不同用量高碳基肥對(duì)植煙土壤活性物質(zhì)及烤煙品質(zhì)的影響

劉 慧，楊營(yíng)月，趙 喆，王龍飛，來(lái) 苗，趙卿霖，趙銘欽

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002）

0 引言

撫州地區(qū)位于江西省東部，屬季風(fēng)氣候區(qū)，連年降雨，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重，加之連年耕作，植煙土壤有效養(yǎng)分含量進(jìn)一步降低，且大量肥料的施用導(dǎo)致土壤板結(jié)程度較高，嚴(yán)重影響了煙株根系發(fā)育，進(jìn)而影響了烤煙的品質(zhì)和產(chǎn)量。高碳基土壤修復(fù)肥作為一種有機(jī)無(wú)機(jī)相結(jié)合且混合生物活性物質(zhì)的復(fù)合型肥料，其主要原料由生物碳、植物油粕、腐殖酸、礦物肥及多種微量元素等組成，具有高度羧酸酯化和芳香化的結(jié)構(gòu)、較大的孔隙度和比表面積，具備較強(qiáng)的吸附力、抗氧化力和抗生物分解能力［9-10］。大量研究表明，在高碳基土壤修復(fù)肥巨大比表面積和官能團(tuán)的吸附作用下，能顯著減少氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的損失，提高土壤的陽(yáng)離子交換量、土壤養(yǎng)分含量及肥料利用率［7-8］，因而，高碳基肥的施用具有促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)，提高煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量的作用［2］。此外，施用高碳基肥還可以增強(qiáng)土壤生物活性，如增加土壤微生物總量，提高土壤酶的活性，從而改善煙葉品質(zhì)及香氣質(zhì)、香氣量等［54］。土壤酶活性能夠反映土壤中微生物的活動(dòng)狀態(tài)，代表土壤中物質(zhì)代謝活動(dòng)的活躍程度［11］。適量高碳基肥的施用可提高土壤中參與N、P等礦質(zhì)元素利用轉(zhuǎn)化的相關(guān)酶的活性，降低與土壤碳礦化等生態(tài)學(xué)過(guò)程相關(guān)的土壤酶的活性［12］。陳心想等［13］通過(guò)小麥-玉米輪作試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：施用一定量的生物碳基肥可以顯著提高土壤脲酶、玉米收獲后的堿性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶的活性，說(shuō)明生物碳基肥的施用能夠改善土壤微生物的生活環(huán)境和酶活性。

本文通過(guò)向土壤中添加不同量的以生物碳為主料的高碳基肥進(jìn)行大田試驗(yàn)，分析對(duì)比了不同處理烤煙根系活力、土壤酶活性的動(dòng)態(tài)變化、土壤微生物數(shù)量，以及烤后煙葉的化學(xué)成分與香氣量，旨在探明添加高碳基肥對(duì)植煙土壤及烤煙生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響，為撫州煙區(qū)生產(chǎn)合理施用高碳基肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試烤煙品種為云煙87，由江西省煙草公司撫州市公司提供。供試高碳基土壤修復(fù)肥由河南惠農(nóng)土質(zhì)保育研發(fā)有限公司提供。高碳基土壤修復(fù)肥總養(yǎng)分≥5%，有機(jī)質(zhì)（以干基計(jì)）≥45%，生物碳含量≥20%，水分含量≤30%，氯離子含量≤1%，粗脂肪含量≥1%。試驗(yàn)地土壤為壤土，土壤有機(jī)質(zhì)含量為5.78 g/kg，堿解氮含量為61.8 mg/kg，速效鉀含量為302 mg/kg，速效磷含量為16.07 mg/kg，pH值5.42。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年在江西省撫州市黎川縣新莊村（東經(jīng)116.91°，北緯27.28°）進(jìn)行。前茬作物為水稻。煙苗于2月26日移栽，行株距為110 cm×50 cm。

試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，分別為T(mén)0（施常規(guī)基肥）、T1（施常規(guī)基肥+高碳基肥750 kg/hm2）、T2（施常規(guī)基肥+高碳基肥900 kg/hm2）、T3（施常規(guī)基肥+高碳基肥1050 kg/hm2）、T4（施常規(guī)基肥+高碳基肥1200 kg/hm2）。按氮素用量一致的原則減少相應(yīng)的肥料施用，磷鉀以重過(guò)磷酸鈣和硫酸鉀補(bǔ)足。每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。常規(guī)基肥的施用：條施復(fù)合肥（N、P2O5、K2O的質(zhì)量比為1∶2∶2.5）750 kg/hm2、枯 餅 肥（N∶P2O5∶K2O＝3∶1∶1）50 kg/hm2。高碳基肥料在移栽前隨基肥條施；其他田間管理措施按照當(dāng)?shù)責(zé)熑~生產(chǎn)技術(shù)方案。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 根系活力 于移栽后30、45、60、75、90 d取樣，每個(gè)處理取具有代表性的煙株3株，將根系沖洗干凈，用TTC法［14］測(cè)定根系活力。

1.3.2 土壤生物活性 各處理分別于移栽前，以及移栽后30、60、90、120 d采用5點(diǎn)法于壟下20 cm處取樣，將土樣混合均勻后測(cè)定其土壤微生物區(qū)系、土壤酶活性等。土壤微生物區(qū)系及土壤酶活性參照林先貴［15］的方法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3 常規(guī)化學(xué)成分 煙葉由當(dāng)?shù)爻蹩竞?，各小區(qū)取1 kg中部（C3F）等級(jí)煙葉，采用連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)定其常規(guī)化學(xué)成分（國(guó)標(biāo)GB/T 5606.1—2004、YC/T 160─2002）。

1.3.4 中性致香物質(zhì)含量 采用水蒸氣蒸餾-二氯甲烷溶劑同時(shí)蒸餾萃取法對(duì)樣品進(jìn)行前處理，然后利用美國(guó)安捷侖7890B-5977E氣-質(zhì)聯(lián)用儀測(cè)定煙葉中性致香物質(zhì)含量，由NIST02庫(kù)檢索定性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Mircosoft Excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及作圖，用SPSS 26.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)烤煙根系活力的影響

煙草的根系不僅是重要的吸收器官，而且還是煙堿、激素、氨基酸等重要有機(jī)物質(zhì)的合成器官，根系的發(fā)育及活力的高低在某種程度上是衡量煙草生長(zhǎng)發(fā)育狀況的重要生理指標(biāo)，與煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)有著密切聯(lián)系［16］。圖1顯示，各處理煙株在不同時(shí)期的根系活力均有所差異，在整個(gè)大田生育期呈先升高后下降的趨勢(shì)，符合煙株在大田的生長(zhǎng)規(guī)律［17-18］。移栽返苗后，隨著根系的發(fā)育，其活力迅速提高，在移栽后60 d出現(xiàn)高峰；移栽后30 d時(shí)，T1、T2、T3及T4處理的烤煙根系活力顯著高于對(duì)照，其中T3處理的烤煙根系活力相較于其他處理在各個(gè)時(shí)期一直保持在較高水平。T4處理在移栽后45~90 d期間根系活力有所下降，這可能與該處理高碳基肥的施用量有關(guān)；在旺長(zhǎng)期后隨著煙葉逐漸成熟，根系活力逐漸下降。不同處理對(duì)根系活力的影響不同，在移栽后30~90 d期間，各處理之間根系活力差異較大，T3處理能明顯提高煙株的根系活力，以移栽后60 d時(shí)處理間差異最明顯，此時(shí)T3處理的煙株根系活力較對(duì)照提高了28.16%；移栽60 d之后各處理之間煙株根系活力差異減小，但施用高碳基肥處理的根系活力仍然高于對(duì)照。

圖1 不同處理對(duì)烤煙根系活力的影響

2.2 不同處理對(duì)烤煙土壤酶活性的影響

土壤中各種酶可有效刺激土壤中微生物的繁殖與生長(zhǎng)，進(jìn)而促進(jìn)對(duì)土壤固化養(yǎng)分的分解與釋放［20］。土壤過(guò)氧化氫酶為氧化還原酶，用于消除土體中對(duì)植株有毒的過(guò)氧化氫［21］。由表1可以看出，在整個(gè)生育期間土壤過(guò)氧化氫酶的活性呈升高-降低的變化趨勢(shì)，其中T3處理的過(guò)氧化氫酶活性最高。在移栽60 d時(shí)，各處理的土壤過(guò)氧化氫酶的活性均達(dá)到峰值，且表現(xiàn)為T(mén)3＞T4＞T1＞T2＞T0處理，T3處理較對(duì)照組高51.17%；此后，各處理的土壤過(guò)氧化氫酶的活性均呈緩慢降低的趨勢(shì)。

土壤蔗糖酶的活性能表征土壤的熟化程度和肥力水平。如表1所示，T1、T3和T4處理的土壤蔗糖酶的活性均于移栽后60 d時(shí)達(dá)到最大值，且以T3處理的酶活性最高，比T0高27.65%；在移栽后90 d時(shí)，T0和T2處理的土壤蔗糖酶活性出現(xiàn)峰值，其他處理的蔗糖酶活性則呈緩慢降低的趨勢(shì)?？偟膩?lái)說(shuō)，在移栽后30~120 d期間各處理的土壤蔗糖酶活性均顯著高于T0處理，說(shuō)明在此期間各高碳基肥處理的土壤營(yíng)養(yǎng)水平高于對(duì)照；在移栽后90~120 d期間 T2及T3處理的土壤蔗糖酶活性仍維持在一個(gè)較高水平，說(shuō)明T2、T3處理能夠顯著增加土壤中易溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量［12］。

土壤脲酶是一種酰胺酶，直接參與土壤中氮素形態(tài)的轉(zhuǎn)化，其活性可以在一定程度上反映土壤的供氮水平［22］。從整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育期來(lái)看，土壤脲酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，其中在移栽后30~90 d期間各處理的土壤脲酶活性逐漸升高，且在移栽后90 d時(shí)達(dá)到峰值；此后逐漸降低?？偟膩?lái)說(shuō)，T2和T3處理的土壤脲酶活性在生長(zhǎng)前期顯著高于其他3個(gè)處理，隨后脲酶活性逐漸降低；在移栽后90~120 d期間各處理的脲酶活性降低，因而可以降低植株對(duì)氮的吸收，確?？緹熣Ｂ潼S［12］。

土壤酸性磷酸酶的活性在移栽后60~90 d期間處于較高水平，且在成熟期高于團(tuán)棵期。T3處理的土壤酸性磷酸酶的活性在整個(gè)生育期間一直處于較高水平，顯著高于其他幾個(gè)處理（P＜0.05）；其次為T(mén)2、T4處理；T1及T0處理的土壤酸性磷酸酶活性處于較低水平，且兩者間沒(méi)有顯著差異。

土壤多酚氧化酶在有機(jī)物的腐化進(jìn)程中起著重要的作用［21］。由表1可知，添加高碳基土壤修復(fù)肥可顯著提高土壤多酚氧化酶的活性，且在全生育期內(nèi)一直以T3處理的酶活性較高。各處理的土壤多酚氧化酶活性的變化趨勢(shì)一致，均在移栽后90 d時(shí)達(dá)到高峰，此時(shí)T1、T2、T3、T4處理的多酚氧化酶活性分別較對(duì)照增高了22.86%、70.14%、77.36%和43.26%；此后各處理的多酚氧化酶活性均有所下降，但T3處理的酶活性仍然顯著高于其他幾個(gè)處理。

表1 不同處理對(duì)土壤酶活性的影響

2.3 不同處理對(duì)土壤微生物區(qū)系的影響

從表2可以看出，成熟期烤煙根際土壤中細(xì)菌數(shù)量最多，真菌數(shù)量最少。具體來(lái)說(shuō)，T3處理的土壤細(xì)菌數(shù)量顯著高于其他幾個(gè)處理，T0、T2、T4處理次之，T1處理最少；土壤真菌和放線(xiàn)菌數(shù)量均以T4處理最多，顯著多于其他幾個(gè)處理；土壤微生物總量以T3處理最高，T4處理次之，T0處理最低。由土壤微生物區(qū)系指標(biāo)看出，T3處理的效果較好。

表2 不同處理對(duì)土壤微生物區(qū)系的影響

2.4 不同處理對(duì)烤后煙葉化學(xué)成分的影響

煙葉內(nèi)在化學(xué)成分是評(píng)價(jià)調(diào)制后煙葉樣品品質(zhì)的重要指標(biāo)，各項(xiàng)化學(xué)成分之間的協(xié)調(diào)性更能直接反映煙葉的內(nèi)在品質(zhì)及其可用性。對(duì)烤后各處理煙葉樣品進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表3。各高碳基肥處理在不同程度上均改善了烤煙的化學(xué)成分，高碳基肥料可以提高烤煙中鉀含量，降低氯含量，總體上以T3處理的效果最好。

表3 不同處理對(duì)烤后煙葉樣品（C3F）化學(xué)成分的影響

2.5 不同處理對(duì)烤煙中性致香物質(zhì)含量的影響

從表4可以看出：不同高碳基肥料施用處理烤后煙葉的類(lèi)胡蘿卜素類(lèi)含量與對(duì)照相比差異顯著，其中T3的含量較高，其次是T4的含量，而T1的含量較低；不同處理烤后煙葉的苯丙氨酸類(lèi)總量差異顯著，其中T3和T4的含量居前2位，其次是T0和T2的含量，T1的含量也較低；在類(lèi)西柏烷類(lèi)與棕色化反應(yīng)產(chǎn)物方面，以T1處理的含量最高，T0次之；在新植二烯方面，T3處理的含量最高，T4次之，T1最低；致香物質(zhì)總含量以T3處理最高，其次為T(mén)4處理，而T1、T2、對(duì)照間差異不顯著。

表4 不同處理對(duì)烤后煙葉樣品中性致香成分含量的影響 μg/g

3 討論

在一般情況下，增施高碳基肥能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，并且隨著施用量的增加，對(duì)土壤改善的效果和對(duì)作物增產(chǎn)的效果越來(lái)越明顯［12］。在本研究中，施用高碳基肥后，隨著生育期的推進(jìn)，煙株根系活力呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，這與大田烤煙根系活力的變化趨勢(shì)［16,18,25］一致。這是由于高碳基肥能夠有效提高土壤的礦化能力，且對(duì)肥力與水分有較強(qiáng)的保持能力，故高碳基肥促進(jìn)了根系活力的提高［26］。有研究［28-29］表明，根際土壤pH值是影響烤煙早生快發(fā)的重要因素。由于本研究的試驗(yàn)田土壤酸性較強(qiáng)，所以施用高碳基肥可以提高植煙土壤后期的pH值［42］，此也有可能是本研究中隨高碳基肥施用量增加根系活力先升后降的原因，故高碳基肥的施用量以1050 kg/hm2為宜［24,26-27］。

土壤酶活性能夠在一定程度上反映出土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力及植株吸收養(yǎng)分的效果，在土壤養(yǎng)分循環(huán)以及植物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分的供給過(guò)程中起著重要作用［30］。本研究發(fā)現(xiàn)，高碳基肥中的活性物質(zhì)促進(jìn)了微生物繁殖，且其所含有的氮刺激土壤微生物活性，加速其對(duì)氮的利用，脲酶活性從移栽后30 d開(kāi)始升高，在移栽后90 d時(shí)，T3處理的脲酶活性達(dá)到最大值；此后隨著生物質(zhì)炭施用量的進(jìn)一步增加，其發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和較低密度使土壤中脲酶的載體微團(tuán)聚體含量大量減少，導(dǎo)致脲酶活性降低［49］，這與王?。?3］、王飛［44］等的研究結(jié)果一致?？緹熢谕L(zhǎng)期對(duì)養(yǎng)分的需求增大，根系代謝能力增強(qiáng)，根系分泌物增加，高碳基肥的施用為酶促反應(yīng)提供了充足的基質(zhì)，從而有助于土壤蔗糖酶活性的增強(qiáng)，且在移栽后75 d時(shí)達(dá)到最大值，以處理T3的蔗糖酶活性最強(qiáng)，這與申進(jìn)文等［45］的研究結(jié)果一致。施入高碳基肥對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響亦較為顯著，T3處理的過(guò)氧化氫酶活性在整個(gè)生育期內(nèi)一直處于較高水平，生物碳的吸附力又可為微生物提供基礎(chǔ)養(yǎng)分，從而可以明顯提高土壤過(guò)氧化氫酶的活性［31-32］；但隨著高碳基肥用量的進(jìn)一步增加，土壤有機(jī)碳含量也增加，C/N增大，C/N過(guò)高對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的抑制作用要遠(yuǎn)大于促進(jìn)作用，導(dǎo)致過(guò)氧化氫酶的活性出現(xiàn)降低的趨勢(shì)［46，49］，故中高水平的生物碳添加對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的促進(jìn)作用顯著高于高水平添加［47］。土壤多酚氧化酶主要來(lái)源于土壤微生物、植物根系分泌物及動(dòng)植物殘?bào)w分解釋放的復(fù)合酶［51］，能把土壤中芳香族化合物氧化成醌，完成土壤芳香族化合物的循環(huán)［52］。在本研究中，土壤多酚氧化酶的活性在移栽后60 d開(kāi)始明顯升高，這與李嬌等［53］施用生物有機(jī)肥后土壤多酚氧化酶活性增加的結(jié)果一致，表明該酶的活性在煙株生長(zhǎng)中后期較強(qiáng)，從而促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，改善了煙株的生長(zhǎng)發(fā)育。有研究表明，土壤多酚氧化酶可以促進(jìn)土壤中酚酸類(lèi)物質(zhì)的降解，對(duì)消除連作障礙具有積極作用［49］，且增施高碳基肥處理的土壤多酚氧化酶活性明顯高于對(duì)照的，這可能主要因?yàn)樘幚硎乖黾拥奈⑸锬芗铀賹?duì)有機(jī)化合物的分解，可以為土壤酶活反應(yīng)提供足量的底物［50］。另外，本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，不同種類(lèi)土壤酶活性的變化趨勢(shì)并不完全相同，土壤蔗糖、過(guò)氧化氫酶以及酸性磷酸酶的活性均在煙株生長(zhǎng)旺盛的旺長(zhǎng)期達(dá)到最大值，這說(shuō)明這些土壤酶的活性與烤煙的生長(zhǎng)關(guān)系密切；但是土壤脲酶和多酚氧化酶的活性在烤煙生育后期也依然保持著較高的水平，這說(shuō)明不同種類(lèi)土壤酶對(duì)周?chē)h(huán)境變化的響應(yīng)并不完全相同［20］。

土壤微生物菌群數(shù)量及其活性是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)。土壤微生物數(shù)量多、區(qū)系復(fù)雜，表示土壤微生態(tài)系統(tǒng)平衡，有利于作物健康生長(zhǎng)［33］。本研究中高碳基肥的主要成分生物碳所具的空隙結(jié)構(gòu)為土壤微根菌和細(xì)菌提供了良好的生長(zhǎng)繁殖條件，在大多數(shù)情況下，細(xì)菌喜歡相對(duì)堿性的環(huán)境［34］；在堿性土壤中嗜堿性的放線(xiàn)菌數(shù)量較多；而真菌喜酸性土壤［35］。細(xì)菌數(shù)量的增多通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)底物的競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)抑制真菌的數(shù)量［50］，這在本研究中也有明顯的體現(xiàn)。微生物菌群數(shù)量隨有機(jī)肥用量在一定范圍內(nèi)增加而增加，這主要是由于有機(jī)肥本身含有一些活性物質(zhì)，施入土壤后不僅可以為微生物提供大量的能源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還能促進(jìn)根系對(duì)周?chē)B(yǎng)分的吸收［36］。

本研究結(jié)果顯示：施用高碳基土壤修復(fù)肥可以降低烤煙中部葉的煙堿含量，增加總糖和還原糖含量，可以調(diào)節(jié)糖堿比，這與周小紅等［37］的研究結(jié)果一致；鉀含量隨著高碳基肥料施用量的增多呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)［38］，這是由于生物碳豐富的孔隙結(jié)構(gòu)能夠競(jìng)爭(zhēng)吸附土壤中較多的離子，進(jìn)而可以促進(jìn)煙株對(duì)所需養(yǎng)分的吸收。煙堿是煙草化學(xué)成分的核心物質(zhì)，隨著高碳基肥施用量的增加，煙葉中的煙堿含量遞增，其主要在根部合成，再運(yùn)送到地上部分并在葉中積累，因此根系中煙堿含量的高低在一定程度上與根系活力相關(guān)，并對(duì)地上部分葉片煙堿的含量有一定的影響［2］。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，添加生物碳的處理使得煙葉中的中性致香物質(zhì)的總量增加。高碳基肥中的主要物質(zhì)生物碳可以調(diào)控土壤養(yǎng)分平衡，提高土壤碳氮比，在不同程度上提高煙葉碳氮關(guān)鍵酶的活性，有利于促進(jìn)煙株的碳氮代謝平衡［40］，這種平衡有助于內(nèi)含物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而增加中性致香物質(zhì)含量。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明：基肥配施高碳基肥可顯著提高烤煙的品質(zhì)；施用一定量的高碳基肥可以有效提高烤煙根系活力、土壤酶活性及土壤微生物數(shù)量，改善煙葉品質(zhì)，使煙葉化學(xué)成分更加協(xié)調(diào)，香味物質(zhì)含量更高。雖然可以改良土壤特有的理化特性，但撫州煙區(qū)對(duì)高碳基肥的需求量并非越多越有效，而是在較高施用量（1050 kg/hm2）的情況下效果最好。