秸稈覆蓋對(duì)坡地紅壤養(yǎng)分流失及烤煙質(zhì)量的影響①

呂 凱，吳伯志

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，昆明 650201)

云南省是中國(guó)最大的烤煙種植產(chǎn)區(qū)，近年來(lái)烤煙種植面積約40.60×104hm2。隨著區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，“烤煙上山”問(wèn)題日益突出，由于大部分烤煙種植于坡地，且多為順坡起壟種植，降雨時(shí)極易產(chǎn)生水土流失，致使坡地土壤耕層變薄[1]，養(yǎng)分流失嚴(yán)重，土壤理化性狀變差[2]，烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)乜緹熒a(chǎn)的可持續(xù)性。

秸稈覆蓋作為一種典型的保護(hù)性耕作措施，可以有效降低雨水對(duì)表層土壤的侵蝕力，增加地表糙度和雨水入滲，抑制土壤侵蝕和養(yǎng)分流失[3-4]；同時(shí)，隨著秸稈的降解，土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀也可以得到改善，進(jìn)而增加土壤肥力水平[5-7]。適宜的土壤環(huán)境是烤煙正常生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)形成的基礎(chǔ)條件。已有研究表明，隨著土壤有機(jī)質(zhì)、氮和磷的供應(yīng)水平提高，初烤煙葉煙堿和總氮含量增加，總糖和還原糖含量降低[8-13]；土壤鉀的供應(yīng)水平上升會(huì)促進(jìn)初烤煙葉總糖、還原糖和鉀積累，降低煙堿和總氮含量[14-15]。目前，關(guān)于烤煙種植過(guò)程中秸稈覆蓋的研究報(bào)道主要集中在兩方面：一是對(duì)植煙土壤環(huán)境及烤煙經(jīng)濟(jì)性狀和質(zhì)量性狀的影響[16-17]；另一方面則是從水土保持的角度研究其對(duì)土壤侵蝕的影響[18-19]。而針對(duì)土壤養(yǎng)分流失對(duì)烤煙質(zhì)量影響的研究較少。本研究通過(guò)設(shè)置4個(gè)不同梯度的秸稈覆蓋量，采用野外徑流小區(qū)觀測(cè)的方式，分析了秸稈覆蓋對(duì)坡地紅壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀等養(yǎng)分流失及烤煙化學(xué)成分和感官質(zhì)量的影響，并進(jìn)一步探討了土壤養(yǎng)分流失量與烤煙質(zhì)量之間的關(guān)系，以期為云南烤煙可持續(xù)性生產(chǎn)提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)區(qū)位于昆明市宜良縣九鄉(xiāng)鄉(xiāng)，海拔1 905 m，年日照時(shí)數(shù)2 123 h，年均氣溫14.6 ℃，年降雨量1 064 mm。試驗(yàn)地為緩坡地，坡度7°。供試土壤類型為紅壤，其基本性狀見表1。試驗(yàn)開展時(shí)間為2015年4 月—2016 年10 月。2014 年試驗(yàn)地大春作物為玉米，收獲后清除殘茬，淺耕休閑。徑流小區(qū)于2015年4 月上旬建成，并于6 月中旬烤煙揭膜培土后開始正式監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。兩年的試驗(yàn)觀測(cè)期間各發(fā)生6 場(chǎng)降雨產(chǎn)流事件，其中2015 年和2016 年產(chǎn)流降雨量分別為356.5 mm 和217.9 mm。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本性狀Table 1 Soil basic properties in experimental area

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4 個(gè)處理，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，共計(jì)12 個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為50 m2(10 m×5 m)。小區(qū)間采用高40 cm 的塑料板隔開，并用土掩埋成田埂。徑流小區(qū)下方設(shè)置體積為1 m3(1 m×1m×1m)混凝土徑流池，內(nèi)置體積約140 L 徑流桶，并采用一根直徑為10 cm 的PVC 管連接徑流桶，用于地表徑流采集。小區(qū)沿等高線起壟8 行，每行種植8 株烤煙，共計(jì)64 株，行距1.20 m，株距0.55 m。各處理措施見表2。

表2 各處理農(nóng)藝措施Table 2 Agronomic measures of different treatments

2015—2106 年烤煙移栽時(shí)間分別為5 月1 日和5月3 日，供試烤煙品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩NK326。各處理農(nóng)家肥施用量為4 500 kg/hm2，氮(N)、磷(P2O5)和鉀(K2O)肥施用量分別為105、135 和300 kg/hm2(煙草專用復(fù)合肥、鈣鎂磷肥和硫酸鉀混合施用)?？緹熤懈嗤梁笥蔑L(fēng)干切成5 cm 左右的小麥秸稈進(jìn)行覆蓋。其余田間管理措施按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 徑流和泥沙樣品 每次產(chǎn)流后測(cè)定各小區(qū)徑流體積，并攪動(dòng)徑流2 min，分層采集1 L 徑流，加入濃硫酸調(diào)節(jié)pH＜2 后，置于冰箱內(nèi)保存用于測(cè)定徑流養(yǎng)分；另外，采集1 L 徑流，靜置后過(guò)濾泥沙，烘干測(cè)定泥沙質(zhì)量及養(yǎng)分含量。徑流中有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定，全氮含量采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，全磷含量采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定，全鉀含量采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定。泥沙中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量分別采用重鉻酸鉀容量法、凱氏定氮法、高氯酸-硫酸消解鉬銻抗比色法、火焰光度法測(cè)定。徑流養(yǎng)分流失量(kg/hm2)= 徑流養(yǎng)分含量(g/L)× 徑流體積(L)× 10/小區(qū)面積(m2)；泥沙養(yǎng)分流失量(kg/hm2)= 泥沙養(yǎng)分含量(g/kg)× 徑流含沙量(g/L)× 徑流體積(L)/[小區(qū)面積(m2)×100]。

1.3.2 初烤煙葉樣品 烤煙封頂后對(duì)葉片進(jìn)行掛牌標(biāo)記，成熟采收烘烤后，每個(gè)小區(qū)選取1 ～ 1.5 kg等級(jí)為C3F 的初烤煙葉用于化學(xué)成分測(cè)定和感官質(zhì)量評(píng)價(jià)。煙葉總糖、還原糖、煙堿、總氮、鉀和氯含量分別采用連續(xù)流動(dòng)法測(cè)定，感官質(zhì)量采用九分制評(píng)吸法[20]進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0 和Excel 2016 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中多重比較采用Duncan 法(P＜0.05)，相關(guān)分析采用Pearson 法進(jìn)行(P＜0.01)。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈覆蓋對(duì)徑流和泥沙量的影響

徑流和泥沙是土壤養(yǎng)分流失的主要載體[21]。由表3 數(shù)據(jù)可知，隨著秸稈覆蓋量增加，徑流和泥沙量均呈下降趨勢(shì)(除2015 年SM4 處理徑流)，且秸稈覆蓋處理徑流和泥沙量均顯著低于對(duì)照(P＜0.05)。這說(shuō)明秸稈覆蓋能顯著降低坡地產(chǎn)流和產(chǎn)沙量，減少土壤侵蝕。

表3 各處理徑流和泥沙量Table 3 Runoff and sediment yields under different treatments

2.2 秸稈覆蓋對(duì)土壤養(yǎng)分流失量的影響

2.2.1 泥沙養(yǎng)分流失量 通過(guò)連續(xù)2 a 的觀測(cè)，各處理泥沙有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀流失量均隨著秸稈覆蓋量的增加而減少，且對(duì)照(SM1)泥沙養(yǎng)分流失量均顯著高于其余處理(P＜0.05)，各處理泥沙養(yǎng)分流失量與泥沙流失量變化趨于一致(表4)。與CK 相比，SM2、SM3 和SM4 處理泥沙有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀流失量分別降低了53.97% ～ 82.52%、61.49% ～85.56%、44.69% ～ 83.75% 和52.52% ～ 81.79%。以上結(jié)果表明秸稈覆蓋能有效減少土壤養(yǎng)分流失，秸稈覆蓋量越高，抑制效果越好。這可能是由于秸稈覆蓋減緩了雨水對(duì)表層土壤的沖擊，減少了徑流中泥沙含量，從而降低了土壤養(yǎng)分流失，這與前人研究結(jié)果基本類似[22]。

表4 不同處理泥沙養(yǎng)分流失量Table 4 Sediment nutrients under different treatments

2.2.2 地表徑流養(yǎng)分流失量 由表5 可知，2 a 的觀測(cè)結(jié)果顯示，與CK 相比，其余3 個(gè)處理徑流有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀流失量均降低，各處理地表徑流養(yǎng)分流失量與徑流量變化趨勢(shì)類似。其中2016 年SM2、SM3 和SM4 處理徑流養(yǎng)分含量均顯著低于CK(P＜0.05)，且隨著秸稈覆蓋量的增加徑流養(yǎng)分流失量降低，而2015 年僅徑流有機(jī)質(zhì)和全磷流失量顯著低于CK(P＜0.05)。2015 年和2016 年SM2、SM3 和SM4 處理徑流有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀分別較CK降低59.94% ～ 68.24%、45.97% ～ 61.16%、59.74% ～62.63% 和47.14% ～ 54.29%。這說(shuō)明秸稈覆蓋可以降低徑流養(yǎng)分流失量而減少土壤養(yǎng)分流失，可能是因?yàn)榻斩捀采w減緩了雨水對(duì)土壤沖擊，有利于雨水入滲而減少地表徑流產(chǎn)生，進(jìn)而降低了徑流養(yǎng)分流失量。

表5 不同處理徑流養(yǎng)分流失量Table 5 Runoff nutrients under different treatments

2.2.3 養(yǎng)分流失總量 各處理土壤養(yǎng)分流失總量(泥沙養(yǎng)分流失量和地表徑流養(yǎng)分流失量)結(jié)果見表6。由表6 可知，2015—2016 年SM2、SM3 和SM4處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀流失量均顯著低于CK(P＜0.05)，分別平均降低了56.98% ～ 79.79%、54.46% ～ 77.00%、47.88% ～ 80.93% 和51.36% ～75.78%，且隨著秸稈覆蓋量的增加，各處理養(yǎng)分流失量呈下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)榻斩捀采w降低了坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙量從而降低了土壤養(yǎng)分的流失總量。

表6 不同處理土壤養(yǎng)分流失總量Table 6 Soil nutrient losses under different treatments

結(jié)合表4 和表5，2015 年和2016 年各處理泥沙養(yǎng)分累計(jì)流失量占土壤養(yǎng)分流失總量比重為：有機(jī)質(zhì)72.66%、全氮46.29%、全磷81.04% 和全鉀72.83%；而徑流養(yǎng)分流失量占比則為：有機(jī)質(zhì)27.34%、全氮53.71%、全磷18.96% 和全鉀27.17%。這說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)、磷和鉀多以泥沙形式流失為主，而泥沙和徑流則是氮素流失共同的主要形式，其原因可能是土壤中有機(jī)質(zhì)、磷和鉀大部分難溶于水，其主要隨泥沙遷移流失，而氮?jiǎng)t難溶和易溶部分較接近，致使泥沙和徑流中全氮的流失量占比相差不大。

2.3 不同處理對(duì)烤煙質(zhì)量的影響

2.3.1 化學(xué)成分 由表7 可知，根據(jù)云南中煙優(yōu)質(zhì)煙葉化學(xué)指要求[23]，以SM3 和SM4 處理初烤煙葉化學(xué)成分協(xié)調(diào)性較好。2015 年和2016 年各處理煙葉總糖和還原糖含量均以CK 最高，其含量大小表現(xiàn)為CK＞SM2＞SM3(除SM4 外)；而煙堿、總氮和鉀含量則以 CK 煙葉最低，含量大小表現(xiàn)為 CK＜SM2＜SM3(除SM4 外)；各處理煙葉氯含量均無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。當(dāng)秸稈覆蓋量在0 ～ 7 500 kg/hm2時(shí)，各處理總糖和還原糖含量均表現(xiàn)出遞減趨勢(shì)，煙堿、總氮和鉀含量呈上升趨勢(shì)；而當(dāng)秸稈量達(dá)到15 000 kg/hm2，不同年份間SM3 與SM4 處理煙葉總糖、還原糖、煙堿、總氮和鉀含量大小關(guān)系表現(xiàn)不一致，但均無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。上述結(jié)果說(shuō)明秸稈覆蓋可以有效降低煙葉總糖、還原糖含量，提高煙堿和總氮含量。

表7 不同處理煙葉化學(xué)成分Table 7 Tobacco chemical constitutions under different treatments

2.3.2 感官質(zhì)量 2015 年和2016 年各秸稈覆蓋處理在感官總分上均高于CK，其中以SM3 處理最高，但僅SM3 處理得分顯著高于CK(P＜0.05)，這與翟興等[24]研究結(jié)果類似，但在香氣質(zhì)、香氣量、雜氣、刺激性和余味等方面各處理間整體差異不大(表8)。

2.4 土壤養(yǎng)分流失量與烤煙質(zhì)量的相關(guān)性

2015 年和2016 年土壤養(yǎng)分流失量與烤煙質(zhì)量相關(guān)性分析結(jié)果見表9。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀流失量與煙葉總糖和還原糖含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)，與煙堿、總氮含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，而與鉀、氯含量及評(píng)吸總分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平。這說(shuō)明土壤養(yǎng)分流失對(duì)煙葉質(zhì)量影響較大，尤其是對(duì)烤煙碳氮化合物含量的影響。這可能是因?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分流失集中于耕作表層，而這一部分養(yǎng)分為煙株生長(zhǎng)發(fā)育的重要來(lái)源，隨著土壤養(yǎng)分流失量的增加，尤其是有機(jī)質(zhì)和氮的流失，煙株對(duì)氮素吸收能力也減弱，從而導(dǎo)致含氮化合物含量降低，而含碳化合物含量增加。

3 討論

胡小曼等[25]研究表明，小麥秸稈覆蓋能降低初烤煙葉總糖和還原糖含量，提升煙堿和總氮含量，這與本研究結(jié)果類似，而與徐天養(yǎng)等[26]研究結(jié)果存在差異。隨著秸稈覆蓋量增加，初烤煙葉總糖(除2015年SM4 處理外)和還原糖含量呈遞減趨勢(shì)，而煙堿和總氮含量則呈上升趨勢(shì)，這與鄭憲濱等[27]研究結(jié)果也存在差異，且各處理土壤養(yǎng)分流失量與總糖、還原糖、煙堿和總氮含量均達(dá)到顯著或極顯著相關(guān)。上述結(jié)果表明，在不同條件下，秸稈覆蓋對(duì)烤煙碳氮代謝影響的機(jī)制存在差異。土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平是影響烤煙碳氮代謝平衡的關(guān)鍵因素，而硝酸還原酶活性則是煙草氮素吸收和利用的限速因子。在一定氮素供應(yīng)水平范圍內(nèi)，隨著土壤供氮水平的上升，硝酸還原酶活性增加，低氮水平有利于煙草碳代謝，增加煙葉含碳化合物的積累，而高氮水平則有利于煙草氮代謝，促進(jìn)煙葉含氮化合物的合成[28]，而土壤有機(jī)質(zhì)及有效磷含量提升，也會(huì)提升土壤氮素供應(yīng)能力。

表8 不同處理煙葉感官質(zhì)量評(píng)分Table 8 Scores of tobacco smoking qualities under different treatments

表9 土壤養(yǎng)分流失量與烤煙質(zhì)量的相關(guān)性Table 9 Correlation between soil nutrient loss and tobacco quality

已有研究結(jié)果表明，秸稈覆蓋對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力的影響主要來(lái)自于土壤理化性狀、生物學(xué)性狀[29-30]，以及土壤侵蝕和養(yǎng)分流失等方面[4,31]，而土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力又是影響烤煙碳氮代謝的關(guān)鍵因素。因此，本試驗(yàn)中各處理煙葉總糖、還原糖、煙堿和總氮含量的差異原因應(yīng)該是秸稈覆蓋一方面增加了土壤水分、通透性、微生物數(shù)量和酶活性，改善了土壤微環(huán)境，提升了根系活力和硝酸還原酶活性，從而促進(jìn)對(duì)土壤養(yǎng)分吸收和利用，使烤煙氮代謝加強(qiáng)；另一方面則可能是秸稈覆蓋大幅降低了壟體表層土壤侵蝕和有機(jī)質(zhì)、氮和磷的流失，提升了土壤微生物活性及土壤酶活性[32-33]，增加了壟體土壤養(yǎng)分的供應(yīng)水平，促進(jìn)了根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和利用，增強(qiáng)了烤煙氮代謝水平，而抑制了碳代謝。

3 個(gè)秸稈覆蓋處理土壤養(yǎng)分流失量均顯著低于對(duì)照(P＜0.05)，以SM4 處理抑制養(yǎng)分流失效果最好，其次為SM3 處理，但SM4 處理僅在2016 年顯著低于SM3 處理，而2015 年與之相比則未達(dá)到顯著差異水平(P＞0.05)。此外，秸稈覆蓋處理煙葉化學(xué)成分協(xié)調(diào)性和感官質(zhì)量總分均優(yōu)于對(duì)照，其中以SM3 處理煙葉綜合質(zhì)量最佳；隨著秸稈覆蓋量增加，煙葉感官質(zhì)量總分呈先增加后降低趨勢(shì)，這說(shuō)明當(dāng)秸稈量達(dá)到15 000 kg/hm2時(shí)會(huì)降低煙葉感官質(zhì)量。因此，以7 500 kg/hm2(SM3)小麥秸稈覆蓋量的綜合效益較好，可以應(yīng)用于紅壤坡地烤煙生產(chǎn)。

本研究通過(guò)野外徑流小區(qū)觀測(cè)，探討了秸稈覆蓋對(duì)坡地紅壤養(yǎng)分流失及烤煙質(zhì)量的影響，提出了有利于坡地烤煙生產(chǎn)的秸稈覆蓋措施，但是不同養(yǎng)分形態(tài)對(duì)煙葉質(zhì)量的影響也存在差異[34-36]，因此不同養(yǎng)分形態(tài)流失量對(duì)煙葉質(zhì)量的影響仍需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1)秸稈覆蓋可以有效降低土壤養(yǎng)分流失量，其中土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀流失量分別較對(duì)照降低了56.98% ～ 79.79%、54.46% ～ 77.00%、47.88% ～80.93% 和51.36% ～ 75.78%。此外，土壤不同養(yǎng)分流失的載體存在差異，其中土壤有機(jī)質(zhì)、磷和鉀多以泥沙形式流失為主，而氮素則以泥沙和地表徑流共同流失為主。

2)秸稈覆蓋降低了煙葉總糖和還原糖含量，提升了煙葉煙堿、總氮、鉀含量和感官質(zhì)量，促進(jìn)了煙葉質(zhì)量的提升。

3)綜合分析認(rèn)為，以7 500 kg/hm2小麥秸稈量覆蓋措施綜合效益較好，可以應(yīng)用于紅壤坡地烤煙生產(chǎn)，同時(shí)為云南烤煙生產(chǎn)的可持續(xù)性發(fā)展提供一定參考。