高碳基肥部分替代化肥对重庆土壤特性和烟叶品质的影响

李学芹，华仲臣，冯亿忠，胡心雨，沈 铮，潘昊东，蒋洪财，武云杰，姚鹏伟*

（1.河南农业大学烟草学院，国家烟草栽培生理生化研究基地，烟草行业烟草栽培重点实验室，郑州 450002；2.重庆市烟草公司武隆分公司，重庆 408500；3.重庆中烟工业有限责任公司，重庆 400060）

自1983 年种植烤烟以来，武隆区一直是重庆市重要的产烟区之一。但随着植烟年限不断增长，加上不合理的施肥方式，该地区植烟土壤酸化[1]，有机碳含量下降，土壤疏松度和通透性变差，生物学特性恶化，进而导致烟叶品质和烟农收益降低[1]。施用有机肥可以提高植烟土壤有机质含量、生物活性和酶活性，改善土壤环境，提高烟叶产质量[3]。朱梦瑶等[4]研究发现，在湖北省恩施州施用有机肥能提高烤烟旺长期土壤微生物的碳代谢能力。董鸣豪等[5]研究表明，增碳减氮可提升重庆植烟土壤有机质与全碳含量，且配施菇渣有机肥明显提升碳、氮代谢相关菌群丰度。由于土壤有机碳在短期内变化十分微小，对农田管理措施的反应不够敏感，因此许多学者将活性有机碳组分包括微生物量碳、水溶性有机碳和易氧化有机碳等作为反映土壤肥力与质量变化的早期预测指标[6]。此外，土壤酶参与土壤碳循环中的各种生物化学过程，酶活性的高低可以反映土壤肥力状况[7]。

高碳基肥是由生物炭、植物油粕、腐殖酸、微量元素等原料复配制成的一种新型生物炭基肥料[8]。一方面，由于其较大的孔隙度和比表面积，施用高碳基肥可以改良土壤结构，提高土壤肥力[9]；另一方面，高碳基肥含有的生物炭呈弱碱性，可向土壤释放本身含有的K+、Ca2+、Mg2+等盐基离子，进而提升土壤pH[10]。郑加玉等[11]在皖南烟田整治区施用生物炭可提升土壤pH 0.82～1.10。目前部分地区高碳基肥料被应用于烟草生产并取得了良好效果。宋小宁[12]通过漯河舞阳县大田试验，发现高碳基肥1500 kg/hm2与纯氮30 kg/hm2配施对改良植烟土壤性质及提高烟叶产量、质量的效果最好。宋亮[13]在湖南湘西烟区的研究结果表明，减氮20%配施3000 kg/hm2高碳基肥可提高土壤pH 与肥力水平，并改善烟叶质量。苏梦迪[14]通过大田试验表明丰都烟区施用高碳基肥料750 kg/hm2+纯氮88.80 kg/hm2（减氮20%）对改良植烟土壤性质及提高烟叶产量、质量的效果最好。由此可见，不同烟区由于生态条件、生产水平等存在差异，适宜的高碳基肥用量也有所不同。重庆市武隆县有机肥料资源主要为作物秸秆、人畜粪尿和饼肥等[15]，而关于高碳基肥在当地烟草生产施用效果的研究较少，同时在等氮条件下，适宜的高碳基肥替代化肥比例仍不清楚，因此，本研究通过田间试验，探究等氮条件下化肥配施不同用量高碳基肥对武隆烟区土壤有机碳、酶活性以及烟叶品质的影响，筛选适宜的高碳基肥用量，为指导该区合理施肥和提升烟叶质量提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2021 年4—9 月在武隆区和顺镇弹子村（E 107°26ʹ38ʹʹ，N 29°23ʹ4ʹʹ）进行，海拔983.8 m。0～20 cm 土壤基础理化特性：pH 5.43，有机质2.67 g/kg，全氮1.66 g/kg，碱解氮58.48 mg/kg，有效磷30.35 mg/kg，速效钾484.40 kg/hm2，黏粒27.33%，粉粒34.73%，砂粒37.94%。

供试烤烟品种为云烟87。高碳基肥来自河南惠农土质保育研发有限公司，含总碳≥20%，总氮（N）2.0%、磷（P2O5）1.5%、钾（K2O）2.5%，有机质（干基）≥45%，粗脂肪≥1%。

1.2 试验设计

采取随机区组设计，设置5 个处理：CK，当地常规施肥，不施用高碳基肥；T1，91%化肥氮+9%高碳基肥氮；T2，82%化肥氮+18%高碳基肥氮；T3，73%化肥氮+27%高碳基肥氮；T4，64%化肥氮+36%高碳基肥氮。每个小区长8.4 m，宽6.5 m，共91 株烟株，每处理3 次重复。各处理总氮磷钾用量保持一致（N 102.4 kg/hm2、P2O5101.3 kg/hm2，K2O 326.6 kg/hm2）。T1-T4 处理分别扣除由高碳基肥带入的养分含量，不足的磷钾分别由钙镁磷肥（含12% P2O5）和硫酸钾（含50% K2O）补充，其他肥料施用和CK 处理一致。高碳基肥做底肥，在起垄前一次性条施。于2021 年5 月5 日采用井窖式移栽，移栽规格为1.2 m×0.5 m，9 月17 日采收结束。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤取样及理化性状测定 分别于移栽后60 和135 d 采用五点取样法，刮去表层土，分别从各小区垄上距烟株10 cm 处垂直取0～20 cm 的土壤样品，每个小区不同采样点样品混合后，用四分法保存为一个样品，去除石块和植物残体等杂物，自然风干研磨后过2 mm 筛备用，用于测定土壤总有机碳、活性有机碳和土壤酶活性等指标。

土壤总有机碳（TOC）采用重铬酸钾-外加热法测定；水溶性有机碳（DOC）采用水提取过滤（水土比5∶1）后有机碳分析仪测定；易氧化有机碳（ROC）采用333 mmol/L 高锰酸钾氧化法测定；微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸浸提法测定[16]。

土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，β-葡萄糖苷酶采用对硝基苯酚法测定，纤维素酶采用荧光酶法测定，多酚氧化酶采用邻苯三酚法测定[17]。

测定移栽后135 d 土壤养分含量。采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量；采用0.05～0.025 mol/L（1/2 H2SO4）浸提测定土壤有效磷含量；采用火焰光度法测定土壤速效钾含量；采用电位法测定土壤pH[17]。

1.3.2 烤烟生长期干物质积累量 分别于移栽后30、90、120 d 在每个小区取3 株代表烟株，用铁锹将烟株铲出，并分为根、茎、叶3 部分，105 ℃杀青30 min，65 ℃下烘干至恒重，分别称量根、茎、叶的干质量。

1.3.3 烟叶产量产值及品质分析 烟叶成熟后，对各小区烟叶进行单独采收，统计烤后烟叶产量并进行专业化分级，确定烤烟产值、均价和上等烟比例。烟叶总糖、还原糖、烟碱、总氮和钾含量采用AAIII型连续流动化学分析仪测定。参照YC/T 138—1998《烟草及烟草制品感官评价方法》，由河南中烟工业有限责任公司、河南农业大学等相关技术人员评吸鉴定，各项指标均按9 分制打分。

1.4 数据处理

试验结果用算术平均数和标准差表示。利用Excel、SPSS 25.0 数据分析软件进行试验数据的计算、差异显著性分析、相关性分析和绘图，利用Origin 2022 进行主成分分析和PCA 图的绘制。

2 结 果

2.1 不同处理对烤烟干物质积累的影响

由图1 可知，移栽后30 d，各处理之间干物质积累量差异不显著；移栽后60 d，随着高碳基肥替代量的增加，各处理根、茎、叶干质量均呈现先升高后下降的趋势，且均以T3 处理最大；移栽后90 d，各处理的根、茎、叶干质量均表现为T3＞T4＞T1＞T2＞CK，T3 处理的根、茎和叶干质量较CK 分别显著提高27.76%、24.38%和18.24%。

图1 不同处理对烤烟干物质积累的影响Fig. 1 Effects of different treatments on dry matter accumulation of flue-cured tobacco

2.2 不同处理对土壤有机碳含量的影响

由表1 可知，随高碳基肥替代量的增加，各处理土壤总有机碳含量均呈现先增加后降低的趋势，其中T3 处理较CK 显著提高；T3 和T4 处理较CK显著提高了土壤易氧化有机碳含量。移栽后60 d 和135 d，T3 处理土壤微生物量碳含量分别较CK 显著提高了53.80%和50.86%。与CK 相比，施用高碳基肥处理土壤水溶性有机碳含量均显著提高，其中各时期均为T3 处理最高。

表1 不同处理对土壤总有机碳和活性有机碳含量的影响Table 1 Effects of different treatments on total organic carbon and activated organic carbon content in soil

2.3 不同处理对土壤酶活性的影响

由表2 可知，移栽后60 d 和135 d，各时期土壤蔗糖酶活性随着高碳基肥替代量的增加均呈现先增加后降低的趋势，且均为T3 处理最高，分别较CK 提高了39.28%和33.90%。各时期纤维素酶活性均表现为T3＞T4＞T2＞T1＞CK，其中移栽后60 d，T1、T2、T3、T4 处理较CK 分别提高了24.19%、42.96%、77.98%和73.28%，135 d 分别提高了21.65%、57.26%、71.51%和67.23%。β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性与CK 相比有提升趋势，但差异不显著。

表2 不同处理对植烟土壤酶活性的影响Table 2 Effects of different treatments on enzyme activity in tobacco planting soil

2.4 不同处理对土壤养分和pH 的影响

由表3 可知，施用高碳基肥提高了土壤pH，T2 和T4 处理分别较CK 提高了7.31%和9.29%；与CK 相比，T2-T4 处理土壤碱解氮含量降低，但各处理间差异不显著；随高碳基肥替代量的增加，土壤有效磷含量有增加的趋势，但各处理之间无显著差异；土壤速效钾含量随高碳基肥替代量的增加而增加，T1-T4 较CK 分别提高了9.60%、16.32%、27.36%和33.06%。综合来看，合理施用高碳基肥可以有效缓解武隆烟区土壤酸化问题并提高土壤速效钾含量。

表3 不同处理对植烟土壤养分含量和pH 的影响Table 3 Effects of different treatments on nutrient content and pH of tobacco soil

2.5 土壤酶活性与土壤理化性质的相关性分析

由表4 可知，土壤纤维素酶与TOC、ROC、MBC 及速效钾含量显著正相关（p<0.05）。土壤多酚氧化酶与ROC、MBC 和速效钾含量显著正相关（p<0.05），而与碱解氮含量显著负相关（p<0.05）。土壤β-葡萄糖苷酶与ROC 及速效钾含量显著正相关（p<0.05），与MBC 极显著正相关（p<0.01）。土壤pH 与多酚氧化酶、速效钾、ROC 含量显著正相关（p<0.05）。

表4 土壤酶活性与土壤理化性质之间的相关系数Table 4 Correlation coefficient between soil enzyme activity and soil physicochemical properties

2.6 土壤有机碳含量和酶活性的主成分分析

由图2 可知，PC1 和PC2 共解释了76.4%的变量。在PC1 方向上，CK 和T1 处理分布在正半轴，T3 和T4 处理分布在负半轴，而T2 处理横跨两个半轴；各处理与CK 的距离表现为T4＞T3＞T2＞T1＞CK，说明施用高碳基肥使土壤有机碳和酶活性发生明显变化，并且随着施肥量的增加，影响更加明显。在PC2 方向上，各处理均横跨正负半轴，无显著空间差异。不同施肥处理活性有机碳组分和土壤酶活性在第一、二主成分上的载荷值见表5。原始变量与2 个主成分间的相关系数可用载荷值表征，载荷值越大，表明该原始变量对该主成分的影响越大。除TOC 外，第一主成分的各分量载荷值大致相当，说明第一主成分是一个综合指标；第二主成分TOC、ROC 载荷值较大，说明第二主成分主要和TOC、ROC 有关。

表5 主成分因子载荷分析Table 5 Load analysis of principal component factors

图2 不同处理对土壤有机碳和酶活性的主成分分析Fig. 2 Analysis of principal components of soil organic carbon and enzyme activities with different treatments

2.7 不同处理对烤后烟化学成分的影响

由表6 可知，B2F 烟叶，施用高碳基肥的各处理总糖和还原糖含量均显著高于CK，且均为T4 处理最高。施用高碳基肥的各处理钾含量均高于CK，增幅在16.25%～41.87%之间。与CK 相比，T2-T4处理均显著降低烟碱含量。两糖比在0.86～0.91 之间，糖碱比和钾氯比均表现为CK 最低。C3F 烟叶，施用高碳基肥的各处理总糖和还原糖含量均高于CK，其中T3 处理较CK、T1、T2 处理显著提高还原糖含量。与CK 相比，各处理钾含量增幅在15.57%～54.91%之间，且差异显著。各处理烟碱含量均低于CK，而糖碱比和钾氯比均高于CK。

表6 不同处理对烤后烟化学成分的影响Table 6 Effects of different treatments on the chemical composition of tobacco after curing

2.8 不同处理对烤烟感官质量的影响

由表7 可知，施用高碳基肥处理的C3F 和B2F烟叶香气特征得分较CK 均有所提高，T3 处理得分最高；T3 和T1 处理烟气特征、口感特征、燃烧性和灰色最佳。T3 和T1 处理B2F 和C3F 烟叶感官质量综合得分均高于其他处理。

表7 不同处理对烤烟感官质量的影响Table 7 Effects of different treatments on sensory quality of tobacco after grille

2.9 不同处理对烤烟经济性状的影响

由表8 可知，随着高碳基肥替代量的增加，烟叶产量和产值均表现为T3＞T4＞CK＞T2＞T1，与CK 相比，T3 处理产量和产值分别提高了19.19%和23.24%，上等烟比例显著提高。

表8 不同处理对烤烟经济性状的影响Table 8 Effects of different treatments on the economic traits of flue-cured tobacco

3 讨 论

施用有机肥是增加土壤有机质，提高土壤肥力的有效措施[18]。本研究结果表明，施用高碳基肥后，土壤TOC 含量均高于常规处理，这一方面是由于有机物料自身携带有机质，另一方面有机肥能够促进烟株生长和根系发育，使根系分泌物增加，进而增加土壤TOC 含量[19]。施用高碳基肥也增加了土壤活性碳DOC、ROC 和MBC 含量，这可能是由于高碳基肥料中的多孔结构为土壤微生物提供了良好的生长环境，施入土壤后促进土壤微生物活性提高，加快土壤有机碳内部周转，同时也促进作物根系的发育及根系分泌物的增加，产生更多的活性有机碳[20]。土壤酶在土壤肥力的形成过程中起着重要作用，常作为表征土壤的生物活性指标来评价土壤营养物质的循环转化情况以及农业措施如肥料施用的效果[21]。本试验中施用高碳基肥显著提高了烤烟旺长期土壤蔗糖酶活性，这可能是因为高碳基肥为酶促反应提供了充足的基质[22]，且生物炭的孔隙结构及其吸附的养分为土壤真菌和细菌提供了良好的生存条件，从而提高了土壤酶活性[23]。此外，外源输入的有机物质可提供充足的木质纤维素和蔗糖等物质，纤维素酶和β-葡萄糖苷酶均为水解酶，可将其转化为活性有机碳组分[24]。本试验中相关性分析表明纤维素酶和β-葡萄糖苷酶与ROC、MBC含量显著正相关，进一步证实了土壤酶与土壤活性有机碳的形成、转化密切相关[24]。本试验中，施用高碳基肥处理土壤pH 值均高于对照处理，表明施用高碳基肥可达到减轻土壤酸化的作用，这与宋小宁[25]的研究结果一致。施用高碳基肥提高了土壤速效钾的含量，原因可能是高碳基肥中所含有的生物炭可以活化土壤矿物层，从而释放部分非交换性钾[26]。本试验结果表明，土壤pH 与TOC、多酚氧化酶和ROC 含量极显著正相关，说明高碳基肥可以通过提高酸性土壤pH 而提高土壤有机碳含量和酶活性。

张纪利等[27]研究表明高碳基肥可以显著促进烟株干物质积累。本试验高碳基肥处理土壤有机碳、酶活性的增加有助于提升营养元素的转换和利用效率，土壤肥力也随之提高，因此烤烟的生长发育和烟叶质量提升。此外，高碳基肥的施用对烤烟不同生育期的影响不同。移栽后30 和60 d，施用高碳基肥处理的干物质积累量与CK 之间差异不显著；而移栽后90 d 较CK 显著提高，这说明高碳基肥部分替代化肥对烤烟生育后期的生长有显著促进作用。张纪利等[27]研究表明，施用高碳基肥可以提高烤后烟总糖和还原糖的含量，这与本研究结果一致。综上，施用高碳基肥能通过改善植株土壤理化性质、活性有机碳组分及酶活性，改善烟株营养水平，从而提升烟叶耐熟性、成熟度和易烤性[28]，烟叶化学成分更加协调，烟叶品质提升[29]。

4 结 论

结果表明，高碳基肥部分替代化肥可以显著提高土壤活性有机碳含量和纤维素酶、蔗糖酶活性，有效减轻土壤酸化程度，促进烟株中后期生长发育，提高烤后烟的还原糖、总糖含量、钾含量和两糖比，降低烟碱含量，改善烤后烟的感官质量，提高烤烟的产量产值，在施氮102.4 kg/hm2时，73%化肥氮+27%高碳基肥氮为武隆烟区适宜的施肥方案。