施用改良劑對山地土壤pH和烤煙生長及產(chǎn)質(zhì)量的效應

鄧小華 向清慧 劉勇軍 田 峰 彭德元 王振華 彭曙光 張龍輝

(1湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,湖南 長沙 410128；2中國煙草中南農(nóng)業(yè)試驗站,湖南 長沙 410128；3湖南省煙草公司湘西州公司,湖南 吉首 416000；4湖南省煙草公司張家界市公司,湖南 張家界 427000)

土壤是優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的基礎(chǔ),優(yōu)質(zhì)烤煙需種植在pH 值5.5～7.0 的土壤上[1-2]。但日趨嚴重的土壤酸化影響烤煙生長發(fā)育及烤煙品質(zhì),已成為制約烤煙生產(chǎn)的障礙之一[3-7]。相關(guān)研究表明,石灰是煙區(qū)酸性土壤改良的有效技術(shù)措施[8-10]；邢世和等[11]采用“石灰＋菌棒＋常規(guī)化肥”組合改良酸性土壤取得了良好效果；李玉輝等[12]研究認為石灰與綠肥協(xié)同更有利于酸化土壤的修復。曾廷廷等[13]整合分析認為在常見土壤酸性范圍(pH 值4.5～5.5),石灰用量以3 000～6 000 kg·hm-2最佳,作物增產(chǎn)率達55%～173%；胡敏等[14]認為酸性土壤(pH 值3.9)最佳生石灰施用量為1.8 g·kg-1,可顯著促進大麥幼苗生長。劉圣高等[15]認為抗重茬劑以起壟時施用效果最好,能有效促進烤煙生長,顯著提高經(jīng)濟效益,且煙葉感官質(zhì)量最好。對于強酸性(pH 值4.5～5.5)土壤中,土壤改良劑種類的選擇、施用時間以及施用量的研究鮮有報道[16]。鑒于此,本研究針對強酸性山地植煙土壤的特點,研究改良劑種類、施用時間、施用量及其互作對植煙土壤pH和烤煙生長與產(chǎn)質(zhì)量的影響,以期為山地酸性土壤改良提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗于2018年在湖南省湘西州花垣縣(28°31′35″N,109°27′4″E)進行。該地平均海拔530.0 m,年平均氣溫15.0℃,年降雨量1 363.8 mm,無霜期279.0 d,全年日照時數(shù)1 219.2 h,屬亞熱帶季風山地濕潤氣候區(qū)。供試土壤類型為黃紅壤,土壤容重1.54 g·cm-3,土壤pH 值5.12,土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為17.24、133.70、14.35、122.68 mg·kg-1。烤煙品種為云煙87；熟石灰為當?shù)厥惺?；酸性土壤調(diào)理劑為湖南泰谷生態(tài)工程有限公司生產(chǎn)(CaO≥30%、SiO2≥3.5%、有機質(zhì)≥5.0%)。

1.2 試驗設計

試驗設3 個試驗因子,即改良劑種類(A)、施用時間(B)和施用量(C)。每個因子設2 個水平,改良劑種類為石灰(A1)和酸性土壤調(diào)理劑(A2)；改良劑施用時間為移栽前10 d(B1),撒施后整地起壟和移栽后40 d(B2),在揭膜后撒施在壟上并培土。改良劑施用量為低用量(C1,750 kg·hm-2)和高用量(C2,1 500 kg·hm-2)。設置A1B1C1、A1B2C1、A1B1C2、A1B2C2、A2B1C1、A2B2C1、A2B1C2、A2B2C2 共8 個組合,另設CK(常規(guī)栽培,不施用改良劑),共9 個處理。每個處理3 次重復,共27 個小區(qū),隨機區(qū)組排列,每小區(qū)面積40.8 m2?？緹熢耘嘈芯酁?.2 m,株距0.5 m?？緹熓┑?09.5 kg·hm-2,氮磷鉀比例為m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)＝1∶1.27∶2.73。其他田間管理和生產(chǎn)措施均與湘西優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程相同。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤pH 值測定 于烤煙移栽后60 d(打頂前)、120 d(終采期),采用5 點取樣法,在兩煙株的壟中間采集0～20 cm 耕層土壤,制成混合土樣。采用電位法[17]測定土壤pH 值(水土比為1∶2.5)。

1.3.2 烤煙農(nóng)藝性狀調(diào)查 每個小區(qū)選定5 株烤煙進行觀察,于移栽后60 d,按照《煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查測量方法》(YC/T 142-2010)[18]測定株高、莖圍、葉片數(shù)、最大葉長與葉寬等。最大葉面積＝葉長×葉寬×0.634 5[19]。

1.3.3 烤煙經(jīng)濟性狀考查與經(jīng)濟性狀指數(shù)構(gòu)建 每個小區(qū)單采、單烤,分級后考查煙葉經(jīng)濟性狀指標。參考文獻[20]確定上等煙比例、均價、產(chǎn)量和產(chǎn)值等4個指標的權(quán)重分別為25.45%、19.93%、32.76%、21.87%,采用灰色局勢決策中的上限效果測度(模型為rij＝uij/maxuij,uij為局勢的實際效果,maxuij為所有局勢效果的最大值)方法[19]將經(jīng)濟性狀指標轉(zhuǎn)換為0～1 的標準化數(shù)值,運用加權(quán)指數(shù)和法構(gòu)建經(jīng)濟性狀指數(shù)(economic character index,ECI)作為煙葉經(jīng)濟性狀綜合評價依據(jù),其值越大,經(jīng)濟性狀越好[20]。ECI計算公式為：

式中,Qij表示第i個樣本、第j個指標的標準化值,Wj表示第j個指標的權(quán)重。

1.3.4 煙葉物理特性檢測與物理特性指數(shù)構(gòu)建 按照《烤煙》(GB 2635-1992)[21]選取各小區(qū)的中部煙葉具有代表性的C3F 等級,測定物理特性指標。參考文獻[12,23]確定寬長比、含梗率、平衡含水率、葉片厚度、單葉重、葉質(zhì)重等物理特性評價指標的權(quán)重分別為15.63%、15.54%、18.68%、18.68%、12.52%、18.96%；采用效果測度模型[22]將烤煙物理特性指標數(shù)值轉(zhuǎn)換為0～1 的標準化數(shù)值,對寬長比采用上限效果測度模型,含梗率采用下限效果測度模型(rij＝minuij/uij,式中minuij為所有局勢效果的最小值),單葉重、葉片厚度、葉質(zhì)重、平衡含水率采用適中效果測度模型[rij＝為局勢效果指定的適中值,本例中單葉重為12 g、葉片厚度為0.12 mm、葉質(zhì)重為8 mg·cm-2、平衡含水率為15%]；運用加權(quán)指數(shù)和法構(gòu)建煙葉物理特性指數(shù)(physical properties index,PPI),作為煙葉物理特性綜合評價依據(jù),其值越大,物理性狀綜合表現(xiàn)越好[23-24]。PPI 計算公式為：

式中,Qij表示第i個樣本、第j個指標的標準化值,Wj表示第j個指標的權(quán)重。

1.3.5 煙葉化學成分檢測與可用性指數(shù)構(gòu)建 采用San＋＋間隔流動分析儀(荷蘭SKALAR)測定各小區(qū)具有代表性的C3F 等級煙葉總糖、還原糖、總氮、煙堿、氯含量,火焰光度法[17]測定煙葉鉀含量。參考文獻[24]確定總糖、還原糖、總氮、煙堿、鉀、氯的權(quán)重值分別為14.4%、15.9%、10.4%、27.8%、24.6%、6.9%；參照文獻[25]中煙葉化學成分指標的隸屬函數(shù)類型和拐點值,采用模糊數(shù)學理論中的隸屬函數(shù)將各化學成分的原始數(shù)據(jù)進行0～1 的標準化數(shù)值轉(zhuǎn)換；運用加權(quán)指數(shù)和法構(gòu)建煙葉化學成分可用性指數(shù)(chemical components usability index,CCUI),CCUI 計算公式為：

式中,Nij和Wij分別表示第i個樣本、第j個指標的標準化值和權(quán)重系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 及SPSS 20.0 等軟件進行統(tǒng)計分析。采用新復極差法進行多重比較。在多因素試驗中,一般用F值或平方和(SS)進行多變量效應強弱進行粗略比較。本研究將pEta2值當做多變量效果度量指標,能較客觀地反映變量效應強弱。當方差分析檢定為顯著性差異時,同時引入pEta2值[25-27]來比較改良劑種類、施用時間、施用量及其互作對烤煙某一經(jīng)濟性狀指標、物理特性指標、化學成分指標變異的影響。將某一指標的改良劑種類、施用時間、施用量及其互作的pEta2平均值用于評價不同指標的影響。將某類指標的pEta2平均值用于評價改良劑種類、施用時間、施用量及其互作的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用改良劑對土壤pH 值的影響

由圖1可知,在煙苗移栽后60 d,不同改良劑種類、施用時間之間的土壤pH 值差異顯著；A1 土壤pH 值顯著高于A2；B2 土壤pH 值顯著高于B1。從不同處理看,8 個施用改良劑處理的土壤pH 值在6.46～6.80 之間(屬于弱酸性土壤),較CK(土壤pH 值5.22,強酸性土壤)顯著高1.24～1.58。8 個施用改良劑處理的土壤pH 值以A1B2C2、A1B1C2、A2B2C2 相對較高。在煙苗移栽后120 d,不同改良劑種類、用量之間的土壤pH 值差異不顯著,這可能與植煙土壤緩沖特性,經(jīng)長時間自我調(diào)節(jié)酸堿度有關(guān)。B2 的土壤pH 值顯著高于B1。從不同處理看,8 個施用改良劑處理的土壤pH 值在5.59～5.74 之間,雖屬于酸性土壤,但較CK(土壤pH 值5.20,強酸性土壤)顯著高0.39～0.54。8 個施用改良劑處理的土壤pH 值以A1B2C2、A1B2C1、A2B2C2 相對較高。綜上表明,施用土壤改良劑能顯著提高土壤pH 值,以在烤煙揭膜培土時施用1 500 kg·hm-2的石灰、酸性土壤調(diào)理劑的效果相對較好。

圖1 施用改良劑對土壤pH 的影響Fig.1 Effect of amendments application on soil pH

2.2 施用改良劑對烤煙農(nóng)藝性狀的影響

改良劑對烤煙農(nóng)藝性狀效應如表1所示,改良劑施用種類、用量、種類×用量、時間×用量、種類×時間×用量均顯著影響烤煙株高；其中以種類×用量互作對株高影響最大,其次是時間×用量、用量。對煙株莖圍有顯著影響的是改良劑用量、種類×用量、時間×用量,以用量影響最大,其次是時間×用量。對煙葉最大葉面積有顯著影響的是改良劑種類、時間、種類×時間、種類×用量,以改良劑種類影響最大,其次是種類×用量、時間、種類×時間。改良劑(包括種類、施用時間、施用量及其互作)對烤煙株高影響最大,其次是最大葉面積和莖圍,對葉片數(shù)量影響較小。改良劑用量對農(nóng)藝性狀影響最大,其次是改良劑種類×用量、種類、時間×用量,而改良劑種類×施用時間×施用量三者互作的影響較小。

由表2可知,A2 的最大葉面積顯著高于A1；C1的株高、莖圍顯著高于C2(改良劑施用量為1 500 kg·hm-2)。不同處理之間的株高、莖圍、最大葉面積存在顯著差異,但葉片數(shù)差異不顯著；A1B2C1 的株高相對較高；A1B2C1、A2B2C1 的莖圍相對較粗；A2B1C2、A2B1C1 的最大葉面積相對較高?？梢?施用低劑量石灰有利于打頂前烤煙株高和莖圍的生長,施用酸性土壤調(diào)理劑有利于打頂前烤煙葉片的生長。

2.3 施用改良劑對烤煙經(jīng)濟性狀的影響

應用改良劑對烤煙經(jīng)濟性狀的效應如表3所示,改良劑施用種類、用量、種類×時間均顯著影響煙葉上等煙比例、產(chǎn)量、產(chǎn)值和ECI；其中以種類×時間互作對煙葉上等煙比例影響最大,改良劑用量對產(chǎn)量、產(chǎn)值和ECI 影響最大。對煙葉均價有顯著影響的只有改良劑種類?？赡苁怯捎诟牧紕┓N類和時間的互作影響較大,導致改良劑施用時間的影響被弱化?？梢?施用改良劑對ECI 影響最大,其次依次為產(chǎn)值、產(chǎn)量、上等煙比例、均價,而改良劑用量對經(jīng)濟性狀影響最大,其次是改良劑種類、種類×時間,而其他兩兩互作和三者互作的影響較小。

表1 改良劑應用對烤煙農(nóng)藝性狀效應的P 值和pEta2值Table 1 The pEta2and P value of amendments application on agronomic characters of flue-cured tobacco

表2 改良劑應用對烤煙農(nóng)藝性狀的影響Table 2 Effect of amendments application on agronomic characters of flue-cured tobacco

由表4可知,A1 的烤煙上等煙比例、產(chǎn)量、產(chǎn)值和ECI 均顯著高于A2；C2 的烤煙上等煙比例、產(chǎn)量、產(chǎn)值和ECI 均顯著高于C1。從不同處理看,A1B1C2、A2B2C2 的上等煙比例相對較高；A1B1C1 的均價相對較高；A1B1C2 的產(chǎn)量和產(chǎn)值相對較高。施用改良劑處理的上等煙比例較CK 高7.32～15.46 個百分點,均價、產(chǎn)量、產(chǎn)值分別較CK 高1.23%～9.80%、1.42%～33.65%、2.74%～42.67%。各處理根據(jù)ECI 大小排序為：A1B1C2 ＞A1B2C2 ＞A2B2C2 ＞A1B1C1 ＞A2B1C2 ＞A1B2C1＞A2B2C1 ＞A2B1C1 ＞CK；施用改良劑處理的ECI 較CK 高6.53%～32.31%?？梢?施用改良劑均能提高烤煙經(jīng)濟性狀；施用石灰為改良劑時,以烤煙整地時施用1 500 kg·hm-2的經(jīng)濟性狀較好；施用酸性土壤調(diào)理劑為改良劑時,以烤煙揭膜培土時施用1 500 kg·hm-2的經(jīng)濟性狀較好。

表3 改良劑應用對烤煙經(jīng)濟性狀效應的P 值和pEta2值Table 3 The pEta2and P value of amendments application on economic characters of flue-cured tobacco

表4 改良劑應用對烤煙經(jīng)濟性狀的影響Table 4 Effect of amendments application on economic characters of flue-cured tobacco

2.4 施用改良劑對煙葉物理特性的影響

改良劑應用對煙葉物理特性的效應如表5所示,改良劑施用種類、時間、用量、種類×時間×用量均顯著影響煙葉單葉重,以改良劑種類影響最大,其次是用量、種類×時間×用量；對煙葉含梗率有顯著影響的是改良劑時間、種類×時間,以改良劑施用種類×時間影響最大；對葉片厚度有顯著影響的是改良劑種類×時間；對葉質(zhì)重有顯著影響的是改良劑種類、時間、種類×時間、種類×時間×用量,以改良劑種類影響最大,其次是時間、種類×時間；對PPI 有顯著影響的是種類、時間、用量、種類×用量、種類×時間×用量,以改良劑用量影響最大,其次是種類、種類×時間×用量；改良劑施用對煙葉寬長比、平衡含水率均無顯著影響?？梢?改良劑種類、時間、用量及其互作均影響煙葉物理特性,其中以改良劑種類×時間互作影響最大；從不同物理特性評價指標看,以對單葉重影響最大,其次為對含梗率、葉質(zhì)重的影響,對寬長比、平衡含水率的影響較小。

表5 改良劑應用對煙葉物理性狀效應的P 值和pEta2值Table 5 The pEta2and P value of amendments application on physical characteristics of flue-cured tobacco

由表6可知,A1 的煙葉單葉重顯著高于A2；C2的煙葉PPI 顯著高于C1。比較不同處理物理特性指標,煙葉寬長比、平衡含水率差異不顯著；單葉重以A1B1C2 相對較高,A2B2C1 相對較低；含梗率以A2B1C2 相對較高,A2B2C2 相對較低；葉片厚度以A1B1C1 相對較高,A2B1C2 相對較低；葉質(zhì)重以A1B1C1 相對較高,A1B2C1 相對較低。各處理根據(jù)PPI 排 序 為：A1B1C2 ＞A1B2C2 ＞A2B2C2 ＞A2B1C2 ＞A1B2C1＞A2B2C1＞A2B1C1＞A1B1C1＞CK；施用改良劑處理的煙葉PPI 較CK 高0.65%～7.04%,其中,A1B1C2、A1B2C2、A2B2C2 的PPI 顯著高于CK?？梢?施用石灰為改良劑時,以烤煙整地時施用1 500 kg·hm-2的物理特性較好；施用酸性土壤調(diào)理劑為改良劑時,以烤煙揭膜培土時施用1 500 kg·hm-2的物理特性較好。

2.5 施用改良劑對煙葉化學成分的影響

改良劑應用對煙葉化學成分的效應如表7所示,改良劑施用種類、時間、用量均顯著影響煙葉總糖和還原糖含量,改良劑種類對總糖影響最大,改良劑施用時間對還原糖影響最大。改良劑種類×用量、時間×用量互作均顯著影響煙葉的煙堿含量,以改良劑種類×用量互作影響最大。改良劑施用種類、時間、用量、種類×時間均顯著影響煙葉總氮含量,以改良劑種類×時間互作影響最大。改良劑用量顯著影響煙葉氯含量。改良劑種類×時間、種類×用量、時間×用量互作均顯著影響CCUI,以改良劑種類×用量互作影響最大?？梢?改良劑種類、時間、用量及其互作均影響煙葉化學成分,其中以改良劑用量影響最大；從不同化學成分評價指標看,以對煙葉總氮含量影響最大,往后依次為對總糖、還原糖、煙堿、氯、鉀含量的影響。

由表8可知,A2 的煙葉總糖、還原糖、總氮含量相對較高；B2 的煙葉總糖、還原糖、總氮含量相對較高；與C1 相比,C2 的煙葉總糖、還原糖含量相對較高,但總氮含量相對較低。比較不同處理化學成分指標,煙葉氯含量差異不顯著；總糖和還原糖含量以CK、A2B2C2 相對較高,A1B1C2 相對較低；煙堿含量以A1B1C1、A1B2C2、A2B1C1 相對較高,CK 相對較低；總氮含量以CK 相對較高,A1B1C1 相對較低；鉀含量以A1B2C1、A2B1C1、A2B2C1 相對較高,以CK 相對較低。各處理根據(jù)煙葉CCUI 排序為：A1B1C2＞A2B1C2＞A2B2C2 ＞A1B1C1 ＞A2B2C1 ＞A1B2C1 ＞A1B2C2 ＞A2B1C1 ＞CK；施用改良劑處理的CCUI 較CK 高0.36%～13.87%；其中,A1B1C2、A2B1C2、A2B2C2、A1B1C1、A2B2C1、A1B2C1 的CCUI 顯著高于CK?？梢?施用石灰為改良劑時,以烤煙整地時施用1 500 kg·hm-2的化學成分可用性較好；施用酸性土壤調(diào)理劑為改良劑時,以烤煙整地或揭膜培土時施用1 500 kg·hm-2的化學成分可用性較好。

3 討論

胡敏等[28]發(fā)現(xiàn)在酸性土壤(pH 值3.9)上施用生石灰初期(前30 d)能夠顯著提高土壤pH 值,但這種效果會隨著培養(yǎng)時間延長逐漸降低；張瑤等[8]研究認為酸性土壤施用改良劑后,土壤pH 值先升高后降低,至移栽60 d 后逐漸趨于穩(wěn)定；所以,本研究土壤pH 值在烤煙移栽后60 d 高于120 d,在烤煙揭膜培土時施用1 500 kg·hm-2改良劑的土壤pH 值相對較高。從不同改良劑看,石灰提高強酸性土壤pH 值的效果要好于酸性土壤調(diào)理劑,這主要是因為酸性土壤調(diào)理劑中雖含有CaO,其比例一般在40%～60%之間。

表6 改良劑應用對煙葉物理性狀的影響Table 6 Effect of amendments application on physical characteristics of flue-cured tobacco

表7 改良劑應用對煙葉化學成分效應的P 值和pEta2值Table 7 The pEta2and P value of amendments application on chemical compositions of flue-cured tobacco

酸性土壤施用石灰提高了土壤pH 值,改善了土壤理化特性[8]和土壤養(yǎng)分的有效性[29-31],從而影響烤煙生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)[7,9-10]。施用高劑量石灰后,土壤pH 值在前期會急劇增加至7.0 以上[8,28],超出煙株生長適宜水平,抑制煙株組織和器官的分化[6,32],所以施用低劑量石灰(750 kg·hm-2)有利于打頂前烤煙株高和莖圍的生長。但該階段持續(xù)時間較短,至移栽后60 d 趨于穩(wěn)定至適宜水平[8,23]。土壤養(yǎng)分活性提高,對后期煙株生長和煙葉品質(zhì)的形成具有促進作用,故烤煙整地時施用高劑量石灰(1 500 kg·hm-2)(A1B1C2)后ECI、PPI、CCUI 等參數(shù)相對較好。而酸性土壤調(diào)理劑主要成分為CaO、SiO2,且含有機質(zhì),不僅用于修復酸性土壤,而且可提供作物所需的養(yǎng)分和中、微量元素,故施用酸性土壤調(diào)理劑有利于打頂前烤煙葉片的生長,若在烤煙揭膜時高劑量施用(1 500 kg·hm-2)(A2B2C2)其ECI、PPI、CCUI 相對較好。

烤煙經(jīng)濟性狀和煙葉物理特性、化學成分屬于多指標評價,以往的大田試驗較多采用單個指標逐一進行分析評價,無法對試驗處理的優(yōu)劣做出綜合判斷。本研究采用效果測度模型、隸屬函數(shù)模型等模糊評價方法對烤煙經(jīng)濟性狀和煙葉物理特性、化學成分評價指標進行歸一化處理后,運用加權(quán)指數(shù)和法獲取綜合得分(ECI、PPI、CCUI),依據(jù)綜合得分高低對不同試驗處理的綜合效果進行排序,可以更好地比較不同處理的經(jīng)濟性狀、物理特性、化學成分綜合質(zhì)量差別,有利于對不同試驗處理做出綜合評判,使復雜多指標評價問題得到簡化。

表8 改良劑應用對煙葉化學成分的影響Table 8 Effect of amendments application on chemical compositions of flue-cured tobacco

4 結(jié)論

施用酸性土壤改良劑能顯著提高土壤pH 值,烤煙移栽后60 d 可較CK 提高土壤pH 值1.24～1.58,移栽后120 d 可較CK 提高土壤pH 值0.39～0.54。施用低劑量石灰有利打頂前烤煙株高和莖圍的生長,施用酸性土壤調(diào)理劑有利于打頂前烤煙葉片的生長。施用改良劑對ECI、PPI、煙葉總氮含量影響最大；改良劑用量對烤煙經(jīng)濟性狀影響最大,改良劑種類和施用時間互作對煙葉物理性狀影響最大,改良劑用量對化學成分影響最大。在烤煙整地時施用1 500 kg·hm-2石灰綜合效果最好,其次是在烤煙揭膜培土時施用1 500 kg·hm-2酸性土壤調(diào)理劑。