綠肥翻壓配施生物炭對烤煙連作土壤理化性質及其產質量的影響

蘆海靈， 常 棟， 張 翔， 李 亮， 范藝寬， 李亞飛*

(1.河南省農業科學院， 河南 鄭州 450002； 2.河南省煙草公司平頂山市公司， 河南 平頂山 467002； 3.中國煙草總公司 河南省公司， 河南 鄭州 450018)

土壤是作物生長的重要載體。河南許昌是我國濃香型優質煙葉生產的重要產地之一，由于該地區人多地少，輪作倒茬困難，煙田長期連作和重用輕養，易出現耕層土壤質量下降、土壤板結和土傳病害嚴重等問題，對優質煙葉形成十分不利[1]。綠肥是一種重要的有機肥料(豆科植物和禾本科植物)。趙炯平等[2-3]研究指出，綠肥具有供給有機養分、替代部分化肥、改善土壤結構與生態環境和調節土壤碳氮比等作用，有利于提高土壤質量和實現其可持續利用。生產上通過直接或異地翻犁及堆漚等方式將綠肥歸還土壤，單純進行綠肥翻壓雖易受綠肥品種、翻壓量、翻壓方式和翻壓時期/次數等因素的影響[4-5]，但同樣有利于改良土壤和提高煙葉的經濟效益[6]。生物炭是指農業和林業廢棄物、水生生物和工業廢棄物等有機廢棄物，在250～700℃缺氧或低氧條件下，熱解炭化而成的一類孔隙結構發達、含碳量高、比表面積大、吸附性能較強和抗分解能力極強的高度芳香化的含碳物質[7]，施用生物炭能夠改善土壤養分狀況，提高土壤碳氮比例和煙葉產質量[8-11]。目前，關于烤煙生產上綠肥翻壓和施用生物炭的研究多集中在其對煙株生長發育和產質量的影響方面，而對烤煙連作土壤改良方面的研究相對較少，尤其是對土壤根莖類病害影響的研究報道較少。為此，通過綠肥翻壓和施用生物炭相結合的方式，研究其對烤煙連作土壤理化性質、煙株農藝性狀、煙葉經濟效益和連作土壤土傳病害的影響，以期為烤煙連作土壤土傳病害的控制及提高煙葉產質量提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018-2019年在河南省襄城縣汾陳鄉李營村連續2年種植煙草煙田進行，土壤肥力均勻一致，地勢平坦，排灌方便。試驗地土壤基礎肥力：pH 8.17、有機質13.6 g/kg、水解性氮108 mg/kg、有效磷15.8 mg/kg、速效鉀124 mg/kg、全氮0.85 g/kg、全磷0.62 g/kg、全鉀1.65%及陽離子交換量13.3 cmol/kg。

1.2 材料

1.2.1 品種 供試烤煙品種為中煙100，中國煙草總公司青州煙草研究所；綠肥為大麥，河南省農業科學院綠肥研究室。

1.2.2 肥料 生物炭為秸稈生物炭(pH 9.18，有機碳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，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%)，天津博爾邁生物科技有限公司；煙草專用復合肥料(N 10%、P2O512%、K2O 18%)，湖北香青化肥有限公司；芝麻餅肥(N 5%)，河南省農業科學院芝麻研究室；硝酸鉀(N 13%、K2O 46%)和硫酸鉀(K2O 50%)，河南輝騰化工提供。

1.2.3 儀器 有機碳分析儀(VarioMACRO TOC)，德國ELEMENTAR公司。

1.3 方法

1.3.1 試驗設計 采用隨機區組設計，共設4個處理：對照(CK)，無綠肥翻壓及不施生物炭；T1，綠肥翻壓；T2，綠肥翻壓+生物炭1 500 kg/hm2；T3，綠肥翻壓+生物炭3 000 kg/hm2。每年10月烤煙收獲后拔除煙稈和雜草，地塊翻耕后用撒播方式播種綠肥。2019年4月中旬(烤煙移栽前20 d左右)將綠肥刈割后就地翻埋入土壤，然后整地起壟。綠肥翻壓量為鮮草31 725 kg/hm2。每個小區面積為66.7 m2，3次重復，移栽密度16 500株/hm2。試驗各處理氮用量為52.5 kg/hm2，氮磷鉀比例為1∶1∶3.5。田間管理按照當地優質煙葉生產技術規范進行。

1.3.2 指標測定

1) 烤煙農藝性狀。在移栽后75 d，選擇各小區有代表性的煙株，按照煙草行業標準YC/T 142-2010測定株高、莖圍、有效葉片數、最大葉長及寬等農藝性狀。

2) 土壤理化性狀。在煙葉收獲后，采用梅花形5點取樣，抖根法采集煙株根際土壤，剔除土內的雜質、植物活根等，混合后過2 mm篩，用冰盒帶回實驗室，放入4℃冰箱保存，分別用于測定土壤理化性狀和土壤微生物數量。土壤化學指標采用常規方法測定[12]，其中土壤堿解氮采用堿解擴散法測定，速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用NH4OAC浸提-火焰光度法測定，有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法測定，pH采用電位計法測定；土壤細菌、真菌和放線菌數量采用平板培養計數法測定[13]；土壤溶解性有機碳采用有機碳分析儀測定[14]。

1.3.3 煙田病蟲害調查 按照國家標準，對各小區處理進行病蟲害調查[15]。

發病率=(發病株數/調查總株數)×100%

病害指數=∑(各級病株×該病級值)/(調查總株數×最高級值)×100

1.3.4 煙葉經濟效益統計 按照GB 2635-921對各處理烤后煙葉分級，結合2019年許昌市煙葉收購單價，統計和計算煙葉產值、均價、上等煙比例及中上等煙比例。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2010和SPSS 17.0對數據進行統計與差異性分析，并進行Duncan新復極差法多重比較。

2 結果與分析

2.1 綠肥翻壓配施生物炭對土壤理化性質及其養分含量的影響

從表1可知，不同處理土壤容重、含水率、陽離子交換量、pH、有效磷和堿解氮等土壤理化性質及養分含量的變化。土壤容重：不同處理為1.00～1.55 g/cm3，依次為CK>T1>T3>T2；CK顯著高于其余處理，T2與T3間差異不顯著，二者顯著低于T1。土壤含水率：不同處理為14.94%～21.14%，依次為T2>T3>T1>CK；T2和T3顯著高于T1和CK，T2與T3間和T1與CK間差異不顯著。陽離子交換量：不同處理為12.24～17.25 cmol/kg，依次為T2>T3>T1>CK；T2顯著高于其余處理，T1與CK間差異不顯著，二者顯著低于T3。pH：不同處理為7.64～8.13，依次為T2>T3>T1>CK；各處理間差異均不顯著。有效磷：不同處理為15.20～20.90 mg/kg，依次為T1>T3>T2>CK；T1顯著高于其余處理，其余處理間差異均不顯著。堿解氮：不同處理為99.90～161.70 mg/kg，依次為T3>T2>T1>CK；各處理間差異顯著。速效鉀：不同處理為128.70～224.20 mg/kg，依次為T3>T2>T1>CK；T3顯著高于其余處理，T1與CK間差異不顯著，二者顯著低于T2。全氮：不同處理為0.78～1.16 g/kg，依次為T2>T3>T1>CK；T2顯著高于其余處理，CK顯著低于其余處理，T1與T3間差異不顯著。有機質：不同處理為12.28～23.00 g/kg，依次為T2>T3>T1>CK；T2顯著高于其余處理，CK顯著低于其余處理，T1與T3間差異顯著。溶解性有機碳：不同處理為0.15～0.47 g/kg，依次為T3>T2>T1>CK；T3顯著高于其余處理，T1與CK間差異不顯著，二者顯著低于T2。可見，與對照相比，綠肥翻壓配施生物炭有助于降低土壤容重、提高土壤含水率及肥力，總體以T2效果較好，土壤堿解氮、速效鉀、全氮、有機質和溶解性有機碳含量以及陽離子交換量較CK分別提高41.84%、56.18%、48.72%、87.30%、186.67%和40.93%。

表1 綠肥翻壓配施生物炭各處理土壤的理化性質

2.2 綠肥翻壓配施生物炭對土壤微生物數量的影響

細菌/真菌、放線菌/真菌的比值可作為植物土傳病害發生幾率的有效參考，且呈顯著負相關[8]。從表2可知，不同處理土壤的細菌、真菌和放線菌等微生物數量的變化。細菌：不同處理分別為(1.93～9.80)×107cfu/g，依次為T2>T3>T1>CK；CK顯著低于其余處理，T2和T3顯著高于其余處理，但二者間差異不顯著。真菌：不同處理為(1.20～2.94)×105cfu/g，依次為T2>T3>T1>CK；T2顯著高于其余處理，CK顯著低于其余處理，T1與T3間差異顯著。放線菌：不同處理分別為(1.30～4.06)×107cfu/g，依次為T2>T1>T3>CK；T2顯著高于其余處理，CK顯著低于其余處理，T1與T3間差異不顯著。細菌/真菌：不同處理為1.41～4.73，依次為T3>T2>T1>CK；T3顯著高于其余處理，CK顯著低于其余處理，T1與T2間差異不顯著。放線菌/真菌：不同處理為0.99～1.81，依次為T1>T2>T3>CK；T1和T2顯著高于T3和CK，T1與T2間、T3與CK間差異均不顯著。

表2 綠肥翻壓配施生物炭各處理土壤的微生物數量

2.3 綠肥翻壓配施生物炭對烤煙成熟期農藝性狀的影響

營養對烤煙株高、葉長、葉寬、莖圍和有效葉數等生長發育指標具有一定影響，決定煙葉產量及品質的形成[16]。從表3可知，不同處理烤煙成熟期的株高、有效葉數和莖圍等農藝性狀的變化。株高、有效葉數、最大葉長和最大葉寬：不同處理分別為95.20～119.50 cm、17.20～21.30片、58.80～63.70 cm和27.20～32.10 cm，均為T2>T3>T1>CK；CK均顯著低于其余處理，其余處理間差異均不顯著。莖圍：不同處理為8.80～10.80 cm，依次為T2>T3>T1>CK；T2和T3顯著高于T1和CK，T2與T3間和T1與CK間差異均不顯著。綜合看，以T2烤煙成熟期的農藝性狀最佳。

表3 綠肥翻壓配施生物炭各處理烤煙成熟期的農藝性狀

2.4 綠肥翻壓配施生物炭對烤煙旺長期和采烤期根莖病害發生的影響

烤煙根腐病和黑脛病與土壤關系密切，烤煙長期連作土壤的養分消耗和微生物區系單一，根莖類病發生呈逐年加重趨勢[17]。從表4可知，不同處理烤煙旺長期和采烤期根腐病與黑脛病發生狀況的差異，綠肥翻壓配施生物炭可有效降低根腐病和黑脛病的發生，有利于提高煙葉的產質量，總體均以T2效果最佳。

2.4.1 旺長期 各處理根腐病的發病率和病情指數分別為3.54%～4.22%和1.91～3.17，均為CK>T3>T1>T2；均為T2顯著低于其余處理，其余處理間差異不顯著。綠肥翻壓配施生物炭各處理，根腐病的發病率和病情指數較CK分別下降2.84%～16.11%和8.83%～39.75%。各處理黑脛病的發病率和病情指數分別為0.67%～1.45%和0.45～1.01，均為CK>T1>T3>T2；發病率，CK和T1顯著高于 T2和T3，CK與T1間、T2與T3間差異均不顯著；病情指數，CK顯著高于其余處理，其余處理間差異均不顯著；綠肥翻壓配施生物炭各處理，黑脛病的發病率和病情指數較CK分別下降25.52%～53.79%和44.55%～55.45%。

2.4.2 采烤期 各處理根腐病的發病率和病情指數分別為1.64%～2.56%和0.84～1.28，依次為CK>T1>T3>T2和 CK>T3>T1>T2；發病率:CK和T1顯著高于 T2和T3，CK與T1間、T2與T3間差異均不顯著；病情指數:CK和T3顯著高于 T1和T2，CK與T3間、T1與T2間差異均不顯著；綠肥翻壓配施生物炭各處理根腐病的發病率和病情指數較CK分別下降20.70%～35.93%和20.31%～34.38%。各處理黑脛病的發病率和病情指數分別為2.17%～3.11%和1.05～1.79，依次為CK>T3>T1>T2和T3>CK>T1>T2；均為T2顯著低于其余處理，其余處理間差異不顯著；黑脛病的發病率較CK分別下降7.07%～30.23%。

表4 綠肥翻壓配施生物炭烤煙旺長期和采烤期根莖病害的發生狀況

2.5 綠肥翻壓配施生物炭對煙葉產量及經濟效益的影響

從表5 看出，不同處理煙葉產量、產值、均價和上等煙比例存在差異，綠肥翻壓配施生物炭各處理煙葉產量、產值和上等煙比例較CK分別提高8.02%～27.46%、10.99%～31.62%和8.34%～23.18%，煙葉產量及經濟效益以T2效果最好。產量、均價和上等煙比例：不同處理分別為2 287.13～2 915.25 kg/hm2、23.77～29.69元/kg和48.74%～60.03%，均為T2>T3>T1>CK，T2顯著高于T1和 CK，T2/T3間和T3/T1/CK間差異均不顯著。產值：不同處理為5.70～7.51萬元/hm2，依次為T2>T3>T1>CK，T2和T3顯著高于T1和 CK，T2/T3間和T3/T1/CK間差異均不顯著。

表5 綠肥翻壓配施生物炭煙葉的產量及經濟效益

2.6 微生物量及煙葉經濟效益與土壤理化性質及養分間的相關性

從表6可知，土壤容重、土壤含水率、溶解性有機碳、堿解氮、速效鉀、有機質、全氮和陽離子交換量與細菌、真菌、放線菌、產量、產值、均價和上等煙比例間的相關性存在差異。土壤容重，與均價和上等煙比例呈顯著負相關，與微生物數量及煙葉經濟效益其余指標間均呈極顯著負相關；土壤含水率、有機質、全氮和陽離子交換量，與微生物數量及煙葉經濟效益所有指標間均呈極顯著正相關；溶解性有機碳、堿解氮和速效鉀，與放線菌均呈顯著正相關，與細菌、真菌數量及煙葉經濟效益其余指標間均呈極顯著正相關。

表6 微生物量及煙葉經濟效益與土壤理化性質及養分間的相關性

3 結論與討論

綠肥翻壓后可提高植煙土壤的團粒結構、孔隙度、保水性和透氣性，有利于增加土壤有機質和提高煙葉質量[18-19]。生物炭含碳量達70%，具有較大的比表面積、孔隙度和離子交換吸附能力、可溶性較低[20]，施用生物炭后對土壤物理、化學性質和微生物數量具有重要影響[21-23]。研究結果表明，綠肥翻壓+生物炭1 500 kg/hm2處理，土壤堿解氮、速效鉀、有機質、全氮含量和陽離子交換量明顯升高，連作土壤理化性狀得到改善，為烤煙的生長發育提供良好的土壤環境，是煙葉產質量提高的重要原因。

生物炭能夠增大土壤C/N比例，從而影響作物對氮素的吸收[24]，可增產50%以上[25]。潘周云等[5,26-27]研究指出，綠肥翻壓和施用生物炭均可明顯降低土壤容重，提高其田間持水量，有利于烤煙的根系發育、植物學性狀改善和干物質積累，與該研究結果較為一致。陳山等[28]研究指出，施用稻殼生物炭后，土壤pH升高、有機質含量增加，烤煙有效葉片數增加。研究結果表明，綠肥翻壓+生物炭1 500 kg/hm2處理，土壤容重下降，土壤含水率升高，煙株有效葉數增加，莖圍變粗，煙葉產值量、上等煙比例和經濟效益提高。研究結果表明，煙葉經濟效益指標與土壤容重呈顯著或極顯著負相關，與土壤含水率、堿解氮、溶解性有機碳、有機質、全氮、速效鉀和陽離子交換量呈極顯著正相關。

裴建鋒[29]研究指出，施用生物炭對烤煙青枯病具有顯著的防治效果。李成江等[17]研究指出，施用生物炭能夠改善土壤微生物的群體結構及其對碳素的利用效率，減輕青枯病和黑脛病的發生，有利于提高煙葉的產質量。研究結果表明，綠肥翻壓+生物炭1 500 kg/hm2處理，土壤溶解性有機碳含量提高，土壤細菌、真菌和放線菌數量增加，細菌/真菌和放線菌/真菌的比值增大，根腐病和黑脛病發病率和病情指數下降，有利于增強煙株生長發育狀況和減少連作土壤土傳病害的發生，但其作用機理有待進一步深入研究。土壤微生物數量與土壤含水率、有機質、全氮和堿解氮含量呈顯著或極顯著正相關。說明，土壤微生物數量變化與土壤理化性質密切相關。