潘金華，莊舜堯*，史學(xué)正，曹志洪，蔡憲杰，程 森

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008；2 上海煙草集團(tuán)責(zé)任有限公司，上海 200082）

施用改良劑對(duì)皖南旱坡地土壤性狀及烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的綜合效應(yīng)①

潘金華1，莊舜堯1*，史學(xué)正1，曹志洪1，蔡憲杰2，程 森2

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008；2 上海煙草集團(tuán)責(zé)任有限公司，上海 200082）

通過田間小區(qū)試驗(yàn)研究了無機(jī)礦石類及生物炭改良劑不同組合對(duì)皖南旱坡地土壤性狀以及烤煙產(chǎn)量和煙葉品質(zhì)的影響。結(jié)果表明：與對(duì)照相比，3種無機(jī)礦石材料（T20、G20、硅藻土）和2種生物炭（竹炭和礱糠炭）的改良劑的不同組合，可使土壤體積質(zhì)量下降0.27 ～ 0.34 g/cm3，田間持水量提高11.6% ～ 55.6%，pH提高了0.45 ～ 0.93個(gè)單位；烤煙產(chǎn)量增加26 ～ 397 kg/hm2，烤煙煙堿與全氮含量有所下降，還原糖含量有所增加，糖堿比優(yōu)化，品質(zhì)進(jìn)一步提升。本研究結(jié)果可以為皖南旱坡地?zé)焻^(qū)土壤改良、提高特色煙產(chǎn)量和品質(zhì)、促進(jìn)農(nóng)民增產(chǎn)增收提供有效的指導(dǎo)。

土壤改良劑；生物炭；烤煙；土壤性狀；產(chǎn)量；質(zhì)量

適宜的土壤結(jié)構(gòu)改良措施能夠有效地改善土壤的理化性質(zhì)和土壤中水-熱-肥的狀況，促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)和發(fā)育，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)不同改良劑在土壤中施用已有大量的研究。一般來說，體積質(zhì)量小且持水性好的土壤更有利于土壤中營(yíng)養(yǎng)的釋放以及土壤養(yǎng)分的良性循環(huán)［1］。研究表明生物炭改良劑可以有效地降低旱地土壤體積質(zhì)量［1］，增加田間持水量，降低土壤板結(jié)程度，從而增加農(nóng)作物的產(chǎn)量［1-3］。土壤改良劑不僅能夠?qū)ν寥荔w積質(zhì)量和持水性產(chǎn)生直接影響，而且能夠進(jìn)一步對(duì)土壤酸化產(chǎn)生抑制作用。Chintala等［4］發(fā)現(xiàn)3種生物炭施入酸性土壤后都會(huì)不同程度地增加土壤pH，并且隨著用量的增加pH呈上升的趨勢(shì)。烤煙是以煙葉的葉片產(chǎn)量和品質(zhì)來決定其價(jià)值的，烤煙生長(zhǎng)，特別是煙葉的質(zhì)量與土壤質(zhì)地的關(guān)系非常密切。若質(zhì)地過于黏重，導(dǎo)致持水力弱且排水不暢，通氣狀態(tài)差，煙根易受漬害；質(zhì)地過砂質(zhì)，水分流失快且多而導(dǎo)致肥料易損失，從而導(dǎo)致煙株發(fā)育不良［5-6］。因此，通過改良不利的土壤環(huán)境對(duì)于烤煙生產(chǎn)有著重要影響。

我國已有較多的生物炭對(duì)植煙土壤理化特性影響和煙葉品質(zhì)方面的研究報(bào)道［7-17］，但涉及皖南旱坡地的相關(guān)研究報(bào)道甚少。皖南煙區(qū)具有良好的水熱生態(tài)環(huán)境，然而植煙的旱地土壤多為板、瘠、薄、酸、旱的紅壤坡地，且極易受到春旱、夏伏旱、秋旱-降水分布不協(xié)調(diào)等自然災(zāi)害的威脅。針對(duì)皖南旱坡地的烤煙生產(chǎn)的限制性因素，結(jié)合已有的研究結(jié)果，利用不同種類無機(jī)礦石類及生物炭改良劑的不同組合研究其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)改良及烤煙產(chǎn)質(zhì)量的影響，以探明改良劑在皖南煙區(qū)對(duì)植煙土壤性質(zhì)和煙葉質(zhì)量的影響規(guī)律，期望為皖南旱坡地植煙土壤改良、協(xié)調(diào)土壤微環(huán)境、提高特色煙生產(chǎn)水平、促進(jìn)農(nóng)民收入增加和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于安徽省宣城市宣州區(qū)楊柳鎮(zhèn)雙樂村南沖林場(chǎng)，土壤樣品采集于試驗(yàn)前（2013年11月），供試土壤為紅壤（鋁質(zhì)濕潤(rùn)淋溶土），基本性狀如表1所示。

表1 旱地田間試驗(yàn)土壤基本性質(zhì)Table1 Basic properties of tested soil

田間試驗(yàn)中所用的土壤改良劑類型包括：強(qiáng)通氣性無機(jī)材料（T20）、中通氣性保水無機(jī)材料（G20）、硅藻土（SiO2）以及竹炭（ZC）和礱糠炭（LC）燒制的生物炭。供試的土壤改良劑基本性質(zhì)見表2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

設(shè)計(jì)了5個(gè)無機(jī)礦石類及生物炭不同改良劑組合 （表3所示）。在試驗(yàn)中，小區(qū)規(guī)格為4.8 m × 12.5 m，所有改良劑與肥料一起條施，然后起壟，再覆膜。采用當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)種法，煙苗按株距45 cm、壟寬1.2 m栽種。所有處理均設(shè)置3次重復(fù)小區(qū)，煙葉品種為云煙97，試驗(yàn)時(shí)間為2014年3-7月。

表2 土壤改良劑基本性質(zhì)Table2 Basic properties of tested soil amendments

表3 宣城旱坡地?zé)煵萃寥拦δ芨牧紕┨幚鞹able3 Treatments of soil amendments for tobacco fields of slope upland in Xuancheng City

1.3 樣品采集與分析

土壤樣品采集與測(cè)定：每個(gè)小區(qū)均采用多點(diǎn)取樣均勻混合法，分別在烤煙移栽前和采摘全部結(jié)束時(shí)，采集植株周圍土壤樣品，測(cè)定土壤體積質(zhì)量 （環(huán)刀法）、田間持水量 （環(huán)刀法）、pH（電位測(cè)定法，1∶2.5土水比），詳細(xì)測(cè)定方法見文獻(xiàn)［18］。

煙葉樣品采集與測(cè)定：按照“下部葉適時(shí)早采、中部葉成熟采收、上部葉充分成熟采收”的原則，成熟一片采收一片。分小區(qū)單獨(dú)采摘、烘烤、統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量，煙葉分級(jí)后按處理分別稱重記錄，計(jì)算各級(jí)產(chǎn)量。

煙草化學(xué)指標(biāo)的測(cè)定：根據(jù)煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)煙葉的煙堿（紫外分光光度計(jì)法）、全氮（過氧化氫-硫酸消化法）、還原糖（鐵氰化鉀比色法），具體測(cè)定方法詳見文獻(xiàn)［19］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2013 和IBM SPSS Statistics 22.0處理數(shù)據(jù)和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以Microsoft Office Excel 2013繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用改良劑對(duì)旱坡地土壤性狀的影響

2.1.1 對(duì)土壤pH的影響 與對(duì)照相比（pH為4.63），施用不同土壤改良劑的pH為5.08 ～ 5.56，提高了0.45 ～ 0.93個(gè)單位（圖1），其中X1處理（50%LC +50%ZC）提高最多，達(dá)到0.93個(gè)單位。曹志洪等［5］研究發(fā)現(xiàn)烤煙最適宜生長(zhǎng)在中性或微酸性（5.0 ～ 7.0）的砂質(zhì)壤土或壤土質(zhì)地的土壤環(huán)境中，在此pH范圍內(nèi)的土壤酸度可以為烤煙根系提供最佳的水肥氣熱條件，更有利于烤煙的養(yǎng)分吸收和煙葉中化學(xué)成分的合成。顯然，本研究中改良劑的施用提高土壤pH是有利于烤煙的產(chǎn)量及質(zhì)量的提升。

2.1.2 對(duì)田間持水量的影響 施加改良劑對(duì)皖南旱坡地田間持水量的影響如圖2。施用土壤改良劑使土壤的田間持水量較對(duì)照處理（293 g/kg）有了顯著提高（圖2），X1至X5處理分別提高了35.2%、11.6%、25.6%、45.4% 及55.6%。顯然，通過添加持水性好的改良劑能夠增加土壤的田間持水量，土壤水分的提高有利于提高紅壤旱坡地土壤的抗旱能力以及養(yǎng)分的活性及利用率，進(jìn)而促進(jìn)烤煙生產(chǎn)。同時(shí)，田間持水量增加的多少跟改良劑種類及組合有關(guān)，因此，如何合理搭配改良劑也將是一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。

圖2 施用改良劑對(duì)皖南旱坡地田間持水量的影響Fig. 2 Effects of soil amendments on soil water field capacities of slope uplands in South Anhui

2.1.3 對(duì)土壤體積質(zhì)量的影響 由圖3可見，不同改良劑處理后土壤體積質(zhì)量較CK處理（1.22 g/cm3）均有明顯下降，降低程度隨改良劑種類及組合的不同而變化。X1至X5處理后的土壤體積質(zhì)量分別為0.95、0.94、0.91、0.90和0.88 g/cm3，比CK處理分別下降了22.1%、22.9%、25.4%、26.2% 和27.9%。因此，施用土壤改良劑有利于降低土壤體積質(zhì)量，增加土壤的通透性，進(jìn)而有利于煙根生長(zhǎng)和品質(zhì)的提升。

圖3 施用改良劑對(duì)皖南旱坡地土壤體積質(zhì)量的影響Fig. 3 Effects of soil amendments on soil bulk density of slope uplands in South Anhui

2.2 施用改良劑對(duì)烤煙產(chǎn)量和分級(jí)的影響

本試驗(yàn)中，在烤煙采烤期，煙葉共分4次采收。每次采收烘烤后，均進(jìn)行了分桿烘烤與稱重，然后將多次結(jié)果累加，統(tǒng)計(jì)3個(gè)重復(fù)后得到煙葉產(chǎn)量結(jié)果（表4）。由于不同位置的煙葉農(nóng)藝性狀和化學(xué)成分本身存在差異，烤干出爐后的品質(zhì)也就參差不齊，為了便于統(tǒng)一收購及按質(zhì)論價(jià)，煙葉分級(jí)是由當(dāng)?shù)丶夹g(shù)工人按銷售時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)，將烤煙分為上橘二、上橘三、上橘四、中橘二、中橘三、中橘四、下橘二、下橘三8個(gè)級(jí)別，其他等級(jí)的煙葉量很少，沒有再分。

表4 不同改良劑處理烤煙等級(jí)產(chǎn)量及所占比例Table4 Effects of various soil amendments on tobacco yield and grade

從產(chǎn)量的結(jié)果來看（表4），處理X3＞X2＞X1＞X5＞X4＞CK，其中處理X3、X2、X1較對(duì)照CK有顯著提高，而X4與X5處理提高不顯著。從烤煙等級(jí)看，上等煙葉的比例高低為X1＞X5＞X2＞CK＞X3＞X4，其中X1處理（50%LC +50%ZC）的上等煙比例最高，比對(duì)照CK提高了6.1個(gè)百分點(diǎn)，X2與X5處理提高不顯著，X3與X4處理的上等煙比例反而有所下降。可見，不同改良劑組合對(duì)烤煙的產(chǎn)量及分級(jí)存在不同影響。

2.3 施用改良劑對(duì)煙葉化學(xué)成分的影響

從表5結(jié)果看，不同處理烤煙的煙堿含量大小為：CK＞X1＞X4＞X2＞X3＞X5，施用改良劑后煙堿含量有所下降，其中X5處理要顯著低于其他處理。目前，國內(nèi)外學(xué)者一般認(rèn)為國際優(yōu)質(zhì)煙葉的煙堿含量應(yīng)為1.5% ～ 3.5%，大于3.5%，勁頭太強(qiáng)；小于1%，勁頭不足［20］；通過施用改良劑處理，煙堿含量分布范圍在2.74% ～ 3.49%，符合優(yōu)質(zhì)煙葉煙堿含量標(biāo)準(zhǔn)。

不同處理煙葉總氮含量大小為：CK＞X2＞X1＞X4＞X3＞X5，施用改良劑處理的總氮含量與對(duì)照處理均有顯著下降。通常，優(yōu)質(zhì)煙葉的總氮含量為1.5% ～3.5%，但以2.5% 為最佳，且全氮/堿比越接近1越好［20］，本試驗(yàn)中所有處理的煙葉總氮含量均位于合理范圍。CK處理的總氮/煙堿為0.81，而改良劑處理的比值僅為0.53 ～ 0.62。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，通過施用改良劑可以防止煙葉中的總氮含量過高，從而有利于煙葉內(nèi)在品質(zhì)的控制，但改良劑處理的總氮/煙堿低于對(duì)照處理。

煙葉中的還原糖含量也被認(rèn)為是評(píng)價(jià)煙葉內(nèi)在品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，中國烤煙還原糖含量在10% ～25%，一般認(rèn)為品質(zhì)好的烤煙，通常含有較多的還原糖，且優(yōu)質(zhì)煙葉的糖堿比在8 ～ 12［21］。從還原糖結(jié)果看（表5），還原糖含量的大小為：X5＞X4＞X3＞X1＞X2＞CK。所有改良劑處理都使得煙葉的還原糖含量有所提升，同時(shí)，使得糖堿比也有所提升，其中X5處理的還原糖含量最高，糖堿比最大。

表5 不同改良劑對(duì)煙葉化學(xué)成分的影響Table5 Effects of soil amendments on chemical properties of tobacco leaves

3 討論與結(jié)論

煙草作為我國當(dāng)前重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)都有著很高的要求，在保證產(chǎn)量的條件下，提高煙葉品質(zhì)更為重要。皖南煙區(qū)的植煙旱坡地土壤酸度高、偏黏重、持水性能差、體積質(zhì)量大、孔隙度低，易受到春旱、夏伏旱、秋旱-降水分布不協(xié)調(diào)等自然災(zāi)害的威脅，阻礙煙草根系對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸收，這些問題都嚴(yán)重影響皖南旱地?zé)熑~產(chǎn)量穩(wěn)定與質(zhì)量提高，也是阻礙皖南地區(qū)旱地?zé)煼N植推廣的重要因素。

很多研究指出通過對(duì)土壤施用改良劑能夠有效降低土壤體積質(zhì)量、增加土壤的孔隙度和持水性［22-23］，從而保證了煙草在生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程中的良性循環(huán)。目前土壤改良劑種類繁多，而我國植煙土壤也是千差萬別。因此，針對(duì)不同土壤環(huán)境的改良應(yīng)當(dāng)選用適宜的改良劑。本試驗(yàn)所選用的改良劑材料pH范圍為7.25～ 10.01，施入土壤后，土壤的pH范圍為5.08 ～ 5.56，相比較CK處理（4.63）有著明顯的提高。很多研究也都發(fā)現(xiàn)［24-26］，土壤中添加堿性改良劑材料和生物炭后會(huì)提高土壤pH，其中對(duì)酸性土壤的作用尤為明顯。生物炭以及無機(jī)礦石改良劑具有多孔隙、體積質(zhì)量小且吸附能力強(qiáng)、具有較好的通氣性和持水性［27-28］。試驗(yàn)結(jié)果表明改良劑材料的田間持水量遠(yuǎn)高于土壤，施入土壤后改變了土壤的孔隙度，以及利用改良劑比表面積大的特征吸附土壤顆粒從而提高整體的持水性。土壤持水性能的增強(qiáng)，煙株根系可利用的水分和礦物離子也會(huì)得到增加［29］，從而有利于作物的吸收。通過對(duì)比改良劑處理與對(duì)照的體積質(zhì)量，無機(jī)保水材料與生物炭加入土壤后顯著降低了土壤的體積質(zhì)量，有助于植株根系的擴(kuò)展和延伸，因?yàn)橥寥烂芏鹊慕档停斐勺枇Φ臏p小，從而土壤的板結(jié)程度大大地降低［30］。施加改良劑促進(jìn)了土壤性狀的逐步改善，而這些對(duì)提高煙葉的產(chǎn)量以及內(nèi)在品質(zhì)都有著重要影響。無機(jī)保水材料和生物炭作為土壤改良劑，它的施入對(duì)烤煙產(chǎn)量和化學(xué)成分產(chǎn)生了影響，改良劑處理的產(chǎn)量均顯著高于對(duì)照處理，增產(chǎn)幅度為1.13% ～16.83%。尤其以X3處理（70%T20+30%ZC）增產(chǎn)幅度最為顯著，表明了改良劑都有提高煙葉產(chǎn)量的效應(yīng)，且提高的幅度與改良劑組合類型密切相關(guān)。這些結(jié)果與邢世和等［24］的結(jié)果比較接近，佐證了土壤改良劑對(duì)提高煙葉產(chǎn)量有著不錯(cuò)的效果。改良劑通過改良土壤性狀來間接影響烤煙內(nèi)部化學(xué)成分，改良劑處理的煙堿含量分布范圍為2.74% ～ 3.49%，煙葉總氮含量為1.57% ～ 2.04%，煙葉還原糖含量為25.07% ～27.38%，均屬于優(yōu)質(zhì)煙葉的成分范圍內(nèi)，改良劑應(yīng)用降低了煙葉中煙堿和氮的含量，而提高了還原糖含量。研究表明，生物炭對(duì)銨離子有很強(qiáng)的吸附能力，能降低煙葉對(duì)氮素的吸收，從而降低了煙葉中氮素與煙堿的合成［31］。而通過施用改良劑，土壤pH的提升及水分的增加都會(huì)對(duì)還原糖含量產(chǎn)生影響［32-34］，說明改良劑對(duì)烤煙內(nèi)在品質(zhì)的提高也是有效果的，這與趙殿峰等［35］所得的結(jié)論相近。

本研究的田間試驗(yàn)結(jié)果說明，無機(jī)礦石保水材料和生物炭的添加適用于皖南紅壤旱坡地，其主要作用機(jī)制可能是這些改良劑的組合施入增加了土壤的孔隙度和表面積，進(jìn)而改變了土壤水分的滲濾、吸釋特征以及土壤水分的停留時(shí)間和運(yùn)動(dòng)路徑的改變。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)改良劑組合可以提高土壤田間持水量、降低土壤體積質(zhì)量，從深層次上減少了土壤水分的流失，提高了土壤的持水性能，使煙草生長(zhǎng)季節(jié)的不均勻降水成為穩(wěn)定的土壤供水，將有限的降水最大限度地留在土壤中。但我們也注意到，改良劑的施用“消極性”地降低了氮堿比，這可能與供試土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量偏低（僅15.9 g/kg和1.2 g/kg，分別處于缺乏和中等水平）有關(guān)，進(jìn)而需要適當(dāng)增加氮用量，還需要進(jìn)一步研究。另外，雖然本試驗(yàn)結(jié)果證明了改良劑組合能夠改善皖南旱坡地紅壤的性狀，但水熱環(huán)境的變化對(duì)土壤中養(yǎng)分供應(yīng)的影響以及對(duì)作物生長(zhǎng)期的養(yǎng)分利用也還需要進(jìn)一步的深入研究。

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Effects of Soil Amendments on Yield and Quality of Tobacco and Soil Properties of Slope Upland in South Anhui

PAN Jinhua1， ZHUANG Shunyao1*， SHI Xuezheng1， CAO Zhihong1， CAI Xianjie2， CHENG Sen2
（1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture （Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences）， Nanjing 210008， China； 2 Shanghai Tobacco Group Limited Company， Shanghai 200082， China）

A field experiment was conducted to study the effects of inorganic minerals and biochar amendments applied in various combinations on the yield and quality of flue-cured tobacco and soil properties of slope upland in South Anhui， China. The results showed that applications of various amendments prepared from 3 kinds of inorganic mineral materials （T20， G20，diatomite） and 2 kinds of biochars （bamboo and rice husk） reduced soil bulk density by 0.27-0.34 g/cm3， increased soil moisture by 11.6%-55.6% and pH by 0.45-0.93 units， and thus increased the flue-cured tobacco yield by 26-397 kg/hm2. Applications of the amendments also decreased nicotine and total nitrogen contents， increased the reducing sugar content and the ratio of sugar to nicotine， and thus improved tobacco quality. The results presented in this study can provide useful

for soil amelioration，and increases in yield and quality of tobacco growing in the soil in South Anhui.

Soil amendment； Biochar； Tobacco； Soil properties； Yield； Quality

S156.2

10.13758/j.cnki.tr.2016.05.020

滬皖現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)高科技示范園科技項(xiàng)目專項(xiàng)（CF56-ZJ1）資助。

*通訊作者（syzhuang@issas.ac.cn）

潘金華（1989—），男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事土壤氮素研究。E-mail： isscaspjh1989@163.com