胡瑞文，劉勇軍，荊永鋒，周清明，劉智炫，黎 娟*，邵 巖，劉 卉

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南長沙410128；2.湖南省煙草科學(xué)研究所，湖南長沙410000；3.湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖南長沙410000)

生物炭是生物質(zhì)在厭氧條件下高溫裂解后生成的富含孔隙、具有芳香烴結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，由于其材料來源廣泛，又具有多孔性和高比表面積的特征，對(duì)環(huán)境的污染較小[1-3]，能有效降低土壤重金屬含量[4]，是當(dāng)今農(nóng)業(yè)和能源等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。有研究[5-6]表明，施用生物炭對(duì)烤煙生長過程中的株高、莖圍、有效葉片數(shù)等均有影響且高于未施用生物炭的處理，土壤中增施生物炭后提高了烤后煙葉的總產(chǎn)量以及上、中等煙葉的產(chǎn)出率，且能調(diào)節(jié)煙葉內(nèi)在化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性，改善煙葉品質(zhì)。

土壤深翻耕技術(shù)與秸稈還田結(jié)合，是一種有效的土壤肥沃耕層構(gòu)建模式[7]，而目前把此類耕層構(gòu)建模式利用到烤煙生產(chǎn)上，且關(guān)注其對(duì)植煙土壤微生態(tài)環(huán)境和烤煙生長的動(dòng)態(tài)影響的報(bào)道較少。本研究用生物炭作為秸稈還田的原料，研究在深耕條件下，施用生物炭對(duì)烤煙根系活力、葉片SPAD值及土壤微生物數(shù)量的動(dòng)態(tài)影響，旨在探討深耕條件下有利于湘西自治州土壤微生態(tài)環(huán)境和烤煙生長的施炭量，以期為生物炭在湘西州優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年4—9月在湖南省湘西州鳳凰縣千工坪鄉(xiāng)進(jìn)行，位于東經(jīng)109°29′58″、北緯28°1′26″，該地區(qū)屬于“喀斯特”地貌，海拔420 m，氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候。試驗(yàn)地肥力情況為：堿解氮含量59.50 mg/kg、有效磷含量32.16 mg/kg、速效鉀含量253.88 mg/kg，pH 6.50。

1.2 供試材料

供試生物炭為稻殼生物炭，由湖南正恒農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司提供，養(yǎng)分含量如下：堿解氮含量25.67 mg/kg、速效磷含量0.459 g/kg、速效鉀含量3.71 g/kg、pH 9.44。

試驗(yàn)品種為云煙87。供試基肥、追肥和提苗肥等肥料由湖南金葉眾望科技股份有限公司提供。

表1 試驗(yàn)處理及生物炭用量

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)田深耕深度均為30 cm，生物炭用量設(shè)計(jì)3個(gè)處理和1個(gè)對(duì)照(表1)，每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)12個(gè)小區(qū)，種植密度行株距為1.1 m×0.55 m，每小區(qū)種植50株，試驗(yàn)小區(qū)四周設(shè)置保護(hù)行。試驗(yàn)施氮量為112.50 kg/hm2，其中氮磷鉀肥施用比為m(N) ∶m(P2O5) ∶m(K2O)=1 ∶ 1.18 ∶ 2.85，施肥方式為條施。試驗(yàn)于2016年4月12日施生物炭，生物炭施用方法：在整地前、試驗(yàn)小區(qū)劃分好后，按照各處理生物炭用量將生物炭均勻撒施在供試小區(qū)地表，旋耕深翻30 cm，使其與土壤充分混合。4月28日移栽。各處理除生物炭施用量外，其它措施均一致。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

土壤及煙株樣品采集：于團(tuán)棵期(移栽后30 d)、旺長期(移栽后60 d)、成熟期(移栽后90 d)按五點(diǎn)取樣法選取煙株，采用抖根法[8]采集根際土樣，去除土樣中的雜物、細(xì)根后混勻放入自封袋中，用冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室，放入4 ℃冰箱保存，用于土壤微生物數(shù)量的測定。采集土樣后，將選取的煙株根系洗凈，用于烤煙根系活力的測定。

1.4.1 烤煙根系活力的測定 采用TTC法[9]測定烤煙根系活力，四氮唑還原強(qiáng)度(μg·g-1·h-1)=四氮唑還原量(μg)/[根質(zhì)量(g)×?xí)r間(h)]。

1.4.2 烤煙葉片SPAD值的測定 于移栽后30 d選取煙葉中部煙葉，移栽后60 d選取下部葉、中部葉和上部葉，移栽后90 d選取上部葉和中部葉進(jìn)行測定，使用儀器為便攜式葉綠素測定儀SPAD-502，測量每片煙葉時(shí)分別對(duì)葉基部、葉中部和葉尖進(jìn)行讀數(shù)，取平均值。

1.4.3 土壤微生物數(shù)量的測定 參考文獻(xiàn)[10]稱取10 g土壤加入到裝有90 mL無菌水的三角瓶中，放入搖床中，28 ℃、200 r/min震蕩30 min，充分懸浮，靜置半小時(shí)后，取上清液稀釋后得到10-1～10-6的懸浮液，取100 μL稀釋懸浮液均勻涂抹于LB培養(yǎng)基、馬丁孟加拉紅-鏈霉素培養(yǎng)基、高氏1號(hào)培養(yǎng)基上，平行3次，轉(zhuǎn)入28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)(細(xì)菌2～3 d、真菌3～5 d、放線菌5～7 d)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用Excel和SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與作圖，方差分析采用鄧肯新復(fù)極差法，文中表和圖小寫字母表示在0.05水平呈顯著差異，大寫字母表示在0.01水平呈顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)烤煙根系活力的動(dòng)態(tài)影響

由圖1可知，團(tuán)棵期各處理烤煙根系活力差異不顯著，旺長期和成熟期各處理烤煙根系活力呈顯著差異(P<0.05)。團(tuán)棵期各處理烤煙根系活力均值在163.94～178.86 μg/(g·h)，其中以T3處理最高，CK最低，各處理從高到低依次為：T3、T2、T1和CK。旺長期各處理烤煙根系活力均值在190.63～215.45 μg/(g·h)，其中以T2處理最高，CK最低，各處理從高到低依次為：T2、T3、T1和CK。T2、T3和T1處理的根系活力比CK分別增加了13.02%(P<0.05)、4.62%和2.77%。成熟期各處理烤煙根系活力均值在112.77～133.69 μg/(g·h)，其中以T2處理最高，T3處理最低，各處理從高到低依次為：T2、T1、CK和T3。T2和T1處理的根系活力比CK分別增加了13.78%(P<0.05)和11.39%。表明施加生物炭在成熟期能夠在一定范圍顯著提高烤煙的根系活力，但是施用過多(T3)會(huì)導(dǎo)致烤煙根系活力下降，以施用生物炭3 750 kg/hm2(T2)較適宜。

圖1 生物炭用量對(duì)烤煙不同生育期根系活力的影響Fig.1 Effect of biological carbon content on root vigor of flue-cured tobacco at different growth stages

2.2 生物炭對(duì)烤煙葉片SPAD值的動(dòng)態(tài)影響

由表2可知，不同時(shí)期烤煙葉片SPAD值存在顯著差異。從團(tuán)棵期來看，各處理中部葉葉片SPAD值以CK最高，以T1最低，且CK處理顯著高于T1處理，各處理從高到低依次表現(xiàn)為：CK、T2、T3和T1。

從旺長期來看，各處理不同部位的葉片SPAD值由大到小依次為上部葉、中部葉和下部葉。上部葉各處理葉片SPAD值以T2處理最高，以CK最低，從高到低依次為：T2、T1、T3和CK，其中T2處理比CK顯著提高了14.65%。中部葉各處理葉片SPAD值從高到低依次為T2、T1、CK和T3，其中T2和T1處理的葉片SPAD值比T3處理顯著提高了10.32%和9.98%。下部葉各處理葉片SPAD值以T3處理最高，以CK最低，從高到低依次為T3、T1、T2和CK，其中T3、T1和T2處理的葉片SPAD值比CK分別提高了11.11%、2.75%和2.70%。

從成熟期來看，各處理不同部位的葉片SPAD值表現(xiàn)為上部葉>中部葉。上部葉各處理葉片SPAD值以T2處理最高，以T3處理最低，從高到低依次為：T2、T1、CK和T3，其中T2和T1處理的葉片SPAD值比CK顯著提高了14.41%和13.19%。中部葉各處理葉片SPAD值以T1處理最高，以T3處理最低，從高到低依次為T1、T2、CK和T3，其中T1和T2處理的葉片SPAD值比CK顯著提高了26.88%和24.12%。

表2 生物炭還田用量對(duì)烤煙不同生育期葉片SPAD值的影響

2.3 生物炭對(duì)土壤微生物數(shù)量的動(dòng)態(tài)影響

由表3可知不同生育期各處理土壤細(xì)菌和真菌數(shù)量呈顯著差異但放線菌差異不顯著。

從團(tuán)棵期來看，各處理的土壤細(xì)菌數(shù)量呈現(xiàn)顯著差異，其中以T2處理細(xì)菌數(shù)量最高，T3處理的最低，各處理從高到低依次排列為：T2、T1、CK和T3。T2處理的細(xì)菌數(shù)量比CK顯著增加了71.59×105CFU/g(P<0.05)。各處理真菌數(shù)量呈極顯著差異，其中以T2處理真菌數(shù)量最高，以T3處理的最低，各處理從高到低依次排列為：T2、T1、CK和T3。T2處理的真菌數(shù)量比T1、CK和T3顯著(P<0.01)增加了2.41×102CFU/g、3.69×102CFU/g、3.74×102CFU/g。各處理的放線菌數(shù)量差異不顯著，其中以T1處理的放線菌含量最高，以CK的放線菌含量最低，各處理從高到低依次排列為：T1、T2、T3和CK。

表3 不同處理烤煙根際土壤微生物數(shù)量的變化

從旺長期來看，各處理的土壤細(xì)菌數(shù)量呈極顯著差異，其中以T2處理細(xì)菌數(shù)量最高，以CK的最低，各處理從高到低依次排列為：T2、T1、T3、CK。T2處理的細(xì)菌數(shù)量比T1、T3和CK顯著增加了58.44×105CFU/g(P<0.01)、72.40×105CFU/g(P<0.01)、76.83×105CFU/g(P<0.01)。各處理真菌數(shù)量呈顯著差異，其中以CK真菌數(shù)量最高，以T2處理的最低，各處理從高到低依次排列為：CK、T3、T1、T2。CK的真菌數(shù)量比T2、T1和T3增加了25.77×102CFU/g(P<0.05)、22.12×102CFU/g(P<0.05)、14.00×102CFU/g(P>0.05)。各處理的放線菌數(shù)量差異不顯著，其中以T2處理的放線菌數(shù)量最高，以T3處理的最低，各處理從高到低依次排列為：T2、T1=CK、T3。T2處理的放線菌數(shù)量比CK和T3處理分別增加了0.41×104CFU/g和1.25×104CFU/g。

從成熟期來看，各處理的土壤細(xì)菌數(shù)量呈極顯著差異，其中以T1處理細(xì)菌數(shù)量最高，以T2處理的最低，各處理從高到低依次排列為：T1、T3、CK、T2。T1處理的細(xì)菌數(shù)量比T2、CK和T3處理顯著增加了51.19×105CFU/g(P<0.01)、36.51×105CFU/g(P<0.01)、33.73×105CFU/g(P<0.01)。各處理真菌數(shù)量呈極顯著差異，其中以T1處理真菌數(shù)量最高，以T3處理的最低，各處理從高到低依次排列為：T1、T2、CK、T3。T1處理的真菌數(shù)量比T3、CK和T2處理增加了115.87×102CFU/g(P<0.01)、110.71×102CFU/g(P<0.01)、64.29×102CFU/g(P>0.01)。各處理的放線菌數(shù)量差異不顯著，其中以CK的放線菌數(shù)量最高，以T3處理的放線菌數(shù)量最低，各處理從高到低依次排列為：CK、T2、T1、T3。

2.4 根系活力與微生物數(shù)量的相關(guān)分析

烤煙3個(gè)生育期的根系活力與微生物數(shù)量的相關(guān)分析表明(表4)，在旺長期烤煙根系活力與土壤細(xì)菌數(shù)量存在極顯著正相關(guān)，而其它時(shí)期無顯著相關(guān)。根系活力與土壤真菌和放線菌數(shù)量在3個(gè)生育期均無顯著相關(guān)。

表4 不同生育期根系活力與微生物數(shù)量的相關(guān)分析

* *表示在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

* *Indicates a significant correlation at 0.01 levels (bilateral)

3 討論與結(jié)論

根系活力既可以作為煙株生命活動(dòng)的重要指標(biāo)，還可以作為脅迫環(huán)境下煙株生育和吸收養(yǎng)分的障礙因素指標(biāo)[11-12]。尤方芳等[13]研究表明生物炭與肥料配施后，烤煙根系活力得到提高，煙葉的生物量有顯著提高，緩解了煙株所受的環(huán)境脅迫，促進(jìn)了煙株的生長。本研究與前者研究有相似之處，在團(tuán)棵期生物炭對(duì)烤煙根系活力無顯著影響，在旺長期和成熟期T2處理的根系活力顯著高于CK，說明生物炭能促進(jìn)烤煙根系的生長。但不同之處在于成熟期時(shí)，T3處理根系活力略低于對(duì)照，但差異不顯著，說明生物炭施用過多會(huì)抑制烤煙根系的生長，可能是由于當(dāng)生物炭施用量過高時(shí)，生物炭中含有的重金屬及多環(huán)芳烴等有毒物質(zhì)對(duì)部分土壤微生物的生長存在抑制作用[14-15]，從而影響了根系生長的微生物環(huán)境，干擾了烤煙根系的正常生長。

葉綠素是光合作用的重要色素，且其含量和降解產(chǎn)物的積累量與煙葉的外觀質(zhì)量和內(nèi)在品質(zhì)密切相關(guān)[16-17]。而SPAD值是葉綠素的相對(duì)含量。有研究表明[18-19]施用適量生物炭后,可提高煙株生長中、后期葉綠素含量,促進(jìn)煙葉的光合作用，延長煙株成熟期,促進(jìn)煙葉適時(shí)落黃。本研究結(jié)果與之相似，施用生物炭的處理在團(tuán)棵期時(shí)烤煙葉片SPAD值均低于CK，可能是因?yàn)槭┯蒙锾亢?，在烤煙生長前期土壤養(yǎng)分失調(diào)，速效氮供應(yīng)不足導(dǎo)致烤煙苗期生長受到抑制。旺長期和成熟期時(shí)烤煙葉片SPAD值均高于CK，且在旺長期上部葉和中部葉以T2處理最高，下部葉以T3處理最高；成熟期上部葉以T2處理最高，中部葉以T1處理最高。

土壤微生物在有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化[20]、土壤團(tuán)聚體的形成[21]、殘留物的降解和營養(yǎng)物質(zhì)的礦化[22]等生物化學(xué)過程起著重要的作用。土壤中細(xì)菌數(shù)量的增加有利于土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，能為植物的生長提供良好的環(huán)境，而土壤中放線菌數(shù)量的增加不僅能促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化，還能產(chǎn)生抗生素，對(duì)植物的土傳病原菌起到一定的拮抗作用[23]。谷思玉等[24]研究表明，施入一定量的生物炭可以顯著增加大豆根際土壤中細(xì)菌的數(shù)量,放線菌和真菌的數(shù)量也有所增加。這與本研究結(jié)果一致。在本研究結(jié)果中，團(tuán)棵期和旺長期T2處理土壤細(xì)菌數(shù)量顯著高于CK，成熟期T1處理土壤細(xì)菌數(shù)量顯著高于CK；而在土壤真菌數(shù)量上，團(tuán)棵期T2處理、成熟期T1和T2處理均顯著高于CK，但在旺長期施用生物炭的處理土壤真菌數(shù)量均低于CK，可能是由于生物炭的抑制作用[25]或是土壤的稀釋作用造成的，其中具體的原因還有待進(jìn)一步研究。對(duì)于土壤放線菌各個(gè)處理在各生育期無顯著差異，但呈現(xiàn)一定的規(guī)律，都是隨著生育期的延長呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。生物炭的施用能增加土壤微生物數(shù)量的原因可能是生物炭具有多孔性及高芳香烴結(jié)構(gòu)，能成為土壤微生物的棲息場所,給土壤微生物生長提供所需養(yǎng)分。

本文將3個(gè)不同生育期的烤煙根系活力與微生物數(shù)量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明只有在旺長期烤煙根系活力與細(xì)菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)，而與真菌數(shù)量和放線菌數(shù)量無顯著相關(guān)。其原因可能是施用生物炭能改變土壤細(xì)菌的Alpha多樣性，而對(duì)真菌的Alpha多樣性影響不大[26]，而在土壤細(xì)菌中某些根際優(yōu)勢細(xì)菌能提高植株的根系活力[27]。在煙葉生產(chǎn)中，可在旺長期對(duì)烤煙根系施加某些功能性菌肥，以促進(jìn)烤煙的生長發(fā)育。

在深耕條件下施用生物炭能促進(jìn)烤煙根系的生長，旺長期和成熟期以T2處理根系活力最大，且顯著高于CK；施用生物炭在烤煙旺長期和成熟期能提高葉片SPAD值，進(jìn)而促進(jìn)了煙葉的光合作用；施用生物炭能增加土壤微生物數(shù)量，其中T2處理在團(tuán)棵期和旺長期土壤細(xì)菌數(shù)量、團(tuán)棵期和成熟期土壤真菌數(shù)量均顯著高于CK。綜合來看，3 750 kg/hm2用量(T2)的生物炭施用效果最好。