有機肥和品種互作對土壤微生物群落及雪茄煙葉生長和產量的影響

李 虹，高華軍，呂洪坤，林北森

（中國煙草總公司海南省公司海口雪茄研究所，海南海口 571100）

0 引言

【研究意義】雪茄為使用純天然3種不同類型（茄芯、茄套和茄衣）高品質煙葉卷制成的具有獨特風味和香氣、高價值的日常消費品（Fr?hlich，2015；Montano，2020）。茄芯使用香氣濃郁的上部煙葉，茄套使用拉伸良好、能恰當包裹茄芯的中大葉煙葉，而茄衣必須使用顏色均勻、葉脈細小和柔韌光滑的大葉煙片才能賦予雪茄完美的外觀和結構穩定性。目前世界上僅有少數國家和地區（如古巴維納萊斯山谷、印度尼西亞蘇門答臘島、美國康涅狄格河谷等）具有溫和的氣候及肥沃的山地紅壤、火山黑土或河谷沙壤，以生長優良品種及生產質地良好和賦有香氣的高品質雪茄煙葉著稱于世（Wikle，2005；Djajadi，2015；Bailey and Pearce，2020）。近年來，國產雪茄發展趨向火熱，但國產雪茄煙葉質量較差，存在葉片小而厚、葉脈粗、缺少香氣、燃燒灰黑等問題，造成國內雪茄煙葉的需求長期以來主要依賴進口，因此急需提高國產雪茄煙葉品質（時向東等，2010；周迪等，2020）。影響雪茄煙葉品質的主要因素為土壤和氣候環境（Hermiyanto et al.，2016；Wardhono et al.，2019；Montano，2020），其次是品種和栽培管理技術（Wikle，2005；Bailey and Pearce，2020）。目前國內雪茄研究的重點為品種（時向東等，2010；周迪等，2020），而對重要的土壤生物性質（如微生物區系）和化學性質（如有機質含量）對雪茄煙葉生長和品質影響的研究甚少。研究表明，有機肥具有改良土壤微生物環境和增強土壤微生物功能多樣性的作用（Kong et al.，2011；李虹等，2017；聶慶凱等，2020）。因此，分析有機肥的利用對土壤微生物群落和數量變化的影響，篩選對有機肥響應度較高的雪茄煙葉品種，并揭示有機肥和不同品種在雪茄煙葉生長過程中的互作關系，對通過優化雪茄植煙土壤管理和優良煙葉品種配套利用來促進國產雪茄的生產具有重要意義。【前人研究進展】雪茄煙葉需要優化土壤肥力管理并結合利用優勢品種才能促使煙葉生長良好，使之物理和化學品質達適宜手工卷制優質雪茄的標準（Wikle，2005；Wardhono et al.，2019）。土壤有機肥對土壤微生物區系和肥力性質及作物生長等發揮重要作用（王世強等，2011；樊小林和李進，2014；李虹等，2017；張明宇等，2020），土壤有機質含量愈高，雪茄煙葉品質愈好、香氣量愈足（Fr?hlich，2015）。土壤有機質含量和pH條件對雪茄煙葉產量和品質的影響表現在葉片大小、葉面積、顏色、質地、油分和風味等重要的物理和化學品質特征方面（王惠方等，2015；陳勇等，2017；Montano，2020）。吳創等（2018）研究表明，在四川煙區施用酒糟有機肥可顯著提高雪茄煙葉的單葉重、香氣量和燃燒性。Bailey和Pearce（2020）研究指出，在美國東北部康涅狄格河谷，土壤有機質含量提高可促進煙葉伸長變寬，顯著提升雪茄茄衣煙葉產量及油分含量。近年國內研究發現，施用有機肥尤其是大田前期配施高碳基肥處理可提高土壤有機質含量和烤煙產量（聶慶凱等，2020），而在施用化肥的基礎上配施有機肥有利于提高烤煙根際土壤功能性細菌群落的相對豐度（劉魁等，2021）。目前，在雪茄煙葉栽培方面，我國四川、云南、湖北、海南等產區利用古巴、美國、印度尼西亞等優勢雪茄煙葉品種開展了包括品種生理生態特征（時向東等，2010；李愛軍等，2013；周迪等，2020）、育苗技術（高華軍等，2020）、移栽期（孫延國等，2019）、施肥技術（王惠方等，2015；陳勇等，2017；吳創等，2018）等研究，但未見雪茄煙田施用有機肥和品種互作對土壤微生物及煙葉生長、產量影響的相關報道。【本研究切入點】熱帶和亞熱帶地區主要耕作土壤是紅壤，酸度高，高溫和頻繁降雨引起土壤有機質快速分解和淋溶，導致有機質貧乏，無機營養元素淋失（王世強等，2011；王慧方等，2015；李虹等，2017），影響土壤微生物區系并誘發土著真菌病害（樊小林和李進，2014；李虹等，2017）。然而，現有雪茄植煙土壤管理信息依然局限于化肥營養類型及施用方式（時向東等，2010）、氮肥基追比例（王惠方等，2015）、水溶肥施用（陳勇等，2017）及有機肥類型（吳創等，2018）等。而土壤有機質和微生物區系等關鍵因素對雪茄煙葉生長和品質的影響依然未知，土壤有機肥的利用效益及雪茄煙葉品種對有機肥響應度等方面的信息依然缺乏。【擬解決的關鍵問題】分析有機肥施用對海南雪茄煙葉產區紅壤微生物區系的影響，揭示有機肥和煙葉品種互作對雪茄煙葉生長及其產量的影響，為改善國內雪茄植煙土壤管理及提高雪茄煙葉產量和品質提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用雪茄煙葉品種為古巴品種KS01和KS02，由海南省煙草公司提供。有機肥中有機質含量45%，主要營養氮磷鉀及中微量元素總含量5%，有益活性菌總含量3×10CFU/g（廣東傳豐復合肥廠有限公司）；化肥為硝酸鉀（KNO，13-0-46，四川省什邡市農科化工有限公司）和鈣鎂磷肥［Ca（PO4），0-16-0，貴州省福泉磷肥廠］。鈣鎂磷肥是堿性肥料，其中化學成分含量PO16%，CaO 45%，SiO20%，MgO 12%。石灰為農業種植生石灰（主要成分為CaO和MgO），作為土壤酸度調理劑。

1.2 試驗方法

試驗于2019—2020年在海南省儋州市寶島新村雪茄煙葉栽培試驗區進行。試驗地土壤為海南典型代表性紅壤，土層深，壤質，呈強酸性（pH 5.2），有機質平均含量2.1%。試驗前期作物為葫蘆科（Cucurbitaceae）南瓜（L.）。

試驗采用二因素完全方案設計。設有機肥（C）和品種（V）2個處理，其中有機肥（C）處理包括常規用量1500 kg/ha（C）和高施用量2250 kg/ha（C）；品種（V）處理為KS01（V）和KS02（V）。試驗處理隨機區組排列，小區面積60 m（15 m×4 m），4次重復。

試驗采用托盤育苗。2019年10月中旬開始在溫室播種育苗，整個育苗期實施嚴格的衛生消毒預防方案，保證煙苗健康無病。大田移栽煙苗前1周，試驗小區一次性施放土壤調理劑生石灰1500 kg/ha。移栽前2 d一次性施放有機肥，拌土均勻至土層10 cm。試驗地起壟行距1.1 m，使用黑白雙色塑料薄膜覆蓋。煙苗移栽密度21000株/ha。試驗地不遮蔭，施肥比例為N∶PO∶KO=1.0∶1.2∶3.5，其中N肥用量180 kg/ha。依據N∶KO比例及硝酸鉀營養元素含量，合計KNO使用量1385 kg/ha，其中含KO 637 kg/ha。依據N：PO比例及鈣鎂磷肥中的PO含量，鈣鎂磷肥用量為1350 kg/ha。實施水肥一體化滴灌，病蟲害防控以理化誘控和生物真菌劑防控為主。開花后手工打頂，每株煙留14～16片葉。葉片成熟收獲分下部葉、中部葉、上部葉3次采摘，間隔5 d。每次采摘當天開始晾制，晾房自然通風，人工調控溫濕度，晾制階段持續40～45 d。

1.3 測定項目及方法

每小區的土壤微生物群落采樣點與煙葉生長測定點（GPS定點）一致，每小區交叉3點采樣，間隔3 m。土壤采集時間為2020年2月，根系區域采土深度為25 cm。采樣時先鏟去表土，將干凈的鮮土裝入無菌塑料袋，置于保鮮箱并及時運回中國熱帶農業科學院土壤無菌室進行微生物分析測定。鮮土可培養微生物（細菌、真菌、放線菌群落）測定采用常規平板群落計數法（王世強等，2011；李虹等，2017）。剩余土壤自然風干，過2 mm篩，保存，采用酸度計測定土壤pH（土∶水=1∶1）（李虹等，2017）。

在打頂后煙葉成熟期，使用CCM-200葉綠素測量計（美國Opti-Sciences）測定煙葉葉綠素含量（SPAD值）。在同一天上午10：00前完成所有葉綠素含量測定。煙葉長度和寬度變化在同樣的生長期使用卷尺測定，計算葉面積（S）。S=0.653×L×W（Moustakas and Ntzanis，1998），式中，L為實測葉片長度，W為實測葉片寬度。煙葉生物量以成熟煙葉采摘收獲時的鮮重計算，煙葉產量變化以晾制過程完成后煙葉干重的實際測定值表示。

1.4 統計分析

試驗數據采用SAS 2019進行統計分析，采用Excel 2013繪圖。

2 結果與分析

2.1 雪茄煙葉生長期土壤可培養微生物群落變化

由圖1可看出，在雪茄煙葉生長期間，與常規用量（C）處理相比，有機肥高施用量（C）處理土壤微生物細菌和放線菌群落數量顯著升高（＜0.05，下同），土壤真菌群落數量顯著降低。其中，細菌群落為雪茄植煙紅壤中的絕對優勢微生物群落，放線菌次之，真菌群落為土壤弱勢微生物群落。細菌群落數量平均值為8.25×10CFU/g，變化區間較大，為1.28×10～15.1×10CFU/g，有機肥高施用量（C）處理的植煙土壤中細菌群落數量較常規用量（C）處理顯著提高38.9%；可培養放線菌群落數量平均值為1.42×10CFU/g，變化區間居中，為3.49×10～1.63×10CFU/g ，有機肥高施用量（C）處理的土壤中放線菌群落數量較常規用量（C）處理顯著提高32.0%；可培養真菌群落數量平均值為1.18×10CFU/g，變化區間較小，為1.67×10～2.32×10CFU/g，有機肥高施用量（C）處理的真菌群落數量較常規用量（C）處理顯著降低53.6%。

2.2 有機肥和品種互作對雪茄煙葉SPAD值的影響

由圖2可看出，雪茄煙葉SPAD值受生長空間的影響，在同一測定時間，同一有機肥處理中不同品種（V和V）植株從下到上分布的煙葉中，煙葉SPAD值呈相似的規律性變化，即頂部葉＞上部葉＞中部葉＞下部葉。對于同一部位煙葉，均以V×C互作處理的SPAD值最高，表明有機肥高施用量（C）處理可顯著促進V品種葉綠素的合成，尤其是獲取光照較多的頂部葉和上部葉。

2.3 有機肥和品種互作對雪茄煙葉生長及葉面積的影響

煙葉長度（L）和寬度（W）是雪茄煙葉重要的物理質量指標，通常煙葉長度和寬度值越大，煙葉價值越高，雪茄煙葉中價值最高的茄衣葉片寬度至少要達22 cm（Bailey and Pearce，2020）。由圖3可看出，在煙葉成熟采收時，V品種煙葉伸長對有機肥施用量響應度較高，其所有部位的葉片長度在成熟期比打頂期明顯變長，而V品種葉片長度在有機肥處理間無明顯差異。煙葉長度變化趨勢均受生長空間影響，除V品種成熟期有機肥高施用量（C）處理中部葉最長（71 cm）外，2個品種葉片長度的整體變化趨勢表現為下部葉＞中部葉＞上部葉。

由圖4可看出，V和V品種各部位煙葉寬度的變化趨勢與長度變化趨勢相似，在成熟期V品種對有機肥處理的響應度較高，煙葉較打頂期明顯變寬，而V品種的煙葉寬度在成熟期內變化不大。受生長空間和有機肥施用量的影響，葉片寬度的變化趨勢表現為下部葉＞中部葉＞上部葉。

由圖5可看出，成熟期煙葉葉面積（均值1830 cm）大于打頂期葉面積（均值1620 cm）。有機肥高施用量（C）處理有效地促進煙葉在成熟期的伸長和變寬，其中V品種高施用量（C）處理的煙葉長度最長（圖3-A）、寬度最寬（圖4-A），均高于長度平均值（52 cm）和寬度平均值（38 cm），因此葉面積也最大。葉面積變化趨勢均表現為下部葉＞中部葉＞上部葉。

2.4 有機肥與品種互用對雪茄煙葉生物量和晾制后干物質產量的影響

由圖6-A可看出，雪茄煙葉成熟采摘后的鮮重變化區間為6415～9015 kg/ha，其中中部葉鮮重變化區間最大（7485～9015 kg/ha），而上部葉和下部葉鮮重變化區間相似。各部位間平均鮮重表現為中部葉（8276 kg/ha）＞上部葉（6919 kg/ha）＞下部葉（6660 kg/ha）。

煙葉品種和有機肥處理的互作主要表現在V×C和V×C處理組合對中部葉生物量的影響，在有機肥高施用量（C）條件下，2個品種的中部葉鮮重均較高，其中以V的響應度較高，V×C處理組合的煙葉總鮮重最高（23265 kg/ha），其次是V×C處理組合（22380 kg/ha）。

由圖6-B可看出，在晾制完成之后，各部位干物質重量變化區間為708～1005 kg/ha，所有煙葉累計平均產量為2415 kg/ha。V和V品種各部位煙葉干物質重量差異最大均是中部葉（855～1005 kg/ha），中部葉平均干物質重量為915 kg/ha，分別比上部葉和下部葉高19.3%和23.9%。上部葉干物質重量比下部葉稍高，但差異不顯著（＞0.05）。煙葉品種和有機肥處理的互作主要表現在V×C和V×C處理組合對中部葉干物質累積的影響。在有機肥高施用量（C）條件下，2個品種的中部葉干物質重量均升高，V品種2個有機肥用量處理的中部葉干物質重量差異顯著。

3 討論

雪茄煙草是高價值的葉用經濟作物，生產中需要優良的土壤和栽培條件。本研究綜合采取了一系列科學措施，包括利用與煙草不同科屬的前作作物、土壤酸性改良（石灰和鈣鎂磷肥統一使用量）、健康育苗和統一主要營養用量等方法，保證了有機肥和品種的互作不受其他因素干擾，獲得了有機肥和優良雪茄煙葉品種配套利用的新認識：首先揭示了土壤有機肥在優化雪茄煙葉生長期土壤微生物區系的同時，促進了響應度大的煙葉品種的生理生長；其次是利用有機肥優化雪茄植煙土壤管理可行性的前提是至少較常規有機肥使用量提高50%，常規有機肥使用量在高度利用的耕作系統里已體現不出潛在效益；最后是提供了有機肥優化雪茄植煙土壤管理必須與優良雪茄煙葉品種相配套的應用方法。鑒于目前尚無其他相關報道，在已知的肥料類型和施放時間（時向東等，2010）、氮肥基追比例（王慧方等，2015）、水溶肥（陳勇等，2017）等因素對雪茄煙葉生長和品質影響效益的基礎上，本研究從有機肥對雪茄植煙土壤微生物區系改良及同步優化雪茄煙葉生理生長這一層面對提高土壤有機質管理提供了更新和更深的定量參考價值。

本研究表明，在雪茄煙葉生長季節，有機肥高施用量促進細菌群落發展為紅壤中微生物絕對優勢群落，放線菌發展為次要優勢群落，而真菌群落數量則有所降低。這意味著促使細菌和放線菌群落繁殖速度加快能抑制真菌群落數量。微生物群落數量在玉米（侯曉杰等，2007）、茶葉（王世強等，2011）及香蕉（李虹等，2017）種植土壤中也隨土壤酸堿度變化呈類似演變，包括降低了土居真菌病害（香蕉枯萎病）發生率（樊小林和李進，2014；李虹等，2017）。土壤細菌和放線菌促進氮碳循環，提高養分利用，土壤真菌能分解土壤物質，許多土壤真菌是重要的植物病原菌。本研究結果表明當土壤細菌和放線菌群落成為優勢群落時，可改善植煙土壤的微生物環境，促進雪茄煙葉生長，提升煙葉的物理和化學品質。

葉綠素是重要的光合色素，葉綠素含量越高煙葉光合作用生成產物越多。本研究發現，在有機肥高施用量條件下，不但微生物細菌群落數量有所提升，煙葉葉綠素SPAD值也較常規用量處理升高，光合產物使煙葉葉面積更大，煙葉鮮重和干物質重量也明顯增加。該結果進一步揭示了土壤微生物區系改善之后如何促進作物生長并提高產量。品種之間在煙葉伸長和變寬方面存在差異，尤其是V品種的中部葉。中部葉光照適中，產生的葉綠素和光合物質比下部葉多，因此中部葉葉面積較大、產量較高。煙葉生長位置對雪茄煙葉品質和物質輸導累積的影響尤其重要，如重要的生物堿（尼古丁）從根部輸導轉移到各部位煙葉儲存累積（Dewey and Xie，2013；Kajikawa et al.，2017），上部葉獲得的陽光較多，物質儲存較集中，從而具有較濃郁的煙味和香氣，是制作茄芯中心的材料（Montano，2020）。本研究在優選雪茄煙葉品種過程中發現煙葉分布位置影響葉綠素合成，正因為頂部葉和上部葉獲取較多光照量才促進了葉綠素合成。這些葉片葉綠素含量高表明其光合產物高含量，所以其鮮重和干物質產量甚至比生長期較長的下部葉還稍高一些。

有機肥和品種處理互作主要體現在V×C處理組合上，有機肥高施用量顯著促進了V煙葉化學和物理特征的差異性。不同品種的雪茄煙葉呼吸能力、光合作用和營養吸收能力不同，研究結果顯示V品種對有機肥施用量的響應度更高。因此，利用有機肥的土壤改良及篩選對有機肥施放響應度較高的雪茄品種的配套管理具有提升國內雪茄煙葉生產的潛力。

本研究中有機肥和品種處理尚存在優化和細化的空間，檢測項目也有局限性。今后的研究中，可在本研究基礎上，進一步增加品種數量并細化有機肥施用量，以檢驗雪茄煙葉光合作用速率、氮磷鉀主要營養吸收、煙堿累積量等項目，將有益于更深入解釋利用有機肥優化雪茄植煙土壤與不同品種煙葉生長和產質的因果關系。

4 結論

增施有機肥可改善雪茄植煙土壤的微生物群落結構，促使土壤細菌群落發展為絕對優勢的微生物群落，放線菌群落成為次優勢微生物群落，從而有效抑制土壤真菌（含土居病原菌）群落的數量。植煙土壤生物環境改善的同時可提高煙葉葉綠素合成，促進煙葉生長并提高干物質產量。有機肥和品種互作主要體現在對有機肥響應度更高的雪茄煙葉品種上，采用有機肥與優良雪茄煙葉品種配套的技術方法才能發揮促進土壤管理和提升雪茄煙葉產質的潛力。