连作对烤烟农艺性状、根系形态与土壤养分的影响

2022-02-15李柘锦朱文桥黄坤冀新威王成赵涛陈俊鸿叶兴奎马凌潘义宏

江苏农业科学 2022年2期

李柘锦朱文桥黄坤冀新威王成赵涛陈俊鸿叶兴奎马凌潘义宏

摘要：为明确烤烟连作障碍关键影响因子，以云南泸西轮作、连作烤烟、土壤及根系为对象，对轮作及不同连作年限烤烟农艺性状、土壤养分及根系形态进行了分析。结果表明，随着烤烟连作年限增加，土壤养分各指标总体呈降低趋势，其中4个连作处理土壤的有效磷和速效钾含量显著低于对照土壤。IFI值（土壤肥力综合指标值）也随连作年限的增加呈下降趋势。在烤烟整个生育期，轮作模式下烤烟农艺性状整体要优于连作，而连作处理之间农艺性状整体无明显变化规律。IFI与烤烟农艺性状的相关性分析发现，烤烟株高、单叶面积仅在团棵期与土壤IFI显著相关，现蕾期单叶面积与IFI中等相关。土壤养分各项指标与团棵期、现蕾期烤烟株高、单叶面积相关性分析发现，仅有有效磷、速效钾含量与烤烟株高和单叶面积的相关系数达到中等相关水平，说明速效钾、有效磷含量是影响土壤综合肥力最主要的2项指标，对烤烟正常生长影响较大。与对照相比，团棵期、成熟期不同连作处理烤烟根系形态指标较差。综上所述，有效磷、速效钾含量是影响烤烟连作障碍的关键因子，而团棵期是引起烤烟连作障碍的主要时期，应在该时期加强对连作烤烟磷、钾营养的补充，以缓解连作障碍。

关键词：烤烟;连作;轮作;土壤养分;农艺性状;根系形态

中图分类号： S572.04 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）02-0067-06

收稿日期：2021-03-23

基金项目：中国烟草总公司云南省公司科技计划（编号：2019530000241036）;云南省教育厅科学研究基金（编号：2020Y0415）。

作者简介：李柘锦（1991—），女，云南泸西人，博士，农艺师，主要从事烤烟生产技术研究。E-mail：lizhejincau@163.com。

通信作者：潘义宏，博士研究生，高级工程师，主要从事烟叶原料研究及应用。E-mail：pyh198311@126.com。

烤烟属于茄科作物，忌连作。囿于适宜植烟环境条件以及耕地面积有限性等因素，导致主要烟区存在烤烟连作现象[1]。尤其近年来，蔬菜、花卉、药材、水果等产业不断发展壮大，基础设施配套好的基本烟田逐年被挤占，烤烟连作成为较普遍的现象[2-3]。投入增加、病害加重、产量下降、品质劣化、效益下滑是烟田连作的常见问题，据统计，我国植烟连作面积占植烟总种植面积的30%～60%，产生的经济损失高达数十亿[4]，影响烟草农业的可持续发展。因此，研究并明确烤烟连作障碍关键因子，为连作障碍的克服提供依据，对提高烟农经济效益有重要意义。

引起烤烟连作障碍的因素很多，其中土壤养分结构和根系形态的恶化以及土传病害发病率上升是较为主要的因素[5]。研究发现，连作烤烟会导致土壤有机质和氮素含量降低[6]。随烤烟连作年限增加，土壤酶活性以及土壤养分指标均成降低趋势，且土壤酶活性和养分指标间存在正相关[7-8]。说明土壤养分是连作障碍表现的较为重要的因素。烤烟连作下，细根数量明显减少，不利于作物吸收养分，导致吸肥能力较差[9]，且根系鲜质量、根长度降低，根系形态受到影响，根系活力下降，影响连作烤烟的正常生长[10-11]。在此情况下，针对红河红壤典型连作烟区，如何通过研究明确引起烤烟连作障碍的关键因子，缓解或克服连作障碍，是急需解决的问题。因此，针对轮作和不同连作年限烤烟，开展连作对烤烟农艺性状、根系形态与土壤养分含量的影响及相互关系研究，筛选出连作障碍关键因子，为克服烤烟连作障碍和相关调控技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年在云南省泸西县白水镇（103.872 7°E、24.665 7°N，海拔为1 803 m）进行，不同处理试验地在同一连片地块，连作期间施肥及生产操作基本相同，植烟土壤为红壤。供试烤烟品种为云烟87，漂浮育苗，膜下小苗移栽。肥料为烟草专用复合肥（N ∶P2O5 ∶K2O=12 ∶8 ∶25），轮作地块前茬作物为玉米，玉米收获后，冬闲处理。不同连作年限处理地块烤烟于2018年收获后，冬闲处理。

1.2 试验设计

试验设置1个轮作对照和4个连作处理（表1）。每个处理3次重复，随机排列，每个小区300株烤烟。各小区烤烟统一采用烤烟膜下小苗移栽技术，统一移栽（4月18日），按105 kg/hm2纯氮施用烟草专用复合肥，复合肥养分配比为N ∶P2O5 ∶K2O= 12 ∶8 ∶25，基肥和追肥用量比例为6 ∶4，追肥时间为移栽后15 d，其他生产管理措施参照云南省红河州优质烟叶生产技术进行。

各处理植烟土壤养分含量见表1（土壤养分数据为试验地烤烟移栽前30 d土壤养分含量）。

1.3 测定内容及方法

1.3.1 土壤取样及检测方法

不同处理烤烟生长生育时期（团棵期、现蕾期、成熟期）采集土壤样品，长方形土块采取“之”字形、较为方正的地块采用对角线或棋盘形采集耕层土壤20 cm深的土样，在同一采样单元内每8～10个点的土样构成1个0.5～2.0 kg的混合土样。土壤样品经风干后，采用NY/T 1121.2—2006《土壤检测第2部分土壤pH的测定》标准测定土壤pH值;采用NY/T 1121.6—2006《土壤檢测第6部分土壤有机质的测定》标准，测定土壤有机质含量;采用LY/T 1229—1999《森林土壤水解性氮的测定》标准，测定土壤水解氮含量;采用NY/T 1121.7—2006《土壤检测第7部分酸性土壤有效磷的测定》标准，测定土壤有效磷含量;采用NY/T 889—2004《土壤速效钾和缓效钾含量的测定》标准，测定土壤速效钾含量;采用NY/T 1121.24—2012《土壤检测第24部分土壤全氮的测定自动定氮仪法》标准，测定土壤全氮含量;采用GB/T 9837—1988《土壤全磷测定法》标准，测定土壤全磷含量;采用NY/T 87—1988《土壤全钾测定法》测定土壤全钾含量。

1.3.2 评价标准及方法

参考全国第2次土壤普查养分分级标准[12]将土壤养分含量分为1～6级，分别表示指标含量很丰富、丰富、中等、缺乏、很缺乏、极缺乏。根据主成分分析法及模糊数学分别确定各项肥力指标的权重和隶属度，二者的乘积作为土壤肥力综合指标值（integrated fertility index，简称IFI），以此来评价土壤肥力[13]。

1.3.3 农艺性状调查

烟株农艺性状测量依据YC/T 142—2010《烟草农艺性状调查标准》，分别于烤烟团棵期、现蕾期和成熟期在每个试验区域内定点选取5株生长正常具有代表性的烟株进行株高、茎围、节距、叶片数、叶长、叶宽的测量，并计算叶面积系数：叶面积系数=平均叶长×平均叶宽×0.634 5。

1.3.4 连作烤烟不同生长期根系形态

将根系清洗干净，沿主根分别剪下侧根，再从侧根上剪下须根，在此过程中尽量保证根系完整。将根盘放置在根系扫描仪（Epson Perfection V700 Photo）上，根系置于根盘中，加入自来水，用玻璃棒或钝头镊子将根系分散开（保证没有根系重叠），即可盖上扫描仪盖子进行扫描。采用WinRHIZO植物根系分析仪进行根系分析。

2 结果与分析

2.1 烤烟不同生育期土壤养分

在烤烟整个生育期，随着烤烟连作年限的增加，pH值无显著变化（P>0.05）。烤烟团棵期，土壤有机质及全磷含量在T2处理显著上升之后便逐渐下降，至T5处理时达显著水平（P<0.05）;全氮含量在T2处理显著上升，从T3处理开始便显著下降（P<0.05）;而全钾含量却呈现逐渐上升的趋势，并在T4处理达显著水平（P<0.05）。在烤烟现蕾期，有机质和全氮含量呈现出相同的变化规律，均在T2处理显著上升后在T5处理显著降低（P<0.05）;全磷含量在T3处理显著上升后又显著降低;全钾含量在T2处理显著下降，又在T4处理显著上升。在烤烟成熟期，有机质、全氮含量呈上升的趋势，在T4处理时最大，但在T5处理显著下降（P<0.05）;全磷含量总体呈先升高后降低的趋势，在T2处理时显著上升，在T3处理显著降低（P<0.05）;全钾含量呈现先降低后上升的趋势，与对照相比，在T3处理时显著下降，在T4处理显著上升（P<0.05），至T5处理时达到最大，显著高于其他处理（P<0.05）;对于土壤速效养分来说，各生育期呈现出相同的规律：水解性氮含量先下降后上升，之后又继续下降，有效磷、速效钾含量从T2處理开始便显著低于轮作对照（P<0.05）。从土壤肥力综合指标值（IFI）来看，团棵期IFI逐渐下降，在T5处理时达显著水平（P<0.05），现蕾期和成熟期均在T4处理时稍有回升，但整体而言，随着烤烟连作年限的增加，土壤肥力综合指标值（IFI）呈下降趋势（表2）。

2.2 连作烤烟不同生长期农艺性状

与对照相比，在烤烟团棵期，轮作对照的各项农艺指标显著优于连作处理（P<0.05），不同连作处理均对烟株生长产生不同程度的抑制作用;现蕾期有效叶片数在各处理之间无显著差异（P>0.05），株高、节距在T3～T4处理时上升，但其他农艺性状指标仍以CK表现最优;成熟期节距在不同处理间无显著差异（P>0.05），除T2、T5处理的有效叶片数与CK无显著差异外，其他指标以CK表现最优（表3）。从田间观察来看，轮作烟田整体长势要优于连作烟田，连作对烟株单叶面积及株高影响较大。

2.3 土壤养分与农艺性状的相关分析

2.3.1 不同生育期农艺性状与IFI的相关分析

以土壤肥力综合指标值（IFI）为自变量（x），选取株高及单叶面积作为因变量（y），拟合出回归方程（表4），结果表明，在烤烟团棵期，IFI与株高及单叶面积呈显著相关关系（P<0.05），且|r|≥0.8，为高度相关;在现蕾期，二者无显著相关关系（P>0.05），但单叶面积与IFI的相关系数r为0.616，在0.3～0.8之间，呈中度相关;在成熟期时无显著相关关系（P>0.05）。

2.3.2 团棵期、现蕾期土壤养分与烤烟农艺性状的相关分析

为探究连作植烟土壤养分指标与烤烟农艺性状间关系，选取与IFI相关系数较大的团棵期株高、单叶面积及现蕾期单叶面积作为因变量，土壤的各项养分指标作为自变量，拟合出回归方程（表5、表6），结果表明，各项养分指标与单叶面积及株高无显著相关关系（P>0.05）。其中，速效钾及有效磷含量与单叶面积、株高的相关系数r分别为0.625、0.595、0.635、0.610，在0.3～0.8之间，呈中度相关;现蕾期，单叶面积与速效钾及有效磷含量的相关系数r分别为0.562、0.376，呈中度相关，且与全氮、全磷含量呈现一定程度的负相关。说明在土壤养分中，速效钾和有效磷含量是影响连作烤烟农艺性状最主要的2项指标。

2.4 不同处理不同生育期烤烟根系形态

从表7可以看出，团棵期、成熟期根系各指标在不同处理间存在显著差异（P<0.05），现蕾期处理间各指标无显著差异（P>0.05）。其中，团棵期轮作烤烟根总长、根平均直径、根总面积、根总体积显著高于其他连作处理（P<0.05）;轮作烤烟根尖计数、分叉计数、交叠计数显著低于连作处理（P<0.05）。成熟期轮作烤烟根总长、根总面积、根尖计数、分叉计数和交叠计数均显著高于其他连作处理（P<0.05），根平均直径、根总体积在轮作处理和连作处理间几乎无显著差异（P>0.05）。

3 结论与讨论

研究结果表明，随着烤烟连作年限增加，综合土壤肥力指标值（IFI）呈下降趋势，连作模式下烤烟主根短、须根少，根总体积、根尖计数、分叉计数和交叠计数等指标整体要劣于轮作，影响烤烟对水分和养分的吸收，进而导致田间烟株长势变差，农艺性状指标降低。土壤养分指标与烤烟农艺性状的相关分析结果表明，烤烟株高、单叶面积在团棵期与IFI显著相关（P<0.05），但在现蕾期、成熟期相关不显著（P>0.05）。各养分指标与株高及单叶面积虽无显著相关关系，但有效磷及速效钾含量与烤烟株高、单叶面积的相关系数达到中等相关水平，表明速效钾和有效磷含量是影响土壤综合肥力最主要的2项指标，对烤烟正常生长影响较大，同时也是引起连作障碍的重要因子。

土壤有机质含量直接影响着烟草的生长发育以及产质量[14]。在试验中，连作4年之前的处理与轮作对照相比虽有一定差异，但各处理有机质含量均处于丰富水平，至连作5年时显著降低，仅为缺乏水平，团棵期时相较于轮作下降了51.16%，降幅较大。说明在一定连作年限范围内对有机质含量影响较小，但随着年限的不断增加，有机质含量降低，影响植烟土壤营养，阻碍烟株正常生长，与苏海燕的研究结果[15]较为一致。烤烟生产中适宜的土壤有机质含量能提高土壤肥力、改善土壤的理化性质和土壤微环境[16]。因此，针对连作年限较长的植烟土壤，应通过增施有机肥或农家肥来增加有机质含量，平衡土壤养分。试验中随着烤烟连作年限增加，土壤中全氮、全磷含量先升高后降低，全鉀含量一直呈上升趋势，王蒙蒙的短期连作会导致氮素、钾素出现一定程度的积累，但随着连作年限的增加会造成氮、钾的缺失的结论[17]较为一致。王棋等认为，连作3年即可导致磷钾元素积累，连作5年达到最大[18]。在本试验中，全磷含量在连作 2～3年时出现富集现象，但随后便开始降低。就整体水平而言，各处理全氮、全磷含量均处于丰富水平，全钾含量连年上升，推测与泸西烟区为改善连作烟田土壤养分而施用大量化肥有关。相关研究认为，连作可导致土壤酸化，随着年限的增加，土壤酸度对烟株生长的抑制作用越来越强[19，20]。在本试验中，土壤pH值总体呈现出先升高后降低的趋势，但在各处理之间并未表现出明显的差异。原因可能是土壤pH值的降低是一个缓慢的过程，试验中连作年限较短，所以未表现出显著差异。

在本研究中，随着连作年限的增加，水解性氮含量总体先上升后下降，有效磷、速效钾含量在连作2年便显著降低，说明连作一定年限后会导致植烟土壤有效养分的降低，使养分含量失调，降低土壤肥力，从而表现出连作障碍。本研究相关分析表明，团棵期土壤综合肥力与烤烟农艺性状呈显著正相关，其中有效磷、速效钾含量是最主要的影响因子。现蕾期，有效磷、速效钾含量与烤烟单叶面积呈中度相关。钾是高等植物生长发育的必需营养元素之一，烟草是喜钾作物。而磷参与了植物各种代谢途径的物质转化和能量传递[21]，对烤烟的生长发育及吸食品质有着较大的关联。连作烟田有效磷、速效钾流失，移栽后的烟苗无法从植烟土壤获得充足的养分，抑制了烟株的早生快发，最终导致烤烟田间长势较弱。缪自丽等认为，在烤烟团棵期时施用解磷和解钾生物有机肥有利于促进烟苗早生快发，还苗期缩短，提高烟株长势[22]。因此，针对泸西烟区连作地块可以增施易于吸收的磷、钾营养，以缓解连作障碍。

虽然研究中连作烟田氮、磷、钾含量均处于较高水平，但从田间观察及农艺性状指标看，轮作烤烟整体要优于各连作处理烤烟，说明连作障碍受多因子影响。结合烤烟根系形态来看，团棵期轮作处理烤烟主根长、须根较多，呈锥形，连作处理主根较短，但须根根尖计数显著高于轮作，须根多，整体根系呈蓬松状;进入现蕾期各处理根系生长快，差异小，不定型;进入成熟期，轮作烤烟根系根总长、根总面积、根尖计数、分叉计数和交叠计数均优于不同连作处理。根系的空间分布、根长、根系表面积等性状，可以较好地表征根系对水分和养分的吸收与利用[23]。可见，连作对烤烟根系有影响，在团棵期及成熟期较为明显，但不同连作年限间，抑制作用未表现出明显的规律。由此可以推测，连作对烤烟根系构型产生了影响，抑制其主根和侧根的生长发育，对水分和养分的吸收受阻，导致烤烟在土壤养分充足的情况下，长势仍受到负面影响，农艺性状变差。影响根系构型的因素很多，有生物学特性、地理位置、土壤因素及人工因素等[24]。生物学特性可以认为是烤烟各个品种之间的遗传差异，一般来说影响较小，地理位置和土壤因素是不同植烟区的生态差异。施肥和栽培方式是主要的人工干扰因素[25]。相关研究认为，深耕可以增加土壤保湿能力，促进根系发育[26]。磷胁迫导致根系向地性降低，使根系变浅[24]。目前产量即效益的观念仍然存在，烟农为了谋求效益最大化滥用无机化肥，而氮素积累过多并不一定利于根系生长[27-28]。本研究中现蕾期时烤烟单叶面积与全氮含量呈现一定程度的负相关，原因便可能是连作烟田化肥施用过多，氮素过量积累影响烤烟根系生长，进而影响烤烟的地上部。

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