不同土壤改良劑對土壤養分及烤煙內在品質的影響

劉著文，楊龍飛，劉茂林，賈國濤，姚倩，馬一瓊，崔廷，楊欣玲，陳洋，程良琨

（河南中煙工業有限責任公司，鄭州 450000）

烤煙是我國重要的經濟作物之一，由于不斷連作以及化學肥料的持續輸用，隨之而來的土壤酸化板結、有機質含量降低、營養元素比例失調、保水蓄水能力下降等土壤問題日趨嚴重[1-3]。土壤供水供肥能力降低，造成煙葉質量整體表現為營養不良，香氣量不足，品質較差[4-5]。如何改良并提高土壤質量已成為我國烤煙種植生產亟待解決的問題。

大量研究表明，不同有機和無機土壤改良劑能通過改善土壤理化和生物學特性等途徑增加土壤養分、提高土壤質量[6-7]。聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）是一種線型高分子聚合物，化學式為(C3H5NO)n，由于其結構單元中含有酰胺基、易形成氫鍵，具有良好的水溶性和很高的化學活性，近年來在土壤改良上得到了廣泛的應用[8]。研究表明，土壤中施用PAM能明顯改善土壤結構特征、提高土壤有機質和水分含量[9]。Han等[10]研究發現，添加PAM后土壤中可培養的異養細菌數量顯著增加。生物炭是將有機物質在無氧條件下進行氣化、熱解和水熱碳化等熱化學處理產生的一種高碳含量物質[11]，對改善土壤質量有明顯的積極作用。研究表明，施用生物炭能有效改善土壤肥力和持水能力，土壤pH和有機碳含量也有明顯提高[12]。此外，施用生物炭條件下，土壤微生物生物量和活性有顯著提高[13]。因此，生物炭可以作為土壤改良劑，通過有效提高土壤養分促進作物生長。高碳基有機肥是一種高碳肥料，主要由生物炭、有機載體、天然礦物質肥、腐殖酸和微量元素等組成[14]。近年來，施用高碳基有機肥改善并提高土壤肥力已成為研究熱點。研究發現，高碳基有機肥的施用能有效提高土壤中有機碳和大量營養元素含量，從而顯著改善土壤質量[15]。高碳基有機肥施用可能改善了土壤微生物的棲息環境，施用高碳基有機肥后土壤微生物和酶活性得到顯著提高[16]。

許昌煙區是歷史悠久的典型濃香型烤煙種植地區，土壤質量退化成為限制其發展的重要因素。PAM、生物炭和高碳基有機肥作為土壤改良劑，對提高土壤肥力有重要的應用潛力。因此，本文研究施用PAM、生物炭和高碳基有機肥對烤煙生長、土壤養分和烤后煙葉內在品質的影響，旨在探索并篩選適于提高許昌煙區土壤質量和改善煙葉內在品質的土壤改良劑，以期為植煙土壤改良和煙葉品質提升提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年在河南省許昌市襄城縣王洛鎮試驗田進行。試驗田已連續種植烤煙多年，地勢平坦，灌溉排水方便。供試土壤類型為褐土，其基礎理化性質見表1。供試烤煙品種為當地主栽烤煙品種‘中煙100’。PAM為白色粉狀聚丙烯酰胺，分子量為18×106，陰離子型，水解度30%~32%，購自山東省唯信農業科技有限公司。生物炭為小麥秸稈在低氧條件下經500°C碳化而成，由河南農業大學提供，理化性質如表1所示。高碳基有機肥購自河南惠農土質保育研發有限公司，總養分（N+P2O5+K2O）≥5%、有機質（干基）≥45%、生物炭≥20%、粗脂肪≥1%、水分≤20%。

表1 試驗用土壤和生物炭基礎理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of soil and biochar used in the experiment

1.2 試驗設計

試驗共設置4個處理：不施用任何肥料（CK），施用PAM處理（T1），施用生物炭處理（T2）和施用高碳基有機肥處理（T3）。每個處理重復3次，共12個小區，每小區面積約0.067 hm2，不同小區隨機排列。

根據前期的試驗結果，PAM施用量為30 kg·hm-2，生物炭施用量為1 800 kg·hm-2，高碳基有機肥施用量為750 kg·hm-2。煙苗移栽前將PAM、生物炭和高碳基有機肥作基肥條施，各處理煙田均施用復合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）、餅肥(N∶P2O5∶K2O=6.34∶1.17∶1.34)、硫 酸 鉀(K2O為50%)、硝酸鉀(N∶K2O=13∶46)，施純氮60 kg·hm-2，氮磷鉀比均為1∶1.5∶3，施餅肥375 kg·hm-2。其中，復合肥、餅肥于移栽前穴施，硫酸鉀、硝酸鉀用于追肥。煙苗于5月6日移栽，栽植密度16 500株·hm-2。其他生產管理措施參照《襄城縣優質煙葉生產管理技術規程》進行。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 煙株農藝性狀測定成熟期選取各小區具有代表性的煙株，根據YC/T 142—2010《煙草農藝性狀調查測量方法》[17]，測定烤煙株高、莖圍、節距、有效葉數和最大葉面積等農藝性狀指標。

1.3.2 土壤養分和微生物測定煙葉采收后，每個試驗小區內按照“S”形線路采集0—20 cm土層根際土壤，混合土樣以“四分法”平均作為分析樣品。部分土壤去除碎石、根系等雜物后立即放入4℃冰箱保存用于測定土壤微生物數量，剩余土壤于陰涼處風干后過2 mm網篩，用于土壤理化性質測定。

參照鮑士旦[18]的方法，采用電位計法測定土壤pH；使用電導儀測定土壤電導率；采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定土壤有機碳含量；采用擴散吸收法測定土壤速效氮含量；采用NaHCO3-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量；采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀含量。

采用稀釋涂布平板法[19]測定土壤微生物數量，其中細菌培養采用營養瓊脂培養基；真菌培養采用改良馬丁培養基。

1.3.3 烤后煙葉指標測定各小區煙葉單獨采烤，選取中桔三等級（C3F）煙葉10 kg，用于烤后煙葉品質指標測定。參照王瑞新[20]的方法，采用H2SO4-H2O2消化法測定煙葉總氮含量；采用提取脫色法測定煙葉煙堿含量；采用鐵氰化鉀比色法測定煙葉總糖含量；采用3,5-二硝基水楊酸（3,5-Dinitrosalicylic acid,DNS）比色法測定煙葉還原糖含量；采用H2SO4浸提-火焰光度法測定煙葉鉀含量；采用熱蒸餾水浸提法測定煙葉氯含量。化學成分協調性指標計算公式如下。

1.3.4 烤煙經濟性狀測定 采烤結束后，對每小區煙葉進行分級，依據當地煙葉收購價格計算烤煙產量、產值、上等煙比例、中上等煙比例和均價等經濟性狀指標。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010進行數據統計，采用SPSS 21.0進行差異顯著性分析，采用Origin 9.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理下煙株農藝性狀分析

如表2所示，與對照處理相比，T1處理下煙株節距顯著提高了12.97%；T2處理下煙株莖圍和最大葉面積分別顯著提高了11.17%和6.32%；T3處理下煙株株高、莖圍、節距和最大葉面積均顯著增高，增 幅 分 別 達8.40%、12.61%、13.44%和21.71%；各處理間煙株有效葉數差異均不顯著。施用不同土壤改良劑處理之間比較，T3處理下煙株最大葉面積顯著高于T1和T2處理，增幅分別為17.06%和14.48%；煙株株高、莖圍、節距和有效葉數在不同土壤改良劑處理間差異不顯著。

表2 不同處理下煙株農藝性狀Table 2 Agronomic characteristics of tobacco plants under different treatments

2.2 不同處理下的土壤養分分析

如圖1所示，相比于對照處理，T1處理下土壤pH顯著提高了7.58%；T2處理下土壤pH、有機碳、速效氮和速效磷含量分別顯著提高了7.22%、97.78%、11.54%和39.84%；T3處理下土壤pH、電導率、有機碳、速效氮、速效磷和速效鉀含量均顯著提高，增幅分別為8.12%、96.29%、28.89%、23.08%、71.02%和11.16%。施用不同土壤改良劑的3個處理之間比較，土壤電導率在T3處理下顯著增高，較T1和T2處理分別提高了83.38%和85.82%；T2處理土壤有機碳含量最高，相比于T1和T3處理，分別顯著提高113.60%和53.45%；T3處理土壤速效磷含量較T1處理顯著提高52.74%；土壤速效氮和速效鉀含量在不同土壤改良劑處理間無顯著差異。

圖1 不同處理下的土壤養分Fig.1 Soil nutrients under different treatments

2.3 不同處理下土壤微生物數量分析

如圖2所示，與CK相比，T3處理土壤細菌數量顯著提高了10.44%，T2和T3處理土壤真菌數量分別顯著降低了10.72%和17.51%。施用不同土壤改良劑的3個處理間比較，T1、T2和T3處理在土壤細菌數量上差異不顯著；T2和T3處理土壤真菌數量均顯著低于T1處理，降幅分別為8.93%和15.85%。

圖2 不同處理下土壤微生物數量Fig.2 Number of soil microorganisms under different treatments

2.4 不同處理下煙葉化學成分分析

如表3所示，相比于CK處理，T2和T3處理煙葉總糖、還原糖和鉀含量分別顯著提高了8.61%和11.24%、9.54%和13.38%、4.75%和5.63%，T1、T2和T3處理煙葉氯含量分別顯著降低了4.76%、11.63%和13.12%。施用不同土壤改良劑的3個處理之間比較，T3處理下煙葉總糖、還原糖和鉀含量均顯著高于T1處理，增幅分別為8.22%、12.67%和5.26%；T2處理下煙葉還原糖和鉀含量較T1處理也有顯著提高，增幅分別為8.85%和12.67%；相比于T1處理，T3處理煙葉總氮含量顯著降低了9.61%，T2和T3處理煙葉氯含量均顯著低于T1處理，降幅分別為7.32%和8.89%。煙葉煙堿含量在不同土壤改良劑處理之間差異不顯著。

表3 不同處理下煙葉化學成分Table 3 Chemical composition of tobacco leaves under different treatments

在煙葉化學協調性指標上，相比于CK處理，T1處理下煙葉氮堿比顯著提高了5.19%；T2和T3處理下煙葉糖堿比和鉀氯比分別顯著提高了13.18%和18.40%、18.17%和21.21%。施用不同土壤改良劑的3個處理之間比較，T3處理下煙葉氮堿比較T1處理顯著降低了7.41%；T2和T3處理煙葉糖堿比和鉀氯比較T1處理分別顯著提高了10.15%和15.23%、12.49%和15.40%。

2.5 不同處理下烤煙經濟性狀分析

如表4所示，與CK相比，T1處理烤煙產量和產值分別顯著提高了10.63%和11.91%；T2處理下烤煙產量、產值和上等煙比例分別顯著提高了18.17%、20.05%和10.58%；T3處理烤煙產量、產值、上等煙比例、中上等煙比例和均價分別顯著提高了26.44%、35.20%、11.39%、6.43%和6.94%。施用不同土壤改良劑的3個處理之間比較，T3處理下烤煙產量和產值較T1和T2處理均有顯著提高，產量增幅分別達14.29%和7.01%，產值增幅分別達20.81%和12.62%。在上等煙比例指標上，T3處理較T1處理顯著提高了8.83%。

表4 不同處理下烤煙經濟性狀Table 4 Economic characteristics of flue-cured tobacco under different treatments

3 討論

3.1 不同處理對煙株農藝性狀的影響

烤煙農藝性狀指標能直觀反映煙株生長發育狀況，也與烤煙產質量的形成有密切關系。本研究中，高碳基有機肥處理下烤煙株高、莖圍、節距和最大葉面積等農藝性狀指標均顯著高于對照，而且高碳基有機肥處理最大葉面積顯著高于PAM和生物炭處理。烤煙是以收獲葉片為主的經濟作物，最大葉面積指標顯著提升對提高烤煙產量和經濟效益有重要意義。施用高碳基有機肥處理下，烤煙農藝性狀指標得到較大幅度的提升，可能與土壤理化性質和微生態環境的改善有關[21]。

3.2 不同處理對土壤養分及微生物數量的影響

持續耕作條件下，造成植煙土壤酸化板結、土壤水肥供應能力下降，影響烤煙正常生長發育的營養需要。本研究中，土壤有機碳含量以生物炭處理下最高，高碳基有機肥處理下土壤pH、電導率、速效氮、速效磷和速效鉀含量顯著提升，生物炭處理下土壤有機碳含量顯著高于PAM和高碳基有機肥處理。有研究表明，施用有機和無機土壤改良劑能使土壤保持較高的肥力狀況[14]。高碳基有機肥處理下植煙土壤有機碳以及速效養分含量均有顯著提高。有報道指出，碳源的輸入能有效提高土壤中化學肥料養分的有效性[22]，生物炭處理較PAM和高碳基有機肥處理明顯提高了土壤有機碳含量，高碳基有機肥也含有大量生物炭原料，此外其富含的天然礦物質肥、腐殖酸和微量元素等成分對土壤速效養分的提升效果更為明顯。與前人的研究類似，本研究中PAM、生物炭以及高碳基有機肥處理有效提高了植煙土壤pH，PAM是高分子聚合物質，具有羧基、酰胺基等活性基團，可降低土壤交換性氫含量[23]，生物炭及高碳基有機肥由于碳酸鹽的存在，而且酯基和醚鍵等官能團以及鉀、鈣、鎂等可交換陽離子的釋放相應提高了土壤pH[24]。高碳基有機肥處理下土壤電導率得到顯著提升，這可能是由于有機肥料中所含的鹽分較高，有機源殘留物與化學肥的混合施用有效提高了土壤電導率[25]。

土壤細菌和真菌等微生物對維持土壤微生態環境起著關鍵作用，是評價土壤質量的重要指標。本研究中，高碳基有機肥處理下土壤細菌和真菌數量與對照處理均有顯著性差異，生物炭和高碳基有機肥處理下土壤真菌數量較PAM處理有顯著降低。土壤微生物是土壤有機碳和養分循環中必不可少的調控因子，尤其是在碳源的降解過程中起著不可或缺的作用[10]。添加有機物有效提高了土壤有機碳含量，為微生物的活動提供了充足碳源，從而提高土壤微生物的活性及有益微生物的生物量[5,14]。本研究中，高碳基有機肥處理顯著提高了土壤細菌數量，這與前人的研究結果一致[26]。值得注意的是，生物炭和高碳基有機肥處理下土壤真菌的數量有降低趨勢。有研究認為，土壤真菌數量會隨著pH的升高而減少[27]。張國棟等[28]研究發現，連作土壤中添加生物炭及有機肥，土壤微生物群落結構逐漸從“真菌型”向適宜作物生長的“細菌型”轉化，可能是土壤中的病原菌失去了寄主或改變了其生活環境，影響土壤微生物的生長、發育和代謝，改變了原有的微生物體系結構。而且有研究指出，細菌是土壤養分循環途徑中的重要介質，其生長速度往往比真菌高出約10倍，細菌的快速繁殖在一定程度上抑制了有害真菌的生存，實現了土壤微生物群落區系結構的優化[29]。

3.3 不同處理對烤煙品質的影響

煙葉化學成分以及協調性是影響煙葉內在品質的重要因素。高碳基有機肥處理下煙葉總氮、總糖、還原糖、鉀和氯含量以及鉀氯比、糖堿比和鉀氯比與PAM處理均有顯著差異，而與生物炭處理相比，煙葉化學成分差異不顯著。研究表明，烤后煙葉品質的形成與碳素的供應水平有很大關系[30]。生物炭及高碳基有機肥本身含碳量較高，在調節植煙土壤碳氮比及改善土壤養分協調供應上有重要意義，從而在煙葉品質上表現為總糖和還原糖含量升高。而煙葉中總氮和煙堿含量降低，可能與生物炭對有較強的的吸附能力有關，烤煙對氮素的吸收減少從而降低了煙葉中煙堿的合成[31]。烤后煙葉鉀氯比不協調，是困擾河南煙區煙葉品質提升的主要問題之一。從本試驗的研究結果看，施用生物炭及高碳基有機肥，對烤后煙葉提價降氯有顯著的積極影響，對提高煙葉品質有重要意義。

3.4 不同處理對烤煙經濟性狀的影響

本試驗中，高碳基有機肥處理下烤煙經濟性狀指標均顯著高于對照，烤煙產量和產值較PAM和生物炭處理均有顯著提高，上等煙比例也顯著高于PAM處理。有研究認為，烤后煙葉經濟效益與土壤溶解性有機碳、堿解氮、速效鉀等含量呈極顯著正相關[32]，施用土壤改良劑處理下植煙土壤理化性質得到有效改善，為烤煙生長發育提供了良好的養分和土壤環境，是烤后煙葉產量和經濟效益顯著提高的重要原因。而且，施用高碳基有機肥較PAM和生物炭有更高的產量和產值，說明在實際生產中推廣應用高碳基有機肥改良植煙土壤有重要的現實意義。

綜上所述，施用不同土壤改良劑能不同程度改善植煙土壤理化性質和微生態環境，從而促進煙株生長發育，進而改善煙葉化學品質，提高經濟效益，相比于PAM和生物炭，高碳基有機肥對改良土壤、提高煙葉內在品質和經濟性狀效果更好。