生物炭与豆浆灌根对植烟土壤与烟叶产质量的影响

邱岭军， 张 翔*， 徐 敏， 李 亮， 毛家伟， 司贤宗， 索炎炎， 程培军， 何 雷

(1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所， 河南 郑州 450002； 2.河南省烟草专卖局， 河南 郑州 450008)

0 引言

【研究意义】随着我国人地矛盾的日益突出，整个烟草行业都存在着长期单施或过量施用化肥而忽视有机肥配施和先进种植模式的革新[1]，导致植烟土壤有机质分解缓慢、碳氮比例失衡、土传病害加重、有益微生物群落多样性降低、团粒结构遭到破坏和地力衰退等一系列问题[2-3]。土壤作为植物生长发育的载体，其物理化学性质、肥力高低以及微生物活性与烤烟生长代谢关系紧密，直接影响烤烟的产量和产值[4]，若地力受损致使烟株生长发育不良，内部氮素转化合成受阻、烤后烟叶化学成分不协调等，再加上低温、干旱等自然环境因素的限制，严重制约烟叶产质量的进一步提升[5]，探明旱作烟区生物炭配豆浆灌根对植烟土壤微生物区系、肥力特性及烤后烟产质量的影响具有重要意义。【前人研究进展】烤烟是我国重要的经济作物之一，在豫西地区广泛推广种植，豆浆灌根已成为具有区域特色的一项重要提质增效技术措施，推广面积已达90%以上，是长期生产实践中形成的一套成熟有效的追肥技术，具有成本低、肥效好、生态环保和易操作等优点[6]。生物炭是继有机无机配施、绿肥翻压及科学轮作之后又一种新兴的土壤改良方法，是增强农业系统生产力、调控土壤根际生境、减缓烟草连作障碍、促进烟草碳氮代谢及提升烟叶品质的一项重要技术途径[7-9]，其是由生物质(如秸秆、废弃物、树枝等)在缺氧条件下经过热裂解而形成的炭化物，可有效提高烟叶的钾离子、总糖和还原糖含量，协调烟叶化学成分，同时降低烟碱含量，是土壤固碳量增加的有效措施[10-11]。【研究切入点】目前，鲜见关于旱作烟区穴施生物炭与豆浆灌根耦合效应对土壤生物学特性及烟叶品质的研究报道。为此，采用田间试验方法，探究穴施生物炭与豆浆灌根对植烟土壤及烟叶产质量的影响。【拟解决的关键问题】探明穴施生物炭与豆浆灌根对根际土壤微生物群落、土壤理化性状、养分含量、烤烟生理指标和病害防治效果的影响，以期为旱作植烟土壤地力保育、缓解连作障碍和改善烟叶质量提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在卢氏县杜关镇民湾村进行，试验地肥力均匀一致，地势平坦，排灌方便，土壤基础理化性质为pH 7.78，有机质13.7 g/kg，全氮0.96 g/kg，碱解氮83.5 mg/kg，有效磷12.8 mg/kg，速效钾157 mg/kg，氯离子10.7 mg/kg。试验前茬作物为烤烟。

1.2 材料

1.2.1 作物 供试作物为烤烟品种云烟87，由卢氏县烟草公司提供。

1.2.2 肥料 烟草专用复合肥料(N 10%、P2O512%、K2O 18%)、饼肥、硝酸钾(N 13%、K2O 46%)和硫酸钾(K2O 50%)，均由卢氏县烟草公司提供。

1.2.3 生物炭 秸秆生物炭，天津博尔迈生物科技有限公司生产。其基本性质为pH 9.18，有机碳515 g/kg，全氮11.3 g/kg，全磷1.55 g/kg，全钾42.1 g/kg，全量Ca和Mg含量分别为10.1 g/kg和3.82 g/kg，Mehlich Ⅲ提取有效P、K、Ca和Mg含量分别为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 试验设计 采用随机区组设计，共设4个处理：T1，常规施肥(对照)；T2，常规施肥+生物炭；T3，常规施肥+豆浆灌根；T4，常规施肥+生物炭+豆浆灌根。

常规施肥中芝麻饼肥450 kg/hm2，复合肥(N∶P2O5∶K2O为10∶10∶20)300 kg/hm2，磷钾不足部分由重过磷酸钙和硫酸钾补充，按常规施用方式进行，各处理氮、磷、钾用量一致，氮肥70%条施、30%穴施，磷肥全部条施，钾肥50%条施、20%穴施、30%追施；生物炭为穴施，750 kg/hm2；豆浆(黄豆浆)灌根，112.5 kg/hm2。5月12日移栽，9月25日采烤结束，其余田间生产管理措施统一按当地优质烟叶生产规范进行。

1.3.2 样品采集与指标测定

1) 样品采集。于烤烟生长的团棵期(移栽后30 d)、旺长期(移栽60 d)和成熟期(移栽后90 d)3个生育期在烟垄上采集2株烟中间位置0～20 cm土层3个重复的土样，采用5点法混匀后取1/4混合土样低温冷藏带回室，鲜样去杂后测定土壤理化性质及物理性状，其余土样风干后研磨测定养分含量。

2) 指标测定。土壤微生物区系采用稀释平板分离测数法测定[12]，土壤pH采用电位法(ZD型酸度计)测定[13]，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用醋酸铵浸提-火焰光度计法测定[14]。

1.3.3 经济性状考察与烟株病虫害调查

1) 经济性状。烟叶成熟后不同处理分区采收和计产，根据烤烟国家标准(GB 2635-1992)进行分级，计算中上等烟率，并按2019年国家烟草专卖局收购指导价格计算烟叶各等级单价；产量、产值由小区产量、产值折算。

2) 烟株病虫害调查。分别在团棵期、旺长期和圆顶期调查病毒类病害(TMV,PVY)和根茎类病害(黑胫病和根黑腐病)，并计算烟株发病率。

1.4 数据处理

采用Excel 2003和SPSS 17.0对数据进行统计与分析，不同处理间差异显著性(P<0.05)采用Duncan′s新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理烤烟的农艺性状

从表1可知，不同处理烤烟团棵期、旺长期和圆顶期株高、茎围、叶片数、叶长和叶宽的变化。团棵期：株高为27.0～29.3 cm，依次为T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4较T1分别高5.93%、3.70%和8.52%。茎围为5.5～5.8 cm，依次为T4>T2=T3>T1，T2、T3和T4较T1分别大3.64%、3.64%和5.46%。叶片数为12.0～13.0片/株，依次为T2=T4>T1>T2，T2和T4较T1均多8.33%。叶长为29.5～33.8 cm，依次为T2>T4>T3>T1，T2、T3和T4较T1分别长14.58%、10.85%和13.90%。叶宽为17.4～21.9 cm，依次为T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4较T1分别宽21.84%、15.52%和25.86%。旺长期：株高为89.7～95.3 cm，依次为T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4较T1分别高5.69%、3.01%和6.24%。茎围为8.3～8.9 cm，依次为T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4较T1分别大3.61%、1.21%和7.23%。叶片数为16.0～18.0片/株，依次为T2>T3=T4>T1，T2、T3和T4较T1分别多12.5%、6.25%和6.25%。叶长为60.3～65.5 cm，依次为T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4较T1分别长6.47%、3.65%和8.62%。叶宽为30.7～34.8 cm，依次为T4>T3>T2>T1，T2、T3和T4较T1分别宽7.49%、12.38%和13.36%。圆顶期：株高为139.7～147.9 cm，依次为T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4较T1分别高5.08%、0.57%和5.87%。茎围为11.2～12.1 cm，依次为T4>T2>T1>T3，T2和T4较T1分别大1.77%和7.08%，T3较T1小0.89%。叶片数为22.0～24.0片/株，依次为T2>T4>T1=T3，T2和T4较T1分别多9.09%和0.455%。叶长为70.3～74.3 cm，依次为T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4较T1分别长4.84%、1.42%和5.69%。叶宽为40.7～44.0 cm，依次为T4>T2>T1>T3，T2和T4较T1分别宽0.74%和8.11%，T3较T1窄1.47%。

表1 不同处理烤烟各生育时期的农艺性状

2.2 不同处理植烟土壤的微生物和有机碳量

从表2可知，不同处理土壤细菌、真菌和放线菌等微生物数量的变化。细菌细菌、真菌和放线菌分别为(0.83～1.50)×107个/g、(2.10～2.50)×105个/g和(1.30～2.40)×106个/g，均为T4>T3>T2>T1，各处理间细菌差异显著，真菌差异不显著，放线菌T4显著高于其余处理、T1显著高于其余处理、T2和T3差异不显著。细菌/真菌为39.52～60.00，依次为T4>T3>T2>T1，T1和T2差异不显著，二者显著低于其余处理，T4显著高于其余处理。溶解性有机碳为0.06～0.13 g/kg，各处理间细菌差异不显著。总体看，常规施肥+生物炭+豆浆灌根有利于提高土壤微生物群落功能多样性和数量。

表2 不同处理植烟土壤有机碳和微生物的数量

2.3 不同处理烟株的发病率

从表3看出，不同时期各处理烟株黑胫病和根腐病发病率的变化。团棵期：各处理均未发生黑胫病。根腐病，T1最高，为3.0%；T3其次，为1.0%；T2和T4最低，均为0.5%。旺长期：各处理均未发生黑胫病。根腐病，T1最高，为5.5%；T3其次，为2.0%；T4最低，为1.5%。圆顶期：黑胫病和根腐病分别为2.1%～5.0%和3.0%～8.5%，均为T1>T3>T2>T4；黑胫病病发病率T2、T3和T4较T1分别降低50.0%、16.0%和58.0%，根腐病发病率T2、T3和T4较T1分别降低47.06%、41.18%和64.71%。总体看，以常规施肥+生物炭+豆浆灌根的防治效果最佳。

表3 不同处理烟株的发病率

2.4 不同处理植烟土壤的物理性质

从表4可知，不同时期各处理土壤含水率、温度、盐度、电导率、介电常数和总溶解固体的变化。团棵期、旺长期和圆顶期各处理的含水率分别为10.72%～12.39%、13.55%～20.73%和31.67%～35.40%，依次为T4>T3>T2>T1、T4>T3>T2>T1和T3>T4>T2>T1。温度分别为33.39～36.45℃、15.67～29.60℃和27.00～28.80℃，依次为T4>T3>T1>T2、T4>T2>T1>T3和T4>T3>T1>T2。盐度分别为44.73～53.87 mg/L、32.73～44.10 mg/L和67.80～86.33 mg/L，依次为T4>T1>T2>T3、T4>T1>T3>T2和T1>T3>T4>T2。电导率分别为7.20～9.27 μs/cm、11.22～15.95 μs/cm和7.06～7.79 μs/cm，依次为T1=T4>T2>T3、T3>T1>T2>T4和T1>T2>T4>T3。介电常数分别为6.17～6.86、7.64～8.97和12.69～14.21，依次为T3>T4>T2>T1、T4>T2>T3>T1和T1>T2>T4>T3。总溶解固体分别为45.27～58.87 mg/L、39.53～45.60 mg/L和37.00～38.80 mg/L，依次为T3>T2>T1>T4、T4>T2>T3>T1和T4>T3>T1>T2。表明，常规施肥+生物炭+豆浆灌根有利于改善土壤水分环境和通气状况，有利于疏松土壤及优化土壤耕作性能。

表4 不同处理植烟土壤的物理性质

2.5 不同处理植烟土壤的pH及养分

从表5看出，不同处理土壤pH及有机质、全氮和碱解氮等养分含量的变化。各处理土壤pH为7.56～8.03，依次为T2>T3>T1>T4，处理间差异不显著。有机质为14.0～15.2 g/kg，依次为T4>T3>T2>T1，处理间差异不显著。全氮和碱解氮分别为98.0～110.0 mg/kg和71.9～78.2 mg/kg，依次为T4>T3=T2>T1和T1>T4>T3>T2，各处理间全氮差异不显著，碱解氮T1显著高于其余处理、其余处理差异不显著。有效磷为12.1～13.5 mg/kg，依次为T4>T3>T2>T1，T3和T4显著高于T1和T2，T1与T2间和T3与T4间差异不显著。速效钾为160.0～186.0 mg/kg，依次为T3>T4>T2>T1，T3和T4显著高于T1和T2，T1与T2间和T3与T4间差异不显著。腐殖质为0.125～0.156 mg/kg，依次为T4>T2>T3>T1，T4显著高于其余处理，其余处理间差异不显著。表明，常规施肥+生物炭、常规施肥+豆浆灌根、常规施肥+生物炭+豆浆灌根后可为烤烟旺长期快速生长提供充足养分。

表5 不同处理植烟土壤的pH及养分含量

2.6 不同处理烤烟的经济性状

从表6可知，不同处理烟叶的产量、产值、均价和中上等烟比例的变化。产量和均价：均以T4最高，分别为2 211.5 kg/hm2和27.4元/kg；T3其次，分别为2 185.3 kg/hm2和26.9元/kg；T1最低，分别为2 082.5 kg/hm2和26.1元/kg；各处理间差异均不显著。产值和中上等烟比例：均以T4最高，分别为6.02 万元/hm2和70.8%；T3其次，分别为5.33 万元/hm2和64.0%；T1最低，分别为4.78 万元/hm2和52.6%；T4显著高于其余处理，T1显著低于其余处理，T2与T3间差异不显著。总体看，常规施肥+生物炭+豆浆灌根更有利于提高烟叶的产质量。

表6 不同处理烤烟的经济性状

3 讨论

土壤微生物作为土壤-植被生态系统中最活跃和主要参与者[15]，是土壤碳、氮、磷和硫等元素循环的“推进器”和养分有效性的“转换器”，参与土壤物质能量循环、肥力演变及维持生态系统平衡。土壤微生物种群数量、多样性及优势菌属的变化是评估土壤生态系统质量、健康水平的指标[16-17]。研究结果表明，不同处理土壤细菌、真菌和放线菌分别为(0.83～1.50)×107个/g、(2.10～2.50)×105个/g和(1.30～2.40)×106个/g，均为常规施肥+生物炭+豆浆灌根>常规施肥+豆浆灌根>常规施肥+生物炭>常规施肥(对照)，常规施肥+生物炭+豆浆灌根土壤细菌、真菌和放线菌数量较对照分别提高80.72%、19.05%和84.62%，与邱岭军等[18]的研究结果一致。施娴等[19-20]研究表明，有机肥氮替代50%化肥氮土壤细菌、真菌、放线菌数量较对照分别提高49.30%、45.31%和47.33%，可能是土壤碳源、氮源、蛋白和有益营养物质为微生物的快速繁殖提供了新营养源，营造了更适宜根系生长的微生态环境，进而调控土壤微生物的群落生态结构。

郭松等[21]研究表明，增施生物炭和豆浆灌根可有效改善烟株的农艺性状，对烟株株高、茎围及叶面积等均有不同程度的提高，可作为土壤养分的重要补充，为烟株生长提供了充足的营养。戴华鑫等[22]认为，豆浆灌根产生抗生物质可降低致病菌含量，植烟土壤中4种生防细菌属的丰度均高于对照，而致病菌Aquicella丰度低于对照。张宇等[23]认为，有机肥+EM菌配施可显著提高微生物数量和多样性，增加有机质分解转化速率，进而产生抗生物质，抑制病原菌生长，提高花生的产量。研究结果表明，常规施肥+生物炭+豆浆灌根的株高、茎围及叶片数较对照分别提高8.52%、5.46%和8.33%，土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量较对照分别提高8.57%、12.24%、11.57%和15.0%，根腐病和黑胫病发病率较对照分别降低64.71%和58.00%，与前述研究结果一致。韦凤杰等[24-25]认为，豆浆灌根显著提高了烟叶香气物质总量和质量，香气物质增加主要源于棕色化产物类、类西柏烷类和胡萝卜素类香气物质，烟叶中叶绿素降解产物新植二烯含量和类胡萝素降解产物总量的提高幅度较大。邓小华等[26]研究表明，施用土壤有机肥可提高烟叶的产量产值、中上等烟比例及烤后烟化学成分含量和评吸总分。研究结果表明，生物炭与豆浆灌根对植烟土壤理化性状、微生物群落、烟株生长状况及烟叶产值的改良效果存在明显差异，其中，常规施肥+生物炭+豆浆灌根烟叶品质最佳且经济性状好，较对照产量、产值和中上等烟率分别提高6.19%，、25.94%和31.60%。

4 结论

常规施肥+生物炭、常规施肥+豆浆灌根和常规施肥+生物炭+豆浆灌根较对照更有利于促进烟株的生长发育及提高植烟土壤微生物群落功能的多样性/数量和烤后烟叶的内在品质，以常规施肥+生物炭+豆浆灌根提高上中等烟率比例、均价和产值的综合效果最好，其更符合豫西优质烤烟生产实际，能有效改良植烟土壤养分状况，减轻烤烟连作障碍，提高烤烟的产量和品质。