深耕條件下生物炭對烤煙根系活力、葉片SPAD值及土壤微生物數量的動態(tài)影響

胡瑞文，劉勇軍，荊永鋒，周清明，劉智炫，黎 娟*，邵 巖，劉 卉

(1.湖南農業(yè)大學，湖南長沙410128；2.湖南省煙草科學研究所，湖南長沙410000；3.湖南中煙工業(yè)有限責任公司，湖南長沙410000)

生物炭是生物質在厭氧條件下高溫裂解后生成的富含孔隙、具有芳香烴結構的物質，由于其材料來源廣泛，又具有多孔性和高比表面積的特征，對環(huán)境的污染較小[1-3]，能有效降低土壤重金屬含量[4]，是當今農業(yè)和能源等領域的研究熱點。有研究[5-6]表明，施用生物炭對烤煙生長過程中的株高、莖圍、有效葉片數等均有影響且高于未施用生物炭的處理，土壤中增施生物炭后提高了烤后煙葉的總產量以及上、中等煙葉的產出率，且能調節(jié)煙葉內在化學成分的協(xié)調性，改善煙葉品質。

土壤深翻耕技術與秸稈還田結合，是一種有效的土壤肥沃耕層構建模式[7]，而目前把此類耕層構建模式利用到烤煙生產上，且關注其對植煙土壤微生態(tài)環(huán)境和烤煙生長的動態(tài)影響的報道較少。本研究用生物炭作為秸稈還田的原料，研究在深耕條件下，施用生物炭對烤煙根系活力、葉片SPAD值及土壤微生物數量的動態(tài)影響，旨在探討深耕條件下有利于湘西自治州土壤微生態(tài)環(huán)境和烤煙生長的施炭量，以期為生物炭在湘西州優(yōu)質煙葉生產中的應用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年4—9月在湖南省湘西州鳳凰縣千工坪鄉(xiāng)進行，位于東經109°29′58″、北緯28°1′26″，該地區(qū)屬于“喀斯特”地貌，海拔420 m，氣候屬中亞熱帶季風濕潤氣候。試驗地肥力情況為：堿解氮含量59.50 mg/kg、有效磷含量32.16 mg/kg、速效鉀含量253.88 mg/kg，pH 6.50。

1.2 供試材料

供試生物炭為稻殼生物炭，由湖南正恒農業(yè)科技發(fā)展有限公司提供，養(yǎng)分含量如下：堿解氮含量25.67 mg/kg、速效磷含量0.459 g/kg、速效鉀含量3.71 g/kg、pH 9.44。

試驗品種為云煙87。供試基肥、追肥和提苗肥等肥料由湖南金葉眾望科技股份有限公司提供。

表1 試驗處理及生物炭用量

1.3 試驗設計

本試驗為單因素試驗，試驗田深耕深度均為30 cm，生物炭用量設計3個處理和1個對照(表1)，每個處理3次重復，共計12個小區(qū)，種植密度行株距為1.1 m×0.55 m，每小區(qū)種植50株，試驗小區(qū)四周設置保護行。試驗施氮量為112.50 kg/hm2，其中氮磷鉀肥施用比為m(N) ∶m(P2O5) ∶m(K2O)=1 ∶ 1.18 ∶ 2.85，施肥方式為條施。試驗于2016年4月12日施生物炭，生物炭施用方法：在整地前、試驗小區(qū)劃分好后，按照各處理生物炭用量將生物炭均勻撒施在供試小區(qū)地表，旋耕深翻30 cm，使其與土壤充分混合。4月28日移栽。各處理除生物炭施用量外，其它措施均一致。

1.4 測定項目及方法

土壤及煙株樣品采集：于團棵期(移栽后30 d)、旺長期(移栽后60 d)、成熟期(移栽后90 d)按五點取樣法選取煙株，采用抖根法[8]采集根際土樣，去除土樣中的雜物、細根后混勻放入自封袋中，用冰盒帶回實驗室，放入4 ℃冰箱保存，用于土壤微生物數量的測定。采集土樣后，將選取的煙株根系洗凈，用于烤煙根系活力的測定。

1.4.1 烤煙根系活力的測定 采用TTC法[9]測定烤煙根系活力，四氮唑還原強度(μg·g-1·h-1)=四氮唑還原量(μg)/[根質量(g)×時間(h)]。

1.4.2 烤煙葉片SPAD值的測定 于移栽后30 d選取煙葉中部煙葉，移栽后60 d選取下部葉、中部葉和上部葉，移栽后90 d選取上部葉和中部葉進行測定，使用儀器為便攜式葉綠素測定儀SPAD-502，測量每片煙葉時分別對葉基部、葉中部和葉尖進行讀數，取平均值。

1.4.3 土壤微生物數量的測定 參考文獻[10]稱取10 g土壤加入到裝有90 mL無菌水的三角瓶中，放入搖床中，28 ℃、200 r/min震蕩30 min，充分懸浮，靜置半小時后，取上清液稀釋后得到10-1～10-6的懸浮液，取100 μL稀釋懸浮液均勻涂抹于LB培養(yǎng)基、馬丁孟加拉紅-鏈霉素培養(yǎng)基、高氏1號培養(yǎng)基上，平行3次，轉入28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)(細菌2～3 d、真菌3～5 d、放線菌5～7 d)。

1.5 數據處理

數據分析采用Excel和SPSS 19.0軟件對數據進行統(tǒng)計分析與作圖，方差分析采用鄧肯新復極差法，文中表和圖小寫字母表示在0.05水平呈顯著差異，大寫字母表示在0.01水平呈顯著差異。

2 結果與分析

2.1 生物炭對烤煙根系活力的動態(tài)影響

由圖1可知，團棵期各處理烤煙根系活力差異不顯著，旺長期和成熟期各處理烤煙根系活力呈顯著差異(P<0.05)。團棵期各處理烤煙根系活力均值在163.94～178.86 μg/(g·h)，其中以T3處理最高，CK最低，各處理從高到低依次為：T3、T2、T1和CK。旺長期各處理烤煙根系活力均值在190.63～215.45 μg/(g·h)，其中以T2處理最高，CK最低，各處理從高到低依次為：T2、T3、T1和CK。T2、T3和T1處理的根系活力比CK分別增加了13.02%(P<0.05)、4.62%和2.77%。成熟期各處理烤煙根系活力均值在112.77～133.69 μg/(g·h)，其中以T2處理最高，T3處理最低，各處理從高到低依次為：T2、T1、CK和T3。T2和T1處理的根系活力比CK分別增加了13.78%(P<0.05)和11.39%。表明施加生物炭在成熟期能夠在一定范圍顯著提高烤煙的根系活力，但是施用過多(T3)會導致烤煙根系活力下降，以施用生物炭3 750 kg/hm2(T2)較適宜。

圖1 生物炭用量對烤煙不同生育期根系活力的影響Fig.1 Effect of biological carbon content on root vigor of flue-cured tobacco at different growth stages

2.2 生物炭對烤煙葉片SPAD值的動態(tài)影響

由表2可知，不同時期烤煙葉片SPAD值存在顯著差異。從團棵期來看，各處理中部葉葉片SPAD值以CK最高，以T1最低，且CK處理顯著高于T1處理，各處理從高到低依次表現為：CK、T2、T3和T1。

從旺長期來看，各處理不同部位的葉片SPAD值由大到小依次為上部葉、中部葉和下部葉。上部葉各處理葉片SPAD值以T2處理最高，以CK最低，從高到低依次為：T2、T1、T3和CK，其中T2處理比CK顯著提高了14.65%。中部葉各處理葉片SPAD值從高到低依次為T2、T1、CK和T3，其中T2和T1處理的葉片SPAD值比T3處理顯著提高了10.32%和9.98%。下部葉各處理葉片SPAD值以T3處理最高，以CK最低，從高到低依次為T3、T1、T2和CK，其中T3、T1和T2處理的葉片SPAD值比CK分別提高了11.11%、2.75%和2.70%。

從成熟期來看，各處理不同部位的葉片SPAD值表現為上部葉>中部葉。上部葉各處理葉片SPAD值以T2處理最高，以T3處理最低，從高到低依次為：T2、T1、CK和T3，其中T2和T1處理的葉片SPAD值比CK顯著提高了14.41%和13.19%。中部葉各處理葉片SPAD值以T1處理最高，以T3處理最低，從高到低依次為T1、T2、CK和T3，其中T1和T2處理的葉片SPAD值比CK顯著提高了26.88%和24.12%。

表2 生物炭還田用量對烤煙不同生育期葉片SPAD值的影響

2.3 生物炭對土壤微生物數量的動態(tài)影響

由表3可知不同生育期各處理土壤細菌和真菌數量呈顯著差異但放線菌差異不顯著。

從團棵期來看，各處理的土壤細菌數量呈現顯著差異，其中以T2處理細菌數量最高，T3處理的最低，各處理從高到低依次排列為：T2、T1、CK和T3。T2處理的細菌數量比CK顯著增加了71.59×105CFU/g(P<0.05)。各處理真菌數量呈極顯著差異，其中以T2處理真菌數量最高，以T3處理的最低，各處理從高到低依次排列為：T2、T1、CK和T3。T2處理的真菌數量比T1、CK和T3顯著(P<0.01)增加了2.41×102CFU/g、3.69×102CFU/g、3.74×102CFU/g。各處理的放線菌數量差異不顯著，其中以T1處理的放線菌含量最高，以CK的放線菌含量最低，各處理從高到低依次排列為：T1、T2、T3和CK。

表3 不同處理烤煙根際土壤微生物數量的變化

從旺長期來看，各處理的土壤細菌數量呈極顯著差異，其中以T2處理細菌數量最高，以CK的最低，各處理從高到低依次排列為：T2、T1、T3、CK。T2處理的細菌數量比T1、T3和CK顯著增加了58.44×105CFU/g(P<0.01)、72.40×105CFU/g(P<0.01)、76.83×105CFU/g(P<0.01)。各處理真菌數量呈顯著差異，其中以CK真菌數量最高，以T2處理的最低，各處理從高到低依次排列為：CK、T3、T1、T2。CK的真菌數量比T2、T1和T3增加了25.77×102CFU/g(P<0.05)、22.12×102CFU/g(P<0.05)、14.00×102CFU/g(P>0.05)。各處理的放線菌數量差異不顯著，其中以T2處理的放線菌數量最高，以T3處理的最低，各處理從高到低依次排列為：T2、T1=CK、T3。T2處理的放線菌數量比CK和T3處理分別增加了0.41×104CFU/g和1.25×104CFU/g。

從成熟期來看，各處理的土壤細菌數量呈極顯著差異，其中以T1處理細菌數量最高，以T2處理的最低，各處理從高到低依次排列為：T1、T3、CK、T2。T1處理的細菌數量比T2、CK和T3處理顯著增加了51.19×105CFU/g(P<0.01)、36.51×105CFU/g(P<0.01)、33.73×105CFU/g(P<0.01)。各處理真菌數量呈極顯著差異，其中以T1處理真菌數量最高，以T3處理的最低，各處理從高到低依次排列為：T1、T2、CK、T3。T1處理的真菌數量比T3、CK和T2處理增加了115.87×102CFU/g(P<0.01)、110.71×102CFU/g(P<0.01)、64.29×102CFU/g(P>0.01)。各處理的放線菌數量差異不顯著，其中以CK的放線菌數量最高，以T3處理的放線菌數量最低，各處理從高到低依次排列為：CK、T2、T1、T3。

2.4 根系活力與微生物數量的相關分析

烤煙3個生育期的根系活力與微生物數量的相關分析表明(表4)，在旺長期烤煙根系活力與土壤細菌數量存在極顯著正相關，而其它時期無顯著相關。根系活力與土壤真菌和放線菌數量在3個生育期均無顯著相關。

表4 不同生育期根系活力與微生物數量的相關分析

* *表示在0.01 水平(雙側)上顯著相關

* *Indicates a significant correlation at 0.01 levels (bilateral)

3 討論與結論

根系活力既可以作為煙株生命活動的重要指標，還可以作為脅迫環(huán)境下煙株生育和吸收養(yǎng)分的障礙因素指標[11-12]。尤方芳等[13]研究表明生物炭與肥料配施后，烤煙根系活力得到提高，煙葉的生物量有顯著提高，緩解了煙株所受的環(huán)境脅迫，促進了煙株的生長。本研究與前者研究有相似之處，在團棵期生物炭對烤煙根系活力無顯著影響，在旺長期和成熟期T2處理的根系活力顯著高于CK，說明生物炭能促進烤煙根系的生長。但不同之處在于成熟期時，T3處理根系活力略低于對照，但差異不顯著，說明生物炭施用過多會抑制烤煙根系的生長，可能是由于當生物炭施用量過高時，生物炭中含有的重金屬及多環(huán)芳烴等有毒物質對部分土壤微生物的生長存在抑制作用[14-15]，從而影響了根系生長的微生物環(huán)境，干擾了烤煙根系的正常生長。

葉綠素是光合作用的重要色素，且其含量和降解產物的積累量與煙葉的外觀質量和內在品質密切相關[16-17]。而SPAD值是葉綠素的相對含量。有研究表明[18-19]施用適量生物炭后,可提高煙株生長中、后期葉綠素含量,促進煙葉的光合作用，延長煙株成熟期,促進煙葉適時落黃。本研究結果與之相似，施用生物炭的處理在團棵期時烤煙葉片SPAD值均低于CK，可能是因為施用生物炭后，在烤煙生長前期土壤養(yǎng)分失調，速效氮供應不足導致烤煙苗期生長受到抑制。旺長期和成熟期時烤煙葉片SPAD值均高于CK，且在旺長期上部葉和中部葉以T2處理最高，下部葉以T3處理最高；成熟期上部葉以T2處理最高，中部葉以T1處理最高。

土壤微生物在有機質的轉化[20]、土壤團聚體的形成[21]、殘留物的降解和營養(yǎng)物質的礦化[22]等生物化學過程起著重要的作用。土壤中細菌數量的增加有利于土壤養(yǎng)分的轉化，能為植物的生長提供良好的環(huán)境，而土壤中放線菌數量的增加不僅能促進土壤有機質轉化，還能產生抗生素，對植物的土傳病原菌起到一定的拮抗作用[23]。谷思玉等[24]研究表明，施入一定量的生物炭可以顯著增加大豆根際土壤中細菌的數量,放線菌和真菌的數量也有所增加。這與本研究結果一致。在本研究結果中，團棵期和旺長期T2處理土壤細菌數量顯著高于CK，成熟期T1處理土壤細菌數量顯著高于CK；而在土壤真菌數量上，團棵期T2處理、成熟期T1和T2處理均顯著高于CK，但在旺長期施用生物炭的處理土壤真菌數量均低于CK，可能是由于生物炭的抑制作用[25]或是土壤的稀釋作用造成的，其中具體的原因還有待進一步研究。對于土壤放線菌各個處理在各生育期無顯著差異，但呈現一定的規(guī)律，都是隨著生育期的延長呈現先減少后增加的趨勢。生物炭的施用能增加土壤微生物數量的原因可能是生物炭具有多孔性及高芳香烴結構，能成為土壤微生物的棲息場所,給土壤微生物生長提供所需養(yǎng)分。

本文將3個不同生育期的烤煙根系活力與微生物數量進行相關分析，結果表明只有在旺長期烤煙根系活力與細菌數量呈極顯著正相關，而與真菌數量和放線菌數量無顯著相關。其原因可能是施用生物炭能改變土壤細菌的Alpha多樣性，而對真菌的Alpha多樣性影響不大[26]，而在土壤細菌中某些根際優(yōu)勢細菌能提高植株的根系活力[27]。在煙葉生產中，可在旺長期對烤煙根系施加某些功能性菌肥，以促進烤煙的生長發(fā)育。

在深耕條件下施用生物炭能促進烤煙根系的生長，旺長期和成熟期以T2處理根系活力最大，且顯著高于CK；施用生物炭在烤煙旺長期和成熟期能提高葉片SPAD值，進而促進了煙葉的光合作用；施用生物炭能增加土壤微生物數量，其中T2處理在團棵期和旺長期土壤細菌數量、團棵期和成熟期土壤真菌數量均顯著高于CK。綜合來看，3 750 kg/hm2用量(T2)的生物炭施用效果最好。