深耕条件下生物炭对烤烟根系活力、叶片SPAD值及土壤微生物数量的动态影响

胡瑞文，刘勇军，荆永锋，周清明，刘智炫，黎 娟*，邵 岩，刘 卉

(1.湖南农业大学，湖南长沙410128；2.湖南省烟草科学研究所，湖南长沙410000；3.湖南中烟工业有限责任公司，湖南长沙410000)

生物炭是生物质在厌氧条件下高温裂解后生成的富含孔隙、具有芳香烃结构的物质，由于其材料来源广泛，又具有多孔性和高比表面积的特征，对环境的污染较小[1-3]，能有效降低土壤重金属含量[4]，是当今农业和能源等领域的研究热点。有研究[5-6]表明，施用生物炭对烤烟生长过程中的株高、茎围、有效叶片数等均有影响且高于未施用生物炭的处理，土壤中增施生物炭后提高了烤后烟叶的总产量以及上、中等烟叶的产出率，且能调节烟叶内在化学成分的协调性，改善烟叶品质。

土壤深翻耕技术与秸秆还田结合，是一种有效的土壤肥沃耕层构建模式[7]，而目前把此类耕层构建模式利用到烤烟生产上，且关注其对植烟土壤微生态环境和烤烟生长的动态影响的报道较少。本研究用生物炭作为秸秆还田的原料，研究在深耕条件下，施用生物炭对烤烟根系活力、叶片SPAD值及土壤微生物数量的动态影响，旨在探讨深耕条件下有利于湘西自治州土壤微生态环境和烤烟生长的施炭量，以期为生物炭在湘西州优质烟叶生产中的应用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年4—9月在湖南省湘西州凤凰县千工坪乡进行，位于东经109°29′58″、北纬28°1′26″，该地区属于“喀斯特”地貌，海拔420 m，气候属中亚热带季风湿润气候。试验地肥力情况为：碱解氮含量59.50 mg/kg、有效磷含量32.16 mg/kg、速效钾含量253.88 mg/kg，pH 6.50。

1.2 供试材料

供试生物炭为稻壳生物炭，由湖南正恒农业科技发展有限公司提供，养分含量如下：碱解氮含量25.67 mg/kg、速效磷含量0.459 g/kg、速效钾含量3.71 g/kg、pH 9.44。

试验品种为云烟87。供试基肥、追肥和提苗肥等肥料由湖南金叶众望科技股份有限公司提供。

表1 试验处理及生物炭用量

1.3 试验设计

本试验为单因素试验，试验田深耕深度均为30 cm，生物炭用量设计3个处理和1个对照(表1)，每个处理3次重复，共计12个小区，种植密度行株距为1.1 m×0.55 m，每小区种植50株，试验小区四周设置保护行。试验施氮量为112.50 kg/hm2，其中氮磷钾肥施用比为m(N) ∶m(P2O5) ∶m(K2O)=1 ∶ 1.18 ∶ 2.85，施肥方式为条施。试验于2016年4月12日施生物炭，生物炭施用方法：在整地前、试验小区划分好后，按照各处理生物炭用量将生物炭均匀撒施在供试小区地表，旋耕深翻30 cm，使其与土壤充分混合。4月28日移栽。各处理除生物炭施用量外，其它措施均一致。

1.4 测定项目及方法

土壤及烟株样品采集：于团棵期(移栽后30 d)、旺长期(移栽后60 d)、成熟期(移栽后90 d)按五点取样法选取烟株，采用抖根法[8]采集根际土样，去除土样中的杂物、细根后混匀放入自封袋中，用冰盒带回实验室，放入4 ℃冰箱保存，用于土壤微生物数量的测定。采集土样后，将选取的烟株根系洗净，用于烤烟根系活力的测定。

1.4.1 烤烟根系活力的测定 采用TTC法[9]测定烤烟根系活力，四氮唑还原强度(μg·g-1·h-1)=四氮唑还原量(μg)/[根质量(g)×时间(h)]。

1.4.2 烤烟叶片SPAD值的测定 于移栽后30 d选取烟叶中部烟叶，移栽后60 d选取下部叶、中部叶和上部叶，移栽后90 d选取上部叶和中部叶进行测定，使用仪器为便携式叶绿素测定仪SPAD-502，测量每片烟叶时分别对叶基部、叶中部和叶尖进行读数，取平均值。

1.4.3 土壤微生物数量的测定 参考文献[10]称取10 g土壤加入到装有90 mL无菌水的三角瓶中，放入摇床中，28 ℃、200 r/min震荡30 min，充分悬浮，静置半小时后，取上清液稀释后得到10-1～10-6的悬浮液，取100 μL稀释悬浮液均匀涂抹于LB培养基、马丁孟加拉红-链霉素培养基、高氏1号培养基上，平行3次，转入28 ℃恒温培养箱中倒置培养(细菌2～3 d、真菌3～5 d、放线菌5～7 d)。

1.5 数据处理

数据分析采用Excel和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析与作图，方差分析采用邓肯新复极差法，文中表和图小写字母表示在0.05水平呈显著差异，大写字母表示在0.01水平呈显著差异。

2 结果与分析

2.1 生物炭对烤烟根系活力的动态影响

由图1可知，团棵期各处理烤烟根系活力差异不显著，旺长期和成熟期各处理烤烟根系活力呈显著差异(P<0.05)。团棵期各处理烤烟根系活力均值在163.94～178.86 μg/(g·h)，其中以T3处理最高，CK最低，各处理从高到低依次为：T3、T2、T1和CK。旺长期各处理烤烟根系活力均值在190.63～215.45 μg/(g·h)，其中以T2处理最高，CK最低，各处理从高到低依次为：T2、T3、T1和CK。T2、T3和T1处理的根系活力比CK分别增加了13.02%(P<0.05)、4.62%和2.77%。成熟期各处理烤烟根系活力均值在112.77～133.69 μg/(g·h)，其中以T2处理最高，T3处理最低，各处理从高到低依次为：T2、T1、CK和T3。T2和T1处理的根系活力比CK分别增加了13.78%(P<0.05)和11.39%。表明施加生物炭在成熟期能够在一定范围显著提高烤烟的根系活力，但是施用过多(T3)会导致烤烟根系活力下降，以施用生物炭3 750 kg/hm2(T2)较适宜。

图1 生物炭用量对烤烟不同生育期根系活力的影响Fig.1 Effect of biological carbon content on root vigor of flue-cured tobacco at different growth stages

2.2 生物炭对烤烟叶片SPAD值的动态影响

由表2可知，不同时期烤烟叶片SPAD值存在显著差异。从团棵期来看，各处理中部叶叶片SPAD值以CK最高，以T1最低，且CK处理显著高于T1处理，各处理从高到低依次表现为：CK、T2、T3和T1。

从旺长期来看，各处理不同部位的叶片SPAD值由大到小依次为上部叶、中部叶和下部叶。上部叶各处理叶片SPAD值以T2处理最高，以CK最低，从高到低依次为：T2、T1、T3和CK，其中T2处理比CK显著提高了14.65%。中部叶各处理叶片SPAD值从高到低依次为T2、T1、CK和T3，其中T2和T1处理的叶片SPAD值比T3处理显著提高了10.32%和9.98%。下部叶各处理叶片SPAD值以T3处理最高，以CK最低，从高到低依次为T3、T1、T2和CK，其中T3、T1和T2处理的叶片SPAD值比CK分别提高了11.11%、2.75%和2.70%。

从成熟期来看，各处理不同部位的叶片SPAD值表现为上部叶>中部叶。上部叶各处理叶片SPAD值以T2处理最高，以T3处理最低，从高到低依次为：T2、T1、CK和T3，其中T2和T1处理的叶片SPAD值比CK显著提高了14.41%和13.19%。中部叶各处理叶片SPAD值以T1处理最高，以T3处理最低，从高到低依次为T1、T2、CK和T3，其中T1和T2处理的叶片SPAD值比CK显著提高了26.88%和24.12%。

表2 生物炭还田用量对烤烟不同生育期叶片SPAD值的影响

2.3 生物炭对土壤微生物数量的动态影响

由表3可知不同生育期各处理土壤细菌和真菌数量呈显著差异但放线菌差异不显著。

从团棵期来看，各处理的土壤细菌数量呈现显著差异，其中以T2处理细菌数量最高，T3处理的最低，各处理从高到低依次排列为：T2、T1、CK和T3。T2处理的细菌数量比CK显著增加了71.59×105CFU/g(P<0.05)。各处理真菌数量呈极显著差异，其中以T2处理真菌数量最高，以T3处理的最低，各处理从高到低依次排列为：T2、T1、CK和T3。T2处理的真菌数量比T1、CK和T3显著(P<0.01)增加了2.41×102CFU/g、3.69×102CFU/g、3.74×102CFU/g。各处理的放线菌数量差异不显著，其中以T1处理的放线菌含量最高，以CK的放线菌含量最低，各处理从高到低依次排列为：T1、T2、T3和CK。

表3 不同处理烤烟根际土壤微生物数量的变化

从旺长期来看，各处理的土壤细菌数量呈极显著差异，其中以T2处理细菌数量最高，以CK的最低，各处理从高到低依次排列为：T2、T1、T3、CK。T2处理的细菌数量比T1、T3和CK显著增加了58.44×105CFU/g(P<0.01)、72.40×105CFU/g(P<0.01)、76.83×105CFU/g(P<0.01)。各处理真菌数量呈显著差异，其中以CK真菌数量最高，以T2处理的最低，各处理从高到低依次排列为：CK、T3、T1、T2。CK的真菌数量比T2、T1和T3增加了25.77×102CFU/g(P<0.05)、22.12×102CFU/g(P<0.05)、14.00×102CFU/g(P>0.05)。各处理的放线菌数量差异不显著，其中以T2处理的放线菌数量最高，以T3处理的最低，各处理从高到低依次排列为：T2、T1=CK、T3。T2处理的放线菌数量比CK和T3处理分别增加了0.41×104CFU/g和1.25×104CFU/g。

从成熟期来看，各处理的土壤细菌数量呈极显著差异，其中以T1处理细菌数量最高，以T2处理的最低，各处理从高到低依次排列为：T1、T3、CK、T2。T1处理的细菌数量比T2、CK和T3处理显著增加了51.19×105CFU/g(P<0.01)、36.51×105CFU/g(P<0.01)、33.73×105CFU/g(P<0.01)。各处理真菌数量呈极显著差异，其中以T1处理真菌数量最高，以T3处理的最低，各处理从高到低依次排列为：T1、T2、CK、T3。T1处理的真菌数量比T3、CK和T2处理增加了115.87×102CFU/g(P<0.01)、110.71×102CFU/g(P<0.01)、64.29×102CFU/g(P>0.01)。各处理的放线菌数量差异不显著，其中以CK的放线菌数量最高，以T3处理的放线菌数量最低，各处理从高到低依次排列为：CK、T2、T1、T3。

2.4 根系活力与微生物数量的相关分析

烤烟3个生育期的根系活力与微生物数量的相关分析表明(表4)，在旺长期烤烟根系活力与土壤细菌数量存在极显著正相关，而其它时期无显著相关。根系活力与土壤真菌和放线菌数量在3个生育期均无显著相关。

表4 不同生育期根系活力与微生物数量的相关分析

* *表示在0.01 水平(双侧)上显著相关

* *Indicates a significant correlation at 0.01 levels (bilateral)

3 讨论与结论

根系活力既可以作为烟株生命活动的重要指标，还可以作为胁迫环境下烟株生育和吸收养分的障碍因素指标[11-12]。尤方芳等[13]研究表明生物炭与肥料配施后，烤烟根系活力得到提高，烟叶的生物量有显著提高，缓解了烟株所受的环境胁迫，促进了烟株的生长。本研究与前者研究有相似之处，在团棵期生物炭对烤烟根系活力无显著影响，在旺长期和成熟期T2处理的根系活力显著高于CK，说明生物炭能促进烤烟根系的生长。但不同之处在于成熟期时，T3处理根系活力略低于对照，但差异不显著，说明生物炭施用过多会抑制烤烟根系的生长，可能是由于当生物炭施用量过高时，生物炭中含有的重金属及多环芳烃等有毒物质对部分土壤微生物的生长存在抑制作用[14-15]，从而影响了根系生长的微生物环境，干扰了烤烟根系的正常生长。

叶绿素是光合作用的重要色素，且其含量和降解产物的积累量与烟叶的外观质量和内在品质密切相关[16-17]。而SPAD值是叶绿素的相对含量。有研究表明[18-19]施用适量生物炭后,可提高烟株生长中、后期叶绿素含量,促进烟叶的光合作用，延长烟株成熟期,促进烟叶适时落黄。本研究结果与之相似，施用生物炭的处理在团棵期时烤烟叶片SPAD值均低于CK，可能是因为施用生物炭后，在烤烟生长前期土壤养分失调，速效氮供应不足导致烤烟苗期生长受到抑制。旺长期和成熟期时烤烟叶片SPAD值均高于CK，且在旺长期上部叶和中部叶以T2处理最高，下部叶以T3处理最高；成熟期上部叶以T2处理最高，中部叶以T1处理最高。

土壤微生物在有机质的转化[20]、土壤团聚体的形成[21]、残留物的降解和营养物质的矿化[22]等生物化学过程起着重要的作用。土壤中细菌数量的增加有利于土壤养分的转化，能为植物的生长提供良好的环境，而土壤中放线菌数量的增加不仅能促进土壤有机质转化，还能产生抗生素，对植物的土传病原菌起到一定的拮抗作用[23]。谷思玉等[24]研究表明，施入一定量的生物炭可以显著增加大豆根际土壤中细菌的数量,放线菌和真菌的数量也有所增加。这与本研究结果一致。在本研究结果中，团棵期和旺长期T2处理土壤细菌数量显著高于CK，成熟期T1处理土壤细菌数量显著高于CK；而在土壤真菌数量上，团棵期T2处理、成熟期T1和T2处理均显著高于CK，但在旺长期施用生物炭的处理土壤真菌数量均低于CK，可能是由于生物炭的抑制作用[25]或是土壤的稀释作用造成的，其中具体的原因还有待进一步研究。对于土壤放线菌各个处理在各生育期无显著差异，但呈现一定的规律，都是随着生育期的延长呈现先减少后增加的趋势。生物炭的施用能增加土壤微生物数量的原因可能是生物炭具有多孔性及高芳香烃结构，能成为土壤微生物的栖息场所,给土壤微生物生长提供所需养分。

本文将3个不同生育期的烤烟根系活力与微生物数量进行相关分析，结果表明只有在旺长期烤烟根系活力与细菌数量呈极显著正相关，而与真菌数量和放线菌数量无显著相关。其原因可能是施用生物炭能改变土壤细菌的Alpha多样性，而对真菌的Alpha多样性影响不大[26]，而在土壤细菌中某些根际优势细菌能提高植株的根系活力[27]。在烟叶生产中，可在旺长期对烤烟根系施加某些功能性菌肥，以促进烤烟的生长发育。

在深耕条件下施用生物炭能促进烤烟根系的生长，旺长期和成熟期以T2处理根系活力最大，且显著高于CK；施用生物炭在烤烟旺长期和成熟期能提高叶片SPAD值，进而促进了烟叶的光合作用；施用生物炭能增加土壤微生物数量，其中T2处理在团棵期和旺长期土壤细菌数量、团棵期和成熟期土壤真菌数量均显著高于CK。综合来看，3 750 kg/hm2用量(T2)的生物炭施用效果最好。