分吸收能力，煙株同化作用被部分削弱。

3.2 有機肥配施生物炭對植株相關碳氮代謝酶活性養分轉化的影響

該試驗結果表明，3個處理的氮代謝相關酶活性均為旺長期達到頂峰，后隨著時間的推移而緩慢下降。除Y+S處理外，其余2個處理間差異不顯著。Y+S處理的GS酶與NR酶活性在旺長期均最高，隨后下降最快，Y+S處理中氮代謝相關酶活性的變化，有利于烤煙在旺長期快速吸收氮素營養，減少后期的吸收，可以有效降低煙堿和干物質的積累。這一變化最符合優質烤煙生產過程中酶活性的變化，為進一步提升煙葉品質奠定基礎。然而S處理中，雖然有生物炭的添加，但生物炭本身抑制了土壤中氮素的礦化，使得烤煙生長所需氮素營養供應不足，抑制酶活性與微生物活性進而體現在GS酶活性的低下，產生負激發效應［20］，說明有機肥和生物炭在促進煙株生長發育上具有協同效應［1］。各處理碳代謝相關酶SPS和SS在旺長期活性達到最高，隨著時間的推移，這2個酶的活性又發生明顯的下降。其中Y+S處理在旺長期的酶活性最高，隨后在第一次采烤前又略低于其他處理，說明該處理最有利于烤煙在旺長期時碳的循環代謝，有利于煙葉內干物質的積累。煙葉中氮轉化相關酶（GS、NR）活性變化，均為Y+S處理在旺長期時最高，隨后下降最快，碳轉化相關酶（SPS、SS）的變化趨勢相同。這有利于煙葉本身對氮素營養的利用及干物質的儲存。Y+S處理最有利于優質煙葉的形成。

3.3 有機肥配施生物炭對煙株農藝性狀和產值的影響

烤煙的農藝性狀能在一定程度上直觀地反映烤后煙葉的產量。研究表明，添加合適類型的生物炭可改善植煙土壤理化性質和養分狀況、提高烤煙煙葉產量和品質［19］。生物炭由于良好的吸附效應，能一定程度上增強土壤保肥能力，也能提高土壤含水率，但生物炭本身并不具備太多的肥力，因此，煙草專用有機肥的配施，使得植煙土壤在煙草旺長期時，不僅可以提供充足的水分，還能為其提供必要的營養。在該研究中，有機肥配施生物炭增加了煙株株高和莖圍，表現為有機肥配施生物炭有利于煙株地上部的生長。另外Y+S處理增加煙葉的葉面積，使得該處理中的煙株煙葉面積大于其他處理。因此所有處理中，Y+S處理的農藝性狀遠優于其他2個處理。這可能是因為生物炭能促進根系生長，并有效協調了地上部和地下部的比例［29］。

產量和產值是最佳煙草生產中重要的指標，同時也是農戶種植烤煙最關心的問題。煙草專用有機肥配施生物炭處理，烤后煙葉的產量和產值均高于其他處理。

3.4 有機肥配施生物炭對煙葉化學成分的影響

在烤后煙葉的化學成分分析中，煙草專用有機肥配施生物炭的施肥方式，較其他處理，還原糖、水溶性糖含量明顯較高。煙葉中的化學成分要有適宜的含量，水溶性糖含量在18％～22%，糖堿比則應大于10小于15［30］。該研究結果表明，除Y處理上部葉、S處理中部葉外，其余各處理的煙葉均處于最佳值。氮堿比則應在0.5～1.0為最佳，上述所有處理均在該范圍內。鉀氯比則應在4～10為最佳，S處理的上部葉，Y+S和S處理的中部葉在該范圍內。

該研究主要針對有機肥配施生物炭對烤煙生長發育和烤后煙葉質量的影響，而有機肥配施生物炭如何影響植煙土壤的理化性狀和改良植煙土壤的效果，以及對植煙土壤微生物群落和微生物功能多樣性的影響值得進一步探究。

4 結論

在大理州灣橋鎮有機肥配施生物炭的施肥模式下，農藝性狀和相關酶活性、土壤中有機質含量、全氮等養分均高于其他處理，產量分別比其他2個處理顯著提高186.15和510.9 kg/hm2，產值分別比其他2個處理顯著增加20 391.45和27 688.8元/hm2。因此該試驗初步認為，有機肥配施生物炭有利于進一步提高大理灣橋植煙區煙葉品質和經濟效益。

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基金項目?? 紅塔集團科技計劃項目（2020YL03）。

作者簡介?? 蔣弢（1997—），男，云南大理人，碩士研究生，研究方向：植物營養。

通信作者，教授，博士，博士生導師，從事植物營養研究。