黄壤区烤烟轮作与连作根系形态、产量及养分吸收的变化

2018-12-11魏全全芶久兰周开芳左明玉苟世新邵代兴肖厚军

西南农业学报 2018年11期

魏全全，芶久兰，赵欢，张萌，周开芳，左明玉，苟世新，邵代兴，肖厚军*

(1.贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵州贵阳 550006;2.农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州贵阳550006;3.贵州省遵义市土壤肥料工作站，贵州遵义 553000)

【研究意义】烟草是我国重要的经济作物，然而受限于我国土地资源短缺和经济利益的驱使，连作现象十分普遍且愈发严重。但长期连作会产生一系列生产问题，相关研究指出，烤烟连作显著降低烤烟根、茎和叶的生物量［1］以及上等烟比例［2］，同时烟叶品质降低，评吸质量下降［3－4］，烟地养分比例失调［5］，不利于现代烟草产业的可持续发展。科学的轮作模式能有效减轻连作障碍，是保持土壤生产力和保障整个农业健康生产和可持续发展的重要举措［6］。烤烟轮作能有效改善土壤微生物环境［7］，是实现现代烟草产业可持续发展的重要保障。【前人研究进展】董建江等［8］在皖南的试验结果表明，稻烟轮作能提高土壤有机质和养分含量，维护皖南土壤肥力，并且提高作物经济产值;蔡艳等［9］的结果表明，与连作相比，粮草轮作能显著增加小麦籽粒和秸秆;陈丹梅等［10］研究表明，烤烟－苕子－水稻轮作模式土壤适合多种真菌的繁殖生长，提高作物产量和产值。黄壤是贵州典型的植烟土壤，且烤烟连作现象较为严重。轮作能有效减轻土壤病虫害［11］，同时能提高烤烟的产量和品质［12］。【本研究切入点】水稻－烤烟轮作模式是贵州近年发展的水旱轮作模式，然而有关贵州黄壤区稻－烟轮作下烤烟根系形态、养分利用及产质量的变化研究变化并不多见。【拟解决的关键问题】本研究设置稻－烟轮作和烟－烟连作2种种植模式，在两年1个轮作周期内控制氮、磷和钾用量一致，探究黄壤区两种种植模式对水稻和烤烟产量、经济效益、养分利用及烤烟根系生长的影响，明确适用于贵州烤烟的种植模式，为贵州黄壤区烤烟的科学合理种植提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2016和2017年在贵州省遵义市绥阳县旺草镇广怀村青山组进行，供试土壤为微酸性黄泥土。试验地土壤(2016年作物种植前)基本理化性质为 pH 5.62，碱解氮108.7 mg·kg－1，有效磷37.6 mg·kg－1，速效钾 272.0 mg·kg－1。

1.2 试验材料

水稻采用当地主推品种(粟香196)。烤烟品种是K326。水稻供试肥料为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)和硫酸钾(含K2O 50%);烤烟供试肥料为烤烟专用基肥(N∶P2O5∶K2O=10∶10∶23)、烤烟专用追肥(N∶P2O5∶K2O=15∶0∶30)、硝酸铵(含N 35%)、过磷酸钙(含P2O512%)和硫酸钾(含K2O 50%)。

1.3 试验设计

试验共设2种种植模式(稻－烟轮作和烟－烟连作)，每种种植模式各设置3次重复，共计6个处理，小区面积42 m2(6 m×7 m)，随机区组排列，各小区起埂用塑料薄膜隔开单独翻耕且作物单独种植，不同重复间留排灌水沟预防小区渍水，并在小区缺水时及时补充水分。

两种植模式同田进行，试验开始前，2015年田块夏季作物为烤烟，冬季种植作物为油菜(作绿肥)，共种植1a，2015年之前田块作物为水稻。2016年为水稻和烤烟试验，2017年在水稻和烤烟收获后的小区上分别种植烤烟。两种植模式在两年的养分总投入量控制一致，均为 N 195 kg·hm－2，P2O5180 kg·hm－2，K2O 270 kg·hm－2，每年具体施肥情况见表1。

烤烟栽种和施肥按贵州省烟草公司遵义市分公司的推荐规范技术进行育苗、起垄和移栽，起垄不覆膜，烤烟移栽时施用烤烟专用肥40 kg，移栽20d后，按照试验设计追施烤烟专用追肥，其他养分用硝酸铵、过磷酸钙和硫酸钾配施，其他田间管理措施按照当地常规措施进行。2016年，水稻统一育苗栽培，于4月2日播种育苗，5月27日移栽，移栽密度为每小区 500穴(20行 ×25穴/行，11.91万穴·hm－2)，9月22日统一收获;烤烟于3月2日播种育苗，5月6日移栽，移栽密度为每小区54穴(6行×9穴/行，12 857穴·hm－2)，7月5日开始分次收获。2017年，烤烟于3月6日播种育苗，5月12日移栽，移栽密度为每小区54穴(6行×9穴/行，12 857穴·hm－2)，7月13日开始分次收获。

1.4 试验方法

1.4.1 测定项目 ①土壤样品的采集与测定。土壤样品在作物种植前采用“S”行取样法在整个试验田采集，风干磨细过筛后分别测定0～20和20～40 cm土壤pH、碱解氮、有效磷和速效钾［13］;每一季作物收获后分别在各种植模式小区取0～20和20～40 cm土壤，测定pH、碱解氮、有效磷、速效钾、硝态氮和铵态氮［13］。②烤烟根系参数的测定。第2季烤烟第1次采收后(2017年7月13日)，无破坏挖取烤烟根系，用根系扫描仪分别测定根系根长、平均直径、表面积和体积。③水稻、烤烟地上部生物量的测定。取水稻和烤烟收获期，各小区选取有代表性植株6株(兜)，105℃下杀青30 min，60℃烘箱中烘至恒重，记录干重，依次折算地上部生物量，其中烤烟生物量为多次采收累积。④水稻、烤烟产量的测定。水稻收获期，各处理实打实收，分别计产。烤烟分期采收烘烤，各个时期实际采收烘烤量相加即为小区的实际产量。⑤水稻、烤烟养分的测定。水稻收获期，各小区分别选取有代表性植株，105℃下杀青30 min，60℃烘箱中烘至恒重，分茎秆、叶片和籽粒测定N和K［13］;烤烟采收期，选取每次采收的烤烟样品，60℃烘箱中烘至恒重，分茎秆和叶片测定N和K［13］。⑥水稻、烤烟养分累积量的计算。水稻养分累积量为茎秆、叶片和籽粒氮素累积量之和;烤烟养分累积量为采收期每次采收烤烟养分累积量及茎秆养分之和。

表1 稻－烟轮作与烟－烟连作试验设计Table 1 Experimental design of rice-tobacco rotation and continuous cropping of tobacco

氮素累积量=氮含量×地上部生物量/1000

钾素累积量=钾含量×地上部生物量/1000

1.4.2 数据处理与分析试验数据与分析采用Microsoft Excel 2003软件及SPSS 17.0软件进行，采用DPS数据处理软件进行数据的统计分析，结果则采用LSD法在P＜0.05和P＜0.01水平上进行显著性分析，制图采用Origin 8.0软件。

2 结果与分析

2.1 连作与轮作模式下烤烟根系外部形态及特征参数

根系是植株吸收养分和水分的器官，其生长状况能反应作物养分和水分的吸收能力。旺长期烤烟根系外部形态见图1。连作种植模式下，烤烟部分根系颜色发黑，数量较少，且细根数目较少，根系生长相对较弱;轮作种植模式下，烤烟根系颜色正常，根系发达，数量较多，且细根数量较多，根系生长较连作模式根系旺盛。一般认为，细根的吸收能力强于粗根［14］，轮作烤烟根系吸收能力强于连作烤烟。

与烟－烟连作相比，轮作模式下烤烟根长、根表面积和根总体积均显著高于连作模式烤烟根，根平均直径显著低于连作模式烤烟根(表2)。轮作模式下，烤烟根长为14 777.9 cm，显著高于连作模式的根长;由于轮作模式下，烤烟根系发达，数量较多，导致根平均直径较小，为0.94 cm，显著低于连作模式下的根直径;总表面积以轮作模式烤烟根系较大，为5038.4 cm2，显著高于连作模式的;轮作模式烤烟根总体积为128.33 cm3，显著高于连作模式的根总体积。

2.2 水稻和烤烟的产量和产值

由表3可知，2016年水稻产量为7050 kg·hm－2，产值为15 510元·hm－2;烤烟产量为1224 kg·hm－2，产值为26 928元·hm－2，产值较水稻高11 418元·hm－2。由于2016年试验布置时降雨量较大，烤烟试验紧邻水稻试验，试验地出现串水情况，并且试验布置前一年种植作物为烤烟，所以导致2016年烤烟产量相对较低。连作后，2017年烤烟的产量为1098 kg·hm－2，低于轮作模式，连作显著降低烤烟产量。经济效益方面，连作后烤烟的产值为28 548元·hm－2，于较轮作模式低10 556元·hm－2，且差异显著。烤烟连作后产量和产值均明显降低，连作降低烤烟产量和经济效益，对烤烟发展有较大影响。

图1 2017年连作与轮作的烤烟根系外部形态Fig.1 External morphology of roots under different planting patterns in 2017

表2 连作与轮作的烤烟根系特征参数Table 2 Parameters of tobacco roots in plant patterns of rotation and continuous cropping

表3 连作与轮作的两季作物产量和产值Table 3 Yield and output of rice and tobacco in plant patterns of rotation and continuous cropping

2.3 连作与轮作对作物氮钾吸收利用的影响

由表4可知，轮作模式下，水稻和烤烟氮素累积量分别为60.3 和 42.5 kg·hm－2，分别比连作烤烟高出25.1 和13.6 kg·hm－2，从总氮素累积量看，轮作模式氮素累积量为102.8 kg·hm－2，高于连作模式。连作模式下，2017年烤烟氮素累积显著低于2016年。水稻和烤烟钾素累积量分别为81.6和76.1 kg·hm－2，分别高出连作烤烟16.2 和 22.7 kg·hm－2，从总钾素累积量看，轮作模式钾素累积量为157.7 kg·hm－2，高于连作模式。总体来看，在两年一个轮作周期内，在肥料施用量相同的情况下，轮作模式的氮素和钾素吸收量明显高于连作模式，且2017年轮作模式下烤烟氮钾累积量显著高于连作模式，说明，连作降低了烤烟对氮钾的吸收。

2.4 不同种植模式土壤的养分含量

与作物种植前(基础土样)相比，2种植模式下土壤不同层次养分含量变化明显(表5)。pH:轮作模式下0～20和20～40 cm土层呈上升趋势，连作则出现降低趋势，轮作模式能提高土壤pH。碱解氮:轮作模式下两季作物收获后0～20和20～40 cm土层均呈升高趋势，水稻收获后不同土层分别增加 19.8 和 17.8 mg·kg－1，烤烟收获后分别增加15.9 和8.7 mg·kg－1;连作模式下两季作物收获后不同土层分别增加39.9、35.3 和53.3 和14.1 mg·kg－1，其中连作模式的含量均高于轮作模式。有效磷:2种植模式下不同层次土壤有效磷含量均呈降低趋势，连作模式土壤有效磷高于轮作模式。速效钾含量:在烤烟收获后均降低，其中轮作模式不同土层分别降低 19.5、27.9 和 23.5、63.1 mg·kg－1，连作模式分别降低7.0、14.7 和 14.4、29.5 mg·kg－1，连作模式土壤速效钾高于轮作模式。硝态氮:轮作模式下0～20 cm土壤硝态氮呈先降后升趋势，20～40 cm土壤硝态氮呈现先升后降趋势，连作模式下土壤硝态氮均呈升高趋势。铵态氮:轮作种植模式下，0～20 cm土壤铵态氮变化不大，20～40 cm土壤铵态氮呈降低趋势;连作模式下，0～20 cm土壤铵态氮含量先增后降，20～40 cm土壤铵态氮呈降低趋势。轮作模式下，土壤养分含量降低，除水稻和烤烟生长吸收外，水稻季也存在水土流失，导致土壤养分含量降低;连作模式下，烤烟生长受阻，对土壤养分的吸收减少，养分带出量降低，土壤养分含量高于轮作模式。

表4 连作与轮作的两季作物氮吸收量Table 4 Nitrogen uptake of rice and tobacco in plant patterns of rotation and continuous cropping (kg·hm －2)

表5 连作与轮作两年后土壤速效养分变化Table 5 Soil available nutrients two years later in plant patterns of rotation and continuous cropping

3 讨论

作物通过根系吸收生长所必需的各种养分元素，其根系总表面积和总体积反映了根系的吸收能力［15］。与连作种植模式相比，轮作种植模式能提高烤烟的根系根长、总表面积和体积，降低根平均直径，与前人在马铃薯的研究结果［16］一致。不同直径范围根系的吸收能力存在差别，一般认为细根的吸收能力强于粗根［14］，主要是作物通过根系总长和表面积来扩大根系与养分的接触面积，增加了养分的吸收量和吸收效率，同时本研究连作模式下烤烟细根数量远低于粗根数量，导致了烤烟对养分吸收能力的下降，这也验证了连作模式下烤烟的产量及养分吸收均低于轮作模式，但其机理有待进一步研究。但本试验条件下，连续2 a种植烤烟导致烤烟产量和养分的下降，这与邓阳春等［2］利用盆栽试验得出烤烟连作4 a产量下降的结果不同，可能是由于烤烟品种和试验地的生态环境所致。本试验条件下，连作后烤烟的产量和产值均显著低于轮作模式，说明烤烟连作阻碍烤烟的生长发育，使得烤烟减产。

土壤养分方面，与基础土样相比，连作降低土壤pH，这与前人研究结果［17］一致，碱解氮和硝态氮有上升的趋势，有效磷和速效钾变化不大，可能是由于连作后烤烟根系分泌物影响下茬烤烟生长，导致烤烟减产［18］，烤烟养分吸收带出量减少，造成土壤养分含量的积累;轮作模式土壤养分含量均有所降低，原因一是水稻和烤烟生长吸收，二是水稻季的水土流失。有报道［2，19］指出，长期连作能导致一系列生长问题，不同学者认为导致连作障碍的主要因子不尽相同［20－25］，因此在以后的研究中应注重连作障碍机理的研究。