生物炭與豆漿灌根對植煙土壤與煙葉產質量的影響

邱嶺軍， 張 翔*， 徐 敏， 李 亮， 毛家偉， 司賢宗， 索炎炎， 程培軍， 何 雷

(1.河南省農業科學院 植物營養與資源環境研究所， 河南 鄭州 450002； 2.河南省煙草專賣局， 河南 鄭州 450008)

0 引言

【研究意義】隨著我國人地矛盾的日益突出，整個煙草行業都存在著長期單施或過量施用化肥而忽視有機肥配施和先進種植模式的革新[1]，導致植煙土壤有機質分解緩慢、碳氮比例失衡、土傳病害加重、有益微生物群落多樣性降低、團粒結構遭到破壞和地力衰退等一系列問題[2-3]。土壤作為植物生長發育的載體，其物理化學性質、肥力高低以及微生物活性與烤煙生長代謝關系緊密，直接影響烤煙的產量和產值[4]，若地力受損致使煙株生長發育不良，內部氮素轉化合成受阻、烤后煙葉化學成分不協調等，再加上低溫、干旱等自然環境因素的限制，嚴重制約煙葉產質量的進一步提升[5]，探明旱作煙區生物炭配豆漿灌根對植煙土壤微生物區系、肥力特性及烤后煙產質量的影響具有重要意義。【前人研究進展】烤煙是我國重要的經濟作物之一，在豫西地區廣泛推廣種植，豆漿灌根已成為具有區域特色的一項重要提質增效技術措施，推廣面積已達90%以上，是長期生產實踐中形成的一套成熟有效的追肥技術，具有成本低、肥效好、生態環保和易操作等優點[6]。生物炭是繼有機無機配施、綠肥翻壓及科學輪作之后又一種新興的土壤改良方法，是增強農業系統生產力、調控土壤根際生境、減緩煙草連作障礙、促進煙草碳氮代謝及提升煙葉品質的一項重要技術途徑[7-9]，其是由生物質(如秸稈、廢棄物、樹枝等)在缺氧條件下經過熱裂解而形成的炭化物，可有效提高煙葉的鉀離子、總糖和還原糖含量，協調煙葉化學成分，同時降低煙堿含量，是土壤固碳量增加的有效措施[10-11]。【研究切入點】目前，鮮見關于旱作煙區穴施生物炭與豆漿灌根耦合效應對土壤生物學特性及煙葉品質的研究報道。為此，采用田間試驗方法，探究穴施生物炭與豆漿灌根對植煙土壤及煙葉產質量的影響。【擬解決的關鍵問題】探明穴施生物炭與豆漿灌根對根際土壤微生物群落、土壤理化性狀、養分含量、烤煙生理指標和病害防治效果的影響，以期為旱作植煙土壤地力保育、緩解連作障礙和改善煙葉質量提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在盧氏縣杜關鎮民灣村進行，試驗地肥力均勻一致，地勢平坦，排灌方便，土壤基礎理化性質為pH 7.78，有機質13.7 g/kg，全氮0.96 g/kg，堿解氮83.5 mg/kg，有效磷12.8 mg/kg，速效鉀157 mg/kg，氯離子10.7 mg/kg。試驗前茬作物為烤煙。

1.2 材料

1.2.1 作物 供試作物為烤煙品種云煙87，由盧氏縣煙草公司提供。

1.2.2 肥料 煙草專用復合肥料(N 10%、P2O512%、K2O 18%)、餅肥、硝酸鉀(N 13%、K2O 46%)和硫酸鉀(K2O 50%)，均由盧氏縣煙草公司提供。

1.2.3 生物炭 秸稈生物炭，天津博爾邁生物科技有限公司生產。其基本性質為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，Mehlich Ⅲ提取有效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%。

1.3 方法

1.3.1 試驗設計 采用隨機區組設計，共設4個處理：T1，常規施肥(對照)；T2，常規施肥+生物炭；T3，常規施肥+豆漿灌根；T4，常規施肥+生物炭+豆漿灌根。

常規施肥中芝麻餅肥450 kg/hm2，復合肥(N∶P2O5∶K2O為10∶10∶20)300 kg/hm2，磷鉀不足部分由重過磷酸鈣和硫酸鉀補充，按常規施用方式進行，各處理氮、磷、鉀用量一致，氮肥70%條施、30%穴施，磷肥全部條施，鉀肥50%條施、20%穴施、30%追施；生物炭為穴施，750 kg/hm2；豆漿(黃豆漿)灌根，112.5 kg/hm2。5月12日移栽，9月25日采烤結束，其余田間生產管理措施統一按當地優質煙葉生產規范進行。

1.3.2 樣品采集與指標測定

1) 樣品采集。于烤煙生長的團棵期(移栽后30 d)、旺長期(移栽60 d)和成熟期(移栽后90 d)3個生育期在煙壟上采集2株煙中間位置0～20 cm土層3個重復的土樣，采用5點法混勻后取1/4混合土樣低溫冷藏帶回室，鮮樣去雜后測定土壤理化性質及物理性狀，其余土樣風干后研磨測定養分含量。

2) 指標測定。土壤微生物區系采用稀釋平板分離測數法測定[12]，土壤pH采用電位法(ZD型酸度計)測定[13]，堿解氮含量采用堿解擴散法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度計法測定[14]。

1.3.3 經濟性狀考察與煙株病蟲害調查

1) 經濟性狀。煙葉成熟后不同處理分區采收和計產，根據烤煙國家標準(GB 2635-1992)進行分級，計算中上等煙率，并按2019年國家煙草專賣局收購指導價格計算煙葉各等級單價；產量、產值由小區產量、產值折算。

2) 煙株病蟲害調查。分別在團棵期、旺長期和圓頂期調查病毒類病害(TMV,PVY)和根莖類病害(黑脛病和根黑腐病)，并計算煙株發病率。

1.4 數據處理

采用Excel 2003和SPSS 17.0對數據進行統計與分析，不同處理間差異顯著性(P<0.05)采用Duncan′s新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同處理烤煙的農藝性狀

從表1可知，不同處理烤煙團棵期、旺長期和圓頂期株高、莖圍、葉片數、葉長和葉寬的變化。團棵期：株高為27.0～29.3 cm，依次為T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別高5.93%、3.70%和8.52%。莖圍為5.5～5.8 cm，依次為T4>T2=T3>T1，T2、T3和T4較T1分別大3.64%、3.64%和5.46%。葉片數為12.0～13.0片/株，依次為T2=T4>T1>T2，T2和T4較T1均多8.33%。葉長為29.5～33.8 cm，依次為T2>T4>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別長14.58%、10.85%和13.90%。葉寬為17.4～21.9 cm，依次為T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別寬21.84%、15.52%和25.86%。旺長期：株高為89.7～95.3 cm，依次為T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別高5.69%、3.01%和6.24%。莖圍為8.3～8.9 cm，依次為T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別大3.61%、1.21%和7.23%。葉片數為16.0～18.0片/株，依次為T2>T3=T4>T1，T2、T3和T4較T1分別多12.5%、6.25%和6.25%。葉長為60.3～65.5 cm，依次為T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別長6.47%、3.65%和8.62%。葉寬為30.7～34.8 cm，依次為T4>T3>T2>T1，T2、T3和T4較T1分別寬7.49%、12.38%和13.36%。圓頂期：株高為139.7～147.9 cm，依次為T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別高5.08%、0.57%和5.87%。莖圍為11.2～12.1 cm，依次為T4>T2>T1>T3，T2和T4較T1分別大1.77%和7.08%，T3較T1小0.89%。葉片數為22.0～24.0片/株，依次為T2>T4>T1=T3，T2和T4較T1分別多9.09%和0.455%。葉長為70.3～74.3 cm，依次為T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別長4.84%、1.42%和5.69%。葉寬為40.7～44.0 cm，依次為T4>T2>T1>T3，T2和T4較T1分別寬0.74%和8.11%，T3較T1窄1.47%。

表1 不同處理烤煙各生育時期的農藝性狀

2.2 不同處理植煙土壤的微生物和有機碳量

從表2可知，不同處理土壤細菌、真菌和放線菌等微生物數量的變化。細菌細菌、真菌和放線菌分別為(0.83～1.50)×107個/g、(2.10～2.50)×105個/g和(1.30～2.40)×106個/g，均為T4>T3>T2>T1，各處理間細菌差異顯著，真菌差異不顯著，放線菌T4顯著高于其余處理、T1顯著高于其余處理、T2和T3差異不顯著。細菌/真菌為39.52～60.00，依次為T4>T3>T2>T1，T1和T2差異不顯著，二者顯著低于其余處理，T4顯著高于其余處理。溶解性有機碳為0.06～0.13 g/kg，各處理間細菌差異不顯著。總體看，常規施肥+生物炭+豆漿灌根有利于提高土壤微生物群落功能多樣性和數量。

表2 不同處理植煙土壤有機碳和微生物的數量

2.3 不同處理煙株的發病率

從表3看出，不同時期各處理煙株黑脛病和根腐病發病率的變化。團棵期：各處理均未發生黑脛病。根腐病，T1最高，為3.0%；T3其次，為1.0%；T2和T4最低，均為0.5%。旺長期：各處理均未發生黑脛病。根腐病，T1最高，為5.5%；T3其次，為2.0%；T4最低，為1.5%。圓頂期：黑脛病和根腐病分別為2.1%～5.0%和3.0%～8.5%，均為T1>T3>T2>T4；黑脛病病發病率T2、T3和T4較T1分別降低50.0%、16.0%和58.0%，根腐病發病率T2、T3和T4較T1分別降低47.06%、41.18%和64.71%。總體看，以常規施肥+生物炭+豆漿灌根的防治效果最佳。

表3 不同處理煙株的發病率

2.4 不同處理植煙土壤的物理性質

從表4可知，不同時期各處理土壤含水率、溫度、鹽度、電導率、介電常數和總溶解固體的變化。團棵期、旺長期和圓頂期各處理的含水率分別為10.72%～12.39%、13.55%～20.73%和31.67%～35.40%，依次為T4>T3>T2>T1、T4>T3>T2>T1和T3>T4>T2>T1。溫度分別為33.39～36.45℃、15.67～29.60℃和27.00～28.80℃，依次為T4>T3>T1>T2、T4>T2>T1>T3和T4>T3>T1>T2。鹽度分別為44.73～53.87 mg/L、32.73～44.10 mg/L和67.80～86.33 mg/L，依次為T4>T1>T2>T3、T4>T1>T3>T2和T1>T3>T4>T2。電導率分別為7.20～9.27 μs/cm、11.22～15.95 μs/cm和7.06～7.79 μs/cm，依次為T1=T4>T2>T3、T3>T1>T2>T4和T1>T2>T4>T3。介電常數分別為6.17～6.86、7.64～8.97和12.69～14.21，依次為T3>T4>T2>T1、T4>T2>T3>T1和T1>T2>T4>T3。總溶解固體分別為45.27～58.87 mg/L、39.53～45.60 mg/L和37.00～38.80 mg/L，依次為T3>T2>T1>T4、T4>T2>T3>T1和T4>T3>T1>T2。表明，常規施肥+生物炭+豆漿灌根有利于改善土壤水分環境和通氣狀況，有利于疏松土壤及優化土壤耕作性能。

表4 不同處理植煙土壤的物理性質

2.5 不同處理植煙土壤的pH及養分

從表5看出，不同處理土壤pH及有機質、全氮和堿解氮等養分含量的變化。各處理土壤pH為7.56～8.03，依次為T2>T3>T1>T4，處理間差異不顯著。有機質為14.0～15.2 g/kg，依次為T4>T3>T2>T1，處理間差異不顯著。全氮和堿解氮分別為98.0～110.0 mg/kg和71.9～78.2 mg/kg，依次為T4>T3=T2>T1和T1>T4>T3>T2，各處理間全氮差異不顯著，堿解氮T1顯著高于其余處理、其余處理差異不顯著。有效磷為12.1～13.5 mg/kg，依次為T4>T3>T2>T1，T3和T4顯著高于T1和T2，T1與T2間和T3與T4間差異不顯著。速效鉀為160.0～186.0 mg/kg，依次為T3>T4>T2>T1，T3和T4顯著高于T1和T2，T1與T2間和T3與T4間差異不顯著。腐殖質為0.125～0.156 mg/kg，依次為T4>T2>T3>T1，T4顯著高于其余處理，其余處理間差異不顯著。表明，常規施肥+生物炭、常規施肥+豆漿灌根、常規施肥+生物炭+豆漿灌根后可為烤煙旺長期快速生長提供充足養分。

表5 不同處理植煙土壤的pH及養分含量

2.6 不同處理烤煙的經濟性狀

從表6可知，不同處理煙葉的產量、產值、均價和中上等煙比例的變化。產量和均價：均以T4最高，分別為2 211.5 kg/hm2和27.4元/kg；T3其次，分別為2 185.3 kg/hm2和26.9元/kg；T1最低，分別為2 082.5 kg/hm2和26.1元/kg；各處理間差異均不顯著。產值和中上等煙比例：均以T4最高，分別為6.02 萬元/hm2和70.8%；T3其次，分別為5.33 萬元/hm2和64.0%；T1最低，分別為4.78 萬元/hm2和52.6%；T4顯著高于其余處理，T1顯著低于其余處理，T2與T3間差異不顯著。總體看，常規施肥+生物炭+豆漿灌根更有利于提高煙葉的產質量。

表6 不同處理烤煙的經濟性狀

3 討論

土壤微生物作為土壤-植被生態系統中最活躍和主要參與者[15]，是土壤碳、氮、磷和硫等元素循環的“推進器”和養分有效性的“轉換器”，參與土壤物質能量循環、肥力演變及維持生態系統平衡。土壤微生物種群數量、多樣性及優勢菌屬的變化是評估土壤生態系統質量、健康水平的指標[16-17]。研究結果表明，不同處理土壤細菌、真菌和放線菌分別為(0.83～1.50)×107個/g、(2.10～2.50)×105個/g和(1.30～2.40)×106個/g，均為常規施肥+生物炭+豆漿灌根>常規施肥+豆漿灌根>常規施肥+生物炭>常規施肥(對照)，常規施肥+生物炭+豆漿灌根土壤細菌、真菌和放線菌數量較對照分別提高80.72%、19.05%和84.62%，與邱嶺軍等[18]的研究結果一致。施嫻等[19-20]研究表明，有機肥氮替代50%化肥氮土壤細菌、真菌、放線菌數量較對照分別提高49.30%、45.31%和47.33%，可能是土壤碳源、氮源、蛋白和有益營養物質為微生物的快速繁殖提供了新營養源，營造了更適宜根系生長的微生態環境，進而調控土壤微生物的群落生態結構。

郭松等[21]研究表明，增施生物炭和豆漿灌根可有效改善煙株的農藝性狀，對煙株株高、莖圍及葉面積等均有不同程度的提高，可作為土壤養分的重要補充，為煙株生長提供了充足的營養。戴華鑫等[22]認為，豆漿灌根產生抗生物質可降低致病菌含量，植煙土壤中4種生防細菌屬的豐度均高于對照，而致病菌Aquicella豐度低于對照。張宇等[23]認為，有機肥+EM菌配施可顯著提高微生物數量和多樣性，增加有機質分解轉化速率，進而產生抗生物質，抑制病原菌生長，提高花生的產量。研究結果表明，常規施肥+生物炭+豆漿灌根的株高、莖圍及葉片數較對照分別提高8.52%、5.46%和8.33%，土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量較對照分別提高8.57%、12.24%、11.57%和15.0%，根腐病和黑脛病發病率較對照分別降低64.71%和58.00%，與前述研究結果一致。韋鳳杰等[24-25]認為，豆漿灌根顯著提高了煙葉香氣物質總量和質量，香氣物質增加主要源于棕色化產物類、類西柏烷類和胡蘿卜素類香氣物質，煙葉中葉綠素降解產物新植二烯含量和類胡蘿素降解產物總量的提高幅度較大。鄧小華等[26]研究表明，施用土壤有機肥可提高煙葉的產量產值、中上等煙比例及烤后煙化學成分含量和評吸總分。研究結果表明，生物炭與豆漿灌根對植煙土壤理化性狀、微生物群落、煙株生長狀況及煙葉產值的改良效果存在明顯差異，其中，常規施肥+生物炭+豆漿灌根煙葉品質最佳且經濟性狀好，較對照產量、產值和中上等煙率分別提高6.19%，、25.94%和31.60%。

4 結論

常規施肥+生物炭、常規施肥+豆漿灌根和常規施肥+生物炭+豆漿灌根較對照更有利于促進煙株的生長發育及提高植煙土壤微生物群落功能的多樣性/數量和烤后煙葉的內在品質，以常規施肥+生物炭+豆漿灌根提高上中等煙率比例、均價和產值的綜合效果最好，其更符合豫西優質烤煙生產實際，能有效改良植煙土壤養分狀況，減輕烤煙連作障礙，提高烤煙的產量和品質。