不同肥料类型对植烟土壤及烤烟品质的影响研究

2022-07-06杨营月王龙飞冯小虎赵铭钦

作物杂志 2022年3期

杨营月刘慧王龙飞赵喆冯小虎来苗赵铭钦

（1河南农业大学烟草学院/河南省香精香料与调香工程技术研究中心，450002，河南郑州；2江西省烟草公司抚州市公司，344000，江西抚州）

肥料是影响烟叶产值与产量的重要因素，对其贡献率分别高达39%和47%，对烟叶香吃味的贡献率达24.8%，在环境和烤烟品种不变的条件下，施肥是提高烟叶产量和品质的核心技术[1-2]。由于之前的农业生产长期施用化肥，忽视了其他肥料，使许多烟区土壤板结酸化，微生物数量及酶活性降低，导致土壤肥力下降，烤烟产质量下降[3-4]。因此，对于烤烟这种产质兼重的经济作物而言，如何通过合理施肥改善土壤养分状况、满足现代烟草农业的生产要求，具有十分重要的研究意义。

近年来，为减少化肥使用，大田种植常会施用有机肥、微生物肥、生物有机肥和腐殖酸肥等[5]。草炭，也称作泥炭或泥煤，有机质含量高、吸水性强、容重小、疏松多孔，具有提高土层通透性、持水力、土壤微生物活性和促进作物生长发育的作用[6-7]。高碳基肥是由生物炭为主体，混合有机肥和微量元素等组成的一种新型复合肥料，孔隙度和比表面积较大，表面负电荷丰富，可以改良土壤结构，增强土壤肥力，提高作物品质[8-10]。微生物菌剂是采用微生物工程技术加工而成的一种液体菌肥，通过生化反应能合成氨基酸、维生素等营养物质，供给土壤微生物繁殖及烟草根系快速吸收，促进烟株生长。目前的研究多集中于草炭、高碳基肥和微生物菌剂的施用量。草炭施用量为13 500kg/hm2时对重庆丰都烟区山地的土壤养分及烤烟生长和品质影响最大[11]。在广西贺州的大田试验[12]表明，高碳基肥对提高当地烟叶产量、协调烟叶化学成分有重要的现实意义，且当地施用量达到750kg/hm2时效果较好。另外，盆栽试验研究[13]也证明，微生物菌剂的施加量为14g/盆时对提高土壤酶活性、烟株根系活力和优化根冠比的效果最为显著。但是此三者间的对比效果差异却并不明显，因此本文选此3种不同的肥料类型进行大田试验，通过分析不同处理的植烟土壤肥力及微生物区系状况、移栽后不同时间烟叶的根系活力以及烤后烟叶的品质，探究不同肥料施用对烤烟生长的影响，找到较为适宜江西烟区土壤条件的肥料类型，为当地优质烟叶的生产提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2020年在江西省抚州市黎川县（116°57′31.93″E，27°16′9.02″N）进行。年均气温 17.27℃，夏季平均气温35℃，年降雨量约2010mm，夏季相对湿度80%，属亚热带季风性气候。土壤质地为沙壤土，含有机质5.37g/kg、碱解氮60.13mg/kg、速效钾274.41mg/kg、速效磷12.77mg/kg，pH 5.68。供试烤烟品种为云烟87，由江西省烟草公司抚州市公司提供，于2月25日移栽，田间管理按当地优质烟叶生产技术规范进行。

采用随机区组设计，共4个处理，分别为大田常规施肥（CK）、草炭50g/株（T1）、微生物菌剂30g/株（T2）和高碳基肥54g/株（T3）。按总碳量一致的原则施用草炭和高碳基肥，每个处理3次重复，两侧设有保护行，株距50cm，行距120cm。用五点取样法取移栽前和采收后的土壤样本，将样本自然风干，研磨后过20和60目筛，测定土壤养分含量。于移栽后60、70和80d采用五点取样法采集新鲜土壤样本（0～10cm），过60目筛，装于无菌牛皮纸袋中，于4℃冰箱中保存，用于测定土壤微生物数量和酶活性。以处理为单位分别采收、挂牌烘烤，分别取烤后烟上部叶（B2F）和中部叶（C3F）部位各1kg，用于常规化学成分和中性香气物质的测定。

1.2 试验肥料

试验所用草炭pH 5.94、磷含量2.07%、钾含量0.25%、C/N为15.41。所用高碳基肥主要成分为生物炭和有机肥等，其中有机质≥45%、生物炭≥20%、水分≤30%、氯离子≤1%。二者均为河南惠农土质保育研发有限公司研发。微生物菌剂“植宝典”中含有枯草芽孢杆菌、产朊假丝酵母、乳酸菌等有益微生物菌群以及氮、磷、钾和硅等多种营养元素及促生长因子，该菌剂由江西省南昌市亿隆达生物科技开发有限公司研发。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤理化性质采用环刀法[14]测定土壤容重，用重铬酸钾容量法测定有机质含量，用碱解扩散法测定碱解氮含量。采用0.5mol/L的NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定速效磷含量；采用1mol/L醋酸铵浸提，火焰光度法测定速效钾含量[15]。

1.3.2 土壤微生物数量采用固体稀释平板法进行分离测定土壤微生物数量，分别采用牛肉膏蛋白胨培养基、PDA培养基和改良高氏1号培养基培养细菌、真菌和放线菌，以每克干土所含微生物菌落的形成单位数量表示[16]。

1.3.3 土壤酶活性采用硫代硫酸钠滴定法测定蔗糖酶活性，以单位土重消耗的0.1mol/L硫代硫酸钠的体积（mL）表示；采用靛酚蓝比色法测定脲酶活性，以单位土重产生的NH4+-N质量（mg）表示；采用磷酸苯二钠比色法测定酸性磷酸酶活性，以单位土重单位时间形成酚的质量（μg）表示；采用滴定法测定过氧化氢酶活性，以单位土重所消耗的0.1mol/L KMnO4体积（mL）表示；采用邻苯三酚比色法测定多酚氧化酶活性，以单位土重单位时间（h）产生的红紫倍精质量（mg）表示[16]。

1.3.4 常规化学成分采用德国sealAA型流动分析仪检测常规化学成分含量[17]。

1.3.5 中性致香物质用水蒸气蒸馏—二氯甲烷溶剂同时蒸馏萃取法，采用内标法定量，由GC/MS鉴定结果和NIST库检索定性[18]。

1.4 数据处理

采用 Microsoft Excel 2010、GraphPad Prism 8.0.2和SPSS 25.0软件进行数据处理、图表制作以及方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同肥料类型对土壤理化性质的影响

由表1可知，与CK处理相比，T1、T2和T3处理显著提高了土壤碱解氮、速效磷和有机质含量，T1、T2和T3处理的速效磷和有机质含量无显著差异。T1处理碱解氮含量显著大于T2和T3处理，且T2与T3处理间无显著差异。T1、T2和T3处理速效钾含量均高于CK，但4个处理间无显著差异。T2和T3处理的含水量显著高于T1和CK处理。T1处理的容重最低，但处理间差异不显著。T1处理的孔隙度显著高于T2和T3处理，但与CK处理无显著差异。

表1 不同肥料类型对采收后土壤理化性质的影响Table 1 Effects of different fertilizer types on soil physical and chemical properties after harvest

2.2 不同肥料类型对土壤区系的影响

由图1可知，土壤中的微生物数量均表现为细菌＞放线菌＞真菌，随着移栽后时间的延长，细菌和真菌的数量整体均呈下降趋势，放线菌则是先降后升，且T1、T2和T3处理的微生物数量显著高于CK处理。图1a和1b显示，与CK处理相比，T1、T2和T3处理的细菌和真菌数量明显增加，其中T1处理细菌数量最多，T3处理真菌数量在各时期均最高，但与T1处理差异不显著。由图1c可知，T1处理各时期的放线菌数量均显著高于其他处理，其他处理则表现为移栽后60和80d时，T3＞T2＞CK；移栽后70d时，T2＞T3＞CK。

图1 不同肥料类型对土壤区系的影响Fig.1 Effects of different fertilizer types on the flora of soil

2.3 不同肥料类型对土壤酶活性的影响

由图2a和2b可知，随着移栽时间的延长，各处理土壤的蔗糖酶和脲酶活性呈先升后降的趋势，在移栽后70d时达到最大值，T1、T2和T3处理的蔗糖酶和脲酶活性均显著高于CK处理，其中T1处理最高，其次为T3处理，2个处理间差异不显著，且移栽后70d时T1、T2和T3处理的脲酶活性较CK处理提高了46.9%、10.0%、35.7%。图2c显示，随着移栽时间的递推，T1和T3处理酸性磷酸酶活性呈先升后降趋势，T2和CK处理则表现为先降后升，移栽后80d时，T2处理的酸性磷酸酶活性显著高于其他处理。图2d显示，CK、T1和T3处理的过氧化氢酶活性随着移栽时间的延长呈先降后升的趋势，T2处理则表现为持续下降，T1、T2和T3处理的过氧化氢酶活性均显著高于CK处理，其中T1处理的酶活性在各移栽时期均最高，与其他处理差异显著，T2与T3处理差异不显著。由图2e可知，随着移栽时间的延长，各处理多酚氧化酶活性呈降低趋势，T1、T2和T3处理的酶活性均显著大于CK处理，3个处理间差异不显著。

图2 不同肥料类型对土壤酶活性的影响Fig.2 Effects of different fertilizer types on soil enzyme activities

2.4 不同肥料类型对烤烟根系活力的影响

从图3可知，随着移栽时间的推移，各处理的根系活力整体呈先升后降的趋势，并在移栽后70d时达到最大值，之后伴随着烟株的成熟及地上部的衰老，各处理的根系活力逐渐降低。移栽后60d时，T2处理根系活力最高，T1处理次之，CK处理最低，T2与CK处理差异显著，与T1和T3处理差异不显著。移栽后70d时，T1处理最高，T2处理次之，与CK处理差异显著，T1、T2和T3处理之间差异不显著。移栽后75～90d内，T1和T3处理根系活力均大于CK处理，且T1＞T3，T2处理根系活力下降明显，在移栽后90d时低于CK处理。

图3 不同肥料类型对烤烟根系活力的影响Fig.3 Effects of different fertilizer types on root activity of flue-cured tobacco

2.5 不同肥料类型对烤烟常规化学成分的影响

表2显示，各处理不同部位烟叶总糖含量在15.53%～22.60%范围内，其中T1处理中、上部烟叶总糖含量最高，T2处理最低。各处理不同部位烟叶的还原糖含量变幅在14.87%～22.08%，其中T1处理中、上部烟叶还原糖含量最高，上部叶中CK处理最低，中部叶中T3处理含量最低。上部烟叶烟碱含量相对较高，CK、T1和T2处理烟碱含量均大于3%，各处理间无显著差异；中部叶各处理烟碱含量均小于3%。各处理不同部位烟叶蛋白质含量在4.52%～5.80%之间，较为适宜。上、中部叶两糖比在0.90～0.99、0.91～0.98，分别以T3和T1处理最高。上、中部叶糖碱比在4.50～6.95、6.54～11.90，分别以T3和T1处理最高。烟叶中钾含量的高低是评价烟叶质量的重要指标之一。各处理钾素含量变化在1.88%～2.71%范围内，T1、T2和T3处理上、中部烟叶的钾含量均显著高于CK处理，其中T1处理最高，其次为T3处理。

表2 不同肥料类型对烤烟常规化学成分的影响Table 2 Effects of different fertilizer types on conventional chemical components of flue-cured tobacco

2.6 不同肥料类型对烤烟中性香气物质的影响

由表3可知，T1和T3处理的中性香气物质总量均大于CK处理，上部叶T3处理最高，为1149µg/g，提高了11.37%；中部叶T1处理最高，为1231.6µg/g，涨幅为12.06%。在上中部烟叶的类胡萝卜素降解产物中，巨豆三烯酮的4种异构体占总量的33.08%～44.34%，β-大马酮占13.28%～25.49%，β-二氢大马酮占13.46%～17.01%，法尼基丙酮占10.14～13.98%，其他致香成分含量占比较低。T2处理中、上部叶中类胡萝卜素降解产物总量最高，T3处理最低，中部叶中T1处理最高，T2处理最低。T2处理上、中部叶中茄酮含均最高，上部叶CK处理最低，中部叶T3处理最低。与CK处理相比，T1处理中部叶的美拉德反应产物和芳香族氨基酸降解类含量均最高，上部叶中CK处理含量最高，其次为T1处理。上部叶中，T3处理新植二烯总量最高，为946.00µg/g，CK处理最低；中部叶T1处理最高，为1033.00µg/g，T2处理最低。

表3 不同肥料类型对烤烟中性香气物质的影响Table 3 Effects of different fertilizer types on neutral aroma components of flue-cured tobacco μg/g

3 讨论

3.1 不同肥料类型对植烟土壤的影响

土壤是作物赖以生存的环境，它的理化特性和微生物活动都直接影响着作物的生长发育和品质。本试验结果显示，T1、T2和T3处理能增加土壤中碱解氮、有机质和速效钾含量等，表明3种肥料均可一定程度地增加土壤留存养分，提高土壤肥力，为烟株的生长提供更多的养分，与郭群召等[19]和宋亮等[20]的研究一致。其中草炭处理土壤养分含量最高，对降低土壤含水量和容重及提高孔隙度有积极作用，应该是草炭的矿化和腐殖质化改善了土壤的物理结构[21]，可为加大土壤与外界的水分和空气交换提供基础。

微生物是土壤的重要组成成分，参与土壤的物质合成、循环及修复等多个生化反应，与土壤肥力息息相关，被认为是检测土壤质量变化最敏感的生物指标之一[22-24]。本研究中，施用草炭、微生物菌剂和高碳基肥3个处理的土壤细菌和放线菌的数量均高于常规施肥，应该是这些肥料的施入增加了土壤中活性有机碳源的数量，为土壤中微生物的生长提供了新的能源，从而提高了其繁殖速度与数量，这与李鹏[21]、陈敏等[25]和尹淑丽等[26]的研究一致。

土壤酶是与土壤理化性质、土壤微生物区系以及物种多样性等密切相关的特殊蛋白质，主要由微生物和根系分泌，在土壤养分循环以及植物生长所需养分的供给过程中起着重要作用[27-29]。本研究表明，草炭、微生物菌剂和高碳基肥的施用，均可提高土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶等的活性，促进土壤的熟化和腐殖化进程，提高土壤肥力，其中草炭效果更优，应该是土壤养分和微生物数量的增加为土壤酶的分泌提供了更为有利的环境[11]。微生物菌剂处理的酸性磷酸酶活性在生长后期有升高的趋势，据段雪娇[30]的研究推测，可能是微生物菌剂含有的磷在后期一定程度上提高了酸性磷酸酶的活性，促进了土壤的生理代谢。在本研究中，施用草炭的微生物数量及酶活性高于高碳基肥，可能是一方面由于生物炭的结构成分较为稳定，加上2020年当地的降雨主要集中在打顶期以后，前期土壤水分不够充足，使之没有很好地被微生物利用，与张璐等[31]和张志浩等[32]的研究相似。另一方面是草炭中含有大量腐殖质[11]，提高了土壤的腐殖化进程，提高了微生物数量和酶活性。综上可知，土壤中养分的增加，会提高微生物的数量及活性，从而影响酶活性，而微生物和土壤酶活性的增加又反过来加快土壤中营养元素的转化，形成良性循环[30]。

3.2 不同肥料类型对烤烟品质的影响

根系作为重要的吸收器官，其地上部生长所需的营养物质大部分都是由根系吸收供给的[33]。本研究发现，移栽后60d，微生物菌剂处理的根系活力最高，但随着时间的推移，促进作用明显降低，据尹淑丽等[26]的研究推测可能是因为相较于有机肥，微生物菌剂对于烟株根系发育的作用显著，但时效较短，可以显著提高烟株生长前期的根系活力。移栽后70～90d内，草炭处理的烟株根系活力较高且较为稳定，其次为高碳基肥处理。这表明相较于常规施肥，高碳基肥、草炭和微生物菌剂可以提高作物的根系活力，促进根系发育，其中草炭的效果最优，可能是土壤养分的增多、孔隙度增大、微生物及酶的活动也较为活跃，促进根系的生长和物质交换，提高了根系活力[11]。

烟叶中的糖、烟碱、钾氯及各香气成分等含量对烤烟的品质形成均有重要作用，但某一单个成分的绝对含量并不能体现整个烟叶的品质，而是多个成分的相互协调[34]。通过各处理对比分析可知，草炭处理的总糖及还原糖含量较高，糖碱比较大，钾含量较高，蛋白质含量较适宜，烟叶刺激性小，对烟叶品质提升贡献较大。相对于常规施肥，草炭、微生物菌剂和高碳基肥的施用均可提升烟叶中的中性香气物质含量，其中上部叶高碳基肥效果较好，中部叶草炭处理较好，且草炭处理的中部叶除茄酮外的香气物质含量均有较大的提高。