不同改良剂对强酸性植烟土壤的改良效果研究

李家辉，王红锋，胡心雨，赖佳政，王 晶，刘琳琳，姚鹏伟，张 帅，岳艳军，叶协锋*，冉 茂*

（1.河南农业大学 烟草学院/国家烟草栽培生理生化研究基地/烟草行业烟草栽培重点实验室，河南 郑州 450002；2.重庆烟草科学研究所，重庆 400715；3.重庆市烟草公司 酉阳分公司，重庆 酉阳 409800；4.河南心连心化学工业集团股份有限公司，河南 新乡 453000）

近年来，受大气酸沉降、氮沉降及不合理农业生产活动等的影响，我国主要耕地土壤酸化问题日益突出，1980—2000年间，耕地土壤pH值下降了0.13~0.80［1］。由于长期连作和化肥的过度施用，植烟区土壤酸化问题也日渐凸显，严重影响烤烟的正常生长发育［2］，导致烤烟产质量下降［3］。已有研究表明［4-5］，土壤改良剂能够改善酸性植烟土壤的理化性质，促进烟株的生长发育，提升烟叶的产量和质量。现阶段多使用生石灰或白云石粉对植烟酸性土壤进行改良，其在短期内降低土壤酸度的效果显著［6］。但施用生石灰会引起土壤板结、土壤溶液中K/Ca比例失调和土壤复酸化等问题［7-9］。而白云石粉含有一定量的重金属，这可能会导致烟叶重金属含量增加［2］。因此，寻找新型的酸性土壤改良剂成为科技工作者的研究热点之一。

高温煅烧能使贝壳（碳酸钙含量达90%）中的部分碳酸钙转化为易溶解的氧化钙，且大幅度增加其表面微孔数量［10-11］。因此，贝壳粉具有改良土壤酸度、提高土壤透气性、保持土壤水分和肥力的作用，是一种环境友好型生物质土壤改良剂。赵晓红等［12］研究发现，施用不同粒径的贝壳粉均可以提高土壤的pH值。生物炭呈碱性，可以显著增加土壤中离子交换的位点，提高土壤的CEC含量，降低土壤酸度［13］。同时，生物质炭含有一定量的盐基阳离子，这些盐基阳离子与土壤交换性铝发生交换反应，能有效缓解土壤中的铝对植物的毒害作用［14］。草木灰呈碱性，其主要成分是碳酸钾，还含有丰富的矿质元素。龚杰等［15］的研究结果表明，施用草木灰可以提高土壤pH值，提高养分利用率，增强土壤酸碱缓冲能力，并促进烟株的生长发育。上述3种材料在酸性土壤改良方面均有一定的应用价值，但目前鲜有对不同土壤改良材料的对比研究。因此，本试验以重庆强酸性植烟土壤为研究对象，探究了不同种类改良剂对酸性植烟土壤理化性质及烤烟生长发育的影响，旨在为酸性植烟土壤改良剂的筛选提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

于重庆市酉阳县杨柳村（29°01′19″N，109° 28′23″E）进行大田试验。酉阳县属亚热带湿润季风气候区，年平均气温为15.1 ℃，年平均降水量为1309 mm，无霜期为270 d，全年日照时数为1131 h。供试土壤类型为黄棕壤，土壤基本理化性质：pH值为5.26，有机碳含量为16.81 g/kg，全氮含量为1.23 g/kg，碱解氮含量为74.45 mg/kg，速效钾含量为244.50 mg/kg，有效磷含量为36.61 mg/kg，氯离子含量为11.87 mg/kg。

供试烤烟品种为K326。贝壳粉（CaO含量≥ 40%，pH值8.00）为九江心连心化肥有限公司产品。生物炭（含有机碳60.30 g/kg、全氮1.12 g/kg、全磷1.37 g/kg、全钾2.31 g/kg，pH值9.67）为贵州金叶丰农业科技有限公司产品。草木灰含有机质80.60 g/kg、氧化钙105.40 g/kg，pH值11.02。

1.2 试验设计

试验为随机区组试验设计，设置4个处理：当地常规施肥(CK)；常规施肥+贝壳粉2250 kg/hm2(T1)；常规施肥+生物炭2250 kg/hm2(T2）；常规施肥+草木灰2250 kg/hm2(T3)。每个处理重复3次，每个小区面积48 m2。各处理常规施肥使用的肥料种类和用量相同，施氮量为88.87 kg/hm2，磷(P2O5)和钾（K2O)用量分别为100.50和287.28 kg/hm2。改良剂在移栽前条施。于4月30日采用常规方式移栽烟苗，行距和株距分别为120和50 cm；田间其他管理措施按照当地优质烟叶管理要求。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 烤烟农艺性状的调查 于移栽后70 d，每个小区选定5株长势均匀一致的烟株进行观察，按照《烟草农艺性状调查测量方法》（YC/T 142—2010）［16］测定株高、茎围、有效叶数、最大叶长和最大叶宽等。

1.3.2 土壤理化性质指标及其测定 于烟叶采收结束后，选取烟株根系附近3处土壤，测定其容重和总孔隙度；取0~20 cm土壤测定土壤含水率。按照五点法采集0~20 cm土样，去除根系残茬，制成混合土样，自然风干后将其平分成2份，分别用于土壤理化性质检测和土壤酶活性的测定。

土壤理化性质指标的测定参照鲍士旦［17］的方法，其中土壤容重的测定采用环刀法；总孔隙度的测定采用比重法；含水率的测定采用烘干法；土壤pH值的测定采用电位法（水土比为2.5∶1）；土壤有机碳含量的测定采用重铬酸钾容量法；土壤交换性酸（交换性氢/铝）含量的测定采用KCl交换—中和滴定法；土壤阳离子交换量(CEC)、交换性盐基总量(EB)的测定采用乙酸铵交换法，并计算盐基饱和度［BS(%)=EB/CEC×100%］；土壤交换性钙、交换性镁含量的测定采用乙酸铵交换—原子吸收分光光度法；土壤交换性钾、交换性钠含量的测定采用乙酸铵交换—火焰光度法。

土壤酶活性的测定参照严昶升等［18-19］的方法，其中土壤过氧化氢酶活性的测定采用高锰酸钾滴定法；土壤脲酶活性的测定采用靛酚蓝比色法；土壤蔗糖酶活性的测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法。

1.4 数据处理

采用Excel 2016软件对试验数据进行处理；采用SPSS 20.0软件对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对烤烟农艺性状的影响

由表1可知：在移栽后70 d，所有处理烟株的平均株高在114.60~134.63 cm之间，以生物炭处理最高，比CK高17.48%，差异显著；茎围在8.77~10.00 cm之间，有效叶数在15.00~17.33片之间，以生物炭处理最大（最多），其他3个处理的较为接近，但在4个处理间差异均不显著；最大叶长以CK最短，且与T2、T3处理的差异均达到了显著水平；最大叶宽以草木灰处理最宽，且显著宽于CK。总体上看，以生物炭处理最有利于烤烟地上部的生长，其次是草木灰处理。

表1 不同改良剂对烤烟农艺性状的影响

2.2 不同改良剂对土壤理化性质的影响

表2结果表明：3种改良剂均能降低土壤容重，提高土壤含水率、土壤总孔隙度、有机碳和全氮含量，其中以生物炭处理改善土壤理化性质的效果最好，其土壤容重较CK显著降低了8.73%，土壤含水率和土壤总孔隙度分别比CK提高了1.61和4.42个百分点，差异均达到了显著水平；有机碳含量在20.35~23.03 g/kg之间，以草木灰处理的土壤有机碳含量最高，且与CK差异显著；全氮含量以贝壳粉处理最高，但在4个处理间差异不显著。综合来看，不同改良剂均能改善植烟土壤的理化性质，可不同程度地增加土壤有机碳含量。

表2 不同改良剂对植烟土壤理化性质的影响

2.3 不同改良剂对土壤酸度特征的影响

土壤pH值表征土壤的活性酸度。土壤的潜性酸度主要用交换性酸(EA)含量来表征，是指吸附在土壤胶粒表面的交换性氢(EH+)和交换性铝(EAl3+)的含量。由表3可以看出：与CK相比，3种土壤改良剂均能使土壤pH值显著升高，贝壳粉、生物炭、草木灰处理的土壤pH值分别升高了9.98%、16.22%和7.66%，且生物炭处理的土壤pH值显著高于其他处理的。与CK相比，生物炭处理的交换性酸、交换性氢和交换性铝含量分别显著降低了83.78%、84.00%和83.33%；贝壳粉、草木灰处理的土壤交换性酸、交换性氢和交换性铝含量均较CK大幅度下降，但是差异均没有达到显著水平。说明随着土壤pH值上升，土壤潜性酸度呈下降趋势。综合来看，在降低土壤酸度方面，生物炭的效果最好，贝壳粉次之。

表3 不同改良剂对土壤pH值和潜性酸含量的影响

2.4 不同改良剂对土壤交换性盐基离子含量的影响

交换性盐基离子的含量及组成是评价土壤质量的重要指标，盐基离子中K+、Ca2+、Mg2+是作物生长的必需营养元素，其含量反映了该离子的生物有效性。由表4可以看出，土壤交换性盐基离子均以Ca2+占主要优势，Mg2+次之，而交换性K+和交换性Na+含量很低。比CK相比，贝壳粉、生物炭处理均提高了土壤交换性Ca2+含量，但差异均不显著；而草木灰处理显著提高了土壤交换性Ca2+含量，较CK提高了40.91%。生物炭处理的土壤交换性Mg2+含量显著高于CK的，但贝壳粉、草木灰处理均与CK差异不显著。贝壳粉、生物炭、草木灰处理的土壤交换性K+含量分别比CK提高了72.97%、29.73%和72.97%，但生物炭处理与CK之间无显著差异。不同处理的土壤交换性Na+含量表现为T1＞T3＞T2＞CK，其中，贝壳粉、草木灰处理的显著大于CK及生物炭处理的。

表4 不同改良剂对土壤交换性盐基离子含量的影响 cmol/kg

2.5 不同土壤改良剂对土壤交换性盐基参数特征的影响

从表5可以看出：在3种改良剂处理之间土壤交换性盐基总量(EB)差异显著，表现为T3＞T2＞T1＞CK，以草木灰处理的土壤EB值最高；贝壳粉、生物炭和草木灰处理的土壤阳离子交换量(CEC)分别较CK显著提高了13.51%、19.65%和27.07%，草木灰处理显著高于其他处理的；与CK相比，3种改良剂处理均显著提高了土壤盐基饱和度(BS)，以生物炭处理的效果最好，但在3个处理之间无显著差异。综合来看，以草木灰处理对土壤交换性盐基参数特征的影响最大，生物炭处理次之。

表5 不同改良剂对土壤交换性盐基参数特征的影响

2.6 不同改良剂对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤有机体的重要组成部分，可以促进土壤中多种养分的转化和释放。由表6可知：3种改良剂均能提高土壤中蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶的活性；与CK相比，生物炭处理的土壤蔗糖酶和脲酶活性分别显著提高了265.24%和152.78%，贝壳粉和草木灰处理也显著提高了土壤蔗糖酶活性；生物炭、贝壳粉和草木灰处理对土壤过氧化氢酶活性的影响较小。说明生物炭处理提高土壤脲酶活性的效果最好，而贝壳粉和草木灰处理提高土壤蔗糖酶活性的效果最好。

表6 不同改良剂对土壤酶活性的影响

3 结论与讨论

土壤交换性盐基总量指土壤胶体吸附的碱金属和碱金属离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)的总和，其值代表土壤酸碱缓冲能力的大小。土壤交换性盐基离子通过与土壤溶液中的H+交换，可以导致土壤溶液中的H+含量下降，从而延缓土壤酸化的进程。本研究发现，CK土壤中的交换性盐基总量显著低于施用改良剂处理的，这说明缺乏土壤盐基离子会引起土壤酸化。

不同种类的改良剂对土壤酸度的影响有所不同［20-21］。在本试验的3种改良剂中，生物炭降低土壤活性酸含量的效果最为明显。生物炭在改良酸性土壤的过程中，碱性物质与土壤中H+发生反应，同时生物炭中的盐基离子被释放出来，并与土壤中交换性H+、交换性Al3+发生交换反应，这是生物炭增加酸性土壤交换性盐基离子含量、降低土壤交换性酸含量的主要机制［22］。这可能是生物炭对土壤酸度的调节作用优于贝壳粉和草木灰的原因。草木灰是炭化植物残体后获得的物质，但因草木灰原材料的差异，草木灰对酸性土壤的改良效果有较大差异。郑福丽等［23］的研究结果表明，草木灰对果园酸性土壤的改良效果不明显。另据Demeyer等［24］报道，草木灰中钙、镁含量低于石灰，且草木灰中的营养元素含量随燃烧温度和贮存年限的不同而存在差异，这可能是草木灰降低土壤酸度的效果不如生物炭的原因。贝壳粉中碳酸钙的表面有亲水性的羟基，因此具有较强碱性［25］。王亚会［26］的研究结果表明，贝壳粉的粒径越小，其比表面积越大，羟基暴露越多，其改良酸性土壤的效果越明显。在本研究中，贝壳粉处理改良酸性土壤的效果不如生物炭处理，这可能是由贝壳粉粒径过大导致的。

本研究结果表明，3种土壤改良剂均提高了土壤蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶的活性。李集勤等［27］的研究结果表明，施用土壤调理剂可以降低土壤转化酶、磷酸酶、脲酶和脱氢酶等的活性，这与本研究的结果不一致，这可能与施用的改良剂原料来源不同有关。张继旭等［28］研究发现，生物炭处理能提高土壤脲酶和蔗糖酶的活性，这与本研究结果一致。

综上所述，3种土壤改良剂均显著提高了酸性土壤的pH值，以生物炭的改良效果最好；生物炭处理降低了土壤交换性酸、交换性氢和交换性铝含量，提高了土壤交换性盐基总量、阳离子交换量和盐基饱和度。3种土壤改良剂均改善了土壤的理化性质，提高了土壤酶的活性，以生物炭的效果最好；生物炭处理降低了土壤容重，提高了土壤总孔隙度、土壤含水率和土壤蔗糖酶、脲酶的活性，并促进了烟株地上部的生长。