生物炭用量和粒径在烤烟生产中的应用效果评价

Evaluation of the Application Effect of Biochar Dosage and Particle Size in Tobacco Production

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2024.02.011

陈德慧 Dehui CHEN , 戴彬 Bin DAI , 符林平 Linping FU , 罗贞宝 Zhenbao LUO , 李彩斌 Caibin LI , 李鹏志 Pengzhi LI , 曹廷茂 Tingmao CAO , 赖勉 Mian LAI , 朱经伟 Jingwei ZHU

1 贵州省烟草公司毕节市公司贵州毕节 551700 Bijie Branch of Guizhou Provincial Tobacco Company, Bijie, Guizhou 551700, China 2 烟草行业生物炭基肥工程研究中心贵州毕节 551700 Biochar Base Fertilizer Engineering Research Center of Tobacco Industry, Bijie, Guizhou 551700, China 3 贵州省烟草科学研究院贵州贵阳 550081 Guizhou Academy of Tobacco Science, Guiyang, Guizhou 550081, China

Author notes:

Correspondence to: 朱经伟(1988—)，男，硕士，助理研究员，主要从事烟田土壤养分循环研究；hiz_j_w@163.com

摘要：

为明确生物炭在烟叶生产中的最佳用量和粒径，通过田间小区试验，考察生物炭粒径和肥料中生物炭的添加量分别为0.180、0.125、0.075 mm和12%、15%、18%时，对烟叶经济性状和品质性状的影响。结果表明：在粒径相同的条件下，生物炭添加量为18%处理的上等烟率和均价较添加量为12%、15%处理的均有所提高，增幅分别达16.8%和0.4%、21.8%和3.6%，熵权法综合评价总分由添加量为12%处理的0.35分提高至添加量为18%时的0.64分；在用量相同的条件下，生物炭粒径由0.180 mm减小至0.075 mm，烤烟的产值、上等烟率、均价得到逐渐改善，与添加0.180 mm处理相比，添加0.075 mm处理可显著提高中部叶化学成分的协调性，增幅为3.95分，熵权法综合评价得分也由0.26分提高至0.93分。在试验设计的变量梯度范围内，生物炭粒径和用量均会对烟叶生产产生显著影响，适当提高生物炭用量、降低其粒径，更有利于促进烟叶生产。

关键词：

烟草; 生物炭; 产量; 品质; 综合评价;

Abstract：

In order to determine the optimal dosage and particle size of biochar in tobacco production, a field plot experiment is conducted to investigate the effects of the particle size of biochar and the amount of biochar added to fertilizers at 0.180, 0.125, 0.075 mm and 12%, 15%, 18%, respectively, on the economic and quality characteristics of tobacco. The results show that under the same particle size conditions, the first-class tobacco rate and average price of the treatment with 18% biochar addition are improved compared to the treatment with 12% and 15% addition, with increases of 16.8% and 0.4%, 21.8% and 3.6%, respectively. The total score of the entropy weight method comprehensive evaluation increased from 0.35 points for the treatment with 12% addition to 0.64 points for the treatment with 18% addition. Under the same addition amount, the particle size of biochar decreased from 0.180 mm to 0.075 mm, and the output value, the first-class tobacco rate, and average price of flue-cured tobacco gradually improved. Compared to the treatment with the addition of 0.180 mm, the treatment with the addition of 0.075 mm significantly improved the coordination of chemical components in the middle leaves, with an increase of 3.95 points. The comprehensive evaluation score of entropy weight method also increased from 0.26 points to 0.93 points. Both biochar particle size and dosage can significantly affect tobacco production within the variable gradient range of the experimental design. Properly increasing the amount of biochar and reducing its particle size is more conducive to promoting tobacco production.

Keyword：

tobacco; biochar; yield; quality; comprehensive evaluation;

我国是世界上最大的烟草生产和消费国，烟草工业在国民经济中占据着举足轻重的地位^[1]。随着烤烟种植收益的降低和优质烟田的萎缩，高品质烟叶的供需矛盾逐渐显现^[2-3]。如何平衡烟农收益与工业需求间的关系，已经成为助力烟草行业可持续发展、保障国家专项利税的核心问题之一。

生物炭技术在农业生产领域的应用型研究起源于21世纪初，生物炭凭借其特殊的物理、化学性状优势，已在农业生产、土壤修复等领域得到广泛应用^[4-5]。研究表明，施用生物炭能够增加土壤有机碳和有机质含量，进而提高土壤的养分吸持容量及持水容量^[6-8]。通过在烟田土壤多年连续施用生物炭的研究发现，烤烟病害指数降低，经济性状和品质性状显著提高^[9-10]。但生物炭的成本为2 400~2 600元/t，是尿素价格的1.4~1.5倍，在农业领域应用的成本偏高^[11]，精益化合理施用是推广生物炭在烟叶生产中应用的关键。此外，生物炭的科学施用还依赖于数学模型的综合评价方法。在数学模型研究领域，参评指标的权重分配是研究的热点^[12]。早先的主观赋权法逐渐被客观赋权法替代，并按照参评指标的特性，形成了熵权法、相关系数法、隶属函数法等权重分配途径^[13]，其中熵权法和相关系数法均已广泛应用于烟叶生产、研究的综合评价。马宁等^[14]通过采用熵权法，明确了植物根际促生菌对烟草的促生作用。褚旭等^[15]通过采用熵权法，对烤烟产区气候进行综合评价，明确了云南生态宜烟区。当前，大量生物炭施用技术的研究主要集中在生物炭的用量、频次、施用效果等方面，且综合评价方式单一；在控制生物炭施用成本的基础上，针对生物炭用量和粒径在烟叶生产中的综合应用效果评价较少。本文拟采用田间试验方法，设置生物炭用量、粒径梯度，旨在明确生物炭施用技术参数的同时，采用熵权法对其在烟叶生产中的应用进行综合评价，为生物炭施用技术和农业生产综合评价提供实证性参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

供试农田位于贵州省烟草科学研究院试验基地(26°28′28″ N, 106°15′29″ E)内，该地区属亚热带季风气候，年均气温14.0 ℃，年日照时数1 241.8 h，年降水量1 360 mm，年均相对湿度81%± 2%。供试农田土壤为黄壤性水稻土，土壤pH为5.6，w(有机质)为25.1 g/kg，w(碱解氮)为140.5 mg/kg，w(有效磷)为25.3 mg/kg，w(速效钾)为314.7 mg/kg，容重为1.13 g/cm³。

1.2 供试材料

试验所用生物炭均由烤烟秸秆烧制而成，粒径分别为0.180、0.125、0.075 mm，其中全氮、全磷、全钾的质量分数分别为1.5、0.2、2.4 g/kg，由贵州金叶丰农业科技有限公司提供。

试验所用基肥以硝酸铵、过磷酸钙、硝酸钾、硫酸钾、凹凸棒粉为原料，按照氮(N)、磷(P₂O₅)、钾(K₂O)质量比8 ∶10 ∶20的配方将原料混合均匀，并向其中添加生物炭，生物炭粒径和添加量见表 1；原料与生物炭混合均匀后，采用圆盘湿法造粒技术进行造粒。追肥采用烤烟专用追肥(10-0-30)。上述原料和追肥均由贵州科泰金福肥业有限公司提供。

表 1

造粒化肥的生物炭添加量和粒径

处理	添加量/%	粒径/mm
T1	0
T2	18	0.180
T3	18	0.125
T4	18	0.075
T5	15	0.125
T6	12	0.125

1.3 试验设计

试验共设6个处理，每个处理重复3次，共计18个小区，采用随机区组排列。各处理的基肥在烤烟移栽前7 d进行条施；追肥在烤烟移栽后25 d穴施；各处理的氮(N)、磷(P₂O₅)、钾(K₂O)投入量相同，分别为90.0、67.5、243.0 kg/hm²。每个小区种植4行，行距1.1 m，株距0.6 m，行长18.0 m，烤烟种植密度为16 500株/hm²。田间管理措施与当地烤烟栽培管理措施一致。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 烤烟经济性状

烟叶经济性状按照国家标准《烤烟》(GB 2635—1992)^[16]中的方法对各试验小区烟叶进行分级，并计算各小区烟叶的产量、产值、上等烟率、上中等烟率和均价。

1.4.2 烤烟质量性状与评价方法

每个处理选取C₃F等级样品1.0 kg，去梗后样品用于测定烟碱、还原糖、钾、总氮、总糖和氯的含量^[17-22]，并计算糖碱比、氮碱比和钾氯比，参照《中国烟草种植区划》^[23]中的各项指标进行赋值，按式(1)计算中部叶主要化学成分协调性评价总分(T_CI)。

图 1

$ T_{\mathrm{CI}}=\sum\limits_{i=1}^n\left(\alpha_i \times \beta_i\right) $

式中：α_i——烟叶主要化学成分协调性指标赋值得分，赋值方法见表 2；

表 2

烟叶主要化学成分协调性指标赋值方法

指标	100分	100~90分	90~80分	80~70分	70~60分	＜60分
w(烟碱)/%	2.20~2.80	2.20~2.00	2.00~1.80	1.80~1.70	1.70~1.60	＜1.60
w(烟碱)/%	2.20~2.80	2.80~2.90	2.90~3.00	3.00~3.10	3.10~3.20	＞3.20
w(总氮)/%	2.00~2.50	2.50~2.60	2.60~2.70	2.70~2.80	2.80~2.90	＞2.90
w(总氮)/%	2.00~2.50	2.00~1.90	1.90~1.80	1.80~1.70	1.70~1.60	＜1.60
w(还原糖)/%	18.00~22.00	18.00~16.00	16.00~14.00	14.00~13.00	13.00~12.00	＜12.00
w(还原糖)/%	18.00~22.00	22.00~24.00	24.00~26.00	26.00~27.00	27.00~28.00	＞28.00
w(钾)/%	≥2.50	2.50~2.00	2.00~1.50	1.50~1.20	1.20~1.00	＜1.00
糖碱比	8.50~9.50	8.50~7.00	7.00~6.00	6.00~5.50	5.50~5.00	＜5.00
糖碱比	8.50~9.50	9.50~12.00	12.00~13.00	13.00~14.00	14.00~15.00	＞15.00
氮碱比	0.95~1.05	0.95~0.80	0.80~0.70	0.70~0.65	0.65~0.60	＜0.60
氮碱比	0.95~1.05	1.05~1.20	1.20~1.30	1.30~1.35	1.35~1.40	＞1.40
钾氯比	≥8.00	8.00~6.00	6.00~5.00	5.00~4.50	4.50~4.00	＜4.00

β_i——烟叶主要化学成分协调性指标权重，各指标权重见表 3。

表 3

烟叶主要化学成分协调性指标权重

烟碱	总氮	还原糖	钾	糖碱比	氮碱比	钾氯比
0.18	0.10	0.15	0.09	0.27	0.12	0.11

1.4.3 熵权法综合评价

采用极值法对原始数据进行标准化，并对其进行赋值，隶属函数值Y_ij按式(2)计算：

图 2

$ T_{\mathrm{CI}}=\sum\limits_{i=1}^n\left(\alpha_i \times \beta_i\right) $

式中：i——不同处理；

j——参与熵权评价的指标；

X_ij——第i个处理中第j个参评指标的数值；

Y_ij——第i个处理中第j个参评指标的隶属函数值。

第i个处理第j项指标的比重Z_ij按式(3)计算，信息熵E_j及其冗余度G_j按式(4)和式(5)计算，指标权重W_j按式(6)计算：

图 3

$ T_{\mathrm{CI}}=\sum\limits_{i=1}^n\left(\alpha_i \times \beta_i\right) $

图 4

$ T_{\mathrm{CI}}=\sum\limits_{i=1}^n\left(\alpha_i \times \beta_i\right) $

图 5

$ T_{\mathrm{CI}}=\sum\limits_{i=1}^n\left(\alpha_i \times \beta_i\right) $

图 6

$ T_{\mathrm{CI}}=\sum\limits_{i=1}^n\left(\alpha_i \times \beta_i\right) $

结合相应指标的标准化结果，对不同处理进行综合评价，得分按式(7)计算：

图 7

$ T_{\mathrm{CI}}=\sum\limits_{i=1}^n\left(\alpha_i \times \beta_i\right) $

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2013和SAS 9.1软件进行数据处理和方差分析，采用Duncan′s新复极差法进行差异显著性比较，采用Sigmaplot 14.0软件进行插值制图。

2 结果分析

2.1 不同处理对烤烟经济性状的影响

不同处理的烤烟经济性状见表 4。

表 4

不同处理的烤烟经济性状

处理	产量/(kg·hm^-2)	产值/(万元·hm^-2)	上等烟率/%	上中等烟率/%	均价/(元·kg^-1)
T1	2 234.6 c	4.8 c	50.8 a	77.0 b	21.5 b
T2	2 452.5 abc	5.2 bc	52.8 b	77.4 b	21.2 b
T3	2 542.6 a	5.8 ab	57.6 ab	84.4 ab	22.8 b
T4	2 460.7 abc	6.1 a	67.4 a	86.3 ab	24.8 a
T5	2 496.9 ab	5.5 abc	47.3 b	81.8 ab	22.0 b
T6	2 287.0 bc	5.2 bc	49.3 b	89.1 a	22.7 b
注：1)同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05)，下同

由表 4可见，生物炭粒径和用量均会对烤烟的经济性状产生影响。在生物炭用量相同的条件下，随着粒径由0.180 mm减小至0.075 mm，烤烟的经济性状得到一定改善。与T2处理相比，T4处理的产值、均价增幅分别为17.3%、17.0%，上等烟率提高14.6%，差异均达显著水平，说明生物炭粒径的减小有利于烤烟的种植收益。在生物炭粒径相同的条件下，随着用量的增加，烤烟的产量逐渐提高。与T6处理相比，T3处理的产值增幅为11.5%，但产值、上等烟率、中上等烟率和均价的差异均未达到显著水平。

2.2 不同处理对烤烟品质性状的影响

不同处理对烤烟品质性状的影响见表 5。

表 5

不同处理的烤烟品质性状

处理	w(烟碱)/%	w(总氮)/%	w(还原糖)/%	w(钾)/%	糖碱比	氮碱比	钾氯比	评价总分/分
T1	2.69	1.72	23.84	1.15	8.86	0.64	12.78	89.82 c
T2	2.48	1.78	25.11	1.25	10.12	0.72	11.36	91.06 bc
T3	2.53	1.75	23.43	1.26	9.26	0.69	7.88	92.25 b
T4	2.67	1.94	23.01	1.25	8.62	0.73	17.86	95.01 a
T5	2.81	1.87	23.70	1.41	8.43	0.67	70.50	92.83 b
T6	2.26	1.64	27.01	1.00	11.95	0.73	9.09	83.65 d
注：1)烤烟品质性状中各项指标赋值和权重参照《中国烟草种植区划》^[23]

由表 5可知：在生物炭用量相同的条件下，随着生物炭粒径由0.180 mm减小至0.075 mm，中部叶还原糖含量、糖碱比呈降低趋势，T4处理的烤烟化学成分评价总分较T2、T3处理的分别显著增加3.95、2.76分，说明在生物碳添加量为18%的条件下，其粒径减小有利于改善中部叶的品质性状；在生物炭粒径相同的条件下，随着其添加量由12%提高至18%，中部叶还原糖含量呈下降趋势，T5处理和T3处理的评价总分显著高于T6处理的，而T5处理和T3处理的评价总分差异不显著，说明生物炭用量增加也能改善中部叶的品质性状，但当用量达到15%或更高时，生物炭对烤烟品质性状的改善作用不显著。

2.3 不同处理对烤烟产质量影响的综合评价

熵权法对烟叶经济性状和品质性状中各项指标的权重分配见表 6，熵权由高到低依次为均价＞上等烟率＞上中等烟率＞产量≥产值＞品质性状得分，品质性状得分的熵权仅为0.09。

表 6

基于熵权法的生物炭粒径和用量对烤烟产质量的权重分配

指标	平均值标准化得分						熵值	熵权
指标	T1	T2	T3	T4	T5	T6	熵值	熵权
产量	0.00	0.71	1.00	0.73	0.17	0.85	0.84	0.13
产值	0.00	0.34	0.78	1.00	0.28	0.50	0.84	0.13
上等烟率	0.16	0.28	0.51	1.00	0.10	0.00	0.73	0.21
上中等烟率	0.00	0.03	0.62	0.77	1.00	0.39	0.77	0.18
均价	0.01	0.00	0.46	1.00	0.34	0.14	0.67	0.26
品质性状得分	0.54	0.65	0.76	1.00	0.00	0.81	0.89	0.09

按式(7)计算，得到不同处理对烤烟产质量影响的综合评价总分。不同处理的熵权法评价模型与相关系数法评价模型综合评价总分均在0~1分之间，0分为最小值，综合评价效果最差，1分为最大值，综合评价效果最佳，结果见图 1。在生物炭用量相同的条件下，随着粒径的减小，综合评价得分由0.26分提高至0.93分，说明较小粒径的生物炭对烤烟产质量具有显著的促进作用。在生物炭粒径相同的条件下，随着添加量由12%增加至15%，综合评价总分未呈现显著差异，均为0.35分，但均显著高于T1处理的；当添加量达18%时，综合评价总分显著提高了82.8%，达0.64分，说明生物炭在相同粒径的条件下，超过一定的用量阈值后，才能对烤烟产质量产生积极的作用。

图 1

不同处理对烤烟产质量影响综合评价得分

基于图 1的综合评价得分，绘制了生物炭粒径与用量对烤烟产质量综合评价得分的插值图，见图 2。随着生物炭用量的增加和粒径的减小，综合评价得分呈增加的趋势。

图 2

生物炭添加量和粒径对烤烟产质量影响的综合评价得分插值图

3 讨论

生物炭因其特殊的理化性状与当前农业生态发展的需求高度契合，在农业科学、环境科学与资源利用研究领域引起了广泛的关注，80%以上公开发表的论文源自环境科学领域^[24]。随着研究的深入，低成本生物炭产品研发逐渐增多，生物炭由粗放型应用向精益化利用过渡^[25]。本研究以生物炭粒径和添加量为变量，通过田间试验和熵权法综合评价发现，生物炭在复合肥中的添加量越大、粒径越小，对烟叶生产的促进作用越显著，说明生物炭的不同用量、粒径对烤烟生长环境的改善存在一定差异。沈秀丽等^[26]采用生物炭对尿素颗粒进行不同厚度的包膜，经淋溶研究发现，生物炭添加量越大(包膜越厚)的缓释尿素产品，其养分释放越缓慢，阐明了生物炭用量对化学肥料养分释放以及土壤养分累积的作用。李佳轶等^[27]通过研究生物炭对植烟土壤物理特性的影响认为，生物炭粒径越小，对田间持水量及团粒结构的改良效果越优，解析了生物炭粒径对土壤物理结构的影响规律。由此说明，生物炭的用量和粒径在农业生产过程中的应用效果存在差异，但明晰生物炭的用量、粒径对作物生长环境改善乃至作物产质量提升的贡献，还需进一步深入研究。

4 结语

以产量、产值、上等烟率、上中等烟率和均价作为烟叶生产的经济性状指标，以烤烟代表性等级烟叶样品的主要化学成分为品质性状指标，结合熵权法评价分析了生物炭的用量和粒径对烟叶生产的综合影响。研究表明：在生物炭粒径均为0.125 mm的条件下，随着生物炭用量由12%增加至18%，烤烟产值、产量均呈现增加趋势，产量显著提高11.2%，中部叶化学成分协调性评价总分逐渐提高，熵权法综合评价总分由0.35分提高至0.64分；生物炭粒径由0.180 mm减小至0.075 mm，烤烟的产值、上等烟率、均价得到逐渐改善，中部叶化学成分协调性评价总分显著增加3.95分，熵权法综合评价得分也由0.26分提高至0.93分。在试验设计的变量梯度范围内，生物炭的粒径和用量均会对烟叶生产产生显著影响。综上所述，适当提高生物炭用量、降低其粒径更有利于促进烟叶生产，推动生物炭原料的精益化应用。

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