长期不同施肥方式对植烟土壤性状与烤烟产质量的影响

张 恒, 曹廷茂, 朱经伟, 刘艳霞, 杨 琼, 李 寒

(1.贵州省烟草科学研究院, 贵州 贵阳 550081; 2.贵州省烟草公司 毕节市公司, 贵州 毕节 551701)

0 引言

【研究意义】烤烟是我国重要的经济作物,随着社会经济发展,环保意识不断提高,生态友好型优质烤烟生产成为学者的关注焦点[1-2]。烤烟生产中为保证烟叶产量与质量,长期大量投入氮、磷、钾肥,据测算,贵州省当季烤烟N、P2O5和K2O的投入量分别达105 kg/hm2、75 kg/hm2和280 kg/hm2,而其当季利用率仅约30%、10%和20%。如何在保证作物产量与质量的同时实现化肥合理施用、提高化肥利用率、提高土壤生产力和可持续利用力,同时促进人与自然和谐发展成为土壤学的研究热点[3]。因此,探索不同施肥方式下土壤性质演变规律对开展化肥减量研究可起到有效支撑作用。【前人研究进展】随着我国化学工业的快速发展,农业生产中重化肥轻有机肥的生产现状日趋严重,ISLAM等[4-5]研究表明,长期过量施用无机态化肥会导致土壤质量下降,生产力变弱;1883—1991年洛桑试验站Geescroft Wilderness的表土pH由6.2降低至3.8;1876—1991年Park Grass的表土pH由5.2降低至4.2,因土壤酸化致使小麦产量降低。刘艳霞等[6]研究发现,连续施用不同种类化肥对土壤微生物群落产生不利影响,其中,复合肥对土壤的冲击作用大于单质肥料。窦森等[7-8]研究表明,短期施用化肥对土壤酶活性及土壤团聚体的影响较小,长期施用化肥则会降低土壤酶活性及影响大团聚体形成。【研究切入点】长期定位施肥试验是采取既“长期”又“定位”的特殊方式,定向形成具有时间长期性、气候重复性、地理定位性、历史代表性等优点的农田生态系统,是发现重大科学问题、开展重要科学研究的关键性平台[9-10]。该方法具有信息量丰富、准确可靠、解释能力强等特点,可为农业生产发展提供参考[11]。因此,有必要开展长期定位试验,研究不同施肥方式对土壤化学养分、物理性状、生物性状及烤烟产质量的影响。【拟解决的关键问题】采用烤烟-玉米轮作方式,探究长期不同施肥方式对贵州典型植烟土壤理化性状、微生物生态多样性以及烤烟产量和感官质量的影响,以期为推动植烟土壤保育工作提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2008—2022年在贵州省开阳县龙岗镇贵州省烟草科学研究院综合实验基地(26.88°N、107.10°E)进行,海拔1 113 m,年均气温10.6～15.3 ℃,年日照时数1 148.3 h,年降水量1 129.5 mm,年平均相对湿度77%,属亚热带湿润温和型气候。试验地为长期基本农田,于2007年冬进行初步土地平整并完成相应基础设施建设,土壤属黄壤黄泥土,pH 6.9,有机质55.4 g/kg,全氮2.4 g/kg,全磷1.2 g/kg,全钾18.1 g/kg,碱解氮146.1 mg/kg,有效磷20.9 mg/kg,速效钾185.5 mg/kg,在贵州省植烟区中具有典型性和代表性。

1.2 试验材料

1.2.1 烤烟 供试烤烟品种为K326,由贵州省烟草科学研究院良种繁育中心提供。

1.2.2 玉米 供试玉米品种为当地主栽品种黔单1号,购自农资商店。

1.2.3 肥料 硝酸铵(N 35%)、过磷酸钙(P2O516%)、硫酸钾(K2O 50%)购自贵州科泰金福肥业有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 试验为长期定位监测试验,选取4个处理(表1),分别为不施肥(CK)、施氮磷肥(NP)、施氮钾肥(NK)和施氮磷钾肥(NPK),每处理2次重复,共8个小区,依次排列,每小区周边用水泥板隔离,避免小区间养分干扰,小区面积144 m2,每小区独自进行烤烟-玉米轮作,烤烟和玉米种植密度分别为16 500株/hm2和45 000株/hm2,田间管理均与当地优质烤烟和玉米栽培管理措施一致。基肥和追肥均采用定量穴施,烤烟季各处理氮肥和钾肥的基追比均为3∶2,磷肥作基肥一次性施用;玉米季各处理氮肥基追比为2∶3∶5,磷肥和钾肥均作基肥一次性施用。

表1 长期不同施肥方式对植烟土壤性状与烤烟产质量的影响试验设计方案

1.3.2 指标测定

1) 土壤理化性状测定。烤烟、玉米采收后,按多点取样原则每处理采集0～20 cm垄体表土混合样500 g,用“四分法”将土壤样品分为4份,随机取其中1份土壤样品经风干、磨碎,过0.15 mm和1.00 mm筛后测定土壤pH、有机碳、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷及速效钾含量[12];土壤容重和土壤孔隙度均采用环刀法测定[13]。

2) 土壤微生物生态多样性测定。每处理选取代表性烤烟3株,在烟株根部垄体中采集移栽后60 d的根际土壤用Biolog EcoPlate系统(Biolog Inc. Hayward Cal.USA)测定土壤微生物生态多样性指数[14]。

3) 烤烟产量和感官质量测定。烤烟成熟期按小区成熟采收,烘烤结束后统计产量;每处理分别取C3F叶(叶位8～11片)1～2 kg进行感官评吸质量检测,参照《烟草及烟草制品 感官评价方法》(YC/T 138—1998)对香气质(10分)、香气量(10分)、吃味(12分)、杂气(10分)和刺激性(10分)等指标进行感官评价,评价后统计总分。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2013和SASS 9.1对试验数据进行统计分析与绘图。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥方式植烟土壤的全量养分含量

由图1可知,长期不同施肥方式下土壤的全量养分含量变化存在差异。有机质:各处理土壤有机质含量随种植年限增加呈明显下降趋势,CK、NP、NK、NPK处理分别平均下降24.19 g/kg、15.41 g/kg、14.94 g/kg、14.38 g/kg,降幅分别为44.27%、32.15%、28.80%、26.56%,年平均下降速率为1.61 g/kg、1.03 g/kg、1.00 g/kg、0.96 g/kg。可见,在未补充有机物料的情况下进行烤烟-玉米轮作,土壤有机质含量逐年递减,下降程度以CK最高,其次是NP和NK处理,NPK处理最低。全氮:在不施肥情况下(CK),土壤全氮含量随种植年限增加呈下降趋势,降幅达24.09%;施入氮肥后,NP、NK、NPK处理土壤全氮含量随种植年限增加呈增加趋势,增幅分别为8.44%、2.30%、5.88%,以NP处理最大,NK处理最小。全磷:不施磷肥情况下,CK、NK处理土壤全磷含量随种植年限增加呈逐渐下降趋势,降幅分别为26.88%、26.02%;施入磷肥后,NP、NPK处理土壤全磷含量随种植年限增加呈逐渐增加趋势,增幅分别为25.28%、17.85%,以NP处理最大。全钾:不施钾肥情况下,CK、NP处理土壤全钾含量随种植年限增加呈逐渐下降趋势,降幅分别为12.67%、9.16%;施入钾肥后,NK、NPK处理土壤全钾含量随种植年限增加呈逐渐增加趋势,增幅分别为6.24%、8.08%,以NPK处理最大。表明,在不施氮磷钾肥情况下,植物生长会消耗土壤中的氮磷钾,使得土壤全量养分含量下降,增施氮磷钾肥后,其养分逐渐在土壤中累积转化,使得土壤潜在的供肥能力提高,从而促进烤烟和玉米生长。

图1 长期不同施肥方式植烟土壤的全量养分含量

2.2 长期不同施肥方式植烟土壤的速效养分含量

由图2可知,长期不同施肥方式下土壤速效养分含量变化存在差异。碱解氮:在不施肥情况下(CK),土壤碱解氮含量逐年递减,平均下降33.80%;在施入氮肥后,NP、NK、NPK处理碱解氮含量呈先降后增趋势,拐点出现在2012年,2022年其含量较2008年分别下降18.45%、14.02%、9.51%,较2012年分别增加36.87%、22.15%、29.91%。速效磷:在不施磷肥情况下,CK、NK处理速效磷含量呈降低趋势,平均下降22.95%、13.76%,年平均降幅为1.53%、0.92%;施入磷肥后,NP、NPK处理速效磷含量呈迅速增加并趋于稳定趋势,2008—2017年为迅速积累期,年平均增幅达22.51%、27.89%,2017—2022年其含量基本维持在45 mg/kg。速效钾:在不施入钾肥情况下,CK、NP处理速效钾含量呈迅速下降并趋于稳定趋势,2008—2013年为迅速下降期,平均下降60.43%、40.74%,年平均降幅为10.30%、10.11%,2014—2022年其含量基本稳定在73 mg/kg;施入钾肥后,NK、NPK处理速效钾含量呈逐渐增加趋势,平均增加29.15%、31.41%。表明,在不施氮磷钾肥情况下,植物生长会消耗土壤中的氮磷钾,使得土壤速效养分含量下降,以氮、钾养分消耗较快,磷养分消耗较慢,增施氮磷钾肥后,其养分逐渐在土壤中累积转化,使得土壤速效养分含量增加,有利于提高当季的养分供给能力,促进烤烟和玉米生长。

图2 长期不同施肥方式植烟土壤的速效养分含量

2.3 长期不同施肥方式植烟土壤的酸碱度

由图3看出,长期不同施肥方式土壤pH的变化不同,在不施肥情况下(CK)土壤pH变化不明显,年间变异系数仅为1.52%;施入肥料后,NP、NK、NPK处理土壤pH随种植年限增加呈逐渐下降趋势,降幅分别为6.19%、5.20%、6.41%。表明,不施化肥土壤pH在短期内变化不大,施入化肥后,土壤pH下降,出现酸化现象,酸化程度依次为NPK处理>NP处理>NK处理。

图3 长期不同施肥方式植烟土壤的pH

2.4 长期不同施肥方式植烟土壤的物理性状及微生物多样性

从表2看出,长期不同施肥方式植烟土壤的容重、孔隙度及微生物多样性变化存在差异。各施肥处理土壤容重随种植年限增加均呈下降趋势,孔隙度均呈增加趋势。种植15年后,NP、NK和NPK处理土壤容重均显著高于CK,依次为NPK(1.22 g/cm3)>NK(1.16 g/cm3)>NP(1.14 g/cm3)>CK(1.12 g/cm3);土壤孔隙度为CK(57.74%)>NP(57.06%)>NK(56.14%)>NPK(53.82%),其中,NPK处理显著低于其他处理,CK、NP、NK处理间差异不显著。说明,从时间尺度看,长期轮作可改善土壤物理结构,而长期施用氮磷钾肥会导致土壤容重增加,孔隙度下降,从而使土壤物理结构变差。同一施肥方式下,各处理土壤微生物多样性指数随种植年限增加变化均不明显;不同施肥方式下,土壤微生物多样性指数均表现为CK和NPK处理显著高于NP和NK处理,表明,土壤长期不施肥或施氮磷钾肥下进行烤烟-玉米轮作不会对土壤微生物多样性造成影响,而缺磷或缺钾施肥情况下会导致土壤微生物多样性下降。

表2 长期不同施肥方式植烟土壤的容重及孔隙度与微生物多样性指数

2.5 长期不同施肥方式烤后烟叶的产量及感官质量

由图4可知,产量:不同施肥方式烟叶产量随种植年限增加均呈逐渐降低趋势,CK、NP、NK、NPK处理分别平均下降805.88 kg/hm2、488.44 kg/hm2、474.44 kg/hm2、631.88 kg/hm2,降幅分别为57.40%、24.12%、22.37%、27.44%。同一年份看,烟叶产量均表现为NPK>NK>NP>CK,与CK比,NP、NK、NPK处理烟叶产量分别平均提高44.71%、93.39%、122.06%。表明,土壤不施肥进行烤烟-玉米轮作,仅依靠土壤供给养分,难以维持作物正常生长,从而降低烤烟产量;施入肥料后,NPK处理增产最大,其次是NK处理,NP处理增产最低,因此,钾素缺失供应对烤烟产量的影响强于磷素。感官质量:不同施肥方式烟叶感官评吸总分随种植年限增加均呈逐渐降低趋势,2021年CK、NP、NK、NPK烟叶感官评吸总分较2008年分别下降3.09分、8.13分、5.90分、3.82分。从同一年份看,烟叶感官评吸总分大致表现为CK和NPK处理高于NK和NP处理,与NP处理比,NK、NPK处理各年度分别平均提高了1.30分、2.05分。表明,土壤不施肥或施氮磷钾肥状况下,烟叶感官质量随种植年限增加而降低;在缺磷或缺钾情况下烟叶感官质量降幅加剧,且钾素对烟叶感官质量的影响强于磷素。

3 讨论

土壤化学性状、物理性状和生物性状是土壤肥力的3个重要组成部分,是评价土壤质量的重要依据,其中土壤化学养分是地力形成的基础[15-16]。有机质既是植物矿质营养和有机营养的供给源,也是形成土壤结构的重要因素之一[17]。研究表明,长期不施肥或单施化肥土壤有机质含量均较试前有所降低,与徐宁等[18-21]的研究结论相似,而与高亚军等[22-23]研究结果即单施化肥可提高土壤有机质含量存在差异。表明,不同的气候条件、土壤状况、耕作制度及施肥用量等使得土壤有机质的含量变化存在差异。本试验开展过程中,每年作物收获后进行土壤深翻,加快了有机质的分解与流失,而不同施肥方式的土壤有机质含量差异与残留在土壤中的作物残茬、根茬和根系分泌物的量等不同有关。作物产量越高,其残留有机物越多,则土壤有机质含量越高。土壤全量养分反映土壤的潜在供肥能力,速效养分反映土壤的直接供肥能力,二者间存在源与库的关系[24]。研究表明,在不施肥或缺磷、缺钾施肥情况下,作物生长会消耗土壤的速效养分,导致其含量下降,与邱多生等[25]的研究结果一致;施入化肥后,在植物有限的携出量下,随着种植年限增加,化肥中速效养分逐渐在土壤累积,从而提高土壤全量养分和速效养分含量,与邹湘等[26-27]的研究结果一致;从养分积累程度看,磷>钾>氮,主要与营养元素在土壤中的损失率不同有关。长期单施化肥会导致土壤酸化[28-30]。研究结果显示,不施肥处理土壤pH变化不大,施入氮磷钾肥后,土壤pH随种植年限增加呈逐渐下降趋势,表明长期施用化肥是导致土壤酸化的重要因素。

不同施肥方式和土壤管理方式可对土壤容重和孔隙度产生影响,龚伟等[31]研究认为,长期单施化肥,其带入土壤中的盐离子使得土壤大团聚体分散,团粒结构遭受破坏,进而导致土壤容重增加,土壤颗粒间空间减少,孔隙度下降。研究表明,不同施肥方式下,土壤容重随种植年限增加均下降,孔隙度增加,原因可能与烤烟栽培中实行高垄深栽,且每年收获后、种植前进行土地深翻、旋耕等农事操作有关。表明,在长期单施化肥情况下,合理的土壤管理方式是保持土壤耕层结构的有效措施。长期不同的施肥方式会驯化土壤中的微生物群落,导致微生物群落多样性产生差异[32],在养分平衡供应情况下,可满足土壤各类微生物的生长需求。因此,长期不施肥或施氮磷钾肥对土壤微生物多样性影响不大,而土壤长期缺磷、缺钾施肥,土壤磷钾养分供应失衡,使得喜磷、喜钾的微生物因养分供应不足而逐渐减少,从而导致土壤微生物种类减少,多样性下降。

从营养角度看,烟叶产质量的形成不仅源于足量的养分供应,同时源于养分投入的平衡[33]。不施肥种植烤烟,土壤养分供应不足,导致烟叶产质量下降;而长期缺磷、缺钾种植烤烟,烟株养分供给平衡被打破,也会导致烟叶产质量下降,且缺钾对烟叶产质量的影响大于缺磷。研究表明,不同施肥方式烟叶产量随种植年限增加均呈逐渐降低趋势,CK、NP、NK、NPK处理平均降幅分别为57.40%、24.12%、22.37%、27.44%;从同一年份看,烟叶产量均表现为NPK>NK>NP>CK,烟叶感官评吸总分大致表现为CK和NPK处理高于NK和NP处理,与NP处理比,NK和NPK处理各年度平均提高1.30分和2.05分。表明,土壤不施肥或施氮磷钾肥状况下,烟叶产质量随种植年限增加而降低;在缺磷或缺钾情况下烟叶产质量降幅加剧,且钾素对其的影响强于磷素。由于不同养分在土壤中的累积情况不同,长期全营养施肥,同样会造成土壤中速效养分的比例失衡,从而导致烟叶产质量下降。另外,长期施用化肥虽对土壤微生物多样性影响不明显,但其对微生物丰富度的影响是否会导致烟叶产质量下降需要进一步研究。

4 结论

综合分析长期定位施肥试验不同施肥方式对土壤化学性状、物理性状、生物性状及烟叶产质量的影响认为,长期施用化肥对土壤氮、磷、钾养分累积起主导作用,但对土壤有机质、酸碱度及烟叶产质量均产生不利影响,且钾素对烟叶产质量的影响强于磷素。因此,在烤烟生产中为提高烤烟产量、改善品质以及保育植烟土壤,建议在减少化肥施用量基础上,合理配施有机肥进行烟叶生产。