2023, Vol. 50文章信息
引用本文 |
基金项目
- 广东省烟草专卖局（公司）科技计划项目（粤烟科项201803）
作者简介
- 陈桢禄（1989—），男，硕士，农艺师，研究方向为烟叶品质调控，E-mail：xisaimuzi@126.com.
通讯作者
- 王维（1972—），男，博士，副教授，研究方向为烟草栽培及生理、品质调控，E-mail: wangwei@scau.edu.cn.
文章历史
- 收稿日期：2023-06-25
2. 贵州中烟工业有限责任公司，贵州 贵阳 550004;
3. 广东中烟原料供应中心，广东 广州 511356;
4. 华南农业大学农学院，广东 广州 510642
2. China Tobacco Guizhou Industrial Co., Ltd., Guiyang 550004, China;
3. China Tobacco Guangdong Raw Material Supply Center, Guangzhou 511356, China;
4. College of Agronomy, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
【研究意义】烤烟适应性广、经济效益高，是我国重要的经济作物之一。由于烟草长期连作对植烟土壤结构和根际土壤微生物多样性造成负向影响，导致土壤酸化加剧、抑制酶活性、养分含量降低，使植烟土壤质量严重下降，各种土传病害频繁发生，我国南方烟区青枯病、黑胫病的发生尤为严重，烟草的可持续发展受到严重制约[1-4]。近几十年来，国内外对烤烟青枯病、黑胫病的防治从抗性品种的选育、化学防治、生物防治以及农业防治等各方面开展了大量研究[5-8]，但各种方法存在一定不足，如农业防治效果不稳、化学防治易对产品安全和环境有负作用、生物防治效果慢、抗性品种因病原菌的变化易丧失抗性等。而土壤厌氧消毒法（Anaerobic soil disinfestation，ASD）是一种调整土壤微生态、有效改良土壤质量且无污染的技术，探究ASD技术改良烟田土壤质量及防控烤烟主要土传病害效果对于烤烟的可持续生产具有重大意义。【前人研究进展】Momma等[9-11]研究发现，ASD技术是一种广谱的土传病原菌灭菌方法，能够降低茄科劳尔氏菌、镰刀菌、腐霉菌的相对丰度和植物寄生根结线虫数量。朱同彬等[12-13]研究发现，施用大量有机物料、淹水的强还原土壤，可快速修复因酸化、次生盐渍化而严重退化的大棚蔬菜地土壤，消除因土传病原菌和理化性质退化导致的连作障碍，但施用不同的有机物料效果存在明显差异[14]。ASD技术被认为是最有效的非化学替代品方法之一，用于杀灭土壤传播的真菌和细菌性植物病害，具有灭虫、防病、除草的功效[15]。向土壤中添加易分解的有机物料，并灌水、覆膜形成的厌氧环境，能够快速创造强还原环境，使土壤温度、湿度、Eh、pH短时间内发生明显变化，改善土壤环境，并产生一些诸如挥发性气体、有机酸和低价金属离子等物质，迅速杀灭土壤中病原微生物、线虫等，能有效提高土壤养分积累并使土壤微生物群落结构发生变化[16-20]。【本研究切入点】目前ASD技术在香蕉、草莓、番茄等农作物的土传病害防控应用中已有一些报道，我们前期研究表明，添加不同有机物料的ASD对植烟土壤理化性状和细菌群落结构产生不同影响[14]，伍朝荣等[20]采用盆栽试验研究番茄青枯病，发现向土壤添加有机物料米糠及淹水厌氧，能大幅度降低番茄青枯病发病率、提高番茄生物量。耿顺军等[21]分别施用玉米秸秆、腐熟猪粪、光叶紫花苕子等物料进行ASD处理，发现不同有机物料对病原菌的抑制效果和作物生长、烤烟产质量的提升有一定影响，且存在一定差异。但在大田生产中能够结合当地生产实际添加不同种类有机物料的ASD技术对烟草土传病害的防控效果及对其产质量的影响鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究参照伍朝荣等[22]提出的10 t/hm2有机物料添加量，以广东韶关南雄市和广东梅州大埔县2个烟区为试点，研究不同有机物料ASD技术在大田试验条件下对植烟土壤特性、烤烟农艺和经济性状的影响，比较其对主要土传病害青枯病和黑胫病的防控效果，探究大埔、南雄烤烟大田种植条件下ASD技术应用的适宜有机物料，为ASD技术在烤烟生产实践中应用提供参考。
1 材料与方法 1.1 试验材料2021年在广东梅州大埔县（简称大埔）和广东韶关南雄市（简称南雄）产区，选择土传病害发生严重的烟田开展试验。大埔和南雄供试地块土壤的基本理化性质分别为：pH 4.81、4.55，电导率（EC）0.75、0.70 ms/cm，有机质含量37.12、34.09 g/kg，全氮含量1.86、1.13 g/kg，速效氮含量112.07、96.71 mg/kg，速效磷含量74.20、85.00 mg/kg，速效钾含量78.08、83.91 mg/kg。以‘云烟87’为供试品种，选择经粉碎后的米糠和木屑作为有机物料。
1.2 试验设计设100% 米糠（MK）、50% 米糠+50% 木屑（KX）、100% 木屑（MX）3种有机物料处理，碳氮比分别为21.28、40.39、144.97，施用量为10 t/hm2，以不添加有机物料、仅灌水覆膜的厌氧处理为对照（CK），每个处理3个小区，每个小区种植面积54 m2，各处理行距1.2 m，株距0.55 m，种植密度为每667 m2 1 000株。于烟苗移栽前1个月，用旋耕机将每个小区均匀抛撒的有机物料与土壤充分混匀，起垄后灌水至1/3垄高（距地面10 cm），覆膜密闭，厌氧处理4周。结束后，移栽烟苗，种植管理按当地生产方式进行，烟叶采收、烘烤按照烟叶成熟标准和密集烘烤工艺进行操作。
1.3 测定项目及方法1.3.1 土壤特性分析 厌氧处理结束后，取植烟区表层土壤（0~20 cm），经自然风干、清除杂物后过2 mm筛，混匀后用于测定土壤的理化性质、土壤酶活性。土壤pH采用水浸提电位法测定，EC值采用土水比1 ∶ 2浸出液检测，测量方法参照伍朝荣等[20]，土壤总氮、速效氮含量测定参照杨小秋等[23]，土壤有机质、有机碳、速效磷、速效钾含量测定参照鲍士旦[24]。土壤过氧化氢酶活性利用高锰酸钾滴定法测定，脲酶活性利用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定[25]；土壤蔗糖酶活性利用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定[26]。
1.3.2 病害调查 烤烟土传病害发生情况按照烟草病虫害分级及调查方法（GB/T 23222-2008）[27]调查烤烟生长季节黑胫病、青枯病的发生率及发病指数。
1.3.3 烟株农艺性状调查 参照烟草农艺性状调查测量方法（YC/T142-2010）[28]，在烟苗移栽现蕾期测量烟株茎围、株高、上（叶位13）、中（叶位9）、下（叶位6）各部位叶长、叶宽等农艺性状指标。
1.3.4 烟株经济性状调查 按国家烤烟分级标准（GB2635-92）[29]对每个小区采烤后的烟叶进行分级、称重，按产区烟叶当年的收购价格计算均价、产值。
1.4 数据处理使用Excel 2010软件对试验数据进行初步处理，采用OriginPro 2023b软件作图，利用IBM Statistics SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。
2 结果与分析 2.1 厌氧消毒处理对植烟土壤pH、EC值的影响由图 1可知，ASD处理对土壤pH和EC值均有显著影响，且大埔、南雄两个产区表现趋势基本一致。ASD处理后两产区MX、KX、MK土壤pH值较CK均显著升高，添加有机物料可以提高土壤pH值，有效修复土壤酸化问题，但不同有机物料改良土壤pH差异不显著。经ASD处理后土壤EC值明显下降，且不同物料间存在一定差异，大埔产区以KX和MK处理的EC值降低最为显著，而南雄产区以MK处理EC值降幅最大。
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| 同地区图柱上小写英文字母不同者表示差异显著 Different lowercase letters above the column of the same area indicate significant differences 图 1 厌氧消毒处理对植烟土壤pH、EC值的影响 Fig. 1 Effects of anaerobic disinfection treatment on pH and EC values of tobacco-planting soil |
2.2 厌氧消毒处理对植烟土壤养分的影响
经ASD处理后大埔和南雄产区植烟土壤养分含量得到显著改善（表 1），大埔产区土壤的有机质、全氮、速效氮、速效钾、速效磷含量，较CK分别提升29.0%~40.6%、7.0%~24.2%、18.0%~24.4%、25.9%~43.0%、37.5%~81.7%, 添加有机物料对土壤养分速效磷的提升幅度最大，添加MK的ASD处理对土壤养分含量（除速效钾之外）改善效果均高于MX、KX；南雄产区土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾含量较CK分别提升0.1%~35.2%、55.8%~89.4%、19.7%~30.0%、22.2%~27.5%、34.0%~76.3%，添加有机物料ASD处理土壤各养分含量变化趋势与大埔基本相同。
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2.3 厌氧消毒处理对植烟土壤酶活性的影响
由表 2可知，ASD处理后大埔、南雄两产区土壤脲酶和过氧化氢酶活性均显著增强。大埔产区有机物料ASD处理中MK效果最佳，MK处理土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性较CK显著增加56.3%、60.1%、58.9%。土壤脲酶活性在不同物料处理间无显著差异，但蔗糖酶和过氧化氢酶活性在MK处理下高于MX处理，尤其是蔗糖酶活性显著，较CK、MX及KX分别增加60.1%、25.0% 及19.0%。南雄产区ASD处理（除MX处理蔗糖酶活性外）土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性较CK均显著增加，对土壤酶活性影响与大埔产区基本一致，各处理酶活性表现为MK˃KX˃MX。
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2.4 厌氧消毒处理对烤烟青枯病和黑胫病发病率及病情指数的影响
不同有机物料ASD对烤烟青枯病和黑胫病的影响如图 2所示，大埔和南雄ASD处理与CK间的烤烟青枯病、黑胫病的发病率及病情指数均存在显著性差异。大埔产区添加有机物料的ASD处理的烤烟青枯病发病率较CK降低18.9~55.8个百分点、病情指数降低34.7%~69.0%，烤烟黑胫病发病率降低27.7~59.2个百分点、病情指数降低30.4%~68.9%，各处理间的综合防控效果表现为MK˃KX˃MX，南雄产区烤烟青枯病和黑胫病的发病率比CK减少5.6~12.6和11.7~18.0个百分点，病情指数较CK分别下降16.1%~63.7% 和43.4%~63.4%。不同有机物料ASD处理对烤烟青枯病、黑胫病发病率及病情指数的影响与大埔表现基本一致。综上，两个产区均以MK处理效果最好，烤烟青枯病、黑胫病的发病率及病情指数均较低。
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| 同地区图柱上小写英文字母不同者表示差异显著 Different lowercase letters above the columns of the same area indicate significant differences 图 2 厌氧消毒处理对烤烟青枯病和黑胫病发病率及病情指数的影响 Fig. 2 Effect of anaerobic disinfection treatment on incidence and disease index of bacterial wilt and black shank in flue-cured tobacco |
2.5 植烟土壤环境因子和烤烟发病率及病情指数冗余分析
采用冗余分析研究土壤环境因子对烤烟青枯病、黑胫病的发病率和病情指数的影响（图 3）。大埔、南雄两产区上述参数数据的第1主成分（PC1）和第2主成分（PC2）累计方差贡献率分别达到98.88%、98.26%，可反映参数间的大部分信息。大埔产区，其PC1方向方差贡献率为92.14%，烤烟青枯病、黑胫病的发病率及病情指数与土壤电导率呈正相关，与土壤全氮、速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量以及脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性、pH值呈显著负相关。CK明显偏向于EC、青枯病病情指数（BWDI）、黑胫病病情指数（BSDI）等较高的方向，而MK处理则偏向于速效磷（AP）、pH、蔗糖酶（SUC）、脲酶（URE）、土壤有机质（SOM）等较高的方向，且MK处理更明显偏向于pH、SUC较高的方向。南雄产区，其PC1方差贡献率为92.57%，其变化参数与大埔产区基本相同，处理间存在显著差异。CK与MK、KX处理间的差异主要体现在PC1上，CK与MK处理间的差异还体现在PC2上，MK处理更明显偏向于URE、SOM等较高的方向。大埔产区烤烟青枯病发病率（BWM）、BWDI、黑胫病发病率（BSM）、BSDI受SUC影响较大；南雄产区烤烟BWM受URE、过氧化氢酶影响较大，BSM受全氮（TN）、URE影响较大。
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| TN：全氮；AN：速效氮；AP：速效磷；AK：速效钾；SOM：土壤有机质；EC：土壤电导率；CAT：过氧化氢酶；URE：脲酶；SUC：蔗糖酶；BWM：青枯病发病率；BWDI：青枯病病情指数；BSM：黑胫病发病率；BSDI：黑胫病病情指数 图 3 土壤环境因子与烤烟青枯病、黑胫病发病率及病情指数的冗余分析 Fig. 3 Redundancy analysis on the relationship between soil environmental factors and the incidence and disease index of bacterial wilt and black shank in flue-cured tobacco |
2.6 厌氧消毒处理对烤烟现蕾期农艺性状的影响
表 3为各处理下烤烟现蕾期主要农艺性状指标值变化，ASD处理下烤烟的株高、茎围、上部的叶长与叶宽、中部的叶长与叶宽较CK有提高趋势。大埔产区，添加有机物料的ASD处理的株高、上部叶宽较CK有所增加，其中MK处理使现蕾期的株高、茎围、各部位叶宽均明显增加，其中株高较CK显著提高16.5%，茎围较CK显著提高23.1%，上、中、下部位的叶宽较CK显著提高31.3%、26.3%、19.7%。南雄产区，添加MK的ASD处理对中、下部位叶长与叶宽影响较为显著，显著高于CK，但与添加MX、KX的处理差异较小。
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2.7 厌氧消毒处理对烤烟经济性状的影响
由表 4可知，与CK相比，ASD对烤烟的产量、产值、均价、上等烟比例、中上等烟比例的影响存在一些差异。大埔、南雄产区烤烟平均产值较CK至少增加1 949.25元/hm2，中上等烟比例比CK分别增加1.2~4.2、0.7~2.9个百分点，ASD处理显著影响大埔产区产值、产量、均价、上等烟比例，ASD处理下经济性状各指标有增加趋势，尤其是大埔产区MK添加下的ASD处理，其产值、产量、均价、上等烟比例较CK显著增加，分别提升33.6%、21.6%、9.9%、11.3%。而南雄产区主要是烟叶均价和产值明显受ASD影响，其他状性各处理间差异不显著，ASD处理下烟叶均价和产值较CK有升高趋势，尤其是添加MK的ASD处理，其均价和产值提升幅度显著大于KX、MX处理。
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3 讨论 3.1 添加不同有机物料的厌氧消毒处理对植烟土壤特性的影响
水旱轮作是一种历史悠久、可有效控制土传病害的途径，在农业生产上广泛应用。但单纯的淹水并不能有效抑制土壤中病原菌的数量，其原因可能是单纯淹水处理时，由于土壤缺乏营养，土壤中的厌氧微生物代谢活动较慢，不能产生大量的抑菌物质[17]。现有研究表明，通过添加有机物料的ASD技术，能在短时间内显著改变土壤理化性质，主要包括土壤pH、Eh、EC、土壤养分等变化[14]。本研究发现，在大埔和南雄烤烟产区的大田试验条件下，向土传病害发病严重的烟田土壤添加不同量MK和MX，经淹水厌氧发酵4周后，土壤pH值显著增加，而土壤EC值降低。这与前人研究结果基本一致[22, 30-32]，其原因可能是土壤在厌氧条件下发生还原反应，形成大量高价氧化性的碱性物质，消耗了系统中的H+。添加的有机物料在ASD处理下经矿化降解可显著增加土壤养分质量分数[20]。本研究结果表明，ASD处理后明显增加两产区土壤有机质及速效氮、磷、钾养分含量，且添加MK对土壤养分改善的效果要优于MX。有机物料中的TOC可大致分为易降解（如EOC）和难降解（纤维素、木质素等）两种形态[32]，木屑含有较多的纤维素、木质素，C/N较高，TOC较难降解，而米糠C/N较低，ASD处理后土壤环境处于强还原条件下，促进了土壤中有机物料的矿化过程，使土壤养分质量分数明显增加。土壤酶是多种营养物质转化和释放的推动力，参与土壤中的各种生物化学过程，其活性决定了土壤中进行的各种生化过程的强度和方向，影响土壤微生物数量及其群落结构，也是土壤质量评价的关键性指标[33-35]。王光飞等[35]研究发现，脲酶活性与土壤微生物数量、微生物活性和呼吸强度呈正相关。本研究发现ASD处理后土壤脲酶活性增强，表明土壤在淹水过程中，土壤微生物呼吸作用增强。过氧化氢酶主要用于分解土壤中的过氧化氢，降低土壤中过量的过氧化氢对植物根系的毒害，土壤过氧化氢酶活性与土壤有机质质量分数相关[36]。土壤蔗糖酶活性则与土壤中有机质、氮、磷含量、微生物数量及土壤呼吸强度有关，其酶促作用产物直接关系到作物的生长[37]，蔗糖转化酶与土壤速效钾和速效磷含量呈显著正相关，其活性与土壤肥力状况密切相关[38]。添加有机物料后的土壤经ASD处理后，土壤过氧化氢酶与蔗糖酶活性显著升高，说明ASD处理后土壤清除有机物料降解和土壤微生物活动产生的氧自由基能力增强，减少了氧自由基积累所造成的伤害，同时蔗糖酶活性的增加促进了土壤中有机质的分解。冗余分析也表明，两产区土壤中酶活性与土壤有机质、速效氮、磷、钾等含量呈正相关，添加有机物料ASD处理中的MK处理对土壤酶活性及养分含量的改善效果要优于KX、MX处理。
3.2 添加不同有机物料的厌氧消毒处理对烤烟病害及经济性状的影响烟草青枯病、黑胫病的泛滥造成烟株发育不良甚至死亡，给烟草行业造成极大损失。ASD技术能在短时间内形成厌氧、高温环境使得有机物分解并产生挥发性气体、有机酸、低价重金属等各类有毒物质，对各种病原菌产生抑制作用，从而达到降低土传病害的目的[22]。本团队前期研究[14]发现，ASD显著改变了细菌门类水平上各种群的比例，厌氧和耐受型细菌丰度大幅增加，青枯菌数量明显减少。本研究也表明，添加米糠和木屑的ASD处理显著降低青枯病、黑胫病的发病率和病情指数，其中以米糠（10 t/hm2）对青枯病、黑胫病的控制效果最好，米糠与木屑等量混合施用次之，说明在适宜的C/N条件下，ASD处理对土壤杀菌效果较好[30]。农艺性状是烟株生长发育过程中内在协调性好坏最直接的外在表现，能准确体现烟叶在大田生长过程中的长势、长相及植物学特性，土壤板结、通透性差、养分失衡等因素会影响烟草生长，而良好的土壤环境是获取优质烟叶的条件之一[39]。朱同彬等[13]研究发现，添加黑麦草的ASD处理可以改良退化设施蔬菜土壤，种植黄瓜后，显著增加黄瓜的株高、叶片数，黄瓜长势、长相显著改善。本研究也表明，ASD处理后烤烟的株高、茎围以及叶长与叶宽均有明显增加趋势，尤其是添加MK的ASD处理表现明显。说明ASD通过改良土壤环境影响烤烟的生理生化代谢过程，进而影响烤烟的农艺性状，促进烟叶的生长发育。因此，建议在大埔、南雄烟区使用ASD技术改良土壤质量及防控烤烟青枯病、黑胫病时，施用MK或适宜碳氮比（20~40:1）的其他有机物料。
4 结论本研究结果表明，添加有机物料的ASD技术在调节植烟土壤质量、控制土传病害发生、提升烟叶产质量方面有一定效果，不同处理的ASD技术显著降低土壤EC值、提高土壤pH值、土壤酶活性和养分含量，大埔产区土壤有机质、速效钾含量提升效果较好，较CK分别提升了29.0%~40.6%、37.5%~81.7%，南雄产区全氮、速效钾含量提升效果较好，分别提升了55.8%~89.4%、34.0%~76.3%，两产区烤烟青枯病和黑胫病的发病率较CK至少分别减少5.6、7.5个百分点，烤烟平均产值至少增加1 949.25元/hm2，大埔、南雄产区中上等烟比例比CK分别增加1.2~4.2、0.7~2.9个百分点。不同处理的效果存在差异，添加MK（10 t/hm2）的ASD处理对烟田土壤质量改良及烤烟青枯病、黑胫病的防控效果优于KX（10 t/hm2）、MX（10 t/hm2）。
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