旱作烤烟膜秸组合覆盖对土壤性质和烟叶产质量的影响

邱岭军，张 翔，毛家伟，李 亮，李 琦，司贤宗，索炎炎，程培军，孔德辉

（1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南郑州 450002；2.河南省烟草公司，河南郑州 450018；3.洛阳市烟草公司，河南洛阳 471000）

我国每年约产生秸秆资源10.4 亿t，其中，小麦秸秆占禾谷类秸秆的27.7%[1]，但存在秸秆处置方式落后，回收利用率低，造成了严重的环境污染和资源损耗，所以，秸秆科学还田引起了大多数学者的关注。秸秆腐解不仅能够提供作物生长发育所需的大、微量营养元素，还能为土壤微生物提供物质和营养源，在维持地力平衡、增加土壤有机质等方面发挥着巨大作用[2-3]。付鑫等[4]研究表明，秸秆覆盖对土壤微生物量氮、全氮和潜在矿化氮含量等具有显著提升作用。程宏波等[5]的研究认为，玉米秸秆覆盖能够显著提高马铃薯产量及水分利用效率。秸秆覆盖作为一种高效生态农艺栽培措施，兼顾蓄水稳温保墒效应，是资源循环利用的最有效、最被认同培肥地力的增产措施[6]，通过改变土壤水热状况、理化性状和生物养分有效性进而调控土壤微生物的群落生态结构，减少化肥投入，降低空气污染和环境负荷，而且能为作物营造一个适宜的土壤环境，对促进作物快速生长发育、提高产量等具有积极作用[7]。

烟草是我国一种重要的经济作物，在豫西地区广泛推广种植，但由于人均耕地资源不足，过度依赖化肥、不合理的耕作方式及高强度的种植模式等，严重破坏了土壤结构，造成烟田土壤养分不平衡、根际土壤微生态结构恶化、土传病害加重、地力衰退、烟叶产量和品质逐年下降等一系列问题[8]。土壤作为烤烟种植的直接载体，其理化性质、肥力水平及微生物活性水平与植物生长代谢联系紧密[9]，再加上低温、干旱等自然环境因素的限制，严重制约着该区烟叶产量和品质的进一步提升。李小雁等[10]研究认为，旱作玉米覆膜以及沟垄技术可显著提高旱地马铃薯产量及水分利用效率，且具有叠加效应。目前，关于秸秆与地膜覆盖技术的耦合效应对土壤生物学特性及烟叶品质的研究还较少。

本研究通过开展大田试验，探究地膜与秸秆覆盖组合的栽培技术对烤烟的生理指标、土壤微生物区系、烤后烟叶化学成分的影响，探索一套适合豫西地区烤烟的土壤保育技术与秸秆地膜覆盖耦合的农业综合模式，为提高烤烟经济效益、促进秸秆还田技术的示范应用提供参考依据，旨在为优化旱地土壤培肥管理提供理论和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2019 年5—10 月在河南省洛宁县小界乡王村进行，试验地肥力均匀一致，地势平坦，排灌方便。土壤基本理化性质为：pH 值7.80，有机质含量11.5g/kg，全氮含量0.088%，速效氮含量72.1mg/kg，速效磷含量21.7 mg/kg，速效钾含量187 mg/kg，水溶性盐总量0.32 g/kg。试验前茬作物为烟草。

1.2 试验材料

供试烤烟品种为中烟203。

供试肥料种类有：烟草专用复合肥料（N 10%、P2O512%、K2O 18%），饼肥（N 53%），重过磷酸钙（P2O546%），硫酸钾（K2O 50%），硝酸钾（N 13.5%，K2O 46%）。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，共设4 个处理，分别为：T1.只地膜覆盖（CK），团棵期揭膜培土。T2.秸秆覆盖。移栽时，小麦秸秆7 500 kg/hm2均匀覆盖垄体。T3.垄体地膜覆盖+垄沟小麦秸秆覆盖。移栽时，垄体地膜覆盖，垄沟小麦秸秆7 500 kg/hm2覆盖；团棵期垄体揭膜，将垄沟小麦秸秆翻到垄体覆盖培土。T4.垄体地膜覆盖+垄沟小麦秸秆粉碎覆盖。移栽时，垄体地膜覆盖，垄沟用粉碎后的小麦秸秆（将小麦秸秆切割成2～3 cm 段）7 500 kg/hm2覆盖；团棵期垄体揭膜，将垄沟小麦秸秆随中耕培土翻到垄体覆盖。

试验3 次重复，小区面积72 m2（4.8 m×15.0 m），每小区种植4 行，行距120 cm，株距55 cm。常规施N60 kg/hm2，氮磷钾比例为1∶1.5∶3.5。烟草专用复合肥80%条施、20%穴施，饼肥和磷肥全部条施，钾肥30%条施、20%穴施、50%追施，硝酸钾于团棵期追施。5 月10 日移栽，移栽密度为16 500 棵/hm2，10 月18 日采烤结束。其他各项田间生产管理措施统一按当地规范化措施进行。

1.4 测定项目及方法

于植株生长的3 个生育时期（团棵期（移栽后35 d）、旺长期（移栽后70 d）、成熟期（移栽后90 d）），测定烟株的株高、茎围、叶片数、叶面积等农艺指标。移栽后70 d，在阳光充足的10：00—12：00 对烟叶进行光合特性测定。在烟垄上采集2 株烟株正中位置0～20 cm 土层3 个重复的土样，采用五点法混合均匀后取1/4 低温冷藏带回室内，鲜样去杂后保存于4 ℃冰箱，用以测定土壤微生物群落和微生物生物量碳、氮，另外部分土样风干后研磨测养分含量。同时，每个生育时期随机选取3 整株烟株，分部位取样并清洗干净，置于烘箱中，于105 ℃杀青30 min 后，70 ℃烘干至恒质量，粉碎后测定根、茎、叶中全氮含量。产量根据小区产量进行估算。烟叶成熟后，按不同处理分区采收和计产，按《中华人民共和国国家标准：烤烟（GB 2635—1992）》进行分级，计算中上等烟率，并按2019 年国家局收购指导价格计算不同烟叶等级单价；每公顷产量、产值由小区产量、产值折算。

土壤微生物区系采用稀释平板分离测数法测定[11]；微生物生物量采用氯仿熏蒸法测定[12]；按照鲍士旦[13]的方法测定土壤总氮等；速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度计法测定；烤后烟叶总糖采用蒽酮比色法测定，还原糖采用DNS 比色法测定，烟碱采用萃取脱色法测定，总氮采用凯氏定氮法测定，钾采用火焰光度法测定，氯采用莫尔法测定[14]。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 17.0 软件对数据进行处理分析，用Duncan′s 新复极差法进行多重比较（α＝0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对烟株农艺性状的影响

由表1 可知，在移栽后35 d，叶面积和茎围均以T4 处理最高，分别达984.5 cm2和8.4 cm，各处理叶面积由高到低排序为：T4＞T3＞T1＞T2；与T1处理相比，T4 处理的株高、茎围和叶面积分别提高了15.84%、10.53%、10.09%；株高、茎围、叶片数和叶面积均以T2 处理最低，表明与地膜覆盖相比，秸秆覆盖对烟株生长的促进作用相对较弱。移栽后70 d，与T1 处理相比，T2、T3、T4 处理的叶面积分别提高了0.14%、9.34%、6.60%，其中，T4 处理的农艺性状表现最佳。表明T4 处理的栽培措施对烤烟株高、叶片数、茎围及叶面积均有促进作用，能有效促进烤烟生长。

表1 不同处理对烟株农艺性状的影响

2.2 不同处理对烟叶光合特性的影响

从表2 可以看出，在移栽后70 d，T2 处理净光合速率最低，为24.2 μmol/（m2·s），低于地膜+秸秆组合模式的T3、T4 处理，且与T1 处理间差异不显著。气孔导度以T3 处理最高，为0.61 mol/（m2·s），不同处理间差异不显著。T2、T3、T4 处理的蒸腾速率与T1 处理间存在显著性差异，由高到低排序为T4＞T3＞T2＞T1。T4 处理的胞间CO2浓度与T1 处理相比降低了39.27%，且与T1、T2 和T3 处理间均存在显著性差异。

表2 不同处理对烟叶光合特性的影响

2.3 不同处理对土壤微生物学群落的影响

表3 不同处理对土壤微生物数量和生物量碳、氮的影响

从表3 可以看出，在移栽后70 d，不同处理间土壤微生物数量发生了显著性变化，具体表现为细菌＞放线菌＞真菌，土壤细菌最高，其次是放线菌。施用地膜＋不同秸秆处理的微生物数量显著高于只地膜覆盖和秸秆覆盖处理，其中，T4 处理的土壤细菌、真菌、放线菌数量较T1 处理分别提高了26.09%、56.25%、84.44%，T4 处理与T1、T2、T3 处理的细菌、真菌、放线菌数量均存在显著性差异。由于秸秆中有效碳的腐解引起微生物底物利用的迅速增加，不同处理间土壤微生物生物量碳（MBC）含量差异显著；T2 处理土壤微生物生物量氮（MBN）含量最大，且与T1、T3、T4 处理间差异显著，使得T2处理的MBC/MBN 值显著小于其他处理。T4 处理的土壤MBC、MBN 含量分别较T1 处理提高了73.17%、13.61%，土壤MBC/MBN 值均显著高于T1、T2、T3处理，表明地膜＋粉碎秸秆的T4 处理对土壤微生物群落功能多样性和数量的提升具有统计学意义。

2.4 不同处理对土壤温度的影响

由图1 可知，在移栽后35 d，不同处理对土壤温度（0～25 cm）有较大影响，随土层深度不断增加土壤温度呈逐渐降低的趋势，以T4 处理保温效果最好，T3 处理次之。与T1 处理相比，T4 处理0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm分别提高了9.52%、7.66%、6.25%、7.39%、7.66%。T4 处理的平均温度为22.2 ℃，T2 处理表现最差，平均温度仅为19.0 ℃，且低于T1 处理1.62 ℃。在移栽后70 d，不同处理间土壤温度整体表现为：T4＞T2＞T1＞T3，且不同土层的土壤温度差异不大，并未达到显著差异水平，这表明地膜和秸秆覆盖处理均有利于耕作层（0～25 cm）的保温保墒，且地膜+不同秸秆处理对耕作层的保墒作用优于只覆地膜或只秸秆覆盖，其中，地膜+粉碎秸秆处理效果最明显，能够促进烟株健康快速生长。

2.5 不同处理对土壤理化性质的影响

从表4 可以看出，随着烤烟生育期的不断推进，烟田土壤逐渐变得疏松，土壤容重呈逐渐降低趋势，T2、T3、T4 处理的土壤容重均低于T1 处理，但差异未达到显著水平。移栽后35 d，T3 和T4 处理的土壤含水率显著低于T1 处理；T2、T3 和T4 处理的有机碳含量与T1 处理相比，分别提高了13.26%、15.91%、18.94%；T4 处理硝态氮含量最高，达1.12 mg/kg，T2 处理最低，T4 处理的硝态氮含量与T1、T2 和T3 处理间均存在显著性差异，而T2 处理的铵态氮含量显著高于T1、T3 和T4 处理，且均存在显著性差异；不同处理间全氮、速效钾和水溶性盐总量均差异不显著。在移栽后70 d，T2、T3 和T4 处理的土壤含水率均显著高于T1 处理，分别提高了11.70%、16.37%和18.71%，T2 处理的铵态氮含量显著高于T1、T3 和T4 处理，且存在显著性差异；与生育前期相比，硝态氮平均含量随生育期的推进呈增加趋势，而铵态氮含量则呈不断降低趋势。结果显示，有秸秆覆盖的T2、T3 和T4 处理土壤中的有机碳含量也显著高于只地膜覆盖处理，表明秸秆覆盖对烟田土壤的保水保湿具有促进意义。

表4 不同处理对土壤理化性质的影响

2.6 不同处理对烟叶产量和经济性状的影响

表5 不同处理对烤烟产量和经济性状的影响

由表5 可知，与T1 处理相比，施用地膜＋秸秆、地膜+粉碎秸秆的T3、T4 处理的烤烟产量、产值、均价和中上等烟比例均有不同程度提高，其中，T4 处理的烟叶品质最佳且经济性状好，较T1 处理产量提高11.65%，产值增加19.06%，中上等烟比例均提升21.94%，T4 处理的产量、产值、均价和中上等烟比例均显著优于T1、T2、T3 处理，但与T3 处理的产量、产值、中上等烟比例间均无显著性差异。表明秸秆覆盖措施对烤烟产量、产值的影响相对只覆地膜的效果更明显，均能显著提高烤烟产量和产值，其中，地膜+粉碎秸秆的T4 处理的产量、产值和中上等烟比例最好，对烤烟的经济效益有积极的促进作用。

2.7 不同处理对烤后烟叶化学成分的影响

由表6 可知，烟叶总糖含量为18.44%～26.56%，还原糖含量为17.02%～25.13%，总氮含量为1.63%～1.86%，烟碱含量为2.21%～3.35%，钾含量在1.31%以上，氯含量在0.52%以下，糖碱比为5.50～12.02，氮碱比为0.56～0.77，钾氯比≥2.52，还原糖与总糖的比值≥0.85。T3、T4 处理的烟碱、总氮含量均显著低于T1、T2 处理，并存在显著性差异；T4 处理中部烟叶的总糖、还原糖、氯的含量及糖碱比、氮碱比和两糖比均在适宜范围内。与T1 处理相比，T4处理烟叶钾离子含量提高了27.48%；T4 与T3 处理的总糖、还原糖、总氮、氯、还原糖与总糖比等均无显著性差异，表明T3 处理烤后烟品质仅次于T4 处理。研究结果显示，地膜＋小麦秸秆粉碎的T4 处理和地膜+小麦秸秆的T3 处理能有效促进烤烟生长发育并使烤后烟叶内在化学品质更协调。

表6 不同处理对烤后中部烟叶化学成分的影响

3 结论与讨论

秸秆覆盖作为一种绿色生态、高效农艺栽培措施，既优化秸秆资源的合理配置，又减少对环境的污染，同时秸秆腐解可释放多种有益营养物质，在某种程度上激活了土著微生物和酶的偏嗜性和优先性，有效提高作物抗病免疫机制及增强作物抵抗非可控生物、非生物因素逆境下的胁迫，提高作物N 素利用效率和调节作物快速生长发育，为植物生长营造一个适宜的生存环境[15]。赵永敢[16]研究表明，在河套灌区“上膜下秸”措施可有效提高土壤含水率，为向日葵根系营造良好的生长环境，这与本研究结果一致，在移栽后35 d，有地膜覆盖的T1、T3、T4 处理土壤含水率显著高于只秸秆覆盖的T2 处理，且比T2 处理分别提高了11.70%、16.37%和18.71%，可能原因是春季蒸发旺盛，只秸秆覆盖处理对烟株生长的促进作用相对较弱。不同处理对土壤温度（0～25 cm）有较大影响，与T1 处理相比，地膜＋粉碎秸秆的T4 处理土壤0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm 的温度分别提高了9.52%、7.66%、6.25%、7.39%、7.66%。夏冬等[17]研究表明，秸秆覆盖和地膜覆盖均能减少膜内表土蒸发和保温保湿，而地膜＋不同秸秆结合模式能进一步提高番茄产量。郑梅迎等[18]研究表明，秸秆粉碎还田效果最佳，土壤小粒径团聚体含量减少而大粒径团聚体含量增加，从而使土壤团聚性能、水稳定性增强。本研究表明，在移栽后70 d，有秸秆覆盖的T2、T3 和T4 处理土壤中的有机碳含量也显著高于只地膜覆盖，与T1 处理相比分别提高了13.26%、15.91%、18.94%，表明秸秆覆盖对烟田土壤的保水保湿具有显著促进作用。T4 处理的栽培措施对烤烟株高、叶片数、茎围及叶面积均有促进作用，能有效促进烤烟生长；T4 处理的烟叶品质最佳且经济性状好，较T1 处理产量增加11.65%，产值增加19.06%，均价提高9.54%，中上等烟比例均提升21.94%，且烤后中部烟叶的总糖、还原糖、氯含量及糖碱比、氮碱比和两糖比均在适宜范围内，使烤后烟叶内在化学品质更协调。

地膜与不同秸秆覆盖处理引起土壤物理、化学、生物特性和养分状况的变化[19]，进而影响了微生物群落结构和功能。土壤细菌、真菌、放线菌是微生物类群结构数量重要的组分之一，积极介入土壤中物质能量循环、有机物转化与吸收以及维护微生物群落生态平衡[20]，是影响土壤养分库、生物化学活性及群落生理功能的活指标[21]。本研究结果表明，秸秆与地膜覆盖处理与同期对照相比显著增加了烟田土壤细菌、真菌、放线菌数量，这对于连作烟田微生态土壤修复与保护，降低土传病害发生等方面具有积极意义。丁柳屹等[22]研究表明，秸秆与地膜覆盖处理均能显著增加土壤中的细菌群落丰度和多样性，且显著增加了分解纤维素的纤维弧菌及根瘤菌和硝化过程的亚硝化螺菌；伍玉鹏等[23]研究表明，秸秆还田可有效改善土壤蓄水、通气状况以及有机质累积来增加土壤中固氮菌、纤维素分解菌的数量，其原因可能是覆盖措施可以有效提高作物产量，改善土壤保温保墒、水分利用效率。微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）是固定在土壤微生物躯体中的碳素和氮素，是植物生长可利用养分的重要来源，秸秆腐解为土壤微生物生物量的繁殖带来了多种功能性微生物、丰富的微量元素以及适宜的生存环境，从而显著提高土壤MBC 和MBN，进而改变了MBC/MBN 值[24-25]。本研究中T2 处理的MBN 含量较高，可能是烟田土壤中MBN 主要来自于土壤和有机肥，秸秆腐解产生了更丰富的有机碳以及频繁的干湿交替使得土壤有机氮矿化。T4 处理的土壤MBC、MBN 分别较T1 处理提高了73.17%、13.61%，且土壤MBC/MBN 值均高于T1 和单秸秆覆盖处理，且与较低的土壤pH 表现出正相关关系，可能是由于贫瘠土壤中有效氮、磷含量匮乏，刺激了真菌比细菌更强的竞争能力，从而导致微生物群落表现出细菌占优势的现象[26-27]。表明地膜＋粉碎秸秆组合模式的T4 处理对土壤微生物群落功能多样性和数量的提升具有统计学意义，对烟田土壤保育具有积极效应。

地膜与秸秆覆盖对土壤肥力性质具有复合作用。不同处理对植烟土壤理化性状、微生物群落、烟株生长状况及烟叶产值的影响存在显著性差异，其中，T4 处理烤后烟叶内在化学品质更协调且经济性状最佳，显著影响了烟田土壤微生物群落功能多样性和数量、土壤生态修复效果，在烤后烟叶产量稳定性情况下，提高了中上等烟比例、均价和产值。因此，在本试验条件下，地膜＋粉碎秸秆的T4 处理更符合豫西烟区优质烤烟生产的营养特性，能有效改良烟田土壤环境，提高烤烟的产量和品质。