生物炭基肥與哈茨木霉菌劑配施對烤煙和植煙土壤質(zhì)量的影響

汪坤魏躍偉姬小明云菲鄒凱隆準

（1河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院，450002，河南鄭州；2湖南省煙草公司邵陽市公司，422200，湖南邵陽）

煙草作為我國最重要的經(jīng)濟作物之一，是煙區(qū)農(nóng)民增收的主要來源，在國民經(jīng)濟中有重要的地位，目前中國烤煙的種植面積和產(chǎn)量均處于世界第一[1]。然而在烤煙生產(chǎn)中，連年的化肥施用使得植煙土壤肥力下降，土傳病害和土壤板結日益嚴重，導致煙葉的品質(zhì)逐漸下降[2-3]。

增施生物炭基肥有利于改善土壤環(huán)境和煙葉質(zhì)量。陳懿等[4]研究表明，炭基肥可以提升土壤速效養(yǎng)分和酶活性；Zhang等[5]研究表明，施用生物炭基肥可以增加土壤微生物豐度，提高煙葉質(zhì)量。張志浩[6]研究結果顯示，煙株長勢隨著生物炭基肥施用量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，適宜用量的生物炭基肥可以協(xié)調(diào)煙葉內(nèi)在化學成分；Wang等[7]研究發(fā)現(xiàn)，炭基肥加氮可以改善土壤質(zhì)量，提高棉花產(chǎn)量；Zhang等[8]研究結果顯示，生物炭基有機肥可增加植株的生物量和提升土壤微生物豐度。

烤煙常見的土傳病害有黑脛病（black shank，BS）、根黑腐病（tobacco black root rot，TBRR）和青枯?。╞acterial wilt，BW）等，對煙草有極大危害。生長發(fā)育期間一旦發(fā)病，將直接影響煙葉質(zhì)量和經(jīng)濟效益[9]。哈茨木霉與多種植物病原真菌表現(xiàn)為拮抗作用，被用來作為生物防治的重要因子[10]。Mustafa等[11]研究發(fā)現(xiàn)，哈茨木霉的分離物可以作為真菌病原體的高效生物防治劑；鄧俊杰等[12]研究表明，哈茨木霉具有促進月季生長和提高其抗性的作用；Shukla等[13]研究發(fā)現(xiàn)，有機肥和生物菌肥結合施用可有效改善土壤有機碳、土壤微生物種群、微生物量碳氮和土壤呼吸；王玥雙[14]研究表明，哈茨木霉對草莓灰霉病有防治效果；韓松庭等[15]研究表明，哈茨木霉可以有效防控煙草青枯病并促進煙草前期生長發(fā)育。

湖南省是我國濃香型烤煙重要的主產(chǎn)區(qū)之一，現(xiàn)有的高強度煙稻輪作生產(chǎn)模式使得部分地區(qū)土壤地力下降和土傳病害問題日趨嚴重[3]。因此開展生物炭基肥與哈茨木霉菌劑配施的研究，旨在改善當?shù)刂矡熗寥蕾|(zhì)量和煙葉品質(zhì)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試烤煙品種為云煙87。供試生物炭基肥由生物炭、植物油粕、腐殖酸、礦物肥和多種微量元素等組成，由河南惠農(nóng)土質(zhì)保育研發(fā)有限公司提供，其中有機肥總養(yǎng)分≥5%，有機質(zhì)（以干基計）≥45%，生物炭含量≥20%，水分≤30%，氯離子含量≤1%，粗脂肪含量≥1%。

哈茨木霉菌劑由河南農(nóng)業(yè)大學煙草科教園區(qū)微生物實驗室制備，菌劑含活菌≥20億/g。

試驗地土壤為煙稻輪作土。施肥前取樣測定土壤有機質(zhì)36.88g/kg，速效磷31.74mg/kg，速效鉀116.35mg/kg，堿解氮81.16mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗于2019年3月至9月在湖南省邵陽河伯鄉(xiāng)楊田村進行。共設4個處理（表1），采用隨機區(qū)組設計，3次重復，每個小區(qū)面積66.67m2，共計800.00m2。各處理基肥施用方式均為起壟后條施，追肥用量一致。

表1 各處理基肥用量及肥料養(yǎng)分投入量Table 1 The amounts of base fertilizer and fertilizer nutrient input for each treatment kg/hm2

煙苗移栽時間為3月15日，各處理所有農(nóng)事操作要求在同一天完成，其他田間管理措施均按當?shù)責熑~生產(chǎn)技術方案操作。

哈茨木霉菌劑用量用法：15kg/hm2，對水后每株用量200mL；對照組每株200mL清水。均在移栽后30d揭地膜灌根。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 烤后樣品指標測定 各處理小區(qū)選取代表性中部葉C3F、上部葉B2F初烤煙1.0kg用于以下指標的測定。

采用YC/T 202—2006[16]的方法測定煙草中多酚類物質(zhì)含量；采用行業(yè)標準測定總糖、還原糖、煙堿、總氮、鉀和氯含量[3]，并計算氮堿比、糖堿比和鉀氯比；采用同時蒸餾萃取裝置對中性香味物質(zhì)進行提取，并采用7890A-5977B氣-質(zhì)聯(lián)用儀進行定性定量分析[17]。

1.3.2 生長發(fā)育期指標測定 依據(jù)YC/T 39-1996[18]統(tǒng)計發(fā)育期煙草發(fā)病率（普通花葉病、黑脛病和青枯?。┘安∏橹笖?shù)。

殺青樣礦質(zhì)營養(yǎng)元素積累量：于移栽后40、60、80d在各小區(qū)取長勢一致的3株烤煙的煙葉進行殺青，65℃烘干，過60目篩，3株混合為1個樣品。取0.4g樣品用全自動消解儀（型號S60UP）進行消解，消解完成后過濾得到樣品，用ICP-MPX光譜儀檢測礦質(zhì)營養(yǎng)元素積累量。

1.3.3 根際土壤指標測定 分別于移栽40、55、70、85和100d在各小區(qū)按五點取樣法選取長勢均勻的5株烤煙的根際土壤，混合為1個樣品，參照《土壤農(nóng)化分析》[19]測定速效磷、速效鉀、有機質(zhì)和堿解氮含量；采用酶試劑盒（蘇州科銘生物技術有限公司生產(chǎn)）測定脲酶和蔗糖酶活性。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析 采用DPS 7.5軟件進行數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計、差異性分析處理；采用Excel 2003和GraphPad Prism 8.0進行統(tǒng)計分析和制圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理烤前煙株發(fā)病率統(tǒng)計

由圖1a可知，各處理煙草普通花葉?。╰obacco mosac virus，TMV）和黑脛病發(fā)病率均表現(xiàn)為C1＞C2＞T1＞T2，C2、T1、T2較C1處理發(fā)病率分別降低2.04和2.22、5.37和2.41、5.56和2.96個百分點；青枯病發(fā)病率表現(xiàn)為C1＞T1＞C2＞T2，T1、C2和T2較C1處理分別降低4.63、3.52、5.00個百分點。由圖1b可知，普通花葉病的病情指數(shù)C1最高，比C2、T1和T2分別高出18.11%、100.43%和117.37%；黑脛病和青枯病的病情指數(shù)，其他處理較C1最大降低幅度分別達1.86和1.83倍。

圖1 不同處理對發(fā)病率和病情指數(shù)的影響Fig.1 The effects of different treatments on incidence and disease index

由圖2可知，C2處理的普通花葉病防治效果較T1、T2處理分別低35.18和39.38個百分點；T2處理黑脛病相對防治效果比T1和C2處理高12.78和20.54個百分點；C2處理的青枯病防治效果比T1處理高11.73個百分點，比T2處理低13.16個百分點。

圖2 不同處理對相對防治效果的影響Fig.2 The effects of different treatments on relative control effect

2.2 不同處理殺青樣礦質(zhì)營養(yǎng)元素積累

如表2所示，隨著移栽后時間的增長，各處理的礦質(zhì)元素含量有逐漸降低的趨勢。在測定周期中，C2處理的K、Mg、P、Cu、Mn、B和Zn含量較C1處理分別增加4.10%～26.49%、4.26%～5.62%、1.41%～11.68%、20.88%～32.08%、2.83%～13.43%、3.58%～18.88%和9.77%～16.59%；T1處理的Ca、K、Mg、P、Cu、Fe、Mn、B和Zn含量較C1分別增加0.26%～18.19%、9.83%～23.99%、21.01%～26.89%、22.31%～42.34%、48.40%～75.52%、18.12%～33.59%、24.42%～55.55%、25.09%～34.57%和16.92%～23.22%；T2處理的Ca、K、Mn和Zn含量較T1增加最大幅度分別為13.14%、6.50%、2.55%和7.86%。

表2 不同處理對殺青樣礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量的影響Table 2 The effects of different treatments on the contents of mineral nutrient elements

2.3 不同處理對根際土壤速效養(yǎng)分的影響

由表3可知，測定周期內(nèi)，生物炭基肥處理（T1和T2）的堿解氮、有機質(zhì)、速效鉀和速效磷含量均顯著高于常規(guī)施肥處理C1和C2。T1、T2處理的堿解氮含量相對于C1、C2處理，增幅為29.61%～60.68%。有機質(zhì)含量隨著移栽天數(shù)的增加逐漸降低，T1、T2處理的有機質(zhì)含量較C1和C2處理增幅為7.01%～21.90%。速效鉀和速效磷含量呈先增加后減少的趨勢，T1、T2處理的速效鉀含量較C1、C2處理增幅為49.19%～98.09%。在移栽后70d，各處理的速效磷含量達最高水平，T1和T2處理較C1和C2處理增加了43.57%～52.77%。

表3 不同處理對根際土壤速效養(yǎng)分含量的影響Table 3 Effects of different treatments on the contents of available nutrients in rhizosphere soil

2.4 不同處理對根際土壤酶活性的影響

由表4可知，隨生育期的推進，根際土壤蔗糖酶和脲酶活性呈先升高后降低的趨勢。在移栽后100d時，生物炭基肥處理（T1、T2）的蔗糖酶活性較常規(guī)施肥處理（C1、C2）增幅最大，T1、T2處理較C1的增幅分別為82.17%和88.64%；T1、T2處理較C2的增幅分別為84.15%和90.69%。在移栽后70d，各處理脲酶活性達到最大值，此時脲酶活性表現(xiàn)為T2＞T1＞C2＞C1，其中處理T2較C2增加了78.28%，T1較C1增加了77.11%，且均差異顯著。

表4 不同處理對根際土壤酶活性的影響Table 4 Effects of different treatments on enzyme activities in rhizosphere soil

2.5 不同處理對烤后樣常規(guī)化學成分的影響

由表5可知，在烤后樣（C3F）中，T2處理的還原糖含量顯著高于其他處理，較C1、C2處理分別增加3.46和1.81個百分點；T1處理的鉀含量顯著高于C1和C2處理，分別增加0.19和0.38個百分點；C1處理的總氮含量顯著高于其他處理，較T1、T2分別高出0.23和0.14個百分點；T1、T2處理的鉀氯比顯著高于C1和C2處理，增幅為16.51%～27.52%。

表5 不同處理對烤后樣（C3F）常規(guī)化學成分的影響Table 5 The effects of different treatments on the conventional chemical composition of the baked samples(C3F)

由表6可知，在烤后樣（B2F）中，生物炭基肥處理（T1、T2）的總糖和還原糖含量顯著高于常規(guī)施肥處理（C1、C2），增加幅度分別為1.41～2.48個百分點和1.73～2.57個百分點；C2處理的煙堿含量最高，較T2處理高出0.12個百分點；T2處理的鉀氯比顯著高于其他處理，較C1增加19.24%；各處理糖堿比為T2＞T1＞C1＞C2，T1、T2處理較C1和C2增加10.50%～15.87%。

表6 不同處理對烤后樣（B2F）常規(guī)化學成分的影響Table 6 The effects of different treatments on the conventional chemical composition of the baked samples(B2F)

2.6 不同處理對烤后樣多酚類物質(zhì)含量的影響

由表7可知，生物炭基肥處理（T1、T2）的多酚物質(zhì)總量顯著高于常規(guī)施肥處理（C1、C2）。在烤后樣（C3F）中，T1處理的綠原酸含量較C1高出9.16%，T2處理的綠原酸含量較C2高出11.86%；各處理多酚物質(zhì)總量表現(xiàn)為T2＞T1＞C2＞C1，T1比C1顯著增加8.13%，T2比C2顯著增加8.41%。

表7 不同處理對烤后樣（C3F）多酚物質(zhì)含量的影響Table 7 Effects of different treatments on the contents of polyphenols of the baked samples(C3F) mg/g

由表8可知，在烤后樣（B2F）中，T2處理的蕓香苷含量顯著高于其他處理，較C2增加6.92%；各處理多酚物質(zhì)總量表現(xiàn)為T2＞T1＞C2＞C1，T1較C1顯著增加9.18%，T2較C1顯著增加10.07%。

表8 不同處理對烤后樣（B2F）多酚物質(zhì)含量的影響Table 8 Effects of different treatments on the contents of polyphenols of the baked samples(B2F) mg/g

2.7 不同處理對烤后樣中性致香物質(zhì)成分的影響

由表9可知，在烤后樣（C3F）中，各處理煙葉的類胡蘿卜素降解產(chǎn)物含量以T2處理最高，較C2提升了8.88%，T1比C1高10.34%；T2處理的類西柏烷類產(chǎn)物含量較C2增加4.91%；新植二烯和致香物質(zhì)總量均表現(xiàn)為T2＞T1＞C2＞C1，T1較C1分別增加9.84%和9.55%，T2較C2分別增加11.42%和10.75%。

表9 不同處理對烤后樣（C3F）中性致香物質(zhì)含量的影響Table 9 Effects of different treatments on the contents of neutral aroma substances of the baked samples(C3F) μg/g

由表10可知，在烤后樣（B2F）中，T2處理煙葉中的芳香族氨基酸類產(chǎn)物含量最高，較C2增 加18.77%；T1處理新植二烯含量最高，T2處理致香物質(zhì)總量最高。T1處理的新植二烯和致香物質(zhì) 總量較C1分別增加8.84%和7.72%，T2處理較C2分別增加10.65%和10.05%。

表10 不同處理對烤后樣（B2F）中性致香物質(zhì)含量的影響Table 10 Effects of different treatments on the contents of neutral aroma substances of the baked samples(B2F) μg/g

2.8 煙草發(fā)病率與煙葉礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量及土壤質(zhì)量與煙葉品質(zhì)的相關性分析

由圖3a可知，煙草普通花葉病發(fā)病率與煙葉中礦質(zhì)營養(yǎng)元素K、P、Mn和Zn的含量呈極顯著負相關（P＜0.01），與Mg、Cu、Fe和B含量呈顯著負相關（P＜0.05）；黑脛病發(fā)病率與K、Cu、Mn和Zn含量呈顯著負相關（P＜0.05）；青枯病發(fā)病率與Zn含量呈顯著負相關（P＜0.05）。如圖3b所示，煙葉初烤后的煙堿和氯含量與根際土壤中的堿解氮、速效磷、速效鉀、蔗糖酶和脲酶均呈顯著負相關（P＜0.05）；綠原酸、總糖、還原糖與速效磷和脲酶均呈極顯著正相關（P＜0.01）。說明煙葉病害發(fā)病率與煙葉中的礦質(zhì)營養(yǎng)元素有一定關聯(lián)，根際土壤中的養(yǎng)分對煙葉質(zhì)量也能產(chǎn)生影響。

圖3 煙草病害和土壤質(zhì)量與煙葉品質(zhì)的相關性分析Fig.3 Correlation analysis of tobacco diseases,soil quality and tobacco leaf quality

3 討論

3.1 生物炭基肥和哈茨木霉菌劑對煙葉質(zhì)量的影響

煙草土傳病害嚴重危害煙葉質(zhì)量。本試驗表明，生物炭基肥和哈茨木霉菌劑配施可以降低煙草病害的發(fā)病率和病情指數(shù)，提升煙葉的礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量。同時，煙株的發(fā)病率與煙葉礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量呈現(xiàn)負相關，與Yuan等[20]研究一致。Dordas[21]研究表明，植物礦質(zhì)營養(yǎng)元素與植物病害有一定聯(lián)系，可用植物營養(yǎng)元素來控制植物病害水平。植物礦質(zhì)元素是作物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，許多礦質(zhì)元素對病原物侵染引起的本能防御反應都有積極影響[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭基肥和哈茨木霉菌劑對煙草礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量有一定的促進作用?？赡艿脑蛞皇巧锾康奈阶饔肹23]，大量礦質(zhì)氮會在土壤中累積，這為植物生長提供充足肥力，促進煙株生長，增加了煙葉中礦質(zhì)元素的含量；二是礦質(zhì)營養(yǎng)元素可以增加植物細胞壁的厚度，對病原體的機械阻隔能力增強，同時礦質(zhì)營養(yǎng)元素可以促進煙株分泌合成植保素和黃酮類等一些抗氧化劑，產(chǎn)生本體防御機制表達[24]。煙葉品質(zhì)高低依賴于其內(nèi)在化學成分比例的協(xié)調(diào)性[25]。本試驗中，生物炭基肥和哈茨木霉菌劑配施以及單施生物炭基肥可增加中部葉還原糖含量，提升上部葉總糖含量；且生物炭基肥和哈茨木霉菌劑配施可降低煙葉總氮含量。本試驗表明，生物炭基肥和哈茨木霉菌劑配施可以提升煙葉的鉀氯比和糖堿比達更適范圍[26]，對上部葉的協(xié)調(diào)性更佳，這可能因為生物炭基肥有較強的生物穩(wěn)定性，可以改善土壤微生物環(huán)境，使土壤養(yǎng)分供應更加協(xié)調(diào)，進而提升了煙葉的質(zhì)量[27]。多酚類物質(zhì)含量對煙葉的香氣質(zhì)量有重要影響。本試驗結果表明，生物炭基肥與哈茨木霉配施有助于煙葉多酚物質(zhì)含量的增加。煙葉香氣是衡量煙葉品質(zhì)的重要指標，中致香物質(zhì)的含量和種類都對煙葉的香氣質(zhì)和香氣量有著重大的影響。煙葉中新植二烯是重要的萜烯類化合物，含量最高。本試驗條件下，生物炭基肥和哈茨木霉配施以及僅施生物炭基肥均可提高煙葉中性致香物質(zhì)總量和新植二烯含量。單施哈茨木霉對致香物質(zhì)成分影響細微。這可能是因為炭基有機肥料中的生物炭可以調(diào)控土壤養(yǎng)分平衡，提高土壤碳氮比，不同程度提高煙葉碳氮關鍵酶活性，有利于促進煙株的碳氮代謝平衡[28]，這種平衡有助于內(nèi)含物質(zhì)的轉化，進而增加中性致香物質(zhì)的含量。

3.2 生物炭基肥和哈茨木霉菌劑對根際土壤狀況的影響

土壤養(yǎng)分是煙株生長發(fā)育的必需物質(zhì)。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，生物炭基肥可以增加煙草根際土壤中的速效養(yǎng)分含量，這與Gao等[29]研究結果一致。這可能與生物炭基肥本身有機質(zhì)占比較大有關；同時生物炭基肥可以提升土壤微生物群落的豐富度和多樣性[28]，對肥料的礦化有促進作用。土壤微生物活性綜合體現(xiàn)為土壤酶的活性，土壤酶活性與土壤肥力狀況以及微生物活力密切相關。同時，土壤酶活性的增加有助于提升土壤中營養(yǎng)元素的轉換和利用效率[30]，促進煙株的生長發(fā)育，進而提升煙葉的質(zhì)量。脲酶是對氮素轉化起關鍵作用的酶，可用它的活性來表示土壤的供氮能力，蔗糖酶活性反映的是土壤有機質(zhì)積累和轉化狀況。本試驗表明施用生物炭基肥均不同程度提高了根際土中的蔗糖酶和脲酶活性，這與趙軍等[31]研究結果相似。單施哈茨木霉菌劑對根際土壤沒有明顯影響，可能與生物炭基肥為相關酶促反應提供了一定底物有關[32]；另外，生物炭基肥中的生物炭獨特的孔隙結構，為根際土中的微生物和有益菌落提供了良好的生存空間和反應場所[33]。

綜上可知，煙葉礦質(zhì)營養(yǎng)元素平衡影響煙草病害發(fā)病率，生物炭基肥和哈茨木霉菌劑配施可以通過改善土壤速效養(yǎng)分和酶活性，促進煙株對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，改善煙葉礦質(zhì)營養(yǎng)元素條件，從而抑制煙草病害發(fā)生。生物炭基肥一定程度上改善了土壤營養(yǎng)環(huán)境，部分處理未能顯著影響煙葉化學品質(zhì)和致香成分，可能與煙葉成熟期氣候異常有關[34]。

4 結論

生物炭基肥對煙草普通花葉病有一定防治效果，生物炭基肥與哈茨木霉菌劑配施對黑脛病和青枯病防治效果顯著；生物炭基肥和哈茨木霉菌劑配施對植煙土壤改良有促進作用，可以平衡煙葉內(nèi)在化學成分，提升煙葉香氣質(zhì)量；常規(guī)施肥與哈茨木霉配施對煙葉化學成分和香氣質(zhì)量影響不顯著。