高碳基土壤修复肥对植烟土壤有效微量元素及烟叶品质的影响

张军　朱丽　刘国顺等

摘要：2013年，在河南省许昌市襄城县紫云镇，利用生物炭与有机肥和微生物菌剂等制备的高碳基土壤修复肥研究了不同用量高碳基土壤修复肥对土壤微量元素含量的影响。分析不同用量的高碳基土壤修复肥及等量的氮磷钾化肥对烟田0～20 cm土层土壤有效Fe、Mn、Cu和Zn含量动态变化和烟叶常规化学成分含量的影响，可为高碳基土壤修复肥的合理施用和豫中烟区烟田的合理使用提供参考依据。结果表明：添加1 050 kg/hm2的高碳基土壤修复肥，有效Fe、Cu含量总体上略低于对照。有效Zn含量在生育前期略低于对照，生育后期高于对照，且80 d时与对照差异达到显著水平。有效Mn含量在整个生育期均高于对照；添加2 100、3 150 kg/hm2的高碳基土壤修复肥，有效Fe、Mn、Cu和Zn含量均高于对照，且施用量达到3 150 kg/hm2时，有效Fe、Mn、Cu和Zn含量在整个生育期内显著或极显著高于对照。增施高碳基土壤修复肥可降低中部烟叶烟碱含量和氯含量，烟叶总氮、还原糖和钾含量增加，糖碱比以增施1 050、2 100 kg/hm2的高碳基土壤修复肥较适宜。在常规施肥基础上，增施适量（2 100 kg/hm2）的高碳基土壤修复肥，对植烟土壤中微量元素的改善具有积极作用，有利于植烟土壤肥力的保持和烟叶品质的提高。

关键词：高碳基土壤修复肥；植烟土壤；动态变化；品质

中图分类号： S572.062文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0146-03

收稿日期：2014-12-26

基金项目：国家烟草专卖局特色烟重大专项（编号：110201101001）。

作者简介：张军（1988—），男，四川宜宾人，硕士研究生，主要从事烟草栽培生理生化研究。E-mail：zj362217639@outlook.com。

信作者：刘国顺（1954—），男，河南平顶山人，教授，博士生导师，从事烟草栽培生理生化教学与研究。E-mail：138898456@371.net。微量元素是烟草生长发育过程中不可缺少的必需元素，虽然在作物体内含量甚微，但却是烟株生长和烟叶产量、品质形成必不可少的营养元素。铁、锰、铜和锌是必需矿质营养元素，或是烟草物质代谢的组成成分，或是维持正常代谢和各种酶活动所必需的，在烟株生育过程中起着重要作用[1-2]。其中铁与烟叶香气前体物的形成有关，铜与烟叶中烟碱的含量有关，锰、锌与烟叶化学成分的协调性、香气质和香气量有关[2-5]。而长期以来氮磷钾肥用量的不断增加，忽视了微量元素的补给，导致土壤中微量元素养分失衡严重，是烟叶生产的重要制约因素[6-9]。因此改善土壤养分状况，提高烟叶品质是烟叶生产面临的一项重要工作。通过施用由生物炭、有机肥、矿物肥等配制的高碳基土壤修复肥，研究其对烟田0～20 cm土层土壤有效Fe、Mn、Cu和Zn含量动态变化的影响和中部烟叶常规化学成分含量的影响，可为高碳基土壤修复肥的合理施用和烟叶质量的可持续发展提供参考依据。生物炭是生物质在缺氧条件下热裂解形成的稳定的富碳产物，疏松多孔，比表面积大，表面含大量的羧基、羰基等，使其具有极强的吸附能力[10-11]。近年来，生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体等备受关注[12-14]。有机肥含有丰富的作物生长所需的营养物质，对土壤改良具有积极的作用[15-18]，与生物炭混合后，可消除生物炭养分低的缺点，而生物炭在其养分缓释释放过程中可起到协同和互补作用，提高肥料利用率。研究发现，生物炭与肥料配合施用可明显提升对作物的肥效。Steiner 等将生物炭与肥料溶液（硫酸铵+氯化钾+普通过磷酸钙）混合干燥后，可显著延长氮素供应期，增加土壤总氮量、有效磷和交换钾含量，促进作物对氮、磷吸收[19]。Khan等将木炭放入含N、P、K的溶液中吸附制备的炭基肥料，用模拟土壤溶液和蒸馏水淋洗，N、P、K养分均缓慢而恒稳地释放[20]。高海英等将竹炭和木炭放入硝酸铵水溶液中吸附制备的竹炭基氮肥和木炭基氮肥，可有效提高氮肥利用率，延长肥料养分在土壤中的存留期，减少养分淋失[21]。乔志刚等将生物炭与化肥混合制备的碳基肥，可显著提高水稻氮素利用率，有效降低氮素的损失[22]。尽管生物炭与无机肥料配合施用研究已有较多报道，但生物炭与多种肥料复合制备的炭基肥对植烟土壤微量矿质营养动态变化和烟叶品质的影响尚不清楚。本研究采用大田试验，研究不同用量的高碳基土壤修复肥处理下，分析植烟土壤中有效微量元素Fe、Mn、Cu、Zn含量的动态变化和烟叶常规化学成分含量，为制定烟田的合理施肥措施提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验时间、地点

本研究田间试验于2013年在河南省许昌市襄城县紫云镇进行，该区是我国浓香型烤烟的著名产区。

1.2试验材料

供试烤烟品种为豫烟10号，试验所需的高碳基土壤修复肥由河南农业大学烟草行业烟草栽培重点实验室研发，主要成分为生物炭、有机肥、微生物菌剂等，其中有机质含量≥50%，全氮、全磷和全钾含量分别≥2%，pH值=7.36，烟草专用复合肥中N、P、K含量分别为10%、10%、20%。硫酸钾肥料中K2O含量为50%。

1.3试验设计

供试土壤为褐土，土壤基本理化性状：pH值7.14，速效磷 6.76 mg/kg，速效钾115.72 mg/kg，碱解氮75.40 mg/kg，有机质 18.99 g/kg。采用完全随机区组设计，共4个处理：T0，常规施肥；T1，常规施肥+高碳基土壤修复肥1 050 kg/hm2；T2，常规施肥+高碳基土壤修复肥 2 100 kg/hm2；T3，常规施肥+高碳基土壤修复肥3 150 kg/hm2。常规施肥：N用量 30 kg/hm2，N ∶P2O5 ∶K2O=1 ∶1 ∶3.5；重复3次，小区面积300 m2，高碳基土壤修复肥用作基肥条施。各处理于移栽后30 d开始，每隔10 d采集1次土壤样品，共采集7次。在采样区随机选择3个点，于2株烟茎基部30～35 cm处取 0～20 cm 土层样品，并自然风干，研磨备用。成熟期分叶位采收，烘烤后取各处理的中部叶（C3F）进行烟叶常规化学成分分析。

1.4分析方法

土壤有效Fe、Mn、Cu、Zn采用DTPA提取液提取，美国瓦里安的ICP-OES进行测定，烟叶常规化学成分采用AAⅢ型流动化学分析仪根据《烟草及烟草品质》标准方法测定，数据分析采用SPSS 20和Excel 2013进行，图片制作采用 Origin 8.0。

2结果与分析

2.1高碳基土壤修复肥对植烟土壤有效Fe含量的影响

由图1可知，T1处理有效Fe含量在整个生育期内总体上低于对照，其中60 d时有效Fe含量与对照差异达到极显著水平，较对照降低了15.52%。T2处理有效Fe含量在不同时期均高于对照，其中除40 d时有效Fe含量与对照差异不显著外，其余时期差异达到显著或极显著水平，较对照提高了11.14%～38.40%。T3 处理有效Fe含量在整个生育期内均极显著高于对照，较对照提高了23.63%～70.73%。

2.2高碳基土壤修复肥对植烟土壤有效Mn含量的影响

由图2可知，施用高碳基土壤修复肥后，各处理有效Mn含量均高于对照。整个生育期内，有效Mn含量总体表现为先上升，后降低再升高的趋势，其中60 d时，土壤有效Mn含量下降幅度较大，说明此期间烟株对土壤中Mn的吸收量较大。与对照相比，T1处理各时期有效Mn含量均高于对照，比对照提高了13.58%～45.35%，且90 d时，有效Mn含量与对照差异达到显著水平。T2与T3处理有效Mn含量在整个生育期均极显著高于对照，分别比对照提高了69.49%～148.97%和 80.65%～193.49%。

2.3高碳基土壤修复肥对植烟土壤有效Cu含量的影响

由图3可知，施用高碳基土壤修复肥后，T1 处理有效Cu含量除30 d时极显著高于对照外，其余均低于对照，其中50 d 时，差异达到显著水平，较对照下降了12.5%。T2处理有效Cu含量在整个生育期均高于对照，其中30、40 d时与对照差异达到极显著水平，分别比对照提高了30.53%、28.79%，其余时期差异未达到显著水平。T3处理有效Cu含量在整个生育期均高于对照，其中50、60、90 d时有效Cu含量显著高于对照，其余时期差异达到极显著水平，较对照提高了10.89%～37.91%。

2.4高碳基土壤修复肥对植烟土壤有效Zn含量

由图4可知，各处理有效Zn含量变化趋势相同，其中60 d 时，有效Zn含量下降幅度较大，说明此期间烟株对土壤中Zn的吸收量较大。之后土壤中有效Zn含量迅速增加，且在80 d时，有效Zn含量达到最高值。这可能与受根际效应的影响有关，顶端优势的去除，使得不同范围根系快速生长，根系通过改变周围土壤pH值和分泌有机酸，促进土壤中碳酸盐、硅酸盐、氧化物态Zn的溶解，引起土壤中不同存在形态的Zn的释放，且活化量大于烟株吸收量[23]。与对照相比，大田生育前期，T1 处理有效Zn含量略低于对照，但差异未达到显著水平。生育后期高于对照，其中80 d时，有效Zn含量与对照差异达到极显著水平，比对照提高了11.16%。T2 处理有效Zn含量均高于对照，其中80、90 d时，有效Zn含量与对照差异达到极显著水平，分别比对照提高了41.89%、55.95%。T3 处理有效Zn含量在整个生育期内均高于对照，且与对照差异达到显著或极显著水平，较对照提高了14.86%～79.89%。

40 d时，各处理土壤中有效Fe、Mn、Cu和Zn含量均有所降低，这可能与炎热干旱天气导致土壤含水率、氧化还原电位及各离子间相互作用等的改变有关，土壤中的Fe、Mn、Cu和Zn在不同存在形态间重新再分配，有效性降低[24-25]，同时含水率下降，在土壤中的迁移缓慢，扩散系数和扩散程度均受到严重制约[26]。在高氧化还原电位条件下，可促进土壤中二价Fe转化为三价Fe和高价Mn含量增加，土壤中Fe、Mn有效性降低[27-28]。50 d时，各处理有效Fe、Mn、Cu和Zn含量有较大幅度提高，这可能与灌水后，改变了土壤含水率和氧化还原电位等有关，还原作用加强，有利于土壤中的Fe、Mn、Cu和Zn向弱结合态转化，有效性增加[29-30]。在低氧化还原电位下，高价铁锰化合物还原成低价化合物，溶解度增加，Fe、Mn有效性增大。同时，铁锰化合物中包被的Cu、Zn也被大量的释放出来[31]。进入成熟期后，土壤中有效Fe、Mn、Cu含量增加，有效Zn含量减少，可能与成熟期烟株对土壤中Fe、Mn、Cu的吸收量减少，同时根系开始衰老，活力下降有关[32]。

2.5高碳基土壤修复肥对烟叶品质的影响

还原糖和烟碱含量的比值常被用作评价烟叶烟气强度和柔和性的基础，二者的协调是形成均衡烟气的重要因素。一般认为优质烟的总糖含量要求达到18%～22%、还原糖16%～ 18%、烟碱1.5%～3.5%、总氮1.5%～3.5%、还原糖与烟碱的比值在8～10之间，钾离子含量≥2%、氯离子含量≤1%。从表1可知，与对照相比，施用高碳基土壤修复肥后各处理烟叶中烟碱和氯含量均有所降低，其中T2处理中烟碱和氯含量显著低于对照。烟叶中还原糖和总氮含量均显著高于对照。糖碱比以T1和T2处理较适宜，而对照处理中烟碱含量较高，还原糖含量较低，糖碱比较低。各处理中钾离子含量均低于优质烟钾离子含量范围，但施用高碳基土壤修复肥后，烟叶中钾离子含量均有所增加，其中T2处理含量最高，比对照高23%，差异达到显著水平。

3结论与讨论

施用高碳基土壤修复肥，T1处理有效Fe和有效Cu含量总体上略低于对照。土壤有效Mn含量在整个生育期内略高于对照。有效Zn含量在大田生育前期略低于对照，而生育后期则高于对照。这可能与根系通过改变土壤pH值和分泌有机酸，促进碳酸盐结合态和氧化物态Zn等的溶解，引起土壤中不同存在形态的Zn的释放有关[23]。T2和T3处理有效Fe、Mn、Cu和Zn含量在整个生育期内均高于对照，其中T3处理土壤有效Fe、Mn、Cu和Zn含量与对照差异达到显著或极显著水平。增施高碳基土壤修复肥可降低中部烟叶烟碱含量和氯含量，烟叶钾、还原糖和总氮含量增加，还原糖含量与烟碱含量比值增加，其中以T1和T2处理较适宜。故增施适量的高碳基土壤修复肥可提高植烟土壤中微量元素含量和改善烟叶品质。本研究表明，在常规施肥的基础上增施2 100 kg/hm2的高碳基土壤修复肥有利于植烟土壤的肥力保持和烟叶品质的提高。

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