2. 中国科学院大学,北京 100049;
3. 安徽省农业科学院烟草研究所,合肥 230031
烤烟是一种忌连作的作物,烤烟连作会增加烟草土传病害和地下害虫的危害,影响烟株的正常生长。合理轮作可以调节不同作物对营养元素的需要,有利于烟草的生长。水旱轮作可以减轻如地老虎、烟草根结线虫等病虫害的影响[1]。对烤烟连作、轮作4a的定位试验表明,轮作烟叶中致香物质含量大多数高于连作烟叶,连作土壤有效磷和有效钾含量明显地高于轮作土壤;轮作土壤的pH、有机质、全钾等理化性质均高于连作土壤[2]。烟-稻轮作制可以改良土壤,减轻烟、稻两种作物的病、虫、草害,提高两种作物的产量[3]。烟-稻轮作,在生态学和植物学上是协调的,生育期也是可配合的,烟草和水稻可以连年轮作[4]。南方有条件的稻区种烟,推广烟-稻轮作制,能克服烟粮争地矛盾[5]。研究表明,烟-稻轮作对烟叶的产量、产值、抗逆性、内外在质量等均有提高,烟-稻轮作有利于烟叶生产[6]。目前关于烟-稻轮作制度下,土壤团聚体对烤烟产量和品质的影响研究较少,亟需开展系统研究以深入认识。
安徽省烟叶种植区域广,烟田的地形地貌、土壤类型、耕作和轮作管理方式多样,因此烟田土壤肥力水平差异显著。安徽烤烟种植区以丘陵和平原为主,植烟土壤的主要类型包括水稻土、黄棕壤和红壤,轮作方式以烟-稻轮作为主,占全区种植面积的90% 以上。其中宣城和池州市是主要的烟叶产区,地处皖南山区及长江下游平原,土壤类型是沿江平原区典型水稻土,两地是安徽烤烟生产的最适宜区域。然而,在安徽烟区不同气候-土壤-轮作类型区,针对土壤肥力的演变机制及其与烟草品质的关系缺乏系统的和长期的研究。烤烟的品质和特色除受品种的影响外,土壤肥力是最为重要的影响因素。土壤团聚体是土壤结构的基本单元,是土壤肥力的基础和核心,土壤团聚体通过影响土壤物理、化学和生物学过程,最终影响作物的生长及其产量和品质[7]。
目前亟需针对典型烟区,摸清“轮作方式-施肥方式-种植培肥时间”耦合对团聚体形成的影响,全面探查不同烟-稻轮作年限、不同施肥管理方式下土壤肥力演变规律及其对烟草产量和品质的影响,建立团聚体结构、数量和功能性质与烤烟产量和品质的关系,从土壤学角度揭示安徽烟区烤烟独特风味的形成机制。
1 材料与方法 1.1 材料试验在安徽省池州市东至县张溪镇(30°17' 05.581N,117°04'59.603E)和宣城市黄渡乡(30°48' 42.643N,118°52'02.284E)进行。其中,池州市气候温暖,四季分明,雨量充足,光照充足,无霜期长,属亚热带季风气候,年平均气温16.5℃,年均降水量1 400 ~ 2 200 mm。单季稻土壤pH为5.04,有机质含量为15.89 g/kg,黏粒含量为450 g/kg;烟-稻轮作土壤pH为5.27,有机质含量为16.75 g/kg,黏粒含量为420 g/kg。宣城市气候类型为亚热带湿润季风气候,季风气候明显,四季较分明,无霜期长,并且夏雨集中,年均温度为15.6℃,年均降水量在1 200 ~ 1 500 mm。烟-稻轮作土壤pH为5.00,有机质含量为16.21 g/kg,黏粒含量为440 g/kg。池州和宣城两地水稻土成土母质为河湖相沉积物,土壤类型为潴育型水稻土。
供试烤烟品种为云烟87,由安徽省烟草公司提供。于2017年1月20日育苗,3月22日移栽,行距1.2 m,株距0.5 m,6月10日第一次采收,7月15日采收结束。
1.2 试验设计试验设置9个处理,池州地区为:烟-稻轮作0(即种植单季稻)、2、4、9 a;宣城地区为:烟-稻轮作1、3、5、8、12 a。烟草季常规施肥量为:N 7.63 kg/667m2、P2O5 13.09 kg/667m2、K2O 26.90 kg/667m2。水稻季常规施肥量为:N 8.35 kg/667m2、P2O5 3.75 kg/667m2、K2O 3.75 kg/667m2。期间并配合烟秆(450 kg/667m2)、稻秆(400 kg/667m2)还田。烟草季肥料作基肥施一次性条施;水稻季专用肥作基肥,尿素在插秧后表面撒施作基肥。
1.3 样品采集与测定烟草成熟期采集土壤表层(0 ~ 20 cm)样品,每个小区利用土钻按S型采集8个点,混合均匀后用四分法取2 kg左右土样用于测定分析。用干筛法测定土壤团聚体组成,将土壤筛分成 > 5、2 ~ 5、1 ~ 2、0.25 ~ 1、< 0.25 mm共5级团聚体。采用比重计法测定土壤颗粒组成,电位测定法测定土壤pH,烘干法测定土壤含水量,重铬酸钾法测定土壤有机质,乙酸铵测定土壤阳离子交换量,重铬酸钾–硫酸消化法测定土壤全氮,高氯酸–硫酸酸溶–钼锑抗比色法测定土壤全磷,原子吸收分光光度法测定土壤全钾,碱解扩散法测定土壤碱解氮,碳酸氢钠法测定土壤有效磷,原子吸收分光光度法测定土壤速效钾,2 mol/L KCl浸提-流动分析仪测定土壤铵态氮和硝态氮[8]。
采集中、上部烟叶用作烤烟化学成分分析。总糖、还原糖含量按照NY/YCT002—2001《烟草及烟草制品中水溶性糖的测定》进行测定;烟叶中钾测定方法按照YC/T173—2003《烟草及烟草制品钾的测定火焰光度法》进行测定;烟叶中烟碱按照YC/T34—1996《烟草及烟草制品总植物碱的测定光度法》进行测定;烟叶中氯含量按照YC/T153—2001《烟草及烟草制品氯含量的测定方法》进行测定。糖/碱比为烟叶总糖含量与烟碱含量的比值;钾/氯比为钾含量与氯含量的比值。
1.4 烟叶感官评吸评分指标中、上部烟叶初烤后去青去杂,经温度22℃和相对湿度60% 环境平衡含水率48 h后,由安徽中烟工业公司技术中心进行评吸。
1.5 数据计算与分析方法采用Excel 2016和SPSS 20.0软件对数据进行处理和统计分析,数据差异显著性检验用Duncan法;采用R语言软件的Random forest软件包构建随机森林模型,以及rfUtilities和rfPermute软件包分析模型的显著性。
2 结果 2.1 不同烟-稻轮作年限对土壤团聚体理化性质的影响研究结果表明(表 1 ~ 2),池州地区单季稻土壤各级团聚体pH高于轮作土壤团聚体的pH;宣城地区土壤团聚体pH在轮作1a和3 a时最低,轮作5a和8 a时显著提高,轮作12 a时下降(除 < 0.25 mm级团聚体外)。池州地区单季稻各级土壤团聚体有机质含量高于轮作土壤,0.25 ~ 1 mm和2 ~ 5 mm团聚体有机质含量在轮作9 a时提高,1 ~ 2 mm和 > 2 mm土壤团聚体有机质含量在各轮作土壤间无显著差异,同时,< 0.25 mm团聚体有机质含量单季稻和轮作土壤间无显著差异;宣城地区轮作1 a时各级土壤团聚体有机质含量高于其他轮作年限土壤,在轮作3a时土壤各级团聚体有机质含量最低,随后随着轮作年限的增加有机质含量呈现先增加后降低的趋势。
从全量养分含量看,池州地区单季稻土壤各级团聚体全氮含量高于轮作土壤,但单季稻和轮作土壤2 ~ 5 mm团聚体全氮含量无显著差异;宣城地区轮作1 a时各级土壤团聚体全氮含量显著高于其他轮作年限土壤,随后随着轮作年限的增加全氮含量呈现先增加后降低的趋势。池州地区单季稻和相对短轮作年限土壤全钾含量高于相对长轮作年限土壤;宣城地区随着轮作年限的增加土壤全钾含量整体呈现先增加后降低的趋势,但 < 0.25 mm团聚体单季稻和轮作土壤全钾含量无显著差异。
从速效养分含量看,池州地区单季稻土壤 < 2 mm各级团聚体碱解氮含量高于轮作土壤;宣城地区轮作1 a时各级土壤团聚体碱解氮含量显著高于其他轮作年限土壤,随后随着轮作年限的增加碱解氮含量呈现先增加后降低的趋势。池州地区单季稻土壤 < 2 mm团聚体有效磷含量低于轮作土壤,> 2 mm团聚体无显著差异;宣城地区各级土壤团聚体有效磷含量呈现波动趋势,即随轮作年限增加呈现先降低后增加再后降低再增加的趋势。池州地区单季稻土壤 < 2 mm团聚体速效钾含量低于轮作土壤,轮作土壤 < 2 mm团聚体速效钾含量随着轮作年限增加呈现先增加后下降的趋势,> 2 mm团聚体速效钾含量无显著性差异;宣城地区轮作1 a时各级土壤团聚体速效钾含量显著高于其他轮作年限土壤。
2.2 不同烟-稻轮作年限对土壤团聚体组成情况的影响由图 1可知,池州地区土壤2 ~ 5 mm团聚体含量随烟-稻轮作年限增加呈现先增加后降低的趋势。宣城地区烟-稻轮作1 a时土壤2 ~ 5 mm团聚体含量显著高于其他轮作年限土壤。池州地区土壤0.25 ~ 1 mm团聚体所占比例与轮作年限之间显著正相关,< 0.25 mm团聚体所占比例与轮作年限之间极显著正相关;宣城地区土壤2 ~ 5 mm团聚体所占比例与轮作年限之间显著负相关(图 2)。
综合池州、宣城两地烤烟产量结果(表 3),可以看出,随着烟-稻轮作年限的增加,烤烟产量、产值、均价都降低,池州地区土壤轮作2 a时烤烟产量、产值、均价显著高于轮作9 a。宣城地区土壤轮作1 a时烤烟产量、产值显著高于轮作8、12 a,且均价显著高于轮作12 a。
烤烟品质主要取决于两方面,化学成分含量和各成分之间的平衡。烤烟中、上部烟叶常规化学成分受不同轮作年限的影响结果见表 4。池州地区,随着烟-稻轮作年限的增加,烤烟中、上部叶中氯含量呈现下降趋势,其中轮作9 a时中、上部叶中氯含量较轮作2 a分别降低了36.8%、15.0%;轮作4 a时烟叶中糖/碱比达到最高;上部叶中钾/氯比随着轮作年限增加呈增加趋势。宣城地区轮作1 a烤烟中、上部叶中氯和烟碱含量高于其他轮作年限;轮作5 a生产的中、上部叶氯含量较轮作1 a分别降低了68.9% 和69.8%;轮作12 a生产的中、上部叶烟碱含量较轮作1 a分别降低了58.7% 和39.4%;其他轮作年限烟叶中、上部叶中糖/碱比均高于轮作1 a烟叶,且轮作5 ~ 8 a内适合优质烤烟生产(变化稳定),烟叶中、上部叶中钾/氯比均高于轮作1 a烟叶,且轮作5 a时烟叶中、上部叶钾/氯比较轮作1 a烟叶分别提高了65.6% 和68.9%。
感官评吸是衡量烟叶香味品质最直接、最客观的方法。由表 5可知,宣城地区烤烟中部叶的香气特性得分均高于上部叶,且对于烟气特性,两地上部叶烟气浓度和劲头均高于中部叶,但中部叶细腻度均高于上部叶。
池州地区上部烟叶刺激性和干燥感评分随着轮作年限的增加呈现下降趋势;宣城地区上部叶香气特性评分随着轮作年限增加而增高。
2.6 土壤团聚体与烤烟产量和品质的关系对土壤各级团聚体含量与烤烟产量的相关性分析发现(图 3),池州和宣城两地土壤2 ~ 5 mm团聚体含量与烤烟产量呈现显著正相关关系,两者之间的关系可以用公式y=ax+b来表示(y表示烤烟产量,x表示每千克土壤2 ~ 5 mm团聚体含量)。同时,池州地区(图 4)土壤每千克土壤中2 ~ 5 mm团聚体含量与烟叶中总糖呈现显著正相关关系。
通过建立2 ~ 5 mm团聚体理化性质对烤烟产量的随机森林模型发现(图 5),池州地区土壤2 ~ 5 mm团聚体全钾含量和pH对烤烟产量的影响最为显著,当移除全钾含量和pH两种理化因子时,均方差(MSE)各自增加量为5.89% 和5.13%。宣城地区硝态氮含量和pH对烤烟产量影响最显著,当移除宣城土壤硝态氮和pH两种理化因子时,MSE增加最多,MSE各自增加量分别为7.90% 和7.76%。
通过建立2 ~ 5 mm团聚体理化性质对烤烟品质的随机森林模型发现(图 6),池州地区烟叶中氯含量受硝态氮和全钾含量影响显著,总糖含量受碱解氮含量影响显著,糖/碱比受pH和速效钾含量显著影响。同时,宣城地区烟叶中氯含量受硝态氮、有机质含量影响显著,烟碱含量受铵态氮、速效钾含量影响显著,糖/碱比受铵态氮、CEC和全磷含量影响显著,钾/氯比受全钾含量显著影响。
土壤团聚体被认为是土壤养分的储存库,其数量的增加表明土壤供储养分能力的增强,并且同时为微生物和植物根系提供了能量和养分来源[9]。不同粒级的团聚体在营养元素的保持、供应及转化等方面发挥着不同的作用[10]。有研究用13C示踪法证明大团聚体比微团聚体含有更多的有机碳,这其中的原因主要是团聚体层次性机制现象(hierarchy concept model)[12-13],微团聚体形成后,再形成大团聚体,大团聚体由形成的小团聚体通过无机、有机胶结物质胶结作用形成[14]。相对小团聚体,大团聚体中的有机碳更容易矿化,而微团聚体中的有机碳主要以高度腐殖化的惰性组分为主[15],且外源新碳施入量越多,全土和各粒径团聚体新碳含量越高,且团聚体粒径越大,其分配新碳的比例越高[16]。相比小团聚体,大团聚体含有更多的碳、氮、颗粒状有机质和不稳定性有机质等[17]。烤烟是一种忌连作的作物,合理轮作可以调节不同作物对营养元素的需要,有利于烤烟的生长。相比旱-旱轮作,在水-旱轮作的水耕熟化过程中,土壤有机质在淹水条件下嫌气分解,分解过程较缓慢,腐殖质形成和转化较明显,土壤有机质及大团聚体的含量也相应增加[18]。本研究发现,池州地区土壤2 ~ 5 mm团聚体含量随轮作年限增加呈现先增加后降低的趋势,而宣城地区土壤轮作1 a时2 ~ 5 mm团聚体含量显著高于其他轮作年限。随着植烟年限的增加,紫色土和水稻土粒径大团聚体有机碳含量降低,土壤团聚体黏结剂破坏,其黏结能力也随之下降,这说明植烟年限对土壤大团聚体的破坏较大[19]。
土壤团聚体是土壤结构的基本单元,是土壤肥力的基础和核心。土壤团聚体通过影响土壤物理、化学和生物学过程,最终影响作物的生长及产量[16]。本研究结果表明,皖南沿江平原区典型水稻土2 ~ 5 mm团聚体含量与烤烟产量显著相关,说明当地土壤大团聚体对烤烟产量有着显著影响。孙天聪等[20]研究表明,2 ~ 5 mm团聚体含量与土壤有机NO– 3-N含量之间呈显著正相关;而0.25 ~ 1 mm团聚体与土壤全氮含量以及NO– 3-N含量呈显著负相关关系。表明土壤团聚体结构会通过改变土壤养分供应等方式深刻影响烤烟的生长发育,从而影响烤烟产量。本研究发现,池州地区土壤除 < 0.25 mm团聚体外,单季稻土壤各级团聚体pH均显著高于其他轮作年限土壤,这可能是由于淹水使土壤趋近中性。宣城地区,相对较长轮作年限可使团聚体pH显著提高,这说明轮作年限增加有利于团聚体pH的提升。同时,池州和宣城两地土壤2 ~ 5 mm团聚体含量与烤烟产量呈现显著正相关关系。有关研究表明,长期施肥对褐土耕层2 ~ 5 mm团聚体含量影响最大,特别是有机和无机肥配施有利于该级团聚体的形成,且2 ~ 5 mm团聚体是有机质、全氮和硝态氮的主要载体,这与本研究结果相似[21]。长期施肥对土壤团聚体的形成及稳定产生直接或间接的影响,进而导致土壤养分在团聚体中的分布发生变化。研究表明,长期施用有机肥能够改变土壤团聚体的分布,增加 > 2 mm团聚体含量[22]。池州和宣城地区两地土壤2 ~ 5 mm团聚体pH均对烤烟产量的影响最为显著。有研究表明,土壤pH对总球囊霉素相关土壤蛋白(T-GRSP)和难提取球囊霉素蛋白(DE-GRSP)有重要影响,尤其是对难提取球囊霉素蛋白影响显著,且难提取球囊霉素蛋白对土壤大团聚体形成具有重要作用[23-24]。
烟叶的品质对燃吸的影响很大,烟碱高低显著影响人体产生的生理刺激,糖含量影响吃味和口感,内在物质的协调性可以通过糖/碱比来体现,糖/碱比高则烟叶烟气柔和、纯净,反之烟叶烟气粗糙,劲头较大,钾离子和氯离子影响燃烧性[25]。在池州、宣城两地试验发现,相对中长年限烟-稻轮作可以降低烟叶中氮、烟碱、氯含量,维持烟叶中总糖和还原糖的相对平衡,协调较为合理的糖/碱比和钾/氯比,有利于优质烟叶生产。对烤烟连作、轮作4 a定位试验比较结果表明,轮作烟叶中致香物质含量大多高于连作烟叶。土壤2 ~ 5 mm团聚体含量与烟叶中总糖含量呈现显著正相关关系,且总糖含量受碱解氮含量影响显著。烤烟总糖含量与土壤肥力水平密切相关,土壤氮素水平直接影响到烤烟总糖、烟碱含量等品质指标[26-27]。
明确不同轮作年限下团聚体组成与烤烟品质的定量关系,可以保障安徽皖南烟区实现烤烟提质增效目标。通过建立施用秸秆、有机肥和土壤改良剂高效培育土壤团聚体的施肥方式,可提升烟田土壤质量,消除土壤障碍因子,保障安徽皖南烤烟适产、稳产、优质和风味独特。
4 结论1) 池州地区土壤0.25 ~ 1 mm团聚体所占比例与轮作年限之间显著正相关,< 0.25 mm团聚体所占比例与轮作年限之间极显著正相关;宣城地区土壤2 ~ 5 mm团聚体所占比例与轮作年限之间显著负相关。
2) 随着轮作年限的增加,烤烟产量、产值、均价均降低,但池州地区烟叶中、上部叶中氯含量下降,上部叶中钾/氯比增加。宣城地区轮作1 a的烟叶中、上部叶中氯和烟碱含量高于其他轮作年限,其他轮作年限烟叶中、上部叶中糖/碱比均高于轮作1 a烟叶,且轮作5 ~ 8 a内适合优质烤烟生产(变化稳定)。池州地区上部烟叶刺激性和干燥感评分随着轮作年限的增加呈现下降趋势;宣城地区上部叶香气特性评分随着轮作年限增加而提高。
3) 池州和宣城土壤2 ~ 5 mm团聚体含量与烤烟产量呈现显著正相关关系,且池州地区土壤2 ~ 5 mm团聚体全钾含量和pH对烤烟产量的影响最显著,而宣城地区烤烟产量受硝态氮含量和pH的影响最显著。
4) 池州地区土壤2 ~ 5 mm团聚体含量与烟叶中总糖含量呈现显著正相关关系,烟叶中总糖含量受土壤碱解氮含量影响显著。
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