施用不同腐熟秸稈肥對植煙土壤和烤煙品質的影響

林先塔,許山河,劉 宏,楊麗平,孫興權,盧 平 劉羿男,王顯躍,丁從凱,楊錫坤*

(1.福建中煙工業有限責任公司,福建 廈門 361012;2.云南省煙草公司 楚雄州公司,云南 楚雄 675500;3.云南省煙草公司 曲靖市公司,云南 曲靖 655000;4.云南瑞升煙草技術(集團)有限公司,云南 昆明 650106)

0 引言

【研究意義】烤煙農業生產中使用的有機肥主要為各類商業有機肥和各煙區就地取材的秸稈有機肥[1],將其直接還田尤其禾本科秸稈,其腐解產物品質差、腐解速率慢[2-5],腐解前期土壤微生物易與煙株爭肥,最終導致烤煙生長前期供氮不足,生長后期因強烈的有機物礦化作用持續釋肥[6]。秸稈肥釋肥進程與烤煙的需肥規律不吻合,致使煙葉生長前期長勢不佳,生長后期貪青晚熟,煙葉耐烤性下降等問題突出,從而影響煙葉品質形成[7-9]。因此,充分利用煙區閑置的秸稈資源,研究秸稈腐解還田對解決秸稈直接還田造成的烤煙生長養分供需矛盾具有現實意義,有利于烤煙的綠色生產。【前人研究進展】施用腐熟秸稈肥或直接還田并增加前期施氮比例被證實是解決以上問題的有效手段[10-14],但過量的氮肥施用會導致烤煙粗枝大葉,烘烤難度增大,煙葉品質下降[15],且當前相關研究多為簡單增施腐熟秸稈肥[7,16-18],能使部分煙區的煙葉產量提升,香氣質、香氣量均有所改善,致香成分含量有所增加[7,16-17,19],但其本質上并未解決當前國內大部分煙區烤煙生長肥料過飽和的問題。【研究切入點】楚雄牟定和曲靖馬龍煙區兩地施肥規范一致,簡單增施商品有機肥或玉米秸稈直接還田常造成楚雄牟定烤煙后期貪青晚熟,煙葉身份過厚,開片稍差和鉀離子含量偏低等問題;而曲靖馬龍烤煙的煙葉開片度更佳,但煙葉刺激性更強。秸稈肥差異可能是造成兩地煙葉品質差異的重要原因之一。因此,有必要開展關于兩地秸稈有機肥差異對植煙土壤理化性質和烤煙品質的影響研究。【擬解決的關鍵問題】探究施用不同秸稈腐熟肥對楚雄牟定和曲靖馬龍煙區的土壤理化性質、煙葉葉綠素(SPAD)、土壤酶活性、微生物數量、常規化學成分及物理特性的影響,以期為腐熟秸稈在烤煙生產上推廣應用及改善煙葉品質的生理機制研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗分別在楚雄牟定江坡鎮豐樂村(101°58′16"E、25°25′96″N)和曲靖馬龍馬鳴鄉(103°22′18″E、25°16′27″N)進行。供試土壤基本理化性質見表1。

表1 試驗地土壤基本理化性質Table 1 Soil physicochemical properties of the experimental field

1.2 試驗材料

1.2.1 烤煙 試驗1和試驗2供試品種為云煙87,由云南省煙草公司楚雄州公司提供,試驗3為云煙121,由云南省煙草公司曲靖市公司提供。

1.2.2 肥料及秸稈 秸稈肥腐熟劑為粗纖維降解菌(有效活菌數為2×108cfu/g,腐熟劑∶秸稈=1∶1 000,秸稈堆腐時間為30 d),購自廣州微元生物科技有限公司;煙草專用復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶18)、商品有機肥(N∶P2O5∶K2O=1.65∶4.17∶2.71)和硫酸鉀(K2O 50%)均購自云南歐羅漢姆肥業科技有限公司。供試材料分別為蠶豆秸稈、玉米秸稈和松針(表2),蠶豆秸稈和玉米秸稈為楚雄牟定煙區所產,松針為曲靖馬龍的松林凋落物。

表2 試驗材料的理化性質Table 2 Physicochemical properties of tested straw types %

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 采用隨機區組試驗設計,分別設置3個田間試驗,每試驗設3個處理(表3),3次重復,9個小區,每小區植煙100株,行距1.2 m,株距0.5 m。煙草專用復合肥、商品有機肥和秸稈肥均于移栽前塘施,硫酸鉀于移栽后45 d溶水淋施。肥料總氮∶總磷∶總鉀=1∶1∶2,施純氮105 kg/hm2,商品有機肥2 250 kg/hm2,煙草專用復合肥505.5 kg/hm2,硫酸鉀180 kg/hm2。其他田間管理均按當地優質煙葉生產標準進行。

表3 試驗設計方案Table 3 Designing scheme for experiments

1.3.2 調查項目及方法

1) 土壤理化性質測定。于烤煙移栽后45 d、60 d、90 d每小區隨機選取煙株5株并標記,采集根際土,密封保存并做好標記送檢。采用pH計法[20](水土質量比2.5∶1)測定pH;用重鉻酸鉀滴定法[21]測定有機質;用堿解擴散法[22]測定堿解氮;用氟化銨-鉬銻抗比色法[23]測定速效磷;用乙酸銨浸提-火焰光度法[24]測定速效鉀;用凱氏定氮法[25]測定全氮;用氫氧化鈉堿熔法[26]測定全磷;用氫氟酸消解-火焰光度法[27]測定全鉀。試驗1中分別采用靛酚藍比色法、3,5-二硝基水楊酸比色法和高錳酸鉀容量法測定土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性[28]。用平板計數法計量可培養細菌、真菌和放線菌數量[29]。

2)煙葉SPAD值測定。于移栽后90 d每小區隨機選取5株烤煙,用SPAD儀測定成熟期中部葉片SPAD值。為量化標準,消除煙葉分區域落黃特性對組間差異的影響,統一測定區域為葉中,葉位為從上至第12片。

3) 煙葉常規化學成分及物理特性測定。煙葉烘烤定級后,各處理分別取樣1 kg 中部葉進行常規化學成分檢測及感官質量評價。采用連續流動分析法測定烤煙水溶性糖、淀粉、總氮、總植物堿和氯含量[30-34];用火焰光度法[35]測定鉀離子含量。參照郭建華等[36]的方法測定煙葉厚度、含梗率、葉面密度、抗張力、抗張強度、平衡含水率、填充性和葉面積等指標。

1.4 數據統計與分析

采用SPSS 21.0和GraphPad Prism 8對試驗數據進行統計分析與繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理植煙土壤的養分含量

從表4看出,不同處理植煙土壤的養分含量存在差異。試驗1：土壤有機質28.75～29.05 g/kg,全氮1.61～1.65 g/kg,全磷0.59～0.62 g/kg,全鉀15.43～15.86 g/kg,堿解氮118.98～126.54 mg/kg,有效磷46.44～48.02 mg/kg,速效鉀115.21～181.07 mg/kg。除T1的堿解氮和速效鉀均顯著高于CK1外,其余處理間差異均不顯著。試驗2：土壤有機質15.53～35.12 g/kg,全氮1.14～2.74 g/kg,全磷0.27～0.47 g/kg,全鉀12.58～17.71 g/kg,堿解氮79.73～162.50 mg/kg,有效磷4.97～13.00 mg/kg,速效鉀188.00～264.60 mg/kg。A2和T2的有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀均顯著高于CK2。試驗3：土壤有機質14.93～28.90 g/kg,全氮0.91～1.28 g/kg,全磷0.61～0.71 g/kg,全鉀8.938～10.21 g/kg,堿解氮77.00～109.74 mg/kg,有效磷43.89～57.36 mg/kg,速效鉀293.43～468.20 mg/kg。除全鉀和有效磷外,A3和T3的有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效鉀均顯著高于CK3。可見,在減施無機化肥的基礎上,施用秸稈肥代替商品有機肥未對土壤肥力造成負面影響,且明顯改善煙田的土壤肥力。

表4 不同處理植煙土壤的養分含量 Table 4 Nutrient content of tobacco-growing soils under different treatments

2.2 蠶豆秸稈還田處理植煙土壤的酶活性

如圖1所示,蠶豆秸稈還田不同處理植煙土壤的蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶的活性不同。團棵期：蔗糖酶活性5.83～7.34 μmol/(g·h),T1最高,CK1最低,A1和T1分別較CK1增長10.46%和25.90%;脲酶活性0.177～0.207 μmol/(g·h),CK1最高,A1最低,A1和T1分別較CK1降低14.49%和13.04%;過氧化氫酶活性0.687～0.797 μmol/(g·h),T1最高,A1最低,A1較CK1降低1.86%,T1較CK1增長13.86%。旺長期：蔗糖酶活性8.70～11.37 μmol/(g·h),T1最高,CK1最低,A1和T1分別較CK1增長30.46%和30.69%;脲酶活性0.127～0.167 μmol/(g·h),T1最高,CK1最低,A1和T1分別較CK1增長15.75%和31.50%;過氧化氫酶活性0.563～0.583 μmol/(g·h),A1較CK1增長3.55%,各處理間差異均不顯著。成熟期：蔗糖酶活性9.05～11.51 μmol/(g·h),CK1最高,T1最低,A1和T1分別較CK1降低3.08%和21.37%;脲酶活性0.16～0.20 μmol/(g·h),CK1最高,T1最低,A1和T1分別較CK1降低1.48%和21.18%;過氧化氫酶活性0.61～0.68 μmol/(g·h),T1最高,CK1最低,A1和T1分別較CK1增加3.77%和11.67%。CK1和A1的蔗糖酶活性在生育期內呈上升趨勢,其中,團棵期T1顯著高于CK1和A1,旺長期A1和T1均顯著高于CK1,成熟期T1顯著低于CK1和A1;不同生育期脲酶活性差異較小,除旺長期各處理間差異顯著外,團棵期和成熟期不同處理脲酶活性差異均不顯著;團棵期和成熟期T1過氧化氫酶活性顯著高于CK1和A1,旺長期不同處理間差異不顯著。

注：不同小寫字母表示差異達顯著水平(P<0.05),下同。Note：Different lowercase letters indicate significance of difference at P<0.05 level.The same below.圖1 蠶豆秸稈還田處理烤煙關鍵生育期植煙土壤的酶活性

2.3 蠶豆秸稈還田處理植煙土壤的微生物數量

由圖2可知,蠶豆秸稈還田不同處理土壤的微生物數量不同。團棵期：細菌數量7.17×106～8.37×106個,T1最高,A1最低,A1較CK1降低1.38%,T1較CK1增長15.37%;真菌數量1.37×105～2.37×105個,CK1最高,A1最低,A1和T1分別較CK1降低42.25%和29.58%;放線菌數量1.32×106～2.09×106個,CK1最高,T1最低,A1和T1分別較CK1降低9.88%和36.68%。旺長期：細菌數量3.27×106～5.27×106個,CK1最高,T1最低,A1和T1分別較CK1降低22.91%和37.97%;真菌數量6.30×105～8.77×105個,T1最高,CK1最低,A1和T1分別較CK1增加10.58%和039.15%;放線菌數量5.20×106～8.73×106個,T1最高,A1最低,A1較CK1降低2.49%,T1較CK1增長63.75%。成熟期：細菌數量2.80×106～5.33×106個,CK1最高,T1最低,A1和T1分別較CK1降低35.00%和47.80%;真菌數量5.63×105～9.47×105個,A1最高,CK1最低,A1和T1分別較CK1增加68.05%和50.29%;放線菌數量2.73×106～6.27×106個,CK1最高,T1最低,A1和T1分別較CK1降低49.46%和59.38%。

圖2 蠶豆秸稈還田處理烤煙關鍵生育期植煙土壤的微生物數量

細菌數量在整個生育期呈降低趨勢,以T1的降幅最大,其中,團棵期T1的細菌數量顯著高于CK1和A1,旺長期和成熟期均顯著低于CK1和A1;真菌數量在整個生育期呈上升趨勢,以CK1的增幅最小,T1的真菌數量在旺長期達最大,A1在成熟期達最大,且不同時期各處理間差異均顯著;放線菌數量在整個生育期CK1呈上升趨勢,A1和T1呈先升后降趨勢,其中,團棵期和成熟期T1的放線菌數量均顯著低于CK1和A1,在旺長期顯著高于CK1和A1。

2.4 不同處理成熟期中部煙葉的葉綠素含量

從圖3看出,3個試驗不同處理成熟期烤煙中部葉的葉綠素含量變化趨勢相同,均為對照(CK1、CK2、CK3)>未腐熟秸稈(A1、A2、A3)>腐熟秸稈(T1、T2、T3)。其中,試驗1：不同處理中部葉SPAD為48.50～52.94,A1和T1分別較CK1下降6.68%和8.38%;試驗2：不同處理中部葉SPAD為49.40～53.74,A2和T2分別較CK2下降3.72%和8.07%;試驗3：不同處理中部葉SPAD為34.46～40.32,A3和T3分別較CK3下降7.04%和14.53%。同一試驗中,秸稈腐熟處理煙葉的SPAD降幅均較未腐熟處理高,表明秸稈腐熟后施用更有利于煙葉的后期落黃。

圖3 烤煙成熟期中部葉SPAD值 Fig.3 SPAD value of middle leaves at maturity stage

2.5 不同處理初烤中部煙葉的物理特性

由表5看出,3個試驗不同處理初烤煙葉的物理特性存在差異。試驗1初烤中部煙葉的葉片厚度、含梗率、葉面密度、葉面積、抗張力、抗張強度、平衡含水率和填充值分別為0.075～0.084 mm、28.130%～29.383%、78.826～79.257 g/m2、1 006.53～1 095.99 cm2、2.504～2.928 N、0.165～0.202 kN/m、15.305%～16.672%和2.246～2.753 cm3/g;試驗2的分別為0.070～0.076 mm、26.892%～27.526%、57.840～88.423 g/m2、883.01～949.21 cm2、2.626～2.978 N、0.181～0.194 kN/m、13.040%～14.100%和2.703～3.257 cm3/g;試驗3的分別為0.050～0.067 mm、33.470%～36.310%、49.853～63.566 g/m2、1 198.15～1 313.631 cm2、2.033～2.380 N、0.141～0.158 kN/m、12.353%～12.833%和3.400～4.127 cm3/g。其中,T1的葉面厚度和葉面積均顯著高于A1和CK1,A1和T1的填充值均顯著高于CK1,T1的葉片抗張力、抗張強度和平衡含水率均顯著低于CK1;A2和T2的葉面密度均顯著高于CK2,T2的抗張力、抗張強度和平衡含水率均顯著低于A2和CK2;A3和T3的葉面厚底和葉面密度均顯著高于CK3,T3的抗張力、平衡含水率和填充值均有所提升,但與CK3差異未達顯著水平。表明,試驗1使用秸稈肥替代商品有機肥后,烤煙葉片的葉面積顯著增大,葉面密度減小;試驗2和3使用秸稈肥代替部分無機復合肥后,葉片面積減小,葉面密度顯著增大。

表5 不同處理初烤中部煙葉的物理特性Table 5 Physical characteristics of first cured middle tobacco leaves under different treatments

2.6 不同處理烤后煙葉的常規化學成分

從表6看出,3個試驗不同處理烤后煙葉的常規化學成分有所差別。試驗1烤后煙葉的總糖、鉀、還原糖、煙堿、氯、總氮和淀粉含量分別為31.11%～35.78%、1.82%～1.91%、23.46%～25.46%、1.71%～1.98%、0.21%～0.31%、2.00%～2.31和2.92%～4.07%,T1的總糖、還原糖和氯含量顯著低于A1和CK1,T1和A1的鉀含量均顯著高于CK1,A1的煙堿和淀粉含量均顯著低于T1和CK1,A1的總氮含量均顯著高于T1和CK1;試驗2的分別為37.13%～42.10%、1.46%～1.62%、24.50%～27.63%、2.22%～2.62%、0.43%～0.54%、1.92%～2.02%和3.60%～4.46%,A2的總糖和淀粉含量均顯著高于T2和CK2,A2和T2的鉀含量均顯著低于CK2,不同處理間的還原糖、煙堿、氯和總氮含量差異均不顯著;試驗3的分別為30.33%～32.17%、2.59%～2.70%、24.67%～25.07%、1.31%～1.48%、0.31%～0.46%、1.86%～1.95%和2.88%～2.89%,T3的總糖和還原糖含量顯著低于A3和CK3,其余指標各處理間差異均不顯著。

表6 不同處理烤后煙葉的常規化學成分 Table 6 Conventional chemical constituents of cured tobacco leaves under different treatments %

3 討論

探究通過腐熟劑解決秸稈和商業有機肥直接還田造成的烤煙生長前期供肥不足,后期供肥過多的問題,以期改善煙葉品質,解決當地秸稈資源的閑置問題。研究表明,試驗1施用蠶豆秸稈腐熟還田烤煙采烤后土壤的堿解氮和速效鉀含量均顯著高于CK1,與吳岳庭等[37-38]的研究結果類似。主要原因可能是蠶豆秸稈的全氮全鉀含量雖低于商品有機肥,但還田總量大于商品有機肥,且施用秸稈肥的土壤轉化酶活性更高,更利于速效養分的轉化。為探索施用秸稈肥同時減施無機化肥的可能性,同時開展試驗2和試驗3,結果表明,在減少25%的無機復合肥后,除有效磷外,牟定和馬龍兩地施用秸稈肥處理采烤后的各土壤養分指標均高于對照,表明在施用秸稈肥的基礎上減施25%無機復合肥可提高土壤肥力,未對土壤肥力造成負面影響。

蔗糖酶可表征土壤熟化程度和土壤肥力,一般情況下,值越大表明土壤肥力越好;脲酶可表征土壤對尿素的轉化效率;過氧化氫酶可促進過氧化氫分解,減少其對植物根系的毒害作用,常用來表征土壤的解毒作用[39]。針對前文所述的秸稈直接還田尤其禾本科秸稈造成其腐解進程與烤煙需肥規律存在明顯矛盾的問題,可施用腐熟秸稈肥有效改善。研究結果顯示,3個試驗的腐熟秸稈處理烤煙中部葉片的SPAD值均小于未腐熟處理和對照,表明腐熟秸稈可使煙葉適時落黃,與韓智強等[40]的研究結果類似,其機理是秸稈腐熟加快秸稈分解進程,可提高烤煙生長前期土壤轉化酶活性,促進肥料礦化,減少后期養分的過量供應。研究表明,試驗1烤煙旺長期蠶豆秸稈腐熟處理的土壤蔗糖酶和脲酶活性高于未腐熟處理和CK1,而在成熟期低于未腐熟處理和CK1,團棵期和成熟期的過氧化氫酶活性均以蠶豆秸稈腐熟處理最高[41-43],同時促進生育期內土壤微生物由細菌主導型向真菌和放線菌主導型定向演變,但微生物總量未呈現差異,與曹仕明等[18]的研究結果存在差異。主要原因可能是烤煙生長中、后期秸稈基本腐熟,可供細菌生長底物大幅度減少,導致細菌數量大量減少,而革蘭氏陰性細菌和真菌是速效養分轉化的主導菌型[44-46],后期有機肥養分礦化作用增強,真菌數量增加。而是否由于烤煙生育期土壤微生物的定向演變導致土壤酶活性在不同階段的差異仍有待進一步研究。但研究表明,秸稈腐熟有助于煙葉適時落黃,使煙葉糖類合成減少,蠶豆秸稈和松針處理的煙葉糖含量降低;玉米秸稈處理的總糖含量顯著提升,主要原因可能是禾本科秸稈腐解周期相對較長導致。

從兩地煙葉的物理特性看,牟定基地烤煙中部葉細長,身份較厚,糖分較高,鉀離子含量偏低,馬龍基地烤煙中部葉稍寬,身份偏薄,鉀離子含量較高。施用秸稈肥并減施25%復合肥使得烤煙葉面密度提高,且腐熟秸稈處理的葉面密度低于未腐熟處理。從內在品質看,相比直接還田,施用腐熟秸稈肥可使煙葉的總糖和還原糖含量下降,其他指標變化規律不明顯,而試驗2煙葉的鉀離子含量顯著降低,主要原因可能有兩方面,一是牟定基地植煙土壤呈中性偏堿,有機質含量豐富,而煙葉鉀離子與土壤pH和有機質含量呈負相關關系[47-48],鉀離子吸收效率較低;二是試驗2減少25%無機復合肥,造成土壤鉀元素供應不足,使得煙葉鉀離子含量降低。而馬龍基地土壤為典型酸性紅壤土,土壤鉀含量相對較高,因此減施部分無機復合肥并未對煙葉鉀離子造成明顯影響。

4 結論

腐熟秸稈和松針肥替代商品有機肥+替代25%無機復合肥可優化有機肥腐解進程,調節土壤微生物演替,提升烤煙生長中、前期植煙土壤酶活性,迎合烤煙需肥規律,促進煙葉適時落黃。同時提高煙葉內含物,改善煙葉化學協調性,從而提高煙葉質量。