生物炭與不同生物型肥料配施對煙田土壤特性和煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響

徐鳳丹， 李 亮*， 張 翔， 索炎炎， 程培軍， 李洪亮， 李建華

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所， 河南 鄭州450002； 2.許昌市煙草公司， 河南 許昌 461000)

0 引言

【研究意義】近年來，由于煙田長期施用無機化肥，造成大面積土壤板結(jié)，有機質(zhì)含量下降，營養(yǎng)元素含量比例失調(diào)，不利于上等煙的供給，難以滿足高檔卷煙的生產(chǎn)需要[1]。生物炭是由生物質(zhì)熱解而成，具有芳香化結(jié)構(gòu)、富含碳體小且多孔、較強的持水保肥能力和穩(wěn)定性等特點，可用作農(nóng)用土壤改良劑、肥料緩釋載體及碳封存劑[2]。當(dāng)前，煙田土壤酸化、貧瘠化、板結(jié)嚴(yán)重，有效改良土壤是急需解決的生產(chǎn)問題。因此，探究不同生物型肥料對烤煙生長發(fā)育的影響，對提高煙葉質(zhì)量和保育煙田土壤具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】深耕條件下施用生物炭可促進(jìn)烤煙根系對鉀元素的吸收，增加土壤微生物數(shù)量和提高成熟期葉片葉綠素含量[3]。正常施肥條件下，配施生物炭可增加土壤孔隙度、田間持水率和飽和含水率，從而提高土壤肥力及水分利用效率[4-6]。施用生物型肥料能夠優(yōu)化土壤理化性質(zhì)，提高土壤肥力，是改善煙田連作土壤狀況的有效措施之一。煙草生產(chǎn)常用的優(yōu)質(zhì)生物型肥料有餅肥、菌肥和腐熟動物糞便等，既能顯著提高煙葉的經(jīng)濟產(chǎn)量，還能有效改善作物根際微生物群落結(jié)構(gòu)。有研究表明，施用餅肥可有效改善煙葉養(yǎng)分含量，促進(jìn)煙株吸收微量元素，從而提高煙葉產(chǎn)質(zhì)量，且煙葉產(chǎn)值隨餅肥施用量的增加而增大[7]；施用生物菌肥不僅能提高煙葉硝酸還原酶活性和植株氮、磷、鉀含量[8]，還能提高煙葉中性香氣成分含量[9]，為煙葉的中上等煙比例、產(chǎn)量、產(chǎn)值提供保障[10]。豆?jié){灌根技術(shù)是在煙苗移栽20～28 d后對煙株根部注灌發(fā)酵豆?jié){的一種生產(chǎn)措施，在煙草團棵期進(jìn)行豆?jié){灌根可顯著提高煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)[11-12]。戴華鑫等[13]研究表明，豆?jié){灌根后，煙田土壤的理化性質(zhì)和養(yǎng)分含量顯著提高且能持續(xù)保持在較高水平，明顯改善土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)，使煙株根系和葉片發(fā)育狀況優(yōu)于正常施肥處理。河南煙區(qū)動物糞便資源豐富，生產(chǎn)中大量施用羊糞對煙葉品質(zhì)具有良好的促進(jìn)作用[14-15]。施用羊糞3 000 kg/hm2，配合70%條施+30%穴施是適宜豫西煙區(qū)煙葉種植的有效措施[16]?！狙芯壳腥朦c】前人在單一生物型肥料的用量、施用方式對烤煙生長發(fā)育、煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)等方面均有研究。生物炭具有良好的蓬松性和穩(wěn)定性，其與不同生物型肥料配施在提高經(jīng)濟產(chǎn)量的同時，能否有效改良土壤理化性質(zhì)尚不明確。【擬解決的關(guān)鍵問題】比較分析6個不同施肥處理下烤煙的農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟性狀、土壤理化性質(zhì)及微生物多樣性，確定黃淮煙區(qū)生物炭與不同生物型肥料配施的最佳施肥方式，以期為煙田的肥料配施技術(shù)推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年4—8月在河南省襄城縣汾陳鄉(xiāng)進(jìn)行，試驗地肥力均勻，地勢平坦，排灌方便，前茬作物為煙草。土壤有機質(zhì)13.6 g/kg，速效氮108.0 mg/kg，速效磷15.8 mg/kg，速效鉀124.0 mg/kg，全氮0.85 g/kg，全磷0.62 g/kg，全鉀1.65 g/kg，陽離子交換量13.3 cmol/kg，pH 8.17。

1.2 材料

1.2.1 烤煙 供試烤煙為中煙100，由河南省煙草總公司提供。

1.2.2 肥料 秸稈生物炭(有機碳515 g/kg、全氮11.3 g/kg、全磷1.55 g/kg、全鉀42.1 g/kg)，由天津博爾邁生物科技有限公司提供；豆?jié){(有機質(zhì)674.3 mg/kg、粗脂肪497.4 mg/kg、粗蛋白605.2 mg/kg、可溶性蛋白398.7 mg/kg、碳水化合物350.7 mg/kg)，市購；腐熟芝麻餅肥(有機質(zhì)66.32%、N 2.98%、P2O50.93%、K2O 2.03%)，由平頂山金葉實業(yè)有限公司生產(chǎn)；腐熟羊糞(有機質(zhì)76.27%、N 3.02%、P2O50.89%、K2O 1.74%)，由商丘火車頭有機肥有限公司生產(chǎn)；有機肥(有機質(zhì)52.62%、N 5.26%、P2O50.94%、K2O 1.83%)，由湖州康壽公司生產(chǎn)；菌肥(有效活菌數(shù)≥2.0×109/mL，有機碳養(yǎng)分≥150 g/kg，含枯草芽孢桿菌和凝結(jié)芽孢桿菌)、硝酸鉀(N 13%，K2O 46%)、硫酸鉀(K2O 50%)、重過磷酸鈣(P2O546%)和煙草專用復(fù)合肥料(N 10%、P2O512%、K2O 18%)，由河南省許昌市煙草公司提供。

1.3 方法

1.3.1 試驗設(shè)計 采用完全隨機區(qū)組排列，設(shè)置6個處理：生物炭(T1)、生物炭+餅肥(T2)、生物炭+羊糞(T3)、生物炭+有機肥(T4)、生物炭+豆?jié){(T5)和生物炭+菌肥(T6)。每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積36 m2，每小區(qū)種植80株烤煙，移栽規(guī)格為行距120 cm，株距55 cm。

烤煙于4月25日移栽，各處理氮、磷、鉀用量相同，分別為N 52.5 kg/hm2、P2O552.5 kg/hm2、K2O 183.75 kg/hm2(N︰P︰K=1︰1︰3.5)。生物炭均為條施，T1處理用量為3 000.0 kg/hm2，其余處理用量為1 500.0 kg/hm2[17]；施用餅肥1 500 kg/hm2[18]，羊糞1 500.0 kg/hm2[16]，有機肥1 500.0 kg/hm2[19]，均為條施；施用菌肥30.0 kg/hm2[20]，穴施。團棵期T5處理施入豆?jié){750 kg/hm2(將75 kg /hm2黃豆打漿，陽光下曝曬3 d，對水至750 kg)[13]，其余以等量清水澆穴，8月25日采烤結(jié)束。田間管理均按當(dāng)?shù)匾?guī)范化要求進(jìn)行。

1.3.2 指標(biāo)測定

1) 農(nóng)藝性狀。每個處理隨機選取5株烤煙，于旺長期(移栽后35 d)、圓頂期(移栽后65 d)和成熟期(移栽后115 d)，參照《煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查方法》(YC/T 142—2010)[21]測定烤煙株高、莖圍、有效葉片數(shù)、最大葉長及最大葉寬。用葉綠素儀(Chlorophyll meter，SPAD-502)測定中部葉葉尖、葉中和葉基的葉綠素含量。葉面積指數(shù)按常用值(0.635)計算。

最大葉面積=葉片長×葉片寬×葉面積指數(shù)

2) 土壤理化性質(zhì)及微生物多樣性。各生育時期采集不同處理煙壟上2株煙正中位置0～20 cm的土壤樣品，3次重復(fù)。所有樣品均為多點混合樣，用四分法留存1 kg裝入無菌自封袋帶回實驗室，一份鮮土樣去雜后于4℃冰箱保存。采用稀釋平板分離計數(shù)法測定放線菌、真菌和細(xì)菌的數(shù)量；參照鮑士旦方法[22]測定土壤可溶性有機碳含量。一份土壤風(fēng)干后去雜、研磨、細(xì)化(孔徑1 mm篩)，測定其養(yǎng)分含量，包括土壤pH、有機質(zhì)、陽離子交換量、速效氮、速效磷和速效鉀。

3) 經(jīng)濟性狀。煙葉成熟后，按不同處理分區(qū)采收和計產(chǎn)?？竞鬅熑~依據(jù)《烤煙》(GB 2635-1992)[23]進(jìn)行分級、計產(chǎn)，計算中上等煙比例。按2020年國家煙葉收購價格計算不同煙葉等級單價，中上等煙比例、產(chǎn)量、產(chǎn)值由小區(qū)產(chǎn)量、產(chǎn)值折算。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和DPS對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并進(jìn)行Duncan新復(fù)極差法多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理各時期烤煙的農(nóng)藝性狀

從表1看出，生物炭與不同生物型肥料配施能有效提高煙株的株高、有效葉數(shù)和最大葉面積等。旺長期：株高依次為T6>T4>T2>T5>T3>T1，各處理均顯著高于T1；有效葉數(shù)以T6處理最大，T2次之，與T1均呈顯著性差異；最大葉面積以T2最大，較T1顯著增加21.0%；SPAD值以T6最大，較T1增加11.4%。圓頂期：與T1相比，株高、莖圍和最大葉面積增幅分別為0.9%～17.6%、4.9%～16.5%和2.8%～26.6%；有效葉數(shù)以T5最大，T6次之，與T1均呈顯著性差異；SPAD值以T2最大，較T1顯著增加10.5%。

表1 不同處理各時期烤煙的農(nóng)藝性狀

2.2 不同時期的土壤理化性質(zhì)

由表2可知，經(jīng)培肥處理后，烤煙圓頂期的土壤pH與試驗前土壤比，除T4外，各處理均有所下降；烤煙采烤結(jié)束后，土壤pH升至試驗前水平。土壤AN、AP、AK和有機質(zhì)含量均在烤煙圓頂期達(dá)最高；隨著煙株生長不斷吸收養(yǎng)分，AP和AK含量下降明顯，采烤結(jié)束后，各處理AP和AK含量高于試驗前水平。表明，生物炭與不同生物型肥料配施對土壤P、K具有活化作用；對土壤陽離子交換量的影響不顯著；土壤N含量升高，可能與有機肥施用釋放N有關(guān)。

表2 不同處理各時期的土壤理化性質(zhì)

2.3 不同時期土壤的微生物數(shù)量和溶解性有機碳含量

從表3看出，與T1相比，生物炭與不同肥料配施后，不同時期土壤微生物含量均有不同程度增加，表現(xiàn)為細(xì)菌>放線菌>真菌。圓頂期：除T3外，各處理的土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量顯著高于T1；各施肥處理的土壤真菌數(shù)量差異不顯著。細(xì)菌/真菌為88.9～393.3，T1顯著低于其余處理，T3、T4與T5差異均不顯著；放線菌/真菌為73.3～206.7，T2與T4差異不顯著，顯著高于T1。生物炭與不同肥料配施后能提高土壤溶解性有機碳含量，依次為T3>T4>T2>T5>T6>T1。采烤結(jié)束：各配施處理的土壤微生物數(shù)量和溶解性有機碳含量變化趨勢與圓頂期基本一致。表明，生物炭+羊糞(T3)、生物炭+有機肥(T4)對土壤微生物群落功能多樣性和數(shù)量的提升具有統(tǒng)計學(xué)意義。

表3 不同處理各時期土壤的微生物數(shù)量和溶解性有機碳含量

2.4 不同處理烤煙的經(jīng)濟性狀

由表4可知，煙葉的產(chǎn)量、產(chǎn)值、均價和中上等煙比例均以T4最高，分別為2 576.5 kg/hm2、71 931.2元/hm2、28.7元/hm2和54.9%，T1最低，分別為2 021.0 kg/hm2、51 333.0元/hm2、25.4元/hm2和48.3%。表明，黃淮煙區(qū)生物炭與不同生物型肥料配施最佳組合為生物炭+有機肥，經(jīng)濟效益最高。

表4 不同處理烤煙的經(jīng)濟性狀

2.5 烤煙主要農(nóng)藝性狀和土壤肥力與經(jīng)濟產(chǎn)值的關(guān)系

通過烤煙經(jīng)濟產(chǎn)值與不同性狀間的回歸分析，煙株最大葉面積(X1)、土壤速效鉀(X2)、細(xì)菌/真菌(X3)、放線菌/真菌(X4)對煙葉經(jīng)濟產(chǎn)值產(chǎn)生極顯著影響，其最優(yōu)回歸方程為Y=1 235.873+0.676X1+8.610X2+1.142X3-5.417X4(R=0.981**)。其中，最大葉面積、土壤速效鉀、細(xì)菌/真菌、和放線菌/真菌的P值分別為0.045、0.007、0.036和0.012。由直接通徑系數(shù)可知(表5)，煙株最大葉面積(X1)、土壤速效鉀(X2)和細(xì)菌/真菌(X3)對煙草經(jīng)濟產(chǎn)值為正向貢獻(xiàn)，且X2>X3>X1，放線菌/真菌(X4)對煙草經(jīng)濟產(chǎn)值為負(fù)向貢獻(xiàn)。由間接通徑系數(shù)可知，X2對X1起顯著的正向貢獻(xiàn)，其間接通徑系數(shù)達(dá)0.710；X3對X1和X2為正向貢獻(xiàn)；X4對X1、X2、X3為負(fù)向貢獻(xiàn)，且大于X1和X3對X4的正向貢獻(xiàn)。從決策系數(shù)看出，對煙草經(jīng)濟產(chǎn)值貢獻(xiàn)為X2>X4>X3>X1。綜合看，土壤速效鉀含量是影響煙草經(jīng)濟產(chǎn)值的最主要正向因素，而放線菌/真菌的比值對煙草經(jīng)濟產(chǎn)值起負(fù)向作用。

表5 烤煙經(jīng)濟產(chǎn)值與最大葉面積和土壤肥力的通徑分析情況

3 討論

有效葉數(shù)和最大葉面積等指標(biāo)是形成煙葉產(chǎn)量的基礎(chǔ)。張廣雨等[24]通過盆栽和大田試驗發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后烤煙苗期和旺長期的有效葉片數(shù)顯著增多。生物炭有利于提高農(nóng)作物葉片凈光合速率和干物質(zhì)積累，從而提升農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[9]。韓毅等[25]研究發(fā)現(xiàn)，與單施用煙草專用肥相比，生物炭、生物炭與有機肥配施可增加煙葉、煙根和煙莖的干物質(zhì)積累。研究結(jié)果顯示，生物炭與有機肥配施后，烤煙的株高、有效葉數(shù)、最大葉面積、產(chǎn)量和產(chǎn)值等農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟指標(biāo)提高，與何緒生等[26-27]的研究結(jié)論一致。在圓頂期(移栽后65 d)，不同處理的最大葉面積表現(xiàn)為T6>T4>T2>T5>T3>T1，主要原因可能是生物炭改善了土壤保肥性能，不同種類的有機肥料保障了養(yǎng)分的供給，使葉片葉綠素含量增加，有利于提高葉片的光合能力，從而促進(jìn)烤煙的生長，為煙葉的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供保障。

生物炭具有大量官能團、空隙結(jié)構(gòu)好等優(yōu)勢，其比表面積大有利于菌絲的定殖[28]，從而豐富土壤微生物的多樣性，為煙株的健康生長提供良好環(huán)境。微生物在土壤中起橋梁作用，對土壤酶活性具有活化功能，并增強土壤呼吸強度[29]。有研究表明，施用生物炭可改善土壤理化性狀、降低土壤容重并增強土壤的保肥能力，提高肥料利用效率，通過促進(jìn)根系生長提高作物的生物量[4-7]。試驗發(fā)現(xiàn)，與單施生物炭相比，生物炭與不同生物型肥料配施的煙田土壤有機質(zhì)、溶解性有機碳、速效磷、速效鉀含量及微生物數(shù)量均顯著提高，與前人研究結(jié)果[13]相似。不同處理間，生物炭+菌肥對土壤有機質(zhì)、速效磷和溶解性有機碳的增幅最大，可能是生物炭增加土壤孔隙度的同時菌肥增加土壤微生物種類，改善了土壤微環(huán)境群落結(jié)構(gòu)，加速土壤中有機物質(zhì)和無機物質(zhì)的腐解，起到活化土壤養(yǎng)分的作用。煙葉鉀含量多少是衡量煙草品質(zhì)好壞的主要指標(biāo)，增施鉀肥能顯著提高中上等煙葉比例，提高煙葉品質(zhì)[30]。試驗結(jié)果顯示，土壤速效鉀含量以施用生物炭+有機肥最高。對烤煙農(nóng)藝性狀和土壤肥力與經(jīng)濟產(chǎn)值的相關(guān)性分析表明，煙株最大葉面積、土壤速效鉀、細(xì)菌/真菌、放線菌/真菌與煙葉經(jīng)濟產(chǎn)值關(guān)系最緊密，其中，速效鉀是影響煙葉經(jīng)濟產(chǎn)值最主要的正向因素，呈極顯著正相關(guān)。表明，生物炭+有機肥處理不僅能改良土壤的理化性質(zhì)，還能活化土壤養(yǎng)分，改善微生物群落比。最大可能釋放土壤中有效鉀含量，利于提高煙葉后期中上等煙比例，為優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)和實際生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

4 結(jié)論

與單施生物炭相比，生物炭與不同肥料配施均不同程度地促進(jìn)煙株生長，有效提高煙株株高、有效葉數(shù)和最大葉面積等指標(biāo)；顯著提高煙田土壤的有機質(zhì)、溶解性有機碳、速效磷、速效鉀含量和微生物數(shù)量，并對土壤P、K具有活化作用。烤煙農(nóng)藝性狀和土壤肥力與經(jīng)濟產(chǎn)值分析表明，煙株最大葉面積、土壤速效鉀含量、細(xì)菌/真菌、放線菌/真菌與煙葉經(jīng)濟產(chǎn)值關(guān)系最為緊密；速效鉀是影響煙葉經(jīng)濟產(chǎn)值最主要的正向因素，呈極顯著正相關(guān)。以施用生物炭+有機肥的烤煙農(nóng)藝性狀最佳，產(chǎn)量、產(chǎn)值、均價和中上等煙比例等經(jīng)濟性狀最好，明顯提高煙田土壤的有機質(zhì)、溶解性有機碳、速效磷、速效鉀含量和微生物數(shù)量，有效改善土壤理化性質(zhì)和微生物群落比，是適合黃淮煙區(qū)種植的一種高效施肥方式。