生物炭基肥与哈茨木霉菌剂配施对烤烟和植烟土壤质量的影响

2021-09-26汪坤魏跃伟姬小明云菲邹凯隆准

作物杂志 2021年3期

汪坤魏跃伟姬小明云菲邹凯隆准

（1河南农业大学烟草学院，450002，河南郑州；2湖南省烟草公司邵阳市公司，422200，湖南邵阳）

烟草作为我国最重要的经济作物之一，是烟区农民增收的主要来源，在国民经济中有重要的地位，目前中国烤烟的种植面积和产量均处于世界第一[1]。然而在烤烟生产中，连年的化肥施用使得植烟土壤肥力下降，土传病害和土壤板结日益严重，导致烟叶的品质逐渐下降[2-3]。

增施生物炭基肥有利于改善土壤环境和烟叶质量。陈懿等[4]研究表明，炭基肥可以提升土壤速效养分和酶活性；Zhang等[5]研究表明，施用生物炭基肥可以增加土壤微生物丰度，提高烟叶质量。张志浩[6]研究结果显示，烟株长势随着生物炭基肥施用量的增加呈现先升高后降低的趋势，适宜用量的生物炭基肥可以协调烟叶内在化学成分；Wang等[7]研究发现，炭基肥加氮可以改善土壤质量，提高棉花产量；Zhang等[8]研究结果显示，生物炭基有机肥可增加植株的生物量和提升土壤微生物丰度。

烤烟常见的土传病害有黑胫病（black shank，BS）、根黑腐病（tobacco black root rot，TBRR）和青枯病（bacterial wilt，BW）等，对烟草有极大危害。生长发育期间一旦发病，将直接影响烟叶质量和经济效益[9]。哈茨木霉与多种植物病原真菌表现为拮抗作用，被用来作为生物防治的重要因子[10]。Mustafa等[11]研究发现，哈茨木霉的分离物可以作为真菌病原体的高效生物防治剂；邓俊杰等[12]研究表明，哈茨木霉具有促进月季生长和提高其抗性的作用；Shukla等[13]研究发现，有机肥和生物菌肥结合施用可有效改善土壤有机碳、土壤微生物种群、微生物量碳氮和土壤呼吸；王玥双[14]研究表明，哈茨木霉对草莓灰霉病有防治效果；韩松庭等[15]研究表明，哈茨木霉可以有效防控烟草青枯病并促进烟草前期生长发育。

湖南省是我国浓香型烤烟重要的主产区之一，现有的高强度烟稻轮作生产模式使得部分地区土壤地力下降和土传病害问题日趋严重[3]。因此开展生物炭基肥与哈茨木霉菌剂配施的研究，旨在改善当地植烟土壤质量和烟叶品质。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试烤烟品种为云烟87。供试生物炭基肥由生物炭、植物油粕、腐殖酸、矿物肥和多种微量元素等组成，由河南惠农土质保育研发有限公司提供，其中有机肥总养分≥5%，有机质（以干基计）≥45%，生物炭含量≥20%，水分≤30%，氯离子含量≤1%，粗脂肪含量≥1%。

哈茨木霉菌剂由河南农业大学烟草科教园区微生物实验室制备，菌剂含活菌≥20亿/g。

试验地土壤为烟稻轮作土。施肥前取样测定土壤有机质36.88g/kg，速效磷31.74mg/kg，速效钾116.35mg/kg，碱解氮81.16mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2019年3月至9月在湖南省邵阳河伯乡杨田村进行。共设4个处理（表1），采用随机区组设计，3次重复，每个小区面积66.67m2，共计800.00m2。各处理基肥施用方式均为起垄后条施，追肥用量一致。

表1 各处理基肥用量及肥料养分投入量Table 1 The amounts of base fertilizer and fertilizer nutrient input for each treatment kg/hm2

烟苗移栽时间为3月15日，各处理所有农事操作要求在同一天完成，其他田间管理措施均按当地烟叶生产技术方案操作。

哈茨木霉菌剂用量用法：15kg/hm2，对水后每株用量200mL；对照组每株200mL清水。均在移栽后30d揭地膜灌根。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 烤后样品指标测定各处理小区选取代表性中部叶C3F、上部叶B2F初烤烟1.0kg用于以下指标的测定。

采用YC/T 202—2006[16]的方法测定烟草中多酚类物质含量；采用行业标准测定总糖、还原糖、烟碱、总氮、钾和氯含量[3]，并计算氮碱比、糖碱比和钾氯比；采用同时蒸馏萃取装置对中性香味物质进行提取，并采用7890A-5977B气-质联用仪进行定性定量分析[17]。

1.3.2 生长发育期指标测定依据YC/T 39-1996[18]统计发育期烟草发病率（普通花叶病、黑胫病和青枯病）及病情指数。

杀青样矿质营养元素积累量：于移栽后40、60、80d在各小区取长势一致的3株烤烟的烟叶进行杀青，65℃烘干，过60目筛，3株混合为1个样品。取0.4g样品用全自动消解仪（型号S60UP）进行消解，消解完成后过滤得到样品，用ICP-MPX光谱仪检测矿质营养元素积累量。

1.3.3 根际土壤指标测定分别于移栽40、55、70、85和100d在各小区按五点取样法选取长势均匀的5株烤烟的根际土壤，混合为1个样品，参照《土壤农化分析》[19]测定速效磷、速效钾、有机质和碱解氮含量；采用酶试剂盒（苏州科铭生物技术有限公司生产）测定脲酶和蔗糖酶活性。

1.3.4 数据分析采用DPS 7.5软件进行数据描述性统计、差异性分析处理；采用Excel 2003和GraphPad Prism 8.0进行统计分析和制图。

2 结果与分析

2.1 不同处理烤前烟株发病率统计

由图1a可知，各处理烟草普通花叶病（tobacco mosac virus，TMV）和黑胫病发病率均表现为C1＞C2＞T1＞T2，C2、T1、T2较C1处理发病率分别降低2.04和2.22、5.37和2.41、5.56和2.96个百分点；青枯病发病率表现为C1＞T1＞C2＞T2，T1、C2和T2较C1处理分别降低4.63、3.52、5.00个百分点。由图1b可知，普通花叶病的病情指数C1最高，比C2、T1和T2分别高出18.11%、100.43%和117.37%；黑胫病和青枯病的病情指数，其他处理较C1最大降低幅度分别达1.86和1.83倍。

图1 不同处理对发病率和病情指数的影响Fig.1 The effects of different treatments on incidence and disease index

由图2可知，C2处理的普通花叶病防治效果较T1、T2处理分别低35.18和39.38个百分点；T2处理黑胫病相对防治效果比T1和C2处理高12.78和20.54个百分点；C2处理的青枯病防治效果比T1处理高11.73个百分点，比T2处理低13.16个百分点。

图2 不同处理对相对防治效果的影响Fig.2 The effects of different treatments on relative control effect

2.2 不同处理杀青样矿质营养元素积累

如表2所示，随着移栽后时间的增长，各处理的矿质元素含量有逐渐降低的趋势。在测定周期中，C2处理的K、Mg、P、Cu、Mn、B和Zn含量较C1处理分别增加4.10%～26.49%、4.26%～5.62%、1.41%～11.68%、20.88%～32.08%、2.83%～13.43%、3.58%～18.88%和9.77%～16.59%；T1处理的Ca、K、Mg、P、Cu、Fe、Mn、B和Zn含量较C1分别增加0.26%～18.19%、9.83%～23.99%、21.01%～26.89%、22.31%～42.34%、48.40%～75.52%、18.12%～33.59%、24.42%～55.55%、25.09%～34.57%和16.92%～23.22%；T2处理的Ca、K、Mn和Zn含量较T1增加最大幅度分别为13.14%、6.50%、2.55%和7.86%。

表2 不同处理对杀青样矿质营养元素含量的影响Table 2 The effects of different treatments on the contents of mineral nutrient elements

2.3 不同处理对根际土壤速效养分的影响

由表3可知，测定周期内，生物炭基肥处理（T1和T2）的碱解氮、有机质、速效钾和速效磷含量均显著高于常规施肥处理C1和C2。T1、T2处理的碱解氮含量相对于C1、C2处理，增幅为29.61%～60.68%。有机质含量随着移栽天数的增加逐渐降低，T1、T2处理的有机质含量较C1和C2处理增幅为7.01%～21.90%。速效钾和速效磷含量呈先增加后减少的趋势，T1、T2处理的速效钾含量较C1、C2处理增幅为49.19%～98.09%。在移栽后70d，各处理的速效磷含量达最高水平，T1和T2处理较C1和C2处理增加了43.57%～52.77%。

表3 不同处理对根际土壤速效养分含量的影响Table 3 Effects of different treatments on the contents of available nutrients in rhizosphere soil

2.4 不同处理对根际土壤酶活性的影响

由表4可知，随生育期的推进，根际土壤蔗糖酶和脲酶活性呈先升高后降低的趋势。在移栽后100d时，生物炭基肥处理（T1、T2）的蔗糖酶活性较常规施肥处理（C1、C2）增幅最大，T1、T2处理较C1的增幅分别为82.17%和88.64%；T1、T2处理较C2的增幅分别为84.15%和90.69%。在移栽后70d，各处理脲酶活性达到最大值，此时脲酶活性表现为T2＞T1＞C2＞C1，其中处理T2较C2增加了78.28%，T1较C1增加了77.11%，且均差异显著。

表4 不同处理对根际土壤酶活性的影响Table 4 Effects of different treatments on enzyme activities in rhizosphere soil

2.5 不同处理对烤后样常规化学成分的影响

由表5可知，在烤后样（C3F）中，T2处理的还原糖含量显著高于其他处理，较C1、C2处理分别增加3.46和1.81个百分点；T1处理的钾含量显著高于C1和C2处理，分别增加0.19和0.38个百分点；C1处理的总氮含量显著高于其他处理，较T1、T2分别高出0.23和0.14个百分点；T1、T2处理的钾氯比显著高于C1和C2处理，增幅为16.51%～27.52%。

表5 不同处理对烤后样（C3F）常规化学成分的影响Table 5 The effects of different treatments on the conventional chemical composition of the baked samples(C3F)

由表6可知，在烤后样（B2F）中，生物炭基肥处理（T1、T2）的总糖和还原糖含量显著高于常规施肥处理（C1、C2），增加幅度分别为1.41～2.48个百分点和1.73～2.57个百分点；C2处理的烟碱含量最高，较T2处理高出0.12个百分点；T2处理的钾氯比显著高于其他处理，较C1增加19.24%；各处理糖碱比为T2＞T1＞C1＞C2，T1、T2处理较C1和C2增加10.50%～15.87%。

表6 不同处理对烤后样（B2F）常规化学成分的影响Table 6 The effects of different treatments on the conventional chemical composition of the baked samples(B2F)

2.6 不同处理对烤后样多酚类物质含量的影响

由表7可知，生物炭基肥处理（T1、T2）的多酚物质总量显著高于常规施肥处理（C1、C2）。在烤后样（C3F）中，T1处理的绿原酸含量较C1高出9.16%，T2处理的绿原酸含量较C2高出11.86%；各处理多酚物质总量表现为T2＞T1＞C2＞C1，T1比C1显著增加8.13%，T2比C2显著增加8.41%。

表7 不同处理对烤后样（C3F）多酚物质含量的影响Table 7 Effects of different treatments on the contents of polyphenols of the baked samples(C3F) mg/g

由表8可知，在烤后样（B2F）中，T2处理的芸香苷含量显著高于其他处理，较C2增加6.92%；各处理多酚物质总量表现为T2＞T1＞C2＞C1，T1较C1显著增加9.18%，T2较C1显著增加10.07%。

表8 不同处理对烤后样（B2F）多酚物质含量的影响Table 8 Effects of different treatments on the contents of polyphenols of the baked samples(B2F) mg/g

2.7 不同处理对烤后样中性致香物质成分的影响

由表9可知，在烤后样（C3F）中，各处理烟叶的类胡萝卜素降解产物含量以T2处理最高，较C2提升了8.88%，T1比C1高10.34%；T2处理的类西柏烷类产物含量较C2增加4.91%；新植二烯和致香物质总量均表现为T2＞T1＞C2＞C1，T1较C1分别增加9.84%和9.55%，T2较C2分别增加11.42%和10.75%。

表9 不同处理对烤后样（C3F）中性致香物质含量的影响Table 9 Effects of different treatments on the contents of neutral aroma substances of the baked samples(C3F) μg/g

由表10可知，在烤后样（B2F）中，T2处理烟叶中的芳香族氨基酸类产物含量最高，较C2增加18.77%；T1处理新植二烯含量最高，T2处理致香物质总量最高。T1处理的新植二烯和致香物质总量较C1分别增加8.84%和7.72%，T2处理较C2分别增加10.65%和10.05%。

表10 不同处理对烤后样（B2F）中性致香物质含量的影响Table 10 Effects of different treatments on the contents of neutral aroma substances of the baked samples(B2F) μg/g

2.8 烟草发病率与烟叶矿质营养元素含量及土壤质量与烟叶品质的相关性分析

由图3a可知，烟草普通花叶病发病率与烟叶中矿质营养元素K、P、Mn和Zn的含量呈极显著负相关（P＜0.01），与Mg、Cu、Fe和B含量呈显著负相关（P＜0.05）；黑胫病发病率与K、Cu、Mn和Zn含量呈显著负相关（P＜0.05）；青枯病发病率与Zn含量呈显著负相关（P＜0.05）。如图3b所示，烟叶初烤后的烟碱和氯含量与根际土壤中的碱解氮、速效磷、速效钾、蔗糖酶和脲酶均呈显著负相关（P＜0.05）；绿原酸、总糖、还原糖与速效磷和脲酶均呈极显著正相关（P＜0.01）。说明烟叶病害发病率与烟叶中的矿质营养元素有一定关联，根际土壤中的养分对烟叶质量也能产生影响。

图3 烟草病害和土壤质量与烟叶品质的相关性分析Fig.3 Correlation analysis of tobacco diseases,soil quality and tobacco leaf quality

3 讨论

3.1 生物炭基肥和哈茨木霉菌剂对烟叶质量的影响

烟草土传病害严重危害烟叶质量。本试验表明，生物炭基肥和哈茨木霉菌剂配施可以降低烟草病害的发病率和病情指数，提升烟叶的矿质营养元素含量。同时，烟株的发病率与烟叶矿质营养元素含量呈现负相关，与Yuan等[20]研究一致。Dordas[21]研究表明，植物矿质营养元素与植物病害有一定联系，可用植物营养元素来控制植物病害水平。植物矿质元素是作物生长发育必需的营养元素，许多矿质元素对病原物侵染引起的本能防御反应都有积极影响[22]。本研究发现，施用生物炭基肥和哈茨木霉菌剂对烟草矿质营养元素含量有一定的促进作用。可能的原因一是生物炭的吸附作用[23]，大量矿质氮会在土壤中累积，这为植物生长提供充足肥力，促进烟株生长，增加了烟叶中矿质元素的含量；二是矿质营养元素可以增加植物细胞壁的厚度，对病原体的机械阻隔能力增强，同时矿质营养元素可以促进烟株分泌合成植保素和黄酮类等一些抗氧化剂，产生本体防御机制表达[24]。烟叶品质高低依赖于其内在化学成分比例的协调性[25]。本试验中，生物炭基肥和哈茨木霉菌剂配施以及单施生物炭基肥可增加中部叶还原糖含量，提升上部叶总糖含量；且生物炭基肥和哈茨木霉菌剂配施可降低烟叶总氮含量。本试验表明，生物炭基肥和哈茨木霉菌剂配施可以提升烟叶的钾氯比和糖碱比达更适范围[26]，对上部叶的协调性更佳，这可能因为生物炭基肥有较强的生物稳定性，可以改善土壤微生物环境，使土壤养分供应更加协调，进而提升了烟叶的质量[27]。多酚类物质含量对烟叶的香气质量有重要影响。本试验结果表明，生物炭基肥与哈茨木霉配施有助于烟叶多酚物质含量的增加。烟叶香气是衡量烟叶品质的重要指标，中致香物质的含量和种类都对烟叶的香气质和香气量有着重大的影响。烟叶中新植二烯是重要的萜烯类化合物，含量最高。本试验条件下，生物炭基肥和哈茨木霉配施以及仅施生物炭基肥均可提高烟叶中性致香物质总量和新植二烯含量。单施哈茨木霉对致香物质成分影响细微。这可能是因为炭基有机肥料中的生物炭可以调控土壤养分平衡，提高土壤碳氮比，不同程度提高烟叶碳氮关键酶活性，有利于促进烟株的碳氮代谢平衡[28]，这种平衡有助于内含物质的转化，进而增加中性致香物质的含量。

3.2 生物炭基肥和哈茨木霉菌剂对根际土壤状况的影响

土壤养分是烟株生长发育的必需物质。本试验研究发现，生物炭基肥可以增加烟草根际土壤中的速效养分含量，这与Gao等[29]研究结果一致。这可能与生物炭基肥本身有机质占比较大有关；同时生物炭基肥可以提升土壤微生物群落的丰富度和多样性[28]，对肥料的矿化有促进作用。土壤微生物活性综合体现为土壤酶的活性，土壤酶活性与土壤肥力状况以及微生物活力密切相关。同时，土壤酶活性的增加有助于提升土壤中营养元素的转换和利用效率[30]，促进烟株的生长发育，进而提升烟叶的质量。脲酶是对氮素转化起关键作用的酶，可用它的活性来表示土壤的供氮能力，蔗糖酶活性反映的是土壤有机质积累和转化状况。本试验表明施用生物炭基肥均不同程度提高了根际土中的蔗糖酶和脲酶活性，这与赵军等[31]研究结果相似。单施哈茨木霉菌剂对根际土壤没有明显影响，可能与生物炭基肥为相关酶促反应提供了一定底物有关[32]；另外，生物炭基肥中的生物炭独特的孔隙结构，为根际土中的微生物和有益菌落提供了良好的生存空间和反应场所[33]。

综上可知，烟叶矿质营养元素平衡影响烟草病害发病率，生物炭基肥和哈茨木霉菌剂配施可以通过改善土壤速效养分和酶活性，促进烟株对营养物质的吸收，改善烟叶矿质营养元素条件，从而抑制烟草病害发生。生物炭基肥一定程度上改善了土壤营养环境，部分处理未能显著影响烟叶化学品质和致香成分，可能与烟叶成熟期气候异常有关[34]。