不同用量高碳基肥對植煙土壤活性物質及烤煙品質的影響

劉 慧，楊營月，趙 喆，王龍飛，來 苗，趙卿霖，趙銘欽

（河南農業大學 煙草學院，河南 鄭州 450002）

0 引言

撫州地區位于江西省東部，屬季風氣候區，連年降雨，導致土壤養分流失嚴重，加之連年耕作，植煙土壤有效養分含量進一步降低，且大量肥料的施用導致土壤板結程度較高，嚴重影響了煙株根系發育，進而影響了烤煙的品質和產量。高碳基土壤修復肥作為一種有機無機相結合且混合生物活性物質的復合型肥料，其主要原料由生物碳、植物油粕、腐殖酸、礦物肥及多種微量元素等組成，具有高度羧酸酯化和芳香化的結構、較大的孔隙度和比表面積，具備較強的吸附力、抗氧化力和抗生物分解能力［9-10］。大量研究表明，在高碳基土壤修復肥巨大比表面積和官能團的吸附作用下，能顯著減少氮、磷等營養元素的損失，提高土壤的陽離子交換量、土壤養分含量及肥料利用率［7-8］，因而，高碳基肥的施用具有促進植物根系生長，提高煙葉產量和質量的作用［2］。此外，施用高碳基肥還可以增強土壤生物活性，如增加土壤微生物總量，提高土壤酶的活性，從而改善煙葉品質及香氣質、香氣量等［54］。土壤酶活性能夠反映土壤中微生物的活動狀態，代表土壤中物質代謝活動的活躍程度［11］。適量高碳基肥的施用可提高土壤中參與N、P等礦質元素利用轉化的相關酶的活性，降低與土壤碳礦化等生態學過程相關的土壤酶的活性［12］。陳心想等［13］通過小麥-玉米輪作試驗發現：施用一定量的生物碳基肥可以顯著提高土壤脲酶、玉米收獲后的堿性磷酸酶和過氧化氫酶的活性，說明生物碳基肥的施用能夠改善土壤微生物的生活環境和酶活性。

本文通過向土壤中添加不同量的以生物碳為主料的高碳基肥進行大田試驗，分析對比了不同處理烤煙根系活力、土壤酶活性的動態變化、土壤微生物數量，以及烤后煙葉的化學成分與香氣量，旨在探明添加高碳基肥對植煙土壤及烤煙生長和品質的影響，為撫州煙區生產合理施用高碳基肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試烤煙品種為云煙87，由江西省煙草公司撫州市公司提供。供試高碳基土壤修復肥由河南惠農土質保育研發有限公司提供。高碳基土壤修復肥總養分≥5%，有機質（以干基計）≥45%，生物碳含量≥20%，水分含量≤30%，氯離子含量≤1%，粗脂肪含量≥1%。試驗地土壤為壤土，土壤有機質含量為5.78 g/kg，堿解氮含量為61.8 mg/kg，速效鉀含量為302 mg/kg，速效磷含量為16.07 mg/kg，pH值5.42。

1.2 試驗設計

試驗于2020年在江西省撫州市黎川縣新莊村（東經116.91°，北緯27.28°）進行。前茬作物為水稻。煙苗于2月26日移栽，行株距為110 cm×50 cm。

試驗設置5個處理，分別為T0（施常規基肥）、T1（施常規基肥+高碳基肥750 kg/hm2）、T2（施常規基肥+高碳基肥900 kg/hm2）、T3（施常規基肥+高碳基肥1050 kg/hm2）、T4（施常規基肥+高碳基肥1200 kg/hm2）。按氮素用量一致的原則減少相應的肥料施用，磷鉀以重過磷酸鈣和硫酸鉀補足。每個處理3次重復，隨機區組排列。常規基肥的施用：條施復合肥（N、P2O5、K2O的質量比為1∶2∶2.5）750 kg/hm2、枯 餅 肥（N∶P2O5∶K2O＝3∶1∶1）50 kg/hm2。高碳基肥料在移栽前隨基肥條施；其他田間管理措施按照當地煙葉生產技術方案。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 根系活力 于移栽后30、45、60、75、90 d取樣，每個處理取具有代表性的煙株3株，將根系沖洗干凈，用TTC法［14］測定根系活力。

1.3.2 土壤生物活性 各處理分別于移栽前，以及移栽后30、60、90、120 d采用5點法于壟下20 cm處取樣，將土樣混合均勻后測定其土壤微生物區系、土壤酶活性等。土壤微生物區系及土壤酶活性參照林先貴［15］的方法進行測定。

1.3.3 常規化學成分 煙葉由當地初烤后，各小區取1 kg中部（C3F）等級煙葉，采用連續流動分析法測定其常規化學成分（國標GB/T 5606.1—2004、YC/T 160─2002）。

1.3.4 中性致香物質含量 采用水蒸氣蒸餾-二氯甲烷溶劑同時蒸餾萃取法對樣品進行前處理，然后利用美國安捷侖7890B-5977E氣-質聯用儀測定煙葉中性致香物質含量，由NIST02庫檢索定性。

1.4 數據分析

采用Mircosoft Excel 2019軟件進行數據分析及作圖，用SPSS 26.0軟件進行差異顯著性分析及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對烤煙根系活力的影響

煙草的根系不僅是重要的吸收器官，而且還是煙堿、激素、氨基酸等重要有機物質的合成器官，根系的發育及活力的高低在某種程度上是衡量煙草生長發育狀況的重要生理指標，與煙葉的產量和品質有著密切聯系［16］。圖1顯示，各處理煙株在不同時期的根系活力均有所差異，在整個大田生育期呈先升高后下降的趨勢，符合煙株在大田的生長規律［17-18］。移栽返苗后，隨著根系的發育，其活力迅速提高，在移栽后60 d出現高峰；移栽后30 d時，T1、T2、T3及T4處理的烤煙根系活力顯著高于對照，其中T3處理的烤煙根系活力相較于其他處理在各個時期一直保持在較高水平。T4處理在移栽后45~90 d期間根系活力有所下降，這可能與該處理高碳基肥的施用量有關；在旺長期后隨著煙葉逐漸成熟，根系活力逐漸下降。不同處理對根系活力的影響不同，在移栽后30~90 d期間，各處理之間根系活力差異較大，T3處理能明顯提高煙株的根系活力，以移栽后60 d時處理間差異最明顯，此時T3處理的煙株根系活力較對照提高了28.16%；移栽60 d之后各處理之間煙株根系活力差異減小，但施用高碳基肥處理的根系活力仍然高于對照。

圖1 不同處理對烤煙根系活力的影響

2.2 不同處理對烤煙土壤酶活性的影響

土壤中各種酶可有效刺激土壤中微生物的繁殖與生長，進而促進對土壤固化養分的分解與釋放［20］。土壤過氧化氫酶為氧化還原酶，用于消除土體中對植株有毒的過氧化氫［21］。由表1可以看出，在整個生育期間土壤過氧化氫酶的活性呈升高-降低的變化趨勢，其中T3處理的過氧化氫酶活性最高。在移栽60 d時，各處理的土壤過氧化氫酶的活性均達到峰值，且表現為T3＞T4＞T1＞T2＞T0處理，T3處理較對照組高51.17%；此后，各處理的土壤過氧化氫酶的活性均呈緩慢降低的趨勢。

土壤蔗糖酶的活性能表征土壤的熟化程度和肥力水平。如表1所示，T1、T3和T4處理的土壤蔗糖酶的活性均于移栽后60 d時達到最大值，且以T3處理的酶活性最高，比T0高27.65%；在移栽后90 d時，T0和T2處理的土壤蔗糖酶活性出現峰值，其他處理的蔗糖酶活性則呈緩慢降低的趨勢。總的來說，在移栽后30~120 d期間各處理的土壤蔗糖酶活性均顯著高于T0處理，說明在此期間各高碳基肥處理的土壤營養水平高于對照；在移栽后90~120 d期間 T2及T3處理的土壤蔗糖酶活性仍維持在一個較高水平，說明T2、T3處理能夠顯著增加土壤中易溶性營養物質的含量［12］。

土壤脲酶是一種酰胺酶，直接參與土壤中氮素形態的轉化，其活性可以在一定程度上反映土壤的供氮水平［22］。從整個生長發育期來看，土壤脲酶活性呈現先升高后降低的變化趨勢，其中在移栽后30~90 d期間各處理的土壤脲酶活性逐漸升高，且在移栽后90 d時達到峰值；此后逐漸降低。總的來說，T2和T3處理的土壤脲酶活性在生長前期顯著高于其他3個處理，隨后脲酶活性逐漸降低；在移栽后90~120 d期間各處理的脲酶活性降低，因而可以降低植株對氮的吸收，確保烤煙正常落黃［12］。

土壤酸性磷酸酶的活性在移栽后60~90 d期間處于較高水平，且在成熟期高于團棵期。T3處理的土壤酸性磷酸酶的活性在整個生育期間一直處于較高水平，顯著高于其他幾個處理（P＜0.05）；其次為T2、T4處理；T1及T0處理的土壤酸性磷酸酶活性處于較低水平，且兩者間沒有顯著差異。

土壤多酚氧化酶在有機物的腐化進程中起著重要的作用［21］。由表1可知，添加高碳基土壤修復肥可顯著提高土壤多酚氧化酶的活性，且在全生育期內一直以T3處理的酶活性較高。各處理的土壤多酚氧化酶活性的變化趨勢一致，均在移栽后90 d時達到高峰，此時T1、T2、T3、T4處理的多酚氧化酶活性分別較對照增高了22.86%、70.14%、77.36%和43.26%；此后各處理的多酚氧化酶活性均有所下降，但T3處理的酶活性仍然顯著高于其他幾個處理。

表1 不同處理對土壤酶活性的影響

2.3 不同處理對土壤微生物區系的影響

從表2可以看出，成熟期烤煙根際土壤中細菌數量最多，真菌數量最少。具體來說，T3處理的土壤細菌數量顯著高于其他幾個處理，T0、T2、T4處理次之，T1處理最少；土壤真菌和放線菌數量均以T4處理最多，顯著多于其他幾個處理；土壤微生物總量以T3處理最高，T4處理次之，T0處理最低。由土壤微生物區系指標看出，T3處理的效果較好。

表2 不同處理對土壤微生物區系的影響

2.4 不同處理對烤后煙葉化學成分的影響

煙葉內在化學成分是評價調制后煙葉樣品品質的重要指標，各項化學成分之間的協調性更能直接反映煙葉的內在品質及其可用性。對烤后各處理煙葉樣品進行分析，結果見表3。各高碳基肥處理在不同程度上均改善了烤煙的化學成分，高碳基肥料可以提高烤煙中鉀含量，降低氯含量，總體上以T3處理的效果最好。

表3 不同處理對烤后煙葉樣品（C3F）化學成分的影響

2.5 不同處理對烤煙中性致香物質含量的影響

從表4可以看出：不同高碳基肥料施用處理烤后煙葉的類胡蘿卜素類含量與對照相比差異顯著，其中T3的含量較高，其次是T4的含量，而T1的含量較低；不同處理烤后煙葉的苯丙氨酸類總量差異顯著，其中T3和T4的含量居前2位，其次是T0和T2的含量，T1的含量也較低；在類西柏烷類與棕色化反應產物方面，以T1處理的含量最高，T0次之；在新植二烯方面，T3處理的含量最高，T4次之，T1最低；致香物質總含量以T3處理最高，其次為T4處理，而T1、T2、對照間差異不顯著。

表4 不同處理對烤后煙葉樣品中性致香成分含量的影響 μg/g

3 討論

在一般情況下，增施高碳基肥能夠促進作物生長發育，并且隨著施用量的增加，對土壤改善的效果和對作物增產的效果越來越明顯［12］。在本研究中，施用高碳基肥后，隨著生育期的推進，煙株根系活力呈現先增后減的趨勢，這與大田烤煙根系活力的變化趨勢［16,18,25］一致。這是由于高碳基肥能夠有效提高土壤的礦化能力，且對肥力與水分有較強的保持能力，故高碳基肥促進了根系活力的提高［26］。有研究［28-29］表明，根際土壤pH值是影響烤煙早生快發的重要因素。由于本研究的試驗田土壤酸性較強，所以施用高碳基肥可以提高植煙土壤后期的pH值［42］，此也有可能是本研究中隨高碳基肥施用量增加根系活力先升后降的原因，故高碳基肥的施用量以1050 kg/hm2為宜［24,26-27］。

土壤酶活性能夠在一定程度上反映出土壤的養分供應能力及植株吸收養分的效果，在土壤養分循環以及植物生長所需養分的供給過程中起著重要作用［30］。本研究發現，高碳基肥中的活性物質促進了微生物繁殖，且其所含有的氮刺激土壤微生物活性，加速其對氮的利用，脲酶活性從移栽后30 d開始升高，在移栽后90 d時，T3處理的脲酶活性達到最大值；此后隨著生物質炭施用量的進一步增加，其發達的孔隙結構和較低密度使土壤中脲酶的載體微團聚體含量大量減少，導致脲酶活性降低［49］，這與王健［43］、王飛［44］等的研究結果一致。烤煙在旺長期對養分的需求增大，根系代謝能力增強，根系分泌物增加，高碳基肥的施用為酶促反應提供了充足的基質，從而有助于土壤蔗糖酶活性的增強，且在移栽后75 d時達到最大值，以處理T3的蔗糖酶活性最強，這與申進文等［45］的研究結果一致。施入高碳基肥對土壤過氧化氫酶活性的影響亦較為顯著，T3處理的過氧化氫酶活性在整個生育期內一直處于較高水平，生物碳的吸附力又可為微生物提供基礎養分，從而可以明顯提高土壤過氧化氫酶的活性［31-32］；但隨著高碳基肥用量的進一步增加，土壤有機碳含量也增加，C/N增大，C/N過高對過氧化氫酶活性的抑制作用要遠大于促進作用，導致過氧化氫酶的活性出現降低的趨勢［46，49］，故中高水平的生物碳添加對土壤過氧化氫酶活性的促進作用顯著高于高水平添加［47］。土壤多酚氧化酶主要來源于土壤微生物、植物根系分泌物及動植物殘體分解釋放的復合酶［51］，能把土壤中芳香族化合物氧化成醌，完成土壤芳香族化合物的循環［52］。在本研究中，土壤多酚氧化酶的活性在移栽后60 d開始明顯升高，這與李嬌等［53］施用生物有機肥后土壤多酚氧化酶活性增加的結果一致，表明該酶的活性在煙株生長中后期較強，從而促進了土壤有機質的分解，改善了煙株的生長發育。有研究表明，土壤多酚氧化酶可以促進土壤中酚酸類物質的降解，對消除連作障礙具有積極作用［49］，且增施高碳基肥處理的土壤多酚氧化酶活性明顯高于對照的，這可能主要因為處理使增加的微生物能加速對有機化合物的分解，可以為土壤酶活反應提供足量的底物［50］。另外，本試驗還發現，不同種類土壤酶活性的變化趨勢并不完全相同，土壤蔗糖、過氧化氫酶以及酸性磷酸酶的活性均在煙株生長旺盛的旺長期達到最大值，這說明這些土壤酶的活性與烤煙的生長關系密切；但是土壤脲酶和多酚氧化酶的活性在烤煙生育后期也依然保持著較高的水平，這說明不同種類土壤酶對周圍環境變化的響應并不完全相同［20］。

土壤微生物菌群數量及其活性是評價土壤肥力的重要指標。土壤微生物數量多、區系復雜，表示土壤微生態系統平衡，有利于作物健康生長［33］。本研究中高碳基肥的主要成分生物碳所具的空隙結構為土壤微根菌和細菌提供了良好的生長繁殖條件，在大多數情況下，細菌喜歡相對堿性的環境［34］；在堿性土壤中嗜堿性的放線菌數量較多；而真菌喜酸性土壤［35］。細菌數量的增多通過對生長底物的競爭也會抑制真菌的數量［50］，這在本研究中也有明顯的體現。微生物菌群數量隨有機肥用量在一定范圍內增加而增加，這主要是由于有機肥本身含有一些活性物質，施入土壤后不僅可以為微生物提供大量的能源和營養物質，還能促進根系對周圍養分的吸收［36］。

本研究結果顯示：施用高碳基土壤修復肥可以降低烤煙中部葉的煙堿含量，增加總糖和還原糖含量，可以調節糖堿比，這與周小紅等［37］的研究結果一致；鉀含量隨著高碳基肥料施用量的增多呈現遞增趨勢［38］，這是由于生物碳豐富的孔隙結構能夠競爭吸附土壤中較多的離子，進而可以促進煙株對所需養分的吸收。煙堿是煙草化學成分的核心物質，隨著高碳基肥施用量的增加，煙葉中的煙堿含量遞增，其主要在根部合成，再運送到地上部分并在葉中積累，因此根系中煙堿含量的高低在一定程度上與根系活力相關，并對地上部分葉片煙堿的含量有一定的影響［2］。

本試驗結果表明，添加生物碳的處理使得煙葉中的中性致香物質的總量增加。高碳基肥中的主要物質生物碳可以調控土壤養分平衡，提高土壤碳氮比，在不同程度上提高煙葉碳氮關鍵酶的活性，有利于促進煙株的碳氮代謝平衡［40］，這種平衡有助于內含物質的轉化，進而增加中性致香物質含量。

4 結論

本研究結果表明：基肥配施高碳基肥可顯著提高烤煙的品質；施用一定量的高碳基肥可以有效提高烤煙根系活力、土壤酶活性及土壤微生物數量，改善煙葉品質，使煙葉化學成分更加協調，香味物質含量更高。雖然可以改良土壤特有的理化特性，但撫州煙區對高碳基肥的需求量并非越多越有效，而是在較高施用量（1050 kg/hm2）的情況下效果最好。