不同改良劑對酸性煙田的改良效果及其對烤煙生長的影響①

閆 靜，時仁勇*，王昌軍，李德成，李九玉，徐仁扣，孫光偉，李建平，陳振國，孫敬國*

不同改良劑對酸性煙田的改良效果及其對烤煙生長的影響①

閆 靜1，時仁勇1*，王昌軍2，李德成1，李九玉1，徐仁扣1，孫光偉2，李建平2，陳振國2，孫敬國2*

(1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2 湖北省煙草科學研究院，武漢 430030)

為比較不同改良劑的煙田應用效果，本研究通過田間試驗探究了堿渣、牡蠣粉和石灰3種改良劑對酸性煙田土壤酸度、烤煙產量與品質及經濟效益的影響。結果表明，3種改良劑施用均有效提高土壤pH，降低交換性酸和可溶性鋁(Al)的含量，提升土壤交換性鹽基陽離子含量。堿渣對土壤酸度的改良效果最佳，可使土壤pH提高0.38個單位，交換性酸和可溶性Al含量降低90.9% 和39.8%。同時，堿渣處理中土壤交換性Ca2+和Mg2+含量分別增加了72.8% 和91.9%。隨著土壤性質的改善，3種改良劑均促進了烤煙的生長，提升了煙葉產量與內在品質。3種改良劑使煙葉產量增加6.0% ～ 9.5%，上等煙比例提高4.0% ～ 16.9%，產值增加11.7% ～ 19.5%，凈增收益增加4 593.00 ～ 9 270.30元/hm2，其中堿渣的增產增收幅度最大。此外，改良劑的施用優化了烤煙化學成分組成，其中牡蠣粉處理煙葉的品質最佳。總體看，利用堿渣改良酸性煙田具有廣泛的應用前景，但在實際應用中，需注意控制堿渣Na和Cl元素含量。

酸性煙田；堿渣；牡蠣粉；石灰；土壤酸度；烤煙

煙草是我國重要的經濟作物，其產量與品質與土壤酸堿度密切相關[1]。酸性或微酸性(pH 5.5 ～ 6.5)土壤環境更適宜優質煙草的生長發育。研究表明，我國不同地區連續多年種植煙草后，煙田土壤pH呈現明顯下降趨勢[2-3]，pH < 5.0的強酸性和5.0 < pH < 5.5的弱酸性植煙土壤比例升高[4-5]。第二次全國土壤普查結果顯示，我國2.4%的植煙土壤pH低于4.5，18.6% 的植煙土壤pH介于4.5 ～ 5.5，這些酸性土壤的理化性質差，鐵鋁及重金屬活性高，抑制了根系對養分的吸收[6]。此外，土壤酸化也是煙草青枯病爆發的重要誘因[7]?？梢?，煙田土壤酸化嚴重影響烤煙產量與品質，亟需有效的調控措施，提升酸性煙田土壤質量，恢復其生產力。

施用堿性物料是改良酸性土壤的常用方法。石灰是傳統的酸性土壤改良劑，可與土壤中的酸性物質發生中和反應，提高土壤pH，促進Al3+水解生成沉淀，進而緩解植物鋁毒害，提高作物產量[8]。施用1 500 kg/hm2的生石灰可使安徽煙稻輪作酸性水稻土pH提高0.52個單位[6]。此外，石灰中豐富的Ca2+可與土壤交換性Al3+發生交換反應，增加土壤中交換性Ca2+的含量，降低交換性Al3+含量，進一步改善土壤酸化狀況。然而，石灰作為不可再生資源，長期大量施用不僅會導致石灰資源的耗竭也會引發土壤板結、養分失衡、土壤微生物數量降低等問題[9]，最終導致土壤肥力下降。

近年來，隨著可持續發展觀念的深化，工農業堿性副產品逐漸被用于酸性土壤改良，其中堿渣和牡蠣粉兩類新型改良劑展現出較為廣泛的應用前景。堿渣是氨堿法純堿的副產品，呈堿性，富含鈣鎂營養元素。研究表明添加4 g/kg堿渣可使酸性茶園土壤pH提高0.5個單位，交換性酸降低75% 以上[10]。Shi等[11]將堿渣用于林下酸性土壤改良，發現施用5 t/hm2和10 t/hm2堿渣3 a后，表層土壤pH仍可提高約0.7和1.5個pH單位，交換性酸降低48% 以上。然而，目前堿渣對酸性煙田土壤的改良和增產增收效果尚不清楚。由牡蠣殼經粉碎煅燒制成的牡蠣粉主要成分為碳酸鈣和氧化鈣，在中和土壤酸度的同時可補充大量鈣離子。有研究將牡蠣粉用于酸性煙田土壤改良，結果發現，牡蠣粉可使土壤pH提高0.77個單位，煙草青枯病發病率降低36.67%，煙葉增產9.3%，相較于石灰，牡蠣粉在改良酸性煙田和預防煙草青枯病發病方面展現出一定優勢[12-13]。目前基于工農業副產品形成的酸性土壤改良劑種類繁多，但對不同改良劑的改良效果與經濟效益缺少田間條件下的對比研究。本文選取堿渣、牡蠣粉和石灰作為研究對象，通過大田試驗比較了3種改良劑對酸性煙田的改良效果和對烤煙產量、品質及其經濟效益的影響。研究結果可為酸性煙田改良劑的篩選與應用提供參考，助力煙農增產增收。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和改良劑

試驗田塊位于湖北省利川市(30°29′′ N，108°93′′ E)，年均氣溫12.3 ℃，無霜期232 d，年均降水量為1 300 mm。供試煙田地勢平坦，灌溉條件良好。供試土壤為碳酸鹽母質發育黃棕壤，其基本理化性質見表1。

表1 供試土壤基本性質

所用石灰購自湖北恩施一家石灰廠公司，主要成分為生石灰(CaO)，成本價格為500元/t。牡蠣粉購自安徽國禎生態科技公司，pH 11.9，CaO、MgO和SiO2含量分別為190、17和42 g/kg，成本價格為1 300元/t。堿渣為連云港堿業有限公司免費提供，pH為8.50，堿度822 cmol/kg，CaO、MgO、SiO2和Cl–含量分別為243.5、59.3、44.6和59.6 g/kg[14]。堿渣和牡蠣粉中重金屬含量均低于中國(2018年)用于農業的污水污泥標準。

1.2 田間試驗設計

田間試驗共設置4個處理：①不施改良劑的對照組；②1 500 kg/hm2石灰；③1 500 kg/hm2牡蠣粉；④ 3 750 kg/hm2堿渣。每個處理設3次重復。改良劑施用方式為土壤表層均勻撒施后20 cm旋耕3次混勻，起壟機起壟，壟高20 cm。小區面積26.4 m2，種植40株煙苗，種植行距為0.12 m，株距為0.55 m。煙草品種選用云煙87，打頂株高110 ～ 118 cm，生育期110 ～ 115 d。各處理土壤施肥量均按純氮90 kg/hm2施用煙草專用肥(N︰P︰K為1︰1︰2)，磷肥和鉀肥則按N︰P2O5︰K2O=1︰2︰3比例通過施用過磷酸鈣和硝酸鉀進行補齊。2021年5月6日移栽，2021年7月6日打頂，2021年7月15日進行第一次采烤。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤 各小區土壤樣品通過多點取樣均勻混合法，分別在烤煙移栽前和采摘結束后采集植株周圍表層(0 ～ 20 cm)土壤樣品，樣品經風干、去雜、研磨后，過10目和60目孔篩備用。測定指標包括：土壤pH(電位測定法，1︰2.5土水質量比)、交換性酸(KCl浸提，酸堿滴定法)、交換性鹽基陽離子(乙酸銨浸提，Ca2+和Mg2+測定采用原子吸收分光光度法，K+和Na+測定采用火焰光度法)、可溶性單核Al和聚合態Al(8-羥基喹啉比色法)，具體測定方法參見文獻[15-16]。

1.3.2 煙草 按照YC/T 142—2010《煙草農藝性狀調查測量方法》[17]，分別在煙株生長團棵期、打頂期測定株高、莖圍、最大葉長和最大葉寬等農藝性狀。每小區隨機觀測記錄5棵煙株并掛牌標記。

煙葉成熟時，各小區分別分批單采單烤成熟煙葉。煙葉采摘后均勻放入烤房中，按照變黃階段–定色階段–干筋階段的三段式量化烘烤工藝進行掛牌烘烤調制。烘烤完成后按照國家標準進行挑選分級，稱重獲得產量和上等煙比例，并按照湖北省利川市煙葉收購價格核計各小區煙葉均價和產值(產量×均價)，根據改良劑成本估算凈增收益。收集烤后中部煙葉為測定樣品，45 ℃條件下烘干磨細過60目孔篩，參照國家煙草專賣局行業標準，通過連續流動分析儀分別測定煙葉煙堿、總氮、還原糖、總糖、鉀以及氯含量[18]。

1.4 數據分析

數據使用Excel和SPSS 20.0進行多重比較、方差分析等相關統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對土壤酸度和可溶性鋁含量的影響

土壤pH和交換性酸分別是土壤酸度的強度和容量指標。由表2可知，施用酸性土壤改良劑后，煙田土壤pH均有所提高，土壤交換性酸含量相應降低。在煙苗移栽前，各處理土壤pH高低順序為堿渣>石灰>牡蠣粉>對照；烤煙采摘結束后，各處理土壤pH高低順序為：堿渣>牡蠣粉>石灰>對照。各處理土壤交換性酸含量大小與土壤pH高低順序呈相反趨勢。這是由于改良劑通過堿性物質中和土壤酸度，提高土壤pH，進而促使交換性Al發生水解和沉淀反應，降低交換性Al含量[15]。

3種改良劑中，堿渣對土壤酸度的改良效果最好，在移苗前和采收后分別使土壤pH提高0.39和0.15個單位，交換性Al含量降低90.9% 和55.3%。按施用量計算，單位堿渣施用量對土壤酸度的改良效果與石灰的效果相當(施用量1 500 kg/hm2，pH提高0.16個單位/)。因此，本研究中堿渣改良土壤酸度效果優于石灰應歸因于其相對較高的施用量。煙苗種植后，堿渣對土壤酸度的改良效果有所降低，說明烤煙種植過程中存在土壤復酸化過程。石灰對土壤酸度的改良效果在前期優于牡蠣粉，后期弱于牡蠣粉?？梢姡迪牱鄹牧纪寥浪岫鹊某中詢炗谏?。該現象與姬佳旗[13]的研究結果一致，其原因可能是石灰中堿性物質以CaO為主，反應活性高，易被消耗或淋失，而牡蠣粉中含有部分碳酸鹽，與土壤酸反應相對緩慢。

可溶性Al是導致酸性土壤植物鋁毒害的直接原因[19]。土壤溶液Al的存在形態可分為單核Al和聚合態Al。通常認為，單核Al是毒害植物的主要形態，其中以Al3+的植物毒害作用最強。研究表明，當Al3+濃度高于4 μmol/L時，植物根系即可表現出鋁毒效應[20]。圖1表明，施用堿渣、牡蠣粉和石灰分別使土壤溶液單核Al濃度降低58.7%、39.9% 和24.4%，一定程度上降低了土壤可溶性總Al濃度。隨著土壤pH增加，土壤溶液Al逐漸發生水解、聚合、沉淀等反應，其濃度呈指數降低。3種改良劑中堿渣處理土壤pH最高，因此其溶液Al濃度最低。各改良劑處理土壤溶液中聚合態Al濃度均略有增加(圖1)，這與土壤pH提升促進單核Al的聚合反應有關。

表2 添加不同酸性土壤改良劑對煙田土壤交換性酸的影響

注：表中同列數據小寫字母不同表示同一采樣時期不同處理間差異達<0.05顯著水平，下表同。

(圖柱上方小寫字母相同表示處理間差異不顯著(P>0.05)

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2.2 不同改良劑對土壤交換性鹽基陽離子的影響

土壤交換性鹽基陽離子含量是酸性土壤肥力的重要體現。3 種改良劑對土壤交換性鹽基陽離子具有不同程度的影響。堿渣、石灰和牡蠣粉分別使土壤交換性Ca2+含量增加72.8%、43.6%、8.7%。此外，堿渣一定程度上提高了土壤交換性Mg2+和Na+含量，石灰和牡蠣粉則對土壤交換性Mg2+和Na+含量影響不大(表3)。單位施用量下，石灰對土壤交換性Ca2+的提升效果優于堿渣。這與3種改良劑中Ca、Mg元素含量及存在形態有關，石灰Ca含量較堿渣和牡蠣粉高，而堿渣中Mg含量顯著高于石灰和牡蠣粉。牡蠣粉對土壤交換性Ca2+、Mg2+含量影響相對較小的原因可能還與牡蠣粉中Ca、Mg元素以碳酸鹽形式存在，反應速度相對較慢有關[21]。相較于對照處理，3種改良劑處理土壤交換性K+含量略有降低。一方面，改良劑中大量Ca2+、Mg2+置換交換性K+，促使K+淋溶損失；另一方面，改良劑施用促進了煙草生長，增加了煙草根系對土壤K+的吸收。因此，在施用堿渣、石灰或牡蠣粉改良酸性煙田的同時需注意鉀肥的補充。土壤表面負電荷密度是衡量酸性土壤保肥能力的重要指標。表3表明，堿渣和石灰施用分別使土壤有效負電荷量(ECEC)增加19.8% 和15.4%，增強了酸性煙田土壤的保肥能力，牡蠣粉則對土壤ECEC影響不大。土壤ECEC增加的原因，一方面是土壤pH提升導致土壤可變負電荷量增加；另一方面，堿渣中SO42–等陰離子的專性吸附也對土壤有效負電荷密度的增加有所貢獻[22]。

2.3 不同改良劑對烤煙生長的影響

由表4可知，堿渣、牡蠣粉和石灰處理均促進了團棵期和打頂期烤煙的生長，其中堿渣處理效果最佳，可使團顆期煙株株高、莖圍、最大葉長和葉寬分別提高13%、15%、7.5% 和3.4%，使打頂期煙株株高、莖圍、最大葉長和葉寬分別提高11%、25%、5.7% 和12%。石灰和牡蠣粉在團棵期和打頂期烤煙生長的促進效果有所不同。石灰處理烤煙在團棵期的生長狀況略優于牡蠣粉處理，而牡蠣粉處理打頂期烤煙生長狀況略優于石灰處理。這一規律與不同時期石灰和牡蠣粉對土壤酸度的改良效果一致?？梢?，石灰在烤煙生長前期可更好地改良土壤酸度，促進烤煙生長，而牡蠣粉在后期可更好地發揮改良作用。

表3 不同改良劑對煙田土壤表面交換性鹽基陽離子含量的影響

表4 不同酸性土壤改良劑對烤煙團棵期和打頂期植株農藝性狀的影響

2.4 不同改良劑對烤煙品質的影響

烤煙中化學成分組成是影響煙葉內在品質的重要因素。鉀對烤煙的燃燒性具有積極作用，煙堿含量影響煙氣香味，總氮決定了烤煙的吸食勁頭和刺激性，還原糖可提高烤煙的醇和度，氯含量影響煙葉的彈性、膨脹性等物理性質。表5表明，3種改良劑處理顯著降低了煙葉煙堿和總氮含量，氮堿比增加，趨近于優質烤煙的水平(煙堿1.50% ～ 3.50%、總氮1.50% ～ 4.0%、氮堿比0.8 ～ 1.2)[23]，其中堿渣和牡蠣粉處理中煙葉煙堿和總氮均符合優質煙葉標準。牡蠣粉和石灰顯著降低了煙葉總糖和還原糖含量，使其趨于優質水平(總糖18.00% ～ 22%[24]、還原糖18% ～ 24%[25])，而堿渣處理則呈相反趨勢。3種改良劑處理煙葉中還原糖與煙堿的比例仍趨于優質水平(8 ～ 12)[23]。

堿渣和牡蠣粉處理中煙葉鉀含量明顯低于對照和石灰處理，說明在施用堿渣和牡蠣粉改良酸性煙田過程中需加強鉀肥投入。由于堿渣中氯含量(59.6 g/kg)較高[14]，施用堿渣處理使煙葉中總氯的含量較對照增加近兩倍，但仍處于質控范圍之內(< 0.60%)。根據烤煙化學成分質量評價體系[25]對各處理煙葉品質綜合評價表明，3種改良劑均一定程度上提升了烤煙的品質，其中牡蠣粉處理中煙葉質量評分最高，其次為石灰，堿渣對煙葉內在品質的提升作用相對較弱。

2.5 不同改良劑對烤煙經濟效益的影響

表6表明，堿渣、牡蠣粉和石灰均顯著提高了煙葉產量，其中堿渣對煙葉增產效果最佳(增產9.5%)。堿渣、牡蠣粉和石灰均提高了上等煙比例，其中牡蠣粉和堿渣處理與對照差異顯著，并且牡蠣粉處理上等煙比例最高，較對照提高9個百分點。按照煙草行業不同等級煙葉收購價格計算，堿渣、牡蠣粉和石灰分別使煙葉均價提高9.1%、7.4% 和3.3%。產值比較發現，堿渣處理煙田產值最高，其次為牡蠣粉和石灰處理。考慮不同改良劑成本計算凈增收益，堿渣處理煙田凈增收益達9 270.30元/hm2，是石灰和牡蠣粉處理2倍左右。由于牡蠣粉成本遠高于石灰，因此，牡蠣粉處理煙田雖然產值高于石灰處理，但其凈增收益卻略低于石灰。綜合看，堿渣相較于石灰和牡蠣粉提升酸性煙田烤煙產量和品質效果相當甚至更優，加之作為氨堿法制堿工業副產品，堿渣具有成本低廉優勢。因此，堿渣改良酸性煙田經濟效益最高，更有助于煙農實現增產增收。

表5 不同酸性土壤改良劑對煙葉化學成分及指標評分的影響

表6 不同酸性土壤改良劑對烤煙產量與經濟效益的影響

3 討論與結論

近年來，酸沉降、過量氮肥施用以及烤煙收獲，使得長期植煙土壤呈現明顯酸化趨勢[2]。施用堿性改良劑是改良酸性煙田、提高烤煙產量與品質、助力煙農增產增收的重要措施[26]。堿渣作為一類新型酸性土壤改良劑，已有研究將其應用于農田、茶園、林地的酸性土壤改良，并取得顯著成效[10-11，27]。本研究率先將堿渣應用于酸性煙田改良，改良效果和增產增收效益顯著。

土壤可溶性Al和交換性Al是酸性土壤抑制煙草生長的關鍵限制因素[28]。研究表明，適宜優質烤煙生長的土壤pH為5.5 ～ 6.5[1]，此時土壤交換性Al和可溶性Al含量極低，對烤煙根系生長影響較小。本研究中，單位施用量的堿渣與石灰對土壤酸度的改良效果相當。施用3 750 kg/hm2的堿渣可使土壤pH升至5.28，交換性Al3+降至1.0 mmol/kg，可溶性單核Al濃度低于3 μmol/L，此時土壤活性Al對烤煙生長的限制作用較弱[28]。施用1 500 kg/hm2的石灰和牡蠣粉的酸性煙田土壤pH在5.0左右，交換性Al3+含量可達8.0 mmol/kg，存在限制烤煙生長的可能[28]，因此，需進一步提高石灰和牡蠣粉的施用量。

相較于石灰和牡蠣粉，堿渣能夠同時提高土壤交換性Ca2+、Mg2+含量以及ECEC，起到平衡養分和提升土壤保肥能力的作用。牡蠣粉和生石灰則僅能提高土壤交換性Ca2+含量，長期施用極易引起土壤鹽基陽離子養分的失衡，導致土壤地力下降[29]。值得注意的是，堿渣處理土壤中交換性Na+呈增加趨勢，而K+有所降低。這可能對煙草生長過程中的營養狀況產生不利影響。因此，在施用堿渣改良酸性煙田時需注意控制其Na+含量，同時注意鉀肥的補充。

隨著土壤性質的改善，3種改良劑均一定程度上促進了烤煙的生長，提升了煙葉產量和內在品質。堿渣對烤煙的增產效果最佳，牡蠣粉則更有利于烤煙品質的提升。3種改良劑處理煙葉中煙堿、總氮、總鉀含量均呈下降趨勢。牡蠣粉和石灰處理中還原糖、總糖以及總氯含量同樣明顯降低。這可能與土壤pH的提升有關。已有研究表明，在酸性pH范圍內，煙葉中煙堿、總氮、總鉀含量均與土壤pH呈負效應關系[30]。潘金華等[31]在對皖南旱坡地紅壤煙田的改良研究中得到相似結果。與石灰和牡蠣粉處理相反，堿渣增加了煙葉中還原糖和總糖含量，說明堿渣相較于牡蠣粉和石灰對煙草碳代謝途徑可能存在不同影響[32]，該影響機制有待從生理角度進一步探明。煙草對氯敏感，堿渣中氯含量較高，導致煙葉總氯含量大幅增加。研究表明，適量施用氯肥，能夠促進煙株生長，增強抗逆能力，改善煙葉產量和品質[33]。但氯過量會嚴重影響烤煙的品質甚至導致煙葉氯中毒。因此，在實際應用堿渣改良酸性煙田土壤時，需嚴格控制堿渣氯含量，避免影響烤煙生長與品質。綜合考慮經濟效益，堿渣成本低廉，凈增收益遠高于牡蠣粉和石灰，具有較為廣泛的應用前景，但在改良酸性煙田過程中需注意控制其鈉和氯的含量，同時增加鉀肥用量。

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Effects of Different Amendments on Soil Acidity and Tobacco Growth in Acidic Tobacco Field

YAN Jing1, SHI Renyong1*, WANG Changjun2, LI Decheng1, LI Jiuyu1, XU Renkou1, SUN Guangwei2, LI Jianping2, CHEN Zhenguo2, SUN Jingguo2*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 Hubei Academy of Tobacco Science, Wuhan 430030, China)

In this paper, the effects of alkaline slag, oyster powder and lime on acid tobacco soil acidity, flue-cured tobacco yield and quality were investigated through field experiments. The results show that all amendments effectively promote soil pH, reduce the contents of exchangeable acidity and soluble Al, and increase soil exchangeable base cations. Alkaline slag has the best effect on soil acidity, which increases soil pH by 0.38 units, decreases exchangeable acid and soluble Al by 90.9% and 39.8%, and increases exchangeable Ca2+and Mg2+by 72.8% and 91.9%, respectively. With the improvement of soil properties, all three amendments promote the growth of flue-cured tobacco, and increase the yield and intrinsic quality of tobacco leaves. With the application of amendments, the yield of tobacco leaves is increased by 6.0%–9.5%, the proportion of top-grade tobacco leaves is increased by 4.0%–16.9%, the output value is increased by 11.7%–19.5%, and the net increase income is increased by 4 593.00– 9 270.30 yuan/hm2. Alkaline slag presents the greatest improvement on tobacco yield and income, which is consistent with its effect on soil acidity. In addition, the application of amendments optimizes the chemical composition of flue-cured tobacco leaves, and among all the treatments, tobacco leaves treated with oyster powder has the best inherent quality. In conclusion, the use of alkaline slag to improve acid tobacco field presents a broad application prospect, however, more attentions should be paid to controlling Na and Cl contents in alkaline slag in practical application.

Acid tobacco field; Alkaline slag; Oyster powder; Lime; Soil acidity; Tobacco

S156.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.03.019

閆靜, 時仁勇, 王昌軍, 等. 不同改良劑對酸性煙田的改良效果及其對烤煙生長的影響. 土壤, 2023, 55(3): 612–618.

中國煙草總公司重點科技項目(110201902005)、江蘇省自然科學基金項目(BK20191103)和國家自然科學基金項目(41907019)資助。

(ryshi@issas.ac.cn；sunjg596@hotmail.com)

閆靜(1989—)，女，山西晉中人，碩士研究生，主要從事土壤酸化與調控研究。E-mail: 406251260@qq.com