施用改良剂对山地土壤pH和烤烟生长及产质量的效应

邓小华 向清慧 刘勇军 田 峰 彭德元 王振华 彭曙光 张龙辉

(1湖南农业大学农学院,湖南 长沙 410128；2中国烟草中南农业试验站,湖南 长沙 410128；3湖南省烟草公司湘西州公司,湖南 吉首 416000；4湖南省烟草公司张家界市公司,湖南 张家界 427000)

土壤是优质烟叶生产的基础,优质烤烟需种植在pH 值5.5～7.0 的土壤上[1-2]。但日趋严重的土壤酸化影响烤烟生长发育及烤烟品质,已成为制约烤烟生产的障碍之一[3-7]。相关研究表明,石灰是烟区酸性土壤改良的有效技术措施[8-10]；邢世和等[11]采用“石灰＋菌棒＋常规化肥”组合改良酸性土壤取得了良好效果；李玉辉等[12]研究认为石灰与绿肥协同更有利于酸化土壤的修复。曾廷廷等[13]整合分析认为在常见土壤酸性范围(pH 值4.5～5.5),石灰用量以3 000～6 000 kg·hm-2最佳,作物增产率达55%～173%；胡敏等[14]认为酸性土壤(pH 值3.9)最佳生石灰施用量为1.8 g·kg-1,可显著促进大麦幼苗生长。刘圣高等[15]认为抗重茬剂以起垄时施用效果最好,能有效促进烤烟生长,显著提高经济效益,且烟叶感官质量最好。对于强酸性(pH 值4.5～5.5)土壤中,土壤改良剂种类的选择、施用时间以及施用量的研究鲜有报道[16]。鉴于此,本研究针对强酸性山地植烟土壤的特点,研究改良剂种类、施用时间、施用量及其互作对植烟土壤pH和烤烟生长与产质量的影响,以期为山地酸性土壤改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验于2018年在湖南省湘西州花垣县(28°31′35″N,109°27′4″E)进行。该地平均海拔530.0 m,年平均气温15.0℃,年降雨量1 363.8 mm,无霜期279.0 d,全年日照时数1 219.2 h,属亚热带季风山地湿润气候区。供试土壤类型为黄红壤,土壤容重1.54 g·cm-3,土壤pH 值5.12,土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为17.24、133.70、14.35、122.68 mg·kg-1。烤烟品种为云烟87；熟石灰为当地市售；酸性土壤调理剂为湖南泰谷生态工程有限公司生产(CaO≥30%、SiO2≥3.5%、有机质≥5.0%)。

1.2 试验设计

试验设3 个试验因子,即改良剂种类(A)、施用时间(B)和施用量(C)。每个因子设2 个水平,改良剂种类为石灰(A1)和酸性土壤调理剂(A2)；改良剂施用时间为移栽前10 d(B1),撒施后整地起垄和移栽后40 d(B2),在揭膜后撒施在垄上并培土。改良剂施用量为低用量(C1,750 kg·hm-2)和高用量(C2,1 500 kg·hm-2)。设置A1B1C1、A1B2C1、A1B1C2、A1B2C2、A2B1C1、A2B2C1、A2B1C2、A2B2C2 共8 个组合,另设CK(常规栽培,不施用改良剂),共9 个处理。每个处理3 次重复,共27 个小区,随机区组排列,每小区面积40.8 m2。烤烟栽培行距为1.2 m,株距0.5 m。烤烟施氮量109.5 kg·hm-2,氮磷钾比例为m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)＝1∶1.27∶2.73。其他田间管理和生产措施均与湘西优质烤烟生产技术规程相同。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤pH 值测定 于烤烟移栽后60 d(打顶前)、120 d(终采期),采用5 点取样法,在两烟株的垄中间采集0～20 cm 耕层土壤,制成混合土样。采用电位法[17]测定土壤pH 值(水土比为1∶2.5)。

1.3.2 烤烟农艺性状调查 每个小区选定5 株烤烟进行观察,于移栽后60 d,按照《烟草农艺性状调查测量方法》(YC/T 142-2010)[18]测定株高、茎围、叶片数、最大叶长与叶宽等。最大叶面积＝叶长×叶宽×0.634 5[19]。

1.3.3 烤烟经济性状考查与经济性状指数构建 每个小区单采、单烤,分级后考查烟叶经济性状指标。参考文献[20]确定上等烟比例、均价、产量和产值等4个指标的权重分别为25.45%、19.93%、32.76%、21.87%,采用灰色局势决策中的上限效果测度(模型为rij＝uij/maxuij,uij为局势的实际效果,maxuij为所有局势效果的最大值)方法[19]将经济性状指标转换为0～1 的标准化数值,运用加权指数和法构建经济性状指数(economic character index,ECI)作为烟叶经济性状综合评价依据,其值越大,经济性状越好[20]。ECI计算公式为：

式中,Qij表示第i个样本、第j个指标的标准化值,Wj表示第j个指标的权重。

1.3.4 烟叶物理特性检测与物理特性指数构建 按照《烤烟》(GB 2635-1992)[21]选取各小区的中部烟叶具有代表性的C3F 等级,测定物理特性指标。参考文献[12,23]确定宽长比、含梗率、平衡含水率、叶片厚度、单叶重、叶质重等物理特性评价指标的权重分别为15.63%、15.54%、18.68%、18.68%、12.52%、18.96%；采用效果测度模型[22]将烤烟物理特性指标数值转换为0～1 的标准化数值,对宽长比采用上限效果测度模型,含梗率采用下限效果测度模型(rij＝minuij/uij,式中minuij为所有局势效果的最小值),单叶重、叶片厚度、叶质重、平衡含水率采用适中效果测度模型[rij＝为局势效果指定的适中值,本例中单叶重为12 g、叶片厚度为0.12 mm、叶质重为8 mg·cm-2、平衡含水率为15%]；运用加权指数和法构建烟叶物理特性指数(physical properties index,PPI),作为烟叶物理特性综合评价依据,其值越大,物理性状综合表现越好[23-24]。PPI 计算公式为：

式中,Qij表示第i个样本、第j个指标的标准化值,Wj表示第j个指标的权重。

1.3.5 烟叶化学成分检测与可用性指数构建 采用San＋＋间隔流动分析仪(荷兰SKALAR)测定各小区具有代表性的C3F 等级烟叶总糖、还原糖、总氮、烟碱、氯含量,火焰光度法[17]测定烟叶钾含量。参考文献[24]确定总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾、氯的权重值分别为14.4%、15.9%、10.4%、27.8%、24.6%、6.9%；参照文献[25]中烟叶化学成分指标的隶属函数类型和拐点值,采用模糊数学理论中的隶属函数将各化学成分的原始数据进行0～1 的标准化数值转换；运用加权指数和法构建烟叶化学成分可用性指数(chemical components usability index,CCUI),CCUI 计算公式为：

式中,Nij和Wij分别表示第i个样本、第j个指标的标准化值和权重系数。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 及SPSS 20.0 等软件进行统计分析。采用新复极差法进行多重比较。在多因素试验中,一般用F值或平方和(SS)进行多变量效应强弱进行粗略比较。本研究将pEta2值当做多变量效果度量指标,能较客观地反映变量效应强弱。当方差分析检定为显著性差异时,同时引入pEta2值[25-27]来比较改良剂种类、施用时间、施用量及其互作对烤烟某一经济性状指标、物理特性指标、化学成分指标变异的影响。将某一指标的改良剂种类、施用时间、施用量及其互作的pEta2平均值用于评价不同指标的影响。将某类指标的pEta2平均值用于评价改良剂种类、施用时间、施用量及其互作的影响。

2 结果与分析

2.1 施用改良剂对土壤pH 值的影响

由图1可知,在烟苗移栽后60 d,不同改良剂种类、施用时间之间的土壤pH 值差异显著；A1 土壤pH 值显著高于A2；B2 土壤pH 值显著高于B1。从不同处理看,8 个施用改良剂处理的土壤pH 值在6.46～6.80 之间(属于弱酸性土壤),较CK(土壤pH 值5.22,强酸性土壤)显著高1.24～1.58。8 个施用改良剂处理的土壤pH 值以A1B2C2、A1B1C2、A2B2C2 相对较高。在烟苗移栽后120 d,不同改良剂种类、用量之间的土壤pH 值差异不显著,这可能与植烟土壤缓冲特性,经长时间自我调节酸碱度有关。B2 的土壤pH 值显著高于B1。从不同处理看,8 个施用改良剂处理的土壤pH 值在5.59～5.74 之间,虽属于酸性土壤,但较CK(土壤pH 值5.20,强酸性土壤)显著高0.39～0.54。8 个施用改良剂处理的土壤pH 值以A1B2C2、A1B2C1、A2B2C2 相对较高。综上表明,施用土壤改良剂能显著提高土壤pH 值,以在烤烟揭膜培土时施用1 500 kg·hm-2的石灰、酸性土壤调理剂的效果相对较好。

图1 施用改良剂对土壤pH 的影响Fig.1 Effect of amendments application on soil pH

2.2 施用改良剂对烤烟农艺性状的影响

改良剂对烤烟农艺性状效应如表1所示,改良剂施用种类、用量、种类×用量、时间×用量、种类×时间×用量均显著影响烤烟株高；其中以种类×用量互作对株高影响最大,其次是时间×用量、用量。对烟株茎围有显著影响的是改良剂用量、种类×用量、时间×用量,以用量影响最大,其次是时间×用量。对烟叶最大叶面积有显著影响的是改良剂种类、时间、种类×时间、种类×用量,以改良剂种类影响最大,其次是种类×用量、时间、种类×时间。改良剂(包括种类、施用时间、施用量及其互作)对烤烟株高影响最大,其次是最大叶面积和茎围,对叶片数量影响较小。改良剂用量对农艺性状影响最大,其次是改良剂种类×用量、种类、时间×用量,而改良剂种类×施用时间×施用量三者互作的影响较小。

由表2可知,A2 的最大叶面积显著高于A1；C1的株高、茎围显著高于C2(改良剂施用量为1 500 kg·hm-2)。不同处理之间的株高、茎围、最大叶面积存在显著差异,但叶片数差异不显著；A1B2C1 的株高相对较高；A1B2C1、A2B2C1 的茎围相对较粗；A2B1C2、A2B1C1 的最大叶面积相对较高。可见,施用低剂量石灰有利于打顶前烤烟株高和茎围的生长,施用酸性土壤调理剂有利于打顶前烤烟叶片的生长。

2.3 施用改良剂对烤烟经济性状的影响

应用改良剂对烤烟经济性状的效应如表3所示,改良剂施用种类、用量、种类×时间均显著影响烟叶上等烟比例、产量、产值和ECI；其中以种类×时间互作对烟叶上等烟比例影响最大,改良剂用量对产量、产值和ECI 影响最大。对烟叶均价有显著影响的只有改良剂种类。可能是由于改良剂种类和时间的互作影响较大,导致改良剂施用时间的影响被弱化。可见,施用改良剂对ECI 影响最大,其次依次为产值、产量、上等烟比例、均价,而改良剂用量对经济性状影响最大,其次是改良剂种类、种类×时间,而其他两两互作和三者互作的影响较小。

表1 改良剂应用对烤烟农艺性状效应的P 值和pEta2值Table 1 The pEta2and P value of amendments application on agronomic characters of flue-cured tobacco

表2 改良剂应用对烤烟农艺性状的影响Table 2 Effect of amendments application on agronomic characters of flue-cured tobacco

由表4可知,A1 的烤烟上等烟比例、产量、产值和ECI 均显著高于A2；C2 的烤烟上等烟比例、产量、产值和ECI 均显著高于C1。从不同处理看,A1B1C2、A2B2C2 的上等烟比例相对较高；A1B1C1 的均价相对较高；A1B1C2 的产量和产值相对较高。施用改良剂处理的上等烟比例较CK 高7.32～15.46 个百分点,均价、产量、产值分别较CK 高1.23%～9.80%、1.42%～33.65%、2.74%～42.67%。各处理根据ECI 大小排序为：A1B1C2 ＞A1B2C2 ＞A2B2C2 ＞A1B1C1 ＞A2B1C2 ＞A1B2C1＞A2B2C1 ＞A2B1C1 ＞CK；施用改良剂处理的ECI 较CK 高6.53%～32.31%。可见,施用改良剂均能提高烤烟经济性状；施用石灰为改良剂时,以烤烟整地时施用1 500 kg·hm-2的经济性状较好；施用酸性土壤调理剂为改良剂时,以烤烟揭膜培土时施用1 500 kg·hm-2的经济性状较好。

表3 改良剂应用对烤烟经济性状效应的P 值和pEta2值Table 3 The pEta2and P value of amendments application on economic characters of flue-cured tobacco

表4 改良剂应用对烤烟经济性状的影响Table 4 Effect of amendments application on economic characters of flue-cured tobacco

2.4 施用改良剂对烟叶物理特性的影响

改良剂应用对烟叶物理特性的效应如表5所示,改良剂施用种类、时间、用量、种类×时间×用量均显著影响烟叶单叶重,以改良剂种类影响最大,其次是用量、种类×时间×用量；对烟叶含梗率有显著影响的是改良剂时间、种类×时间,以改良剂施用种类×时间影响最大；对叶片厚度有显著影响的是改良剂种类×时间；对叶质重有显著影响的是改良剂种类、时间、种类×时间、种类×时间×用量,以改良剂种类影响最大,其次是时间、种类×时间；对PPI 有显著影响的是种类、时间、用量、种类×用量、种类×时间×用量,以改良剂用量影响最大,其次是种类、种类×时间×用量；改良剂施用对烟叶宽长比、平衡含水率均无显著影响。可见,改良剂种类、时间、用量及其互作均影响烟叶物理特性,其中以改良剂种类×时间互作影响最大；从不同物理特性评价指标看,以对单叶重影响最大,其次为对含梗率、叶质重的影响,对宽长比、平衡含水率的影响较小。

表5 改良剂应用对烟叶物理性状效应的P 值和pEta2值Table 5 The pEta2and P value of amendments application on physical characteristics of flue-cured tobacco

由表6可知,A1 的烟叶单叶重显著高于A2；C2的烟叶PPI 显著高于C1。比较不同处理物理特性指标,烟叶宽长比、平衡含水率差异不显著；单叶重以A1B1C2 相对较高,A2B2C1 相对较低；含梗率以A2B1C2 相对较高,A2B2C2 相对较低；叶片厚度以A1B1C1 相对较高,A2B1C2 相对较低；叶质重以A1B1C1 相对较高,A1B2C1 相对较低。各处理根据PPI 排 序 为：A1B1C2 ＞A1B2C2 ＞A2B2C2 ＞A2B1C2 ＞A1B2C1＞A2B2C1＞A2B1C1＞A1B1C1＞CK；施用改良剂处理的烟叶PPI 较CK 高0.65%～7.04%,其中,A1B1C2、A1B2C2、A2B2C2 的PPI 显著高于CK。可见,施用石灰为改良剂时,以烤烟整地时施用1 500 kg·hm-2的物理特性较好；施用酸性土壤调理剂为改良剂时,以烤烟揭膜培土时施用1 500 kg·hm-2的物理特性较好。

2.5 施用改良剂对烟叶化学成分的影响

改良剂应用对烟叶化学成分的效应如表7所示,改良剂施用种类、时间、用量均显著影响烟叶总糖和还原糖含量,改良剂种类对总糖影响最大,改良剂施用时间对还原糖影响最大。改良剂种类×用量、时间×用量互作均显著影响烟叶的烟碱含量,以改良剂种类×用量互作影响最大。改良剂施用种类、时间、用量、种类×时间均显著影响烟叶总氮含量,以改良剂种类×时间互作影响最大。改良剂用量显著影响烟叶氯含量。改良剂种类×时间、种类×用量、时间×用量互作均显著影响CCUI,以改良剂种类×用量互作影响最大。可见,改良剂种类、时间、用量及其互作均影响烟叶化学成分,其中以改良剂用量影响最大；从不同化学成分评价指标看,以对烟叶总氮含量影响最大,往后依次为对总糖、还原糖、烟碱、氯、钾含量的影响。

由表8可知,A2 的烟叶总糖、还原糖、总氮含量相对较高；B2 的烟叶总糖、还原糖、总氮含量相对较高；与C1 相比,C2 的烟叶总糖、还原糖含量相对较高,但总氮含量相对较低。比较不同处理化学成分指标,烟叶氯含量差异不显著；总糖和还原糖含量以CK、A2B2C2 相对较高,A1B1C2 相对较低；烟碱含量以A1B1C1、A1B2C2、A2B1C1 相对较高,CK 相对较低；总氮含量以CK 相对较高,A1B1C1 相对较低；钾含量以A1B2C1、A2B1C1、A2B2C1 相对较高,以CK 相对较低。各处理根据烟叶CCUI 排序为：A1B1C2＞A2B1C2＞A2B2C2 ＞A1B1C1 ＞A2B2C1 ＞A1B2C1 ＞A1B2C2 ＞A2B1C1 ＞CK；施用改良剂处理的CCUI 较CK 高0.36%～13.87%；其中,A1B1C2、A2B1C2、A2B2C2、A1B1C1、A2B2C1、A1B2C1 的CCUI 显著高于CK。可见,施用石灰为改良剂时,以烤烟整地时施用1 500 kg·hm-2的化学成分可用性较好；施用酸性土壤调理剂为改良剂时,以烤烟整地或揭膜培土时施用1 500 kg·hm-2的化学成分可用性较好。

3 讨论

胡敏等[28]发现在酸性土壤(pH 值3.9)上施用生石灰初期(前30 d)能够显著提高土壤pH 值,但这种效果会随着培养时间延长逐渐降低；张瑶等[8]研究认为酸性土壤施用改良剂后,土壤pH 值先升高后降低,至移栽60 d 后逐渐趋于稳定；所以,本研究土壤pH 值在烤烟移栽后60 d 高于120 d,在烤烟揭膜培土时施用1 500 kg·hm-2改良剂的土壤pH 值相对较高。从不同改良剂看,石灰提高强酸性土壤pH 值的效果要好于酸性土壤调理剂,这主要是因为酸性土壤调理剂中虽含有CaO,其比例一般在40%～60%之间。

表6 改良剂应用对烟叶物理性状的影响Table 6 Effect of amendments application on physical characteristics of flue-cured tobacco

表7 改良剂应用对烟叶化学成分效应的P 值和pEta2值Table 7 The pEta2and P value of amendments application on chemical compositions of flue-cured tobacco

酸性土壤施用石灰提高了土壤pH 值,改善了土壤理化特性[8]和土壤养分的有效性[29-31],从而影响烤烟生长发育、产量及品质[7,9-10]。施用高剂量石灰后,土壤pH 值在前期会急剧增加至7.0 以上[8,28],超出烟株生长适宜水平,抑制烟株组织和器官的分化[6,32],所以施用低剂量石灰(750 kg·hm-2)有利于打顶前烤烟株高和茎围的生长。但该阶段持续时间较短,至移栽后60 d 趋于稳定至适宜水平[8,23]。土壤养分活性提高,对后期烟株生长和烟叶品质的形成具有促进作用,故烤烟整地时施用高剂量石灰(1 500 kg·hm-2)(A1B1C2)后ECI、PPI、CCUI 等参数相对较好。而酸性土壤调理剂主要成分为CaO、SiO2,且含有机质,不仅用于修复酸性土壤,而且可提供作物所需的养分和中、微量元素,故施用酸性土壤调理剂有利于打顶前烤烟叶片的生长,若在烤烟揭膜时高剂量施用(1 500 kg·hm-2)(A2B2C2)其ECI、PPI、CCUI 相对较好。

烤烟经济性状和烟叶物理特性、化学成分属于多指标评价,以往的大田试验较多采用单个指标逐一进行分析评价,无法对试验处理的优劣做出综合判断。本研究采用效果测度模型、隶属函数模型等模糊评价方法对烤烟经济性状和烟叶物理特性、化学成分评价指标进行归一化处理后,运用加权指数和法获取综合得分(ECI、PPI、CCUI),依据综合得分高低对不同试验处理的综合效果进行排序,可以更好地比较不同处理的经济性状、物理特性、化学成分综合质量差别,有利于对不同试验处理做出综合评判,使复杂多指标评价问题得到简化。

表8 改良剂应用对烟叶化学成分的影响Table 8 Effect of amendments application on chemical compositions of flue-cured tobacco

4 结论

施用酸性土壤改良剂能显著提高土壤pH 值,烤烟移栽后60 d 可较CK 提高土壤pH 值1.24～1.58,移栽后120 d 可较CK 提高土壤pH 值0.39～0.54。施用低剂量石灰有利打顶前烤烟株高和茎围的生长,施用酸性土壤调理剂有利于打顶前烤烟叶片的生长。施用改良剂对ECI、PPI、烟叶总氮含量影响最大；改良剂用量对烤烟经济性状影响最大,改良剂种类和施用时间互作对烟叶物理性状影响最大,改良剂用量对化学成分影响最大。在烤烟整地时施用1 500 kg·hm-2石灰综合效果最好,其次是在烤烟揭膜培土时施用1 500 kg·hm-2酸性土壤调理剂。