不同用量高碳基肥对植烟土壤活性物质及烤烟品质的影响

刘 慧，杨营月，赵 喆，王龙飞，来 苗，赵卿霖，赵铭钦

（河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002）

0 引言

抚州地区位于江西省东部，属季风气候区，连年降雨，导致土壤养分流失严重，加之连年耕作，植烟土壤有效养分含量进一步降低，且大量肥料的施用导致土壤板结程度较高，严重影响了烟株根系发育，进而影响了烤烟的品质和产量。高碳基土壤修复肥作为一种有机无机相结合且混合生物活性物质的复合型肥料，其主要原料由生物碳、植物油粕、腐殖酸、矿物肥及多种微量元素等组成，具有高度羧酸酯化和芳香化的结构、较大的孔隙度和比表面积，具备较强的吸附力、抗氧化力和抗生物分解能力［9-10］。大量研究表明，在高碳基土壤修复肥巨大比表面积和官能团的吸附作用下，能显著减少氮、磷等营养元素的损失，提高土壤的阳离子交换量、土壤养分含量及肥料利用率［7-8］，因而，高碳基肥的施用具有促进植物根系生长，提高烟叶产量和质量的作用［2］。此外，施用高碳基肥还可以增强土壤生物活性，如增加土壤微生物总量，提高土壤酶的活性，从而改善烟叶品质及香气质、香气量等［54］。土壤酶活性能够反映土壤中微生物的活动状态，代表土壤中物质代谢活动的活跃程度［11］。适量高碳基肥的施用可提高土壤中参与N、P等矿质元素利用转化的相关酶的活性，降低与土壤碳矿化等生态学过程相关的土壤酶的活性［12］。陈心想等［13］通过小麦-玉米轮作试验发现：施用一定量的生物碳基肥可以显著提高土壤脲酶、玉米收获后的碱性磷酸酶和过氧化氢酶的活性，说明生物碳基肥的施用能够改善土壤微生物的生活环境和酶活性。

本文通过向土壤中添加不同量的以生物碳为主料的高碳基肥进行大田试验，分析对比了不同处理烤烟根系活力、土壤酶活性的动态变化、土壤微生物数量，以及烤后烟叶的化学成分与香气量，旨在探明添加高碳基肥对植烟土壤及烤烟生长和品质的影响，为抚州烟区生产合理施用高碳基肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试烤烟品种为云烟87，由江西省烟草公司抚州市公司提供。供试高碳基土壤修复肥由河南惠农土质保育研发有限公司提供。高碳基土壤修复肥总养分≥5%，有机质（以干基计）≥45%，生物碳含量≥20%，水分含量≤30%，氯离子含量≤1%，粗脂肪含量≥1%。试验地土壤为壤土，土壤有机质含量为5.78 g/kg，碱解氮含量为61.8 mg/kg，速效钾含量为302 mg/kg，速效磷含量为16.07 mg/kg，pH值5.42。

1.2 试验设计

试验于2020年在江西省抚州市黎川县新庄村（东经116.91°，北纬27.28°）进行。前茬作物为水稻。烟苗于2月26日移栽，行株距为110 cm×50 cm。

试验设置5个处理，分别为T0（施常规基肥）、T1（施常规基肥+高碳基肥750 kg/hm2）、T2（施常规基肥+高碳基肥900 kg/hm2）、T3（施常规基肥+高碳基肥1050 kg/hm2）、T4（施常规基肥+高碳基肥1200 kg/hm2）。按氮素用量一致的原则减少相应的肥料施用，磷钾以重过磷酸钙和硫酸钾补足。每个处理3次重复，随机区组排列。常规基肥的施用：条施复合肥（N、P2O5、K2O的质量比为1∶2∶2.5）750 kg/hm2、枯 饼 肥（N∶P2O5∶K2O＝3∶1∶1）50 kg/hm2。高碳基肥料在移栽前随基肥条施；其他田间管理措施按照当地烟叶生产技术方案。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 根系活力 于移栽后30、45、60、75、90 d取样，每个处理取具有代表性的烟株3株，将根系冲洗干净，用TTC法［14］测定根系活力。

1.3.2 土壤生物活性 各处理分别于移栽前，以及移栽后30、60、90、120 d采用5点法于垄下20 cm处取样，将土样混合均匀后测定其土壤微生物区系、土壤酶活性等。土壤微生物区系及土壤酶活性参照林先贵［15］的方法进行测定。

1.3.3 常规化学成分 烟叶由当地初烤后，各小区取1 kg中部（C3F）等级烟叶，采用连续流动分析法测定其常规化学成分（国标GB/T 5606.1—2004、YC/T 160─2002）。

1.3.4 中性致香物质含量 采用水蒸气蒸馏-二氯甲烷溶剂同时蒸馏萃取法对样品进行前处理，然后利用美国安捷仑7890B-5977E气-质联用仪测定烟叶中性致香物质含量，由NIST02库检索定性。

1.4 数据分析

采用Mircosoft Excel 2019软件进行数据分析及作图，用SPSS 26.0软件进行差异显著性分析及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对烤烟根系活力的影响

烟草的根系不仅是重要的吸收器官，而且还是烟碱、激素、氨基酸等重要有机物质的合成器官，根系的发育及活力的高低在某种程度上是衡量烟草生长发育状况的重要生理指标，与烟叶的产量和品质有着密切联系［16］。图1显示，各处理烟株在不同时期的根系活力均有所差异，在整个大田生育期呈先升高后下降的趋势，符合烟株在大田的生长规律［17-18］。移栽返苗后，随着根系的发育，其活力迅速提高，在移栽后60 d出现高峰；移栽后30 d时，T1、T2、T3及T4处理的烤烟根系活力显著高于对照，其中T3处理的烤烟根系活力相较于其他处理在各个时期一直保持在较高水平。T4处理在移栽后45~90 d期间根系活力有所下降，这可能与该处理高碳基肥的施用量有关；在旺长期后随着烟叶逐渐成熟，根系活力逐渐下降。不同处理对根系活力的影响不同，在移栽后30~90 d期间，各处理之间根系活力差异较大，T3处理能明显提高烟株的根系活力，以移栽后60 d时处理间差异最明显，此时T3处理的烟株根系活力较对照提高了28.16%；移栽60 d之后各处理之间烟株根系活力差异减小，但施用高碳基肥处理的根系活力仍然高于对照。

图1 不同处理对烤烟根系活力的影响

2.2 不同处理对烤烟土壤酶活性的影响

土壤中各种酶可有效刺激土壤中微生物的繁殖与生长，进而促进对土壤固化养分的分解与释放［20］。土壤过氧化氢酶为氧化还原酶，用于消除土体中对植株有毒的过氧化氢［21］。由表1可以看出，在整个生育期间土壤过氧化氢酶的活性呈升高-降低的变化趋势，其中T3处理的过氧化氢酶活性最高。在移栽60 d时，各处理的土壤过氧化氢酶的活性均达到峰值，且表现为T3＞T4＞T1＞T2＞T0处理，T3处理较对照组高51.17%；此后，各处理的土壤过氧化氢酶的活性均呈缓慢降低的趋势。

土壤蔗糖酶的活性能表征土壤的熟化程度和肥力水平。如表1所示，T1、T3和T4处理的土壤蔗糖酶的活性均于移栽后60 d时达到最大值，且以T3处理的酶活性最高，比T0高27.65%；在移栽后90 d时，T0和T2处理的土壤蔗糖酶活性出现峰值，其他处理的蔗糖酶活性则呈缓慢降低的趋势。总的来说，在移栽后30~120 d期间各处理的土壤蔗糖酶活性均显著高于T0处理，说明在此期间各高碳基肥处理的土壤营养水平高于对照；在移栽后90~120 d期间 T2及T3处理的土壤蔗糖酶活性仍维持在一个较高水平，说明T2、T3处理能够显著增加土壤中易溶性营养物质的含量［12］。

土壤脲酶是一种酰胺酶，直接参与土壤中氮素形态的转化，其活性可以在一定程度上反映土壤的供氮水平［22］。从整个生长发育期来看，土壤脲酶活性呈现先升高后降低的变化趋势，其中在移栽后30~90 d期间各处理的土壤脲酶活性逐渐升高，且在移栽后90 d时达到峰值；此后逐渐降低。总的来说，T2和T3处理的土壤脲酶活性在生长前期显著高于其他3个处理，随后脲酶活性逐渐降低；在移栽后90~120 d期间各处理的脲酶活性降低，因而可以降低植株对氮的吸收，确保烤烟正常落黄［12］。

土壤酸性磷酸酶的活性在移栽后60~90 d期间处于较高水平，且在成熟期高于团棵期。T3处理的土壤酸性磷酸酶的活性在整个生育期间一直处于较高水平，显著高于其他几个处理（P＜0.05）；其次为T2、T4处理；T1及T0处理的土壤酸性磷酸酶活性处于较低水平，且两者间没有显著差异。

土壤多酚氧化酶在有机物的腐化进程中起着重要的作用［21］。由表1可知，添加高碳基土壤修复肥可显著提高土壤多酚氧化酶的活性，且在全生育期内一直以T3处理的酶活性较高。各处理的土壤多酚氧化酶活性的变化趋势一致，均在移栽后90 d时达到高峰，此时T1、T2、T3、T4处理的多酚氧化酶活性分别较对照增高了22.86%、70.14%、77.36%和43.26%；此后各处理的多酚氧化酶活性均有所下降，但T3处理的酶活性仍然显著高于其他几个处理。

表1 不同处理对土壤酶活性的影响

2.3 不同处理对土壤微生物区系的影响

从表2可以看出，成熟期烤烟根际土壤中细菌数量最多，真菌数量最少。具体来说，T3处理的土壤细菌数量显著高于其他几个处理，T0、T2、T4处理次之，T1处理最少；土壤真菌和放线菌数量均以T4处理最多，显著多于其他几个处理；土壤微生物总量以T3处理最高，T4处理次之，T0处理最低。由土壤微生物区系指标看出，T3处理的效果较好。

表2 不同处理对土壤微生物区系的影响

2.4 不同处理对烤后烟叶化学成分的影响

烟叶内在化学成分是评价调制后烟叶样品品质的重要指标，各项化学成分之间的协调性更能直接反映烟叶的内在品质及其可用性。对烤后各处理烟叶样品进行分析，结果见表3。各高碳基肥处理在不同程度上均改善了烤烟的化学成分，高碳基肥料可以提高烤烟中钾含量，降低氯含量，总体上以T3处理的效果最好。

表3 不同处理对烤后烟叶样品（C3F）化学成分的影响

2.5 不同处理对烤烟中性致香物质含量的影响

从表4可以看出：不同高碳基肥料施用处理烤后烟叶的类胡萝卜素类含量与对照相比差异显著，其中T3的含量较高，其次是T4的含量，而T1的含量较低；不同处理烤后烟叶的苯丙氨酸类总量差异显著，其中T3和T4的含量居前2位，其次是T0和T2的含量，T1的含量也较低；在类西柏烷类与棕色化反应产物方面，以T1处理的含量最高，T0次之；在新植二烯方面，T3处理的含量最高，T4次之，T1最低；致香物质总含量以T3处理最高，其次为T4处理，而T1、T2、对照间差异不显著。

表4 不同处理对烤后烟叶样品中性致香成分含量的影响 μg/g

3 讨论

在一般情况下，增施高碳基肥能够促进作物生长发育，并且随着施用量的增加，对土壤改善的效果和对作物增产的效果越来越明显［12］。在本研究中，施用高碳基肥后，随着生育期的推进，烟株根系活力呈现先增后减的趋势，这与大田烤烟根系活力的变化趋势［16,18,25］一致。这是由于高碳基肥能够有效提高土壤的矿化能力，且对肥力与水分有较强的保持能力，故高碳基肥促进了根系活力的提高［26］。有研究［28-29］表明，根际土壤pH值是影响烤烟早生快发的重要因素。由于本研究的试验田土壤酸性较强，所以施用高碳基肥可以提高植烟土壤后期的pH值［42］，此也有可能是本研究中随高碳基肥施用量增加根系活力先升后降的原因，故高碳基肥的施用量以1050 kg/hm2为宜［24,26-27］。

土壤酶活性能够在一定程度上反映出土壤的养分供应能力及植株吸收养分的效果，在土壤养分循环以及植物生长所需养分的供给过程中起着重要作用［30］。本研究发现，高碳基肥中的活性物质促进了微生物繁殖，且其所含有的氮刺激土壤微生物活性，加速其对氮的利用，脲酶活性从移栽后30 d开始升高，在移栽后90 d时，T3处理的脲酶活性达到最大值；此后随着生物质炭施用量的进一步增加，其发达的孔隙结构和较低密度使土壤中脲酶的载体微团聚体含量大量减少，导致脲酶活性降低［49］，这与王健［43］、王飞［44］等的研究结果一致。烤烟在旺长期对养分的需求增大，根系代谢能力增强，根系分泌物增加，高碳基肥的施用为酶促反应提供了充足的基质，从而有助于土壤蔗糖酶活性的增强，且在移栽后75 d时达到最大值，以处理T3的蔗糖酶活性最强，这与申进文等［45］的研究结果一致。施入高碳基肥对土壤过氧化氢酶活性的影响亦较为显著，T3处理的过氧化氢酶活性在整个生育期内一直处于较高水平，生物碳的吸附力又可为微生物提供基础养分，从而可以明显提高土壤过氧化氢酶的活性［31-32］；但随着高碳基肥用量的进一步增加，土壤有机碳含量也增加，C/N增大，C/N过高对过氧化氢酶活性的抑制作用要远大于促进作用，导致过氧化氢酶的活性出现降低的趋势［46，49］，故中高水平的生物碳添加对土壤过氧化氢酶活性的促进作用显著高于高水平添加［47］。土壤多酚氧化酶主要来源于土壤微生物、植物根系分泌物及动植物残体分解释放的复合酶［51］，能把土壤中芳香族化合物氧化成醌，完成土壤芳香族化合物的循环［52］。在本研究中，土壤多酚氧化酶的活性在移栽后60 d开始明显升高，这与李娇等［53］施用生物有机肥后土壤多酚氧化酶活性增加的结果一致，表明该酶的活性在烟株生长中后期较强，从而促进了土壤有机质的分解，改善了烟株的生长发育。有研究表明，土壤多酚氧化酶可以促进土壤中酚酸类物质的降解，对消除连作障碍具有积极作用［49］，且增施高碳基肥处理的土壤多酚氧化酶活性明显高于对照的，这可能主要因为处理使增加的微生物能加速对有机化合物的分解，可以为土壤酶活反应提供足量的底物［50］。另外，本试验还发现，不同种类土壤酶活性的变化趋势并不完全相同，土壤蔗糖、过氧化氢酶以及酸性磷酸酶的活性均在烟株生长旺盛的旺长期达到最大值，这说明这些土壤酶的活性与烤烟的生长关系密切；但是土壤脲酶和多酚氧化酶的活性在烤烟生育后期也依然保持着较高的水平，这说明不同种类土壤酶对周围环境变化的响应并不完全相同［20］。

土壤微生物菌群数量及其活性是评价土壤肥力的重要指标。土壤微生物数量多、区系复杂，表示土壤微生态系统平衡，有利于作物健康生长［33］。本研究中高碳基肥的主要成分生物碳所具的空隙结构为土壤微根菌和细菌提供了良好的生长繁殖条件，在大多数情况下，细菌喜欢相对碱性的环境［34］；在碱性土壤中嗜碱性的放线菌数量较多；而真菌喜酸性土壤［35］。细菌数量的增多通过对生长底物的竞争也会抑制真菌的数量［50］，这在本研究中也有明显的体现。微生物菌群数量随有机肥用量在一定范围内增加而增加，这主要是由于有机肥本身含有一些活性物质，施入土壤后不仅可以为微生物提供大量的能源和营养物质，还能促进根系对周围养分的吸收［36］。

本研究结果显示：施用高碳基土壤修复肥可以降低烤烟中部叶的烟碱含量，增加总糖和还原糖含量，可以调节糖碱比，这与周小红等［37］的研究结果一致；钾含量随着高碳基肥料施用量的增多呈现递增趋势［38］，这是由于生物碳丰富的孔隙结构能够竞争吸附土壤中较多的离子，进而可以促进烟株对所需养分的吸收。烟碱是烟草化学成分的核心物质，随着高碳基肥施用量的增加，烟叶中的烟碱含量递增，其主要在根部合成，再运送到地上部分并在叶中积累，因此根系中烟碱含量的高低在一定程度上与根系活力相关，并对地上部分叶片烟碱的含量有一定的影响［2］。

本试验结果表明，添加生物碳的处理使得烟叶中的中性致香物质的总量增加。高碳基肥中的主要物质生物碳可以调控土壤养分平衡，提高土壤碳氮比，在不同程度上提高烟叶碳氮关键酶的活性，有利于促进烟株的碳氮代谢平衡［40］，这种平衡有助于内含物质的转化，进而增加中性致香物质含量。

4 结论

本研究结果表明：基肥配施高碳基肥可显著提高烤烟的品质；施用一定量的高碳基肥可以有效提高烤烟根系活力、土壤酶活性及土壤微生物数量，改善烟叶品质，使烟叶化学成分更加协调，香味物质含量更高。虽然可以改良土壤特有的理化特性，但抚州烟区对高碳基肥的需求量并非越多越有效，而是在较高施用量（1050 kg/hm2）的情况下效果最好。