不同种类有机肥对植烟土壤生物学特性及烤烟产质量的影响
2023-06-29杨茜张弘蒙杨洁孙曙光石刚李志刚吴勇杨永霞王鹏
杨茜 张弘蒙 杨洁 孙曙光 石刚 李志刚 吴勇 杨永霞 王鹏
摘要：為探究有机肥施用对广元植烟土壤的改良效果，采用大田试验，以纯施化肥为对照，研究了配施菜籽饼肥（T1）、芝麻饼肥（T2）、农家肥（T3）、高碳基肥（T4）对植烟土壤酶活性、可培养微生物数量、根际土壤微生物碳代谢特征及烤烟产质量的影响。结果表明，施用有机肥能够提高移栽后60 d 土壤酶活性，增加土壤细菌、真菌、放线菌数量，明显提高烟叶产量、产值，协调化学成分，以 T3农家肥处理提质增产效果最显著，产量、产值分别增加214.91 kg/hm2、7225.39元/hm2。不同配施处理，以 T1处理菜籽饼肥土壤蔗糖酶活性最高，较对照提高了74.03%，T3处理农家肥对提高土壤脲酶活性作用明显，较对照提高42.42%；有机肥施用明显提高土壤真菌和放线菌数量，且 T3处理农家肥显著增加细菌、真菌、放线菌数量，与对照相比增幅分别为44.50%、100.79%、162.45%；施用有机肥能提高根际土壤微生物碳代谢活性，尤其是 T3处理农家肥AWCD 值、Shannon 指数、Simpson 指数高于其他处理，氨基酸类、羧酸类碳源利用率分别较对照提高49.26%、60.56%。综上，配施农家肥效果最好。
关键词：烤烟；土壤酶活性；微生物功能多样性
中图分类号： S572.01 文献标识码： A 文章编号：1007-5119（2023）01-0008-07
Effects of Different Organic Fertilizers on Biological Characteristics of Tobacco Growing Soil， Yield and Quality of Flue-cured Tobacco
YANG Xi1， ZHANG Hongmeng2， YANG Jie3， SUN Shuguang2， SHI Gang2，LI Zhigang2， WU Yong2， YANG Yongxia1*， WANG Peng2*
（1. College of Tobacco Science， Henan Agricultural University， National Tobacco Cultivation Physiology and Biochemistry ResearchCenter， Key Laboratory of Tobacco Cultivation in the Tobacco Industry， Zhengzhou 450002， China;2. Wuhan Cigarette Factory ofHubei China Tobacco Industry Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China;3. Jiange Branch of Guangyuan City Company of Sichuan TobaccoCompany， Guangyuan， Sichuan 628000， China）
Abstract： In order to explore the effect of organic fertilizers on soil improvement in Guangyuan， field experiments were carried out， with pure chemical fertilizer as a control， to study the effects of rapeseed cake fertilizer（T1）， sesame cake fertilizer（T2）， farmyard manure（T3）， high carbon base fertilizer（T4） on soil enzyme activities， number of culture able microorganisms， carbon metabolism capacity of rhizosphere soil microorganisms， yield and quality of flue-cured tobacco. The results showed that the application of organic fertilizers enhanced soil enzyme activities 60 days after transplanting， increased the number of soil bacteria， fungi， actinomycetes， and significantly promoted yield and output value of tobacco leaves， also coordinated chemical composition of tobacco leaves. The effect of improving quality and increasing yield by applying farmyard fertilizer was the most remarkable， and the yield and output value per hectare were increased by 214.91 kg and 7225.39 yuan. With different combined application treatments， the combined application of rapeseed cake fertilizer had the greatest increase in soil sucrase activity by 74.03%， and the combination of farmyard manure had the most obvious effect on soil urease activity， which was 42.42% higher than pure chemical fertilizer. The application of organic fertilizer significantly increased the number of soil fungi and actinomycetes， and the number of bacteria， fungi and actinomycetes was significantly increased by farmyard manure， which was 44.50%， 100.79% and 162.45% higher than pure chemical fertilizer. Besides this， application of organic fertilizer improved the carbon metabolism activities of rhizosphere soil microorganisms， especially the AWCD value， Shannon index and Simpson index of farmyard manure treatment were higher than that of the other treatments， and the utilization rates of amino acids and carboxylic acids carbon sources were significantly increased by 49.26% and 60.56% compared with the control， respectively. To sum up， the effect of applying farmyard manure is the best. Keywords： flue-cured tobacco; soil enzyme activity; microbial functional diversity
广元烟区位于川北地区，是四川省的五大烟区之一，生产的烟叶以醇甜香型风格特征闻名[1-2]。川北烟区植烟土壤有机质含量及肥力水平偏低，随烤烟种植年限的延长，土壤耕层退化、养分失衡、板结、酸化加剧，违背优质烟叶可持续生产的要求[3-4]。有机肥本身含有部分酶和有益菌群，与无机肥配施后为微生物提供大量有机营养，促进烤烟根系发育，能加速微生物代谢、活化，提高碳代谢活性，是改良土壤微生态环境、培肥地力的有效手段[5-7]。农传江等[8]研究发现，化肥配施精制有机肥和生物有机肥有利于文山州植烟土壤有机碳的积累，改善土壤肥力，以配施生物有机肥效果最好。朱梦遥等[9]研究表明，施用商用有机肥、农家肥、绿肥均能不同程度提高湖北省恩施州旺长期植烟土壤微生物碳代谢能力，以商品有机肥提升效果最为显著。聂庆凯等[10]研究发现高碳基肥和炒芝麻配施能显著优化周口烟区农田土壤微生态环境，提高植烟土壤微生物碳源利用能力。因此，有机肥施用效果受当地气候、土壤类型、栽培措施和有机肥种类等影响。应因地制宜，研究适合当地植烟土壤保育的肥料类型。近年来，有关广元烟区施用有机肥的影响研究多集中在土壤养分状况与烤烟产质量等方面，但对广元烟区植烟土壤生物学特性的研究少有涉及。因此，本试验针对广元市烟区植烟土壤现状，通过对比试验整体评价施用不同种类有机肥对土壤微生物数量、酶活性、微生物群落碳源利用能力及烤烟产质量的影响，为当地优化施肥措施提供理论依据。
1材料与方法
1.1试验地概况
2021年，试验在广元市剑阁县汉阳镇云丰村开展（东经105°49′88″、北纬32°15′46″）。广元市剑阁县属亚热带湿润季风气候，年平均气温16.0 C，年平均降雨量约1077.5 mm ，全年无霜期278 d ，年日照时数1450 h。供试土壤类型为黄壤黏土，土壤的基本理化性质如下： pH 7.64，有机质18.69 g/kg ，全氮1.18 g/kg，全碳13.16 g/kg，碱解氮42.53 mg/kg，速效磷8.10 mg/kg，速效钾152.60 mg/kg。
1.2试验设计
试验共设5个处理：CK，纯化肥（烟草复合肥）； T1，化肥+菜籽饼肥； T2，化肥+芝麻饼肥； T3，化肥+农家肥； T4，化肥+高碳基肥。各处理重复3次，共15个小区，小区面积为66 m2（12 m ×5.5 m ），随机区组排列。供试品种为云烟87，株距0.5 m ，行距1.2 m 。各处理遵循“等氮量”原则，纯氮用量为106.5 kg/hm2，m （N ）∶m （P2O5）∶m （K2O ）=1∶1.37∶3.25，具体施肥情况见表1。过磷酸钙、硫酸钾、烟草复合肥与有机肥混匀后作基肥于起垄前条施，硝酸钾、专用追肥分别于5月16日、6月20日作追肥溶于水穴施。烟苗于5月6日移栽，其他大田管理按当地优质烟叶管理措施进行。
1.3样品采集
1.3.1土样采集于烟苗移栽后60d，随机选取烟垄上两株烟正中位置（距烟株25 cm处）采集0～20 cm 土壤，每小区采集5个土样，混匀后作为一个样品，自然风干后过1 mm 筛。将样品分为两份，一份用于测定土壤酶活性；另一份过2 mm 筛后于4 C下保存，用于测定土壤微生物数量。每小区选取反映小区整体长势并一致的烟株3株，通过抖土法采集根际土壤，将同小区根际土壤混合后作为一个样品，于4 C保存，用于测定根際土壤微生物功能多样性。1.3.2烟样采集分别选取不同处理烘烤后等级为 B2F、C3F、X2F 烟叶样品各1.0 kg 用于常规化学成分的测定。
1.4测定项目和方法
1.4.1土壤酶活性土壤脲酶采用比色法测定；蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定；碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定，过氧化氢酶采用 KMnO4滴定法测定[11]。
1.4.2微生物数量和功能多样性采用平板计数法[12]对细菌、真菌、放线菌数量进行测定，通过 Biolog-ECO 板（Biolog ，Hayward ，USA）对根际土壤微生物功能多样性进行测定[13]。
1.4.3烤后烟叶常规化学成分参照烟草行业标准 YC/T 159—2002、YC/T 162—2002、YC/T 217—2007测定烟叶中烟碱、总氮、还原糖、总糖、钾、氯的含量，并计算糖碱比、氮碱比、钾氯比。
1.4.4烤后烟叶经济性状各试验小区单采，单独编秆烘烤，根据国家烟叶分级标准 GB/T 2635—1992统计各小区烤后烟叶产量、产值、上等烟比例、上中等烟比例，并计算均价。
1.5数据处理
对于 Biolog 试验，选取培养120 h 在590 nm 下的光密度值进行分析。利用每孔平均颜色变化率（AWCD）表征根际土壤微生物对31种碳源的代谢强度，用4种功能多样性指数描述微生物特征。其中丰富度指数、Shannon 指数、 Simpson 指数、 McIntosh 指数分别用 S、H、D 、U 表示。相关计算公式如下[13-14]：
AWCD=∑（Ai-A1）/31
S=被利用的碳源总数
H=- ∑pi（ln Pi）
D==1- ∑pi2
U=（∑ni2）1/2
碳源利用率=∑（Ai-A1）/n
式中： Ai 为第 i 孔的吸光度值， A1为对照孔的吸光度值； S 用于计算光密度值大于0.2的孔数； Pi 为第 i 孔的相对吸光度值与整个平板相对吸光度和的比值；ni 为第 i 孔的相对吸光度；n 为同属于相同碳源的孔数。31类碳源中糖类10种、氨基酸类6种、羧酸类7种、胺类2种、酚酸类2种、聚合物类4种。
采用 Microsoft Excel 2016进行数据处理和绘图， SPSS 24.0进行 LSD 差异显著性分析和主成分分析。
2结果
2.1施用有机肥对植烟土壤酶活性的影响
由图1可知，配施有机肥均显著提高土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性，较 CK 分别提高28.81%～42.42%、43.54%～74.03%、42.16%～66.49%、53.14%～87.22%。其中蔗糖酶、碱性磷酸酶活性以 T1处理最高，土壤脲酶、过氧化氢酶活性以 T3处理最高。
2.2施用有机肥对土壤微生物数量的影响
施用有机肥能够显著提高土壤真菌和放线菌数量，均表现为 T3＞T4＞T2＞T1＞CK，且 T3处理与其他处理间差异显著（表2），其真菌、放线菌数量分别较 CK 提高了100.79%、162.45%。T3处理显著增加土壤细菌数量，较对照增幅达44.50%。
2.3施用有机肥对根际土壤微生物功能多样性的影响
2.3.1 AWCD 值由图2可知，随着培养时间的延长，所有处理的 AWCD 值呈逐渐升高的趋势。培养24 h 时，各处理 AWCD 值较小，微生物对碳源的利用能力弱，碳代谢活性低；24～120 h 时，AWCD 值迅速升高，此阶段是微生物碳源利用能力的快速增长期；120 h 时， AWCD 值表现为 T3＞T1＞T4＞T2＞CK，且有机肥处理与对照间差异显著（p＜0.05）。120～168 h 时， AWCD 值逐渐趋于平稳。2.3.2 土壤微生物对不同类型碳源的利用能力将 Biolog-ECO 板上31种碳源底物分为糖类、氨基酸类、羧酸类、胺类、酚酸类、聚合物类6大类，以每类碳源吸光度的平均值作图，可以直观反应土壤微生物对不同碳源的利用特征。由图3可知，各处理土壤微生物对糖类、氨基酸类、羧酸类和聚合物类的碳源利用率较高，对胺类、酚酸类碳源的利用率较低。有机肥处理均能显著提高土壤微生物对氨基酸类、羧酸类、胺类和酚酸类碳源的利用能力，以 T3处理效果最明显，较对照分别提高49.26%、60.56%、154.55%、75.00%。与 CK 相比， T1、T3处理显著提高土壤微生物对糖类碳源的利用率，除 T2处理外，施加有机肥能显著提高土壤微生物对聚合物类碳源的利用率。
2.3.3根际土壤微生物功能多样性分析选取培养120 h 的 AWCD 值进行多样性指数分析，进一步了解土壤微生物群落功能多样性。丰富度、Shannon、 Simpson 和 McIntosh 指数分别反映土壤微生物群落中物种的数目、多样性、优势度和均匀度。由表3可知，施用有机肥能不同程度地提高土壤微生物多样性指数，与 CK 相比，有机肥处理显著提高根际土壤微生物丰富度、 Shannon 、Simpson 指数， T1、 T3处理显著提高 McIntosh 指数。
2.3.4土壤微生物对碳源代谢的主成分分析利用培养120 h 后的 BIOLOG 比色结果进行主成分分析，从变量中提取到7个主成分因子，从表4可知， PC1、PC2的累计方差贡献率为59.02%。其余各主成分方差贡献率均不足10%，不足以表征原有变量特征。降维后各变量因子在2D 坐标轴的相对位置便于直观区分各处理根际土壤微生物利用碳源能力的差异。如图4所示，各处理的空间排布有明显不同， T2、T4位于第Ⅰ象限， CK 位于第Ⅱ象限，T1位于第Ⅲ象限，T3位于第Ⅳ象限。 T2、T3、T4分布紧密，与 CK、T1相距较远，表明 T2、T3、T4处理微生物利用碳源的方式类似，施加有机肥对微生物碳源的利用类型产生明显影响。
2.4施用有机肥对烤烟化学成分的影响
有机肥施用降低各部位烤后烟叶烟碱、总氮含量和氮碱比，提高还原糖、总糖、钾离子含量和钾氯比，明显提高下部叶还原糖含量、中下部叶糖碱比，中下部叶总氮含量显著下降（表5）。其中，上中部叶氮碱比、烟碱及总氮含量、各部位烤后烟钾氯比处于适宜化学成分范围内。与 CK 相比，中部叶糖碱比更协调，T1、T2、T3、T4处理分别提高54.83%、42.30%、66.62%和28.85%。不同部位烤烟相比，上部叶氯含量降低，钾氯比增高，燃烧性更好，与 CK 相比， T1、T3处理钾氯比显著提高35.93%、36.34%。
2.5施用有机肥对烤烟经济性状的影响
由表6可知，各处理在产量、产值、上等烟比例、上中等烟比例、均价上总体表现为 T1、T3处理最优，T2、T4次之。与 CK 相比，有机肥处理的产量、产值分别显著增加144.95～214.91 kg/hm2、4960.40～7225.39元/hm2，均价提高4.13%～6.09%。
3讨论
土壤酶是土壤微生物、动植物残体分解及根系分泌活动的产物[15]，与土壤微生物活性密切相关，反映植烟土壤表观肥力特征，是衡量土壤生物学活性的指标[16-17]。本研究表明，有机肥处理能显著提高植烟土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性，其中配施芝麻饼肥处理的土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶活性显著高于配施高碳基肥的处理，这与前人[10]研究结果不同，这可能是土壤类型、环境因子不同导致，四川黏土相比于周口潮土速效养分低，等量饼肥较高碳基肥营养元素高且释放快[18]。
土壤微生物作为改良土壤生态系统的重要一环，参与土壤中速效养分释放和累积、有机物分解、团粒构成等过程，与土壤生态健康、抵御环境胁迫和作物生产能力密切相关[19]。本研究结果表明，配施有机肥使可培养细菌、真菌、放线菌数量增加，这可能是由于高C/N 比有机肥的施入带来大量有机碳源，促进微生物增殖；另一方面微生物参与有机肥的分解，有机肥自身携带部分微生物起“接种”作用[20]。各有机肥处理均能提高土壤微生物对六大类碳源的利用能力，且糖类、氨基酸类、羧酸类、聚合物类碳源利用率高，表明此类碳源是土壤微生物的偏好类型。其中，施用菜籽饼肥显著提高土壤微生物对聚合物类、羧酸类碳源的利用率，与向羽等[21]研究结果不一致，可能是菜籽饼肥施入量不同导致，本试驗菜籽饼肥施入量相对较高，含有的植酸和碳水化合物能持续供给肝糖和羧酸类有机组分[22]。高碳基肥处理对糖类碳源利用率几乎无影响，可能原因是生物炭施入后根系和土壤微生物间竞争激化，抑制了部分以碳源为底物的微生物活动[23]。主成分分析发现，施入有机肥影响土壤微生物群落代谢特征，其中配施芝麻饼肥、农家肥、高碳基肥的处理微生物利用碳源的方式相似，但有机肥施入后造成根际土壤微生物碳源利用特征发生变异的机理尚不清楚，有待进一步研究。
研究發现，有机无机肥配施，加大了碳源投入，改善土壤微生态环境和菌群结构，促进微生物生长繁衍，提高了土壤酶活性[24]，更利于养分释放，且疏松土壤促进了根系生长和对养分的吸收，进而促进烟株地上部的生长发育，改善烤后烟叶的产量和品质[8]。本研究中，施用有机肥提高了广元烟区土壤酶活和微生物代谢活性，对产质量提升具有正向效应，钾离子和糖含量提高，降碱增糖效果显著，以施用农家肥的处理效果较好。但配施不同种类有机肥对植烟土壤生物学特性和烤烟产质量的影响是一个长期过程，需长期试验验证。
4结论
结果表明，等氮磷钾条件下，在广元烟区施用有机肥能提高土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性，增加可培养细菌、真菌和放线菌数量，提高微生物 AWCD 值、六大类碳源利用能力和功能多样性指数，提质增产效果较好，以农家肥效果更佳。应在当地持续开展有机肥定位试验，探索其长期效应，以优化有机肥施用技术。
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