贵州山地烤烟种植制度对黄壤农田肥力的影响

朱经伟，石俊雄，张 恒，熊 晶，刘 琼，文德锋，张云贵

（1.贵州省烟草科学研究院，贵州 贵阳 550081；2.毕节市烟草公司，贵州 毕节 551700；3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/烟草行业生态环境与烟叶质量重点实验室，北京 100081）

烤烟是一种具有明显连作障碍的茄科经济作物［1］。随着连作年限增加，自毒物质富集，病原微生物增加，进而引起连作障碍，导致烟草产量降低，品质变劣［2］。近年来，贵州地区大力发展烤烟种植业，仅贵州省2012～2016年均烤烟种植面积达2.1×105hm2［3］，烤烟连作障碍的问题日渐突显。烤烟连作障碍农田不仅显著影响辣椒、番茄等后茬经济作物的生产，也对土壤耕层浅薄、农田稀缺的西南地区农业发展带来巨大挑战。虽然商品卷烟需求量逐年降低，烤烟作为卷烟配方中的重要原料，其需求量和种植面积均呈现下降趋势，烟、粮争地的矛盾逐渐缩小，烤烟连作障碍得到有效缓解［4-6］，但如何合理优化烤烟种植制度，保育西南山地基本农田生产力鲜有报道。

针对不同的烤烟种植制度，专家学者开展了大量的长期定位施肥研究。在烤烟与小麦轮作方面，丁伟等［7］认为7年轮作中有机无机肥配施处理能够提高土壤微生物多样性指数、均匀度指数和优势度指数，烟叶生产上很有必要采用有机无机肥配施处理。杨宇虹等［8］检测了云南典型砂质红壤中开展16年的烤烟与小麦轮作区土壤磷脂脂肪酸计算微生物种群特征值，从微生物的角度进一步揭示了外源有机物的添加对烤烟轮作制度的重要性。在烤烟与水稻轮作方面，张瀛等［9］认为随着轮作年限的增加，水稻土中硝态氮比例逐渐减少，适当提高氧化态氮素营养供给可平衡轮作制度下的氮肥利用。据测算，贵州省境内黄壤面积7.0×106hm2，占全国黄壤总面积的30%，是贵州山地农业生产的主要土壤类型［10］。全省烤烟在黄壤上的种植面积比例为63%［11］，其中采用玉米进行轮作的植烟土壤比例达60%以上。综合我国对烤烟不同种植制度的长期定位研究成果，对一年一熟制的烤烟-玉米轮作中典型黄壤农田化学养分累积、物理和生物学性状的报道较少。本研究通过10年长期定位施肥研究烤烟-冬闲-烤烟连作、烤烟-冬闲-玉米轮作中农田黄壤的化学、物理、生物学性状的变化规律，旨在为合理优化烤烟种植制度提供理论依据和借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于贵州省开阳县龙岗镇贵州省烟草科学研究院综合实验基地（26°52′55″N，107°5′49″E），海拔1 113 m。年均气温10.6～15.3℃，年日照时数1 148.3 h，年降水量1 129.5 mm，年平均相对湿度为77%，属于亚热带湿润温和型气候。试验地为长期基本农田，试验前长期种植饲料玉米，于2007年冬进行初步土地平整并完成相应基础设施建设，试验始于2008年。试验土壤属黄壤黄泥土，在贵州省植烟区中具有典型性和代表性。试验地土壤的基础化学性状如表1所示。

表1 2007年试验地平整前土壤基础化学性状

1.2 试验设计

长期定位施肥试验（2008～2017年）包括以下2个处理：（1）烤烟-冬闲-烤烟连作（No Rotation，NR）；（2）烤烟-冬闲-玉米轮作（Rotation，R）。每个处理设置两块均为8 m×13.2 m的试验小区（A、B）。NR处理A小区连续种植烤烟；R处理A、B小区分别种植烤烟和玉米，每个小区独自进行一年一熟的烤烟-冬闲-玉米轮作。各处理肥料投入如表2所示。其中，NR处理和R处理烤烟季的化肥氮、钾的基追比均为3∶2，全部的化肥磷作为基肥施用；R处理玉米季的氮肥基追比为2∶3∶5，全部的化肥磷和钾均作为基肥施用。

表2 各处理养分投入量 （kg/hm2）

供试烤烟品种为“K326”，进行垄作，起垄高度为0.3 m，垄距为1 m，移栽株距为0.66 m，种植密度为16 500株/hm2，每年4月末完成移栽，田间管理、采收、烘烤均与当地优质烤烟栽培管理措施相同；供试玉米为当地主栽品种，起垄高度为0.15 m，移栽株距为0.22 m，种植密度为45 000株/hm2，每年5月下旬完成移栽，田间管理与当地玉米栽培管理措施一致。试验地块不进行灌溉和施用农药。当季作物结束后，12月进行深翻，深度为0.3 m，取出根茬等残体后冬闲，次年4月至5月继续进行连作或轮作。

1.3 样品采集与分析

每季烤烟或玉米采收结束后的11月上旬，按照多点取样原则，每个处理采集垄体表土（0～20 cm）混合样500 g。采用“四分法”分取约250 g新鲜土壤样品进行风干、磨碎、过1.0 mm筛后测定土壤碱解氮、有效磷、速效钾、pH值，采用“四分法”分取部分土壤样品，研磨后过0.15 mm筛后测定土壤有机碳、全氮、全磷、全钾［12］。剩余新鲜土壤样品过2 mm筛后测定可培养细菌、放线菌、真菌数量。

土壤容重和土壤孔隙度均采用环刀法测定［13］。

土壤微生物数量采用平板计数法测定［14］：细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基；真菌采用马丁氏培养基；放线菌采用高氏1号培养基。

1.4 数据分析

作图和曲线拟合软件为Sigmaplot 12.0。数据分析软件为SAS 9.1，单因素方差分析采用one-way ANOVA方法，多重比较采用Duncan法（P=0.05）。

2 结果与分析

2.1 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤有机碳含量的影响

长期定位试验研究发现，各处理土壤有机碳均呈现不同程度的下降（P＜0.05），烤烟连作或轮作中仅施用化肥均不利于黄壤农田土壤有机碳的稳定。NR处理的土壤有机碳含量由2008年的41.96 g/kg逐渐下降至2017年的21.56 g/kg，降幅达36.7%，平均每年土壤有机碳减少1.54 g/kg；与之相比，R处理的土壤有机碳的降幅和减少速率均较低，分别为19.3%和0.60 g/kg，但整体含量低于NR处理。截止到2017年，两处理间的土壤有机碳含量差异不显著（P＞0.05）。由于在研究过程中清除每季作物的有机残体，因此土壤有机碳的损失主要来自于作物的种植。

图1 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤有机碳含量的影响

2.2 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤氮、磷、钾全量养分的影响

由图2可知，在长期单施化肥条件下，烤烟连作、烤烟-玉米轮作对土壤全氮的累积强度存在显著差异（P＜0.05）。NR处理的土壤全氮含量由2.61 g/kg提高至3.11 g/kg，增幅达19.4%；R处理的土壤全氮含量试验期间较NR处理低，由2.40 g/kg提高至2.67 g/kg，增幅达11.1%，较NR处理降低8.3个百分点，由此说明烤烟-冬闲-烤烟连作条件下土壤全氮的积累强度高于烤烟-冬闲-玉米轮作。从化肥氮素养分投入量来看，R处理较NR处理高10%，有效防止土壤供氮水平过高，烤烟-冬闲-玉米轮作更符合优质烟叶生产对土壤氮素供应能力的要求。

各处理土壤全磷的动态变化如图3所示，NR处理的土壤全磷含量由1.36 g/kg增加至1.54 g/kg，增幅达13.1%；与之相比，R处理的土壤全磷含量增幅为7.3%，在累积强度和累积量方面均低于NR处理。结合两处理的化肥磷素投入量和土壤全磷累积强度认为，减少化肥磷素投入并进行一年一熟的烤烟-玉米轮作种植制度，有利于稳定农田黄壤的供磷能力。

图2 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤全氮含量的影响

图3 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤全磷含量的影响

烤烟种植制度对农田黄壤全钾的积累具有显著影响（P＜0.05，图4），NR处理的土壤全钾含量随着烤烟连作年限的增加呈现明显的累积趋势，试验期间土壤全钾增幅达3.0%；R处理的土壤全钾含量水平除2011年均低于NR处理，随着玉米-烤烟轮作年限的增加，土壤全钾的累积强度呈现下降趋势，截止到2017年，土壤全钾累积强度仅为0.01 g/（kg·年）。结合两处理化肥钾素养分的投入来看，大量的钾肥投入可以促进土壤全钾的持续积累，钾素投入量降低30%并进行玉米-烤烟轮作，能够使土壤全钾含量处于较高水平并保持稳定。

图4 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤全钾含量的影响

2.3 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤速效养分的影响

随着研究年限的增加，试验各处理土壤中的碱解氮含量如图5所示：与土壤全氮含量持续增加的变化规律不同，NR处理与R处理的土壤碱解氮含量均呈现“先降低，后升高”的变化趋势。同时，除2010年外，R处理土壤碱解氮含量均低于NR处理，但前者的化学氮素投入量高于后者，说明烤烟-冬闲-玉米轮作更有利于防止速效形态氮素养分在土壤中的大量累积。

图5 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤碱解氮含量的影响

图6 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤有效磷含量的影响

土壤有效磷变化规律与土壤全磷相似（图6），NR处理与R处理的土壤有效磷含量随着试验年限的延长均呈现增加趋势。化肥磷素投入量较低的R处理土壤有效磷含量显著低于NR处理（P＜0.05），例如，在2017年，R处理土壤有效磷含量比NR处理降低17.3%，而前者的化肥磷素投入较后者高10%。由此说明，土壤有效磷含量的积累主要受化肥磷素投入量和种植制度共同的影响。试验期间各处理土壤速效钾的动态变化如图7所示。NR处理与R处理均呈现“先降低，后升高”的变化趋势，且NR处理的土壤速效钾含量在各年份均高于R处理。从化学钾素投入的角度来看，R处理的钾素投入量为210 kg/hm2，较NR处理降低30%，而在2017年，R处理土壤速效钾含量较NR处理降低27.8%，结合两处理的土壤速效钾累积规律发现，烤烟-冬闲-烤烟连作所投入的钾素能够使土壤速效钾维持在较高水平，而烤烟-冬闲-玉米轮作所投入的钾素即使在减量条件下更倾向于累积土壤速效钾。

2.4 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤pH值的影响

不同的烤烟种植制度对土壤pH值均具有显著影响（P＜0.05，图8）。NR处理与R处理随着种植年限的增加，土壤pH值均呈现明显的下降趋势。NR处理的土壤pH值由6.88下降至6.16，降幅达10.4%，R处理的土壤pH值由6.86下降至6.35，降幅达7.5%，2017年，R处理的土壤pH值较NR处理高0.19个pH值单位。由此说明，化肥的投入必然会引起土壤pH值的降低，但烤烟-玉米轮作对土壤pH值的影响较烤烟连作小，减缓了土壤酸化进程。

图7 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤速效钾含量的影响

图8 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤pH值的影响

2.5 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤容重和孔隙度的影响

单施化肥条件下，烤烟-冬闲-烤烟与烤烟-冬闲-玉米两种种植制度对黄壤容重和孔隙度的影响均较小（表3）。NR处理与R处理的土壤容重与孔隙度均表现为差异不显著（P＞0.05）。说明在单施化肥条件下进行烤烟-玉米轮作和烤烟连作在10年种植期限内对土壤容重和孔隙度等物理性状无显著影响。

表3 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤容重和孔隙度的影响

2.6 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤微生物数量的影响

不同种植制度对农田黄壤的微生物数量影响显著（P＜0.05，表4）。与NR处理相比，R处理土壤中的细菌、放线菌数量显著降低，真菌数量维持稳定。说明烤烟连作与烤烟-冬闲-玉米轮作对农田黄壤真菌数量的影响均较小，而对细菌、放线菌两大类土壤微生物数量影响显著，烤烟-冬闲-玉米轮作改善了农田黄壤中细菌、放线菌的繁殖，促进了农田向“细菌型”土壤的转化。

表4 贵州山地烤烟种植制度对农田黄壤可培养细菌、放线菌、真菌数量的影响

3 讨论与结论

土壤化学性状、物理性状和生物学性状是土壤肥力的3个重要组成部分，也是土壤评价的重要依据，而土壤的化学养分更是地力形成的基础［15-16］。本研究通过对比烤烟-冬闲-烤烟连作与烤烟-冬闲-玉米轮作对农田黄壤养分10年的动态变化规律发现，烤烟连作与烤烟-玉米轮作处理的土壤全氮含量呈增加趋势，虽然后者较前者氮素投入量提高10%，但土壤全氮含量增幅低于后者。宋震震等［17］通过长期施肥试验研究发现，施用化肥能够提高土壤全氮含量；在引起土壤全氮含量变化的诸多因素中，李菲等［18］认为主要因素为植被（74.31%），次要因素为季节（14.85%），说明作物自身是影响全氮含量变化的主要原因。本研究中，2016年烤烟-冬闲-玉米轮作中烤烟、玉米氮素累积量分别为47.09、111.92 kg/hm2，烤烟-冬闲-烤烟连作中烤烟氮素累积量为33.72 kg/hm2［19］。以2年为周期，轮作处理的氮素累积量较连作处理高，对土壤氮素养分的依赖性更强，所以全氮和碱解氮含量均低于烤烟连作处理。由此说明，在单施化肥条件下采用烤烟-冬闲-玉米轮作更有利于稳定土壤的供氮能力，抑制因化学氮肥施用对土壤氮素供给能力的过度提高，降低土壤氮素流失风险。在土壤有机碳方面，试验开展前期的波动幅度较大。为降低气候环境对试验地的影响，试验开始前进行土地平整，小区部分区域中有机碳含量较高的土壤被移至低洼处，有机碳含量较低的土壤成为表层土，导致试验第一年结束后的土壤有机碳含量低于基础土壤样本；试验开始后，连作处理土壤中的有机碳含量在2010～2011年剧烈下降，且全氮、全磷含量均偏低，土壤pH值偏高，经查证该期间的平均温度、降雨量等气象数据均未有异常表现，基本能够排除气候因素对土壤养分含量的影响。考虑到试验地前期进行过土地平整工作，极有可能对部分养分造成异常，但具体原因尚待研究。与连作处理相比，轮作处理的有机碳整体降幅低于连作处理，该现象表明化学氮肥的大量投入并非是引起土壤有机碳含量大幅降低的唯一因素，土壤有机碳的变化还与不同作物种植制度、茬口处理方式密切相关。国内外长期定位试验研究认为作物凋落物、残茬的处理方式会影响旱作土壤中的有机碳含量；在种植制度方面，宋丽萍等［20］发现苜蓿与不同作物进行轮作对土壤有机碳含量有一定影响，但也并未排除不同作物根茬对土壤有机碳的影响。

作为植物可以直接利用的土壤速效养分含量与种植制度的关系密不可分［21-22］。研究发现烤烟-冬闲-玉米轮作处理的土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量以及土壤酸度的降低强度均低于烤烟连作处理，降低了土壤中氮、磷、钾的养分流失，也减缓了土壤的酸化程度，稳定了作物的生长环境。张艳［23］通过6年的烤烟-玉米轮作与烤烟连作的研究发现，轮作条件下的土壤有效磷、钾含量较连作降低，与本研究结果相同。在土壤酸度方面，罗茜［24］采用小麦、绿肥、玉米、红薯等作物与烤烟轮作制度研究发现，土壤中的pH值变化方向不一，但均不低于烤烟连作处理，与本研究结果相一致，由此说明烤烟-冬闲-玉米轮作中，不同形态的养分投入与作物根系分泌物同土壤酸度变化关系密切［24-26］。

长期施肥不仅对土壤的化学性状产生显著影响，还会影响土壤的生物学性状。细菌是农田土壤中的关键性微生物，土壤中细菌数量的增加标志着土壤养分循环和利用效率的提高［27-29］。本研究分析了长期施肥对土壤微生物数量的影响发现，化肥氮投入量较高的烤烟-冬闲-玉米轮作处理显著影响土壤中的细菌和真菌的数量。与烤烟连作处理相比，轮作处理中细菌和放线菌的数量显著升高，在一定程度上促进了土壤微生物群落结构逐渐从“真菌型”向“细菌型”转化。

对比烤烟-冬闲-烤烟连作和烤烟-冬闲-玉米轮作两种种植制度对贵州山地农田黄壤肥力的影响认为，轮作处理能够减缓土壤中氮、磷、钾全量和速效形态养分含量的累积强度，并减少土壤有机碳的损失，缓解因施用化肥导致的土壤酸化，稳定土壤中细菌、放线菌、真菌数量构成，但对土壤容重和孔隙度无显著影响。