不同土壤改良剂对土壤养分及烤烟内在品质的影响

刘著文，杨龙飞，刘茂林，贾国涛，姚倩，马一琼，崔廷，杨欣玲，陈洋，程良琨

（河南中烟工业有限责任公司，郑州 450000）

烤烟是我国重要的经济作物之一，由于不断连作以及化学肥料的持续输用，随之而来的土壤酸化板结、有机质含量降低、营养元素比例失调、保水蓄水能力下降等土壤问题日趋严重[1-3]。土壤供水供肥能力降低，造成烟叶质量整体表现为营养不良，香气量不足，品质较差[4-5]。如何改良并提高土壤质量已成为我国烤烟种植生产亟待解决的问题。

大量研究表明，不同有机和无机土壤改良剂能通过改善土壤理化和生物学特性等途径增加土壤养分、提高土壤质量[6-7]。聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）是一种线型高分子聚合物，化学式为(C3H5NO)n，由于其结构单元中含有酰胺基、易形成氢键，具有良好的水溶性和很高的化学活性，近年来在土壤改良上得到了广泛的应用[8]。研究表明，土壤中施用PAM能明显改善土壤结构特征、提高土壤有机质和水分含量[9]。Han等[10]研究发现，添加PAM后土壤中可培养的异养细菌数量显著增加。生物炭是将有机物质在无氧条件下进行气化、热解和水热碳化等热化学处理产生的一种高碳含量物质[11]，对改善土壤质量有明显的积极作用。研究表明，施用生物炭能有效改善土壤肥力和持水能力，土壤pH和有机碳含量也有明显提高[12]。此外，施用生物炭条件下，土壤微生物生物量和活性有显著提高[13]。因此，生物炭可以作为土壤改良剂，通过有效提高土壤养分促进作物生长。高碳基有机肥是一种高碳肥料，主要由生物炭、有机载体、天然矿物质肥、腐殖酸和微量元素等组成[14]。近年来，施用高碳基有机肥改善并提高土壤肥力已成为研究热点。研究发现，高碳基有机肥的施用能有效提高土壤中有机碳和大量营养元素含量，从而显著改善土壤质量[15]。高碳基有机肥施用可能改善了土壤微生物的栖息环境，施用高碳基有机肥后土壤微生物和酶活性得到显著提高[16]。

许昌烟区是历史悠久的典型浓香型烤烟种植地区，土壤质量退化成为限制其发展的重要因素。PAM、生物炭和高碳基有机肥作为土壤改良剂，对提高土壤肥力有重要的应用潜力。因此，本文研究施用PAM、生物炭和高碳基有机肥对烤烟生长、土壤养分和烤后烟叶内在品质的影响，旨在探索并筛选适于提高许昌烟区土壤质量和改善烟叶内在品质的土壤改良剂，以期为植烟土壤改良和烟叶品质提升提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年在河南省许昌市襄城县王洛镇试验田进行。试验田已连续种植烤烟多年，地势平坦，灌溉排水方便。供试土壤类型为褐土，其基础理化性质见表1。供试烤烟品种为当地主栽烤烟品种‘中烟100’。PAM为白色粉状聚丙烯酰胺，分子量为18×106，阴离子型，水解度30%~32%，购自山东省唯信农业科技有限公司。生物炭为小麦秸秆在低氧条件下经500°C碳化而成，由河南农业大学提供，理化性质如表1所示。高碳基有机肥购自河南惠农土质保育研发有限公司，总养分（N+P2O5+K2O）≥5%、有机质（干基）≥45%、生物炭≥20%、粗脂肪≥1%、水分≤20%。

表1 试验用土壤和生物炭基础理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil and biochar used in the experiment

1.2 试验设计

试验共设置4个处理：不施用任何肥料（CK），施用PAM处理（T1），施用生物炭处理（T2）和施用高碳基有机肥处理（T3）。每个处理重复3次，共12个小区，每小区面积约0.067 hm2，不同小区随机排列。

根据前期的试验结果，PAM施用量为30 kg·hm-2，生物炭施用量为1 800 kg·hm-2，高碳基有机肥施用量为750 kg·hm-2。烟苗移栽前将PAM、生物炭和高碳基有机肥作基肥条施，各处理烟田均施用复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）、饼肥(N∶P2O5∶K2O=6.34∶1.17∶1.34)、硫 酸 钾(K2O为50%)、硝酸钾(N∶K2O=13∶46)，施纯氮60 kg·hm-2，氮磷钾比均为1∶1.5∶3，施饼肥375 kg·hm-2。其中，复合肥、饼肥于移栽前穴施，硫酸钾、硝酸钾用于追肥。烟苗于5月6日移栽，栽植密度16 500株·hm-2。其他生产管理措施参照《襄城县优质烟叶生产管理技术规程》进行。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 烟株农艺性状测定成熟期选取各小区具有代表性的烟株，根据YC/T 142—2010《烟草农艺性状调查测量方法》[17]，测定烤烟株高、茎围、节距、有效叶数和最大叶面积等农艺性状指标。

1.3.2 土壤养分和微生物测定烟叶采收后，每个试验小区内按照“S”形线路采集0—20 cm土层根际土壤，混合土样以“四分法”平均作为分析样品。部分土壤去除碎石、根系等杂物后立即放入4℃冰箱保存用于测定土壤微生物数量，剩余土壤于阴凉处风干后过2 mm网筛，用于土壤理化性质测定。

参照鲍士旦[18]的方法，采用电位计法测定土壤pH；使用电导仪测定土壤电导率；采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定土壤有机碳含量；采用扩散吸收法测定土壤速效氮含量；采用NaHCO3-钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量；采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量。

采用稀释涂布平板法[19]测定土壤微生物数量，其中细菌培养采用营养琼脂培养基；真菌培养采用改良马丁培养基。

1.3.3 烤后烟叶指标测定各小区烟叶单独采烤，选取中桔三等级（C3F）烟叶10 kg，用于烤后烟叶品质指标测定。参照王瑞新[20]的方法，采用H2SO4-H2O2消化法测定烟叶总氮含量；采用提取脱色法测定烟叶烟碱含量；采用铁氰化钾比色法测定烟叶总糖含量；采用3,5-二硝基水杨酸（3,5-Dinitrosalicylic acid,DNS）比色法测定烟叶还原糖含量；采用H2SO4浸提-火焰光度法测定烟叶钾含量；采用热蒸馏水浸提法测定烟叶氯含量。化学成分协调性指标计算公式如下。

1.3.4 烤烟经济性状测定 采烤结束后，对每小区烟叶进行分级，依据当地烟叶收购价格计算烤烟产量、产值、上等烟比例、中上等烟比例和均价等经济性状指标。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据统计，采用SPSS 21.0进行差异显著性分析，采用Origin 9.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理下烟株农艺性状分析

如表2所示，与对照处理相比，T1处理下烟株节距显著提高了12.97%；T2处理下烟株茎围和最大叶面积分别显著提高了11.17%和6.32%；T3处理下烟株株高、茎围、节距和最大叶面积均显著增高，增 幅 分 别 达8.40%、12.61%、13.44%和21.71%；各处理间烟株有效叶数差异均不显著。施用不同土壤改良剂处理之间比较，T3处理下烟株最大叶面积显著高于T1和T2处理，增幅分别为17.06%和14.48%；烟株株高、茎围、节距和有效叶数在不同土壤改良剂处理间差异不显著。

表2 不同处理下烟株农艺性状Table 2 Agronomic characteristics of tobacco plants under different treatments

2.2 不同处理下的土壤养分分析

如图1所示，相比于对照处理，T1处理下土壤pH显著提高了7.58%；T2处理下土壤pH、有机碳、速效氮和速效磷含量分别显著提高了7.22%、97.78%、11.54%和39.84%；T3处理下土壤pH、电导率、有机碳、速效氮、速效磷和速效钾含量均显著提高，增幅分别为8.12%、96.29%、28.89%、23.08%、71.02%和11.16%。施用不同土壤改良剂的3个处理之间比较，土壤电导率在T3处理下显著增高，较T1和T2处理分别提高了83.38%和85.82%；T2处理土壤有机碳含量最高，相比于T1和T3处理，分别显著提高113.60%和53.45%；T3处理土壤速效磷含量较T1处理显著提高52.74%；土壤速效氮和速效钾含量在不同土壤改良剂处理间无显著差异。

图1 不同处理下的土壤养分Fig.1 Soil nutrients under different treatments

2.3 不同处理下土壤微生物数量分析

如图2所示，与CK相比，T3处理土壤细菌数量显著提高了10.44%，T2和T3处理土壤真菌数量分别显著降低了10.72%和17.51%。施用不同土壤改良剂的3个处理间比较，T1、T2和T3处理在土壤细菌数量上差异不显著；T2和T3处理土壤真菌数量均显著低于T1处理，降幅分别为8.93%和15.85%。

图2 不同处理下土壤微生物数量Fig.2 Number of soil microorganisms under different treatments

2.4 不同处理下烟叶化学成分分析

如表3所示，相比于CK处理，T2和T3处理烟叶总糖、还原糖和钾含量分别显著提高了8.61%和11.24%、9.54%和13.38%、4.75%和5.63%，T1、T2和T3处理烟叶氯含量分别显著降低了4.76%、11.63%和13.12%。施用不同土壤改良剂的3个处理之间比较，T3处理下烟叶总糖、还原糖和钾含量均显著高于T1处理，增幅分别为8.22%、12.67%和5.26%；T2处理下烟叶还原糖和钾含量较T1处理也有显著提高，增幅分别为8.85%和12.67%；相比于T1处理，T3处理烟叶总氮含量显著降低了9.61%，T2和T3处理烟叶氯含量均显著低于T1处理，降幅分别为7.32%和8.89%。烟叶烟碱含量在不同土壤改良剂处理之间差异不显著。

表3 不同处理下烟叶化学成分Table 3 Chemical composition of tobacco leaves under different treatments

在烟叶化学协调性指标上，相比于CK处理，T1处理下烟叶氮碱比显著提高了5.19%；T2和T3处理下烟叶糖碱比和钾氯比分别显著提高了13.18%和18.40%、18.17%和21.21%。施用不同土壤改良剂的3个处理之间比较，T3处理下烟叶氮碱比较T1处理显著降低了7.41%；T2和T3处理烟叶糖碱比和钾氯比较T1处理分别显著提高了10.15%和15.23%、12.49%和15.40%。

2.5 不同处理下烤烟经济性状分析

如表4所示，与CK相比，T1处理烤烟产量和产值分别显著提高了10.63%和11.91%；T2处理下烤烟产量、产值和上等烟比例分别显著提高了18.17%、20.05%和10.58%；T3处理烤烟产量、产值、上等烟比例、中上等烟比例和均价分别显著提高了26.44%、35.20%、11.39%、6.43%和6.94%。施用不同土壤改良剂的3个处理之间比较，T3处理下烤烟产量和产值较T1和T2处理均有显著提高，产量增幅分别达14.29%和7.01%，产值增幅分别达20.81%和12.62%。在上等烟比例指标上，T3处理较T1处理显著提高了8.83%。

表4 不同处理下烤烟经济性状Table 4 Economic characteristics of flue-cured tobacco under different treatments

3 讨论

3.1 不同处理对烟株农艺性状的影响

烤烟农艺性状指标能直观反映烟株生长发育状况，也与烤烟产质量的形成有密切关系。本研究中，高碳基有机肥处理下烤烟株高、茎围、节距和最大叶面积等农艺性状指标均显著高于对照，而且高碳基有机肥处理最大叶面积显著高于PAM和生物炭处理。烤烟是以收获叶片为主的经济作物，最大叶面积指标显著提升对提高烤烟产量和经济效益有重要意义。施用高碳基有机肥处理下，烤烟农艺性状指标得到较大幅度的提升，可能与土壤理化性质和微生态环境的改善有关[21]。

3.2 不同处理对土壤养分及微生物数量的影响

持续耕作条件下，造成植烟土壤酸化板结、土壤水肥供应能力下降，影响烤烟正常生长发育的营养需要。本研究中，土壤有机碳含量以生物炭处理下最高，高碳基有机肥处理下土壤pH、电导率、速效氮、速效磷和速效钾含量显著提升，生物炭处理下土壤有机碳含量显著高于PAM和高碳基有机肥处理。有研究表明，施用有机和无机土壤改良剂能使土壤保持较高的肥力状况[14]。高碳基有机肥处理下植烟土壤有机碳以及速效养分含量均有显著提高。有报道指出，碳源的输入能有效提高土壤中化学肥料养分的有效性[22]，生物炭处理较PAM和高碳基有机肥处理明显提高了土壤有机碳含量，高碳基有机肥也含有大量生物炭原料，此外其富含的天然矿物质肥、腐殖酸和微量元素等成分对土壤速效养分的提升效果更为明显。与前人的研究类似，本研究中PAM、生物炭以及高碳基有机肥处理有效提高了植烟土壤pH，PAM是高分子聚合物质，具有羧基、酰胺基等活性基团，可降低土壤交换性氢含量[23]，生物炭及高碳基有机肥由于碳酸盐的存在，而且酯基和醚键等官能团以及钾、钙、镁等可交换阳离子的释放相应提高了土壤pH[24]。高碳基有机肥处理下土壤电导率得到显著提升，这可能是由于有机肥料中所含的盐分较高，有机源残留物与化学肥的混合施用有效提高了土壤电导率[25]。

土壤细菌和真菌等微生物对维持土壤微生态环境起着关键作用，是评价土壤质量的重要指标。本研究中，高碳基有机肥处理下土壤细菌和真菌数量与对照处理均有显著性差异，生物炭和高碳基有机肥处理下土壤真菌数量较PAM处理有显著降低。土壤微生物是土壤有机碳和养分循环中必不可少的调控因子，尤其是在碳源的降解过程中起着不可或缺的作用[10]。添加有机物有效提高了土壤有机碳含量，为微生物的活动提供了充足碳源，从而提高土壤微生物的活性及有益微生物的生物量[5,14]。本研究中，高碳基有机肥处理显著提高了土壤细菌数量，这与前人的研究结果一致[26]。值得注意的是，生物炭和高碳基有机肥处理下土壤真菌的数量有降低趋势。有研究认为，土壤真菌数量会随着pH的升高而减少[27]。张国栋等[28]研究发现，连作土壤中添加生物炭及有机肥，土壤微生物群落结构逐渐从“真菌型”向适宜作物生长的“细菌型”转化，可能是土壤中的病原菌失去了寄主或改变了其生活环境，影响土壤微生物的生长、发育和代谢，改变了原有的微生物体系结构。而且有研究指出，细菌是土壤养分循环途径中的重要介质，其生长速度往往比真菌高出约10倍，细菌的快速繁殖在一定程度上抑制了有害真菌的生存，实现了土壤微生物群落区系结构的优化[29]。

3.3 不同处理对烤烟品质的影响

烟叶化学成分以及协调性是影响烟叶内在品质的重要因素。高碳基有机肥处理下烟叶总氮、总糖、还原糖、钾和氯含量以及钾氯比、糖碱比和钾氯比与PAM处理均有显著差异，而与生物炭处理相比，烟叶化学成分差异不显著。研究表明，烤后烟叶品质的形成与碳素的供应水平有很大关系[30]。生物炭及高碳基有机肥本身含碳量较高，在调节植烟土壤碳氮比及改善土壤养分协调供应上有重要意义，从而在烟叶品质上表现为总糖和还原糖含量升高。而烟叶中总氮和烟碱含量降低，可能与生物炭对有较强的的吸附能力有关，烤烟对氮素的吸收减少从而降低了烟叶中烟碱的合成[31]。烤后烟叶钾氯比不协调，是困扰河南烟区烟叶品质提升的主要问题之一。从本试验的研究结果看，施用生物炭及高碳基有机肥，对烤后烟叶提价降氯有显著的积极影响，对提高烟叶品质有重要意义。

3.4 不同处理对烤烟经济性状的影响

本试验中，高碳基有机肥处理下烤烟经济性状指标均显著高于对照，烤烟产量和产值较PAM和生物炭处理均有显著提高，上等烟比例也显著高于PAM处理。有研究认为，烤后烟叶经济效益与土壤溶解性有机碳、碱解氮、速效钾等含量呈极显著正相关[32]，施用土壤改良剂处理下植烟土壤理化性质得到有效改善，为烤烟生长发育提供了良好的养分和土壤环境，是烤后烟叶产量和经济效益显著提高的重要原因。而且，施用高碳基有机肥较PAM和生物炭有更高的产量和产值，说明在实际生产中推广应用高碳基有机肥改良植烟土壤有重要的现实意义。

综上所述，施用不同土壤改良剂能不同程度改善植烟土壤理化性质和微生态环境，从而促进烟株生长发育，进而改善烟叶化学品质，提高经济效益，相比于PAM和生物炭，高碳基有机肥对改良土壤、提高烟叶内在品质和经济性状效果更好。