皖南地區(qū)不同烤煙種植模式的土壤環(huán)境及經(jīng)濟效益分析①

張繼光，姚忠達，張忠鋒，孔凡玉，劉新民，劉瀟瀟，朱啟法，朱 佩，薛 琳，郭 建，汪季濤*（ 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東青島 660； 安徽中煙工業(yè)有限責任公司，合肥 0088； 安徽皖南煙葉有限責任公司，安徽宣城 4000）

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皖南地區(qū)不同烤煙種植模式的土壤環(huán)境及經(jīng)濟效益分析①

張繼光1，姚忠達2，張忠鋒1，孔凡玉1，劉新民1，劉瀟瀟1，朱啟法3，朱 佩1，薛 琳3，郭 建3，汪季濤2*
（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東青島 266101；2 安徽中煙工業(yè)有限責任公司，合肥 230088；3 安徽皖南煙葉有限責任公司，安徽宣城 242000）

摘 要：通過實地調(diào)研和取樣分析研究了皖南地區(qū)5種典型烤煙種植模式下耕層土壤環(huán)境質(zhì)量及經(jīng)濟效益狀況。結(jié)果表明：水旱輪作及不同作物的養(yǎng)分投入與吸收量不同造成了養(yǎng)分指標間的差異，其中 T2（烤煙-玉米復(fù)種連作）模式下的土壤有機質(zhì)及堿解氮含量最低。除Pb外，As、Cd、Cr和Hg 4種重金屬在不同種植模式的耕層土壤中含量不同，但均符合國家食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量要求。此外，T1（烤煙-水稻復(fù)種連作）及T4（烤煙-水稻→小麥-水稻→烤煙輪作）模式中二氯喹啉酸殘留量相對較高（0.05 mg/kg）。在不同種植模式的總投入中，T1模式投入最高，其租地、肥料、烘烤及雇工4項投入占總投入的79.3%。T1及T2模式均屬“高投入高產(chǎn)出”類型，缺乏可持續(xù)性；T4及T5（烤煙-水稻→油菜-水稻→烤煙輪作）模式，屬“低投入高產(chǎn)出”類型，具有較高的可持續(xù)生產(chǎn)能力。T3（烤煙-空閑單季連作）模式復(fù)種指數(shù)最低，需提高生態(tài)資源利用率。從土壤環(huán)境及經(jīng)濟效益方面綜合考慮，T4的烤煙-水稻→小麥-水稻→烤煙輪作模式是皖南地區(qū)的較佳烤煙種植模式，可進一步推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：烤煙；種植模式；重金屬；二氯喹啉酸；產(chǎn)投比

煙稻水旱復(fù)種是我國南方煙區(qū)一種典型的種植模式，在減輕兩種作物的病蟲草害，提高土壤肥力，促進煙糧豐收等方面具有巨大優(yōu)越性［1］。但隨著連作年限增加，連作障礙問題已成為制約南方稻區(qū)煙農(nóng)增收和煙葉品質(zhì)提升的主要因素［2］。有研究表明，長期的煙稻復(fù)種連作，能導(dǎo)致土壤和煙葉中的中、微量元素含量呈下降趨勢，不利于烤煙良好品質(zhì)的形成［3］。而煙稻輪作與連作相比，不僅可以提高植煙土壤細菌群落的豐富度和多樣性［4］，而且在一定程度上能抑制因連作造成的土壤肥力衰退，促進土壤的可持續(xù)性利用［5］，此外，烤煙輪作可以有效減輕煙草土傳病害，特別在提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)方面得到了許多學(xué)者的一致認可［6-8］。但是不同輪作模式下煙田土壤環(huán)境變化及其經(jīng)濟效益方面的研究還少見報道，而這對于合理的煙草輪作模式建立及前后茬作物的搭配選擇非常重要，對于推動現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和煙農(nóng)的致富增收等方面具有重要指導(dǎo)意義。

皖南地區(qū)是我國“焦甜香”特色優(yōu)質(zhì)煙葉的代表性產(chǎn)區(qū)，同時作為傳統(tǒng)的雙季稻產(chǎn)區(qū)，基于當?shù)貧夂蛱卣骱筒缈跅l件，煙農(nóng)習(xí)慣在烤煙后茬種植一季晚稻［9］。從促進煙葉質(zhì)量提升及其可持續(xù)發(fā)展角度考慮，只有突破傳統(tǒng)的復(fù)種連作模式，進一步篩選和完善烤煙輪作模式為不同作物相互創(chuàng)造營養(yǎng)條件，才能保障和提升煙田環(huán)境質(zhì)量和煙農(nóng)經(jīng)濟效益。為此，本研究針對皖南地區(qū)的典型烤煙種植模式，從不同烤煙種植模式對土壤環(huán)境的影響及投入產(chǎn)出角度進行綜合分析，為皖南烤煙種植模式的合理選擇及煙區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論和實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地點位于安徽省宣州區(qū)黃渡鄉(xiāng)的“黃山”焦甜香皖南科技示范園內(nèi)（30°40′49″N， 118°46′17″E），研究區(qū)地處皖南山區(qū)余脈與長江中下游沖積平原結(jié)合部，屬低山丘陵區(qū)，亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.9℃，年平均降雨量1 294.4 mm，氣候濕潤溫和，無霜期 240 天；土壤類型為潴育性水稻土，土壤養(yǎng)分狀況為：有機質(zhì)含量27.21 g/kg，全氮1.38 g/kg，全磷0.54 g/kg，全鉀7.55 g/kg，堿解氮111.80 mg·/kg，速效磷27.35 mg/kg，有效鉀104.72 mg/kg，pH 5.63。

1.2 種植模式情況

研究區(qū)共有5種典型的烤煙種植模式，分別為：T1：烤煙-水稻復(fù)種連作；T2：烤煙-玉米復(fù)種連作；T3：烤煙-空閑單季連作；T4：烤煙-水稻→小麥-水稻→烤煙輪作；T5：烤煙-水稻→油菜-水稻→烤煙輪作。不同種植模式均按照當?shù)爻Ｒ?guī)施肥水平及管理水平進行。研究區(qū)烤煙的大田生育期為當年 3月至 7月，水稻及玉米的生長季相似，一般為當年 7月至10月份，小麥及油菜的生長季一般為當年10月至翌年5月。本研究于2011—2013年連續(xù)3年對各烤煙種植模式進行了定點跟蹤調(diào)查。

1.3 土壤取樣與分析

在2013年烤煙起壟施肥前，分別從5種不同種植模式的田塊中采集耕層（0 ～ 20 cm）土樣，土樣采集按“S”型布設(shè)采樣點，在每個種植模式田塊中取 1個混合樣，每個混合樣品由7 ～ 10個代表性小樣點組成，每種模式5個取樣重復(fù)，共計取土樣25個。土樣風(fēng)干后，分別研磨，過篩，待測。土壤化學(xué)性質(zhì)指標的測定采用常規(guī)方法［10］，其中，土壤 pH采用 pH計測定；土壤陽離子交換量（CEC）采用中性乙酸銨浸提法測定；土壤有機質(zhì)采用 K2Cr2O7-H2SO4氧化法測定；土壤全氮用半微量凱氏定氮法測定；土壤全磷用HF-HClO4消煮-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀用HF-HClO4消煮-火焰光度計法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；速效磷采用HCl-NH4F浸提-鉬銻抗比色法測定；有效鉀采用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度計法測定；As、Cr、Cd、Hg和Pb等土壤重金屬含量采用HNO3-HF-H2O2微波消解ICP-MS方法進行檢測［11］；除草劑二氯喹啉酸的殘留量采用0.05 mol/L硼砂緩沖液浸提-高效液相色譜法測定［12］。

1.4 經(jīng)濟效益分析

經(jīng)濟效益分析主要采用實地調(diào)查與取樣分析相結(jié)合的方法，調(diào)查內(nèi)容為各種種植模式的基本情況以及不同作物的肥料、農(nóng)藥、種（苗）等生產(chǎn)物資投入情況，種植管理過程所需要的雇工、機械、采收、烘烤等所花費成本，以及作物產(chǎn)量、產(chǎn)值及收入情況等農(nóng)業(yè)經(jīng)濟信息，其他生產(chǎn)物資、雇工投入及產(chǎn)出產(chǎn)品價格均以宣城地區(qū)當年的市場平均價格計算，各個種植模式的總收入根據(jù)一個周期內(nèi)各季作物產(chǎn)量和其市場平均價格來計算，其中烤煙的平均收購價格為23.00元/kg，水稻2.46元/kg，小麥2.35元/kg，玉米2.30元/kg，油菜為5.00元/kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

不同種植模式下的土壤化學(xué)性質(zhì)指標如表1所示。各烤煙種植模式下耕層土壤整體呈酸性，處于煙草生長的適宜土壤pH范圍內(nèi)，其中T2和T5處理的pH相對較高。土壤的CEC含量以T3處理為最高，其他處理相對較低且彼此間無顯著差異。5種種植模式的土壤有機質(zhì)含量較豐富，均值介于22.98 ～28.48 g/kg，其中T2處理有機質(zhì)及堿解氮含量最低，這主要是由于水田改旱田后土壤有機質(zhì)的加速分解所致。

表1 不同種植模式下的土壤化學(xué)性質(zhì)Table 1 Soil basic chemical properties in different tobacco planting patterns

土壤的全量及速效養(yǎng)分含量隨烤煙種植模式的不同而異，其中土壤全氮及堿解氮含量具有一致趨勢且均在烤煙種植的適宜范圍內(nèi)。整體上，各處理的土壤速效磷含量較豐富，速效鉀含量中等。其中 T1、T4及 T5處理土壤全鉀含量較高，但速效鉀含量較低，這可能與烤煙的后茬水稻較少施用鉀肥有關(guān)。

2.2 不同種植模式對土壤安全性的影響

5種土壤重金屬全量在不同種植模式下的含量不同（表2）。其中As和Cd含量均是T5處理最高；Cr含量T3處理最高，其他處理相對較低且無顯著差異。Hg含量以T3處理最低，僅為0.07 mg/kg，顯著低于其他處理，Pb含量在各處理間差異不大。各種植模式中土壤的5種重金屬含量均符合《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價標準（HJ/T 332-2006）》的要求［13］，其中As、Cr和Pb 3種重金屬元素均遠低于限量標準，屬于安全級別。但T5處理的Cd和Hg含量分別達到了限量標準值的66.7% 和80%，是該模式下需要重點關(guān)注的兩個重金屬元素。

表2 不同種植模式下土壤重金屬及除草劑殘留情況Table 2 Contents of soil heavy metals and herbicide quinclorac in different tobacco planting patterns

T1及T4模式土壤中的二氯喹啉酸殘留量最高為0.05 mg/kg，已經(jīng)超過對煙草生長發(fā)育產(chǎn)生抑制作用的閾值［12］（0.042 5 mg/kg），會對煙草生長發(fā)育具有致畸形作用。其次是T5處理，最低的是T2處理（0.00 mg/kg）?？梢娍緹?水稻復(fù)種連作處理及種植水稻輪作處理的二氯喹啉酸殘留量較高，這與種植水稻時二氯喹啉酸類除草劑的不合理應(yīng)用有關(guān)［14］。

2.3 不同種植模式的經(jīng)濟效益分析

2.3.1 不同種植模式的投入情況 各種植模式的投入中以T1模式的總投入最高（表3），為66 447元/hm2，T2模式次之，為64 362元/hm2，然后是T4及T5模式，但其總投入差異不大，總投入最低的是T3模式。由于種植烤煙的田間管理及烘烤加工等環(huán)節(jié)較多，造成各烤煙連作種植模式的總投入相對較高，而且其租地、肥料、雇工、烘烤及機械部分的投入均較高，其中T1模式中租地、肥料、烘烤及雇工4項投入占總投入的79.3%。

2.3.2 不同種植模式的產(chǎn)出情況 2011—2013年不同種植模式下各季作物的產(chǎn)量不同（表 4），其中2011年第一季烤煙產(chǎn)量T4模式最高為2 700 kg/hm2，其次是T5模式，T3模式最低。2012年第一季種植烤煙的3個模式中以T2產(chǎn)量相對最高為2 400 kg/hm2，T1次之，T3最低，而且第二季的水稻產(chǎn)量也受種植模式的明顯影響。從2013年不同種植模式的烤煙產(chǎn)量來看，T4模式的烤煙產(chǎn)量最高，其次是T5及T3模式，而T2及T1處理相對最低。可見，不同種植模式明顯影響不同作物特別是烤煙的產(chǎn)量，其中輪作模式的烤煙產(chǎn)量高于連作。

表3 不同種植模式的投入情況（元/hm2）Table 3 Inputs of different tobacco planting patterns

表4 不同種植模式下各季作物的產(chǎn)量（kg/hm2）Table 4 Yields of different crops in different tobacco planting patterns in 2011—2013

2.3.3 不同種植模式的產(chǎn)投比 各烤煙種植模式的投入產(chǎn)出及產(chǎn)投比情況如表5所示。總收入以T1處理最高為139 178元/hm2，T2處理次之，T3處理最低。而扣除生產(chǎn)過程中的成本因素，純收入最高的是 T1處理，為72 731元/hm2；T4處理次之，T3處理最低，為48 738元/hm2。煙稻復(fù)種連作處理的純收入較高，一方面該模式的復(fù)種指數(shù)高，另一方面種植烤煙的收益也明顯高于其他作物?？偸杖氘a(chǎn)投比及純收入產(chǎn)投比的變化趨勢一致，產(chǎn)投比最高的為 T4處理，其次是T5處理，而T1、T3及T2處理的產(chǎn)投比相對較低。

表5 不同種植模式的產(chǎn)投比Table 5 Ratios of output to input of different tobacco planting patterns

3 討論

皖南地區(qū)是以種植業(yè)為主的地區(qū)，當?shù)匚廴拘怨I(yè)企業(yè)較少，總體生態(tài)環(huán)境良好，有研究表明其灌溉水體及肥料中重金屬含量均符合相關(guān)國家或行業(yè)標準［15］。本研究中不同種植模式下土壤的As、Cd、Cr、Hg及 Pb等重金屬含量均符合國家食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量要求，煙草種植模式改變沒有對土壤重金屬安全性產(chǎn)生顯著影響。湯文光等［16］的研究結(jié)果表明，與冬閑-雙季稻相比，冬種模式有促進消減土壤部分重金屬污染的趨勢，并能一定程度改善稻米品質(zhì)和提高水稻產(chǎn)量。也有研究認為傳統(tǒng)種植模式和多樣化種植模式對土壤環(huán)境影響較小，專業(yè)化單一種植方式風(fēng)險較高，雖然單位收益好，但是長期應(yīng)用易造成重金屬元素在土壤中的積累，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性［17］。此外，由于皖南地區(qū)地處傳統(tǒng)雙季稻產(chǎn)區(qū)，水稻種植時常用防除稻田稗草的二氯喹啉酸類特效除草劑，特別當前茬作物是水稻時，后茬煙田的殘留量依然較高。而且煙區(qū)土壤偏酸性，二氯喹啉酸又是一種弱酸，極不利于二氯喹啉酸殘留的降解，要消除二氯喹啉酸除草劑的危害，一方面，在翻耕起壟時施入適量生石灰或草木灰，以調(diào)節(jié)土壤 pH，使二氯喹啉酸在土壤微堿性條件下加速降解［18］；另一方面，要篩選既有利于滅草又不影響煙葉生長的除草劑類型。同時要結(jié)合烤煙種植的可持續(xù)性，實現(xiàn)用地和養(yǎng)地相結(jié)合，投入產(chǎn)出和煙葉品質(zhì)相協(xié)同，進一步遴選和建立雙季稻區(qū)合理的烤煙種植制度。

在不同烤煙種植模式中，烤煙連作種植易導(dǎo)致煙草黑脛病、病毒病及青枯病的發(fā)生流行，嚴重影響煙葉產(chǎn)量與質(zhì)量，使得烤煙種植的風(fēng)險提高［7， 19］。與連作相比，烤煙輪作后可促進土壤中拮抗微生物活動，使青枯病等土傳病害的發(fā)病率明顯降低［20-21］。此外，輪作系統(tǒng)與連作相比其生態(tài)學(xué)特征及資源利用率的差異［22］，也是導(dǎo)致各烤煙種植模式下作物產(chǎn)量及其投入產(chǎn)出差異的重要原因。本研究中，復(fù)種連作模式的烤煙產(chǎn)量比各輪作模式的產(chǎn)量降低，這與烤煙連作后的病毒病及青枯病發(fā)病率較高，嚴重制約了烤煙的產(chǎn)量形成有關(guān)。綜合皖南地區(qū)不同烤煙種植模式的產(chǎn)投比、純收入及當?shù)貍鹘y(tǒng)種植情況，烤煙-水稻的復(fù)種連作模式作為當?shù)氐湫偷姆N植模式之一，有存在的現(xiàn)實基礎(chǔ)和經(jīng)濟優(yōu)勢，其純收入最高為72 731元/hm2，但投入也高達66 447元/hm2，產(chǎn)投比為2.09，僅比T2及T3連作模式略高。這與各輪作種植模式相比，其產(chǎn)投比明顯降低，比較效益下降，且受制于連作障礙問題難以保障烤煙生產(chǎn)的可持續(xù)性［6， 23］。因此，目前的3種烤煙復(fù)種連作模式均不是最佳種植模式。而輪作模式的T4處理其產(chǎn)投比最高，純收入也相當可觀，同時符合烤煙生產(chǎn)的輪作種植及其土壤環(huán)境質(zhì)量要求，是適合當?shù)責煵蒉r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的較佳種植模式，值得進一步推廣應(yīng)用。下一步，可在此基礎(chǔ)上深入研究不同輪作模式對煙葉質(zhì)量及其香型風(fēng)格的影響，以綜合生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟收益及煙葉質(zhì)量等各方面的情況，確立皖南地區(qū)最優(yōu)的種植模式。

4 結(jié)論

1） 不同種植模式下土壤理化性質(zhì)差異與水旱輪作及不同作物的養(yǎng)分投入與產(chǎn)出有關(guān)，其中T2處理的土壤有機質(zhì)及堿解氮含量最低。除Pb外，As、Cd、Cr和Hg 4種重金屬在不同種植模式的耕層土壤中含量不同，但均符合我國食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量要求。

2） 烤煙-水稻復(fù)種連作模式及前茬種植水稻的煙田土壤中二氯喹啉酸殘留量較高，這與水稻種植季二氯喹啉酸類除草劑的普遍應(yīng)用有關(guān)，可以通過調(diào)節(jié)土壤pH、調(diào)整種植模式及選擇替代性除草劑來解決。

3） 根據(jù) 5種烤煙種植模式的產(chǎn)投比及其土壤環(huán)境狀況的綜合分析，皖南地區(qū)植煙區(qū)較佳的烤煙種植模式為：烤煙-水稻→小麥-水稻→烤煙隔年輪作模式，后續(xù)可進一步推廣應(yīng)用。

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中圖分類號：S572.047；S34

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.03.021

基金項目：①國家自然科學(xué)基金項目（41201291）、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項目（ASTIP-TRIC06）和安徽中煙工業(yè)有限責任公司科技項目（2013129， 2013130）資助。

* 通訊作者（22877515@qq.com）

作者簡介：張繼光（1980—），男，山東濰坊人，博士，副研究員，主要從事煙田土壤改良及其質(zhì)量安全相關(guān)研究工作。E-mail: jiguang8002@163.com

Effects of Different Tobacco Planting Patterns on Soil Environment and Economic Benefits in South Anhui Province

ZHANG Jiguang1， YAO Zhongda2， ZHANG Zhongfeng1， KONG Fanyu1， LIU Xinmin1，

LIU Xiaoxiao1， ZHU Qifa3， ZHU Pei1， XUE Lin3， GUO Jian3， WANG Jitao2*
（1 Tobacco Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences， Qingdao， Shandong 266101， China； 2 China Tobacco Anhui Industrial Co.， Ltd.， Hefei 230088， China； 3 Anhui Wannan Tobacco Leaf Co.Ltd， Xuancheng， Anhui 242000， China）

Abstract:The proper tobacco planting pattern is very important to the sustainable development of tobacco agriculture.This study investigated soil nutrient properties， soil environmental quality and the economic benefits of 5 different tobacco planting patterns in tobacco fields of south Anhui Province by using the methods of questionnaire and sampling analysis.The results showed that the paddy-upland rotation and the variations between inputs and outputs of difference crops caused the differences in soil nutrients， the soil organic matter and alkali-hydrolyzable nitrogen in T2 （tobacco-maize→tobacco-maize）treatment were significantly lower than those in other treatments.The contents of total As， Cd， Cr and Hg in tillage soil were different in different tobacco planting patterns except for the total Pb， but they all meet the criterion of farmland environmental quality evaluation standards for edible agricultural products.The values of herbicide quinclorac content in T1 （tobacco-rice→tobacco-rice） and T4 （tobacco-rice→wheat-rice→tobacco） treatments were higher （0.05 mg/kg） among all planting patterns.Moreover， T1 treatment had the highest input among all the treatments.And the costs of renting land， fertilizing， baking and employee accounted for 79.3% of the total input.T1 and T2 both belonged to the “high input and high output” type， which would lead to an unsustainable status.T4 and T5 （tobacco-rice→rape-rice→tobacco） with higher ratios of output to input both belonged to the “l(fā)ow input and high output” type， which had higher tobacco sustainable production capacity.However， T3 （tobaccofallow→tobacco-fallow） had the lowest multiple-crop index and easily led to ecological resources to be wasted.All in all， T4 was the optimal cropping pattern and should be adapted to a large area in South Anhui Province according to its economic benefit and soil ecological environmental suitability.

Key words:Flue-cured tobacco； Planting pattern； Heavy metal； Quinclorac； Ratio of output to input