毛家伟，张　翔，司贤宗，李国平，王闷灵，孔德辉

（1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，郑州 450002；2.洛阳市烟草公司，河南洛阳 471000）

不同碳肥水平对土壤肥力及烤烟养分吸收和产质量的影响

毛家伟1，张翔1，司贤宗1，李国平1，王闷灵2，孔德辉2

（1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，郑州 450002；2.洛阳市烟草公司，河南洛阳 471000）

摘要：通过田间小区试验，研究了不同碳肥水平对土壤肥力及烤烟养分吸收、产质量的影响。结果表明，施用碳肥能提高前期土壤中碱解氮和速效钾含量，促进土壤中磷的释放。中部叶养分分析表明，施用碳肥能提高前期烟株中部叶全氮和全磷含量，并能显著提高烟叶中钾的含量。从产量和产值上看，施用碳肥处理与常规施肥相比，产量增加170.5～506.5 kg/hm2，产值增加1146～7739元/hm2，且随着碳肥用量的增加，烟叶产量和产值也有增加的趋势。化学成分分析表明，施用碳肥可以降低上部叶烟碱含量，提高烤后烟叶钾含量，化学成分更加协调。综合分析，在豫西烟叶生产上施用碳肥可以进行推广应用，碳肥适宜的用量为1350～1800 kg/hm2。

关键词：碳肥；土壤；养分；经济性状；化学品质

近年来，烟草种植由于长期连作和连续施用化肥，使得土壤板结、土壤C/N减小、营养元素利用率减小，导致烟株生长发育不良，烟田病虫害加剧，烟叶质量下降［1］。因此，提高土壤碳氮比，改良植烟土壤，是烟叶生产过程中急需解决的难题。碳是构成有机物骨架的基础，在植物元素组成百分比中名列第一，且远远超过N、P、K的总和［2］，但由于碳主要来源于二氧化碳，一般在化肥工业中不予考虑［3］。然而近几年，生物质炭作为含碳量丰富的多孔性物质，其容重小，比表面积大，吸附能力强［4］，添加到土壤中可以增加土壤有机碳的含量，提高土壤有效性营养元素的含量［5］；土壤持水容量和养分吸持容量［6］；阳离子交换量（CEC）低的和酸性土壤的CEC及土壤微生物量及活性［7］。因此，应用生物质炭改良土壤受到越来越多研究者的关注［8-10］。

豫西烟区是河南省最适宜的优质烟叶生产基地之一［11］，然而生产中水资源贫乏，降雨量少，土壤瘠薄，保水保肥性能差成为制约豫西烟区烟叶生产的重要因子，而且常年的烟叶生产也造成了烟区土壤结构和土壤微生物生态环境恶化，致使烟叶产量低而不稳［12-13］。因此，本研究利用生物质炭作为碳肥，分析了不同用量的碳肥对烤烟生育期土壤和烟叶氮磷钾养分含量及烟叶产质量的影响，为促进烟叶生长，提高烟叶产量和品质，指导烟叶生产提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验地概况与供试材料

试验于2013年在洛阳市洛宁县小界乡王村试验基地进行。供试土壤基本理化性状：褐土，肥力中等，pH7.74，有机质10.2 g/kg，速效氮62.8 mg/kg，速效磷13.5 mg/kg，速效钾84.5 mg/kg。试验地灌排方便，在该烟区代表性较强。试验前茬为烟草。供试烤烟品种为中烟100。供试肥料种类有饼肥（N 5%）、硝酸铵（N 34%）、重过磷酸钙（P2O545%）、硫酸钾（K2O 50%），生物炭以花生壳为原料，在400℃厌氧条件下制备，含碳量60%。

1.2试验设计

试验设6个处理，分别为：T1：不施肥；T2：常规施肥；T3：常规施肥+碳肥（纯碳450kg/hm2）；T4：常规施肥+碳肥（纯碳900kg/hm2）；T5：常规施肥+碳肥（纯碳1350kg/hm2）；T6：常规施肥+碳肥（纯碳1800kg/hm2）。每个处理重复3次，小区面积72m2，随机区组设计。各处理常规施氮素60kg/ hm2，m（N）：m（P2O5）：m（K2O）=1：1.5：3。每个处理总纯氮用量由饼肥（提供总纯N比例为25%）和硝酸铵（提供总纯N比例为75%）提供，磷（P2O5）由重过磷酸钙提供，钾（K2O）由硫酸钾提供，以此计算各处理对应肥料施用量。试验于5月6日移栽，基肥采取起垄前条施和移栽时穴施相结合，饼肥和重过磷酸钙全部条施，生物碳肥50%条施，50%穴施，硝酸铵40%条施，35%穴施，25%追施，硫酸钾30%穴施、70%追施，追施在移栽后35d在烟株根部两侧随水一次性施入，10月8日采烤结束。其他各项田间生产管理措施统一按当地规范化措施进行。

1.3测定项目与数据分析

1.3.1土壤养分分别在烤烟生长团棵期、旺长期、圆顶期和成熟期取各处理耕层土壤样品，经风干、磨细、过筛、混匀后测定碱解氮、有效磷、速效钾含量，测定方法按文献［14］分析。

1.3.2烟叶养分分别在烤烟生长团棵期、旺长期、圆顶期和成熟期取各处理烟株中部叶，在105℃下杀青30min，然后在70℃下烘干至恒重，粉碎过40目筛后测定全氮、全磷和全钾，方法按文献［14］分析。

1.3.3经济性状各小区单独计产，并根据烤烟国标对烤后烟叶分级，确定烤烟的产值、均价、上等烟比例及中上等烟比例。

1.3.4化学成分烘烤后各处理取下部叶（X2F）、中部叶（C3F）和上部叶（B2F）用于测定总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾和氯等化学成分。化学成分测定参照文献［15-17］的方法。

1.3.5数据分析采用DPS软件对试验数据进行统计分析，并进行Duncan新复极差法多重比较。

2　结果

2.1施碳水平对各生育期土壤氮磷钾的影响

土壤碱解性氮能大致反映出近期内土壤氮素的供应情况［18］。由图1-A可知，所有处理碱解氮在团棵期至旺长期下降，之后上升，圆顶期至成熟期又下降。不同处理之间相比，在团棵期，施用碳肥处理碱解氮含量均明显高于常规和对照处理；在成熟期，各处理碱解氮均降低，从下降幅度（与圆顶期相比），由高到低的顺序为：T4＞T3＞T6＞T5＞T1＞T2，从各处理碱解氮含量看，除处理T4外，其他施用碳肥处理碱解氮均低于常规对照T2，说明施用碳肥有利于烟叶成熟期落黄。

图1　不同碳水平对各生育期耕层土壤氮磷钾养分的影响Fig.1　Effects of carbon fertilizer on the NPK content of soil during the growth stage

不同处理有效磷动态变化情况见图1-B。从图中可以看出，各处理在团棵期有效磷含量最高。各处理间比较，在团棵期，与常规处理T2相比，施用碳肥处理有效磷含量均有所增加，增幅为1.3～11.5 mg/kg，以处理T5增加最明显；从旺长期至成熟期，常规处理T2土壤有效磷含量持续降低，而施用碳肥处理虽有一定波动，但与旺长期相比，土壤有效磷含量在成熟期均有一定程度增加，增幅为2.3～4.1mg/kg，说明施用碳肥能促进土壤中磷的释放。

由图1-C可知，不同处理间相比，在团棵期和旺长期，施用碳肥处理土壤速效钾均高于对照处理T2；在成熟期，除处理T3外，其他施用碳肥处理土壤速效钾均低于常规处理T2。

2.2施碳水平对中部叶氮磷钾含量的影响

不同处理中部叶氮含量见图2-A。由图可知，除对照处理T1外，其他处理在整个生育期中部叶氮含量呈现持续降低的趋势。不同处理之间相比，在团棵期，施用碳肥处理中部叶氮含量均显著高于常规处理T2，以处理T4氮含量最高，达3.76%；在旺长期，处理T3、T4中部叶氮含量显著高于处理T5、T6；在成熟期，除处理T6外，其他处理间中部叶氮含量差异不显著。

图2-B为不同处理中部叶全磷含量动态变化图。在团棵期，施用碳肥处理中部叶全磷含量均高于常规处理T2，以处理T5最高，达0.29%，在旺长期，以处理T6中部叶全磷含量最高，达0.22%，施用碳肥处理与常规处理T2相比，全磷含量增加0.03～0.06个百分点；在圆顶期，处理T1、T2中部叶全磷含量高于施用碳肥处理T3、T6；在成熟期，各处理间烟叶全磷含量差异较小。

不同处理中部叶钾含量见图2-C。在团棵期，随着碳肥用量的增加，中部叶钾含量也增加；在圆顶期，各处理中部叶钾含量由高到低的顺序为：T6＞T5＞T4＞T3＞T2＞T1，处理T6显著高于其他处理，中部叶钾含量达2.49%；在成熟期，以处理T5中部叶钾含量最高，达1.89%，处理T5和处理T6之间差异不显著，但T5、T6处理中部叶钾含量均显著高于其他处理。

2.3施碳水平对烤烟经济性状的影响

各处理经济性状结果见表1。从产量上看，由高到低的顺序表现为：T6＞T5＞T4＞T3＞T2＞T1，施肥处理与T1（不施肥）相比，产量增加354～860.5 kg/hm2，施用碳肥处理与T2（常规施肥）相比，产量增加170.5～506.5 kg/hm2，方差分析结果表明，施用碳肥处理的产量均显著高于处理T1和T2。施用碳肥处理之间相比，处理T6和处理T5之间差异不显著，但产量均显著高于处理T3和处理T4，线性回归分析表明，产量（Y）与碳肥（X）之间的回归方程为：Y=0.2838X＋2343.2（F=160.83**，R2=0.925）。从产值上看，以处理6产值最高，达48655元/hm2，处理T6和处理T5之间产值差异不显著，但均显著高于其他处理，随着碳肥用量的增加，产值也有增加的趋势。线性回归分析表明，产值（Y）与碳肥用量（X）之间的回归方程为：Y=4.7845X＋40810（F=123.34**，R2=0.905）。各处理均价以T4最高，上等烟比例以T5最高，达26.2%。

图2　不同碳水平对各生育期中部叶氮磷钾含量的影响Fig.2　Effects of carbon fertilizer on the NPK content of middle leaves during the growth stage

表1　各处理经济性状比较Table1　Effect of different treatments on economic characteristics

2.4施碳水平对烟叶化学成分的影响

烟叶化学成分是烟叶质量和香型风格特征的重要物质基础［19］。一般认为，优质烤烟化学成分的适宜含量范围为：总糖18%～22%，还原糖16%～18%，总氮1.5%～3.5%，烟碱1.5%～3.5%，钾离子≥2.0%，氯离子0.3%～0.8%［20］。由表2看出，总糖：上部叶各处理比较，施用碳肥处理与对照处理T2相比，总糖含量均有所提高，且碳肥施用量大于处理T4时，总糖含量随碳肥用量增加而降低。还原糖：下部叶各处理比较，还原糖有随碳肥用量增加而降低的趋势；与对照处理T2相比，施用碳肥可提高上部叶还原糖含量，碳肥施用量大于处理T4时，还原糖含量随碳肥用量增加而降低。总氮：所有处理总氮含量均在适宜范围，与处理T2相比，施用碳肥能提高上部叶总氮含量；3个部位各施碳处理比较，当碳肥施用量大于处理T4时，各部位总氮含量有随碳肥用量增加而降低的趋势。烟碱：下部叶各处理比较，施用碳肥与处理T2相比提高了烟碱含量，随着碳肥用量的增加，下部叶烟碱含量先升高后降低，处理T5最高，达2.18%；中部叶施碳处理间相比，烟碱含量有随碳肥用量的增加而降低的趋势；上部叶中当碳肥施用量大于处理T4时，烟碱含量逐步降低。钾：烟叶含钾量的高低与烟叶品质密切相关，是衡量烤烟品质优劣的一个重要指标［21］。不同部位烟叶比较来看，均以不施肥处理T1钾含量最低，施用碳肥处理与对照处理T2相比，烟叶钾含量均有所提高，下部叶提高幅度为0.08～0.18个百分点，中部叶提高0.04～0.37个百分点，上部叶提高0.07～0.37个百分点。氯：施肥处理的氯离子含量均在适宜范围，从中部叶和上部叶看，随着碳肥用量的增加，烟叶中氯离子含量有下降的趋势。

表2　不同碳水平对烟叶化学成分的影响 %Table2　Effect of carbon fertilizer on chemical components

3　讨论

碳肥具有较大的比表面积，施入土壤后可以吸附多种离子，从而提高土壤的保肥性能［7］。周桂玉等［22］研究表明，向土壤中添加秸秆生物质炭和松枝生物质炭培养45 d后，土壤有机碳含量、胡敏酸和富里酸含量、有效养分含量都有不同程度的增加。赵殿峰等［23］研究指出，土壤速效氮、速效磷含量随着生物炭的施用呈先升高后降低的趋势。万海涛等［24］研究结果表明，施用生物炭能降低土壤碱解氮的含量，限制土壤的氮素利用度，对土壤速效磷没有显著影响，能显著提高土壤速效钾的含量。本研究结果表明，在团棵期和旺长期，与对照处理T2相比，施用碳肥处理能够提高土壤中碱解氮含量，而到了烟株成熟期，施用碳肥处理土壤碱解氮含量下降幅度较大，有利于烟株成熟落黄。原因可能是前期碳肥吸附了土壤中的铵态氮和硝态氮，减少了氮的淋溶损失，而后期土壤碱解氮的降低可能是由于氮的生物固定导致［25］。从土壤有效磷含量来看，旺长期至成熟期，对照处理T2土壤有效磷含量持续降低，而施用碳肥处理土壤有效磷含量均有一定程度增加，增幅为2.3～4.1mg/kg，说明施用碳肥能促进土壤中磷的释放。从土壤速效钾含量比较，在团棵期和旺长期，施用碳肥处理土壤速效钾均高于不施肥处理和对照处理，而在成熟期，除处理T3外，其他施用碳肥处理土壤速效钾均低于对照处理T2，原因可能是由于碳肥促进了植株对钾素的吸收，从而导致土壤中速效钾含量下降。

本试验研究结果表明，在团棵期和旺长期，施用碳肥处理中部叶氮含量均显著高于不施肥和对照处理，在成熟期，除处理T6外，其他处理间中部叶氮含量差异则不显著。施用碳肥处理中部叶全磷含量在团棵期和旺长期均高于不施肥和对照处理，在成熟期，各处理间烟叶全磷含量差异较小。施用碳肥能提高烟株各生育时期中部叶钾含量，在成熟期，T5、T6处理中部叶钾含量均显著高于其他处理。张晗芝等［26］在生物炭对玉米生长影响的研究表明，生物炭在一定程度上抑制了玉米初期的生长。刘新源等［27］的研究表明，生物炭对豫中许昌地区烟叶生长的影响表现为前期抑制、旺长期后促进的作用；随生物炭施用量的增加，烤后烟叶的产量和产值逐渐提高。本次试验对经济性状分析表明，施用碳肥能提高烟叶产量、产值、均价和上等烟比例，与常规施肥相比，产量提高170.5～506.5kg/hm2，产值提高1146～7739元/hm2，T5和T6处理在产量和产值上显著高于其他处理，但二者之间差异不显著。

土壤是影响烤烟品质的重要环境因素，土壤理化性质与烟叶化学成分之间存在着十分紧密的关系［28］。碳肥施入土壤后，对土壤养分和烟株养分含量产生了一定影响，进而影响了烟叶化学成分。本试验结果表明，所有处理烟叶总糖、还原糖普遍较高，从上部叶看，施用碳肥与对照相比，增加了烟叶中总糖和还原糖含量，但随着碳肥用量的增加，总糖和还原糖含量呈下降趋势。碳肥处理使得土壤C/N升高，可能是促使两糖含量高于对照的原因。从烟碱含量来看，中部叶烟碱含量随碳肥用量增加而降低，施用碳肥处理烟碱含量均低于对照，上部叶施碳在T5和T6水平也能降低烟叶烟碱含量。施用碳肥处理均能明显提高烟叶钾含量，各部位平均提高0.19个百分点。综合比较，以处理T5和处理T6化学成分协调性最佳。

4　结论

施用碳肥能提高烟株生长前期土壤碱解氮和速效钾含量，促进土壤中磷的释放；提高前期烟株中部叶全氮和全磷含量，并能显著提高烟叶中钾的含量；能提高烟叶产量、产值、均价和上等烟比例；降低上部叶烟碱含量，提高烤后烟叶钾含量，化学成分更加协调。综合比较，在烟叶生产上施用碳肥可以进行推广应用。根据本次试验结果，豫西烟区适宜的碳肥用量为1350～1800kg/hm2。

参考文献

［1］ 马二登，李天福，孙加利，等. 基肥减量施用对烤烟生长及烟叶产质量的影响［J］. 华北农学报，2013，28（增刊）：320-325.

［2］ 陆景陵. 植物营养学［M］. 北京：中国农业大学出版社，1994.

［3］ 廖宗文，毛小云，刘可星. 有机碳肥对养分平衡的作用初探—试析植物营养中的碳短板［J］. 土壤学报，2014，51（3）：656-659.

［4］ 谢祖彬，刘琦，许燕萍，等. 生物炭研究进展及其研究方向［J］. 土壤，2011，43（6）：857-861.

［5］ 武玉，徐刚，吕迎春，等.生物炭对土壤理化性质影响的研究进展［J］.地球科学进展，2014，29（1）：68-79.

［6］ Kimetu J M， Lehmann J. Stability and stabilisation of biochar and green manure in soil with different organic carbon contents［J］. Australian Journal of Soil Research，2010，48（7）：577-585.

［7］ 陈心想，何绪生，耿增超，等. 生物炭对不同土壤化学性质、小麦和糜子产量的影响［J］. 生态学报，2013，33（20）：6534-6542.

［8］ 曾爱，廖允成，张俊丽，等. 生物炭对塿土土壤含水量、有机碳及速效养分含量的影响［J］. 农业环境科学学报，2013，32（5）：1009-1015.

［9］ 张园营，刘国顺，刘宏恩. 施用生物炭对烟叶石油醚提取物及致香物质的影响［J］. 江西农业学报，2013，25（5）：96-100.

［10］ Lehmann J. Amazonian Dark Earths： Origin， Properties，Management ［M］. Netherlands： Springer，2003.

［11］ 王小东，许自成，李群平，等. 洛阳烟区烤烟化学成分特点分析［J］. 河南科技大学学报：自然科学版，2007， 28（6）：65-67.

［12］ 宋久洋，刘领，陈明灿，等. 生物质炭施用对烤烟生长及光合特性的影响［J］.河南科技大学学报：自然科学版，2014，35（4）：68-72.

［13］ 王小东，许自成，李群平，等. 洛阳地区植烟土壤养分肥力测定与综合评价［J］. 河南科技大学学报：自然科学版，2008，29（4）：83-86.

［14］ 鲁如坤.土壤农业化学分析法［M］.北京：中国农业科学技术出版社，1998.

［15］ 王瑞新. 烟草化学［M］. 北京：中国农业出版社，2003.

［16］ 史宏志，刘国顺. 烟草香味学［M］. 北京：中国农业出版社，1998.

［17］ 肖协忠. 烟草化学［M］. 北京：中国农业出版社，1990.

［18］ 王晓岚，卡丽毕努尔，杨文念. 土壤碱解氮测定方法比较［J］. 北京师范大学学报：自然科学版，2010，46（1）：76-78.

［19］ 李勇，逄涛，师君丽，等. 国内外主产烟区烤烟化学成分分析［J］. 中国烟草科学，2013，34（1）：12-16.

［20］ 刘国顺. 烟草栽培学［M］. 北京：中国农业出版社，2003.

［21］ 李静，王勇，张锡洲，等. 施钾量对烤烟钾积累与分配的影响［J］. 中国烟草科学，2013，34（6）：69-76.

［22］ 周桂玉，窦森，刘世杰. 生物质炭结构性质及其对土壤有效养分和腐殖质组成的影响［J］.农业环境科学学报，2011，30（10）：2075-2080.

［23］ 赵殿峰，徐静，罗璇，等. 生物炭对土壤养分、烤烟生长以及烟叶化学成分的影响［J］.西北农业学报，2014，23（3）：85-92.

［24］ 万海涛，刘国顺，田晶晶，等. 生物炭改土对植烟土壤理化性状动态变化的影响［J］. 山东农业科学，2014，46（4）：72-76.

［25］ Deenik J L， McClellan A T， Uehara G， et al. Biochar volatile matter content effects on plant growth and nitrogen transformations in a tropical soil ［J］. Crop and Soil Science， 2010，74：1259-1270.

［26］ 张晗芝，黄云，刘钢. 生物炭对玉米苗期生长、养分吸收及土壤化学性状的影响［J］. 生态环境学报，2010，19（11）：2713-2727.

［27］ 刘新源，刘国顺，刘宏恩，等. 生物炭施用量对烟叶生长、产量和品质的影响［J］. 河南农业科学，2014，43（2）：58-62.

［28］ 王允白，王宝华，计玉，等. 山东沂水植烟土壤类型与烟叶品质关系的调查研究［J］. 中国烟草科学，2000，21（2）：11-15.

中图分类号：S572.03

文章编号：1007-5119（2015）02-0043-06

DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2015.02.008

基金项目：河南省烟草专卖局重点科技项目（HYKJ201002、HYKJ201303）；河南省产学研合作项目（142107000034）

作者简介：毛家伟，男，助理研究员，硕士，主要从事植物营养与施肥技术研究。E-mail：maojw1981@126.com

收稿日期：2014-10-20 修回日期：2015-02-06

Effects of Different Carbon Fertilizer Levels on Soil Fertility and Nutrient Absorption, Yield and Quality of Flue-cured Tobacco

MAO Jiawei1， ZHANG Xiang1， Si Xianzong1， LI Guoping1， WANG Menling2， KONG Dehui2
（1. Institute of Plant Nutrition Agricultural Resources and Environmental Science， Henan Academy of Agricultural Sciences，Zhengzhou 450002， China； 2.Tobacco Company of Luoyang， Luoyang， Henan 471000， China）

Abstract:Field experiment was carried out to study the effects of different carbon fertilizer levels on soil fertility and nutrient absorption， yield and quality of flue-cured tobacco. The results showed that carbon fertilizer application could increase available N and K contents during early stage and promote phosphorus release from soil. The nutrient test of middle leaves showed that carbon fertilizer application could increase the total nitrogen and phosphorus content of tobacco plant during early stage and the potassium content in tobacco leaves. Application of carbon fertilizer increased tobacco yield 170.5-506.5kg/ha and the output value 1146-7739yuan/ha. The yield and output value increased with the increase of carbon fertilizer rate. Carbon fertilizer application could decrease nicotine content of top leaves， increase the potassium content in cured tobacco leaves and improve the chemical component harmonization. In summary， carbon fertilizer application can be applied to tobacco production and the optimum rate of carbon fertilizer was 1350-1800kg/ha in western Henan.

Keywords:carbon fertilizer； soil； nutrient； economic characters； chemical quality