【研究意义】化肥在烟草产业发展过程中发挥着重要作用，可为烟叶提质增效提供有力保障^[1]。然而，长期施用化肥易导致植烟土壤板结、肥力下降及生物活性降低等问题，造成土壤养分供应不均衡、烟叶产质量低下，成为当前我国烟草可持续生产的主要瓶颈^[2-3]。因此，如何在确保烟叶质量稳定的基础上最大化实现化肥减量，已成为目前亟待解决的关键问题。【前人研究进展】生物炭是农林废弃物等生物质在缺氧条件下热裂解形成的稳定富碳产物，生物炭具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，使其具有高度稳定性和很强的蓄集能力，可起到吸附养分、蓄养水分的作用^[4-5]。增施生物炭能够提高土壤养分含量、丰富生物群落结构^[6]、提高土壤过氧化氢酶和脲酶活性，但对根际土壤转化酶和多酚氧化酶活性影响不大^[7]；不同材料生物炭对土壤营养元素的改善效果不同，如施用竹炭后土壤有机碳增幅优于椰壳炭、猪炭和烟秆炭，而猪炭显著提高了土壤电导率、有效磷、速效钾及过氧化氢酶和脲酶的活性^[8]。生物炭对烟株生长的影响为旺长期之前抑制、旺长期之后促进^[9]。也有研究指出，化肥、生物炭用量及其交互作用对烟草团棵期、旺长期和封顶期的株高、最大叶长和最大叶面积均有显著影响，烟草减氮40% 条件下生物炭能够促进烟株根系各形态指标发育，提高根系活力^[10]。随着生物炭用量增加，根系伤流强度呈递增趋势，而根系活跃吸收面积及根干重呈先增加后减少的趋势^[11]。发达的根系促进了烤烟生长过程中对钾素的吸收，降低打顶后磷、氮的吸收及各器官（根、茎、叶）干物质的积累^[12]。生物炭与菜籽饼配施处理烟叶产量比对照提升6.2%、产值增加15.6%、上等烟和上中等烟比例分别提升8.3% 和6.8%，且烟叶化学成分更协调^[13]；施用稻壳生物炭可改善植烟土壤理化性质，增加烟叶产量和产值，降低烤后上部叶烟碱含量，提高钾含量，使化学成分更加协调^[14]。竹炭、猪炭和烟秆炭处理烤后烟叶烟碱、总氮、还原糖和钾均处于优质烟叶适宜范围^[8]，表明生物炭对烤烟生长发育、烟叶化学成分及其协调性、感官质量和产质量均有重要影响，增施少量生物炭有利于改善烟叶品质，大量施用生物炭则有利于提高烟叶产量和产值^[15]。综上所述，生物炭在植烟土壤培肥改良和烟叶质量提升等方面效果显著，使用生物炭作为一种新型土壤调理剂或有机肥源来减少化肥用量对实现我国化肥负增长意义重大。

【本研究切入点】四川是仅次于云南和贵州的我国第三大烟叶生产基地^[16]，关于该区化肥减量配施生物炭对烟株生长发育和烤后烟叶质量的研究鲜有报道，不利于该区优质烟叶可持续发展。【拟解决的关键问题】通过分析化肥与生物炭配施下烤烟农艺、经济、质量性状指标，探究化肥减量下最适的生物炭添加比例，以期为烤烟减量施肥提供科学依据。

1　材料与方法 1.1　试验地概况

试验于2020年4—9月在四川省凉山彝族自治州冕宁县回龙镇石古村（28°29'31''N、102°06'53''E）进行。该区属亚热带湿润型气候，年均降水量1 095 mm，年均温度13.8 ℃，年日照时数约2 088 h，年无霜期300 d左右。试验地土壤为安宁河冲积物形成的新积土，试验前0~20 cm耕层土壤养分含量分别为有机质26.48 g/kg、全氮1.05 g/kg、碱解氮205.7 mg/kg、全磷1.29 g/kg、速效磷28.93 mg/kg、全钾12.45 g/kg、速效钾370 mg/kg，pH 5.36，质地为砂壤，土层浅薄，肥力较高，有机质、碱解氮和速效钾含量丰富。冕宁县是四川省优质烤烟典型种植区之一，由于光温和气候条件较好，该区烟叶清甜香型风格明显^[16]。

1.2　试验材料

供试烤烟品种为云烟85，购自玉溪中烟种子责任有限公司。烟草专用基肥由凉山金叶化肥有限公司提供，总养分≥ 45%（10-15-20），硝态氮占总氮百分率≥ 40%；烟草专用追肥由凉山金叶化肥有限公司提供，总养分≥ 40%（9-0-35），硝态氮占总氮百分率≥ 40%。农家肥由农户自行发酵腐熟。供试生物炭良生炭（Cool Terra）由上海然新能源科技有限公司提供。

1.3　试验方法

试验采用随机区组设计，共设5个处理，分别为：对照（CK），常规施肥；T1，常规施肥+180 kg/hm²生物炭；T2，常规施肥+360 kg/hm²生物炭；T3，常规基施化肥80%+180 kg/hm²生物炭；T4，常规基施化肥80%+360 kg/hm²生物炭。云烟85采用漂浮式育苗，育苗盘由泡沫塑料制成，每盘160孔，苗盘长、宽和高分别为525 mm、335 mm和60 mm，烟苗移栽密度为1.2 m×0.55 m，每个小区种植60株，即每个小区起6垄、每垄种植10株，小区面积30 m²，每个处理3次重复。常规施肥化肥用量为纯N 101 kg/hm²、P₂O₅ 68 kg/hm²、K₂O 295 kg/hm²，同时每公顷施混有菜籽饼发酵腐熟的农家肥4 500 kg（油枯混合量为300 kg/hm²），农家肥于起垄前条施。44% 化学氮肥、100% 化学磷肥和30% 化学钾肥（施用量为450 kg/hm²）和100% 生物炭在烟苗移栽后距离烟苗5~10 cm环状施入；剩余56% 氮肥和70% 钾肥作为追肥施用，于烟苗移栽后14 d兑水浇灌施入225 kg/hm²的硝酸钾溶液、移栽后45 d揭膜培土时距离烟苗5~10 cm环状施入烟草专用追肥300 kg/hm²；常规基施化肥80% 处理仅烟草专用基肥施用量调整为360 kg/hm²，其他施肥种类、方式和时期同常规施肥处理。

1.4　测定指标及方法

1.4.1 农艺和经济性状　于烟苗移栽后63 d（打顶期），每个小区随机选择5株代表性烟株，按照《YC/T 142-2010烟草农艺性状调查测量方法》测定株高、节距、有效叶数、最大叶长和最大叶宽等指标^[3]，同时采用SPAD-502型叶绿素测定仪测定中部叶的SPAD值。烟叶成熟时各小区单独采收编杆烘烤，参考当地烟叶收购标准和价格对各处理烘烤后的烟叶分级称重、计算产量、产值、均价及中上等烟比例。

1.4.2 烟叶化学成分测定　采集每个处理烘烤后中桔三（C3F）烟叶样品1.5 kg，一部分烟叶除去主叶脉后在50 ℃下烘干，磨粉并过筛（孔径0.25 mm）留样。使用AA Ⅲ型连续流动化学分析仪测定烟叶样品的常规化学成分，计算氮碱比、糖碱比和钾氯比。

1.4.3 感官质量评价　用1.3.2另一部分样品进行感官质量评价。烟叶样品经回潮处理，切成0.8~1.6 mm的烟丝，制成单料烟，由四川中烟工业有限责任公司技术研发中心组织专职评吸人员进行评吸。按照《YC/T138-1998烟草及烟草制品感官评价方法》和《四川烟叶质量评价体系》等相关评吸方法，以9分制对浓度、劲头、香气质、香气量、杂气、刺激性、甜度和余味各指标进行赋值量化。

1.5　数据处理

试验数据利用WPS Office和DPS进行计算及统计分析。参考王彦亭等^[17]和谢晋等^[18]修改后的烤烟化学成分指标赋值法（表 1），对烤后烟叶进行化学品质赋值评价。用Excel对分值范围与指标范围进行等比例取值构建线性关系，如总氮分值100~90对应总氮含量为2.50%~2.60%，取值用于线性建模的数据分值分别为100、98、96、94、92、90，对应总氮含量分别为2.50%、2.52%、2.54%、2.56%、2.58%、2.60%，将测得指标数据代入公式获得对应化学成分指标量化分值。采用指数和法评价烤烟内在化学成分协调性综合得分：

式中，P为烟叶化学成分协调性综合得分，C_i为第i个化学成分指标量化分值，P_i为第i个化学成分指标相对权重。

参照刘志广等^[19]的方法计算烤烟感官质量总得分，除浓度和劲头外的香气质、香气量、杂气、刺激性、甜度和余味各指标权重依次为0.275、0.225、0.155、0.145、0.075和0.125。以指数和法计算烤烟感官质量总得分。

式中，P为烤烟感官质量综合得分，C_i为第i个感官质量指标的量化分值，P_i为第i个感官质量的权重。

2　结果与分析 2.1　生物炭对烤烟农艺性状的影响

农艺性状是烟株生长过程中烟叶产量和质量协调性的最直接外在表现。从表 2可以看出，不同施肥处理间烟株的株高、最大叶面积、茎围和中部叶片SPAD值差异显著，其中T2处理的株高最大，比CK、T1处理分别高10.90% 和8.40%、差异显著，但CK与T1处理的株高分别为104.08和106.83 cm、差异不显著；同时，T2处理的株高比T3和T4处理高，但这3个处理间无显著差异。T2处理的最大叶面积显著高于其他处理，为1 665.44 cm²，比CK高39.42%；T3处理的最大叶面积最小、为1 088.22 cm²，比CK低8.90%；CK、T1和T4处理的最大叶面积差异不显著，变化范围为1 194.51~1 335.87 cm²。CK烟株的茎围显著低于T1和T2处理，但与T3和T4处理无显著差异。不同施肥处理间有效叶片数和节距均差异不大，变化范围分别为15.00~15.92片和6.97~7.29 cm。T3和T4处理中部烟叶SPAD值差异不大，均显著低于CK、T1和T2处理，且后3者之间无显著差异。说明增施生物炭可显著增加烟株株高和最大叶面积，而化肥减量增施生物炭没有显著降低株高、最大叶面积和茎围，而显著降低了中部叶SPAD值。

2.2　生物炭对烤烟产量和产值的影响

产量、产值、均价和中上等烟比例是反映烟叶经济性状的重要指标。从表 3可以看出，各处理间烟叶的均价和中上等烟比例差异均不显著，但烟叶产量和产值差异显著，均表现为T2＞T4＞T3＞T1＞CK，其中T2处理的产量和产值均最高、分别为1 825.92 kg/hm²和50 573.34元/hm²，而该处理的烟叶均价和中上等烟比例相对最小，分别为27.70元/kg和96.96%，说明T2处理是由于增加烟叶单产、而不是靠增加烟叶均价和中上等烟比例来提高烟叶的产值。与CK对比，增施生物炭的T1和T2处理，烟叶产量与产值均有所增加，仅T2处理显著高于CK处理，这3个处理间的均价和中上等烟比例差异不大，均价依次分别为29.22、28.65和27.70 yuan/kg，中上等烟比例分别为97.23%、98.53% 和96.96%。化肥减量增施生物炭的T3和T4处理烟叶产量比CK分别增加8.10% 和12.76%，产值分别提高5.11% 和7.27%，中上等烟比例分别增加0.48% 和0.60%，而均价分别降低2.77% 和4.86%，说明化肥减量增施生物炭能够影响烟叶产量和烤烟的等级结构，从而影响烤烟产值。T1和T2处理是在CK处理的基础上增施生物炭，且T2处理生物炭施用量比T1高1倍，因此T1处理的土壤C/N高于CK、低于T2；同理，T3和T4处理是在CK处理的基础上基肥施用量减少20% 增施生物炭，且T4处理生物炭施用量比T3高1倍，因此T4处理的土壤C/N高于T3处理。结果表明，由于减少了化肥用量、添加了生物炭，导致各处理土壤C/N差异较大，从而引起烟叶产量、产值和等级结构的差异。

2.3　生物炭对烤烟C3F常规化学成分的影响

烟叶质量取决于各内在化学成分之间的协调性。中部优质烤烟化学成分的适宜质量分数范围为总糖20%~26%、还原糖18%~22%、总氮1.5%~2.5%、烟碱1.8%~2.8%、钾1.5%~3.5%、氯0.3%~0.8%、糖碱比8~12、氮碱比≤ 1、钾氯比≥ 4^{[15, 20]}。施用生物质炭对烤后中桔三（C3F）烟叶内在化学成分影响如表 4所示。总体上，CK和4个生物炭处理烟叶的总糖含量为29.01%~34.99%，还原糖含量为28.87%~ 33.57%，总氮含量为1.64%~1.84%，烟碱含量为1.83%~2.04%，钾含量为1.50%~2.08%，氯含量为0.30%~0.37%，糖碱比为14.86~18.35，氮碱比为0.84~0.91，钾氯比为5.32~6.63。由表 4可知，C3F等级中T4处理的烟叶总糖和还原糖含量均显著高于其他4个处理，而CK的总糖和还原糖含量均显著低于其他处理，但T1~T3处理间无显著差异。T3与T4处理相比，较高土壤C/N的T4处理烟叶中总糖和还原糖含量显著高于较低C/N的T3处理；T1与T2处理比较，也显示出土壤C/N越高烟叶总糖和还原糖含量也越大的趋势，表明土壤C/N增大可显著提高烟叶中总糖和还原糖含量；T1处理的烟叶总氮含量显著高于其他处理，而其他处理间无显著差异，而T4处理的烟叶烟碱含量显著低于CK和T1，呈现出土壤C/N比值越大烟叶总氮和烟碱含量有降低趋势；T1和T2处理的烟叶钾含量显著高于其他3个处理，但T1与T2处理无显著差异；T2和T4处理的烟叶糖碱比显著高于CK、T1和T3处理，但后3者间无显著差异；所有处理的烟叶中氯含量、氮碱比和钾氯比均无显著差异。不同处理C3F等级烟叶总糖、还原糖和糖碱比含量较高，总氮、烟碱、钾、氮碱比和钾氯比均处于优质烤烟适宜值范围内，氯含量较低，说明CK和T1处理烟叶各成分间的协调性相对更佳，而化肥减量的T3和T4处理明显降低了烟叶质量。

参考王彦亭等^[17]和谢晋等^[18]的烤烟化学成分指标赋值法（表 1），对烤后烟叶C3F化学成分协调性进行综合评价，结果见表 5。从单个化学成分指标得分来看，不同处理对中部烟叶总氮、烟碱、还原糖、钾、糖碱比和钾氯比影响较大，而对氮碱比影响不大。从综合评分来看，T4处理分值最低为58.93，T1处理最高为77.50，其次为CK、T3和T2。说明在烤烟种植时合理调控植烟土壤C/N对改善烤后烟叶内在化学成分的协调性具有显著效果。

2.4　生物炭对烤烟C3F感官质量评析的影响

烟叶的感官质量是指烟叶燃烧时，评吸专家对香气特征、香气质量、烟气以及口感吃味特征的综合评价，是判断烟叶质量优劣的重要参考指标^{[15, 19]}。与CK相比，T3处理烟叶感官质量无明显差异，表现为质量中等、略粗糙、略带生青气、具有回甜感、烟气欠流畅；T1处理烟叶感官质量明显有所提升，表现为香气质尚好、香气量较充足、烟气浓度较大、劲头稍大、余味尚舒适、甜感好、韵调较明显；T2和T4处理烟叶气量不足、劲头小、烟气空、烟气欠流畅和透发。从总体得分来看，不同处理烟叶的感官质量总分以T1处理最高、为66.10分，其次是CK和T3、得分均为61.11分，T4处理得分为60.41分，T2处理得分最低、为59.86分（表 6）。上述结果表明增施适量的生物炭能够明显改善烤后烟叶感官品质，对香气质、香气量、浓度、劲头、甜度和余味有显著影响。

3　讨论 3.1　生物炭对烤烟生长和产量的影响

一般认为，生物炭对烟株生长发育、烟叶产量和品质以及经济效益的影响与生物炭材料、施用量、土壤性质和施肥状况等诸多因素有关。本研究中，生物炭的施用对烤烟生长发育具有一定促进作用，增施生物炭可显著增加株高和最大叶面积，而化肥减量配施生物炭并没有显著降低株高、最大叶面积和茎围，但显著降低了中部叶SPAD值，这与龚丝雨等^[9]和王成己等^[15]的研究结果一致。生物炭的吸附性比普通的土壤胶体粒子高几个数量级^[4]，可能会对土壤中的养分元素产生滞留束缚效应；此外，增施生物炭后土壤C/N升高，微生物大量繁殖需要消耗一部分氮素；化肥减量增施生物炭提高了土壤C/N，限制了氮代谢引起中部叶片SPAD值降低。

本研究中，添加生物炭对烟叶产量和产值的影响程度明显大于化肥减量配施生物炭施肥方式，但这2种施肥方式对烟叶均价和等级结构影响较小，其中各处理烟叶产量和产值均表现为T2＞T4＞T3＞T1＞CK；增施生物炭的T2处理土壤C/N远高于CK，该处理的烟叶产量与产值均显著高于CK，但所有处理间烟叶均价和中上等烟比例差异不大，表明土壤C/N高有利于提高烟叶产量和产值；多项研究指出，增施少量生物炭有利于改善烟叶品质，较多生物炭有利于提高烟叶产量和产值^{[9, 15]}，这与本研究结果一致。生物炭具有独特的物理、化学及生物学特性，添加后能增强耕层土壤通气性、保水性、活化土壤养分及酶活性，更有利于改善植烟土壤质量^[12-13]；生物炭能够促进烟株根系各形态指标发育，提高根系活力，增强根系对养分的吸收能力^[9-10]。因此，增施生物炭后，烟株生长旺盛，烟叶产量和产值也随之增加。化肥减量配施生物炭的T3和T4处理烟叶产量和产值分别比CK增加8.10%~12.76% 和5.11%~7.27%，但产量、产值、均价和中上等烟比例与CK均无显著差异，说明化肥减量配施生物炭并没有显著降低烟叶种植的经济效益。

3.2　生物炭对烤烟质量的影响

烟草是一种注重烟叶产量，更注重烟叶内在化学成分间协调性和感官质量的特殊经济作物。感官质量是烟叶各种内在化学成分协调性在烟气特征上的综合表现，反映烟气和香味特征的内在化学成分指标有总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾和氯，反映烟气酸碱性物质平衡性的指标有糖碱比、氮碱比和钾氯比^{[15, 19]}。本研究中，烟叶总糖、还原糖和糖碱比含量高于优质烟叶标准，总氮、烟碱、钾、氮碱比和钾氯比均处于优质烤烟适宜值范围内，而氯含量较低，陈向东等^[20]和王晓园等^[21]的研究也表明总糖和还原糖含量较高是南方烟区的共同特点，但烟叶两糖含量并非越高越好，过高的两糖含量可能是今后烟叶生产亟待解决的科学问题；土壤C/N过高显著提高了烟叶中总糖和还原糖含量，而显著降低了烟叶中总氮和烟碱含量，过高土壤C/N的T4处理烟叶内在化学成分综合评分最低、为58.93，较高土壤C/N的T1处理综合评分最高、为77.50，因此烤烟种植时调控植烟土壤C/N对改善烤后烟叶内在化学成分的协调性具有重要影响。相关研究也表明，随着土壤C/N的增加，烟叶总糖、还原糖和钾含量提高，而总氮和烟碱含量降低，适量生物炭可协调烟叶内在化学成分，过量则降低烟叶品质^{[15, 22]}，这与本研究结果一致。

本研究结果显示，施用生物炭对烟叶香气质、香气量、浓度、劲头、甜度和余味具有重要影响，最终影响烟叶感官质量。T1处理感官质量得分最高，其后依次是CK、T3、T4处理，T2处理得分最低，表明通过增施生物炭调控较高土壤C/N（T1和T3处理）对烟叶感官质量的改善效果更佳，若土壤C/N过高（T2和T4处理）烟叶感官质量反而下降，与王成己等^[15]和李雪利等^[22]的研究结论一致。生物炭施用过量引起土壤C/N过高，一方面会导致烟叶香味前体物质的降解和转化不充分，另一方面也会造成生育后期土壤养分充足，以致烟叶贪青晚熟不能正常分层落黄，不利于烟叶品质提升^[9]，其中化肥减量的T3和T4处理烟叶内在化学成分和感官质量得分均低于CK，表明化肥减量明显降低了烟叶质量。烟叶品质形成是土壤各种养分均衡供应的结果，本研究的化肥减量T3和T4处理氮磷钾元素比CK处理相应各减少20%，氮磷钾元素相同的减量比例可能导致土壤养分供应不平衡，致使烟叶质量下降，今后应针对该区土壤肥力状况开展氮磷钾元素个性化减量研究。北方烟区牡丹江市宁安县的黑土生物炭底肥一次性施入合理用量为1 200~1 800 kg/hm^2[23]，黄淮烟区洛阳市洛宁县的褐土生物碳底肥条施和追肥穴施适宜的用量为1 300~1 800 kg/hm^2[24]，东南烟区福建省长汀县的红壤条施烟秆生物质炭以0.4 kg/株为宜^[15]，长江中游烟区安康市旬阳县的黄棕壤推荐以生物炭750 kg/hm²搭配菜籽饼750 kg/hm²基肥开沟一次性条施效果较好^[13]，西南烟区昆明市寻甸县和安宁市建议烤烟生产中生物炭施用量以600 kg/hm²为宜^[25]，可见不同烟区植烟土壤适宜生物炭用量差异较大。本研究中，四川凉山州冕宁县优质烟叶生产生物炭合理用量为180 kg/hm²，明显低于其他研究结果，可能与生物炭施用量与土壤性质、生物炭材料、施肥水平和方式等密切相关；另外，本试验区土壤基础肥力较高、尤其是有机质和碱解氮含量丰富，同时本试验还施用了大量的农家肥（4 500 kg/hm²），综合因素导致该区生物炭合理施用量低于其他烟区。当然，从目前的试验结果还不足以明确提出该区优质烟叶生产最佳土壤C/N比值，还需今后深入研究。

4　结论

本研究结果表明，在常规施肥基础上增施生物炭，打顶期烟株株高、最大叶面积和茎围较常规施肥（CK）分别提高2.64%~10.90%、11.83%~40.42% 和7.68%~8.97%，化肥减量增施生物炭并没有显著降低株高、最大叶面积和茎围，而中部叶SPAD值显著降低13.17%~15.06%。添加生物炭调控过高土壤C/N的T2处理烟叶产量和产值均显著高于CK，分别为1 825.92 kg/hm²和50 573.34元/hm²，所有处理间烟叶均价和中上等烟比例差异不大，土壤C/N过高则有利于提高烟叶产量和产值。T1处理感官质量得分最高（66.10分），其次是CK和T3处理（均为61.11分），T4处理为60.41分，T2处理最低（59.86分），化肥减量配施生物炭没有显著降低烟叶种植的经济效益，但明显降低了烟叶质量。通过增施生物炭或化肥减量配施生物炭调控较高土壤C/N（T1和T3处理）对烟叶质量的改善效果更佳，过高土壤C/N（T2和T4处理）烟叶质量反而下降。考虑肥料的综合效应，建议四川冕宁县烟区优质烟叶生产在常规施肥基础上增施生物炭180 kg/hm²。