不同连作年限烟田土壤酶活性及养分含量变化

陈继峰,孙 会,夏 阳,蔡凯旋,刘洪源,赵松辉,李远远,郑亚楠,郭瑞亮

(1.郑州大学 生命科学学院,河南 郑州450001; 2.平顶山市烟草公司叶县分公司,河南 叶县 467200;3.郑州大学 远程教育学院,河南 郑州450001; 4.国家电网河南省电力公司,河南 郑州450018)

不同连作年限烟田土壤酶活性及养分含量变化

陈继峰1,孙 会1,夏 阳2,蔡凯旋1,刘洪源3,赵松辉1,李远远1,郑亚楠4,郭瑞亮1

(1.郑州大学 生命科学学院,河南 郑州450001; 2.平顶山市烟草公司叶县分公司,河南 叶县 467200;3.郑州大学 远程教育学院,河南 郑州450001; 4.国家电网河南省电力公司,河南 郑州450018)

为了探讨河南省连作烟田主要肥力指标随连作年限的变化情况,对有代表性的5个植烟区(郏县、召陵区、方城县、襄城县、嵩县)不同连作年限土壤主要酶(蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶)活性、pH值及有机质、全氮、速效磷、速效钾含量进行了研究。结果表明, 大部分植烟区,蔗糖酶、脲酶活性在连作2 a时有所上升,之后随连作年限的增加而呈下降趋势,有一些地区随连作年限的增加而直接降低;过氧化氢酶活性在连作2 a时有所上升,之后随连作年限的增加而呈下降趋势,连作3 a后趋于稳定;总体上,酸性磷酸酶活性在连作3 a之内随连作年限增加逐渐下降,之后趋于稳定。除方城县外,其余县(区)烟田土壤pH 值总体均随着连作年限增加而降低,介于5.6～6.6。随连作年限增加,郏县、嵩县烟田土壤有机质含量呈降低趋势,方城县、襄城县变化不明显,召陵区呈先降低后升高趋势;全氮含量在多数地区(郏县、襄城县、嵩县)呈降低趋势,召陵区呈先降低后升高趋势,方城县呈升高趋势; 召陵区、嵩县烟田土壤速效磷含量先稍微下降后升高,郏县呈先升高后降低趋势,方城县和襄城县无明显变化;速效钾含量在各个地区的变化规律不同。综上,河南各地连作烟田主要酶活性和养分指标随连作年限变化有一定的规律,但并非完全一致。说明立地条件、农事活动对土壤中主要酶活性、pH值、有机质及氮、磷、钾含量均有影响。因此,解决烟草连作障碍问题,需要针对不同地区采取不同的措施。

烤烟; 连作; 土壤养分; 酶活性; 河南省

河南省是我国重要的烟草种植省份之一,由于可供轮作的土地资源有限,烟田轮作倒茬难度大,连作和套作难以杜绝,烟草连作障碍问题较严重[1],主要表现在土传病害危害程度增加、生长发育受阻、产量和品质下降等[2-6]。土壤养分亏缺或失衡、有害微生物大量繁殖、根系分泌物及前茬作物残留物毒害是连作障碍产生的重要原因。目前,关于烟草连作障碍问题的研究大多集中于某一地区或小范围的试验[7-13],很少在烟草种植的较大范围内进行探究。为此,对河南省不同烟草主产区不同连作年限烟田进行土样采集,研究能衡量土壤肥力的主要酶活性及土壤养分含量变化,以期为解决河南省烟草连作障碍问题提供决策依据。

1 材料和方法

1.1 土样采集

于2013年10月和2014年10月连续2 a,在具有代表性的河南省烟草种植区平顶山市郏县、漯河市召陵区、南阳市方城县、许昌市襄城县、洛阳市嵩县,采集不同连作年限烟田土壤。土样采样方法:首先略去地表浮土,采用5点取样法用灭菌铲采集烟草根际周围0～20 cm土壤,每个烟田取5个土壤样品的混合土样约1 kg,用于烟田土壤酶活性及养分含量测定。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 土壤酶活性 蔗糖酶活性使用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,脲酶活性使用苯酸钠-次氯酸钠比色法测定,过氧化氢酶活性使用高锰酸钾滴定法测定,酸性磷酸酶活性使用赵兰坡等[14]的方法测定。

1.2.2 土壤养分含量 pH值使用pH计测定,有机质含量采用重铬酸钾容量法测定,土壤全氮含量使用凯氏定氮法测定,速效磷含量使用钼蓝比色法测定,速效钾含量使用火焰光度计法测定[15]。

1.3 数据分析与图表制作

使用Excel 2010进行数据统计分析和图表制作。

2 结果与分析

2.1 不同连作年限烟田土壤酶活性变化

2.1.1 蔗糖酶 蔗糖酶可将土壤中的蔗糖通过水解作用降解为果糖和葡萄糖,是土壤腐殖质分解、土壤能量转化的重要酶类。由图1可知,在5个县(区)烟田土壤中,蔗糖酶活性不同,召陵区土样中最高而嵩县最低。总体上,召陵区、方城县、嵩县3个县(区)烟田土壤中蔗糖酶活性均随着连作年限的增加而降低;郏县、襄城县烟田土壤中蔗糖酶活性在连作2 a时略有升高,然后呈下降趋势。

图1 各地区不同连作年限烟田土壤蔗糖酶活性变化

2.1.2 脲酶 脲酶是影响烟草植株生长势态的重要酶类,它分解产生的氨类是烟草生长所必需的氮源,对烟草植株长势及其叶片大小起重要作用。从图2可以看出,在5个县(区)中,郏县、召陵区和襄城县烟田土壤中脲酶活性变化规律较为一致,即连作前2 a烟田土壤脲酶活性呈缓慢上升趋势,连作2 a后开始呈下降趋势;而在方城县和嵩县,烟田土壤脲酶活性则随连作年限的增加而呈下降趋势。总之,烟草连作年限超过2 a后,随着连作年限的增加,烟田土壤脲酶活性呈下降趋势。

图2 各地区不同连作年限烟田土壤脲酶活性变化

2.1.3 过氧化氢酶 过氧化氢酶活性与土壤有机质含量、微生物数量有关。过氧化氢酶可以催化土壤中有机物质分解。由图3可知,当烟草连作年限为2 a时,烟田土壤过氧化氢酶活性出现上升趋势(方城县除外);而在连作年限超过2 a之后,烟田土壤过氧化氢酶活性随连作年限的增加先稍微下降后趋于平稳。总体上,郏县、召陵区、方城县、襄城县烟田土壤中脲酶活性相近,嵩县烟田土壤中脲酶活性最高。

图3 各地区不同连作年限烟田土壤过氧化氢酶活性变化

2.1.4 酸性磷酸酶 磷酸酶活性是评价土壤磷素生物转化方向与强度的指标。土壤中的磷酸酶主要分为3大类,即酸性磷酸酶、中性磷酸酶和碱性磷酸酶。因测定烟田的pH 值偏酸,故分析土样中的酸性磷酸酶活性。由图4可知,在5个县(区)烟田土壤中酸性磷酸酶活性的变化规律总体为:连作3 a之内,烟田土壤酸性磷酸酶活性随着连作年限增加而明显降低;连作3 a以上时,各地烟田土壤酸性磷酸酶活性随着连作年限增加变化不同,或升高或降低。其中,召陵区缺少连作3 a土样,但连作5 a的土样中酸性磷酸酶活性与连作2 a的差异不明显。

图4 各地区不同连作年限烟田土壤酸性磷酸酶活性变化

2.2 不同连作年限烟田土壤养分含量变化

2.2.1 pH值 由图5可见,在5个县(区)烟田连作土壤样品中,pH值变化范围不大。种植第1年时各地的pH值介于5.8～6.6;在连作 2 a时,郏县、召陵区、方城县土壤pH 值稍有上升,而襄城县、嵩县土壤pH值则下降,但下降幅度不大;之后,除方城县外,其余县(区)烟田连作土壤pH 值均随着连作年限增加而降低,但降低幅度不大。与种植1 a烟田土壤相比,郏县连作8 a土壤pH值仅下降了4.12%,召陵区连作5 a土壤pH值仅下降了2.31%,襄城县连作4 a土壤pH值下降了2.09%。总之,连作烟田土壤pH值随连作年限增加总体呈下降趋势,但下降幅度不大,连作3 a以上时保持在5.6～6.4。

图5 各地区不同连作年限烟田土壤pH变化

2.2.2 有机质 由图6可以看出,随连作年限的增加,不同县(区)烟田土壤有机质含量变化因地而异。方城县和襄城县烟田土壤有机质含量随着连作年限的增加并无明显增减,较稳定;郏县和嵩县烟田土壤有机质含量随连作年限增加而下降,其中郏县在连作4 a之后,有机质含量趋于稳定;召陵区种植烟草的第2年烟田土壤有机质含量稍有下降,而在连作5 a时大幅升高,与其他地区的变化情况不同,这可能与取样地块的施肥水平和农事操作有关。总之,在烟草生产上,土壤有机质含量与烟草连作年限的关系,其规律因地而异,可能与每年都对烟田施肥及农事操作有关。

图6 各地区不同连作年限烟田土壤有机质含量变化

2.2.3 全氮 由图7可以看出,郏县、襄城县和嵩县地区烟田土壤中全氮含量随着连作年限的增加呈逐渐下降的趋势,仅郏县变化较明显;召陵区烟田土壤在连作2 a时下降,随后在连作5 a时又上升;方城县烟草连作年限较短,只有种植1、2 a的烟田, 连作2 a的烟田中全氮含量有所上升。

图7 各地区不同连作年限烟田土壤全氮含量变化

2.2.4 速效磷 从图8可以看出,郏县烟田土壤速效磷含量在连作2 a时有所上升,之后随连作年限的增加而呈下降趋势;召陵区、方城县和嵩县烟田土壤速效磷含量在连作2 a时稍有下降,召陵区和嵩县烟田土壤速效磷含量在连作2 a之后上升;襄城县烟田土壤速效磷含量随连作年限增加变化不明显,烟田中速效磷含量较稳定。

图8 各地区不同连作年限烟田土壤速效磷含量变化

2.2.5 速效钾 从图9可以看出,随着连作年限的增加,5个地区连作烟田土壤中速效钾含量变化各不相同。其中,郏县烟田土壤速效钾含量随着连作年限的增加呈逐渐下降的趋势;召陵区和方城县烟田土壤速效钾含量随着连作年限的增加呈逐渐上升的趋势;襄城县烟田土壤速效钾含量在连作2 a时有所下降,随后又逐渐上升;嵩县烟田土壤速效钾含量随着连作年限增加的变化趋势与襄城县相反,在连作2 a时大幅度上升,而后又缓慢下降。

图9 各地区不同连作年限烟田土壤速效钾含量变化

3 结论与讨论

烤烟连作障碍是一个全国性的难题,对于不同的烤烟产区,其具体的连作障碍表现有差别,如开始出现连作障碍现象的连作年限、主要病虫害发生的种类及严重程度等[1];并且由于烤烟产区土壤类型、自然气候、农事活动等因素的影响,致使各地土壤养分含量随连作年限的变化不尽一致,但遵循一定的规律。

3.1 不同连作年限对烟田土壤酶活性的影响

本研究结果表明,总体上,随连作年限增加,河南省不同烤烟产区连作烟田土壤主要酶活性遵循一定的变化规律,但不完全一致。这可能与当地环境因素、土壤类型、施肥方式、施肥种类等不同有关[16-19]。在郏县和襄城县,烟田土壤蔗糖酶活性在连作2 a时有所上升,然后呈下降趋势,此结果和焦永吉等[20]对襄城县连作烟田蔗糖酶活性变化规律的研究结果一致。河南省烟草种植的不同地区,连作烟田中主要酶的变化规律有异,一方面说明农事活动与立地气候环境条件对土壤中主要酶活性有一定的影响,但总的变化情况与前人在其他地区烟草连作方面的研究结果一致[8,21-28];另一方面,说明不同地区的酶活性变化趋势因地区而异,对烤烟连作问题的解决需要具体地区具体分析。

在5个县(区)中,襄城县的土壤样品多、分布较均匀、烟田土地平整,有灌溉条件,并且是由同一个人管理的,其土壤样品中酶活性可以反映该地区土壤主要酶活性的变化趋势。襄城县作为国内最早成功种植烤烟的地区之一,无疑当地的土壤、气候等条件是适宜烤烟生长的。但是实地调查发现,该地的连作障碍问题较为严峻,对该地连作烟田土壤酶活性分析发现,襄城县土壤样品中蔗糖酶和脲酶活性,在连作2 a之后随连作年限的增加而下降,这可能是该县连作障碍的主要因子之一。相比之下,方城县的土壤样品较少,据当地烟草公司的工作人员反映,方城县较少进行连作,所以当地连作3 a的烟田几乎没有。嵩县土壤酶活性变化趋势最为复杂,可能与当地地形有很大关系。嵩县地区的烤烟种植多在岗地或山坡地上,大多无灌溉条件,且坡向、海拔不同,其烤烟种植条件差别较大,对土壤酶活性影响也较大。而召陵区和郏县2个地区都是平整的土地,土壤酶活性随连作年限增加的变化规律相对来说较为明确,并可推测出连作时间较长时酶活性的变化趋势。

3.2 不同连作年限对烟田土壤pH值的影响

本研究结果表明,种植1 a时河南省各地烟田pH值在5.8～6.6,随着连作年限增加,土壤pH值有所下降,但下降幅度不大,这与娄翼来等[8]对辽宁省宽甸烟区不同种植年限烟田的研究结果一致。土壤pH 值不仅受土壤有机物分解作用、酶活性高低和土壤中矿物质元素含量等的影响,而且也反过来影响各种生理生化指标。本研究土壤pH值下降后介于5.6～6.4。世界各国所推荐的烤烟生长最适土壤pH值为5.5～7.5[8]。虽然本研究土壤pH值仍在适宜范围内,但pH值下降导致土壤中的一些酶活性降低,进而造成土壤微环境改变,从而会对烟草品质造成影响。而且,由于土壤微生物区系变化对环境的影响十分敏感,土壤pH 值的改变会使土壤中的致病真菌数量上升,引起土壤种植环境进一步恶化,增加土传病害发病率。

3.3 不同连作年限对烟田土壤养分含量的影响

张翔等[29]在临颍县杜曲镇烟田研究发现,烤烟连作导致烟田土壤有机质含量下降。而本研究结果表明,河南省5个植烟县(区)烟田土壤有机质含量随烟草连作年限增加的变化规律不完全一致,这可能与当地立地条件、农事操作不同有关。

本研究结果表明,连作烟田全氮、速效磷、速效钾钾含量与烟草连作年限有一定的关系。多数地区连作烟田土壤总氮含量随着连作年限的增加而降低;速效磷和速效钾含量随着连作年限增加的变化情况因地而异,有的地区在连作2 a后升高,而有的地区则降低。张翔等[29]对临颍县杜曲镇烟田的研究发现,烤烟连作导致烟田土壤速效氮、速效磷、速效钾含量增加,这可能与各地烟田的施肥情况和土壤管理水平有关。

致谢:感谢中国烟草总公司河南省公司对该研究的资助,感谢省公司下属各级烟草公司、烟站及烟草办公室、种植户等对该研究的支持与配合。

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Changes of Enzyme Activities and Nutrient Contents in Continuous Cropping Tobacco Soil for Different Years

CHEN Jifeng1,SUN Hui1,XIA Yang2,CAI Kaixuan1,LIU Hongyuan3,ZHAO Songhui1, LI Yuanyuan1,ZHENG Ya’nan4,GUO Ruiliang1

(1.School of Life Science,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China; 2.Yexian Branch of Pingdingshan Tobacco Company,Yexian 467200,China; 3.Distance Learning School,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China; 4.Henan Electric Power Company,State Grid Corporation,Zhengzhou 450018,China)

In order to study the changes of main fertility levels of continuous cropping tobacco soil,the activity of main enzymes(invertase,urease,catalase and acid phosphatase),pH value,contents of organic matter,nitrogen,phosphorus and potassium were measured in typical flue-cured tobacco planting regions with continuous cropping tobacco for different years,mainly at five counties(district) of Henan(Jiaxian,Shaoling district,Fangcheng county,Xiangcheng county and Songxian).The results showed that the activities of invertase and urease were increased in the second year of the continuous planting,and there was a declining tendency with the increase of continuous planting year in the most of tobacco growing areas,and there was a directly reducing with the planting years increase in some areas.The catalase activity increased in the second year of continuous planting,then deceased,and then tended to be stable after continuous planting for 3 years.The acid phosphatase activity declined gradually with the increase of continuous planting year within 3 years of continuous planting,then tended to be stable.The soil pH value decreased with the increase of continuous planting years in most of places,except Fangcheng county,which were 5.6—6.6.The contents of organic matter increased with the increase of continuous planting years in Jiaxian and Songxian,were not obviously changed in Fangcheng county and Xiangcheng county,and increased first and then decreased in Shaoling district.The contents of total nitrogen decreased in most of the areas(such as Jiaxian,Xiangcheng county,and Songxian) with the increase of continuous planting year,and increased in the early planting years then reduced in Shaoling district,and increased in Fangcheng county.The contents of available phosphorus decreased first and then increased in Shaoling district and Songxian,and on the contrary in Jiaxian,and were not obviously changed in Fangcheng county and Xiangcheng county.The contents of available potassium varied differently in different places.Overall,there were change rules for main enzymes activity and nutrient index in different planting tobacco regions with the increase of continuous planting years,but which were not completely consistent in different regions,which indicated that the tobacco planting conditions,farming activities influenced the main enzyme activities,pH value,contents of organic matter,nitrogen,phosphorus and potassium in the soil.Therefore,it requires different solution for different planting area to solve the tobacco continuous cropping obstacles.

flue-cured tobacco; continuous cropping; soil nutrients; enzyme activity; Henan province

2016-04-06

河南省烟草公司科技计划项目(HYKJM201304)

陈继峰(1967-)，女，河南南阳人，副教授，博士，主要从事生物技术方面的教学与科研工作。 E-mail:chenjifeng@zzu.edu.cn

S158

A

1004-3268(2016)10-0060-05