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(yè)有限責(zé)任公司，鄭州 450000）

烤煙是我國重要的經(jīng)濟作物之一，由于不斷連作以及化學(xué)肥料的持續(xù)輸用，隨之而來的土壤酸化板結(jié)、有機質(zhì)含量降低、營養(yǎng)元素比例失調(diào)、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(zhì)量整體表現(xiàn)為營養(yǎng)不良，香氣量不足，品質(zhì)較差[4-5]。如何改良并提高土壤質(zhì)量已成為我國烤煙種植生產(chǎn)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(xué)特性等途徑增加土壤養(yǎng)分、提高土壤質(zhì)量[6-7]。聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）是一種線型高分子聚合物，化學(xué)式為(C3H5NO)n，由于其結(jié)構(gòu)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(xué)活性，近年來在土壤改良上得到了廣泛的應(yīng)用[8]。研究表明，土壤中施用PAM能明顯改善土壤結(jié)構(gòu)特征、提高土壤有機質(zhì)和水分含量[9]。Han等[10]研究發(fā)現(xiàn)，添加PAM后土壤中可培養(yǎng)的異養(yǎng)細菌數(shù)量顯著增加。生物炭是將有機物質(zhì)在無氧條件下進行氣化、熱解和水熱碳化等熱化學(xué)處理產(chǎn)生的一種高碳含量物質(zhì)[11]，對改善土壤質(zhì)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(yǎng)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(zhì)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(fā)現(xiàn)，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(yǎng)元素含量，從而顯著改善土壤質(zhì)量[15]。高碳基有機肥施用可能改善了土壤微生物的棲息環(huán)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(qū)是歷史悠久的典型濃香型烤煙種植地區(qū)，土壤質(zhì)量退化成為限制其發(fā)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(yīng)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(yǎng)分和烤后煙葉內(nèi)在品質(zhì)的影響，旨在探索并篩選適于提高許昌煙區(qū)土壤質(zhì)量和改善煙葉內(nèi)在品質(zhì)的土壤改良劑，以期為植煙土壤改良和煙葉品質(zhì)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(zhèn)試驗田進行。試驗田已連續(xù)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(chǔ)理化性質(zhì)見表1。供試烤煙品種為當?shù)刂髟钥緹熎贩N‘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(nóng)業(yè)科技有限公司。生物炭為小麥秸稈在低氧條件下經(jīng)500°C碳化而成，由河南農(nóng)業(yè)大學(xué)提供，理化性質(zhì)如表1所示。高碳基有機肥購自河南惠農(nóng)土質(zhì)保育研發(fā)有限公司，總養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）≥5%、有機質(zhì)（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(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil and biochar used in the experiment

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)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(fù)3次，共12個小區(qū)，每小區(qū)面積約0.067 hm2，不同小區(qū)隨機排列。

根據(jù)前期的試驗結(jié)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(fù)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(fù)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(chǎn)管理措施參照《襄城縣優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)管理技術(shù)規(guī)程》進行。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 煙株農(nóng)藝性狀測定成熟期選取各小區(qū)具有代表性的煙株，根據(jù)YC/T 142—2010《煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查測量方法》[17]，測定烤煙株高、莖圍、節(jié)距、有效葉數(shù)和最大葉面積等農(nóng)藝性狀指標。

1.3.2 土壤養(yǎng)分和微生物測定煙葉采收后，每個試驗小區(qū)內(nèi)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(shù)量，剩余土壤于陰涼處風(fēng)干后過2 mm網(wǎng)篩，用于土壤理化性質(zhì)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(dǎo)儀測定土壤電導(dǎo)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(shù)量，其中細菌培養(yǎng)采用營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基；真菌培養(yǎng)采用改良馬丁培養(yǎng)基。

1.3.3 烤后煙葉指標測定各小區(qū)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(zhì)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?；瘜W(xué)成分協(xié)調(diào)性指標計算公式如下。

1.3.4 烤煙經(jīng)濟性狀測定 采烤結(jié)束后，對每小區(qū)煙葉進行分級，依據(jù)當?shù)責(zé)熑~收購價格計算烤煙產(chǎn)量、產(chǎn)值、上等煙比例、中上等煙比例和均價等經(jīng)濟性狀指標。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用SPSS 21.0進行差異顯著性分析，采用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下煙株農(nóng)藝性狀分析

如表2所示，與對照處理相比，T1處理下煙株節(jié)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(jié)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(shù)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(jié)距和有效葉數(shù)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(nóng)藝性狀Table 2 Agronomic characteristics of tobacco plants under different treatments

2.2 不同處理下的土壤養(yǎng)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(dǎo)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(dǎo)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(yǎng)分Fig.1 Soil nutrients under different treatments

2.3 不同處理下土壤微生物數(shù)量分析

如圖2所示，與CK相比，T3處理土壤細菌數(shù)量顯著提高了10.44%，T2和T3處理土壤真菌數(shù)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(shù)量上差異不顯著；T2和T3處理土壤真菌數(shù)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(shù)量Fig.2 Number of soil microorganisms under different treatments

2.4 不同處理下煙葉化學(xué)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(xué)成分Table 3 Chemical composition of tobacco leaves under different treatments

在煙葉化學(xué)協(xié)調(diào)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(jīng)濟性狀分析

如表4所示，與CK相比，T1處理烤煙產(chǎn)量和產(chǎn)值分別顯著提高了10.63%和11.91%；T2處理下烤煙產(chǎn)量、產(chǎn)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(chǎn)量、產(chǎn)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(chǎn)量和產(chǎn)值較T1和T2處理均有顯著提高，產(chǎn)量增幅分別達14.29%和7.01%，產(chǎn)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(jīng)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(nóng)藝性狀的影響

烤煙農(nóng)藝性狀指標能直觀反映煙株生長發(fā)育狀況，也與烤煙產(chǎn)質(zhì)量的形成有密切關(guān)系。本研究中，高碳基有機肥處理下烤煙株高、莖圍、節(jié)距和最大葉面積等農(nóng)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?？緹熓且允斋@葉片為主的經(jīng)濟作物，最大葉面積指標顯著提升對提高烤煙產(chǎn)量和經(jīng)濟效益有重要意義。施用高碳基有機肥處理下，烤煙農(nóng)藝性狀指標得到較大幅度的提升，可能與土壤理化性質(zhì)和微生態(tài)環(huán)境的改善有關(guān)[21]。

3.2 不同處理對土壤養(yǎng)分及微生物數(shù)量的影響

持續(xù)耕作條件下，造成植煙土壤酸化板結(jié)、土壤水肥供應(yīng)能力下降，影響烤煙正常生長發(fā)育的營養(yǎng)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(dǎo)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(yǎng)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(xué)肥料養(yǎng)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(zhì)肥、腐殖酸和微量元素等成分對土壤速效養(yǎng)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(zhì)，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(yīng)提高了土壤pH[24]。高碳基有機肥處理下土壤電導(dǎo)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(xué)肥的混合施用有效提高了土壤電導(dǎo)率[25]。

土壤細菌和真菌等微生物對維持土壤微生態(tài)環(huán)境起著關(guān)鍵作用，是評價土壤質(zhì)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(shù)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(shù)量較PAM處理有顯著降低。土壤微生物是土壤有機碳和養(yǎng)分循環(huán)中必不可少的調(diào)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(shù)量，這與前人的研究結(jié)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(shù)量有降低趨勢。有研究認為，土壤真菌數(shù)量會隨著pH的升高而減少[27]。張國棟等[28]研究發(fā)現(xiàn)，連作土壤中添加生物炭及有機肥，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)逐漸從“真菌型”向適宜作物生長的“細菌型”轉(zhuǎn)化，可能是土壤中的病原菌失去了寄主或改變了其生活環(huán)境，影響土壤微生物的生長、發(fā)育和代謝，改變了原有的微生物體系結(jié)構(gòu)。而且有研究指出，細菌是土壤養(yǎng)分循環(huán)途徑中的重要介質(zhì)，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(xiàn)了土壤微生物群落區(qū)系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[29]。

3.3 不同處理對烤煙品質(zhì)的影響

煙葉化學(xué)成分以及協(xié)調(diào)性是影響煙葉內(nèi)在品質(zhì)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(xué)成分差異不顯著。研究表明，烤后煙葉品質(zhì)的形成與碳素的供應(yīng)水平有很大關(guān)系[30]。生物炭及高碳基有機肥本身含碳量較高，在調(diào)節(jié)植煙土壤碳氮比及改善土壤養(yǎng)分協(xié)調(diào)供應(yīng)上有重要意義，從而在煙葉品質(zhì)上表現(xiàn)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(guān)，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(xié)調(diào)，是困擾河南煙區(qū)煙葉品質(zhì)提升的主要問題之一。從本試驗的研究結(jié)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(zhì)有重要意義。

3.4 不同處理對烤煙經(jīng)濟性狀的影響

本試驗中，高碳基有機肥處理下烤煙經(jīng)濟性狀指標均顯著高于對照，烤煙產(chǎn)量和產(chǎn)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(jīng)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(guān)[32]，施用土壤改良劑處理下植煙土壤理化性質(zhì)得到有效改善，為烤煙生長發(fā)育提供了良好的養(yǎng)分和土壤環(huán)境，是烤后煙葉產(chǎn)量和經(jīng)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(chǎn)量和產(chǎn)值，說明在實際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用高碳基有機肥改良植煙土壤有重要的現(xiàn)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(zhì)和微生態(tài)環(huán)境，從而促進煙株生長發(fā)育，進而改善煙葉化學(xué)品質(zhì)，提高經(jīng)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(nèi)在品質(zhì)和經(jīng)濟性狀效果更好。