生物炭对烤烟生长发育及产量与品质影响研究进展

作者:未知

  摘要 综述了生物炭对烤烟农艺性状、干物质积累、营养元素吸收、生理特性、病虫害发生情况以及烤后烟叶经济性状、感官评析、外观品质、物理特性、化学成分的影响,在此基础上对未来研究方向进行了展望,旨在为生物炭烤烟生产中的推广应用提供参考。
  关键词 生物炭;烤烟;生长发育;产量;品质;影响
  Abstract The effects of biochar on agronomic traits,dry matter accumulation,nutrient absorption,physiological characteristics,occurrence of pests and diseases,and economic traits,sensory evaluation,appearance quality,physical characteristics and chemical composition of fluecured tobacco were reviewed.On this basis,the future research directions were discussed.The purpose of this paper is to provide reference for the popularization and application of biochar in tobacco production.
  Key words Biochar;Fluecured tobacco;Growth and development;Yield;Quality;Effect
  生物炭是将木材、作物秸秆或动物骨骼等生物质原材料在完全或部分缺氧情况下,通过控制温度高温裂解碳化产生的固态产物[1-2]。其C素含量高達60%,可以将碳元素固定很长时间,固定的碳元素非常稳定。其巨大的孔隙度结构、较大的比表面积、丰富的表面负电荷以及较高的电荷密度可以显著降低土壤酸度、固定土壤重金属,有效改善土壤理化特性,降低土壤容重、提升土壤肥力[3-5]。已经在水稻、小麦、玉米等作物上证明使用生物炭可促进作物生长发育,起到提质增产的作用[6-9]。
  近年来,烟草行业也逐步开展了生物炭的研究,贵州省毕节市烟草公司建设了烟草行业第一个生物炭企业和生物炭基肥工程研究中心,研究表明生物炭可直接使用或通过与其他有机肥、无机肥配合使用作为烟草专用肥料或植烟土壤的改良剂、重金属和农药污染植烟土壤的修复剂等。笔者结合国内外生物炭的最新研究进展,归纳总结生物炭对烤烟生长发育及烤后烟叶产质量的影响,并在此基础上对生物炭今后研究利用的方向进行展望,为生物炭在烟草生产上的推广应用提供参考。
  1 生物炭对烤烟生长发育的影响
  1.1 烤烟农艺性状
  研究表明,在一定范围内,施用生物炭处理的烟株农艺性状要高于不施用生物炭处理的烟株[10-12]。张继旭等[13]研究认为土壤中添加适量生物炭(0.2%~1.0%)有助于烤烟的生长发育,表现为株高、叶面积的增加,而较高的添加量(5.0%)则有抑制作用。对稻壳生物炭研究表明,施入稻壳生物炭能增加烤烟有效叶片数,其中以9 000、12 000 kg/hm2的处理烤烟叶片数较多,分别达18.0、17.9片/株,显著多于未施用生物炭的对照[14]。根区穴施生物炭后烟株株高、叶片面积等农艺指标表现较好,能够增加烟株的生物量,但随着生物炭施用量的增加,烟株生长发育受到了一定程度的抑制,其中在0.2 kg/株的生物炭用量下,烤烟整个生育期生长发育表现最好[15]。邵慧芸等[16]研究表明,生物炭对烤烟不同生育期农艺性状的影响不同,施用生物炭比不施用生物炭还苗期烟草的叶片数无显著变化,但烟草的株高、最大叶面积均增加;生物炭处理提高了团棵期烟草的叶片数、株高、最大叶面积。生物炭处理可促进采烤期烟株生长,表现为移栽后120 d,株高增加了11.81 cm,茎围增加了0.74 cm,可采烤叶片数平均增加了1.21片[17]。生物炭对烤烟不同部位叶片影响不一致,增施生物炭能够有效扩展烟株中上部烟叶面积,其中对中部烟叶扩展效果显著[18]。也有研究表明,施用生物质炭能增加烤烟株高、叶片数和叶宽,但是处理间没有达到显著差异水平[19]。
  1.2 烤烟干物质积累
  研究表明,施用适量的生物炭虽然抑制烤烟前期生长,但显著促进烤烟旺长期后的生长,最终提高烤烟干物质量,尤其是提高根的干物质量[18,20-24]。不同生物炭施用量对烤烟干物质积累影响不一样,土壤中添加适量生物炭(0.2%~1.0%)其根系生物量与根冠比随生物炭添加量的增加而增加,其中以添加量5.0%时烤烟根系生物量及根冠比最高[13]。生物炭与低量有机肥(70% 氮磷钾复合肥+ 30%芝麻饼肥) 配施,一定程度地增加了烟草生育期干物质积累量[25]。
  1.3 烤烟N、P、K元素吸收
  根区穴施生物炭能够较好地促进烟株对钾元素的吸收,不同生物炭用量处理的烟株根、茎和叶3个部位的钾含量均有上升趋势,但在较高的生物炭施用量下(0.3 kg/株),烟株叶片氮的含量呈现出了一定的下降趋势。根区穴施生物炭也能够促进烟株根、茎和叶对磷的吸收,其中0.2 kg/株的施用量表现最好[15]。生物炭对不同时期烤烟营养元素吸收的作用不一样,能够增加烤烟生长后期根、茎、叶各器官的氮和钾含量,但在烤烟生长前期施用生物炭烟株根中的氮和钾含量呈现出一定的下降趋势。施用生物炭增加了烤烟生长后期烟株根系中磷的含量,但烟株叶和茎中的磷含量呈现明显的下降趋势。施用生物炭促进了平顶期烤烟氮素和钾素的累积。不同生物炭施用量的试验表明,在高生物炭用量下(3 000 kg/hm2),烟株体内氮和钾的累积量最大,但在根系中的氮累积量最小[26]。也有研究表明,与施纯氮相比,生物炭与氮肥处理提高了烟叶氮、钾含量,而对烟叶磷含量无明显影响[27]。   1.4 烤烟生理特性
  研究表明,施用生物炭后,还苗期和团棵期烟叶的叶绿素含量总体均降低[16],但有利于成熟期烟叶色素的积累[28]。龚丝雨等[18]研究认为增施生物炭能提高生育期间烟叶内部质体色素含量,降低烤后烟叶叶绿素含量和提高类胡萝卜素含量。与常规施肥相比,添加生物炭显著增加了烟叶叶绿素a + b 和类胡萝卜素的含量,显著提高了烟株根系活力; 在生物炭添加条件下,减少常规施氮量的10%~20%并没有显著影响烟株生长及烟叶叶绿素a + b含量、类胡萝卜素含量、净光合速率、烟株根系活力[29]。不同生物炭用量对叶绿素含量影响不一致,在烟株生长中后期,叶绿素含量差异显著,施用生物炭量最多的处理(1 500 kg/hm2)叶绿素含量最高[30]。
  韩毅等[25]研究表明,生物炭与低量有机肥配施,成熟期显著提高了烟叶SOD、CAT活性。薛超群等[31]通过田间试验研究了生物炭用量(0、300、600和900 kg/hm2)对烤烟烟叶净光合速率的影响,结果表明,随着生物炭用量的增加,烟叶净光合速率明显升高。也有研究认为,施用生物炭对烟叶光合作用无明显影响,但在Gi、Gm 和生物炭共同作用下烟叶的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率及水分利用率显著提高,烟叶胞间二氧化碳浓度显著下降,促进了烟叶的光合作用[32]。张嘉炜等[33]研究了生物炭对烤烟碳氮代谢的影响,超微结构分析表明,中部叶成熟早期,不施生物炭处理的烟叶淀粉粒积累较多,随着叶片成熟降解更快;基因表达分析显示,打顶后,糖、淀粉代谢相关基因表达逐渐增强,氮代谢相关基因的表达减弱;中部叶成熟后期,添加生物炭越多,相关基因表达越强。
  1.5 烤烟病虫害发生
  连续施用生物炭能降低烤烟黑胫病的发病率(降低2.78%~8.33%) 及病害指数(降低1.39%~4.40%),但其对病害的抑制作用随着连作时间的延长逐年降低[23]。施用生物炭的处理黑胫病病情指数要明显低于不施用生物炭的处理[12]。
  2 生物炭对烤烟产量与品质的影响
  2.1 烤烟经济性状
  研究表明,在一定范围内,烤烟的产量和产值均随着生物炭施用量增加而增加[10,12,17-18,34-36];有研究认为,生物炭用量600 kg/hm2的烟叶纯收益最高[19,31];也有研究认为,常规施肥配施生物炭9 000 kg/hm2 的处理效果最好[37]。不同原料制作的生物炭试验表明,与不施用生物炭对比,施用生物炭的处理烟叶产量明显增加,其中烟叶生物炭处理产量最高达2 517.61 kg/hm2,显著高于对照;烟叶生物炭、烟杆生物炭和玉米秸秆生物炭处理分别比对照增产9.62%、7.92% 和6.94%;上等烟比例分别比对照处理增加了6.76、4.05 和1.69 百分点;产值分别比对照增加0.74万、0.63万和0.53万元/hm2[11]。不同土壤类型上施用生物炭试验表明,施用生物炭后水稻土和紫色土烤烟分别最高增产52.94%和122.75%[38]。连续施用生物炭烤后烟叶的上等烟增加2.60%~8.91%、中上等烟比例增加0.51%~3.67% 及经济性状各指标产值增加2 485.64~6 216.13元/hm2,但随着连作时间的延长上述指标均逐渐下降[23]。
  2.2 烤烟感官评析
  煙叶感官质量随生物炭施用量增加呈现先增加后降低的趋势[10]。适量添加生物炭可以改善烤后烟叶单料烟评吸质量[39],生物炭9 000 kg/hm2 条件下,减纯氮10%则降低单料烟感官质量[37]。
  2.3 烤烟外观品质 研究表明,生物炭对烟叶外观产生一定影响,能提升颜色、成熟度和结构等指标,在一定范围内,烟叶油分随着生物炭用量增加呈下降趋势[10]。在常规施肥条件下,研究添加不同生物炭用量对烤后烟叶外观品质的影响,结果表明,常规施肥处理并施加生物炭600 kg/hm2 可在一定程度上提高烟叶的外观质量[40]。
  2.4 烤烟物理特性 研究表明,与不施用生物炭相比,生物炭处理可以提高烟叶填充值和弹性,改变单叶重和叶质重[17]。
  2.5 烤烟化学成分
  2.5.1 常规化学成分。
  研究表明,施用生物炭能提高烟叶内在化学成分的协调性,降低了烟叶烟碱含量、提高了烟叶钾含量,降低氯含量,改善烟叶品质,但过量施用生物炭抑制烤烟生长,降低烟叶品质[20,24,37,39,41]。王晶等[42]研究表明,300 kg/hm2处理的糖碱比和氮碱比相对较好,其化学成分相对协调。也有研究认为,施用生物炭在一定程度上降低了烟叶总糖及还原糖含量,提高总氮、烟碱含量[10,17]。生物炭在不同时期对烤烟化学成分的影响不一样,在前期增加烟叶还原糖、总糖、淀粉含量而后期则降低其含量,对于总氮及氯的影响较小,使烟叶化学成分更加协调[43-44]。生物炭与有机肥配施可更好地改善烤后烟叶化学品质,研究表明,生物炭和菜籽饼配施对烤烟化学品质的改善效果显著,能有效增加烤后烟叶的总氮、钾、还原糖含量,提高糖碱比和氮碱比,降低淀粉和烟碱含量[35]。生物炭对不同部位烟叶化学成分影响不一样,其中增施高碳基土壤修复肥可降低中部烟叶烟碱含量和氯含量,烟叶总氮、还原糖和钾含量增加,糖碱比以增施1 050、2 100 kg/hm2 的高碳基土壤修复肥较适宜[45]。龚丝雨等[18]研究认为增施生物炭能显著提高上、中部烟叶的总糖含量,降低烟碱含量,使化学成分更协调。张嘉炜等[33]认为生物炭能够提高上部烟叶钾氯比以及中部烟叶总糖、还原糖、钾含量、糖碱比和钾氯比。刘先良等[32]通过田间试验研究了生物炭和AM真菌对烤后烟叶化学成分的影响,结果表明,Gi、Gm 和生物炭共同作用能改善烤烟中化学成分的协调性,提高烟叶品质。
  2.5.2 中性香气物质。生物炭处理显著提高了烟叶中石油醚提取物的含量,提高了烤后烟叶中类胡萝卜素降解产物、西柏烷类降解产物、新植二烯及致香物质总量[24],但是不同的用量其影响不一样,在一定范围内随着生物炭用量增加,香气物质含量增加。王晶等[42]对抚州烟区不同施炭量下烟叶香气物质进行了分析比较,结果表明,施炭量300 kg/hm2处理的烟叶其类胡萝卜素降解产物、苯丙氨酸类降解产物、新植二烯的含量及中性致香物质总量均高于其他处理,该处理的香气指数B值也高于其他处理。张园营等[30]研究表明,当施用750 kg/hm2 生物炭时,相比于常规施肥,石油醚提取物含量增加了12%,中性致香物质总量最高;施用1 125 kg/hm2 的处理次之。刘先良等[32]通过田间试验研究了生物炭用量(0、300、600 和900 kg/hm2)对香味物质含量的影响,结果表明,随着生物炭用量的增加,烟叶美拉德反应产物含量(质量分数)、芳香族氨基酸降解产物含量(质量分数)升高;烟叶类胡萝卜素降解产物含量(质量分数)、总香味物质含量先升高再降低;生物炭用量600 kg/hm2的烟叶类胡萝卜素降解产物含量、芳香族氨基酸降解产物含量、总香味物质含量美拉德反应产物含量较高。   3 小结与展望
  生物炭由于其自身结构优势,可直接使用或通过与其他有机或无机肥配合使用作为烟草专用肥料或植烟土壤的改良剂、重金属和农药污染植烟土壤的修复剂。在烟草的应用上已经表明,适量的生物炭可以促进烤烟的生长发育、干物质的积累,促进产量与品质的提升。未来如何将生物炭进一步应用到烟草行业,主要研究方向有以下2个方面:①找到最适合烟叶生产的生物炭原料。可以用来制作生物炭的原料有很多,如秸秆、烟杆等,不同原料制作的生物炭其特性不一致,如何才能找到最适合烟叶生产的生物炭原料需要进行广泛的研究。比如全国烟草行业每年有100万hm2以上的植烟面积,能否将这些烟田產生的烟草秸秆进行科学处置,高效地转换为适合烟叶生产的生物炭原料是值得去研究的课题。②探索生物炭与烟草套餐肥料最佳配比。由于全国各产区气候、土壤各异,结合当地生态条件探索生物炭与烟草套餐肥料施用的最佳配比,然后大范围的推广应用,形成规模化效应,也是未来需要努力的方向。
  安徽农业科学 2020年
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