石灰、绿肥和生物有机肥协同改良酸性土壤并提高烟草生产效益

邓小华，黄 杰，杨丽丽，陈 金，李源环，田明慧，周米良，田 峰，张明发

（1 湖南农业大学农学院，长沙 410128；2 湖南省烟草公司湘西州公司，湖南吉首 416000）

优质烤烟生产的适宜土壤pH为5.5～7.0[1-2]，但长期大量施用化肥和连作导致植烟土壤酸化加剧[3-4]，引起土壤理化性质恶化[5-6]、铝离子和重金属活度提高[6-7]、土壤微生物活性降低[8]等问题，影响烤烟生长发育和对养分的吸收[7,9]，致使烟叶产量[10]和品质下降[11-12]，已成为制约烤烟生产的障碍之一。酸性土壤改良研究多集中于单一改良物的研究，胡敏等[13]研究认为，在酸性土壤上施用生石灰能明显中和土壤酸性，显著促进大麦幼苗生长；姜超强等[7]、陈世军等[9]、于宁等[14]研究认为，石灰是烟区酸性改良土壤，提高烟叶产量、质量和安全性的有效技术措施。多物料组合能表现出良好的互补性，提高酸性土壤改良效果，朱经文等[11]采用化肥、石灰、腐殖酸钾配施缓解土壤酸害，促进烤烟的养分吸收，提高烟叶品质；朱克亚等[12]研究表明，用农林废弃物制成的改良剂明显改善了烟田土壤物理性状；邢世和等[10]采用“石灰+菌棒+常规化肥”组合改良酸性土壤，取得了良好效果。以单一石灰为主的酸性土壤改良技术，较难保证改良效果的稳定持续性，如果长期施用，还会引起土壤泛酸化[3,13]；种植绿肥还田可提高土壤有机质和缓冲能力，有利于阻控土壤酸化[15-16]；施用生物有机肥可提高土壤有益微生物量和生物多样性[17-18]。如何将三者结合，改良酸性土壤的报道较少。鉴于此，本研究以烤烟作为研究对象，以石灰作为酸性土壤改良基础物质，配施绿肥和生物有机肥，探索改良酸性土壤的途径，为酸性土壤可持续改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017～2018年在湖南省湘西州花垣县(28°31′35″N，109°27′4″E)进行。该地平均海拔 530 m，年平均气温15.0℃，年降雨量1364 mm，无霜期279 d，全年日照时数1219 h，属亚热带季风山地湿润气候区。烤烟品种为云烟87；绿肥品种为箭筈豌豆[19]；石灰为当地市售；生物有机肥的m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)= 2.0∶2.0∶4.0，有效活菌数 ≥ 0.5 亿/g，有机质 ≥ 60%。试验区土壤类型为黄红壤，土壤容重、孔隙度分别为1.23 g/cm3、53.6%，土壤pH为5.07，土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为20.4 g/kg、75.7 mg/kg、6.74 mg/kg、123 mg/kg，土壤水解性酸、交换性酸、交换性氢、交换性铝分别为3.32 cmol/kg、8.15 cmol/kg、3.51 cmol/kg、4.64 cmol/kg，土壤交换性盐基总量、阳离子交换量、盐基饱和度分别为3.52 cmol/kg、7.06 cmol/kg、49.9%。

1.2 试验设计

试验选用石灰、绿肥、生物有机肥构成不同的改土物料组合。设4个处理，石灰(L)、石灰+绿肥(LG)、石灰+绿肥+生物有机肥(LGB)、不施石灰、绿肥、生物有机肥(CK)。3次重复，小区面积33 m2，随机区组排列。绿肥用量为7500 kg/hm2，于移栽前10～15 d(4月中旬)压埋入土。石灰施用量为2250 kg/hm2，于整地起垄前(4月底)按用量均匀撒施，翻压混匀。生物有机肥用量为450 kg/hm2，于起垄前(4月底)条施。烤烟施氮量109.5 kg/hm2，m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)= 1∶1.27∶2.73，各处理氮磷钾施肥量保持一致；其中LG、LGB处理添加的绿肥、生物有机肥养分量通过减少基肥中复合肥施用量进行调节。其他栽培管理措施参照湘西优质烤烟生产技术规程。

1.3 检测指标及方法

1.3.1 土壤理化性状检测 于每年烤烟终采期(8月下旬)，采用5点取样方法，在两烟株的垄中间采集0—20 cm耕层土壤，制成混合土样。土壤容重和孔隙度采用环刀法[20]；土壤有机质采用重铬酸钾容量法[20]；碱解氮采用碱解扩散法[20]；有效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法[20]；速效钾采用醋酸铵浸提—火焰光度法[20]。采用电位法测定土壤pH(水土比为1∶1)[20]；采用NaAC浸提—NaOH 滴定法测定水解性酸[20]；采用氯化钾交换—中和滴定法测定交换性酸、交换性氢、交换性铝[20]；醋酸铵法测定土壤阳离子交换量、交换性盐基总量，并计算盐基饱和度[20]。

1.3.2 烤烟农艺性状调查 每个小区定5株烟进行观察，于移栽后30 d(5月底)、60 d(6月底)，按照标准《烟草农艺性状调查测量方法》(YC/L42-2010)测定株高、茎围、节距、叶片数、最大叶长与叶宽等。最大叶面积=叶长 × 叶宽 × 0.6345。

1.3.3 烤烟经济性状考查 每个处理单采、单烤，分级后考查上等烟比例、中等烟比例、产量、产值等烟叶经济性状。

1.3.4 烟叶物理特性评价 按照《烤烟》(GB 2635—1992)标准选取各处理小区的上部和中部烟叶具有代表性的B2F、C3F等级，测定物理特性指标。为更加方便比较不同处理的烟叶物理性状综合效果，对C3F、B2F等级的物理性状指标采用加权指数和法构建烟叶物理特性指数(physical properties index，简称PPI)[21]，其值越大，物理性状综合表现越好。

一是采用效果测度模型将烤烟物理特性指标数值转换为0～1标准化数值，对开片度采用上限效果测度模型含梗率采用下限效果测度模型单叶重、叶片厚度、叶质重、平衡含水率采用适中效果测度模型式中为局势的实际效果，为所有局势效果的最大值，为所有局势效果的最小值，为局势效果指定的适中值(本例中单叶重为9 g、叶片厚度为100 μm、叶质重为90 g/m2、平衡含水率为15%)。

二是采用主成分分析方法[22]计算开片率、含梗率、平衡含水率、叶片厚度、单叶重、叶质重等物理特性评价指标的权重，其值分别为：16.42%、21.80%、12.84%、19.06%、10.55%、19.33%。

1.3.5 烟叶化学成分评价 采用荷兰SKALAR San++间隔流动分析仪测定各处理小区具有代表性的B2F、C3F等级烟叶总糖、还原糖、总氮、烟碱、氯含量，火焰光度法测定烟叶钾含量。为更加方便比较不同处理主要化学成分的综合效果，采用加权指数和法构建化学成分可用性指数(chemical components usability index，简称CCUI)[23]，其值越大，化学成分综合表现越好。

一是参照文献[23]中的烟叶化学成分指标的隶属函数类型和拐点值，采用模糊数学理论中的隶属函数将各化学成分的原始数据进行0～1的标准化数值转换。

二是采用主成分分析方法[20]计算总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾、氯的权重，其值分别为14.4%、15.9%、10.4%、27.8%、24.6%、6.9%。

1.3.6 烟叶感官评吸 主要评定B2F、C3F等级感官质量。采用文献[24]的感官评吸指标，由广西中烟技术中心组织5名感官评吸专家进行赋分。采用加权法计算感官评吸总分，分别将香气质、香气量、杂气、刺激性、透发性、柔细度、甜度、余味、浓度、劲头等指标赋予15%、15%、10%、10%、10%、10%、10%、10%、5%、5%的权重。

1.4 数据处理

采用Excel 2010及SPSS 20.0等软件进行统计分析，新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤理化特性的影响

从表1可知，2017年，L、LG、LGB处理的土壤容重略低于CK，土壤孔隙度略高于CK，但差异不显著；2018年，LG、LGB处理的土壤容重显著低于CK，土壤孔隙度显著高于CK，L与CK无显著差异。LG、LGB处理土壤有机质含量极显著高于CK、L处理；L与CK处理有机质含量差异不显著。L、LG、LGB处理的土壤碱解氮、有效磷含量显著高于CK，但土壤速效钾含量显著低于CK处理；L、LG、LGB处理间碱解氮含量差异不明显，但有效磷、速效钾含量有明显差异。2018年，LG、LGB处理较CK的土壤容重分别降低了5.73%、6.56%，土壤孔隙度分别增加了5.72%、6.72%，有机质含量分别提高了27.02%、35.22%；L、LG、LGB处理的碱解氮含量较CK分别提高了25.7%、17.9%、17.1%，有效磷含量较CK分别提高了5.76%、15.0%、34.2%，但速效钾含量较CK分别降低了31.1%、22.4%、11.3%。可见，施用改土物料可提高土壤碱解氮和有效磷含量，但降低土壤速效钾含量；施用石灰再配施绿肥和生物有机肥能降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤有机质含量。

表1 不同改土物料对土壤物理性状和养分含量的影响Table1 Soil physical properties and nutrient contents affected by soil remediation materials

2.2 不同处理对土壤酸度指标的影响

从表2可知，L、LG、LGB处理的土壤pH、交换性盐基总量、阳离子交换量显著高于CK，土壤水解性酸、交换性酸、交换性H+、交换性Al3+显著低于CK。L、LG、LGB处理之间土壤pH、水解性酸、交换性酸、交换性H+、交换性Al3+差异显著，土壤交换性盐基总量、阳离子交换量差异不显著；不同处理间土壤盐基饱和度差异不显著。土壤pH大小排序为：LGB＞LG＞L＞CK，土壤水解性酸、交换性酸、交换性H+、交换性Al3+大小排序为：CK ＞L＞LG＞LGB。2018年，L、LG、LGB 处理较CK处理土壤pH分别提高了0.22、0.80、1.07单位，土壤水解性酸分别降低了58.0%、66.7%、77.0%，交换性酸分别降低了75.8%、77.8%、80.8%，交换性H+分别降低了94.6%、96.6%、97.7%，交换性Al3+分别降低了64.3%、65.4%、69.9%，交换性盐基总量分别提高了15.5%、16.3%、16.5%，阳离子交换量分别提高了13.2%、15.5%、17.6%。表明施用改土物料可提高土壤pH，降低土壤水解性酸、交换性酸、交换性H+、交换性Al3+含量，提高土壤交换性盐基总量和阳离子交换量；不同改土物料以LGB处理降低土壤水解性酸和潜性酸的效果最好。

表2 施用不同改土物料后土壤酸度指标值Table2 Values of acidity indexes of soil after applied with different remediation materials

2.3 不同处理对烤烟农艺性状的影响

从表3可知，烤烟移栽后30 d，不同改土物料处理的烤烟株高、节距、叶片数及最大叶面积均显著低于CK；同时，L处理的烤烟株高、节距均显著低于LG、LGB处理。烤烟移栽后60 d，不同改土物料处理的烤烟株高和最大叶面积均显著高于CK，但L处理的叶片数显著低于CK，也低于LG、LGB处理，不同改土物料处理以LGB处理的农艺性状相对较好。表明施用改土物料可能抑制烤烟前期生长，但对烤烟中期生长有促进作用。

2.4 不同处理对烤烟经济性状的影响

从表4可知，不同改土物料对烤烟上等烟比例及产量和产值均有显著的影响，而对中等烟比例影响不显著，以对烤烟产量的影响最大。L、LG、LGB处理的上等烟比例较CK分别增加20.37%、23.21%、28.38%，LG、LGB处理上等烟比例显著高于CK，L与CK处理差异不显著。L、LG、LGB处理的烤烟产量较CK分别增加3.71%、17.82%、21.13%，LG、LGB处理产量极显著高于L、CK处理，L处理产量与CK差异不显著。L、LG、LGB处理的产值较CK分别增加0.59%、11.03%、14.62%，LGB、LG处理的产值极显著高于L、CK处理，L产值与CK差异不显著。表明改土物料LG、LGB处理可提高上等烟比例，增加烟叶产量和产值。

2.5 不同处理对烟叶物理特性的影响

从表5可知，不同改土物料处理的烤烟上部叶开片率、单叶重及物理特性指数存在显著差异，其余物理特性指标差异不明显。L、LG、LGB处理的开片率较CK提高7.27%、2.07%、8.77%；其中，L、LGB处理开片率显著高于LG、CK处理，LG处理与CK差异不显著。L、LG、LGB处理的单叶重较CK提高0.64%、2.68%、2.71%；LG、LGB处理的单叶重显著高于L、CK处理，且L处理单叶重与CK差异不显著。LG、LGB处理物理特性指数较CK显著提高2.68%、4.02%。不同改土物料处理的烤烟中部叶物理特性差异不显著，但物理特性指数大小排序为：LGB＞LG＞L＞CK。从F值大小可知，改土物料处理对烤烟物理特性指数影响最大，其次是开片率，再次是单叶重。可见，改土物料可提高烟叶物理特性，以LGB的效果最好。

表3 施用不同改土物料后30和60日龄烤烟农艺性状Table3 Agronomic characters of flue-cured tobacco of 30- and 60-days’ old affected by soil remediation materials

表4 施用不同改土物料后上中等烤烟比例及产值Table4 Ratio of high and middle quality of flue-cured tobacco and output under different soil remediation treatments

2.6 不同处理对烟叶化学成分的影响

从表6可知，不同改土物料处理的烤烟上部叶化学成分指标除氯不存在显著差异外，其余均存在显著差异，以对烟叶糖类化合物的影响最大。L、LG、LGB处理的总糖含量较CK分别显著增加了38.3%、18.8%、56.5%，还原糖含量较CK分别显著增加了20.6%、16.9%、35.2%。L、LG、LGB处理的总氮含量较CK分别降低了12.0%、3.09%、8.93%，烟碱含量较CK分别降低了17.8%、8.47%、24.8%，L、LGB总氮含量显著低于CK，L、LG、LGB处理的烟碱含量显著低于CK。LG、LGB处理钾含量显著高于L、CK处理，L处理钾含量与CK差异不显著。烟叶化学成分可用性指数较CK分别提高了3.89%、3.95%、12.9%，LGB处理显著高于L、LG、CK处理；L、LG处理烟叶化学成分可用性指数显著高于CK，该两处理间差异不显著。

不同改土物料处理的烤烟中部叶，除总氮、烟碱不存在明显差异外，其余化学成分指标均存在显著差异，以对烟叶糖类化合物的影响最大。L、LG、LGB处理的总糖含量均显著高于CK；LG处理还原糖含量极显著高于L、LGB、CK处理。烟叶钾含量以LGB处理最高，显著高于L、LG处理，但与CK间差异不明显；L处理钾含量显著低于CK。LG处理的烟叶氯含量极显著高于L、LGB、CK处理，但均在适宜范围内。各处理烟叶化学成分可用性指数较CK分别提高了0.06%、0.39%、2.79%；其中，LGB处理的化学成分可用性指数显著高于其余处理。可见，改土物料可提高烟叶化学成分协调性，以LGB处理的效果最好。

2.7 不同处理对烟叶评吸质量的影响

从表7可知，不同改土物料主要对烤后烟叶上部叶香气质、香气量及透发性有显著影响，以对香气质的影响最大，对上部叶其余评吸指标没有显著影响。L、LG、LGB处理的烟叶香气质和香气量均高于CK；其中，LGB处理香气质和香气量显著高于L、LG、CK处理。L、LG、LGB的处理透发性均高于CK；其中，L、LGB处理的透发性显著高于LG、CK处理。各处理烟叶评吸总分大小排序为：LGB＞LG＞L＞CK；LGB 处理评吸总分极显著高于L、LG、CK处理，L、LG处理评吸总分极显著高于CK。

表5 不同改土物料对烤烟B2F和C3F等级叶片物理特性的影响Table5 Physical properties of tobacco leaves of grade B2F and C3F affected by soil remediation materials

表6 不同改土物料对烤烟B2F(上部叶)和C3F(中部叶)等级叶片化学特性的影响Table6 Chemical properties of tobacco leaves of grade B2F and C3F affected by soil remediation materials

不同改土物料对烤烟叶中部叶各项评吸指标没有显著影响。但从烟叶质量评吸总分来看，大小排序为：LGB＞LG＞L＞CK，与上部叶等级一致，但各处理间差异不显著。可见，改土物料可提高烟叶评吸质量，以LGB处理的效果最好。

3 讨论

Bortoluzzi等[25]和Manna等[26]认为，施石灰能降低土壤容重，提高土壤孔隙度。在本研究中，单施石灰降低酸性土壤容重、提高土壤孔隙度的效果不明显；但施用石灰再配施绿肥、生物有机肥能使土壤容重显著降低，孔隙度明显增加，这主要是由于绿肥和生物有机肥的施入增加了土壤中有机残体含量的缘故。

表7 不同改土物料对B2F(上部叶)和C3F(中部叶)等级烟叶评吸质量的影响Table7 Smoking quality of tobacco leaves of grade B2F and C3F affected by different soil remediation materials

土壤酸碱度是影响土壤养分有效性的重要因素之一。随着土壤酸度的降低，土壤有机质增加、碱解氮和有效磷活性增强。但由于石灰提高了土壤交换性钙，造成土壤溶液中K/Ca比例失调，增加土壤对K的固定，导致土壤速效钾含量降低[27]，这与邢世和等[10]、朱克亚等[12]的研究结果一致。不同改土物料对土壤养分改善效果不同，单施石灰的有机质、有效磷、速效钾含量均低于石灰+绿肥处理，石灰+绿肥处理也低于石灰+绿肥+生物有机肥处理。

石灰含有Ca2+和OH-，施用初期可显著提高土壤pH，但随着土壤黏粒中潜性酸释放和土壤缓冲性能作用，其修复效果会随着时间变化逐渐减弱[13,28]，长期施用石灰易造成土壤板结甚至复酸化[3]。绿肥在分解过程中会产生较多的小分子有机酸，降低作物前期土壤pH[29]，但绿肥还田能提高土壤有机质和腐殖质及土壤微生物量。施用石灰结合绿肥还田，可弥补各自的劣势，绿肥施入可补充大量有机物质，石灰可抵消绿肥腐解产生的土壤酸化[13,30]。生物有机肥含有较多的活性微生物，能提升土壤有机质含量和微生物数量，加速土壤中有益微生物的繁殖，增强微生物对外源有机碳的分解作用，从而形成氨基酸、腐殖酸等小分子有机物，促进土壤团聚体的形成。因此，在施用石灰修复酸性土壤的同时，增施绿肥和生物有机肥，三者协同和效应叠加，从而提高土壤有机质和微生物量，增强土壤缓冲性能和酶活性[31-32]，有利于酸性土壤修复效果的稳定。本研究中，单施石灰提高土壤pH和降低土壤水解性酸、交换性酸、交换性H+、交换性Al3+的效果明显低于石灰配施绿肥的处理，且石灰配施绿肥的处理明显低于石灰配施绿肥和生物有机肥的处理，证明了石灰、绿肥、生物有机肥协同修复酸性土壤的效应。

施用土壤改良剂使酸性土壤pH升高，土壤理化特性得到改善，土壤养分的有效性随之发生变化，并最终反映在烤烟对养分的吸收上，进而影响烤烟生长发育、产量及品质。不同改土物料对烤烟生长前期(30 d)表现出抑制作用，主要在于前期pH急剧增加(pH在7.0以上)[33]，超出烟株适宜水平，抑制植物组织和器官的分化[34]，致使烤烟伸根期生长略差，但该阶段持续时间较短，不会影响烤烟的中、后期(60 d)生长。中、后期土壤pH稳定至适宜水平，土壤养分活性提高，对烟株生长具有促进作用。本研究结果还进一步证明，酸性土壤pH提高后，可提高烟叶上等烟比例和增加烟叶产量、产值，提高烟叶物理特性指数、化学成分指数和评吸总分，提高烟叶可用性。

4 结论

酸性烟田土壤上，施用石灰、绿肥和生物有机肥可提高土壤碱解氮、有效磷含量，提高土壤pH，降低土壤水解性酸、交换性酸、交换性H+、交换性

Al3+，提高土壤交换性盐基总量、阳离子交换量；可促进烤烟中期生长，提高烟叶上等烟比例和产量，提高上部烟叶物理特性指数，提高烟叶化学成分可用性指数和评吸总分。石灰+绿肥、石灰+绿肥+生物有机肥可降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤有机质含量。本试验中，改良酸性土壤的效果以石灰+绿肥+生物有机肥最好，其次是石灰+绿肥，单施石灰的效果较差。