高碳基肥部分替代化肥對重慶土壤特性和煙葉品質(zhì)的影響

李學(xué)芹，華仲臣，馮億忠，胡心雨，沈 錚，潘昊東，蔣洪財，武云杰，姚鵬偉*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，國家煙草栽培生理生化研究基地，煙草行業(yè)煙草栽培重點實驗室，鄭州 450002；2.重慶市煙草公司武隆分公司，重慶 408500；3.重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 400060）

自1983 年種植烤煙以來，武隆區(qū)一直是重慶市重要的產(chǎn)煙區(qū)之一。但隨著植煙年限不斷增長，加上不合理的施肥方式，該地區(qū)植煙土壤酸化[1]，有機碳含量下降，土壤疏松度和通透性變差，生物學(xué)特性惡化，進而導(dǎo)致煙葉品質(zhì)和煙農(nóng)收益降低[1]。施用有機肥可以提高植煙土壤有機質(zhì)含量、生物活性和酶活性，改善土壤環(huán)境，提高煙葉產(chǎn)質(zhì)量[3]。朱夢瑤等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在湖北省恩施州施用有機肥能提高烤煙旺長期土壤微生物的碳代謝能力。董鳴豪等[5]研究表明，增碳減氮可提升重慶植煙土壤有機質(zhì)與全碳含量，且配施菇渣有機肥明顯提升碳、氮代謝相關(guān)菌群豐度。由于土壤有機碳在短期內(nèi)變化十分微小，對農(nóng)田管理措施的反應(yīng)不夠敏感，因此許多學(xué)者將活性有機碳組分包括微生物量碳、水溶性有機碳和易氧化有機碳等作為反映土壤肥力與質(zhì)量變化的早期預(yù)測指標(biāo)[6]。此外，土壤酶參與土壤碳循環(huán)中的各種生物化學(xué)過程，酶活性的高低可以反映土壤肥力狀況[7]。

高碳基肥是由生物炭、植物油粕、腐殖酸、微量元素等原料復(fù)配制成的一種新型生物炭基肥料[8]。一方面，由于其較大的孔隙度和比表面積，施用高碳基肥可以改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力[9]；另一方面，高碳基肥含有的生物炭呈弱堿性，可向土壤釋放本身含有的K+、Ca2+、Mg2+等鹽基離子，進而提升土壤pH[10]。鄭加玉等[11]在皖南煙田整治區(qū)施用生物炭可提升土壤pH 0.82～1.10。目前部分地區(qū)高碳基肥料被應(yīng)用于煙草生產(chǎn)并取得了良好效果。宋小寧[12]通過漯河舞陽縣大田試驗，發(fā)現(xiàn)高碳基肥1500 kg/hm2與純氮30 kg/hm2配施對改良植煙土壤性質(zhì)及提高煙葉產(chǎn)量、質(zhì)量的效果最好。宋亮[13]在湖南湘西煙區(qū)的研究結(jié)果表明，減氮20%配施3000 kg/hm2高碳基肥可提高土壤pH 與肥力水平，并改善煙葉質(zhì)量。蘇夢迪[14]通過大田試驗表明豐都煙區(qū)施用高碳基肥料750 kg/hm2+純氮88.80 kg/hm2（減氮20%）對改良植煙土壤性質(zhì)及提高煙葉產(chǎn)量、質(zhì)量的效果最好。由此可見，不同煙區(qū)由于生態(tài)條件、生產(chǎn)水平等存在差異，適宜的高碳基肥用量也有所不同。重慶市武隆縣有機肥料資源主要為作物秸稈、人畜糞尿和餅肥等[15]，而關(guān)于高碳基肥在當(dāng)?shù)責(zé)煵萆a(chǎn)施用效果的研究較少，同時在等氮條件下，適宜的高碳基肥替代化肥比例仍不清楚，因此，本研究通過田間試驗，探究等氮條件下化肥配施不同用量高碳基肥對武隆煙區(qū)土壤有機碳、酶活性以及煙葉品質(zhì)的影響，篩選適宜的高碳基肥用量，為指導(dǎo)該區(qū)合理施肥和提升煙葉質(zhì)量提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2021 年4—9 月在武隆區(qū)和順鎮(zhèn)彈子村（E 107°26?38??，N 29°23?4??）進行，海拔983.8 m。0～20 cm 土壤基礎(chǔ)理化特性：pH 5.43，有機質(zhì)2.67 g/kg，全氮1.66 g/kg，堿解氮58.48 mg/kg，有效磷30.35 mg/kg，速效鉀484.40 kg/hm2，黏粒27.33%，粉粒34.73%，砂粒37.94%。

供試烤煙品種為云煙87。高碳基肥來自河南惠農(nóng)土質(zhì)保育研發(fā)有限公司，含總碳≥20%，總氮（N）2.0%、磷（P2O5）1.5%、鉀（K2O）2.5%，有機質(zhì)（干基）≥45%，粗脂肪≥1%。

1.2 試驗設(shè)計

采取隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置5 個處理：CK，當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥，不施用高碳基肥；T1，91%化肥氮+9%高碳基肥氮；T2，82%化肥氮+18%高碳基肥氮；T3，73%化肥氮+27%高碳基肥氮；T4，64%化肥氮+36%高碳基肥氮。每個小區(qū)長8.4 m，寬6.5 m，共91 株煙株，每處理3 次重復(fù)。各處理總氮磷鉀用量保持一致（N 102.4 kg/hm2、P2O5101.3 kg/hm2，K2O 326.6 kg/hm2）。T1-T4 處理分別扣除由高碳基肥帶入的養(yǎng)分含量，不足的磷鉀分別由鈣鎂磷肥（含12% P2O5）和硫酸鉀（含50% K2O）補充，其他肥料施用和CK 處理一致。高碳基肥做底肥，在起壟前一次性條施。于2021 年5 月5 日采用井窖式移栽，移栽規(guī)格為1.2 m×0.5 m，9 月17 日采收結(jié)束。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤取樣及理化性狀測定 分別于移栽后60 和135 d 采用五點取樣法，刮去表層土，分別從各小區(qū)壟上距煙株10 cm 處垂直取0～20 cm 的土壤樣品，每個小區(qū)不同采樣點樣品混合后，用四分法保存為一個樣品，去除石塊和植物殘體等雜物，自然風(fēng)干研磨后過2 mm 篩備用，用于測定土壤總有機碳、活性有機碳和土壤酶活性等指標(biāo)。

土壤總有機碳（TOC）采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；水溶性有機碳（DOC）采用水提取過濾（水土比5∶1）后有機碳分析儀測定；易氧化有機碳（ROC）采用333 mmol/L 高錳酸鉀氧化法測定；微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸浸提法測定[16]。

土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，β-葡萄糖苷酶采用對硝基苯酚法測定，纖維素酶采用熒光酶法測定，多酚氧化酶采用鄰苯三酚法測定[17]。

測定移栽后135 d 土壤養(yǎng)分含量。采用堿解擴散法測定土壤堿解氮含量；采用0.05～0.025 mol/L（1/2 H2SO4）浸提測定土壤有效磷含量；采用火焰光度法測定土壤速效鉀含量；采用電位法測定土壤pH[17]。

1.3.2 烤煙生長期干物質(zhì)積累量 分別于移栽后30、90、120 d 在每個小區(qū)取3 株代表煙株，用鐵鍬將煙株鏟出，并分為根、莖、葉3 部分，105 ℃殺青30 min，65 ℃下烘干至恒重，分別稱量根、莖、葉的干質(zhì)量。

1.3.3 煙葉產(chǎn)量產(chǎn)值及品質(zhì)分析 煙葉成熟后，對各小區(qū)煙葉進行單獨采收，統(tǒng)計烤后煙葉產(chǎn)量并進行專業(yè)化分級，確定烤煙產(chǎn)值、均價和上等煙比例。煙葉總糖、還原糖、煙堿、總氮和鉀含量采用AAIII型連續(xù)流動化學(xué)分析儀測定。參照YC/T 138—1998《煙草及煙草制品感官評價方法》，由河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)等相關(guān)技術(shù)人員評吸鑒定，各項指標(biāo)均按9 分制打分。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗結(jié)果用算術(shù)平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差表示。利用Excel、SPSS 25.0 數(shù)據(jù)分析軟件進行試驗數(shù)據(jù)的計算、差異顯著性分析、相關(guān)性分析和繪圖，利用Origin 2022 進行主成分分析和PCA 圖的繪制。

2 結(jié) 果

2.1 不同處理對烤煙干物質(zhì)積累的影響

由圖1 可知，移栽后30 d，各處理之間干物質(zhì)積累量差異不顯著；移栽后60 d，隨著高碳基肥替代量的增加，各處理根、莖、葉干質(zhì)量均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，且均以T3 處理最大；移栽后90 d，各處理的根、莖、葉干質(zhì)量均表現(xiàn)為T3＞T4＞T1＞T2＞CK，T3 處理的根、莖和葉干質(zhì)量較CK 分別顯著提高27.76%、24.38%和18.24%。

圖1 不同處理對烤煙干物質(zhì)積累的影響Fig. 1 Effects of different treatments on dry matter accumulation of flue-cured tobacco

2.2 不同處理對土壤有機碳含量的影響

由表1 可知，隨高碳基肥替代量的增加，各處理土壤總有機碳含量均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中T3 處理較CK 顯著提高；T3 和T4 處理較CK顯著提高了土壤易氧化有機碳含量。移栽后60 d 和135 d，T3 處理土壤微生物量碳含量分別較CK 顯著提高了53.80%和50.86%。與CK 相比，施用高碳基肥處理土壤水溶性有機碳含量均顯著提高，其中各時期均為T3 處理最高。

表1 不同處理對土壤總有機碳和活性有機碳含量的影響Table 1 Effects of different treatments on total organic carbon and activated organic carbon content in soil

2.3 不同處理對土壤酶活性的影響

由表2 可知，移栽后60 d 和135 d，各時期土壤蔗糖酶活性隨著高碳基肥替代量的增加均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，且均為T3 處理最高，分別較CK 提高了39.28%和33.90%。各時期纖維素酶活性均表現(xiàn)為T3＞T4＞T2＞T1＞CK，其中移栽后60 d，T1、T2、T3、T4 處理較CK 分別提高了24.19%、42.96%、77.98%和73.28%，135 d 分別提高了21.65%、57.26%、71.51%和67.23%。β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性與CK 相比有提升趨勢，但差異不顯著。

表2 不同處理對植煙土壤酶活性的影響Table 2 Effects of different treatments on enzyme activity in tobacco planting soil

2.4 不同處理對土壤養(yǎng)分和pH 的影響

由表3 可知，施用高碳基肥提高了土壤pH，T2 和T4 處理分別較CK 提高了7.31%和9.29%；與CK 相比，T2-T4 處理土壤堿解氮含量降低，但各處理間差異不顯著；隨高碳基肥替代量的增加，土壤有效磷含量有增加的趨勢，但各處理之間無顯著差異；土壤速效鉀含量隨高碳基肥替代量的增加而增加，T1-T4 較CK 分別提高了9.60%、16.32%、27.36%和33.06%。綜合來看，合理施用高碳基肥可以有效緩解武隆煙區(qū)土壤酸化問題并提高土壤速效鉀含量。

表3 不同處理對植煙土壤養(yǎng)分含量和pH 的影響Table 3 Effects of different treatments on nutrient content and pH of tobacco soil

2.5 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

由表4 可知，土壤纖維素酶與TOC、ROC、MBC 及速效鉀含量顯著正相關(guān)（p<0.05）。土壤多酚氧化酶與ROC、MBC 和速效鉀含量顯著正相關(guān)（p<0.05），而與堿解氮含量顯著負(fù)相關(guān)（p<0.05）。土壤β-葡萄糖苷酶與ROC 及速效鉀含量顯著正相關(guān)（p<0.05），與MBC 極顯著正相關(guān)（p<0.01）。土壤pH 與多酚氧化酶、速效鉀、ROC 含量顯著正相關(guān)（p<0.05）。

表4 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between soil enzyme activity and soil physicochemical properties

2.6 土壤有機碳含量和酶活性的主成分分析

由圖2 可知，PC1 和PC2 共解釋了76.4%的變量。在PC1 方向上，CK 和T1 處理分布在正半軸，T3 和T4 處理分布在負(fù)半軸，而T2 處理橫跨兩個半軸；各處理與CK 的距離表現(xiàn)為T4＞T3＞T2＞T1＞CK，說明施用高碳基肥使土壤有機碳和酶活性發(fā)生明顯變化，并且隨著施肥量的增加，影響更加明顯。在PC2 方向上，各處理均橫跨正負(fù)半軸，無顯著空間差異。不同施肥處理活性有機碳組分和土壤酶活性在第一、二主成分上的載荷值見表5。原始變量與2 個主成分間的相關(guān)系數(shù)可用載荷值表征，載荷值越大，表明該原始變量對該主成分的影響越大。除TOC 外，第一主成分的各分量載荷值大致相當(dāng)，說明第一主成分是一個綜合指標(biāo)；第二主成分TOC、ROC 載荷值較大，說明第二主成分主要和TOC、ROC 有關(guān)。

表5 主成分因子載荷分析Table 5 Load analysis of principal component factors

圖2 不同處理對土壤有機碳和酶活性的主成分分析Fig. 2 Analysis of principal components of soil organic carbon and enzyme activities with different treatments

2.7 不同處理對烤后煙化學(xué)成分的影響

由表6 可知，B2F 煙葉，施用高碳基肥的各處理總糖和還原糖含量均顯著高于CK，且均為T4 處理最高。施用高碳基肥的各處理鉀含量均高于CK，增幅在16.25%～41.87%之間。與CK 相比，T2-T4處理均顯著降低煙堿含量。兩糖比在0.86～0.91 之間，糖堿比和鉀氯比均表現(xiàn)為CK 最低。C3F 煙葉，施用高碳基肥的各處理總糖和還原糖含量均高于CK，其中T3 處理較CK、T1、T2 處理顯著提高還原糖含量。與CK 相比，各處理鉀含量增幅在15.57%～54.91%之間，且差異顯著。各處理煙堿含量均低于CK，而糖堿比和鉀氯比均高于CK。

表6 不同處理對烤后煙化學(xué)成分的影響Table 6 Effects of different treatments on the chemical composition of tobacco after curing

2.8 不同處理對烤煙感官質(zhì)量的影響

由表7 可知，施用高碳基肥處理的C3F 和B2F煙葉香氣特征得分較CK 均有所提高，T3 處理得分最高；T3 和T1 處理煙氣特征、口感特征、燃燒性和灰色最佳。T3 和T1 處理B2F 和C3F 煙葉感官質(zhì)量綜合得分均高于其他處理。

表7 不同處理對烤煙感官質(zhì)量的影響Table 7 Effects of different treatments on sensory quality of tobacco after grille

2.9 不同處理對烤煙經(jīng)濟性狀的影響

由表8 可知，隨著高碳基肥替代量的增加，煙葉產(chǎn)量和產(chǎn)值均表現(xiàn)為T3＞T4＞CK＞T2＞T1，與CK 相比，T3 處理產(chǎn)量和產(chǎn)值分別提高了19.19%和23.24%，上等煙比例顯著提高。

表8 不同處理對烤煙經(jīng)濟性狀的影響Table 8 Effects of different treatments on the economic traits of flue-cured tobacco

3 討 論

施用有機肥是增加土壤有機質(zhì)，提高土壤肥力的有效措施[18]。本研究結(jié)果表明，施用高碳基肥后，土壤TOC 含量均高于常規(guī)處理，這一方面是由于有機物料自身攜帶有機質(zhì)，另一方面有機肥能夠促進煙株生長和根系發(fā)育，使根系分泌物增加，進而增加土壤TOC 含量[19]。施用高碳基肥也增加了土壤活性碳DOC、ROC 和MBC 含量，這可能是由于高碳基肥料中的多孔結(jié)構(gòu)為土壤微生物提供了良好的生長環(huán)境，施入土壤后促進土壤微生物活性提高，加快土壤有機碳內(nèi)部周轉(zhuǎn)，同時也促進作物根系的發(fā)育及根系分泌物的增加，產(chǎn)生更多的活性有機碳[20]。土壤酶在土壤肥力的形成過程中起著重要作用，常作為表征土壤的生物活性指標(biāo)來評價土壤營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)轉(zhuǎn)化情況以及農(nóng)業(yè)措施如肥料施用的效果[21]。本試驗中施用高碳基肥顯著提高了烤煙旺長期土壤蔗糖酶活性，這可能是因為高碳基肥為酶促反應(yīng)提供了充足的基質(zhì)[22]，且生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)及其吸附的養(yǎng)分為土壤真菌和細(xì)菌提供了良好的生存條件，從而提高了土壤酶活性[23]。此外，外源輸入的有機物質(zhì)可提供充足的木質(zhì)纖維素和蔗糖等物質(zhì)，纖維素酶和β-葡萄糖苷酶均為水解酶，可將其轉(zhuǎn)化為活性有機碳組分[24]。本試驗中相關(guān)性分析表明纖維素酶和β-葡萄糖苷酶與ROC、MBC含量顯著正相關(guān)，進一步證實了土壤酶與土壤活性有機碳的形成、轉(zhuǎn)化密切相關(guān)[24]。本試驗中，施用高碳基肥處理土壤pH 值均高于對照處理，表明施用高碳基肥可達到減輕土壤酸化的作用，這與宋小寧[25]的研究結(jié)果一致。施用高碳基肥提高了土壤速效鉀的含量，原因可能是高碳基肥中所含有的生物炭可以活化土壤礦物層，從而釋放部分非交換性鉀[26]。本試驗結(jié)果表明，土壤pH 與TOC、多酚氧化酶和ROC 含量極顯著正相關(guān)，說明高碳基肥可以通過提高酸性土壤pH 而提高土壤有機碳含量和酶活性。

張紀(jì)利等[27]研究表明高碳基肥可以顯著促進煙株干物質(zhì)積累。本試驗高碳基肥處理土壤有機碳、酶活性的增加有助于提升營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)換和利用效率，土壤肥力也隨之提高，因此烤煙的生長發(fā)育和煙葉質(zhì)量提升。此外，高碳基肥的施用對烤煙不同生育期的影響不同。移栽后30 和60 d，施用高碳基肥處理的干物質(zhì)積累量與CK 之間差異不顯著；而移栽后90 d 較CK 顯著提高，這說明高碳基肥部分替代化肥對烤煙生育后期的生長有顯著促進作用。張紀(jì)利等[27]研究表明，施用高碳基肥可以提高烤后煙總糖和還原糖的含量，這與本研究結(jié)果一致。綜上，施用高碳基肥能通過改善植株土壤理化性質(zhì)、活性有機碳組分及酶活性，改善煙株營養(yǎng)水平，從而提升煙葉耐熟性、成熟度和易烤性[28]，煙葉化學(xué)成分更加協(xié)調(diào)，煙葉品質(zhì)提升[29]。

4 結(jié) 論

結(jié)果表明，高碳基肥部分替代化肥可以顯著提高土壤活性有機碳含量和纖維素酶、蔗糖酶活性，有效減輕土壤酸化程度，促進煙株中后期生長發(fā)育，提高烤后煙的還原糖、總糖含量、鉀含量和兩糖比，降低煙堿含量，改善烤后煙的感官質(zhì)量，提高烤煙的產(chǎn)量產(chǎn)值，在施氮102.4 kg/hm2時，73%化肥氮+27%高碳基肥氮為武隆煙區(qū)適宜的施肥方案。