不同有機(jī)物料對烤煙根際土壤碳庫、酶活性及根系活力的影響

張璐 任天寶 閻海濤 李朋彥 杜飛樂 李京陽 吳嘉楠 劉英杰 王省偉 劉國順

摘 要：為分析不同有機(jī)物料對植煙土壤的改良效應(yīng)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)廢棄資源循環(huán)利用，采用盆栽試驗，以單施化肥為對照，研究草炭、生物炭、汽爆玉米秸稈對烤煙根際土壤碳庫、酶活性和根系活力的影響。結(jié)果表明，與對照相比，各處理土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量在烤煙不同生育期都有顯著提高，移栽后90 d時總有機(jī)碳含量最多增加45.24%，活性有機(jī)碳含量最多增加238.70%，草炭和汽爆玉米秸稈提高了根際土壤碳庫活度和AOC/TOC比例，生物炭降低了碳庫活度和AOC/TOC比例；汽爆玉米秸稈提高了土壤脲酶和蔗糖酶活性，在烤煙不同生育期最多分別比對照提高了66.03%和210.32%，草炭和生物炭對土壤酶活性影響不顯著，但延緩了成熟期根系衰老，汽爆玉米秸稈對煙株根系活力有一定抑制作用。因此，施用有機(jī)物料均可提高烤煙根際土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量，但對酶活性和根系活力效果不一致，尚需開展大田及長期定位試驗進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：有機(jī)物料；土壤碳庫；酶活性；根系活力；烤煙

中圖分類號：S572.01 文章編號：1007-5119（2018）02-0039-07 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2018.02.006

Effects of Different Organic Materials on Rhizosphere Soil Carbon Pool， Enzyme Activity and Root Activity of Flue-cured Tobacco

ZHANG Lu1， REN Tianbao1，2， YAN Haitao1， LI Pengyan1， DU Feile1， LI Jingyang1， WU Jianan1，

LIU Yingjie3， WANG Shengwei3， LIU Guoshun1，2*

（1. Henan Agricultural University， Tobacco Cultivation Key Laboratory of Tobacco Industry， Zhengzhou 450002， China； 2. Biochar Engineering Technology Research Center of Henan， Zhengzhou 450002， China； 3. Zhengzhou Tobacco Company of Henan Province， Zhengzhou 450003， China）

Abstract： This study was conducted with pot experiment， trying to analyze the modifying effects of different organic materials on tobacco planting soil and optimize effective cycling utilization of agricultural waste resources. Three different types of organic materials were used in this study including peat， biochar and steam explosion corn straw， to explore their effects on carbon， enzymatic activity of tobacco planting soil and tobacco root activity. The results showed that with the action of organic materials， the contents of soil total organic carbon and active organic carbon in different treatments all increased significantly compared with the control. The total organic carbon content increased by 45.24% 90 d after transplanting， and the active organic carbon content increased by 238.7%. Peat and steam explosion corn straw promoted the rhizosphere soil carbon pool activity and AOC/TOC， while biochar reduced soil carbon pool activity and AOC/TOC. The effects of different materials on enzyme activity and root activity were different. The activities of soil urease and invertase were promoted by steam explosion corn straw， increased by 66.03% and 210.32% compared with the control， respectively. Peat and biochar had no significant effect on soil enzyme activity but delayed root senescence at mature stages. Steam explosion corn straw inhibited root activity of tobacco plant.

Keywords： organic materials； soil carbon pool； enzymatic activity； root activity； flue-cured tobacco

基金項目：河南省煙草公司科技項目“水肥耦合效應(yīng)對登封煙區(qū)豫煙品種產(chǎn)質(zhì)量及肥料利用率的影響”（ZYKJ201416），“登封地區(qū)植煙土壤生態(tài)保育及修復(fù)技術(shù)研究及利用”（ZYKJ201501）

作者簡介：張 璐（1991-），女，在讀碩士研究生，研究方向為煙草栽培。E-mail：zhlu919@163.com。*通信作者，E-mail：liugsh@371.net

收稿日期：2017-09-23 修回日期：2018-03-26

當(dāng)今農(nóng)業(yè)為提高產(chǎn)量，過量施用化肥，有機(jī)肥使用不足，造成土壤碳含量和生物活性降低，土壤質(zhì)量惡化。根際作為根系與土壤進(jìn)行物質(zhì)能量交換的場所，其理化性質(zhì)及生物活性與植物生長代謝聯(lián)系緊密，對煙株生長發(fā)育和煙葉品質(zhì)有著直接影響[1-3]，利用有機(jī)物料改善烤煙根際微環(huán)境，對于植煙土壤的保育非常必要。

目前，已有較多關(guān)于有機(jī)物料改良土壤的研究報道。喬潔等[4]和徐辰生[5]研究表明，施用草炭能夠提高土壤生物活性和根系活力。王麗淵等[6]和葉協(xié)鋒等[7]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠提高土壤碳庫管理指數(shù)和有機(jī)質(zhì)含量；谷思玉等[8]研究表明施用生物炭后大豆根際土壤酶活性和微生物數(shù)量得到顯著提升。李艷平等[9]發(fā)現(xiàn)，施用混合有機(jī)肥能夠提高根際土壤脲酶以及蔗糖酶活性，并對烤煙根系活力有促進(jìn)作用。然而，目前關(guān)于草炭、生物炭和秸稈的研究多集中于對煙田耕層土壤的影響[4，7，10]，此外，蒸汽爆破玉米秸稈是利用蒸汽瞬間釋放壓力的物理反應(yīng)改變物質(zhì)結(jié)構(gòu)[11]，能有效分解纖維素和木質(zhì)素，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中常見于生產(chǎn)腐殖酸，但有關(guān)汽爆物料改良土壤的研究鮮見報道，因此豐富汽爆秸稈還田方面的科學(xué)研究也很有必要。本試驗選取草炭、花生殼生物炭和蒸汽爆破玉米秸稈3種有機(jī)物料，研究相同碳含量施用對煙株根際土壤碳組份、土壤酶活性和煙株根系發(fā)育的影響，通過深入研究生物質(zhì)資源不同利用途徑對植煙土壤改良效果的差異，為我國植煙土壤保育技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年5—10月在河南省登封市宣化鎮(zhèn)進(jìn)行，采用盆栽試驗，供試品種為豫煙6號，供試土壤為壤質(zhì)潮土（潮濕雛形土），其基本理化性質(zhì)為：有機(jī)碳5.8 g/kg，堿解氮40 mg/kg，速效磷16 mg/kg，速效鉀110 mg/kg，pH 7.57。試驗用土取自大田耕作層表土，風(fēng)干過篩，除去石子和植物殘體，與化肥混勻后裝盆，每盆裝土25 kg，肥料用量為氮素5.64 g/盆，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=1∶1∶3，N、P、K肥分別為分析純硝酸銨、磷酸二氫鉀、硫酸鉀。70%硝酸銨、全部磷酸二氫鉀和40%硫酸鉀做基肥，剩余在移栽后20 d做追肥隨水施入。5月20日移栽，其他管理按照常規(guī)栽培方式進(jìn)行。有機(jī)物料成分見表1。

表1 供試有機(jī)物料的主要特性

Table 1 Nutrient contents of tested organic materials

有機(jī)物料種類

Organic materials C/% N/% C/N pH P/% K/%

草炭Peat 31.00 2.00 15.41 5.94 2.07 0.25

花生殼炭

Peanut shell charcoal 40.01 1.99 20.19 9.22 0.11 0.17

汽爆玉米秸稈

Steam explosion corn straw 37.00 2.09 17.81 6.24 0.46 0.47

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)4個處理（表2）：單施化肥CK；化肥+草炭處理T1；化肥+生物炭處理T2；化肥+汽爆玉米秸稈處理T3。除CK外，按總碳一致的原則施用各有機(jī)物料，每盆總碳施用量為0.35 kg/盆。將風(fēng)干后的有機(jī)物料和化肥、土壤混勻后裝盆，每個處理20個重復(fù)，按照行株距110 cm×50 cm放置盆栽，大田整地起壟后將盆埋入土中，避免高溫陽光直射，保水降溫。各處理盆體按照隨機(jī)區(qū)組排列。盆底放置碎瓷片防止煙株根系伸出盆外。

表2 試驗施肥設(shè)計

Table 2 The experiment design of fertilization treatments

處理

Treatment 化肥Fertilizer/（g·plant-1） 有機(jī)物料Organic materials

N P2O5 K2O 施用量

Application amount/

（kg·plant-1） 含水率

Water

Content/% C/%

CK 5.64 5.64 16.92 — — —

T1 5.64 5.64 16.92 1.249 9.65 31.00

T2 5.64 5.64 16.92 0.896 2.39 40.01

T3 5.64 5.64 16.92 0.998 5.31 37.00

1.3 取樣及測定

從烤煙移栽后30 d到90 d，每隔15天在每個處理小區(qū)取代表性烤煙3株，采用抖根法采集根際土，過2 mm篩后用于測定土壤酶活性、土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳；同時用沖根法取得新鮮完整煙草根系，迅速帶回實驗室測定根系活力。

根際土壤總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定[12]；土壤活性有機(jī)碳采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法[13]測定；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法；測定脲酶活性采用比色法[14]；根系活力采用TTC法[15]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用IBM Statistics SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié) 果

2.1 有機(jī)物料對根際土壤碳庫指標(biāo)的影響

2.1.1 有機(jī)物料對根際土壤總有機(jī)碳（TOC）含量的影響 圖1顯示，不同有機(jī)物料處理根際土壤總有機(jī)碳均有顯著提高，并隨時間推遲呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢。移栽30 d各處理變化無明顯規(guī)律，移栽60 d到90 d時各處理有機(jī)碳含量緩慢下降，其中T2處理總有機(jī)碳含量始終高于其他處理。移栽后90 d，CK處理與移栽初期相比降低12.21%，表明在不補(bǔ)充碳源的情況下，土壤總有機(jī)碳含量會不斷礦化降低。而施加有機(jī)物料后TOC含量雖然有所降低，但與對照相比仍有較大幅度提高，T1、T2和T3在90 d時的提高幅度分別為33.10%、45.24%和36.80%。

圖1 有機(jī)物料對根際土壤總有機(jī)碳含量動態(tài)變化的影響

Fig.1 Effects of organic materials on dynamic changes of rhizosphere soil total organic carbon contents

2.1.2 有機(jī)物料對根際土壤活性有機(jī)碳（AOC）含量的影響 從表3看出，與對照相比，各處理根際土壤活性有機(jī)碳含量在不同時期有顯著提高。T1處理在移栽后60 d前逐漸降低，之后逐漸升高，在75 d出現(xiàn)峰值，并顯著高于其他處理，與對照相比最多增加238.70%，T2處理與對照相比增效不顯著，在60 d時比對照降低4.68%，T3處理在移栽后60 d時顯著高于其他處理。各處理在不同生育期內(nèi)與對照相比均有所提高，其中在烤煙成熟期即90 d時分別比對照增加75.79%、52.15%和135.04%。

表3 有機(jī)物料對根際土壤活性有機(jī)碳動態(tài)變化的影響

Table 3 Effects of organic materials on dynamic changes of rhizosphere soil active organic carbon （AOC） contents g/kg

處理

Treatment 移栽后時間 Days after transplanting/d

30 45 60 75 90

CK 0.98c 1.03d 1.53b 0.57c 1.23d

T1 2.78a 2.78a 1.40b 2.80a 2.16b

T2 0.99c 1.55c 1.46b 1.11b 1.87c

T3 2.07b 1.79b 3.49a 1.09b 2.88a

注：同列中小寫字母表示不同處理間差異達(dá)到5%顯著水平，下同。

Note： Different lowercase letters in the same column in the table show significant difference （P<0.05）， the same blow.

2.1.3 有機(jī)物料對根際土壤碳庫活度的影響 碳庫活度是活性有機(jī)碳占非活性有機(jī)碳（總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的差值）的比例。表4顯示，各處理土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例（AOC/TOC）存在顯著差別，不同處理與對照相比有顯著提高。其中T1和T3處理分別在不同時期達(dá)到最高，并顯著高于其他處理，T2處理則一直處于中下水平，甚至低于對照。碳庫活度與添加的有機(jī)物料種類相關(guān)，且不同處理間碳庫活度存在顯著差異。T1和T3處理在不同時期碳庫活度顯著高于其他處理對照，T2

表4 有機(jī)物料對根際土壤AOC/TOC和碳庫活度的影響

Table 4 Effects of organic materials on ratio of AOC to TOC and carbon lability in rhizosphere soil %

項目

Item 處理

Treatment 移栽后時間Days after transplanting/d

30 45 60 75 90

AOC/TOC CK 12.59b 15.19c 22.42b 12.15b 17.83c

T1 26.07a 26.74a 14.57c 30.68a 23.54b

T2 9.11b 14.83c 13.87c 9.93b 15.83c

T3 26.81a 19.34b 29.96a 11.34b 30.68a

碳庫活度

Carbon lability CK 14.42b 17.94b 28.94b 13.89b 21.70c

T1 35.45a 36.53a 17.06c 44.28a 30.80b

T2 10.03b 15.79b 16.11c 11.03b 18.82c

T3 36.68a 20.86b 42.77a 12.80b 44.38a

注：碳庫活度，活性有機(jī)碳占非活性有機(jī)碳的比例。

Note： Carbon lability， ratio of active organic carbon to inactive organic carbon.

處理碳庫活度在移栽后60 d到90 d時期中一直低于對照處理。

2.2 有機(jī)物料對根際土壤酶活性的影響

2.2.1 有機(jī)物料對根際土壤脲酶活性的影響 圖2顯示，施用有機(jī)物料處理根際土壤的脲酶活性除T3處理呈“M”形變化趨勢外，其他處理變化趨勢不一。總體來看，除在烤煙移栽后30 d和90 d時，T3處理與對照相比差異不明顯外，其他生育時期，T3的脲酶活性都明顯高于其他處理，最多增加了66.03%。這說明汽爆玉米秸稈能促進(jìn)土壤脲酶活性提高，加速氮的轉(zhuǎn)化。移栽后75～90 d，T3處理脲酶活性有所降低，符合此時煙葉對氮素的需求規(guī)律，土壤中氮素適當(dāng)降低有利于煙葉成熟落黃。

圖2 有機(jī)物料對根際土壤脲酶活性動態(tài)變化的影響

Fig. 2 Effects of organic materials on the dynamic changes of rhizosphere soil urease activities

2.2.2 有機(jī)物料對根際土壤蔗糖酶活性的影響 由圖3可知，各處理的根際土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)出降低-升高-逐漸平緩的趨勢。移栽后60 d，T3處理蔗糖酶活性出現(xiàn)峰值，與對照相比高出47.75%，T1、T2、CK處理達(dá)到最高值，大小關(guān)系為T3>T2>CK>T1，60 d以后，除T3處理繼續(xù)緩慢升高，各處理蔗糖酶活性變化逐漸平緩。在整個生育期內(nèi)，T3處理的蔗糖酶活性最高，較CK處理提高幅度為47.75%～210.32%。

2.3 有機(jī)物料對烤煙根系活力的影響

圖4顯示，各處理煙株根系活力在整個生育期內(nèi)變化明顯，其中T2處理變化呈“M”形趨勢，分別在45 d和75 d時達(dá)到峰值。T3和CK處理呈先升高后下降趨勢，T3在75 d到90 d有小幅度上升。T1從45 d開始下降，60 d開始逐漸升高直到90 d。T1處理在90 d時比對照提高36.99%，T2處理在75 d時比對照提高21.92%。從整體看CK從45 d時的峰值開始不斷下降，而施用有機(jī)物料處理根系活力出現(xiàn)最低值的時間不同，在75 d到90 d，T1和T3處理根系活力逐漸回升，說明施用有機(jī)物料能小幅度提高成熟期根系活力，有利于煙株繼續(xù)吸收土壤養(yǎng)分。

圖3 有機(jī)物料對土壤蔗糖酶活性動態(tài)變化的影響

Fig. 3 Effects of organic materials on the dynamic changes of rhizosphere soil invertase activities

圖4 有機(jī)物料對烤煙根系活力動態(tài)變化的影響

Fig. 4 Effects of organic materials on dynamic changes of flue-cured tobacco root activity

3 討 論

3.1 不同有機(jī)物料對根際土壤碳庫的影響

本研究表明，施用有機(jī)物料后烤煙根際土壤總有機(jī)碳含量均有所增加，這是因為生物炭含碳量豐富[7]，草炭中腐殖酸等有機(jī)質(zhì)[4]含量較多，汽爆玉米秸稈含有大量纖維素和木質(zhì)素[16]，施用后一方面能夠直接增加根際土壤總有機(jī)碳含量，另一方面可

通過改善土壤理化狀況促進(jìn)根系生長，使之分泌更多根系分泌物或增加根系表皮脫落來提高外源有機(jī)碳攜入量[17-18]，從而增加根際土壤總有機(jī)碳含量。

活性有機(jī)碳是土壤中容易氧化并被微生物分解利用的土壤碳組分[19]。本研究中，生物炭對根際土壤碳庫活度和土壤活性有機(jī)碳組分貢獻(xiàn)不大，這與葉協(xié)鋒等[7]的研究結(jié)果不同，可能與土壤類型、理化特性及生物炭原料不同有關(guān)，還需更進(jìn)一步的研究。施用草炭和汽爆玉米秸稈處理的土壤碳庫活度和AOC/TOC顯著高于對照處理，可能是因為物料本身的小分子有機(jī)物易于被土壤微生物分解而形成活性有機(jī)碳[20]。

3.2 不同有機(jī)物料對根際土壤酶活性的影響

土壤保持較高的酶活性能夠促進(jìn)有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化為煙株所需養(yǎng)分，可以作為土壤肥力指標(biāo)[21]，有機(jī)物料能夠?qū)ν寥烂富钚援a(chǎn)生顯著影響[9]。有研究[22]認(rèn)為脲酶活性與土壤全氮含量顯著正相關(guān)，本研究中，各處理均在60 d時出現(xiàn)最低值，可能是因為此時煙株處于旺長期，需氮量大，從根際土壤吸收較多氮素，導(dǎo)致土壤全氮含量降低，脲酶活性出現(xiàn)谷值。草炭處理的脲酶活性與對照相比提高不明顯甚至低于對照處理，原因可能是草炭中的腐殖酸[23]對脲酶有一定抑制作用。本試驗中施用生物炭處理的土壤脲酶和蔗糖酶活性與對照相比無明顯差異，可能與生物炭對酶分子的吸附保護(hù)酶促反應(yīng)結(jié)合位點(diǎn)，抑制酶促反應(yīng)的進(jìn)行有關(guān)[24-25]。施用汽爆玉米秸稈則提高了根際脲酶和蔗糖酶活性，表明汽爆秸稈促進(jìn)了土壤有機(jī)物的轉(zhuǎn)化，這與王建武等[26]的研究結(jié)果相同，可能是因為玉米秸稈易被微生物分解，提高了土壤微生物數(shù)量和活性，進(jìn)而促進(jìn)酶的分泌[27]。

3.3 不同有機(jī)物料施用對烤煙根系活力的影響

根系是煙株重要的吸收營養(yǎng)的器官，并且是烤煙煙堿的主要合成部位，發(fā)達(dá)的根系有利于煙株的生長發(fā)育。本研究中，烤煙移栽后30～60 d時各處理根系活力均低于對照，與李艷平等[9]的研究結(jié)果不一致，可能與本試驗有機(jī)物料用量較大有關(guān)，具體原因有待進(jìn)一步研究。成熟期有機(jī)物料處理烤煙根系活力下降幅度低于對照處理，有研究認(rèn)為草炭中的腐殖酸可促進(jìn)烤煙根系抗壞血酸氧化酶等呼吸酶活性的提高[28]，煙株根系活力得到增強(qiáng)。施用生物炭對生育初期根系活力提升效果不顯著，但高于其他物料處理，75 d時與其他處理相比仍有較高活力，可能是生物炭減弱了根系的膜脂過氧化作用，延緩了根系的衰老[18]。然而施用汽爆玉米秸稈降低了烤煙根系活力，可能是因為玉米秸稈經(jīng)過蒸汽爆破處理后，相比草炭和生物炭更易于土壤微生物分解利用，進(jìn)而促進(jìn)根際土壤微生物繁殖，在分解有機(jī)物過程中對土壤氮素產(chǎn)生固持，引起土壤無機(jī)氮的固定或降低土壤氮素的礦化能力[29]和硝態(tài)氮含量[30]，對煙株生長造成影響，導(dǎo)致根系活力降低。

不同物料中碳穩(wěn)定性不同，生物有效性有所差異，因此向土壤補(bǔ)充相同碳含量的情況下，其分解難易程度不同，會直接影響物料在土壤中的轉(zhuǎn)化，形成含量不等的碳組分，對烤煙根際土壤的影響也不盡相同。生物炭理化性質(zhì)穩(wěn)定不易降解，施入土壤后更多的是從改變根際pH、陽離子交換量、容重及孔隙度等來間接影響根際土壤狀況，另外，生物炭的吸附特性也造成對土壤酶活性的影響復(fù)雜多變。此外生物炭易于微生物分解利用的組分少，炭化還田提高了有機(jī)碳含量，但對土壤碳庫活度無顯著提高[31]。而草炭和玉米秸稈化學(xué)能多，小分子有機(jī)物量大，易被微生物分解轉(zhuǎn)化為活性高、周轉(zhuǎn)快的碳組份，所以活性有機(jī)碳和土壤碳庫活度高，同時小分子有機(jī)物為微生物提供碳源，促進(jìn)了土壤微生物繁殖，提高土壤酶的分泌，增加了土壤肥力。在草炭的實際施用中建議適量增加氮肥，確保煙株得到充足供氮量，生物炭在施用后期表現(xiàn)出延緩根系衰老的作用，因此提前施入土壤可以改善煙株前期根系活力，汽爆玉米秸稈施入土壤后有機(jī)物轉(zhuǎn)化快，根際土壤酶活性高但根系活力低，其相關(guān)機(jī)理需進(jìn)一步試驗探討。有機(jī)物料對土壤環(huán)境的影響是復(fù)雜而又多方面的，與不同有機(jī)物料理化性質(zhì)有密切關(guān)系，盆栽試驗作為基礎(chǔ)研究，為今后的研究提供參考，具體的施用策略需要結(jié)合大田短期和長期施用的試驗結(jié)果再做出進(jìn)一步探討。

4 結(jié) 論

（1）草炭、生物炭和汽爆玉米秸稈均可提高烤煙根際土壤總有機(jī)碳含量。施用草炭和汽爆玉米秸稈對土壤活性有機(jī)碳含量和碳庫活度有明顯提高作用，有利于促進(jìn)土壤有機(jī)碳組分的循環(huán)轉(zhuǎn)化，而生物炭施入土壤后降低了根際土壤碳庫活度。

（2）施用汽爆玉米秸稈可以提高根際土壤脲酶和蔗糖酶活性，但草炭和生物炭對土壤酶活性影響不顯著。

（3）從烤煙根系活力來看，草炭和生物炭延緩了成熟期根系活力下降，有利于煙株對養(yǎng)分的持續(xù)吸收，因此建議提前施用，提高煙株生長中期的根系活力。

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