長(zhǎng)期連作下石灰性紫色土植煙土壤養(yǎng)分與酶活性變化

劉勇成，俞世康，李富程，顧會(huì)戰(zhàn)，駱國(guó)輝，何佶弦

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.四川省煙草公司廣元市公司，四川 廣元 628000）

【研究意義】烤煙屬忌連作作物［1］，由于耕地面積有限、輪作倒茬困難和比較利益驅(qū)動(dòng)等因素導(dǎo)致連作現(xiàn)象較為普遍［2］。連作引起烤煙生長(zhǎng)和發(fā)育不良，病蟲(chóng)害加重，進(jìn)而影響烤煙的產(chǎn)質(zhì)量，解決烤煙連作障礙是煙草行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵［3-5］?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前許多研究表明，烤煙連作導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡、酶活性改變以及烤煙產(chǎn)質(zhì)量下降等問(wèn)題。鄧陽(yáng)春等［6］研究顯示隨著烤煙連作年限的增加，土壤pH 呈緩慢降低的趨勢(shì)，而土壤有效養(yǎng)分含量卻呈富集現(xiàn)象。蘇海燕等［7］研究顯示烤煙連作導(dǎo)致土壤pH 和有機(jī)質(zhì)含量下降，全氮、全磷和全鉀含量隨著連作年限增加呈上升趨勢(shì)，速效磷、速效鉀含量呈下降趨勢(shì)，而速效氮略微上升。代方秀等［8］研究表明連作5 年導(dǎo)致土壤pH 下降，土壤全氮、堿解氮、有效磷和有機(jī)質(zhì)含量卻不同程度增加。劉燁等［9］研究表明，隨著連作年限增加，土壤速效鉀含量呈下降趨勢(shì)，而土壤有效磷呈上升趨勢(shì)。對(duì)于土壤酶活性，孫冰玉等［10］研究認(rèn)為烤煙連作5 年明顯降低了土壤脲酶活性。杜杏蓉等［11］研究得出烤煙連作5 年導(dǎo)致3 種類(lèi)型土壤（紫色土、紅壤、水稻土）脲酶活性不同程度增加，水稻土的蔗糖酶活性顯著下降，紅壤和紫色土則變化不明顯。白羽祥等［12］研究表明隨著連作年限增加（4、6、8、14、16 年），脲酶和蔗糖酶活性呈先增加后減少的趨勢(shì)。對(duì)于烤煙生長(zhǎng)發(fā)育而言，李柘錦等［13］研究表明烤煙連作農(nóng)藝性狀整體劣于輪作處理。馬文富等［14］研究得出烤煙連作導(dǎo)致烤煙有效葉片數(shù)、葉面積指數(shù)和產(chǎn)量等下降。魏全全等［15］研究得出烤煙連作處理下烤煙產(chǎn)量及產(chǎn)值均顯著低于輪作處理。龔林等［16］研究表明，在短期連作處理下，隨著連作年限增加，烤煙農(nóng)藝性狀表現(xiàn)整體呈下降趨勢(shì)，產(chǎn)量略微上升?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】廣元石灰性土壤烤煙長(zhǎng)期連作雖然肥料施用量不斷增加，但土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速率和肥效不理想，與新煙地相比煙葉產(chǎn)質(zhì)量明顯偏低。目前關(guān)于烤煙連作對(duì)土壤肥力和酶活性變化的影響研究多集中于酸性土壤且連作時(shí)限較短，而缺乏對(duì)石灰性土壤長(zhǎng)期連作的相關(guān)研究?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以石灰性紫色土為研究對(duì)象，探討長(zhǎng)期連作條件下石灰性紫色土植煙土壤養(yǎng)分和酶活性的變化特征，為土壤肥力提升及研發(fā)連作障礙修復(fù)技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于四川盆地北部的廣元市昭化區(qū)，地貌屬盆地丘陵向山區(qū)過(guò)渡地帶，該區(qū)以中低山為主，平均海拔900 m。地質(zhì)構(gòu)造屬米倉(cāng)山、龍門(mén)山和盆北低山三大地貌交匯地帶，大部分地區(qū)屬白堊系地質(zhì)層，由礫巖、砂巖、泥巖互層組成，巖性變化較大，土壤類(lèi)型為石灰性紫色土。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，四季分明，常年日照時(shí)數(shù)為1 389.1 h，年均無(wú)霜期為286 d，降水空間分布不均，南多北少，季節(jié)性降水明顯，分干濕兩季，降雨主要集中在夏秋兩季，冬春兩季降雨少。供試煙品種為云煙87。該煙區(qū)的栽培管理方法均按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

選擇植煙年限分別為8、10、27、33 年的代表性樣地，相同年限煙田選擇3 塊煙地作為重復(fù)，同時(shí)選擇相鄰從未種植過(guò)煙草的耕地為對(duì)照。于2021 年4 月種煙前進(jìn)行土樣采集，采用梅花狀混樣方式采集不同植煙年限樣地表層0～15 cm和15～30 cm 土壤，每個(gè)樣地共采集6 個(gè)土樣，待土壤風(fēng)干后進(jìn)行土壤養(yǎng)分測(cè)定。同時(shí)，采集0～15 cm 表層土壤，于4 ℃保存，帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行土壤酶活性測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

農(nóng)藝性狀：依據(jù)YC/T 142-2010《煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查測(cè)量方法》進(jìn)行調(diào)查，分別于不同連作年限煙地選擇10 株健康、長(zhǎng)勢(shì)一致的 煙株，測(cè)量株高、葉長(zhǎng)、葉寬、莖圍和葉片數(shù)，并計(jì)算最大葉面積（葉長(zhǎng)×葉寬×0.6345）。

烤煙干物質(zhì)含量測(cè)定：于烤煙成熟期，每個(gè)處理選擇3 株煙株，分別采集根、莖，在105 ℃下殺青30 min，然后在80 ℃下烘干至恒重測(cè)定干物質(zhì)質(zhì)量。

pH 值采用電位法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定，全氮、堿解氮含量分別采用凱氏定氮法和堿解擴(kuò)散法測(cè)定，全磷、速效磷含量分別采用堿熔-鉬銻抗分光光度法和碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法測(cè)定，全鉀、速效鉀含量分別采用氫氧化鈉熔融法和乙酸銨提取法測(cè)定。脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法進(jìn)行測(cè)定，β-葡萄糖苷酶活性采用硝基酚比色法測(cè)定。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用t檢驗(yàn)分析長(zhǎng)期連作對(duì)植煙土壤養(yǎng)分含量是否存在顯著影響，采用單因素方差分析長(zhǎng)期連作對(duì)烤煙農(nóng)藝性狀是否存在顯著影響，采用Pearson 相關(guān)分析研究土壤養(yǎng)分與土壤酶活性的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 烤煙長(zhǎng)期連作對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

2.1.1 烤煙長(zhǎng)期連作對(duì)不同土層土壤養(yǎng)分的影響 長(zhǎng)期連作對(duì)石灰性紫色土養(yǎng)分的影響如表1所示。對(duì)于表層土壤0～15 cm，長(zhǎng)期連作導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量以及pH 發(fā)生顯著變化，但對(duì)土壤全氮、全磷和全鉀含量無(wú)顯著影響，土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量、pH分別比對(duì)照減少18.34%、23.15%和17.43%，土壤速效磷、速效鉀含量分別比對(duì)照增加124%和54.55%。對(duì)于深層土壤15～30 cm，長(zhǎng)期連作導(dǎo)致土壤速效磷含量和pH 發(fā)生顯著變化，但其他養(yǎng)分指標(biāo)變化不明顯，與對(duì)照相比，土壤速效磷含量顯著增加110%，土壤pH 值顯著降低14.01%。

表1 長(zhǎng)期連作對(duì)石灰性紫色土養(yǎng)分的影響Table 1 Effects of long-term continuous cropping on calcareous purple soil nutrients

2.1.2 不同連作年限植煙土壤養(yǎng)分含量變化 石灰性紫色土長(zhǎng)期連作植煙土壤養(yǎng)分含量變化如圖1 所示。不同連作年限植煙土壤養(yǎng)分含量存在明顯差異，總體呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：（1）不同連作年限植煙土壤pH、有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量與對(duì)照相比呈不同程度下降。對(duì)于土壤pH，不同連作年限處理與對(duì)照相比均下降，其變化范圍在11.88%～28.72%，其中連作27 年的土壤pH 下降最為顯著；對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)，不同連作年限處理與對(duì)照相比均下降，其變化范圍在0～32.66%，其中連作8 年時(shí)顯著下降，其次是連作27 年，下降27.69%，而連作33 年基本無(wú)變化；對(duì)于土壤堿解氮，不同連作年限處理相比對(duì)照下降9.6%～33.83%，其中連作27 年降幅最大，連作33年降幅較?。▓D1）。

（2）不同連作年限植煙土壤全磷、速效磷和速效鉀含量與對(duì)照相比呈不同程度增加。對(duì)于土壤全磷，不同連作年限處理與對(duì)照相比均增幅較小，其變化范圍在3.01%～19.95%，其中連作33 年土壤全磷含量增幅最大；對(duì)于土壤速效磷，不同連作年限處理與對(duì)照相比增幅較大，其變化范圍在59.81%～201%，其中連作10 年時(shí)速效磷含量增加59.81%，而連作27 年土壤速效磷含量增幅顯著、達(dá)201%；對(duì)于土壤速效鉀，不同連作年限處理與對(duì)照相比均增加，其變化范圍在34.79%～68.27%，其中連作27 年土壤速效鉀增幅顯著（圖1）。

（3）不同連作年限植煙土壤全鉀、全氮含量與對(duì)照相比變化不一致。對(duì)于土壤全鉀，連作8 年和27 年土壤全鉀含量幾乎沒(méi)變，而連作10、33 年土壤全鉀卻不同程度增加，分別增加36.57%和82.25%；對(duì)于土壤全氮，連作33 年土壤全氮含量增加17.19%，而其余連作年限土壤全氮含量均降低，其中連作8 年處理下降最為明顯、下降26.92%（圖1）。

圖1 不同連作年限土壤養(yǎng)分含量變化（0～15 cm 土層）Fig.1 Changes of soil nutrient contents in different continuous cropping years (0-15 cm soil layer)

2.2 烤煙長(zhǎng)期連作對(duì)土壤酶活性的影響

烤煙長(zhǎng)期連作土壤酶活性變化特征如圖2 所示。對(duì)于β-葡萄糖苷酶，除連作10 年外，其余連作年限處理與對(duì)照相比均呈不同程度降低，其中連作8 年、33 年分別降低44.49%和35.52%，而連作10 年β-葡萄糖苷酶較對(duì)照增加39.27%；對(duì)于脲酶，不同連作年限處理相比對(duì)照降低58.51%～91.28%，其中連作10 年處理降幅最為顯著，連作27 年的脲酶活性降幅最小；對(duì)于蔗糖酶，不同連作年限處理相比對(duì)照降低29.14%～48.66%，其中連作8 年處理的降幅最為顯著。

圖2 不同連作年限土壤酶活性變化Fig.2 Chang of soil enzyme activities in different continuous cropping years

2.3 土壤養(yǎng)分與酶活性之間的關(guān)系

對(duì)不同連作年限土壤養(yǎng)分與土壤酶活性進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析（表2）可知，土壤蔗糖酶活性與土壤速效磷呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤β-葡萄糖苷酶與土壤速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，而與土壤速效磷呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤脲酶活性與土壤pH 的相關(guān)系數(shù)較大，達(dá)到0.825，且呈極顯著正相關(guān)。

表2 土壤養(yǎng)分和酶活性之間的相關(guān)性Table 2 Correlation between soil nutrients and enzyme activities

2.4 長(zhǎng)期連作對(duì)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育的影響

由表3 可知，在烤煙旺長(zhǎng)期，連作8 年的烤煙株高最大，連作27 年的莖圍最大、最大葉面積也取得最大值；在成熟期，連作27 年和10 年的株高顯著高于連作8 年，其中連作27 年的株高、莖圍和最大葉面積最大，分別較連作8 年大17.25%、0.47%、29.62%，較連作10 年大1.45%、5.68%、40.11%，較連作33 年大14.80%、7.17%、19.97%。

表3 烤煙長(zhǎng)期連作不同生長(zhǎng)期農(nóng)藝性狀Table 3 Agronomic traits of flue-cured tobacco with long-term continuous cropping at different growth periods

由表4 可知，連作27 年的烤煙總干物質(zhì)量最大，連作8 年最小，連作27 年烤煙干物質(zhì)總量較連作8 年、10 年和33 年分別增加35.36%、18.43%和11.46%；對(duì)于烤煙煙葉干物質(zhì)量，連作27 年烤煙煙葉干物質(zhì)量最大，連作10 年最小，連作27 年烤煙煙葉干物質(zhì)量較連作8 年、10 年和33 年分別增加36.56%、41.07%和18.88%；烤煙干物質(zhì)分配比例表現(xiàn)為葉＞莖＞根。

表4 連作烤煙干物質(zhì)積累與分配特征Table 4 Characteristics of dry matter accumulation and distribution in continuous-cropping flue-cured tobacco

3 討論

3.1 烤煙長(zhǎng)期連作對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

前人研究發(fā)現(xiàn)，烤煙長(zhǎng)期連作導(dǎo)致土壤pH呈不同程度降低［11,14,21］，本研究顯示長(zhǎng)期連作導(dǎo)致石灰性紫色土植煙土壤pH 呈現(xiàn)明顯下降，進(jìn)一步證實(shí)烤煙連作導(dǎo)致土壤發(fā)生酸化。酸化原因可能主要?dú)w因于：一是在連作條件下，每年投入相同的肥料，且煙株對(duì)養(yǎng)分的選擇性吸收相對(duì)固定，使得土壤中的氫離子或者鋁離子不斷積累［17］；二是土壤本身含有的非腐質(zhì)物質(zhì)（氨基酸、有機(jī)酸）以及植物根系、微生物分泌的有機(jī)酸使得土壤pH 下降。

對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)，不同研究得出的結(jié)論截然相反，一些研究顯示烤煙連作引起土壤有機(jī)質(zhì)含量降低［6,21］，還有研究顯示土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著連作時(shí)限的增加而增大［8,11］。本研究結(jié)果顯示，長(zhǎng)期連作導(dǎo)致石灰性紫色土有機(jī)質(zhì)含量下降，這可能是由于本研究烤煙生產(chǎn)中基肥一般以化肥為主，有機(jī)肥施用量較小，加之烤煙成熟后將所有煙葉及煙株移除田外，很難保留足夠的腐殖質(zhì)等，進(jìn)一步加劇了土壤板結(jié)，使有機(jī)質(zhì)含量降低。

本研究顯示烤煙長(zhǎng)期連作導(dǎo)致土壤速效磷、速效鉀含量增加而堿解氮含量降低。與前人研究結(jié)果相同的是烤煙連作導(dǎo)致土壤速效磷、速效鉀含量增加［6,18-19］，這可能主要源于烤煙長(zhǎng)期連作抑制烤煙生長(zhǎng)，煙株養(yǎng)分吸收量降低，而施入煙田的肥料相對(duì)固定，施入煙田的養(yǎng)分量大于煙株吸收量，因而速效磷、速效鉀出現(xiàn)富集現(xiàn)象［6］。不同之處在于本研究發(fā)現(xiàn)烤煙連作使得土壤堿解氮含量降低，其原因可能是本研究樣地連作年限較長(zhǎng)，施入樣地氮肥量相對(duì)固定，而烤煙生長(zhǎng)過(guò)程需氮量較多且氮肥施入土壤中存在一系列損失，如硝化淋溶、反硝化等，難以留存于土壤中［20］。

3.2 烤煙期長(zhǎng)連作對(duì)土壤酶活性的影響

本研究顯示長(zhǎng)期連作導(dǎo)致土壤蔗糖酶活性呈不同程度降低。杜杏蓉等［11］研究顯示隨著連作年限增加，植煙土壤蔗糖酶活性呈先增加后減少的趨勢(shì)，蔗糖酶活性最高值出現(xiàn)在連作6 年，之后呈下降趨勢(shì)。這種差異可能源于短期連作時(shí)表層土壤中煙株和根系殘留物不斷積累，為土壤酶提供了足夠的底物，因而酶活性會(huì)出現(xiàn)升高的趨勢(shì)，一旦連作超過(guò)了一定年限，土壤中的病菌以及有毒物質(zhì)的積累將導(dǎo)致土壤酶活性下降。本研究中，烤煙長(zhǎng)期連作導(dǎo)致土壤脲酶活性不同程度降低。古戰(zhàn)朝等［22］研究得出植煙土壤脲酶隨著連作年限增加呈先增加后減少的趨勢(shì)，而代方秀等［8］研究則認(rèn)為烤煙連作使得土壤脲酶活性增加。這可能是由于為提高產(chǎn)量而增施氮肥，導(dǎo)致其土壤中氮素含量較高，氮素循環(huán)變快，使得土壤脲酶活性增加，當(dāng)連作年限較短時(shí)，表層土壤中煙株和根系殘留物不斷積累，為脲酶提供了足夠的底物，使得脲酶活性增加。

3.3 烤煙長(zhǎng)期連作對(duì)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育的影響

從農(nóng)藝性狀及干物質(zhì)積累量來(lái)看，本研究都顯示連作27 年烤煙長(zhǎng)勢(shì)最好，分析原因可能如下：一是該煙地土壤pH 呈偏酸性，微酸性的土壤根際環(huán)境有利于烤煙前中期生長(zhǎng)，特別是根系生長(zhǎng)，為烤煙后期的茁壯生長(zhǎng)奠定了基礎(chǔ)［23］。二是與該煙地土壤質(zhì)地松軟有關(guān)，土壤質(zhì)地松軟，孔隙度高，透氣性好，有利于烤煙生長(zhǎng)發(fā)育［21］。三是與該煙地土壤有機(jī)質(zhì)含量較高有關(guān)，前人研究表明有機(jī)質(zhì)含量高的煙田煙株干物質(zhì)積累量明顯大于有機(jī)質(zhì)含量低的煙田［25］。四是烤煙生長(zhǎng)的適宜全氮含量為1～2 g/kg，該煙地的土壤全氮含量適宜烤煙生長(zhǎng)［26］。五是該煙田的開(kāi)溝排水處理效果較好，避免了烤煙成熟期時(shí)煙地土壤的水分過(guò)多，有利于烤煙的生長(zhǎng)發(fā)育［27］。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期連作導(dǎo)致石灰性紫色土養(yǎng)分失衡，使表層土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量顯著降低，分別降低17.43%、18.34% 和23.15%；速效磷、速效鉀含量顯著增加，分別增加124%和54.55%。長(zhǎng)期連作還導(dǎo)致植煙土壤脲酶活性降低58.51%～91.28%，蔗糖酶活性降低29.14%～48.66%。土壤pH、速效磷和速效鉀的變化與土壤酶活性密切相關(guān)，土壤pH 與土壤脲酶活性呈正相關(guān)，土壤速效磷與土壤蔗糖酶和土壤β-葡萄糖苷酶活性都呈負(fù)相關(guān)，而土壤速效鉀與土壤β-葡萄糖苷酶活性呈正相關(guān)。因此，石灰性紫色土烤煙長(zhǎng)期連作下土壤有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分和土壤酶活性發(fā)生顯著變化，生產(chǎn)上應(yīng)重視對(duì)土壤微環(huán)境的調(diào)控，加速土壤酶對(duì)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和利用。