烤烟连作下不同植烟土壤化学性状与酶活性变化及其相关性

2021-09-11代方秀杜杏蓉李运国邓小鹏姜永雷赵正雄王娜

江苏农业科学 2021年16期

代方秀杜杏蓉李运国邓小鹏姜永雷赵正雄王娜

摘要：通过分析连作条件下云南省3种植烟土壤（红壤、水稻土、紫色土）的化学性状指标及酶活性的变化特征，旨在进一步剖析烤烟连作障碍机制，指导烤烟种植布局优化。结果表明，连作5年导致3种植烟土壤的化学性状和酶活性发生明显变化，主要表现在pH值降低，土壤有机质、全氮、碱解氮和有效磷含量不同程度增加，过氧化氢酶、蔗糖酶活性降低，而脲酶、磷酸酶活性增强。逐步回归分析结果显示，3种植烟土壤的部分化学性状指标与酶活性间存在密切的相互影响的关系。过氧化氢酶活性与pH值、全钾含量之间具有极显著的正相关性（P<0.05），与全磷、有效磷含量之间具有极显著的负相关性（P<0.01）;蔗糖酶、脲酶活性与有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮含量之间具有显著或极显著的正相关性（P<0.05或P<0.01），脲酶活性与pH值之间具有极显著的负相关性（P<0.01）;磷酸酶活性与pH值之间具有显著的负相关性（P<0.05），与全磷、有效磷含量之间具有极显著的正相关性（P<0.01）。总体而言，3种植烟土壤经连作5年后，以紫色土的化学性状和酶活性变化幅度最小，对连作的响应相对最低。

关键词：连作;土壤类型;化学性状;酶活性;逐步回归模型

中图分类号： S572.01 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2021）16-0233-07

烤烟是忌连作作物，也是云南省乃至全国的主要经济作物之一。长期连作严重影响烤烟的生长发育及产质量的形成。虽然我国一直提倡轮作，但是由于耕地面积的减少以及经济效益驱使等一系列原因，烟农长期保持连作的种植习惯，连作现象普遍存在，这已经成为制约烟叶可持续生产和植烟土壤可持续利用的重要因素之一[1-2]。连作会导致烟田有害物质的逐年积累，造成土壤养分失调，从而抑制土壤生物化学过程，影响烟草正常生长发育，最终造成烤烟产量和品质的显著降低[3]。烟叶产量与品质是由遗传因子和环境因素共同决定的，其中土壤条件是影响烟叶产质量的首要环境因素[4-5]。刘冬冬等研究发现，不同的植烟土壤类型会导致烤烟品质不同，其中以紫色土的烤烟品质最好，沙泥田的品质最差[6]。李明海等研究发现，当种植烤烟的土壤类型为黄壤时，所得烟叶化学成分协调性相对优于同一生态环境和栽培条件下的石灰土和水稻土[7]。对于不同的植烟土壤类型而言，由于土壤的理化性质、养分供应状况、酶活性与微生物群落动态不尽相同，对烟株生长发育进程造成的影响也不同。在连作条件下，不同类型植烟土壤的理化性状和酶活性也会发生不同程度的改变，而土壤理化性状与酶活性之间具有一定的相互作用[8-9]。Aparicio等研究发现，长期连作可导致烤烟土壤中pH值下降、养分比例失调[10-11]。陈继峰等研究发现，连作3年内，植烟土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性逐年升高，但之后趋于下降，而酸性磷酸酶活性先下降，之后趋势复杂[10]。陶宝先等研究发现，脲酶活性与有机质、全磷含量呈正相关[12]。葛晓改等研究认为，土壤总氮、有机质等对酶活性具有一定作用，其中转化酶和过氧化物酶活性与土壤理化性状有显著相关性[13]。现有的研究主要集中在连作条件下不同土壤类型的烤烟产质量变化及连作条件下土壤理化性质和酶活性的变化与相互关系，但综合系统地研究土壤类型-连作-土壤化学性状指标与酶活性三者之间相互关系的相对较少。为此，本研究聚焦云南省主要烟区，以不同类型植烟土壤为切入点，探讨3种主要植烟土壤经连作后化學性状、酶活性等指标的变化及其相互关系，旨在初步明确不同类型土壤对植烟连作的响应差异，为烤烟连作障碍消减和种植的优化布局提供理论依据和科学指导。

1 材料与方法

1.1 采样烟田信息

本研究所选对象是长期定位的试验田，主要包括：（1）红壤烟田，位于云南省寻甸县河口镇双龙村水井村民小组，地理位置为25°41′19″N、103°26′13″E，海拔为2 020 m;（2）紫色土烟田，位于云南省石林县鹿阜镇阿乌村干山冲村民小组，地理位置为 47°33′13″N、157°23′15″E，海拔为1 970 m;（3）水稻土烟田，位于云南省石林县板桥镇板桥村虎街村民小组，地理位置为25°17′48″N、103°21′51″E，海拔为1 950 m。3块烟田土壤质地均为壤土，种植的烤烟品种为云烟87，连作采用“烤烟-小麦→烤烟-小麦”的复种+连作模式;轮作采用“烤烟-小麦→玉米-小麦”的复种+轮作模式。红壤烟田每年施纯氮75 kg/hm2，N、P2O5、K2O的质量比为1 ∶ 2 ∶ 2，施农家肥500 g/株;紫色土烟田每年施纯氮 75 kg/hm2，N、P2O5、K2O的质量比为1 ∶ 1 ∶ 2.5;水稻土烟田每年施纯氮75 kg/hm2，N、P2O5、K2O的质量比为1 ∶ 2 ∶ 2。烤烟的栽培管理方法均按照当地优质烟叶生产技术规程进行。

1.2 土样的采集

采集每类植烟土壤中轮作处理和连作5年处理的土样，每个处理设3个重复小区，单个小区的面积为0.067 hm2。2019年于烤烟成熟期在每个小区随机选取3个点，去除地表凋落物、腐殖质层后，采集表层（0～20 cm）土样，充分均匀混合后装入自封袋中带回实验室，将其分成2个部分，一部分经自然风干、去杂、研磨后用于土壤理化性质的测定;另一部分于4 ℃暂时保存，用于测定土壤酶活性。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤理化指标的测定 pH值的测定采用美国SPECTRUM公司的IQ150pH仪，有机质含量的测定采用重铬酸钾氧化法[14]，采用高氯酸-浓硫酸消化样品后用半微量开氏蒸馏法（NY/T53—1987《土壤全氮测定法》）测定全氮含量，采用高氯酸-浓硫酸消化样品后用钼蓝比色法（NY/T 88—1988《土壤全磷测定法》）测定全磷含量，采用NaOH熔融、火焰光度计法（NY/T 87—1988《土壤全钾测定法》）测定全钾含量，碱解氮含量的测定采用碱解扩散法（LY/T 1229—1999《土壤水解性氮的测定》），有效磷含量采用NaHCO3浸提、钼锑抗比色法（NY/T 1121.7—2006《土壤有效磷的测定》）测定，速效钾含量的测定采用醋酸铵浸提、火焰光度计法（NY/T 889—2004《土壤速效钾和缓效钾含量的测定》）。每个指标均重复测定3次。

1.3.2 土壤酶活性的测定过氧化氢酶活性的测定采用高锰酸钾滴定法，蔗糖酶活性的测定采用 3，5-二硝基水杨酸比色法，脲酶活性的测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法，磷酸酶活性的测定采用磷酸苯二钠比色法[15]。每个指标均重复测定3次。

1.4 数据处理与统计分析

数据处理、统计分析制图运用IBM SPSS Statistics 24.0和Excel 2010进行。

2 结果与分析

2.1 烤烟连作对不同土壤化学指标的影响

2.1.1 pH值与有机质含量由图1-a可以看出，与轮作相比，烤烟连作5年后，3种土壤的pH值均不同程度降低，其中红壤、水稻土的pH值分别显著下降了1.26、2.20，但紫色土的pH值仅下降了0.42，降低不显著。由图1-b可以看出，与轮作相比，连作5年后3类土壤的有机质含量均有所增加，其中红壤、水稻土的有机质含量分别显著增加了25.97、6.53 g/kg，紫色土的有机质含量仅略增加了1.68 g/kg，增幅不显著。

2.1.2 全氮和碱解氮含量由图2-a可以看出，与轮作相比，3种土壤经连作5年后的全氮含量均呈不同程度增加，其中红壤、水稻土的全氮含量分别显著增加了1 263.33、480.00 mg/kg，紫色土的全氮含量仅增加了10.00 mg/kg，增幅不显著。由图2-b 可以看出，在轮作处理下，红壤的碱解氮含量为105.20 mg/kg，连作5年后显著增加了 126.33 mg/kg;连作5年导致紫色土的碱解氮含量仅下降了1.80 mg/kg，降幅不显著;水稻土连作5年后，碱解氮含量亦显著增加了44.27 mg/kg。

2.1.3 全磷和有效磷由图3-a可以看出，与轮作相比，连作5年导致红壤、水稻土的全磷含量分别显著增加了93.34、363.33 mg/kg;连作5年的紫色土全磷含量下降了43.34 mg/kg，降幅不显著。由图3-b可以看出，与轮作相比，连作5年导致红壤、水稻土的有效磷含量显著增加，其中增幅最大的为水稻土，增加了44.97 mg/kg;连作5年的紫色土中的有效磷含量下降了63.34 mg/kg，降幅不显著。

2.1.4 全钾和速效钾由图4-a可以看出，连作5年导致红壤、紫色土的全钾含量出现不同程度的下降，红壤的全钾含量显著下降了10 533.3 mg/kg，紫色土的全钾含量仅下降了1 033.33 mg/kg，降幅不显著。水稻土连作5年后全钾含量略有增加，但增幅不显著。由图4-b可以看出，与轮作相比，连作5年的红壤、水稻土速效钾含量分别显著下降了72.33、340.67 mg/kg。紫色土速效钾含量则显著增加了120.00 mg/kg。

2.2 烤烟连作对不同土壤酶活性的影响

2.2.1 过氧化氢酶由图5-a可以看出，与轮作相比，3种土壤连作5年后的过氧化氢酶活性均呈显著下降，水稻土、紫色土、红壤的过氧化氢酶活性分别下降了1.78、0.55、0.53 mL/g，降幅分别为22.90%、6.06%、6.18%。

2.2.2 蔗糖酶由图5-b可以看出，与轮作相比，烤烟连作5年后，紫色土、水稻土的蔗糖酶活性均不同程度下降，其中水稻土的蔗糖酶活性显著下降了7.08 mg/（g·d），紫色土的蔗糖酶活性仅下降了0.17 mg/（g·d），降幅不显著，红壤的蔗糖酶活性则增加了0.10 mg/（g·d），增幅不显著。

2.2.3 脲酶由图5-c可以看出，在轮作处理下，红壤的脲酶活性为0.31 mg/（g·d），连作5年后，其脲酶活性显著增加了0.36 mg/（g·d），增幅显著。与轮作相比，紫色土、水稻土5年连作后的脲酶活性均不同程度增加，其中水稻土的脲酶活性显著增加了0.02 mg/（g·d），而紫色土的脲酶活性仅增加了0.01 mg/（g·d），增幅不显著。

2.2.4 磷酸酶由图5-d可以看出，与轮作相比，3种土壤经连作5年后，其磷酸酶活性均显著增加，紫色土、水稻土、红壤的磷酸酶活性分别增加了 1 652.90、1 187.67、858.95 nmol/（h·g），增幅分别为24.69%、13.88%、11.06%。

2.3 土壤化学性状与酶活性之间的关系

2.3.1 相关性对各处理的土壤化学性状与酶活性进行Pearson相关性分析，由表2可以看出，土壤过氧化氢酶活性与土壤全磷、有效磷含量呈极显著负相关，与土壤pH值、全钾含量呈显著正相关;土壤蔗糖酶活性与土壤有机质、全氮、全钾、碱解氮含量呈极显著正相关;土壤脲酶活性与土壤有机质、全氮、碱解氮含量呈极显著正相关，与土壤pH值呈极显著负相关，与土壤全磷、全钾含量呈显著正相关;土壤磷酸酶活性与土壤全磷、有效磷含量呈极显著正相关，与土壤pH值呈显著负相关。

2.3.2 逐步回归采用多元线性回归分析方法对土壤理化性状、土壤酶活性这2类指标进行分析，以理化性状指标为因变量/自变量、酶活性为自变量/因变量，分别进行多元线性回归分析，并利用逐步回归模型初步建立两者间的相互影响。

（1）以土壤化学性状为因变量进行回归分析。由表3可知，土壤脲酶、过氧化氢酶活性对pH值具有一定的影响（确定系数为0.868）;从标准化系数上看，脲酶具有抑制作用，过氧化氢酶具有促进作用，且脲酶对pH值的影响最大（0.770>0.595）。过氧化氢酶活性对有机质含量具有抑制作用，脲酶、蔗糖酶活性对其具有促进作用，其中脲酶对有机质含量的影响最大。从全氮含量看，过氧化氢酶、磷酸酶活性对全氮含量有抑制作用，脲酶活性对其有促进作用，且脲酶活性对全氮含量的影响最大。过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性对全磷含量均有一定影响;從标准化系数来看，蔗糖酶、脲酶活性对其具有促进作用，过氧化氢酶、磷酸酶活性对其具有抑制作用，且过氧化氢酶活性的影响最大。就全钾含量来看，蔗糖酶活性对其具有促进作用，磷酸酶活性对其具有抑制作用，且蔗糖酶活性的影响最大。脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性对碱解氮含量具有一定影响，脲酶活性对其具有促进作用，而过氧化氢酶、磷酸酶活性对其具有抑制作用，且脲酶活性的影响最大。有效磷含量主要受过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性的影响，且脲酶活性对其具有促进作用，过氧化氢酶、磷酸酶活性对其具有抑制作用，且过氧化氢酶活性的影响最大。

（2）以土壤酶活性为因变量进行回归分析。由表4可以看出，土壤全磷、全钾、碱解氮、有机质含量和pH值对过氧化酶活性具有一定的影响（确定系数为0.986）;从标准化系数上看，全钾、碱解氮含量和pH值对其有促进作用，而全磷、有机质含量对其有抑制作用，其中碱解氮含量对过氧化氢酶活性的影响最大（1.761>1.345>0.727>0.557>0.430）。蔗糖酶活性主要受土壤有机质含量、pH值、全钾和有效钾含量的影响，四者对蔗糖酶活性均具有促进作用，且有机质含量的影响最大。脲酶活性主要受土壤有机质、有效磷、全钾、碱解氮和全氮含量的影响，有机质、全钾、碱解氮和全氮含量对其均具有促进作用，而有效磷含量对其具有抑制作用，且有机质含量对土壤脲酶活性的影响最大。磷酸酶活性主要受土壤有效磷、全钾含量的影响，有效磷含量对其具有促进作用，全钾含量对其具有抑制作用，且有效磷含量对土壤磷酸酶活性的影响最大。

3 讨论

3种植烟土壤经5年连作后，pH值均呈不同程度下降，这与白羽祥等的研究结果[3，16-17]一致。主要原因可能有以下几点：（1）在连作条件下，每年投入的肥料养分一致，并且烟株对养分的选择性吸收相对固定，使得土壤胶体上吸附的H+或Al3+在土壤中呈逐年积累的趋势[18];（2）土壤本身含有的非腐质物质如有机酸、氨基酸以及烤烟根系和微生物的有机酸类分泌物，均会释放H+和酸性物质，从而使根区的pH值下降[2]。

本研究结果显示，连作导致3种植烟土壤的有机质、全氮、碱解氮和有效磷含量不同程度增加，这与张长华等的研究结果[19-20]一致，在连作条件下，当施入土壤的养分持续不变时，烟株吸收的养分量在不断减少，可能出现土壤养分含量随着连作年限的增加而增加的现象。值得一提的是，本研究中3种植烟土壤养分含量从高到低排序依次为红壤、水稻土和紫色土，结合不同类型土壤的结构和基本性状看，红壤的质地相对黏重，保水保肥能力强，养分的持续供应能力强;水稻土次之;而紫色土的潜在性基础养分虽然较高，但土层浅薄，质地偏沙，保水保肥性能差，养分易流失，故其有机质等土壤养分含量相对较低[21-24]。

3种植烟土壤经5年连作后，均表现为过氧化氢酶、蔗糖酶活性降低，而脲酶、磷酸酶活性增强。该结果与张翼等的研究结果[25]不完全一致，原因可能有以下几点：（1）根系分泌物的残留和积累，导致土壤中微生物种群变化，从而抑制了土壤中过氧化氢酶、蔗糖酶活性[24];（2）过氧化氢酶可以催化土壤中有机物质分解，蔗糖酶是土壤腐殖质分解的重要酶类[26]，由于供试烟田在每季试验结束后，土壤中烟株残体得到了及时清除，从而导致土壤中过氧化氢酶、蔗糖酶活性降低。同时，红壤轮作和连作处理的脲酶活性以10倍数量级明显高于紫色土、水稻土的相应处理。土壤脲酶作为判断土壤氮素营养的一个指标，其活性能反映土壤有机氮、全氮和有效氮含量及其转化情况[27]。在本试验中，红壤的全氮、碱解氮含量高于其余2种植烟土壤。总体而言，在3种土壤中，酶活性最强的依然为红壤，其次是水稻土，紫色土最低，这可能是由于土壤酶活性与土壤黏粒含量呈正相关[21]，即土壤质地越黏重，其土壤酶活性越强，可能还与红壤施用了农家肥有关，有机肥能明显提高土壤酶活性。

前人研究发现，土壤的化学性状与酶活性间存在密切的相互作用[12-13，28-29]。本试验利用逐步回归模型，在相关性分析的前提下，确定理化性状与酶活性间具有一定相关性，再分别以理化性状和酶活性为因变量，剔除相应的无关变量后，进一步得出土壤化学性状与酶活性间的相互影响关系。结果表明，土壤酶活性对土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷含量均有一定影响，其中过氧化氢酶、脲酶活性是主要的影响因素。同时，部分土壤化学性状指标对4种酶活性均有不同程度的影响，过氧化氢酶活性主要受碱解氮、有机质、全磷含量的影响;蔗糖酶活性主要受有机质含量和pH值的影响;脲酶活性主要受有机质、碱解氮和全氮含量的影响;磷酸酶活性主要受有效磷和全钾含量的影响。一方面，酶活性的改变影响了土壤中各种生物化学过程的强度和方向，导致土壤养分的转化发生变化;另一方面，土壤养分的变化甚至失衡改变了土壤酶的底物组成，必然对酶活性造成直接或间接影响，这与白羽祥等的研究结果[2]不完全一致，主要原因可能是本研究用于建立回归方程的数据不充分，仅有轮作、连作5年的数据，难以全面地反映土壤理化性质与酶活性之间的关系。

综合化学性状和酶活性指标来看，与轮作相比，3种植烟连作土壤以紫色土的各项指标变化幅度最小，这应该与紫色土的化学成分具有较强的化学稳定性，并且能不断得到母质盐基物质的补充[30]密切相关。

4 结论

连作5年导致不同类型植烟土壤的化学性状和酶活性发生明显改变，但紫色土呈现出的变化幅度要小于水稻土、红壤，对连作的响应相对最低。土壤理化性状与酶活性间存在显著的相关性，两者之间相互影响。

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