张璐 任天宝 阎海涛 李朋彦 杜飞乐 李京阳 吴嘉楠 刘英杰 王省伟 刘国顺

摘 要：为分析不同有机物料对植烟土壤的改良效应，优化农业废弃资源循环利用，采用盆栽试验，以单施化肥为对照，研究草炭、生物炭、汽爆玉米秸秆对烤烟根际土壤碳库、酶活性和根系活力的影响。结果表明，与对照相比，各处理土壤总有机碳和活性有机碳含量在烤烟不同生育期都有显著提高，移栽后90 d时总有机碳含量最多增加45.24%，活性有机碳含量最多增加238.70%，草炭和汽爆玉米秸稈提高了根际土壤碳库活度和AOC/TOC比例，生物炭降低了碳库活度和AOC/TOC比例；汽爆玉米秸秆提高了土壤脲酶和蔗糖酶活性，在烤烟不同生育期最多分别比对照提高了66.03%和210.32%，草炭和生物炭对土壤酶活性影响不显著，但延缓了成熟期根系衰老，汽爆玉米秸秆对烟株根系活力有一定抑制作用。因此，施用有机物料均可提高烤烟根际土壤总有机碳和活性有机碳含量，但对酶活性和根系活力效果不一致，尚需开展大田及长期定位试验进一步研究。

关键词：有机物料；土壤碳库；酶活性；根系活力；烤烟

中图分类号：S572.01 文章编号：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

基金项目：河南省烟草公司科技项目“水肥耦合效应对登封烟区豫烟品种产质量及肥料利用率的影响”（ZYKJ201416），“登封地区植烟土壤生态保育及修复技术研究及利用”（ZYKJ201501）

作者简介：张 璐（1991-），女，在读硕士研究生，研究方向为烟草栽培。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

当今农业为提高产量，过量施用化肥，有机肥使用不足，造成土壤碳含量和生物活性降低，土壤质量恶化。根际作为根系与土壤进行物质能量交换的场所，其理化性质及生物活性与植物生长代谢联系紧密，对烟株生长发育和烟叶品质有着直接影响[1-3]，利用有机物料改善烤烟根际微环境，对于植烟土壤的保育非常必要。

目前，已有较多关于有机物料改良土壤的研究报道。乔洁等[4]和徐辰生[5]研究表明，施用草炭能够提高土壤生物活性和根系活力。王丽渊等[6]和叶协锋等[7]研究发现，生物炭能够提高土壤碳库管理指数和有机质含量；谷思玉等[8]研究表明施用生物炭后大豆根际土壤酶活性和微生物数量得到显著提升。李艳平等[9]发现，施用混合有机肥能够提高根际土壤脲酶以及蔗糖酶活性，并对烤烟根系活力有促进作用。然而，目前关于草炭、生物炭和秸秆的研究多集中于对烟田耕层土壤的影响[4，7，10]，此外，蒸汽爆破玉米秸秆是利用蒸汽瞬间释放压力的物理反应改变物质结构[11]，能有效分解纤维素和木质素，在农业领域中常见于生产腐殖酸，但有关汽爆物料改良土壤的研究鲜见报道，因此丰富汽爆秸秆还田方面的科学研究也很有必要。本试验选取草炭、花生壳生物炭和蒸汽爆破玉米秸秆3种有机物料，研究相同碳含量施用对烟株根际土壤碳组份、土壤酶活性和烟株根系发育的影响，通过深入研究生物质资源不同利用途径对植烟土壤改良效果的差异，为我国植烟土壤保育技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016年5—10月在河南省登封市宣化镇进行，采用盆栽试验，供试品种为豫烟6号，供试土壤为壤质潮土（潮湿雏形土），其基本理化性质为：有机碳5.8 g/kg，碱解氮40 mg/kg，速效磷16 mg/kg，速效钾110 mg/kg，pH 7.57。试验用土取自大田耕作层表土，风干过筛，除去石子和植物残体，与化肥混匀后装盆，每盆装土25 kg，肥料用量为氮素5.64 g/盆，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=1∶1∶3，N、P、K肥分别为分析纯硝酸铵、磷酸二氢钾、硫酸钾。70%硝酸铵、全部磷酸二氢钾和40%硫酸钾做基肥，剩余在移栽后20 d做追肥随水施入。5月20日移栽，其他管理按照常规栽培方式进行。有机物料成分见表1。

表1 供试有机物料的主要特性

Table 1 Nutrient contents of tested organic materials

有机物料种类

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

草炭Peat 31.00 2.00 15.41 5.94 2.07 0.25

花生壳炭

Peanut shell charcoal 40.01 1.99 20.19 9.22 0.11 0.17

汽爆玉米秸秆

Steam explosion corn straw 37.00 2.09 17.81 6.24 0.46 0.47

1.2 试验设计

试验设4个处理（表2）：单施化肥CK；化肥+草炭处理T1；化肥+生物炭处理T2；化肥+汽爆玉米秸秆处理T3。除CK外，按总碳一致的原则施用各有机物料，每盆总碳施用量为0.35 kg/盆。将风干后的有机物料和化肥、土壤混匀后装盆，每个处理20个重复，按照行株距110 cm×50 cm放置盆栽，大田整地起垄后将盆埋入土中，避免高温阳光直射，保水降温。各处理盆体按照随机区组排列。盆底放置碎瓷片防止烟株根系伸出盆外。

表2 试验施肥设计

Table 2 The experiment design of fertilization treatments

处理

Treatment 化肥Fertilizer/（g·plant-1） 有机物料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 取样及测定

從烤烟移栽后30 d到90 d，每隔15天在每个处理小区取代表性烤烟3株，采用抖根法采集根际土，过2 mm筛后用于测定土壤酶活性、土壤有机碳和活性有机碳；同时用冲根法取得新鲜完整烟草根系，迅速带回实验室测定根系活力。

根际土壤总有机碳采用重铬酸钾外加热法测定[12]；土壤活性有机碳采用333 mmol/L高锰酸钾氧化法[13]测定；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法；测定脲酶活性采用比色法[14]；根系活力采用TTC法[15]。

1.4 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2013软件进行数据处理，用IBM Statistics SPSS 22.0进行统计分析。

2 结 果

2.1 有机物料对根际土壤碳库指标的影响

2.1.1 有机物料对根际土壤总有机碳（TOC）含量的影响 图1显示，不同有机物料处理根际土壤总有机碳均有显著提高，并随时间推迟呈现缓慢降低的趋势。移栽30 d各处理变化无明显规律，移栽60 d到90 d时各处理有机碳含量缓慢下降，其中T2处理总有机碳含量始终高于其他处理。移栽后90 d，CK处理与移栽初期相比降低12.21%，表明在不补充碳源的情况下，土壤总有机碳含量会不断矿化降低。而施加有机物料后TOC含量虽然有所降低，但与对照相比仍有较大幅度提高，T1、T2和T3在90 d时的提高幅度分别为33.10%、45.24%和36.80%。

图1 有机物料对根际土壤总有机碳含量动态变化的影响

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

2.1.2 有机物料对根际土壤活性有机碳（AOC）含量的影响 从表3看出，与对照相比，各处理根际土壤活性有机碳含量在不同时期有显著提高。T1处理在移栽后60 d前逐渐降低，之后逐渐升高，在75 d出现峰值，并显著高于其他处理，与对照相比最多增加238.70%，T2处理与对照相比增效不显著，在60 d时比对照降低4.68%，T3处理在移栽后60 d時显著高于其他处理。各处理在不同生育期内与对照相比均有所提高，其中在烤烟成熟期即90 d时分别比对照增加75.79%、52.15%和135.04%。

表3 有机物料对根际土壤活性有机碳动态变化的影响

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

处理

Treatment 移栽后时间 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：同列中小写字母表示不同处理间差异达到5%显著水平，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 有机物料对根际土壤碳库活度的影响 碳库活度是活性有机碳占非活性有机碳（总有机碳和活性有机碳的差值）的比例。表4显示，各处理土壤活性有机碳占总有机碳的比例（AOC/TOC）存在显著差别，不同处理与对照相比有显著提高。其中T1和T3处理分别在不同时期达到最高，并显著高于其他处理，T2处理则一直处于中下水平，甚至低于对照。碳库活度与添加的有机物料种类相关，且不同处理间碳库活度存在显著差异。T1和T3处理在不同时期碳库活度显著高于其他处理对照，T2

表4 有机物料对根际土壤AOC/TOC和碳库活度的影响

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

项目

Item 处理

Treatment 移栽后时间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

碳库活度

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：碳库活度，活性有机碳占非活性有机碳的比例。

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

处理碳库活度在移栽后60 d到90 d时期中一直低于对照处理。

2.2 有机物料对根际土壤酶活性的影响

2.2.1 有机物料对根际土壤脲酶活性的影响 图2显示，施用有机物料处理根际土壤的脲酶活性除T3处理呈“M”形变化趋势外，其他处理变化趋势不一。总体来看，除在烤烟移栽后30 d和90 d时，T3处理与对照相比差异不明显外，其他生育时期，T3的脲酶活性都明显高于其他处理，最多增加了66.03%。这说明汽爆玉米秸秆能促进土壤脲酶活性提高，加速氮的转化。移栽后75～90 d，T3处理脲酶活性有所降低，符合此时烟叶对氮素的需求规律，土壤中氮素适当降低有利于烟叶成熟落黄。

图2 有机物料对根际土壤脲酶活性动态变化的影响

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

2.2.2 有机物料对根际土壤蔗糖酶活性的影响 由图3可知，各处理的根际土壤蔗糖酶活性呈现出降低-升高-逐渐平缓的趋势。移栽后60 d，T3处理蔗糖酶活性出现峰值，与对照相比高出47.75%，T1、T2、CK处理达到最高值，大小关系为T3>T2>CK>T1，60 d以后，除T3处理继续缓慢升高，各处理蔗糖酶活性变化逐渐平缓。在整个生育期内，T3处理的蔗糖酶活性最高，较CK处理提高幅度为47.75%～210.32%。

2.3 有机物料对烤烟根系活力的影响

图4显示，各处理烟株根系活力在整个生育期内变化明显，其中T2处理变化呈“M”形趋势，分别在45 d和75 d时达到峰值。T3和CK处理呈先升高后下降趋势，T3在75 d到90 d有小幅度上升。T1从45 d开始下降，60 d开始逐渐升高直到90 d。T1处理在90 d时比对照提高36.99%，T2处理在75 d时比对照提高21.92%。从整体看CK从45 d时的峰值开始不断下降，而施用有机物料处理根系活力出现最低值的时间不同，在75 d到90 d，T1和T3处理根系活力逐渐回升，说明施用有机物料能小幅度提高成熟期根系活力，有利于烟株继续吸收土壤养分。

图3 有机物料对土壤蔗糖酶活性动态变化的影响

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

图4 有机物料对烤烟根系活力动态变化的影响

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

3 讨 论

3.1 不同有机物料对根际土壤碳库的影响

本研究表明，施用有机物料后烤烟根际土壤总有机碳含量均有所增加，这是因为生物炭含碳量丰富[7]，草炭中腐殖酸等有机质[4]含量较多，汽爆玉米秸秆含有大量纤维素和木质素[16]，施用后一方面能够直接增加根际土壤总有机碳含量，另一方面可

通过改善土壤理化状况促进根系生长，使之分泌更多根系分泌物或增加根系表皮脱落来提高外源有机碳携入量[17-18]，从而增加根际土壤总有机碳含量。

活性有机碳是土壤中容易氧化并被微生物分解利用的土壤碳组分[19]。本研究中，生物炭对根际土壤碳库活度和土壤活性有机碳组分贡献不大，这与叶协锋等[7]的研究结果不同，可能与土壤类型、理化特性及生物炭原料不同有关，还需更进一步的研究。施用草炭和汽爆玉米秸秆处理的土壤碳库活度和AOC/TOC显著高于对照处理，可能是因为物料本身的小分子有机物易于被土壤微生物分解而形成活性有机碳[20]。

3.2 不同有机物料对根际土壤酶活性的影响

土壤保持较高的酶活性能够促进有机物分解转化为烟株所需养分，可以作为土壤肥力指标[21]，有机物料能够对土壤酶活性产生显著影响[9]。有研究[22]认为脲酶活性与土壤全氮含量显著正相关，本研究中，各处理均在60 d时出现最低值，可能是因为此时烟株处于旺长期，需氮量大，从根际土壤吸收较多氮素，导致土壤全氮含量降低，脲酶活性出现谷值。草炭处理的脲酶活性与对照相比提高不明显甚至低于对照处理，原因可能是草炭中的腐殖酸[23]对脲酶有一定抑制作用。本试验中施用生物炭处理的土壤脲酶和蔗糖酶活性与对照相比无明显差异，可能与生物炭对酶分子的吸附保护酶促反应结合位点，抑制酶促反应的进行有关[24-25]。施用汽爆玉米秸秆则提高了根际脲酶和蔗糖酶活性，表明汽爆秸秆促进了土壤有机物的转化，这与王建武等[26]的研究结果相同，可能是因为玉米秸秆易被微生物分解，提高了土壤微生物數量和活性，进而促进酶的分泌[27]。

3.3 不同有机物料施用对烤烟根系活力的影响

根系是烟株重要的吸收营养的器官，并且是烤烟烟碱的主要合成部位，发达的根系有利于烟株的生长发育。本研究中，烤烟移栽后30～60 d时各处理根系活力均低于对照，与李艳平等[9]的研究结果不一致，可能与本试验有机物料用量较大有关，具体原因有待进一步研究。成熟期有机物料处理烤烟根系活力下降幅度低于对照处理，有研究认为草炭中的腐殖酸可促进烤烟根系抗坏血酸氧化酶等呼吸酶活性的提高[28]，烟株根系活力得到增强。施用生物炭对生育初期根系活力提升效果不显著，但高于其他物料处理，75 d时与其他处理相比仍有较高活力，可能是生物炭减弱了根系的膜脂过氧化作用，延缓了根系的衰老[18]。然而施用汽爆玉米秸秆降低了烤烟根系活力，可能是因为玉米秸秆经过蒸汽爆破处理后，相比草炭和生物炭更易于土壤微生物分解利用，进而促进根际土壤微生物繁殖，在分解有机物过程中对土壤氮素产生固持，引起土壤无机氮的固定或降低土壤氮素的矿化能力[29]和硝态氮含量[30]，对烟株生长造成影响，导致根系活力降低。

不同物料中碳稳定性不同，生物有效性有所差异，因此向土壤补充相同碳含量的情况下，其分解难易程度不同，会直接影响物料在土壤中的转化，形成含量不等的碳组分，对烤烟根际土壤的影响也不尽相同。生物炭理化性质稳定不易降解，施入土壤后更多的是从改变根际pH、阳离子交换量、容重及孔隙度等来间接影响根际土壤状况，另外，生物炭的吸附特性也造成对土壤酶活性的影响复杂多变。此外生物炭易于微生物分解利用的组分少，炭化还田提高了有机碳含量，但对土壤碳库活度无显著提高[31]。而草炭和玉米秸秆化学能多，小分子有机物量大，易被微生物分解转化为活性高、周转快的碳组份，所以活性有机碳和土壤碳库活度高，同时小分子有机物为微生物提供碳源，促进了土壤微生物繁殖，提高土壤酶的分泌，增加了土壤肥力。在草炭的实际施用中建议适量增加氮肥，确保烟株得到充足供氮量，生物炭在施用后期表现出延缓根系衰老的作用，因此提前施入土壤可以改善烟株前期根系活力，汽爆玉米秸秆施入土壤后有机物转化快，根际土壤酶活性高但根系活力低，其相关机理需进一步试验探讨。有机物料对土壤环境的影响是复杂而又多方面的，与不同有机物料理化性质有密切关系，盆栽试验作为基础研究，为今后的研究提供参考，具体的施用策略需要结合大田短期和长期施用的试验结果再做出进一步探讨。

4 结 论

（1）草炭、生物炭和汽爆玉米秸秆均可提高烤烟根际土壤总有机碳含量。施用草炭和汽爆玉米秸秆对土壤活性有机碳含量和碳库活度有明显提高作用，有利于促进土壤有机碳组分的循环转化，而生物炭施入土壤后降低了根际土壤碳库活度。

（2）施用汽爆玉米秸秆可以提高根际土壤脲酶和蔗糖酶活性，但草炭和生物炭对土壤酶活性影响不显著。

（3）从烤烟根系活力来看，草炭和生物炭延缓了成熟期根系活力下降，有利于烟株对养分的持续吸收，因此建议提前施用，提高烟株生长中期的根系活力。

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