生物炭與豆?jié){灌根對(duì)植煙土壤與煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響

邱嶺軍， 張 翔*， 徐 敏， 李 亮， 毛家偉， 司賢宗， 索炎炎， 程培軍， 何 雷

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所， 河南 鄭州 450002； 2.河南省煙草專賣局， 河南 鄭州 450008)

0 引言

【研究意義】隨著我國(guó)人地矛盾的日益突出，整個(gè)煙草行業(yè)都存在著長(zhǎng)期單施或過(guò)量施用化肥而忽視有機(jī)肥配施和先進(jìn)種植模式的革新[1]，導(dǎo)致植煙土壤有機(jī)質(zhì)分解緩慢、碳氮比例失衡、土傳病害加重、有益微生物群落多樣性降低、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)遭到破壞和地力衰退等一系列問(wèn)題[2-3]。土壤作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的載體，其物理化學(xué)性質(zhì)、肥力高低以及微生物活性與烤煙生長(zhǎng)代謝關(guān)系緊密，直接影響烤煙的產(chǎn)量和產(chǎn)值[4]，若地力受損致使煙株生長(zhǎng)發(fā)育不良，內(nèi)部氮素轉(zhuǎn)化合成受阻、烤后煙葉化學(xué)成分不協(xié)調(diào)等，再加上低溫、干旱等自然環(huán)境因素的限制，嚴(yán)重制約煙葉產(chǎn)質(zhì)量的進(jìn)一步提升[5]，探明旱作煙區(qū)生物炭配豆?jié){灌根對(duì)植煙土壤微生物區(qū)系、肥力特性及烤后煙產(chǎn)質(zhì)量的影響具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】烤煙是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在豫西地區(qū)廣泛推廣種植，豆?jié){灌根已成為具有區(qū)域特色的一項(xiàng)重要提質(zhì)增效技術(shù)措施，推廣面積已達(dá)90%以上，是長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中形成的一套成熟有效的追肥技術(shù)，具有成本低、肥效好、生態(tài)環(huán)保和易操作等優(yōu)點(diǎn)[6]。生物炭是繼有機(jī)無(wú)機(jī)配施、綠肥翻壓及科學(xué)輪作之后又一種新興的土壤改良方法，是增強(qiáng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)力、調(diào)控土壤根際生境、減緩煙草連作障礙、促進(jìn)煙草碳氮代謝及提升煙葉品質(zhì)的一項(xiàng)重要技術(shù)途徑[7-9]，其是由生物質(zhì)(如秸稈、廢棄物、樹(shù)枝等)在缺氧條件下經(jīng)過(guò)熱裂解而形成的炭化物，可有效提高煙葉的鉀離子、總糖和還原糖含量，協(xié)調(diào)煙葉化學(xué)成分，同時(shí)降低煙堿含量，是土壤固碳量增加的有效措施[10-11]。【研究切入點(diǎn)】目前，鮮見(jiàn)關(guān)于旱作煙區(qū)穴施生物炭與豆?jié){灌根耦合效應(yīng)對(duì)土壤生物學(xué)特性及煙葉品質(zhì)的研究報(bào)道。為此，采用田間試驗(yàn)方法，探究穴施生物炭與豆?jié){灌根對(duì)植煙土壤及煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】探明穴施生物炭與豆?jié){灌根對(duì)根際土壤微生物群落、土壤理化性狀、養(yǎng)分含量、烤煙生理指標(biāo)和病害防治效果的影響，以期為旱作植煙土壤地力保育、緩解連作障礙和改善煙葉質(zhì)量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年在盧氏縣杜關(guān)鎮(zhèn)民灣村進(jìn)行，試驗(yàn)地肥力均勻一致，地勢(shì)平坦，排灌方便，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為pH 7.78，有機(jī)質(zhì)13.7 g/kg，全氮0.96 g/kg，堿解氮83.5 mg/kg，有效磷12.8 mg/kg，速效鉀157 mg/kg，氯離子10.7 mg/kg。試驗(yàn)前茬作物為烤煙。

1.2 材料

1.2.1 作物 供試作物為烤煙品種云煙87，由盧氏縣煙草公司提供。

1.2.2 肥料 煙草專用復(fù)合肥料(N 10%、P2O512%、K2O 18%)、餅肥、硝酸鉀(N 13%、K2O 46%)和硫酸鉀(K2O 50%)，均由盧氏縣煙草公司提供。

1.2.3 生物炭 秸稈生物炭，天津博爾邁生物科技有限公司生產(chǎn)。其基本性質(zhì)為pH 9.18，有機(jī)碳515 g/kg，全氮11.3 g/kg，全磷1.55 g/kg，全鉀42.1 g/kg，全量Ca和Mg含量分別為10.1 g/kg和3.82 g/kg，Mehlich Ⅲ提取有效P、K、Ca和Mg含量分別為1.71 g/kg、49.2 g/kg、4.19 g/kg和1.75 g/kg，水分8.5%。

1.3 方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)4個(gè)處理：T1，常規(guī)施肥(對(duì)照)；T2，常規(guī)施肥+生物炭；T3，常規(guī)施肥+豆?jié){灌根；T4，常規(guī)施肥+生物炭+豆?jié){灌根。

常規(guī)施肥中芝麻餅肥450 kg/hm2，復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O為10∶10∶20)300 kg/hm2，磷鉀不足部分由重過(guò)磷酸鈣和硫酸鉀補(bǔ)充，按常規(guī)施用方式進(jìn)行，各處理氮、磷、鉀用量一致，氮肥70%條施、30%穴施，磷肥全部條施，鉀肥50%條施、20%穴施、30%追施；生物炭為穴施，750 kg/hm2；豆?jié){(黃豆?jié){)灌根，112.5 kg/hm2。5月12日移栽，9月25日采烤結(jié)束，其余田間生產(chǎn)管理措施統(tǒng)一按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)規(guī)范進(jìn)行。

1.3.2 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

1) 樣品采集。于烤煙生長(zhǎng)的團(tuán)棵期(移栽后30 d)、旺長(zhǎng)期(移栽60 d)和成熟期(移栽后90 d)3個(gè)生育期在煙壟上采集2株煙中間位置0～20 cm土層3個(gè)重復(fù)的土樣，采用5點(diǎn)法混勻后取1/4混合土樣低溫冷藏帶回室，鮮樣去雜后測(cè)定土壤理化性質(zhì)及物理性狀，其余土樣風(fēng)干后研磨測(cè)定養(yǎng)分含量。

2) 指標(biāo)測(cè)定。土壤微生物區(qū)系采用稀釋平板分離測(cè)數(shù)法測(cè)定[12]，土壤pH采用電位法(ZD型酸度計(jì))測(cè)定[13]，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定[14]。

1.3.3 經(jīng)濟(jì)性狀考察與煙株病蟲害調(diào)查

1) 經(jīng)濟(jì)性狀。煙葉成熟后不同處理分區(qū)采收和計(jì)產(chǎn)，根據(jù)烤煙國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 2635-1992)進(jìn)行分級(jí)，計(jì)算中上等煙率，并按2019年國(guó)家煙草專賣局收購(gòu)指導(dǎo)價(jià)格計(jì)算煙葉各等級(jí)單價(jià)；產(chǎn)量、產(chǎn)值由小區(qū)產(chǎn)量、產(chǎn)值折算。

2) 煙株病蟲害調(diào)查。分別在團(tuán)棵期、旺長(zhǎng)期和圓頂期調(diào)查病毒類病害(TMV,PVY)和根莖類病害(黑脛病和根黑腐病)，并計(jì)算煙株發(fā)病率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，不同處理間差異顯著性(P<0.05)采用Duncan′s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理烤煙的農(nóng)藝性狀

從表1可知，不同處理烤煙團(tuán)棵期、旺長(zhǎng)期和圓頂期株高、莖圍、葉片數(shù)、葉長(zhǎng)和葉寬的變化。團(tuán)棵期：株高為27.0～29.3 cm，依次為T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別高5.93%、3.70%和8.52%。莖圍為5.5～5.8 cm，依次為T4>T2=T3>T1，T2、T3和T4較T1分別大3.64%、3.64%和5.46%。葉片數(shù)為12.0～13.0片/株，依次為T2=T4>T1>T2，T2和T4較T1均多8.33%。葉長(zhǎng)為29.5～33.8 cm，依次為T2>T4>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別長(zhǎng)14.58%、10.85%和13.90%。葉寬為17.4～21.9 cm，依次為T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別寬21.84%、15.52%和25.86%。旺長(zhǎng)期：株高為89.7～95.3 cm，依次為T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別高5.69%、3.01%和6.24%。莖圍為8.3～8.9 cm，依次為T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別大3.61%、1.21%和7.23%。葉片數(shù)為16.0～18.0片/株，依次為T2>T3=T4>T1，T2、T3和T4較T1分別多12.5%、6.25%和6.25%。葉長(zhǎng)為60.3～65.5 cm，依次為T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別長(zhǎng)6.47%、3.65%和8.62%。葉寬為30.7～34.8 cm，依次為T4>T3>T2>T1，T2、T3和T4較T1分別寬7.49%、12.38%和13.36%。圓頂期：株高為139.7～147.9 cm，依次為T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別高5.08%、0.57%和5.87%。莖圍為11.2～12.1 cm，依次為T4>T2>T1>T3，T2和T4較T1分別大1.77%和7.08%，T3較T1小0.89%。葉片數(shù)為22.0～24.0片/株，依次為T2>T4>T1=T3，T2和T4較T1分別多9.09%和0.455%。葉長(zhǎng)為70.3～74.3 cm，依次為T4>T2>T3>T1，T2、T3和T4較T1分別長(zhǎng)4.84%、1.42%和5.69%。葉寬為40.7～44.0 cm，依次為T4>T2>T1>T3，T2和T4較T1分別寬0.74%和8.11%，T3較T1窄1.47%。

表1 不同處理烤煙各生育時(shí)期的農(nóng)藝性狀

2.2 不同處理植煙土壤的微生物和有機(jī)碳量

從表2可知，不同處理土壤細(xì)菌、真菌和放線菌等微生物數(shù)量的變化。細(xì)菌細(xì)菌、真菌和放線菌分別為(0.83～1.50)×107個(gè)/g、(2.10～2.50)×105個(gè)/g和(1.30～2.40)×106個(gè)/g，均為T4>T3>T2>T1，各處理間細(xì)菌差異顯著，真菌差異不顯著，放線菌T4顯著高于其余處理、T1顯著高于其余處理、T2和T3差異不顯著。細(xì)菌/真菌為39.52～60.00，依次為T4>T3>T2>T1，T1和T2差異不顯著，二者顯著低于其余處理，T4顯著高于其余處理。溶解性有機(jī)碳為0.06～0.13 g/kg，各處理間細(xì)菌差異不顯著?？傮w看，常規(guī)施肥+生物炭+豆?jié){灌根有利于提高土壤微生物群落功能多樣性和數(shù)量。

表2 不同處理植煙土壤有機(jī)碳和微生物的數(shù)量

2.3 不同處理煙株的發(fā)病率

從表3看出，不同時(shí)期各處理煙株黑脛病和根腐病發(fā)病率的變化。團(tuán)棵期：各處理均未發(fā)生黑脛病。根腐病，T1最高，為3.0%；T3其次，為1.0%；T2和T4最低，均為0.5%。旺長(zhǎng)期：各處理均未發(fā)生黑脛病。根腐病，T1最高，為5.5%；T3其次，為2.0%；T4最低，為1.5%。圓頂期：黑脛病和根腐病分別為2.1%～5.0%和3.0%～8.5%，均為T1>T3>T2>T4；黑脛病病發(fā)病率T2、T3和T4較T1分別降低50.0%、16.0%和58.0%，根腐病發(fā)病率T2、T3和T4較T1分別降低47.06%、41.18%和64.71%?？傮w看，以常規(guī)施肥+生物炭+豆?jié){灌根的防治效果最佳。

表3 不同處理煙株的發(fā)病率

2.4 不同處理植煙土壤的物理性質(zhì)

從表4可知，不同時(shí)期各處理土壤含水率、溫度、鹽度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)和總?cè)芙夤腆w的變化。團(tuán)棵期、旺長(zhǎng)期和圓頂期各處理的含水率分別為10.72%～12.39%、13.55%～20.73%和31.67%～35.40%，依次為T4>T3>T2>T1、T4>T3>T2>T1和T3>T4>T2>T1。溫度分別為33.39～36.45℃、15.67～29.60℃和27.00～28.80℃，依次為T4>T3>T1>T2、T4>T2>T1>T3和T4>T3>T1>T2。鹽度分別為44.73～53.87 mg/L、32.73～44.10 mg/L和67.80～86.33 mg/L，依次為T4>T1>T2>T3、T4>T1>T3>T2和T1>T3>T4>T2。電導(dǎo)率分別為7.20～9.27 μs/cm、11.22～15.95 μs/cm和7.06～7.79 μs/cm，依次為T1=T4>T2>T3、T3>T1>T2>T4和T1>T2>T4>T3。介電常數(shù)分別為6.17～6.86、7.64～8.97和12.69～14.21，依次為T3>T4>T2>T1、T4>T2>T3>T1和T1>T2>T4>T3?？?cè)芙夤腆w分別為45.27～58.87 mg/L、39.53～45.60 mg/L和37.00～38.80 mg/L，依次為T3>T2>T1>T4、T4>T2>T3>T1和T4>T3>T1>T2。表明，常規(guī)施肥+生物炭+豆?jié){灌根有利于改善土壤水分環(huán)境和通氣狀況，有利于疏松土壤及優(yōu)化土壤耕作性能。

表4 不同處理植煙土壤的物理性質(zhì)

2.5 不同處理植煙土壤的pH及養(yǎng)分

從表5看出，不同處理土壤pH及有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮等養(yǎng)分含量的變化。各處理土壤pH為7.56～8.03，依次為T2>T3>T1>T4，處理間差異不顯著。有機(jī)質(zhì)為14.0～15.2 g/kg，依次為T4>T3>T2>T1，處理間差異不顯著。全氮和堿解氮分別為98.0～110.0 mg/kg和71.9～78.2 mg/kg，依次為T4>T3=T2>T1和T1>T4>T3>T2，各處理間全氮差異不顯著，堿解氮T1顯著高于其余處理、其余處理差異不顯著。有效磷為12.1～13.5 mg/kg，依次為T4>T3>T2>T1，T3和T4顯著高于T1和T2，T1與T2間和T3與T4間差異不顯著。速效鉀為160.0～186.0 mg/kg，依次為T3>T4>T2>T1，T3和T4顯著高于T1和T2，T1與T2間和T3與T4間差異不顯著。腐殖質(zhì)為0.125～0.156 mg/kg，依次為T4>T2>T3>T1，T4顯著高于其余處理，其余處理間差異不顯著。表明，常規(guī)施肥+生物炭、常規(guī)施肥+豆?jié){灌根、常規(guī)施肥+生物炭+豆?jié){灌根后可為烤煙旺長(zhǎng)期快速生長(zhǎng)提供充足養(yǎng)分。

表5 不同處理植煙土壤的pH及養(yǎng)分含量

2.6 不同處理烤煙的經(jīng)濟(jì)性狀

從表6可知，不同處理煙葉的產(chǎn)量、產(chǎn)值、均價(jià)和中上等煙比例的變化。產(chǎn)量和均價(jià)：均以T4最高，分別為2 211.5 kg/hm2和27.4元/kg；T3其次，分別為2 185.3 kg/hm2和26.9元/kg；T1最低，分別為2 082.5 kg/hm2和26.1元/kg；各處理間差異均不顯著。產(chǎn)值和中上等煙比例：均以T4最高，分別為6.02 萬(wàn)元/hm2和70.8%；T3其次，分別為5.33 萬(wàn)元/hm2和64.0%；T1最低，分別為4.78 萬(wàn)元/hm2和52.6%；T4顯著高于其余處理，T1顯著低于其余處理，T2與T3間差異不顯著?？傮w看，常規(guī)施肥+生物炭+豆?jié){灌根更有利于提高煙葉的產(chǎn)質(zhì)量。

表6 不同處理烤煙的經(jīng)濟(jì)性狀

3 討論

土壤微生物作為土壤-植被生態(tài)系統(tǒng)中最活躍和主要參與者[15]，是土壤碳、氮、磷和硫等元素循環(huán)的“推進(jìn)器”和養(yǎng)分有效性的“轉(zhuǎn)換器”，參與土壤物質(zhì)能量循環(huán)、肥力演變及維持生態(tài)系統(tǒng)平衡。土壤微生物種群數(shù)量、多樣性及優(yōu)勢(shì)菌屬的變化是評(píng)估土壤生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、健康水平的指標(biāo)[16-17]。研究結(jié)果表明，不同處理土壤細(xì)菌、真菌和放線菌分別為(0.83～1.50)×107個(gè)/g、(2.10～2.50)×105個(gè)/g和(1.30～2.40)×106個(gè)/g，均為常規(guī)施肥+生物炭+豆?jié){灌根>常規(guī)施肥+豆?jié){灌根>常規(guī)施肥+生物炭>常規(guī)施肥(對(duì)照)，常規(guī)施肥+生物炭+豆?jié){灌根土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量較對(duì)照分別提高80.72%、19.05%和84.62%，與邱嶺軍等[18]的研究結(jié)果一致。施嫻等[19-20]研究表明，有機(jī)肥氮替代50%化肥氮土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量較對(duì)照分別提高49.30%、45.31%和47.33%，可能是土壤碳源、氮源、蛋白和有益營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為微生物的快速繁殖提供了新?tīng)I(yíng)養(yǎng)源，營(yíng)造了更適宜根系生長(zhǎng)的微生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而調(diào)控土壤微生物的群落生態(tài)結(jié)構(gòu)。

郭松等[21]研究表明，增施生物炭和豆?jié){灌根可有效改善煙株的農(nóng)藝性狀，對(duì)煙株株高、莖圍及葉面積等均有不同程度的提高，可作為土壤養(yǎng)分的重要補(bǔ)充，為煙株生長(zhǎng)提供了充足的營(yíng)養(yǎng)。戴華鑫等[22]認(rèn)為，豆?jié){灌根產(chǎn)生抗生物質(zhì)可降低致病菌含量，植煙土壤中4種生防細(xì)菌屬的豐度均高于對(duì)照，而致病菌Aquicella豐度低于對(duì)照。張宇等[23]認(rèn)為，有機(jī)肥+EM菌配施可顯著提高微生物數(shù)量和多樣性，增加有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化速率，進(jìn)而產(chǎn)生抗生物質(zhì)，抑制病原菌生長(zhǎng)，提高花生的產(chǎn)量。研究結(jié)果表明，常規(guī)施肥+生物炭+豆?jié){灌根的株高、莖圍及葉片數(shù)較對(duì)照分別提高8.52%、5.46%和8.33%，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量較對(duì)照分別提高8.57%、12.24%、11.57%和15.0%，根腐病和黑脛病發(fā)病率較對(duì)照分別降低64.71%和58.00%，與前述研究結(jié)果一致。韋鳳杰等[24-25]認(rèn)為，豆?jié){灌根顯著提高了煙葉香氣物質(zhì)總量和質(zhì)量，香氣物質(zhì)增加主要源于棕色化產(chǎn)物類、類西柏烷類和胡蘿卜素類香氣物質(zhì)，煙葉中葉綠素降解產(chǎn)物新植二烯含量和類胡蘿素降解產(chǎn)物總量的提高幅度較大。鄧小華等[26]研究表明，施用土壤有機(jī)肥可提高煙葉的產(chǎn)量產(chǎn)值、中上等煙比例及烤后煙化學(xué)成分含量和評(píng)吸總分。研究結(jié)果表明，生物炭與豆?jié){灌根對(duì)植煙土壤理化性狀、微生物群落、煙株生長(zhǎng)狀況及煙葉產(chǎn)值的改良效果存在明顯差異，其中，常規(guī)施肥+生物炭+豆?jié){灌根煙葉品質(zhì)最佳且經(jīng)濟(jì)性狀好，較對(duì)照產(chǎn)量、產(chǎn)值和中上等煙率分別提高6.19%，、25.94%和31.60%。

4 結(jié)論

常規(guī)施肥+生物炭、常規(guī)施肥+豆?jié){灌根和常規(guī)施肥+生物炭+豆?jié){灌根較對(duì)照更有利于促進(jìn)煙株的生長(zhǎng)發(fā)育及提高植煙土壤微生物群落功能的多樣性/數(shù)量和烤后煙葉的內(nèi)在品質(zhì)，以常規(guī)施肥+生物炭+豆?jié){灌根提高上中等煙率比例、均價(jià)和產(chǎn)值的綜合效果最好，其更符合豫西優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)實(shí)際，能有效改良植煙土壤養(yǎng)分狀況，減輕烤煙連作障礙，提高烤煙的產(chǎn)量和品質(zhì)。