生物炭與不同生物型肥料配施對煙田土壤特性和煙葉產質量的影響

徐鳳丹， 李 亮*， 張 翔， 索炎炎， 程培軍， 李洪亮， 李建華

(1.河南省農業科學院 植物營養與資源環境研究所， 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，有機質含量下降，營養元素含量比例失調，不利于上等煙的供給，難以滿足高檔卷煙的生產需要[1]。生物炭是由生物質熱解而成，具有芳香化結構、富含碳體小且多孔、較強的持水保肥能力和穩定性等特點，可用作農用土壤改良劑、肥料緩釋載體及碳封存劑[2]。當前，煙田土壤酸化、貧瘠化、板結嚴重，有效改良土壤是急需解決的生產問題。因此，探究不同生物型肥料對烤煙生長發育的影響，對提高煙葉質量和保育煙田土壤具有重要意義。【前人研究進展】深耕條件下施用生物炭可促進烤煙根系對鉀元素的吸收，增加土壤微生物數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化土壤理化性質，提高土壤肥力，是改善煙田連作土壤狀況的有效措施之一。煙草生產常用的優質生物型肥料有餅肥、菌肥和腐熟動物糞便等，既能顯著提高煙葉的經濟產量，還能有效改善作物根際微生物群落結構。有研究表明，施用餅肥可有效改善煙葉養分含量，促進煙株吸收微量元素，從而提高煙葉產質量，且煙葉產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、產量、產值提供保障[10]。豆漿灌根技術是在煙苗移栽20～28 d后對煙株根部注灌發酵豆漿的一種生產措施，在煙草團棵期進行豆漿灌根可顯著提高煙葉的產量和品質[11-12]。戴華鑫等[13]研究表明，豆漿灌根后，煙田土壤的理化性質和養分含量顯著提高且能持續保持在較高水平，明顯改善土壤中的微生物群落結構，使煙株根系和葉片發育狀況優于正常施肥處理。河南煙區動物糞便資源豐富，生產中大量施用羊糞對煙葉品質具有良好的促進作用[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煙葉種植的有效措施[16]。【研究切入點】前人在單一生物型肥料的用量、施用方式對烤煙生長發育、煙葉產量和品質等方面均有研究。生物炭具有良好的蓬松性和穩定性，其與不同生物型肥料配施在提高經濟產量的同時，能否有效改良土壤理化性質尚不明確。【擬解決的關鍵問題】比較分析6個不同施肥處理下烤煙的農藝性狀和經濟性狀、土壤理化性質及微生物多樣性，確定黃淮煙區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進行，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；豆漿(有機質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66.32%、N 2.98%、P2O50.93%、K2O 2.03%)，由平頂山金葉實業有限公司生產；腐熟羊糞(有機質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；有機肥(有機質52.62%、N 5.26%、P2O50.94%、K2O 1.83%)，由湖州康壽公司生產；菌肥(有效活菌數≥2.0×109/mL，有機碳養分≥150 g/kg，含枯草芽孢桿菌和凝結芽孢桿菌)、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 試驗設計 采用完全隨機區組排列，設置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+豆漿(T5)和生物炭+菌肥(T6)。每處理3次重復，小區面積36 m2，每小區種植80株烤煙，移栽規格為行距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處理施入豆漿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日采烤結束。田間管理均按當地規范化要求進行。

1.3.2 指標測定

1) 農藝性狀。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《煙草農藝性狀調查方法》(YC/T 142—2010)[21]測定烤煙株高、莖圍、有效葉片數、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。葉面積指數按常用值(0.635)計算。

最大葉面積=葉片長×葉片寬×葉面積指數

2) 土壤理化性質及微生物多樣性。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。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法測定放線菌、真菌和細菌的數量；參照鮑士旦方法[22]測定土壤可溶性有機碳含量。一份土壤風干后去雜、研磨、細化(孔徑1 mm篩)，測定其養分含量，包括土壤pH、有機質、陽離子交換量、速效氮、速效磷和速效鉀。

3) 經濟性狀。煙葉成熟后，按不同處理分區采收和計產。烤后煙葉依據《烤煙》(GB 2635-1992)[23]進行分級、計產，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、產量、產值由小區產量、產值折算。

1.4 數據分析

采用Excel 2010和DPS對試驗數據進行統計分析，并進行Duncan新復極差法多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同處理各時期烤煙的農藝性狀

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藝性狀

2.2 不同時期的土壤理化性質

由表2可知，經培肥處理后，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；烤煙采烤結束后，土壤pH升至試驗前水平。土壤AN、AP、AK和有機質含量均在烤煙圓頂期達最高；隨著煙株生長不斷吸收養分，AP和AK含量下降明顯，采烤結束后，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。

表2 不同處理各時期的土壤理化性質

2.3 不同時期土壤的微生物數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，表現為細菌>放線菌>真菌。圓頂期：除T3外，各處理的土壤細菌和放線菌數量顯著高于T1；各施肥處理的土壤真菌數量差異不顯著。細菌/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。采烤結束：各配施處理的土壤微生物數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量的提升具有統計學意義。

表3 不同處理各時期土壤的微生物數量和溶解性有機碳含量

2.4 不同處理烤煙的經濟性狀

由表4可知，煙葉的產量、產值、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，經濟效益最高。

表4 不同處理烤煙的經濟性狀

2.5 烤煙主要農藝性狀和土壤肥力與經濟產值的關系

通過烤煙經濟產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)、細菌/真菌(X3)、放線菌/真菌(X4)對煙葉經濟產值產生極顯著影響，其最優回歸方程為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。由直接通徑系數可知(表5)，煙株最大葉面積(X1)、土壤速效鉀(X2)和細菌/真菌(X3)對煙草經濟產值為正向貢獻，且X2>X3>X1，放線菌/真菌(X4)對煙草經濟產值為負向貢獻。由間接通徑系數可知，X2對X1起顯著的正向貢獻，其間接通徑系數達0.710；X3對X1和X2為正向貢獻；X4對X1、X2、X3為負向貢獻，且大于X1和X3對X4的正向貢獻。從決策系數看出，對煙草經濟產值貢獻為X2>X4>X3>X1。綜合看，土壤速效鉀含量是影響煙草經濟產值的最主要正向因素，而放線菌/真菌的比值對煙草經濟產值起負向作用。

表5 烤煙經濟產值與最大葉面積和土壤肥力的通徑分析情況

3 討論

有效葉數和最大葉面積等指標是形成煙葉產量的基礎。張廣雨等[24]通過盆栽和大田試驗發現，施用生物炭后烤煙苗期和旺長期的有效葉片數顯著增多。生物炭有利于提高農作物葉片凈光合速率和干物質積累，從而提升農作物的產量和品質[9]。韓毅等[25]研究發現，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積累。研究結果顯示，生物炭與有機肥配施后，烤煙的株高、有效葉數、最大葉面積、產量和產值等農藝性狀和經濟指標提高，與何緒生等[26-27]的研究結論一致。在圓頂期(移栽后65 d)，不同處理的最大葉面積表現為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，從而促進烤煙的生長，為煙葉的高產、穩產提供保障。

生物炭具有大量官能團、空隙結構好等優勢，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，通過促進根系生長提高作物的生物量[4-7]。試驗發現，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、溶解性有機碳、速效磷、速效鉀含量及微生物數量均顯著提高，與前人研究結果[13]相似。不同處理間，生物炭+菌肥對土壤有機質、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，改善了土壤微環境群落結構，加速土壤中有機物質和無機物質的腐解，起到活化土壤養分的作用。煙葉鉀含量多少是衡量煙草品質好壞的主要指標，增施鉀肥能顯著提高中上等煙葉比例，提高煙葉品質[30]。試驗結果顯示，土壤速效鉀含量以施用生物炭+有機肥最高。對烤煙農藝性狀和土壤肥力與經濟產值的相關性分析表明，煙株最大葉面積、土壤速效鉀、細菌/真菌、放線菌/真菌與煙葉經濟產值關系最緊密，其中，速效鉀是影響煙葉經濟產值最主要的正向因素，呈極顯著正相關。表明，生物炭+有機肥處理不僅能改良土壤的理化性質，還能活化土壤養分，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，為優質煙葉生產和實際生產應用提供參考。

4 結論

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煙株生長，有效提高煙株株高、有效葉數和最大葉面積等指標；顯著提高煙田土壤的有機質、溶解性有機碳、速效磷、速效鉀含量和微生物數量，并對土壤P、K具有活化作用。烤煙農藝性狀和土壤肥力與經濟產值分析表明，煙株最大葉面積、土壤速效鉀含量、細菌/真菌、放線菌/真菌與煙葉經濟產值關系最為緊密；速效鉀是影響煙葉經濟產值最主要的正向因素，呈極顯著正相關。以施用生物炭+有機肥的烤煙農藝性狀最佳，產量、產值、均價和中上等煙比例等經濟性狀最好，明顯提高煙田土壤的有機質、溶解性有機碳、速效磷、速效鉀含量和微生物數量，有效改善土壤理化性質和微生物群落比，是適合黃淮煙區種植的一種高效施肥方式。