朱經(jīng)偉，石俊雄，張 恒，熊 晶，劉 瓊，文德鋒，張?jiān)瀑F

（1.貴州省煙草科學(xué)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.畢節(jié)市煙草公司，貴州 畢節(jié) 551700；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/煙草行業(yè)生態(tài)環(huán)境與煙葉質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

烤煙是一種具有明顯連作障礙的茄科經(jīng)濟(jì)作物［1］。隨著連作年限增加，自毒物質(zhì)富集，病原微生物增加，進(jìn)而引起連作障礙，導(dǎo)致煙草產(chǎn)量降低，品質(zhì)變劣［2］。近年來(lái)，貴州地區(qū)大力發(fā)展烤煙種植業(yè)，僅貴州省2012～2016年均烤煙種植面積達(dá)2.1×105hm2［3］，烤煙連作障礙的問(wèn)題日漸突顯?？緹熯B作障礙農(nóng)田不僅顯著影響辣椒、番茄等后茬經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)，也對(duì)土壤耕層淺薄、農(nóng)田稀缺的西南地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。雖然商品卷煙需求量逐年降低，烤煙作為卷煙配方中的重要原料，其需求量和種植面積均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，煙、糧爭(zhēng)地的矛盾逐漸縮小，烤煙連作障礙得到有效緩解［4-6］，但如何合理優(yōu)化烤煙種植制度，保育西南山地基本農(nóng)田生產(chǎn)力鮮有報(bào)道。

針對(duì)不同的烤煙種植制度，專家學(xué)者開展了大量的長(zhǎng)期定位施肥研究。在烤煙與小麥輪作方面，丁偉等［7］認(rèn)為7年輪作中有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理能夠提高土壤微生物多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，煙葉生產(chǎn)上很有必要采用有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理。楊宇虹等［8］檢測(cè)了云南典型砂質(zhì)紅壤中開展16年的烤煙與小麥輪作區(qū)土壤磷脂脂肪酸計(jì)算微生物種群特征值，從微生物的角度進(jìn)一步揭示了外源有機(jī)物的添加對(duì)烤煙輪作制度的重要性。在烤煙與水稻輪作方面，張瀛等［9］認(rèn)為隨著輪作年限的增加，水稻土中硝態(tài)氮比例逐漸減少，適當(dāng)提高氧化態(tài)氮素營(yíng)養(yǎng)供給可平衡輪作制度下的氮肥利用。據(jù)測(cè)算，貴州省境內(nèi)黃壤面積7.0×106hm2，占全國(guó)黃壤總面積的30%，是貴州山地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要土壤類型［10］。全省烤煙在黃壤上的種植面積比例為63%［11］，其中采用玉米進(jìn)行輪作的植煙土壤比例達(dá)60%以上。綜合我國(guó)對(duì)烤煙不同種植制度的長(zhǎng)期定位研究成果，對(duì)一年一熟制的烤煙-玉米輪作中典型黃壤農(nóng)田化學(xué)養(yǎng)分累積、物理和生物學(xué)性狀的報(bào)道較少。本研究通過(guò)10年長(zhǎng)期定位施肥研究烤煙-冬閑-烤煙連作、烤煙-冬閑-玉米輪作中農(nóng)田黃壤的化學(xué)、物理、生物學(xué)性狀的變化規(guī)律，旨在為合理優(yōu)化烤煙種植制度提供理論依據(jù)和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于貴州省開陽(yáng)縣龍崗鎮(zhèn)貴州省煙草科學(xué)研究院綜合實(shí)驗(yàn)基地（26°52′55″N，107°5′49″E），海拔1 113 m。年均氣溫10.6～15.3℃，年日照時(shí)數(shù)1 148.3 h，年降水量1 129.5 mm，年平均相對(duì)濕度為77%，屬于亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候。試驗(yàn)地為長(zhǎng)期基本農(nóng)田，試驗(yàn)前長(zhǎng)期種植飼料玉米，于2007年冬進(jìn)行初步土地平整并完成相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，試驗(yàn)始于2008年。試驗(yàn)土壤屬黃壤黃泥土，在貴州省植煙區(qū)中具有典型性和代表性。試驗(yàn)地土壤的基礎(chǔ)化學(xué)性狀如表1所示。

表1 2007年試驗(yàn)地平整前土壤基礎(chǔ)化學(xué)性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)（2008～2017年）包括以下2個(gè)處理：（1）烤煙-冬閑-烤煙連作（No Rotation，NR）；（2）烤煙-冬閑-玉米輪作（Rotation，R）。每個(gè)處理設(shè)置兩塊均為8 m×13.2 m的試驗(yàn)小區(qū)（A、B）。NR處理A小區(qū)連續(xù)種植烤煙；R處理A、B小區(qū)分別種植烤煙和玉米，每個(gè)小區(qū)獨(dú)自進(jìn)行一年一熟的烤煙-冬閑-玉米輪作。各處理肥料投入如表2所示。其中，NR處理和R處理烤煙季的化肥氮、鉀的基追比均為3∶2，全部的化肥磷作為基肥施用；R處理玉米季的氮肥基追比為2∶3∶5，全部的化肥磷和鉀均作為基肥施用。

表2 各處理養(yǎng)分投入量 （kg/hm2）

供試烤煙品種為“K326”，進(jìn)行壟作，起壟高度為0.3 m，壟距為1 m，移栽株距為0.66 m，種植密度為16 500株/hm2，每年4月末完成移栽，田間管理、采收、烘烤均與當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)烤煙栽培管理措施相同；供試玉米為當(dāng)?shù)刂髟云贩N，起壟高度為0.15 m，移栽株距為0.22 m，種植密度為45 000株/hm2，每年5月下旬完成移栽，田間管理與當(dāng)?shù)赜衩自耘喙芾泶胧┮恢?。試?yàn)地塊不進(jìn)行灌溉和施用農(nóng)藥。當(dāng)季作物結(jié)束后，12月進(jìn)行深翻，深度為0.3 m，取出根茬等殘?bào)w后冬閑，次年4月至5月繼續(xù)進(jìn)行連作或輪作。

1.3 樣品采集與分析

每季烤煙或玉米采收結(jié)束后的11月上旬，按照多點(diǎn)取樣原則，每個(gè)處理采集壟體表土（0～20 cm）混合樣500 g。采用“四分法”分取約250 g新鮮土壤樣品進(jìn)行風(fēng)干、磨碎、過(guò)1.0 mm篩后測(cè)定土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、pH值，采用“四分法”分取部分土壤樣品，研磨后過(guò)0.15 mm篩后測(cè)定土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀［12］。剩余新鮮土壤樣品過(guò)2 mm篩后測(cè)定可培養(yǎng)細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量。

土壤容重和土壤孔隙度均采用環(huán)刀法測(cè)定［13］。

土壤微生物數(shù)量采用平板計(jì)數(shù)法測(cè)定［14］：細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基；放線菌采用高氏1號(hào)培養(yǎng)基。

1.4 數(shù)據(jù)分析

作圖和曲線擬合軟件為Sigmaplot 12.0。數(shù)據(jù)分析軟件為SAS 9.1，單因素方差分析采用one-way ANOVA方法，多重比較采用Duncan法（P=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤有機(jī)碳含量的影響

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，各處理土壤有機(jī)碳均呈現(xiàn)不同程度的下降（P＜0.05），烤煙連作或輪作中僅施用化肥均不利于黃壤農(nóng)田土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定。NR處理的土壤有機(jī)碳含量由2008年的41.96 g/kg逐漸下降至2017年的21.56 g/kg，降幅達(dá)36.7%，平均每年土壤有機(jī)碳減少1.54 g/kg；與之相比，R處理的土壤有機(jī)碳的降幅和減少速率均較低，分別為19.3%和0.60 g/kg，但整體含量低于NR處理。截止到2017年，兩處理間的土壤有機(jī)碳含量差異不顯著（P＞0.05）。由于在研究過(guò)程中清除每季作物的有機(jī)殘?bào)w，因此土壤有機(jī)碳的損失主要來(lái)自于作物的種植。

圖1 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤有機(jī)碳含量的影響

2.2 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤氮、磷、鉀全量養(yǎng)分的影響

由圖2可知，在長(zhǎng)期單施化肥條件下，烤煙連作、烤煙-玉米輪作對(duì)土壤全氮的累積強(qiáng)度存在顯著差異（P＜0.05）。NR處理的土壤全氮含量由2.61 g/kg提高至3.11 g/kg，增幅達(dá)19.4%；R處理的土壤全氮含量試驗(yàn)期間較NR處理低，由2.40 g/kg提高至2.67 g/kg，增幅達(dá)11.1%，較NR處理降低8.3個(gè)百分點(diǎn)，由此說(shuō)明烤煙-冬閑-烤煙連作條件下土壤全氮的積累強(qiáng)度高于烤煙-冬閑-玉米輪作。從化肥氮素養(yǎng)分投入量來(lái)看，R處理較NR處理高10%，有效防止土壤供氮水平過(guò)高，烤煙-冬閑-玉米輪作更符合優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)對(duì)土壤氮素供應(yīng)能力的要求。

各處理土壤全磷的動(dòng)態(tài)變化如圖3所示，NR處理的土壤全磷含量由1.36 g/kg增加至1.54 g/kg，增幅達(dá)13.1%；與之相比，R處理的土壤全磷含量增幅為7.3%，在累積強(qiáng)度和累積量方面均低于NR處理。結(jié)合兩處理的化肥磷素投入量和土壤全磷累積強(qiáng)度認(rèn)為，減少化肥磷素投入并進(jìn)行一年一熟的烤煙-玉米輪作種植制度，有利于穩(wěn)定農(nóng)田黃壤的供磷能力。

圖2 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤全氮含量的影響

圖3 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤全磷含量的影響

烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤全鉀的積累具有顯著影響（P＜0.05，圖4），NR處理的土壤全鉀含量隨著烤煙連作年限的增加呈現(xiàn)明顯的累積趨勢(shì)，試驗(yàn)期間土壤全鉀增幅達(dá)3.0%；R處理的土壤全鉀含量水平除2011年均低于NR處理，隨著玉米-烤煙輪作年限的增加，土壤全鉀的累積強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，截止到2017年，土壤全鉀累積強(qiáng)度僅為0.01 g/（kg·年）。結(jié)合兩處理化肥鉀素養(yǎng)分的投入來(lái)看，大量的鉀肥投入可以促進(jìn)土壤全鉀的持續(xù)積累，鉀素投入量降低30%并進(jìn)行玉米-烤煙輪作，能夠使土壤全鉀含量處于較高水平并保持穩(wěn)定。

圖4 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤全鉀含量的影響

2.3 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤速效養(yǎng)分的影響

隨著研究年限的增加，試驗(yàn)各處理土壤中的堿解氮含量如圖5所示：與土壤全氮含量持續(xù)增加的變化規(guī)律不同，NR處理與R處理的土壤堿解氮含量均呈現(xiàn)“先降低，后升高”的變化趨勢(shì)。同時(shí)，除2010年外，R處理土壤堿解氮含量均低于NR處理，但前者的化學(xué)氮素投入量高于后者，說(shuō)明烤煙-冬閑-玉米輪作更有利于防止速效形態(tài)氮素養(yǎng)分在土壤中的大量累積。

圖5 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤堿解氮含量的影響

圖6 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤有效磷含量的影響

土壤有效磷變化規(guī)律與土壤全磷相似（圖6），NR處理與R處理的土壤有效磷含量隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)?；柿姿赝度肓枯^低的R處理土壤有效磷含量顯著低于NR處理（P＜0.05），例如，在2017年，R處理土壤有效磷含量比NR處理降低17.3%，而前者的化肥磷素投入較后者高10%。由此說(shuō)明，土壤有效磷含量的積累主要受化肥磷素投入量和種植制度共同的影響。試驗(yàn)期間各處理土壤速效鉀的動(dòng)態(tài)變化如圖7所示。NR處理與R處理均呈現(xiàn)“先降低，后升高”的變化趨勢(shì)，且NR處理的土壤速效鉀含量在各年份均高于R處理。從化學(xué)鉀素投入的角度來(lái)看，R處理的鉀素投入量為210 kg/hm2，較NR處理降低30%，而在2017年，R處理土壤速效鉀含量較NR處理降低27.8%，結(jié)合兩處理的土壤速效鉀累積規(guī)律發(fā)現(xiàn)，烤煙-冬閑-烤煙連作所投入的鉀素能夠使土壤速效鉀維持在較高水平，而烤煙-冬閑-玉米輪作所投入的鉀素即使在減量條件下更傾向于累積土壤速效鉀。

2.4 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤pH值的影響

不同的烤煙種植制度對(duì)土壤pH值均具有顯著影響（P＜0.05，圖8）。NR處理與R處理隨著種植年限的增加，土壤pH值均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。NR處理的土壤pH值由6.88下降至6.16，降幅達(dá)10.4%，R處理的土壤pH值由6.86下降至6.35，降幅達(dá)7.5%，2017年，R處理的土壤pH值較NR處理高0.19個(gè)pH值單位。由此說(shuō)明，化肥的投入必然會(huì)引起土壤pH值的降低，但烤煙-玉米輪作對(duì)土壤pH值的影響較烤煙連作小，減緩了土壤酸化進(jìn)程。

圖7 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤速效鉀含量的影響

圖8 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤pH值的影響

2.5 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤容重和孔隙度的影響

單施化肥條件下，烤煙-冬閑-烤煙與烤煙-冬閑-玉米兩種種植制度對(duì)黃壤容重和孔隙度的影響均較?。ū?）。NR處理與R處理的土壤容重與孔隙度均表現(xiàn)為差異不顯著（P＞0.05）。說(shuō)明在單施化肥條件下進(jìn)行烤煙-玉米輪作和烤煙連作在10年種植期限內(nèi)對(duì)土壤容重和孔隙度等物理性狀無(wú)顯著影響。

表3 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤容重和孔隙度的影響

2.6 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤微生物數(shù)量的影響

不同種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤的微生物數(shù)量影響顯著（P＜0.05，表4）。與NR處理相比，R處理土壤中的細(xì)菌、放線菌數(shù)量顯著降低，真菌數(shù)量維持穩(wěn)定。說(shuō)明烤煙連作與烤煙-冬閑-玉米輪作對(duì)農(nóng)田黃壤真菌數(shù)量的影響均較小，而對(duì)細(xì)菌、放線菌兩大類土壤微生物數(shù)量影響顯著，烤煙-冬閑-玉米輪作改善了農(nóng)田黃壤中細(xì)菌、放線菌的繁殖，促進(jìn)了農(nóng)田向“細(xì)菌型”土壤的轉(zhuǎn)化。

表4 貴州山地烤煙種植制度對(duì)農(nóng)田黃壤可培養(yǎng)細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量的影響

3 討論與結(jié)論

土壤化學(xué)性狀、物理性狀和生物學(xué)性狀是土壤肥力的3個(gè)重要組成部分，也是土壤評(píng)價(jià)的重要依據(jù)，而土壤的化學(xué)養(yǎng)分更是地力形成的基礎(chǔ)［15-16］。本研究通過(guò)對(duì)比烤煙-冬閑-烤煙連作與烤煙-冬閑-玉米輪作對(duì)農(nóng)田黃壤養(yǎng)分10年的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，烤煙連作與烤煙-玉米輪作處理的土壤全氮含量呈增加趨勢(shì)，雖然后者較前者氮素投入量提高10%，但土壤全氮含量增幅低于后者。宋震震等［17］通過(guò)長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，施用化肥能夠提高土壤全氮含量；在引起土壤全氮含量變化的諸多因素中，李菲等［18］認(rèn)為主要因素為植被（74.31%），次要因素為季節(jié)（14.85%），說(shuō)明作物自身是影響全氮含量變化的主要原因。本研究中，2016年烤煙-冬閑-玉米輪作中烤煙、玉米氮素累積量分別為47.09、111.92 kg/hm2，烤煙-冬閑-烤煙連作中烤煙氮素累積量為33.72 kg/hm2［19］。以2年為周期，輪作處理的氮素累積量較連作處理高，對(duì)土壤氮素養(yǎng)分的依賴性更強(qiáng)，所以全氮和堿解氮含量均低于烤煙連作處理。由此說(shuō)明，在單施化肥條件下采用烤煙-冬閑-玉米輪作更有利于穩(wěn)定土壤的供氮能力，抑制因化學(xué)氮肥施用對(duì)土壤氮素供給能力的過(guò)度提高，降低土壤氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。在土壤有機(jī)碳方面，試驗(yàn)開展前期的波動(dòng)幅度較大。為降低氣候環(huán)境對(duì)試驗(yàn)地的影響，試驗(yàn)開始前進(jìn)行土地平整，小區(qū)部分區(qū)域中有機(jī)碳含量較高的土壤被移至低洼處，有機(jī)碳含量較低的土壤成為表層土，導(dǎo)致試驗(yàn)第一年結(jié)束后的土壤有機(jī)碳含量低于基礎(chǔ)土壤樣本；試驗(yàn)開始后，連作處理土壤中的有機(jī)碳含量在2010～2011年劇烈下降，且全氮、全磷含量均偏低，土壤pH值偏高，經(jīng)查證該期間的平均溫度、降雨量等氣象數(shù)據(jù)均未有異常表現(xiàn)，基本能夠排除氣候因素對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響?？紤]到試驗(yàn)地前期進(jìn)行過(guò)土地平整工作，極有可能對(duì)部分養(yǎng)分造成異常，但具體原因尚待研究。與連作處理相比，輪作處理的有機(jī)碳整體降幅低于連作處理，該現(xiàn)象表明化學(xué)氮肥的大量投入并非是引起土壤有機(jī)碳含量大幅降低的唯一因素，土壤有機(jī)碳的變化還與不同作物種植制度、茬口處理方式密切相關(guān)。國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究認(rèn)為作物凋落物、殘茬的處理方式會(huì)影響旱作土壤中的有機(jī)碳含量；在種植制度方面，宋麗萍等［20］發(fā)現(xiàn)苜蓿與不同作物進(jìn)行輪作對(duì)土壤有機(jī)碳含量有一定影響，但也并未排除不同作物根茬對(duì)土壤有機(jī)碳的影響。

作為植物可以直接利用的土壤速效養(yǎng)分含量與種植制度的關(guān)系密不可分［21-22］。研究發(fā)現(xiàn)烤煙-冬閑-玉米輪作處理的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量以及土壤酸度的降低強(qiáng)度均低于烤煙連作處理，降低了土壤中氮、磷、鉀的養(yǎng)分流失，也減緩了土壤的酸化程度，穩(wěn)定了作物的生長(zhǎng)環(huán)境。張艷［23］通過(guò)6年的烤煙-玉米輪作與烤煙連作的研究發(fā)現(xiàn)，輪作條件下的土壤有效磷、鉀含量較連作降低，與本研究結(jié)果相同。在土壤酸度方面，羅茜［24］采用小麥、綠肥、玉米、紅薯等作物與烤煙輪作制度研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的pH值變化方向不一，但均不低于烤煙連作處理，與本研究結(jié)果相一致，由此說(shuō)明烤煙-冬閑-玉米輪作中，不同形態(tài)的養(yǎng)分投入與作物根系分泌物同土壤酸度變化關(guān)系密切［24-26］。

長(zhǎng)期施肥不僅對(duì)土壤的化學(xué)性狀產(chǎn)生顯著影響，還會(huì)影響土壤的生物學(xué)性狀。細(xì)菌是農(nóng)田土壤中的關(guān)鍵性微生物，土壤中細(xì)菌數(shù)量的增加標(biāo)志著土壤養(yǎng)分循環(huán)和利用效率的提高［27-29］。本研究分析了長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響發(fā)現(xiàn)，化肥氮投入量較高的烤煙-冬閑-玉米輪作處理顯著影響土壤中的細(xì)菌和真菌的數(shù)量。與烤煙連作處理相比，輪作處理中細(xì)菌和放線菌的數(shù)量顯著升高，在一定程度上促進(jìn)了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)逐漸從“真菌型”向“細(xì)菌型”轉(zhuǎn)化。

對(duì)比烤煙-冬閑-烤煙連作和烤煙-冬閑-玉米輪作兩種種植制度對(duì)貴州山地農(nóng)田黃壤肥力的影響認(rèn)為，輪作處理能夠減緩?fù)寥乐械?、磷、鉀全量和速效形態(tài)養(yǎng)分含量的累積強(qiáng)度，并減少土壤有機(jī)碳的損失，緩解因施用化肥導(dǎo)致的土壤酸化，穩(wěn)定土壤中細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量構(gòu)成，但對(duì)土壤容重和孔隙度無(wú)顯著影響。