施用不同腐熟秸秆肥对植烟土壤和烤烟品质的影响

林先塔,许山河,刘 宏,杨丽平,孙兴权,卢 平 刘羿男,王显跃,丁从凯,杨锡坤*

(1.福建中烟工业有限责任公司,福建 厦门 361012;2.云南省烟草公司 楚雄州公司,云南 楚雄 675500;3.云南省烟草公司 曲靖市公司,云南 曲靖 655000;4.云南瑞升烟草技术(集团)有限公司,云南 昆明 650106)

0 引言

【研究意义】烤烟农业生产中使用的有机肥主要为各类商业有机肥和各烟区就地取材的秸秆有机肥[1],将其直接还田尤其禾本科秸秆,其腐解产物品质差、腐解速率慢[2-5],腐解前期土壤微生物易与烟株争肥,最终导致烤烟生长前期供氮不足,生长后期因强烈的有机物矿化作用持续释肥[6]。秸秆肥释肥进程与烤烟的需肥规律不吻合,致使烟叶生长前期长势不佳,生长后期贪青晚熟,烟叶耐烤性下降等问题突出,从而影响烟叶品质形成[7-9]。因此,充分利用烟区闲置的秸秆资源,研究秸秆腐解还田对解决秸秆直接还田造成的烤烟生长养分供需矛盾具有现实意义,有利于烤烟的绿色生产。【前人研究进展】施用腐熟秸秆肥或直接还田并增加前期施氮比例被证实是解决以上问题的有效手段[10-14],但过量的氮肥施用会导致烤烟粗枝大叶,烘烤难度增大,烟叶品质下降[15],且当前相关研究多为简单增施腐熟秸秆肥[7,16-18],能使部分烟区的烟叶产量提升,香气质、香气量均有所改善,致香成分含量有所增加[7,16-17,19],但其本质上并未解决当前国内大部分烟区烤烟生长肥料过饱和的问题。【研究切入点】楚雄牟定和曲靖马龙烟区两地施肥规范一致,简单增施商品有机肥或玉米秸秆直接还田常造成楚雄牟定烤烟后期贪青晚熟,烟叶身份过厚,开片稍差和钾离子含量偏低等问题;而曲靖马龙烤烟的烟叶开片度更佳,但烟叶刺激性更强。秸秆肥差异可能是造成两地烟叶品质差异的重要原因之一。因此,有必要开展关于两地秸秆有机肥差异对植烟土壤理化性质和烤烟品质的影响研究。【拟解决的关键问题】探究施用不同秸秆腐熟肥对楚雄牟定和曲靖马龙烟区的土壤理化性质、烟叶叶绿素(SPAD)、土壤酶活性、微生物数量、常规化学成分及物理特性的影响,以期为腐熟秸秆在烤烟生产上推广应用及改善烟叶品质的生理机制研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验分别在楚雄牟定江坡镇丰乐村(101°58′16"E、25°25′96″N)和曲靖马龙马鸣乡(103°22′18″E、25°16′27″N)进行。供试土壤基本理化性质见表1。

表1 试验地土壤基本理化性质Table 1 Soil physicochemical properties of the experimental field

1.2 试验材料

1.2.1 烤烟 试验1和试验2供试品种为云烟87,由云南省烟草公司楚雄州公司提供,试验3为云烟121,由云南省烟草公司曲靖市公司提供。

1.2.2 肥料及秸秆 秸秆肥腐熟剂为粗纤维降解菌(有效活菌数为2×108cfu/g,腐熟剂∶秸秆=1∶1 000,秸秆堆腐时间为30 d),购自广州微元生物科技有限公司;烟草专用复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶18)、商品有机肥(N∶P2O5∶K2O=1.65∶4.17∶2.71)和硫酸钾(K2O 50%)均购自云南欧罗汉姆肥业科技有限公司。供试材料分别为蚕豆秸秆、玉米秸秆和松针(表2),蚕豆秸秆和玉米秸秆为楚雄牟定烟区所产,松针为曲靖马龙的松林凋落物。

表2 试验材料的理化性质Table 2 Physicochemical properties of tested straw types %

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 采用随机区组试验设计,分别设置3个田间试验,每试验设3个处理(表3),3次重复,9个小区,每小区植烟100株,行距1.2 m,株距0.5 m。烟草专用复合肥、商品有机肥和秸秆肥均于移栽前塘施,硫酸钾于移栽后45 d溶水淋施。肥料总氮∶总磷∶总钾=1∶1∶2,施纯氮105 kg/hm2,商品有机肥2 250 kg/hm2,烟草专用复合肥505.5 kg/hm2,硫酸钾180 kg/hm2。其他田间管理均按当地优质烟叶生产标准进行。

表3 试验设计方案Table 3 Designing scheme for experiments

1.3.2 调查项目及方法

1) 土壤理化性质测定。于烤烟移栽后45 d、60 d、90 d每小区随机选取烟株5株并标记,采集根际土,密封保存并做好标记送检。采用pH计法[20](水土质量比2.5∶1)测定pH;用重铬酸钾滴定法[21]测定有机质;用碱解扩散法[22]测定碱解氮;用氟化铵-钼锑抗比色法[23]测定速效磷;用乙酸铵浸提-火焰光度法[24]测定速效钾;用凯氏定氮法[25]测定全氮;用氢氧化钠碱熔法[26]测定全磷;用氢氟酸消解-火焰光度法[27]测定全钾。试验1中分别采用靛酚蓝比色法、3,5-二硝基水杨酸比色法和高锰酸钾容量法测定土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性[28]。用平板计数法计量可培养细菌、真菌和放线菌数量[29]。

2)烟叶SPAD值测定。于移栽后90 d每小区随机选取5株烤烟,用SPAD仪测定成熟期中部叶片SPAD值。为量化标准,消除烟叶分区域落黄特性对组间差异的影响,统一测定区域为叶中,叶位为从上至第12片。

3) 烟叶常规化学成分及物理特性测定。烟叶烘烤定级后,各处理分别取样1 kg 中部叶进行常规化学成分检测及感官质量评价。采用连续流动分析法测定烤烟水溶性糖、淀粉、总氮、总植物碱和氯含量[30-34];用火焰光度法[35]测定钾离子含量。参照郭建华等[36]的方法测定烟叶厚度、含梗率、叶面密度、抗张力、抗张强度、平衡含水率、填充性和叶面积等指标。

1.4 数据统计与分析

采用SPSS 21.0和GraphPad Prism 8对试验数据进行统计分析与绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理植烟土壤的养分含量

从表4看出,不同处理植烟土壤的养分含量存在差异。试验1：土壤有机质28.75～29.05 g/kg,全氮1.61～1.65 g/kg,全磷0.59～0.62 g/kg,全钾15.43～15.86 g/kg,碱解氮118.98～126.54 mg/kg,有效磷46.44～48.02 mg/kg,速效钾115.21～181.07 mg/kg。除T1的碱解氮和速效钾均显著高于CK1外,其余处理间差异均不显著。试验2：土壤有机质15.53～35.12 g/kg,全氮1.14～2.74 g/kg,全磷0.27～0.47 g/kg,全钾12.58～17.71 g/kg,碱解氮79.73～162.50 mg/kg,有效磷4.97～13.00 mg/kg,速效钾188.00～264.60 mg/kg。A2和T2的有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾均显著高于CK2。试验3：土壤有机质14.93～28.90 g/kg,全氮0.91～1.28 g/kg,全磷0.61～0.71 g/kg,全钾8.938～10.21 g/kg,碱解氮77.00～109.74 mg/kg,有效磷43.89～57.36 mg/kg,速效钾293.43～468.20 mg/kg。除全钾和有效磷外,A3和T3的有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效钾均显著高于CK3。可见,在减施无机化肥的基础上,施用秸秆肥代替商品有机肥未对土壤肥力造成负面影响,且明显改善烟田的土壤肥力。

表4 不同处理植烟土壤的养分含量 Table 4 Nutrient content of tobacco-growing soils under different treatments

2.2 蚕豆秸秆还田处理植烟土壤的酶活性

如图1所示,蚕豆秸秆还田不同处理植烟土壤的蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶的活性不同。团棵期：蔗糖酶活性5.83～7.34 μmol/(g·h),T1最高,CK1最低,A1和T1分别较CK1增长10.46%和25.90%;脲酶活性0.177～0.207 μmol/(g·h),CK1最高,A1最低,A1和T1分别较CK1降低14.49%和13.04%;过氧化氢酶活性0.687～0.797 μmol/(g·h),T1最高,A1最低,A1较CK1降低1.86%,T1较CK1增长13.86%。旺长期：蔗糖酶活性8.70～11.37 μmol/(g·h),T1最高,CK1最低,A1和T1分别较CK1增长30.46%和30.69%;脲酶活性0.127～0.167 μmol/(g·h),T1最高,CK1最低,A1和T1分别较CK1增长15.75%和31.50%;过氧化氢酶活性0.563～0.583 μmol/(g·h),A1较CK1增长3.55%,各处理间差异均不显著。成熟期：蔗糖酶活性9.05～11.51 μmol/(g·h),CK1最高,T1最低,A1和T1分别较CK1降低3.08%和21.37%;脲酶活性0.16～0.20 μmol/(g·h),CK1最高,T1最低,A1和T1分别较CK1降低1.48%和21.18%;过氧化氢酶活性0.61～0.68 μmol/(g·h),T1最高,CK1最低,A1和T1分别较CK1增加3.77%和11.67%。CK1和A1的蔗糖酶活性在生育期内呈上升趋势,其中,团棵期T1显著高于CK1和A1,旺长期A1和T1均显著高于CK1,成熟期T1显著低于CK1和A1;不同生育期脲酶活性差异较小,除旺长期各处理间差异显著外,团棵期和成熟期不同处理脲酶活性差异均不显著;团棵期和成熟期T1过氧化氢酶活性显著高于CK1和A1,旺长期不同处理间差异不显著。

注：不同小写字母表示差异达显著水平(P<0.05),下同。Note：Different lowercase letters indicate significance of difference at P<0.05 level.The same below.图1 蚕豆秸秆还田处理烤烟关键生育期植烟土壤的酶活性

2.3 蚕豆秸秆还田处理植烟土壤的微生物数量

由图2可知,蚕豆秸秆还田不同处理土壤的微生物数量不同。团棵期：细菌数量7.17×106～8.37×106个,T1最高,A1最低,A1较CK1降低1.38%,T1较CK1增长15.37%;真菌数量1.37×105～2.37×105个,CK1最高,A1最低,A1和T1分别较CK1降低42.25%和29.58%;放线菌数量1.32×106～2.09×106个,CK1最高,T1最低,A1和T1分别较CK1降低9.88%和36.68%。旺长期：细菌数量3.27×106～5.27×106个,CK1最高,T1最低,A1和T1分别较CK1降低22.91%和37.97%;真菌数量6.30×105～8.77×105个,T1最高,CK1最低,A1和T1分别较CK1增加10.58%和039.15%;放线菌数量5.20×106～8.73×106个,T1最高,A1最低,A1较CK1降低2.49%,T1较CK1增长63.75%。成熟期：细菌数量2.80×106～5.33×106个,CK1最高,T1最低,A1和T1分别较CK1降低35.00%和47.80%;真菌数量5.63×105～9.47×105个,A1最高,CK1最低,A1和T1分别较CK1增加68.05%和50.29%;放线菌数量2.73×106～6.27×106个,CK1最高,T1最低,A1和T1分别较CK1降低49.46%和59.38%。

图2 蚕豆秸秆还田处理烤烟关键生育期植烟土壤的微生物数量

细菌数量在整个生育期呈降低趋势,以T1的降幅最大,其中,团棵期T1的细菌数量显著高于CK1和A1,旺长期和成熟期均显著低于CK1和A1;真菌数量在整个生育期呈上升趋势,以CK1的增幅最小,T1的真菌数量在旺长期达最大,A1在成熟期达最大,且不同时期各处理间差异均显著;放线菌数量在整个生育期CK1呈上升趋势,A1和T1呈先升后降趋势,其中,团棵期和成熟期T1的放线菌数量均显著低于CK1和A1,在旺长期显著高于CK1和A1。

2.4 不同处理成熟期中部烟叶的叶绿素含量

从图3看出,3个试验不同处理成熟期烤烟中部叶的叶绿素含量变化趋势相同,均为对照(CK1、CK2、CK3)>未腐熟秸秆(A1、A2、A3)>腐熟秸秆(T1、T2、T3)。其中,试验1：不同处理中部叶SPAD为48.50～52.94,A1和T1分别较CK1下降6.68%和8.38%;试验2：不同处理中部叶SPAD为49.40～53.74,A2和T2分别较CK2下降3.72%和8.07%;试验3：不同处理中部叶SPAD为34.46～40.32,A3和T3分别较CK3下降7.04%和14.53%。同一试验中,秸秆腐熟处理烟叶的SPAD降幅均较未腐熟处理高,表明秸秆腐熟后施用更有利于烟叶的后期落黄。

图3 烤烟成熟期中部叶SPAD值 Fig.3 SPAD value of middle leaves at maturity stage

2.5 不同处理初烤中部烟叶的物理特性

由表5看出,3个试验不同处理初烤烟叶的物理特性存在差异。试验1初烤中部烟叶的叶片厚度、含梗率、叶面密度、叶面积、抗张力、抗张强度、平衡含水率和填充值分别为0.075～0.084 mm、28.130%～29.383%、78.826～79.257 g/m2、1 006.53～1 095.99 cm2、2.504～2.928 N、0.165～0.202 kN/m、15.305%～16.672%和2.246～2.753 cm3/g;试验2的分别为0.070～0.076 mm、26.892%～27.526%、57.840～88.423 g/m2、883.01～949.21 cm2、2.626～2.978 N、0.181～0.194 kN/m、13.040%～14.100%和2.703～3.257 cm3/g;试验3的分别为0.050～0.067 mm、33.470%～36.310%、49.853～63.566 g/m2、1 198.15～1 313.631 cm2、2.033～2.380 N、0.141～0.158 kN/m、12.353%～12.833%和3.400～4.127 cm3/g。其中,T1的叶面厚度和叶面积均显著高于A1和CK1,A1和T1的填充值均显著高于CK1,T1的叶片抗张力、抗张强度和平衡含水率均显著低于CK1;A2和T2的叶面密度均显著高于CK2,T2的抗张力、抗张强度和平衡含水率均显著低于A2和CK2;A3和T3的叶面厚底和叶面密度均显著高于CK3,T3的抗张力、平衡含水率和填充值均有所提升,但与CK3差异未达显著水平。表明,试验1使用秸秆肥替代商品有机肥后,烤烟叶片的叶面积显著增大,叶面密度减小;试验2和3使用秸秆肥代替部分无机复合肥后,叶片面积减小,叶面密度显著增大。

表5 不同处理初烤中部烟叶的物理特性Table 5 Physical characteristics of first cured middle tobacco leaves under different treatments

2.6 不同处理烤后烟叶的常规化学成分

从表6看出,3个试验不同处理烤后烟叶的常规化学成分有所差别。试验1烤后烟叶的总糖、钾、还原糖、烟碱、氯、总氮和淀粉含量分别为31.11%～35.78%、1.82%～1.91%、23.46%～25.46%、1.71%～1.98%、0.21%～0.31%、2.00%～2.31和2.92%～4.07%,T1的总糖、还原糖和氯含量显著低于A1和CK1,T1和A1的钾含量均显著高于CK1,A1的烟碱和淀粉含量均显著低于T1和CK1,A1的总氮含量均显著高于T1和CK1;试验2的分别为37.13%～42.10%、1.46%～1.62%、24.50%～27.63%、2.22%～2.62%、0.43%～0.54%、1.92%～2.02%和3.60%～4.46%,A2的总糖和淀粉含量均显著高于T2和CK2,A2和T2的钾含量均显著低于CK2,不同处理间的还原糖、烟碱、氯和总氮含量差异均不显著;试验3的分别为30.33%～32.17%、2.59%～2.70%、24.67%～25.07%、1.31%～1.48%、0.31%～0.46%、1.86%～1.95%和2.88%～2.89%,T3的总糖和还原糖含量显著低于A3和CK3,其余指标各处理间差异均不显著。

表6 不同处理烤后烟叶的常规化学成分 Table 6 Conventional chemical constituents of cured tobacco leaves under different treatments %

3 讨论

探究通过腐熟剂解决秸秆和商业有机肥直接还田造成的烤烟生长前期供肥不足,后期供肥过多的问题,以期改善烟叶品质,解决当地秸秆资源的闲置问题。研究表明,试验1施用蚕豆秸秆腐熟还田烤烟采烤后土壤的碱解氮和速效钾含量均显著高于CK1,与吴岳庭等[37-38]的研究结果类似。主要原因可能是蚕豆秸秆的全氮全钾含量虽低于商品有机肥,但还田总量大于商品有机肥,且施用秸秆肥的土壤转化酶活性更高,更利于速效养分的转化。为探索施用秸秆肥同时减施无机化肥的可能性,同时开展试验2和试验3,结果表明,在减少25%的无机复合肥后,除有效磷外,牟定和马龙两地施用秸秆肥处理采烤后的各土壤养分指标均高于对照,表明在施用秸秆肥的基础上减施25%无机复合肥可提高土壤肥力,未对土壤肥力造成负面影响。

蔗糖酶可表征土壤熟化程度和土壤肥力,一般情况下,值越大表明土壤肥力越好;脲酶可表征土壤对尿素的转化效率;过氧化氢酶可促进过氧化氢分解,减少其对植物根系的毒害作用,常用来表征土壤的解毒作用[39]。针对前文所述的秸秆直接还田尤其禾本科秸秆造成其腐解进程与烤烟需肥规律存在明显矛盾的问题,可施用腐熟秸秆肥有效改善。研究结果显示,3个试验的腐熟秸秆处理烤烟中部叶片的SPAD值均小于未腐熟处理和对照,表明腐熟秸秆可使烟叶适时落黄,与韩智强等[40]的研究结果类似,其机理是秸秆腐熟加快秸秆分解进程,可提高烤烟生长前期土壤转化酶活性,促进肥料矿化,减少后期养分的过量供应。研究表明,试验1烤烟旺长期蚕豆秸秆腐熟处理的土壤蔗糖酶和脲酶活性高于未腐熟处理和CK1,而在成熟期低于未腐熟处理和CK1,团棵期和成熟期的过氧化氢酶活性均以蚕豆秸秆腐熟处理最高[41-43],同时促进生育期内土壤微生物由细菌主导型向真菌和放线菌主导型定向演变,但微生物总量未呈现差异,与曹仕明等[18]的研究结果存在差异。主要原因可能是烤烟生长中、后期秸秆基本腐熟,可供细菌生长底物大幅度减少,导致细菌数量大量减少,而革兰氏阴性细菌和真菌是速效养分转化的主导菌型[44-46],后期有机肥养分矿化作用增强,真菌数量增加。而是否由于烤烟生育期土壤微生物的定向演变导致土壤酶活性在不同阶段的差异仍有待进一步研究。但研究表明,秸秆腐熟有助于烟叶适时落黄,使烟叶糖类合成减少,蚕豆秸秆和松针处理的烟叶糖含量降低;玉米秸秆处理的总糖含量显著提升,主要原因可能是禾本科秸秆腐解周期相对较长导致。

从两地烟叶的物理特性看,牟定基地烤烟中部叶细长,身份较厚,糖分较高,钾离子含量偏低,马龙基地烤烟中部叶稍宽,身份偏薄,钾离子含量较高。施用秸秆肥并减施25%复合肥使得烤烟叶面密度提高,且腐熟秸秆处理的叶面密度低于未腐熟处理。从内在品质看,相比直接还田,施用腐熟秸秆肥可使烟叶的总糖和还原糖含量下降,其他指标变化规律不明显,而试验2烟叶的钾离子含量显著降低,主要原因可能有两方面,一是牟定基地植烟土壤呈中性偏碱,有机质含量丰富,而烟叶钾离子与土壤pH和有机质含量呈负相关关系[47-48],钾离子吸收效率较低;二是试验2减少25%无机复合肥,造成土壤钾元素供应不足,使得烟叶钾离子含量降低。而马龙基地土壤为典型酸性红壤土,土壤钾含量相对较高,因此减施部分无机复合肥并未对烟叶钾离子造成明显影响。

4 结论

腐熟秸秆和松针肥替代商品有机肥+替代25%无机复合肥可优化有机肥腐解进程,调节土壤微生物演替,提升烤烟生长中、前期植烟土壤酶活性,迎合烤烟需肥规律,促进烟叶适时落黄。同时提高烟叶内含物,改善烟叶化学协调性,从而提高烟叶质量。