不同植烟模式对烤烟产质量、土壤养分和酶活性的影响

张科,袁 玲*,施 娴,梁永江

(1西南大学资源环境学院,重庆400716;2贵州省遵义市烟草公司,遵义563000)

烤烟连作现象十分普遍。由于长期连作,导致产质量降低,病虫害严重、土壤养分失调、微生物种群结构改变、土壤生物化学反应受到抑制等[1-3]。在我国西南烟区,烤烟连作后烟苗的生长、产量、产值和烟叶的化学成分均发生了较大变化,逐渐失去原有的风味[4]。王连君[5]研究表明,黑龙江白浆土连作年限越长,植烟土壤的全氮含量降低,有效养分却出现积累,养分比例明显失调。

贵州是我国主产烟区,烤烟长期连作。连作条件下对烤烟产量和土壤养分影响的研究较多[6-7],但关于连作对烟叶化学成分和土壤酶的报道较少。烟叶化学成分是烤烟品质的关键,土壤酶参与土壤中的各种生物化学反应,对土壤养分的供应、转化和吸收极为重要[8]。为此,在黔北遵义县的黄壤烟区,进行了6年的田间试验,研究了烤烟连作,烤烟-玉米轮作和玉米-烤烟-烤烟轮作三种种植方式对烤烟产质量,土壤养分和酶活性的影响,旨在探索烤烟连作障碍的发生机理,并为减轻烤烟连作障碍寻找有效途径。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在贵州省遵义县中心烟草科技示范园进行。供试品种为西南烟区广泛种植的K326,供试土壤为贵州烟区具有代表性的第四纪黄壤,前作小麦,其土壤基础养分含量为有机质 28.9 g/kg,全氮1.7 g/kg,全磷 0.4 g/kg,全钾 18.0 g/kg,碱解氮 150.0 mg/kg,有效磷14.7 mg/kg,速效钾271.8 mg/kg。

试验设3个处理,即:烤烟连作;烤烟-玉米轮作(烤烟-玉米-烤烟);玉米-烤烟-烤烟轮作,3次重复。小区面积72 m2,小区内种烟6行,每行21株,行距×窝距为110 cm×60 cm。试验于2002年开始2007年结束,共计6年2个轮作周期。

烟苗移栽前基施烟草专用肥(10-10-25)750 kg/hm2,烟苗移栽后第9天和第19天分别追施烟草专用肥(15-0-30)75和150 kg/hm2。栽后40 d左右打脚叶,50%的烟株中心花开放后打顶,采用化学抑芽剂抹杈,七月上旬开始采收,共5次,按当地工艺烘烤。玉米施肥和管理同当地大田。

1.2 采样与测定

分别于移栽前、旺长期、收获后在靠近植株根部10 cm处,采集0—20 cm的耕层土壤。土壤全氮、全磷、全钾、缓效钾、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质和pH按常规方法[9]。过氧化氢酶用高锰酸钾滴定法测定,以20 min后每克土消耗的0.1 mol/L高锰酸钾的毫升数表示;脲酶用靛酚蓝比色法测定,以24 h后每克土壤的NH3-N的毫克数表示;蔗糖酶用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,以24 h每克土壤的葡萄糖毫克数表示[10]。

烟叶初烤后,按照国家42级烤烟分级标准[11],分为上等、中等、下等三个大等级。其中,上等烟包括 C1F 、C2F 、C3F 、C1L 、C2L 、B1F 、B2F 、B1L、B1R 、H1F 、X1F;中等烟包括 C3L、C4L 、C4F、X2F 、X3F、X1L、X2L、B3F、B4F、B2L、B3L、B2R、B3R、H2F、X2V、C3V 、B2V、B3V 、S1;下等烟包括 B4L、X3L、X4L、X4F、S2、CX1K、CX2K、B1K、B2K、B3K 、GY1、GY2。 分处理 称重,计算产量和中上等烟比例。分处理取等级C2F烟叶,测定化学成分,测定方法为:总氮用过氧化氢-硫酸消化法;总糖用蒽酮比色法;还原糖用沸水浸提—铜还原—直接滴定法;烟碱用紫外分光光度法[12]。

本论文数据为2007年的试验结果,该年度三个处理皆种植烤烟。采用Excel和DPS v3.01进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同植烟模式对烤烟产量和中上等烟比例的影响

图1可见,烤烟连作、烤烟-玉米轮作和玉米-烤烟-烤烟轮作的产量分别为 1611.2、2134.6和2196.6 kg/hm2,前者显著低于后两者;中上等烟比例连作为72.01%,也显著低于烤烟-玉米轮作(84.45%)和玉米-烤烟-烤烟轮作(86.69%)。

图1 不同植烟模式对烤烟产量和中上等烟比例的影响Fig.1 Effects of different tobacco cropping modals on yield and proportion of high and middle class leaf of flue-cured tobacco

2.2 不同植烟模式对烤烟烟叶化学成分的影响

连作处理,烟叶总氮、蛋白质和烟碱含量最高,烤烟-玉米轮作次之,玉米-烤烟-烤烟轮作最低。相反,连作烟叶中的总糖、还原糖含量、施木克值和糖碱比最低,烤烟-玉米轮作次之,玉米-烤烟-烤烟轮作最高(表1)。

施木克值是可溶性总糖和蛋白质含量的比值。卷烟产品中可溶性糖量随等级提高而增加,而蛋白质量随等级提高而减少,因此,施木克值较大,烟质较好。糖碱比是可溶性总糖与烟碱含量的比值,用于反应烟叶的酸碱协调性。一般烟叶的糖碱比在6～10的范围内较佳。表1看出,玉米-烤烟-烤烟轮作的施木克值和糖碱比分别为2.49和7.85,烤烟-玉米轮作为2.09和7.05,烤烟连作为1.73和5.52,轮作处理显著高于烤烟连作。可见,烤烟连作后,烟叶不仅产量和外观等级较低,其化学品质也不好;实施烤烟-玉米轮作和玉米-烤烟-烤烟轮作既有益于提高烤烟产量,又能显著改善烤烟品质,生产中可以考虑推广。

表1 不同植烟模式对烤烟烟叶化学成分的影响Table 1 Effects of different tobacco cropping models on chemical contents in flue-cured tobacco

2.3 不同植烟模式对土壤pH和养分的影响

烤烟收获后,连作土壤pH从5.81降至5.23;而烤烟-玉米和玉米-烤烟-烤烟轮作pH无显著变化(表2)。说明土壤长期连作烤烟之后,pH缓冲能力降低。烤烟适宜生长的土壤pH范围在5.5～ 6.5之间[13],经过6年连作,土壤pH已低于适宜范围。

土壤pH与土壤化学和生物化学反应,以及微生物活动密切相关,进而影响土壤养分的转化和生物有效性[14]。因此,烤烟连作降低土壤pH缓冲能力,不利于土壤养分供应和烟株对养分的吸收,从而影响了其生长发育和产质量形成。

表2还看出,无论是烤烟连作还是轮作,栽前收后土壤有机质和全量养分含量无显著差异。但是,无论是烤烟连作还是轮作,土壤碱解氮含量均出现栽前～旺长期增加,旺长期～收获后降低的趋势。两种轮作处理中,烤烟各生育期土壤有效磷、钾无显著变化,但在烤烟连作处理,有效磷、钾在生育期后期有所增加,即:有效磷从栽前的13.33 mg/kg增至收后的17.54 mg/kg;速效钾从栽前的233.09 mg/kg增至收后的285.19 mg/kg。本试验烤烟的施肥量相同,连作烤烟产量显著低于轮作,因而其吸收磷、钾的量也少,可能导致土壤有效磷,速效钾累积,造成土壤养分失衡。

土壤养分失衡是导致连作障碍的重要因素,合理轮作是缓解养分失衡的有效手段。作物不同,吸收营养物质的种类和数量就不同,收获后土壤中残留的有效养分也不同。烤烟生长早期需要大量氮素供应,打顶后需氮量减少,过高的氮肥供应量会延长氮代谢过程,使营养生长期拖长,叶片落黄延迟,烟叶烟碱含量过高、还原糖及糖碱比低,降低烟叶品质[15]。因此,选择与烤烟的轮作作物应是需氮量较多,氮素残留少,而消耗磷、钾较少,且与烤烟没有同源病害的旱作物。

表2 不同植烟模式对土壤养分的影响Table 2 Effects of different tobacco cropping models on soil nutrients

2.4 不同植烟模式对土壤酶活性的影响

图2可见,无论是烤烟连作还是轮作,过氧化氢酶和脲酶活性都出现栽烟前～旺长期增强,旺长期～收获后减弱的趋势。其中,收获后连作土壤过氧化氢酶活性最高,分别比玉米-烤烟-烤烟轮作和烤烟-玉米轮作高出9.08%、17.42%;但土壤脲酶活性最低,显著低于两轮作处理,分别比玉米-烤烟-烤烟轮作和烤烟-玉米轮作下降36.81%、29.04%。在各处理中,土壤蔗糖酶活性从栽烟前到收获后不断增强,收获后连作土壤蔗糖酶活性最低,分别比两种轮作处理低17.89%和8.94%。

图2 不同植烟模式对土壤酶活性的影响Fig.2 Effects of different tobacco cropping modals on activities of soil enzymes

连作土壤的过氧化氢酶活性较高说明其土壤中氧化作用较强,根际微生物代谢活跃,过氧化氢分解较快,对根系的毒害作用较弱,这在一定程度上可以缓解烤烟连作障碍[16]。脲酶是土壤中唯一对尿素水解起重要作用的酶类,脲酶的酶促反应产物氨是烤烟重要的氮素来源,其活性可表示烤烟土壤中氮素的供给状况[17]。在烤烟连作的土壤中,脲酶活性降低,说明土壤中的氮素转化强度有所变化,改变了土壤对烟苗氮素的供应状况,可能不利于烟株吸收氮素,影响烤烟产量和质量。蔗糖酶是参与土壤有机碳循环的酶,对增加土壤中易溶性营养物质起着重要作用。在烤烟连作的土壤中,蔗糖酶活性较低,表明土壤有机碳分解与合成可能也发生了障碍。

土壤酶主要来自微生物细胞和动植物残体,土壤酶的活性与土壤健康及土壤养分转化等有很大的关系,其活性大小可以敏感地反映出土壤中生化反应的方向和强度,是土壤肥力和生产力的重要指标[18]。据报道,土壤pH与土壤脲酶、蔗糖酶的活性呈显著正相关[14];褐潮土长期定位试验表明,有机质、速效磷钾等养分的高低与土壤酶活性呈正相关[19];据万忠梅、吴景贵[20]研究看出,土壤微生物、根系分泌物和土壤酸碱度等也是酶活性变化的影响因子。在烤烟连作的土壤中,蔗糖酶和脲酶活性下降的原因可能是烤烟根系分泌物积累,改变了微生物的种群结构,细菌减少而真菌增加,从而抑制了它们的活性。此外,烤烟连作使土壤pH的缓冲性降低,也可能进一步降低它们的活性,进而影响它们参与的生化反应[21]。相反,土壤的过氧化氢酶活性可能受根系分泌物和土壤pH影响较小,其原因有待进一步研究。连作作物产生的自毒物质也抑制了自身的生长[22-23]。可见连作障碍的产生机理十分复杂,后续的研究应该从更广阔的角度,综合性地探索其发生机理,才能为贵州黄壤烟区缓解连作障碍找到合适的植烟模式。

3 结论

烤烟连作显著降低烟叶的产量和品质;相反,实施烤烟-玉米轮作和玉米-烤烟-烤烟轮作既有益于提高烤烟产量,又能显著改善烤烟品质。

在烤烟连作的土壤中,pH降低,有效磷、速效钾累积,过氧化氢酶活性提高,脲酶活性和蔗糖酶活性受到抑制;相反,实施烤烟-玉米轮作和玉米-烤烟-烤烟轮作,土壤pH、有效磷、速效钾变化不大。在烤烟生长过程中,土壤酶的变化趋势连作与轮作相似。

综上所述,烤烟-玉米轮作和玉米-烤烟-烤烟轮作烟叶的产量、品质较好,烟叶化学成分协调,也较好地保持了土壤农化和酶学性质,值得推广应用。

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