綠肥翻壓配施生物炭對烤煙連作土壤理化性質(zhì)及其產(chǎn)質(zhì)量的影響

蘆海靈， 常 棟， 張 翔， 李 亮， 范藝寬， 李亞飛*

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 河南 鄭州 450002； 2.河南省煙草公司平頂山市公司， 河南 平頂山 467002； 3.中國煙草總公司 河南省公司， 河南 鄭州 450018)

土壤是作物生長的重要載體。河南許昌是我國濃香型優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的重要產(chǎn)地之一，由于該地區(qū)人多地少，輪作倒茬困難，煙田長期連作和重用輕養(yǎng)，易出現(xiàn)耕層土壤質(zhì)量下降、土壤板結(jié)和土傳病害嚴重等問題，對優(yōu)質(zhì)煙葉形成十分不利[1]。綠肥是一種重要的有機肥料(豆科植物和禾本科植物)。趙炯平等[2-3]研究指出，綠肥具有供給有機養(yǎng)分、替代部分化肥、改善土壤結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境和調(diào)節(jié)土壤碳氮比等作用，有利于提高土壤質(zhì)量和實現(xiàn)其可持續(xù)利用。生產(chǎn)上通過直接或異地翻犁及堆漚等方式將綠肥歸還土壤，單純進行綠肥翻壓雖易受綠肥品種、翻壓量、翻壓方式和翻壓時期/次數(shù)等因素的影響[4-5]，但同樣有利于改良土壤和提高煙葉的經(jīng)濟效益[6]。生物炭是指農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢棄物、水生生物和工業(yè)廢棄物等有機廢棄物，在250～700℃缺氧或低氧條件下，熱解炭化而成的一類孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、含碳量高、比表面積大、吸附性能較強和抗分解能力極強的高度芳香化的含碳物質(zhì)[7]，施用生物炭能夠改善土壤養(yǎng)分狀況，提高土壤碳氮比例和煙葉產(chǎn)質(zhì)量[8-11]。目前，關(guān)于烤煙生產(chǎn)上綠肥翻壓和施用生物炭的研究多集中在其對煙株生長發(fā)育和產(chǎn)質(zhì)量的影響方面，而對烤煙連作土壤改良方面的研究相對較少，尤其是對土壤根莖類病害影響的研究報道較少。為此，通過綠肥翻壓和施用生物炭相結(jié)合的方式，研究其對烤煙連作土壤理化性質(zhì)、煙株農(nóng)藝性狀、煙葉經(jīng)濟效益和連作土壤土傳病害的影響，以期為烤煙連作土壤土傳病害的控制及提高煙葉產(chǎn)質(zhì)量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018-2019年在河南省襄城縣汾陳鄉(xiāng)李營村連續(xù)2年種植煙草煙田進行，土壤肥力均勻一致，地勢平坦，排灌方便。試驗地土壤基礎(chǔ)肥力：pH 8.17、有機質(zhì)13.6 g/kg、水解性氮108 mg/kg、有效磷15.8 mg/kg、速效鉀124 mg/kg、全氮0.85 g/kg、全磷0.62 g/kg、全鉀1.65%及陽離子交換量13.3 cmol/kg。

1.2 材料

1.2.1 品種 供試烤煙品種為中煙100，中國煙草總公司青州煙草研究所；綠肥為大麥，河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院綠肥研究室。

1.2.2 肥料 生物炭為秸稈生物炭(pH 9.18，有機碳515 g/kg，全氮11.3 g/kg，全磷1.55 g/kg，全鉀42.1 g/kg，全量Ca和Mg含量分別為10.1 g/kg和3.82 g/kg，有效P、K、Ca和Mg含量分別為1.71 g/kg、49.2 g/kg、4.19 g/kg和1.75 g/kg，水分8.5%)，天津博爾邁生物科技有限公司；煙草專用復(fù)合肥料(N 10%、P2O512%、K2O 18%)，湖北香青化肥有限公司；芝麻餅肥(N 5%)，河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究室；硝酸鉀(N 13%、K2O 46%)和硫酸鉀(K2O 50%)，河南輝騰化工提供。

1.2.3 儀器 有機碳分析儀(VarioMACRO TOC)，德國ELEMENTAR公司。

1.3 方法

1.3.1 試驗設(shè)計 采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)4個處理：對照(CK)，無綠肥翻壓及不施生物炭；T1，綠肥翻壓；T2，綠肥翻壓+生物炭1 500 kg/hm2；T3，綠肥翻壓+生物炭3 000 kg/hm2。每年10月烤煙收獲后拔除煙稈和雜草，地塊翻耕后用撒播方式播種綠肥。2019年4月中旬(烤煙移栽前20 d左右)將綠肥刈割后就地翻埋入土壤，然后整地起壟。綠肥翻壓量為鮮草31 725 kg/hm2。每個小區(qū)面積為66.7 m2，3次重復(fù)，移栽密度16 500株/hm2。試驗各處理氮用量為52.5 kg/hm2，氮磷鉀比例為1∶1∶3.5。田間管理按照當?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進行。

1.3.2 指標測定

1) 烤煙農(nóng)藝性狀。在移栽后75 d，選擇各小區(qū)有代表性的煙株，按照煙草行業(yè)標準YC/T 142-2010測定株高、莖圍、有效葉片數(shù)、最大葉長及寬等農(nóng)藝性狀。

2) 土壤理化性狀。在煙葉收獲后，采用梅花形5點取樣，抖根法采集煙株根際土壤，剔除土內(nèi)的雜質(zhì)、植物活根等，混合后過2 mm篩，用冰盒帶回實驗室，放入4℃冰箱保存，分別用于測定土壤理化性狀和土壤微生物數(shù)量。土壤化學(xué)指標采用常規(guī)方法測定[12]，其中土壤堿解氮采用堿解擴散法測定，速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用NH4OAC浸提-火焰光度法測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測定，pH采用電位計法測定；土壤細菌、真菌和放線菌數(shù)量采用平板培養(yǎng)計數(shù)法測定[13]；土壤溶解性有機碳采用有機碳分析儀測定[14]。

1.3.3 煙田病蟲害調(diào)查 按照國家標準，對各小區(qū)處理進行病蟲害調(diào)查[15]。

發(fā)病率=(發(fā)病株數(shù)/調(diào)查總株數(shù))×100%

病害指數(shù)=∑(各級病株×該病級值)/(調(diào)查總株數(shù)×最高級值)×100

1.3.4 煙葉經(jīng)濟效益統(tǒng)計 按照GB 2635-921對各處理烤后煙葉分級，結(jié)合2019年許昌市煙葉收購單價，統(tǒng)計和計算煙葉產(chǎn)值、均價、上等煙比例及中上等煙比例。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010和SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與差異性分析，并進行Duncan新復(fù)極差法多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠肥翻壓配施生物炭對土壤理化性質(zhì)及其養(yǎng)分含量的影響

從表1可知，不同處理土壤容重、含水率、陽離子交換量、pH、有效磷和堿解氮等土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分含量的變化。土壤容重：不同處理為1.00～1.55 g/cm3，依次為CK>T1>T3>T2；CK顯著高于其余處理，T2與T3間差異不顯著，二者顯著低于T1。土壤含水率：不同處理為14.94%～21.14%，依次為T2>T3>T1>CK；T2和T3顯著高于T1和CK，T2與T3間和T1與CK間差異不顯著。陽離子交換量：不同處理為12.24～17.25 cmol/kg，依次為T2>T3>T1>CK；T2顯著高于其余處理，T1與CK間差異不顯著，二者顯著低于T3。pH：不同處理為7.64～8.13，依次為T2>T3>T1>CK；各處理間差異均不顯著。有效磷：不同處理為15.20～20.90 mg/kg，依次為T1>T3>T2>CK；T1顯著高于其余處理，其余處理間差異均不顯著。堿解氮：不同處理為99.90～161.70 mg/kg，依次為T3>T2>T1>CK；各處理間差異顯著。速效鉀：不同處理為128.70～224.20 mg/kg，依次為T3>T2>T1>CK；T3顯著高于其余處理，T1與CK間差異不顯著，二者顯著低于T2。全氮：不同處理為0.78～1.16 g/kg，依次為T2>T3>T1>CK；T2顯著高于其余處理，CK顯著低于其余處理，T1與T3間差異不顯著。有機質(zhì)：不同處理為12.28～23.00 g/kg，依次為T2>T3>T1>CK；T2顯著高于其余處理，CK顯著低于其余處理，T1與T3間差異顯著。溶解性有機碳：不同處理為0.15～0.47 g/kg，依次為T3>T2>T1>CK；T3顯著高于其余處理，T1與CK間差異不顯著，二者顯著低于T2。可見，與對照相比，綠肥翻壓配施生物炭有助于降低土壤容重、提高土壤含水率及肥力，總體以T2效果較好，土壤堿解氮、速效鉀、全氮、有機質(zhì)和溶解性有機碳含量以及陽離子交換量較CK分別提高41.84%、56.18%、48.72%、87.30%、186.67%和40.93%。

表1 綠肥翻壓配施生物炭各處理土壤的理化性質(zhì)

2.2 綠肥翻壓配施生物炭對土壤微生物數(shù)量的影響

細菌/真菌、放線菌/真菌的比值可作為植物土傳病害發(fā)生幾率的有效參考，且呈顯著負相關(guān)[8]。從表2可知，不同處理土壤的細菌、真菌和放線菌等微生物數(shù)量的變化。細菌：不同處理分別為(1.93～9.80)×107cfu/g，依次為T2>T3>T1>CK；CK顯著低于其余處理，T2和T3顯著高于其余處理，但二者間差異不顯著。真菌：不同處理為(1.20～2.94)×105cfu/g，依次為T2>T3>T1>CK；T2顯著高于其余處理，CK顯著低于其余處理，T1與T3間差異顯著。放線菌：不同處理分別為(1.30～4.06)×107cfu/g，依次為T2>T1>T3>CK；T2顯著高于其余處理，CK顯著低于其余處理，T1與T3間差異不顯著。細菌/真菌：不同處理為1.41～4.73，依次為T3>T2>T1>CK；T3顯著高于其余處理，CK顯著低于其余處理，T1與T2間差異不顯著。放線菌/真菌：不同處理為0.99～1.81，依次為T1>T2>T3>CK；T1和T2顯著高于T3和CK，T1與T2間、T3與CK間差異均不顯著。

表2 綠肥翻壓配施生物炭各處理土壤的微生物數(shù)量

2.3 綠肥翻壓配施生物炭對烤煙成熟期農(nóng)藝性狀的影響

營養(yǎng)對烤煙株高、葉長、葉寬、莖圍和有效葉數(shù)等生長發(fā)育指標具有一定影響，決定煙葉產(chǎn)量及品質(zhì)的形成[16]。從表3可知，不同處理烤煙成熟期的株高、有效葉數(shù)和莖圍等農(nóng)藝性狀的變化。株高、有效葉數(shù)、最大葉長和最大葉寬：不同處理分別為95.20～119.50 cm、17.20～21.30片、58.80～63.70 cm和27.20～32.10 cm，均為T2>T3>T1>CK；CK均顯著低于其余處理，其余處理間差異均不顯著。莖圍：不同處理為8.80～10.80 cm，依次為T2>T3>T1>CK；T2和T3顯著高于T1和CK，T2與T3間和T1與CK間差異均不顯著。綜合看，以T2烤煙成熟期的農(nóng)藝性狀最佳。

表3 綠肥翻壓配施生物炭各處理烤煙成熟期的農(nóng)藝性狀

2.4 綠肥翻壓配施生物炭對烤煙旺長期和采烤期根莖病害發(fā)生的影響

烤煙根腐病和黑脛病與土壤關(guān)系密切，烤煙長期連作土壤的養(yǎng)分消耗和微生物區(qū)系單一，根莖類病發(fā)生呈逐年加重趨勢[17]。從表4可知，不同處理烤煙旺長期和采烤期根腐病與黑脛病發(fā)生狀況的差異，綠肥翻壓配施生物炭可有效降低根腐病和黑脛病的發(fā)生，有利于提高煙葉的產(chǎn)質(zhì)量，總體均以T2效果最佳。

2.4.1 旺長期 各處理根腐病的發(fā)病率和病情指數(shù)分別為3.54%～4.22%和1.91～3.17，均為CK>T3>T1>T2；均為T2顯著低于其余處理，其余處理間差異不顯著。綠肥翻壓配施生物炭各處理，根腐病的發(fā)病率和病情指數(shù)較CK分別下降2.84%～16.11%和8.83%～39.75%。各處理黑脛病的發(fā)病率和病情指數(shù)分別為0.67%～1.45%和0.45～1.01，均為CK>T1>T3>T2；發(fā)病率，CK和T1顯著高于 T2和T3，CK與T1間、T2與T3間差異均不顯著；病情指數(shù)，CK顯著高于其余處理，其余處理間差異均不顯著；綠肥翻壓配施生物炭各處理，黑脛病的發(fā)病率和病情指數(shù)較CK分別下降25.52%～53.79%和44.55%～55.45%。

2.4.2 采烤期 各處理根腐病的發(fā)病率和病情指數(shù)分別為1.64%～2.56%和0.84～1.28，依次為CK>T1>T3>T2和 CK>T3>T1>T2；發(fā)病率:CK和T1顯著高于 T2和T3，CK與T1間、T2與T3間差異均不顯著；病情指數(shù):CK和T3顯著高于 T1和T2，CK與T3間、T1與T2間差異均不顯著；綠肥翻壓配施生物炭各處理根腐病的發(fā)病率和病情指數(shù)較CK分別下降20.70%～35.93%和20.31%～34.38%。各處理黑脛病的發(fā)病率和病情指數(shù)分別為2.17%～3.11%和1.05～1.79，依次為CK>T3>T1>T2和T3>CK>T1>T2；均為T2顯著低于其余處理，其余處理間差異不顯著；黑脛病的發(fā)病率較CK分別下降7.07%～30.23%。

表4 綠肥翻壓配施生物炭烤煙旺長期和采烤期根莖病害的發(fā)生狀況

2.5 綠肥翻壓配施生物炭對煙葉產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響

從表5 看出，不同處理煙葉產(chǎn)量、產(chǎn)值、均價和上等煙比例存在差異，綠肥翻壓配施生物炭各處理煙葉產(chǎn)量、產(chǎn)值和上等煙比例較CK分別提高8.02%～27.46%、10.99%～31.62%和8.34%～23.18%，煙葉產(chǎn)量及經(jīng)濟效益以T2效果最好。產(chǎn)量、均價和上等煙比例：不同處理分別為2 287.13～2 915.25 kg/hm2、23.77～29.69元/kg和48.74%～60.03%，均為T2>T3>T1>CK，T2顯著高于T1和 CK，T2/T3間和T3/T1/CK間差異均不顯著。產(chǎn)值：不同處理為5.70～7.51萬元/hm2，依次為T2>T3>T1>CK，T2和T3顯著高于T1和 CK，T2/T3間和T3/T1/CK間差異均不顯著。

表5 綠肥翻壓配施生物炭煙葉的產(chǎn)量及經(jīng)濟效益

2.6 微生物量及煙葉經(jīng)濟效益與土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分間的相關(guān)性

從表6可知，土壤容重、土壤含水率、溶解性有機碳、堿解氮、速效鉀、有機質(zhì)、全氮和陽離子交換量與細菌、真菌、放線菌、產(chǎn)量、產(chǎn)值、均價和上等煙比例間的相關(guān)性存在差異。土壤容重，與均價和上等煙比例呈顯著負相關(guān)，與微生物數(shù)量及煙葉經(jīng)濟效益其余指標間均呈極顯著負相關(guān)；土壤含水率、有機質(zhì)、全氮和陽離子交換量，與微生物數(shù)量及煙葉經(jīng)濟效益所有指標間均呈極顯著正相關(guān)；溶解性有機碳、堿解氮和速效鉀，與放線菌均呈顯著正相關(guān)，與細菌、真菌數(shù)量及煙葉經(jīng)濟效益其余指標間均呈極顯著正相關(guān)。

表6 微生物量及煙葉經(jīng)濟效益與土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分間的相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

綠肥翻壓后可提高植煙土壤的團粒結(jié)構(gòu)、孔隙度、保水性和透氣性，有利于增加土壤有機質(zhì)和提高煙葉質(zhì)量[18-19]。生物炭含碳量達70%，具有較大的比表面積、孔隙度和離子交換吸附能力、可溶性較低[20]，施用生物炭后對土壤物理、化學(xué)性質(zhì)和微生物數(shù)量具有重要影響[21-23]。研究結(jié)果表明，綠肥翻壓+生物炭1 500 kg/hm2處理，土壤堿解氮、速效鉀、有機質(zhì)、全氮含量和陽離子交換量明顯升高，連作土壤理化性狀得到改善，為烤煙的生長發(fā)育提供良好的土壤環(huán)境，是煙葉產(chǎn)質(zhì)量提高的重要原因。

生物炭能夠增大土壤C/N比例，從而影響作物對氮素的吸收[24]，可增產(chǎn)50%以上[25]。潘周云等[5,26-27]研究指出，綠肥翻壓和施用生物炭均可明顯降低土壤容重，提高其田間持水量，有利于烤煙的根系發(fā)育、植物學(xué)性狀改善和干物質(zhì)積累，與該研究結(jié)果較為一致。陳山等[28]研究指出，施用稻殼生物炭后，土壤pH升高、有機質(zhì)含量增加，烤煙有效葉片數(shù)增加。研究結(jié)果表明，綠肥翻壓+生物炭1 500 kg/hm2處理，土壤容重下降，土壤含水率升高，煙株有效葉數(shù)增加，莖圍變粗，煙葉產(chǎn)值量、上等煙比例和經(jīng)濟效益提高。研究結(jié)果表明，煙葉經(jīng)濟效益指標與土壤容重呈顯著或極顯著負相關(guān)，與土壤含水率、堿解氮、溶解性有機碳、有機質(zhì)、全氮、速效鉀和陽離子交換量呈極顯著正相關(guān)。

裴建鋒[29]研究指出，施用生物炭對烤煙青枯病具有顯著的防治效果。李成江等[17]研究指出，施用生物炭能夠改善土壤微生物的群體結(jié)構(gòu)及其對碳素的利用效率，減輕青枯病和黑脛病的發(fā)生，有利于提高煙葉的產(chǎn)質(zhì)量。研究結(jié)果表明，綠肥翻壓+生物炭1 500 kg/hm2處理，土壤溶解性有機碳含量提高，土壤細菌、真菌和放線菌數(shù)量增加，細菌/真菌和放線菌/真菌的比值增大，根腐病和黑脛病發(fā)病率和病情指數(shù)下降，有利于增強煙株生長發(fā)育狀況和減少連作土壤土傳病害的發(fā)生，但其作用機理有待進一步深入研究。土壤微生物數(shù)量與土壤含水率、有機質(zhì)、全氮和堿解氮含量呈顯著或極顯著正相關(guān)。說明，土壤微生物數(shù)量變化與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)。