生物炭与不同生物型肥料配施对烟田土壤特性和烟叶产质量的影响

徐凤丹， 李 亮*， 张 翔， 索炎炎， 程培军， 李洪亮， 李建华

(1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所， 河南 郑州450002； 2.许昌市烟草公司， 河南 许昌 461000)

0 引言

【研究意义】近年来，由于烟田长期施用无机化肥，造成大面积土壤板结，有机质含量下降，营养元素含量比例失调，不利于上等烟的供给，难以满足高档卷烟的生产需要[1]。生物炭是由生物质热解而成，具有芳香化结构、富含碳体小且多孔、较强的持水保肥能力和稳定性等特点，可用作农用土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂[2]。当前，烟田土壤酸化、贫瘠化、板结严重，有效改良土壤是急需解决的生产问题。因此，探究不同生物型肥料对烤烟生长发育的影响，对提高烟叶质量和保育烟田土壤具有重要意义。【前人研究进展】深耕条件下施用生物炭可促进烤烟根系对钾元素的吸收，增加土壤微生物数量和提高成熟期叶片叶绿素含量[3]。正常施肥条件下，配施生物炭可增加土壤孔隙度、田间持水率和饱和含水率，从而提高土壤肥力及水分利用效率[4-6]。施用生物型肥料能够优化土壤理化性质，提高土壤肥力，是改善烟田连作土壤状况的有效措施之一。烟草生产常用的优质生物型肥料有饼肥、菌肥和腐熟动物粪便等，既能显著提高烟叶的经济产量，还能有效改善作物根际微生物群落结构。有研究表明，施用饼肥可有效改善烟叶养分含量，促进烟株吸收微量元素，从而提高烟叶产质量，且烟叶产值随饼肥施用量的增加而增大[7]；施用生物菌肥不仅能提高烟叶硝酸还原酶活性和植株氮、磷、钾含量[8]，还能提高烟叶中性香气成分含量[9]，为烟叶的中上等烟比例、产量、产值提供保障[10]。豆浆灌根技术是在烟苗移栽20～28 d后对烟株根部注灌发酵豆浆的一种生产措施，在烟草团棵期进行豆浆灌根可显著提高烟叶的产量和品质[11-12]。戴华鑫等[13]研究表明，豆浆灌根后，烟田土壤的理化性质和养分含量显著提高且能持续保持在较高水平，明显改善土壤中的微生物群落结构，使烟株根系和叶片发育状况优于正常施肥处理。河南烟区动物粪便资源丰富，生产中大量施用羊粪对烟叶品质具有良好的促进作用[14-15]。施用羊粪3 000 kg/hm2，配合70%条施+30%穴施是适宜豫西烟区烟叶种植的有效措施[16]。【研究切入点】前人在单一生物型肥料的用量、施用方式对烤烟生长发育、烟叶产量和品质等方面均有研究。生物炭具有良好的蓬松性和稳定性，其与不同生物型肥料配施在提高经济产量的同时，能否有效改良土壤理化性质尚不明确。【拟解决的关键问题】比较分析6个不同施肥处理下烤烟的农艺性状和经济性状、土壤理化性质及微生物多样性，确定黄淮烟区生物炭与不同生物型肥料配施的最佳施肥方式，以期为烟田的肥料配施技术推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年4—8月在河南省襄城县汾陈乡进行，试验地肥力均匀，地势平坦，排灌方便，前茬作物为烟草。土壤有机质13.6 g/kg，速效氮108.0 mg/kg，速效磷15.8 mg/kg，速效钾124.0 mg/kg，全氮0.85 g/kg，全磷0.62 g/kg，全钾1.65 g/kg，阳离子交换量13.3 cmol/kg，pH 8.17。

1.2 材料

1.2.1 烤烟 供试烤烟为中烟100，由河南省烟草总公司提供。

1.2.2 肥料 秸秆生物炭(有机碳515 g/kg、全氮11.3 g/kg、全磷1.55 g/kg、全钾42.1 g/kg)，由天津博尔迈生物科技有限公司提供；豆浆(有机质674.3 mg/kg、粗脂肪497.4 mg/kg、粗蛋白605.2 mg/kg、可溶性蛋白398.7 mg/kg、碳水化合物350.7 mg/kg)，市购；腐熟芝麻饼肥(有机质66.32%、N 2.98%、P2O50.93%、K2O 2.03%)，由平顶山金叶实业有限公司生产；腐熟羊粪(有机质76.27%、N 3.02%、P2O50.89%、K2O 1.74%)，由商丘火车头有机肥有限公司生产；有机肥(有机质52.62%、N 5.26%、P2O50.94%、K2O 1.83%)，由湖州康寿公司生产；菌肥(有效活菌数≥2.0×109/mL，有机碳养分≥150 g/kg，含枯草芽孢杆菌和凝结芽孢杆菌)、硝酸钾(N 13%，K2O 46%)、硫酸钾(K2O 50%)、重过磷酸钙(P2O546%)和烟草专用复合肥料(N 10%、P2O512%、K2O 18%)，由河南省许昌市烟草公司提供。

1.3 方法

1.3.1 试验设计 采用完全随机区组排列，设置6个处理：生物炭(T1)、生物炭+饼肥(T2)、生物炭+羊粪(T3)、生物炭+有机肥(T4)、生物炭+豆浆(T5)和生物炭+菌肥(T6)。每处理3次重复，小区面积36 m2，每小区种植80株烤烟，移栽规格为行距120 cm，株距55 cm。

烤烟于4月25日移栽，各处理氮、磷、钾用量相同，分别为N 52.5 kg/hm2、P2O552.5 kg/hm2、K2O 183.75 kg/hm2(N︰P︰K=1︰1︰3.5)。生物炭均为条施，T1处理用量为3 000.0 kg/hm2，其余处理用量为1 500.0 kg/hm2[17]；施用饼肥1 500 kg/hm2[18]，羊粪1 500.0 kg/hm2[16]，有机肥1 500.0 kg/hm2[19]，均为条施；施用菌肥30.0 kg/hm2[20]，穴施。团棵期T5处理施入豆浆750 kg/hm2(将75 kg /hm2黄豆打浆，阳光下曝晒3 d，对水至750 kg)[13]，其余以等量清水浇穴，8月25日采烤结束。田间管理均按当地规范化要求进行。

1.3.2 指标测定

1) 农艺性状。每个处理随机选取5株烤烟，于旺长期(移栽后35 d)、圆顶期(移栽后65 d)和成熟期(移栽后115 d)，参照《烟草农艺性状调查方法》(YC/T 142—2010)[21]测定烤烟株高、茎围、有效叶片数、最大叶长及最大叶宽。用叶绿素仪(Chlorophyll meter，SPAD-502)测定中部叶叶尖、叶中和叶基的叶绿素含量。叶面积指数按常用值(0.635)计算。

最大叶面积=叶片长×叶片宽×叶面积指数

2) 土壤理化性质及微生物多样性。各生育时期采集不同处理烟垄上2株烟正中位置0～20 cm的土壤样品，3次重复。所有样品均为多点混合样，用四分法留存1 kg装入无菌自封袋带回实验室，一份鲜土样去杂后于4℃冰箱保存。采用稀释平板分离计数法测定放线菌、真菌和细菌的数量；参照鲍士旦方法[22]测定土壤可溶性有机碳含量。一份土壤风干后去杂、研磨、细化(孔径1 mm筛)，测定其养分含量，包括土壤pH、有机质、阳离子交换量、速效氮、速效磷和速效钾。

3) 经济性状。烟叶成熟后，按不同处理分区采收和计产。烤后烟叶依据《烤烟》(GB 2635-1992)[23]进行分级、计产，计算中上等烟比例。按2020年国家烟叶收购价格计算不同烟叶等级单价，中上等烟比例、产量、产值由小区产量、产值折算。

1.4 数据分析

采用Excel 2010和DPS对试验数据进行统计分析，并进行Duncan新复极差法多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理各时期烤烟的农艺性状

从表1看出，生物炭与不同生物型肥料配施能有效提高烟株的株高、有效叶数和最大叶面积等。旺长期：株高依次为T6>T4>T2>T5>T3>T1，各处理均显著高于T1；有效叶数以T6处理最大，T2次之，与T1均呈显著性差异；最大叶面积以T2最大，较T1显著增加21.0%；SPAD值以T6最大，较T1增加11.4%。圆顶期：与T1相比，株高、茎围和最大叶面积增幅分别为0.9%～17.6%、4.9%～16.5%和2.8%～26.6%；有效叶数以T5最大，T6次之，与T1均呈显著性差异；SPAD值以T2最大，较T1显著增加10.5%。

表1 不同处理各时期烤烟的农艺性状

2.2 不同时期的土壤理化性质

由表2可知，经培肥处理后，烤烟圆顶期的土壤pH与试验前土壤比，除T4外，各处理均有所下降；烤烟采烤结束后，土壤pH升至试验前水平。土壤AN、AP、AK和有机质含量均在烤烟圆顶期达最高；随着烟株生长不断吸收养分，AP和AK含量下降明显，采烤结束后，各处理AP和AK含量高于试验前水平。表明，生物炭与不同生物型肥料配施对土壤P、K具有活化作用；对土壤阳离子交换量的影响不显著；土壤N含量升高，可能与有机肥施用释放N有关。

表2 不同处理各时期的土壤理化性质

2.3 不同时期土壤的微生物数量和溶解性有机碳含量

从表3看出，与T1相比，生物炭与不同肥料配施后，不同时期土壤微生物含量均有不同程度增加，表现为细菌>放线菌>真菌。圆顶期：除T3外，各处理的土壤细菌和放线菌数量显著高于T1；各施肥处理的土壤真菌数量差异不显著。细菌/真菌为88.9～393.3，T1显著低于其余处理，T3、T4与T5差异均不显著；放线菌/真菌为73.3～206.7，T2与T4差异不显著，显著高于T1。生物炭与不同肥料配施后能提高土壤溶解性有机碳含量，依次为T3>T4>T2>T5>T6>T1。采烤结束：各配施处理的土壤微生物数量和溶解性有机碳含量变化趋势与圆顶期基本一致。表明，生物炭+羊粪(T3)、生物炭+有机肥(T4)对土壤微生物群落功能多样性和数量的提升具有统计学意义。

表3 不同处理各时期土壤的微生物数量和溶解性有机碳含量

2.4 不同处理烤烟的经济性状

由表4可知，烟叶的产量、产值、均价和中上等烟比例均以T4最高，分别为2 576.5 kg/hm2、71 931.2元/hm2、28.7元/hm2和54.9%，T1最低，分别为2 021.0 kg/hm2、51 333.0元/hm2、25.4元/hm2和48.3%。表明，黄淮烟区生物炭与不同生物型肥料配施最佳组合为生物炭+有机肥，经济效益最高。

表4 不同处理烤烟的经济性状

2.5 烤烟主要农艺性状和土壤肥力与经济产值的关系

通过烤烟经济产值与不同性状间的回归分析，烟株最大叶面积(X1)、土壤速效钾(X2)、细菌/真菌(X3)、放线菌/真菌(X4)对烟叶经济产值产生极显著影响，其最优回归方程为Y=1 235.873+0.676X1+8.610X2+1.142X3-5.417X4(R=0.981**)。其中，最大叶面积、土壤速效钾、细菌/真菌、和放线菌/真菌的P值分别为0.045、0.007、0.036和0.012。由直接通径系数可知(表5)，烟株最大叶面积(X1)、土壤速效钾(X2)和细菌/真菌(X3)对烟草经济产值为正向贡献，且X2>X3>X1，放线菌/真菌(X4)对烟草经济产值为负向贡献。由间接通径系数可知，X2对X1起显著的正向贡献，其间接通径系数达0.710；X3对X1和X2为正向贡献；X4对X1、X2、X3为负向贡献，且大于X1和X3对X4的正向贡献。从决策系数看出，对烟草经济产值贡献为X2>X4>X3>X1。综合看，土壤速效钾含量是影响烟草经济产值的最主要正向因素，而放线菌/真菌的比值对烟草经济产值起负向作用。

表5 烤烟经济产值与最大叶面积和土壤肥力的通径分析情况

3 讨论

有效叶数和最大叶面积等指标是形成烟叶产量的基础。张广雨等[24]通过盆栽和大田试验发现，施用生物炭后烤烟苗期和旺长期的有效叶片数显著增多。生物炭有利于提高农作物叶片净光合速率和干物质积累，从而提升农作物的产量和品质[9]。韩毅等[25]研究发现，与单施用烟草专用肥相比，生物炭、生物炭与有机肥配施可增加烟叶、烟根和烟茎的干物质积累。研究结果显示，生物炭与有机肥配施后，烤烟的株高、有效叶数、最大叶面积、产量和产值等农艺性状和经济指标提高，与何绪生等[26-27]的研究结论一致。在圆顶期(移栽后65 d)，不同处理的最大叶面积表现为T6>T4>T2>T5>T3>T1，主要原因可能是生物炭改善了土壤保肥性能，不同种类的有机肥料保障了养分的供给，使叶片叶绿素含量增加，有利于提高叶片的光合能力，从而促进烤烟的生长，为烟叶的高产、稳产提供保障。

生物炭具有大量官能团、空隙结构好等优势，其比表面积大有利于菌丝的定殖[28]，从而丰富土壤微生物的多样性，为烟株的健康生长提供良好环境。微生物在土壤中起桥梁作用，对土壤酶活性具有活化功能，并增强土壤呼吸强度[29]。有研究表明，施用生物炭可改善土壤理化性状、降低土壤容重并增强土壤的保肥能力，提高肥料利用效率，通过促进根系生长提高作物的生物量[4-7]。试验发现，与单施生物炭相比，生物炭与不同生物型肥料配施的烟田土壤有机质、溶解性有机碳、速效磷、速效钾含量及微生物数量均显著提高，与前人研究结果[13]相似。不同处理间，生物炭+菌肥对土壤有机质、速效磷和溶解性有机碳的增幅最大，可能是生物炭增加土壤孔隙度的同时菌肥增加土壤微生物种类，改善了土壤微环境群落结构，加速土壤中有机物质和无机物质的腐解，起到活化土壤养分的作用。烟叶钾含量多少是衡量烟草品质好坏的主要指标，增施钾肥能显著提高中上等烟叶比例，提高烟叶品质[30]。试验结果显示，土壤速效钾含量以施用生物炭+有机肥最高。对烤烟农艺性状和土壤肥力与经济产值的相关性分析表明，烟株最大叶面积、土壤速效钾、细菌/真菌、放线菌/真菌与烟叶经济产值关系最紧密，其中，速效钾是影响烟叶经济产值最主要的正向因素，呈极显著正相关。表明，生物炭+有机肥处理不仅能改良土壤的理化性质，还能活化土壤养分，改善微生物群落比。最大可能释放土壤中有效钾含量，利于提高烟叶后期中上等烟比例，为优质烟叶生产和实际生产应用提供参考。

4 结论

与单施生物炭相比，生物炭与不同肥料配施均不同程度地促进烟株生长，有效提高烟株株高、有效叶数和最大叶面积等指标；显著提高烟田土壤的有机质、溶解性有机碳、速效磷、速效钾含量和微生物数量，并对土壤P、K具有活化作用。烤烟农艺性状和土壤肥力与经济产值分析表明，烟株最大叶面积、土壤速效钾含量、细菌/真菌、放线菌/真菌与烟叶经济产值关系最为紧密；速效钾是影响烟叶经济产值最主要的正向因素，呈极显著正相关。以施用生物炭+有机肥的烤烟农艺性状最佳，产量、产值、均价和中上等烟比例等经济性状最好，明显提高烟田土壤的有机质、溶解性有机碳、速效磷、速效钾含量和微生物数量，有效改善土壤理化性质和微生物群落比，是适合黄淮烟区种植的一种高效施肥方式。