秸秆覆盖对坡地红壤养分流失及烤烟质量的影响①

吕 凯，吴伯志

(云南农业大学农学与生物技术学院，昆明 650201)

云南省是中国最大的烤烟种植产区，近年来烤烟种植面积约40.60×104hm2。随着区域农业产业结构的变化，“烤烟上山”问题日益突出，由于大部分烤烟种植于坡地，且多为顺坡起垄种植，降雨时极易产生水土流失，致使坡地土壤耕层变薄[1]，养分流失严重，土壤理化性状变差[2]，烤烟产量和质量下降，严重影响了当地烤烟生产的可持续性。

秸秆覆盖作为一种典型的保护性耕作措施，可以有效降低雨水对表层土壤的侵蚀力，增加地表糙度和雨水入渗，抑制土壤侵蚀和养分流失[3-4]；同时，随着秸秆的降解，土壤物理、化学和生物学性状也可以得到改善，进而增加土壤肥力水平[5-7]。适宜的土壤环境是烤烟正常生长发育和品质形成的基础条件。已有研究表明，随着土壤有机质、氮和磷的供应水平提高，初烤烟叶烟碱和总氮含量增加，总糖和还原糖含量降低[8-13]；土壤钾的供应水平上升会促进初烤烟叶总糖、还原糖和钾积累，降低烟碱和总氮含量[14-15]。目前，关于烤烟种植过程中秸秆覆盖的研究报道主要集中在两方面：一是对植烟土壤环境及烤烟经济性状和质量性状的影响[16-17]；另一方面则是从水土保持的角度研究其对土壤侵蚀的影响[18-19]。而针对土壤养分流失对烤烟质量影响的研究较少。本研究通过设置4个不同梯度的秸秆覆盖量，采用野外径流小区观测的方式，分析了秸秆覆盖对坡地红壤有机质、全氮、全磷、全钾等养分流失及烤烟化学成分和感官质量的影响，并进一步探讨了土壤养分流失量与烤烟质量之间的关系，以期为云南烤烟可持续性生产提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

试验区位于昆明市宜良县九乡乡，海拔1 905 m，年日照时数2 123 h，年均气温14.6 ℃，年降雨量1 064 mm。试验地为缓坡地，坡度7°。供试土壤类型为红壤，其基本性状见表1。试验开展时间为2015年4 月—2016 年10 月。2014 年试验地大春作物为玉米，收获后清除残茬，浅耕休闲。径流小区于2015年4 月上旬建成，并于6 月中旬烤烟揭膜培土后开始正式监测试验。两年的试验观测期间各发生6 场降雨产流事件，其中2015 年和2016 年产流降雨量分别为356.5 mm 和217.9 mm。

表1 试验区土壤基本性状Table 1 Soil basic properties in experimental area

1.2 试验设计

试验共设4 个处理，采用随机区组设计，重复3次，共计12 个小区，小区面积为50 m2(10 m×5 m)。小区间采用高40 cm 的塑料板隔开，并用土掩埋成田埂。径流小区下方设置体积为1 m3(1 m×1m×1m)混凝土径流池，内置体积约140 L 径流桶，并采用一根直径为10 cm 的PVC 管连接径流桶，用于地表径流采集。小区沿等高线起垄8 行，每行种植8 株烤烟，共计64 株，行距1.20 m，株距0.55 m。各处理措施见表2。

表2 各处理农艺措施Table 2 Agronomic measures of different treatments

2015—2106 年烤烟移栽时间分别为5 月1 日和5月3 日，供试烤烟品种为当地主栽品种K326。各处理农家肥施用量为4 500 kg/hm2，氮(N)、磷(P2O5)和钾(K2O)肥施用量分别为105、135 和300 kg/hm2(烟草专用复合肥、钙镁磷肥和硫酸钾混合施用)。烤烟中耕培土后用风干切成5 cm 左右的小麦秸秆进行覆盖。其余田间管理措施按当地优质烟叶生产标准进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 径流和泥沙样品 每次产流后测定各小区径流体积，并搅动径流2 min，分层采集1 L 径流，加入浓硫酸调节pH＜2 后，置于冰箱内保存用于测定径流养分；另外，采集1 L 径流，静置后过滤泥沙，烘干测定泥沙质量及养分含量。径流中有机质含量采用重铬酸钾容量法测定，全氮含量采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，全磷含量采用钼酸铵分光光度法测定，全钾含量采用火焰原子吸收分光光度法测定。泥沙中有机质、全氮、全磷、全钾含量分别采用重铬酸钾容量法、凯氏定氮法、高氯酸-硫酸消解钼锑抗比色法、火焰光度法测定。径流养分流失量(kg/hm2)= 径流养分含量(g/L)× 径流体积(L)× 10/小区面积(m2)；泥沙养分流失量(kg/hm2)= 泥沙养分含量(g/kg)× 径流含沙量(g/L)× 径流体积(L)/[小区面积(m2)×100]。

1.3.2 初烤烟叶样品 烤烟封顶后对叶片进行挂牌标记，成熟采收烘烤后，每个小区选取1 ～ 1.5 kg等级为C3F 的初烤烟叶用于化学成分测定和感官质量评价。烟叶总糖、还原糖、烟碱、总氮、钾和氯含量分别采用连续流动法测定，感官质量采用九分制评吸法[20]进行评价。

1.4 数据处理

数据采用SPSS 21.0 和Excel 2016 软件进行统计分析，其中多重比较采用Duncan 法(P＜0.05)，相关分析采用Pearson 法进行(P＜0.01)。

2 结果与分析

2.1 秸秆覆盖对径流和泥沙量的影响

径流和泥沙是土壤养分流失的主要载体[21]。由表3 数据可知，随着秸秆覆盖量增加，径流和泥沙量均呈下降趋势(除2015 年SM4 处理径流)，且秸秆覆盖处理径流和泥沙量均显著低于对照(P＜0.05)。这说明秸秆覆盖能显著降低坡地产流和产沙量，减少土壤侵蚀。

表3 各处理径流和泥沙量Table 3 Runoff and sediment yields under different treatments

2.2 秸秆覆盖对土壤养分流失量的影响

2.2.1 泥沙养分流失量 通过连续2 a 的观测，各处理泥沙有机质、全氮、全磷和全钾流失量均随着秸秆覆盖量的增加而减少，且对照(SM1)泥沙养分流失量均显著高于其余处理(P＜0.05)，各处理泥沙养分流失量与泥沙流失量变化趋于一致(表4)。与CK 相比，SM2、SM3 和SM4 处理泥沙有机质、全氮、全磷和全钾流失量分别降低了53.97% ～ 82.52%、61.49% ～85.56%、44.69% ～ 83.75% 和52.52% ～ 81.79%。以上结果表明秸秆覆盖能有效减少土壤养分流失，秸秆覆盖量越高，抑制效果越好。这可能是由于秸秆覆盖减缓了雨水对表层土壤的冲击，减少了径流中泥沙含量，从而降低了土壤养分流失，这与前人研究结果基本类似[22]。

表4 不同处理泥沙养分流失量Table 4 Sediment nutrients under different treatments

2.2.2 地表径流养分流失量 由表5 可知，2 a 的观测结果显示，与CK 相比，其余3 个处理径流有机质、全氮、全磷和全钾流失量均降低，各处理地表径流养分流失量与径流量变化趋势类似。其中2016 年SM2、SM3 和SM4 处理径流养分含量均显著低于CK(P＜0.05)，且随着秸秆覆盖量的增加径流养分流失量降低，而2015 年仅径流有机质和全磷流失量显著低于CK(P＜0.05)。2015 年和2016 年SM2、SM3 和SM4 处理径流有机质、全氮、全磷和全钾分别较CK降低59.94% ～ 68.24%、45.97% ～ 61.16%、59.74% ～62.63% 和47.14% ～ 54.29%。这说明秸秆覆盖可以降低径流养分流失量而减少土壤养分流失，可能是因为秸秆覆盖减缓了雨水对土壤冲击，有利于雨水入渗而减少地表径流产生，进而降低了径流养分流失量。

表5 不同处理径流养分流失量Table 5 Runoff nutrients under different treatments

2.2.3 养分流失总量 各处理土壤养分流失总量(泥沙养分流失量和地表径流养分流失量)结果见表6。由表6 可知，2015—2016 年SM2、SM3 和SM4处理土壤有机质、全氮、全磷和全钾流失量均显著低于CK(P＜0.05)，分别平均降低了56.98% ～ 79.79%、54.46% ～ 77.00%、47.88% ～ 80.93% 和51.36% ～75.78%，且随着秸秆覆盖量的增加，各处理养分流失量呈下降趋势。这主要是因为秸秆覆盖降低了坡面产流和产沙量从而降低了土壤养分的流失总量。

表6 不同处理土壤养分流失总量Table 6 Soil nutrient losses under different treatments

结合表4 和表5，2015 年和2016 年各处理泥沙养分累计流失量占土壤养分流失总量比重为：有机质72.66%、全氮46.29%、全磷81.04% 和全钾72.83%；而径流养分流失量占比则为：有机质27.34%、全氮53.71%、全磷18.96% 和全钾27.17%。这说明土壤有机质、磷和钾多以泥沙形式流失为主，而泥沙和径流则是氮素流失共同的主要形式，其原因可能是土壤中有机质、磷和钾大部分难溶于水，其主要随泥沙迁移流失，而氮则难溶和易溶部分较接近，致使泥沙和径流中全氮的流失量占比相差不大。

2.3 不同处理对烤烟质量的影响

2.3.1 化学成分 由表7 可知，根据云南中烟优质烟叶化学指要求[23]，以SM3 和SM4 处理初烤烟叶化学成分协调性较好。2015 年和2016 年各处理烟叶总糖和还原糖含量均以CK 最高，其含量大小表现为CK＞SM2＞SM3(除SM4 外)；而烟碱、总氮和钾含量则以 CK 烟叶最低，含量大小表现为 CK＜SM2＜SM3(除SM4 外)；各处理烟叶氯含量均无显著性差异(P＞0.05)。当秸秆覆盖量在0 ～ 7 500 kg/hm2时，各处理总糖和还原糖含量均表现出递减趋势，烟碱、总氮和钾含量呈上升趋势；而当秸秆量达到15 000 kg/hm2，不同年份间SM3 与SM4 处理烟叶总糖、还原糖、烟碱、总氮和钾含量大小关系表现不一致，但均无显著性差异(P＞0.05)。上述结果说明秸秆覆盖可以有效降低烟叶总糖、还原糖含量，提高烟碱和总氮含量。

表7 不同处理烟叶化学成分Table 7 Tobacco chemical constitutions under different treatments

2.3.2 感官质量 2015 年和2016 年各秸秆覆盖处理在感官总分上均高于CK，其中以SM3 处理最高，但仅SM3 处理得分显著高于CK(P＜0.05)，这与翟兴等[24]研究结果类似，但在香气质、香气量、杂气、刺激性和余味等方面各处理间整体差异不大(表8)。

2.4 土壤养分流失量与烤烟质量的相关性

2015 年和2016 年土壤养分流失量与烤烟质量相关性分析结果见表9。土壤有机质、全氮、全磷和全钾流失量与烟叶总糖和还原糖含量均呈显著或极显著正相关，与烟碱、总氮含量呈显著或极显著负相关，而与钾、氯含量及评吸总分呈负相关关系，但未达到显著水平。这说明土壤养分流失对烟叶质量影响较大，尤其是对烤烟碳氮化合物含量的影响。这可能是因为土壤养分流失集中于耕作表层，而这一部分养分为烟株生长发育的重要来源，随着土壤养分流失量的增加，尤其是有机质和氮的流失，烟株对氮素吸收能力也减弱，从而导致含氮化合物含量降低，而含碳化合物含量增加。

3 讨论

胡小曼等[25]研究表明，小麦秸秆覆盖能降低初烤烟叶总糖和还原糖含量，提升烟碱和总氮含量，这与本研究结果类似，而与徐天养等[26]研究结果存在差异。随着秸秆覆盖量增加，初烤烟叶总糖(除2015年SM4 处理外)和还原糖含量呈递减趋势，而烟碱和总氮含量则呈上升趋势，这与郑宪滨等[27]研究结果也存在差异，且各处理土壤养分流失量与总糖、还原糖、烟碱和总氮含量均达到显著或极显著相关。上述结果表明，在不同条件下，秸秆覆盖对烤烟碳氮代谢影响的机制存在差异。土壤养分供应水平是影响烤烟碳氮代谢平衡的关键因素，而硝酸还原酶活性则是烟草氮素吸收和利用的限速因子。在一定氮素供应水平范围内，随着土壤供氮水平的上升，硝酸还原酶活性增加，低氮水平有利于烟草碳代谢，增加烟叶含碳化合物的积累，而高氮水平则有利于烟草氮代谢，促进烟叶含氮化合物的合成[28]，而土壤有机质及有效磷含量提升，也会提升土壤氮素供应能力。

表8 不同处理烟叶感官质量评分Table 8 Scores of tobacco smoking qualities under different treatments

表9 土壤养分流失量与烤烟质量的相关性Table 9 Correlation between soil nutrient loss and tobacco quality

已有研究结果表明，秸秆覆盖对土壤养分供应能力的影响主要来自于土壤理化性状、生物学性状[29-30]，以及土壤侵蚀和养分流失等方面[4,31]，而土壤养分供应能力又是影响烤烟碳氮代谢的关键因素。因此，本试验中各处理烟叶总糖、还原糖、烟碱和总氮含量的差异原因应该是秸秆覆盖一方面增加了土壤水分、通透性、微生物数量和酶活性，改善了土壤微环境，提升了根系活力和硝酸还原酶活性，从而促进对土壤养分吸收和利用，使烤烟氮代谢加强；另一方面则可能是秸秆覆盖大幅降低了垄体表层土壤侵蚀和有机质、氮和磷的流失，提升了土壤微生物活性及土壤酶活性[32-33]，增加了垄体土壤养分的供应水平，促进了根系对土壤养分的吸收和利用，增强了烤烟氮代谢水平，而抑制了碳代谢。

3 个秸秆覆盖处理土壤养分流失量均显著低于对照(P＜0.05)，以SM4 处理抑制养分流失效果最好，其次为SM3 处理，但SM4 处理仅在2016 年显著低于SM3 处理，而2015 年与之相比则未达到显著差异水平(P＞0.05)。此外，秸秆覆盖处理烟叶化学成分协调性和感官质量总分均优于对照，其中以SM3 处理烟叶综合质量最佳；随着秸秆覆盖量增加，烟叶感官质量总分呈先增加后降低趋势，这说明当秸秆量达到15 000 kg/hm2时会降低烟叶感官质量。因此，以7 500 kg/hm2(SM3)小麦秸秆覆盖量的综合效益较好，可以应用于红壤坡地烤烟生产。

本研究通过野外径流小区观测，探讨了秸秆覆盖对坡地红壤养分流失及烤烟质量的影响，提出了有利于坡地烤烟生产的秸秆覆盖措施，但是不同养分形态对烟叶质量的影响也存在差异[34-36]，因此不同养分形态流失量对烟叶质量的影响仍需进一步研究。

4 结论

1)秸秆覆盖可以有效降低土壤养分流失量，其中土壤有机质、全氮、全磷和全钾流失量分别较对照降低了56.98% ～ 79.79%、54.46% ～ 77.00%、47.88% ～80.93% 和51.36% ～ 75.78%。此外，土壤不同养分流失的载体存在差异，其中土壤有机质、磷和钾多以泥沙形式流失为主，而氮素则以泥沙和地表径流共同流失为主。

2)秸秆覆盖降低了烟叶总糖和还原糖含量，提升了烟叶烟碱、总氮、钾含量和感官质量，促进了烟叶质量的提升。

3)综合分析认为，以7 500 kg/hm2小麦秸秆量覆盖措施综合效益较好，可以应用于红壤坡地烤烟生产，同时为云南烤烟生产的可持续性发展提供一定参考。