長期不同施肥方式對植煙土壤性狀與烤煙產質量的影響

張 恒, 曹廷茂, 朱經偉, 劉艷霞, 楊 瓊, 李 寒

(1.貴州省煙草科學研究院, 貴州 貴陽 550081; 2.貴州省煙草公司 畢節市公司, 貴州 畢節 551701)

0 引言

【研究意義】烤煙是我國重要的經濟作物,隨著社會經濟發展,環保意識不斷提高,生態友好型優質烤煙生產成為學者的關注焦點[1-2]?？緹熒a中為保證煙葉產量與質量,長期大量投入氮、磷、鉀肥,據測算,貴州省當季烤煙N、P2O5和K2O的投入量分別達105 kg/hm2、75 kg/hm2和280 kg/hm2,而其當季利用率僅約30%、10%和20%。如何在保證作物產量與質量的同時實現化肥合理施用、提高化肥利用率、提高土壤生產力和可持續利用力,同時促進人與自然和諧發展成為土壤學的研究熱點[3]。因此,探索不同施肥方式下土壤性質演變規律對開展化肥減量研究可起到有效支撐作用?！厩叭搜芯窟M展】隨著我國化學工業的快速發展,農業生產中重化肥輕有機肥的生產現狀日趨嚴重,ISLAM等[4-5]研究表明,長期過量施用無機態化肥會導致土壤質量下降,生產力變弱;1883—1991年洛桑試驗站Geescroft Wilderness的表土pH由6.2降低至3.8;1876—1991年Park Grass的表土pH由5.2降低至4.2,因土壤酸化致使小麥產量降低。劉艷霞等[6]研究發現,連續施用不同種類化肥對土壤微生物群落產生不利影響,其中,復合肥對土壤的沖擊作用大于單質肥料。竇森等[7-8]研究表明,短期施用化肥對土壤酶活性及土壤團聚體的影響較小,長期施用化肥則會降低土壤酶活性及影響大團聚體形成?！狙芯壳腥朦c】長期定位施肥試驗是采取既“長期”又“定位”的特殊方式,定向形成具有時間長期性、氣候重復性、地理定位性、歷史代表性等優點的農田生態系統,是發現重大科學問題、開展重要科學研究的關鍵性平臺[9-10]。該方法具有信息量豐富、準確可靠、解釋能力強等特點,可為農業生產發展提供參考[11]。因此,有必要開展長期定位試驗,研究不同施肥方式對土壤化學養分、物理性狀、生物性狀及烤煙產質量的影響?！緮M解決的關鍵問題】采用烤煙-玉米輪作方式,探究長期不同施肥方式對貴州典型植煙土壤理化性狀、微生物生態多樣性以及烤煙產量和感官質量的影響,以期為推動植煙土壤保育工作提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2008—2022年在貴州省開陽縣龍崗鎮貴州省煙草科學研究院綜合實驗基地(26.88°N、107.10°E)進行,海拔1 113 m,年均氣溫10.6～15.3 ℃,年日照時數1 148.3 h,年降水量1 129.5 mm,年平均相對濕度77%,屬亞熱帶濕潤溫和型氣候。試驗地為長期基本農田,于2007年冬進行初步土地平整并完成相應基礎設施建設,土壤屬黃壤黃泥土,pH 6.9,有機質55.4 g/kg,全氮2.4 g/kg,全磷1.2 g/kg,全鉀18.1 g/kg,堿解氮146.1 mg/kg,有效磷20.9 mg/kg,速效鉀185.5 mg/kg,在貴州省植煙區中具有典型性和代表性。

1.2 試驗材料

1.2.1 烤煙 供試烤煙品種為K326,由貴州省煙草科學研究院良種繁育中心提供。

1.2.2 玉米 供試玉米品種為當地主栽品種黔單1號,購自農資商店。

1.2.3 肥料 硝酸銨(N 35%)、過磷酸鈣(P2O516%)、硫酸鉀(K2O 50%)購自貴州科泰金福肥業有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 試驗為長期定位監測試驗,選取4個處理(表1),分別為不施肥(CK)、施氮磷肥(NP)、施氮鉀肥(NK)和施氮磷鉀肥(NPK),每處理2次重復,共8個小區,依次排列,每小區周邊用水泥板隔離,避免小區間養分干擾,小區面積144 m2,每小區獨自進行烤煙-玉米輪作,烤煙和玉米種植密度分別為16 500株/hm2和45 000株/hm2,田間管理均與當地優質烤煙和玉米栽培管理措施一致?；屎妥贩示捎枚垦ㄊ?烤煙季各處理氮肥和鉀肥的基追比均為3∶2,磷肥作基肥一次性施用;玉米季各處理氮肥基追比為2∶3∶5,磷肥和鉀肥均作基肥一次性施用。

表1 長期不同施肥方式對植煙土壤性狀與烤煙產質量的影響試驗設計方案

1.3.2 指標測定

1) 土壤理化性狀測定?？緹?、玉米采收后,按多點取樣原則每處理采集0～20 cm壟體表土混合樣500 g,用“四分法”將土壤樣品分為4份,隨機取其中1份土壤樣品經風干、磨碎,過0.15 mm和1.00 mm篩后測定土壤pH、有機碳、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷及速效鉀含量[12];土壤容重和土壤孔隙度均采用環刀法測定[13]。

2) 土壤微生物生態多樣性測定。每處理選取代表性烤煙3株,在煙株根部壟體中采集移栽后60 d的根際土壤用Biolog EcoPlate系統(Biolog Inc. Hayward Cal.USA)測定土壤微生物生態多樣性指數[14]。

3) 烤煙產量和感官質量測定?？緹煶墒炱诎葱^成熟采收,烘烤結束后統計產量;每處理分別取C3F葉(葉位8～11片)1～2 kg進行感官評吸質量檢測,參照《煙草及煙草制品 感官評價方法》(YC/T 138—1998)對香氣質(10分)、香氣量(10分)、吃味(12分)、雜氣(10分)和刺激性(10分)等指標進行感官評價,評價后統計總分。

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2013和SASS 9.1對試驗數據進行統計分析與繪圖。

2 結果與分析

2.1 長期不同施肥方式植煙土壤的全量養分含量

由圖1可知,長期不同施肥方式下土壤的全量養分含量變化存在差異。有機質:各處理土壤有機質含量隨種植年限增加呈明顯下降趨勢,CK、NP、NK、NPK處理分別平均下降24.19 g/kg、15.41 g/kg、14.94 g/kg、14.38 g/kg,降幅分別為44.27%、32.15%、28.80%、26.56%,年平均下降速率為1.61 g/kg、1.03 g/kg、1.00 g/kg、0.96 g/kg?？梢?在未補充有機物料的情況下進行烤煙-玉米輪作,土壤有機質含量逐年遞減,下降程度以CK最高,其次是NP和NK處理,NPK處理最低。全氮:在不施肥情況下(CK),土壤全氮含量隨種植年限增加呈下降趨勢,降幅達24.09%;施入氮肥后,NP、NK、NPK處理土壤全氮含量隨種植年限增加呈增加趨勢,增幅分別為8.44%、2.30%、5.88%,以NP處理最大,NK處理最小。全磷:不施磷肥情況下,CK、NK處理土壤全磷含量隨種植年限增加呈逐漸下降趨勢,降幅分別為26.88%、26.02%;施入磷肥后,NP、NPK處理土壤全磷含量隨種植年限增加呈逐漸增加趨勢,增幅分別為25.28%、17.85%,以NP處理最大。全鉀:不施鉀肥情況下,CK、NP處理土壤全鉀含量隨種植年限增加呈逐漸下降趨勢,降幅分別為12.67%、9.16%;施入鉀肥后,NK、NPK處理土壤全鉀含量隨種植年限增加呈逐漸增加趨勢,增幅分別為6.24%、8.08%,以NPK處理最大。表明,在不施氮磷鉀肥情況下,植物生長會消耗土壤中的氮磷鉀,使得土壤全量養分含量下降,增施氮磷鉀肥后,其養分逐漸在土壤中累積轉化,使得土壤潛在的供肥能力提高,從而促進烤煙和玉米生長。

圖1 長期不同施肥方式植煙土壤的全量養分含量

2.2 長期不同施肥方式植煙土壤的速效養分含量

由圖2可知,長期不同施肥方式下土壤速效養分含量變化存在差異。堿解氮:在不施肥情況下(CK),土壤堿解氮含量逐年遞減,平均下降33.80%;在施入氮肥后,NP、NK、NPK處理堿解氮含量呈先降后增趨勢,拐點出現在2012年,2022年其含量較2008年分別下降18.45%、14.02%、9.51%,較2012年分別增加36.87%、22.15%、29.91%。速效磷:在不施磷肥情況下,CK、NK處理速效磷含量呈降低趨勢,平均下降22.95%、13.76%,年平均降幅為1.53%、0.92%;施入磷肥后,NP、NPK處理速效磷含量呈迅速增加并趨于穩定趨勢,2008—2017年為迅速積累期,年平均增幅達22.51%、27.89%,2017—2022年其含量基本維持在45 mg/kg。速效鉀:在不施入鉀肥情況下,CK、NP處理速效鉀含量呈迅速下降并趨于穩定趨勢,2008—2013年為迅速下降期,平均下降60.43%、40.74%,年平均降幅為10.30%、10.11%,2014—2022年其含量基本穩定在73 mg/kg;施入鉀肥后,NK、NPK處理速效鉀含量呈逐漸增加趨勢,平均增加29.15%、31.41%。表明,在不施氮磷鉀肥情況下,植物生長會消耗土壤中的氮磷鉀,使得土壤速效養分含量下降,以氮、鉀養分消耗較快,磷養分消耗較慢,增施氮磷鉀肥后,其養分逐漸在土壤中累積轉化,使得土壤速效養分含量增加,有利于提高當季的養分供給能力,促進烤煙和玉米生長。

圖2 長期不同施肥方式植煙土壤的速效養分含量

2.3 長期不同施肥方式植煙土壤的酸堿度

由圖3看出,長期不同施肥方式土壤pH的變化不同,在不施肥情況下(CK)土壤pH變化不明顯,年間變異系數僅為1.52%;施入肥料后,NP、NK、NPK處理土壤pH隨種植年限增加呈逐漸下降趨勢,降幅分別為6.19%、5.20%、6.41%。表明,不施化肥土壤pH在短期內變化不大,施入化肥后,土壤pH下降,出現酸化現象,酸化程度依次為NPK處理>NP處理>NK處理。

圖3 長期不同施肥方式植煙土壤的pH

2.4 長期不同施肥方式植煙土壤的物理性狀及微生物多樣性

從表2看出,長期不同施肥方式植煙土壤的容重、孔隙度及微生物多樣性變化存在差異。各施肥處理土壤容重隨種植年限增加均呈下降趨勢,孔隙度均呈增加趨勢。種植15年后,NP、NK和NPK處理土壤容重均顯著高于CK,依次為NPK(1.22 g/cm3)>NK(1.16 g/cm3)>NP(1.14 g/cm3)>CK(1.12 g/cm3);土壤孔隙度為CK(57.74%)>NP(57.06%)>NK(56.14%)>NPK(53.82%),其中,NPK處理顯著低于其他處理,CK、NP、NK處理間差異不顯著。說明,從時間尺度看,長期輪作可改善土壤物理結構,而長期施用氮磷鉀肥會導致土壤容重增加,孔隙度下降,從而使土壤物理結構變差。同一施肥方式下,各處理土壤微生物多樣性指數隨種植年限增加變化均不明顯;不同施肥方式下,土壤微生物多樣性指數均表現為CK和NPK處理顯著高于NP和NK處理,表明,土壤長期不施肥或施氮磷鉀肥下進行烤煙-玉米輪作不會對土壤微生物多樣性造成影響,而缺磷或缺鉀施肥情況下會導致土壤微生物多樣性下降。

表2 長期不同施肥方式植煙土壤的容重及孔隙度與微生物多樣性指數

2.5 長期不同施肥方式烤后煙葉的產量及感官質量

由圖4可知,產量:不同施肥方式煙葉產量隨種植年限增加均呈逐漸降低趨勢,CK、NP、NK、NPK處理分別平均下降805.88 kg/hm2、488.44 kg/hm2、474.44 kg/hm2、631.88 kg/hm2,降幅分別為57.40%、24.12%、22.37%、27.44%。同一年份看,煙葉產量均表現為NPK>NK>NP>CK,與CK比,NP、NK、NPK處理煙葉產量分別平均提高44.71%、93.39%、122.06%。表明,土壤不施肥進行烤煙-玉米輪作,僅依靠土壤供給養分,難以維持作物正常生長,從而降低烤煙產量;施入肥料后,NPK處理增產最大,其次是NK處理,NP處理增產最低,因此,鉀素缺失供應對烤煙產量的影響強于磷素。感官質量:不同施肥方式煙葉感官評吸總分隨種植年限增加均呈逐漸降低趨勢,2021年CK、NP、NK、NPK煙葉感官評吸總分較2008年分別下降3.09分、8.13分、5.90分、3.82分。從同一年份看,煙葉感官評吸總分大致表現為CK和NPK處理高于NK和NP處理,與NP處理比,NK、NPK處理各年度分別平均提高了1.30分、2.05分。表明,土壤不施肥或施氮磷鉀肥狀況下,煙葉感官質量隨種植年限增加而降低;在缺磷或缺鉀情況下煙葉感官質量降幅加劇,且鉀素對煙葉感官質量的影響強于磷素。

3 討論

土壤化學性狀、物理性狀和生物性狀是土壤肥力的3個重要組成部分,是評價土壤質量的重要依據,其中土壤化學養分是地力形成的基礎[15-16]。有機質既是植物礦質營養和有機營養的供給源,也是形成土壤結構的重要因素之一[17]。研究表明,長期不施肥或單施化肥土壤有機質含量均較試前有所降低,與徐寧等[18-21]的研究結論相似,而與高亞軍等[22-23]研究結果即單施化肥可提高土壤有機質含量存在差異。表明,不同的氣候條件、土壤狀況、耕作制度及施肥用量等使得土壤有機質的含量變化存在差異。本試驗開展過程中,每年作物收獲后進行土壤深翻,加快了有機質的分解與流失,而不同施肥方式的土壤有機質含量差異與殘留在土壤中的作物殘茬、根茬和根系分泌物的量等不同有關。作物產量越高,其殘留有機物越多,則土壤有機質含量越高。土壤全量養分反映土壤的潛在供肥能力,速效養分反映土壤的直接供肥能力,二者間存在源與庫的關系[24]。研究表明,在不施肥或缺磷、缺鉀施肥情況下,作物生長會消耗土壤的速效養分,導致其含量下降,與邱多生等[25]的研究結果一致;施入化肥后,在植物有限的攜出量下,隨著種植年限增加,化肥中速效養分逐漸在土壤累積,從而提高土壤全量養分和速效養分含量,與鄒湘等[26-27]的研究結果一致;從養分積累程度看,磷>鉀>氮,主要與營養元素在土壤中的損失率不同有關。長期單施化肥會導致土壤酸化[28-30]。研究結果顯示,不施肥處理土壤pH變化不大,施入氮磷鉀肥后,土壤pH隨種植年限增加呈逐漸下降趨勢,表明長期施用化肥是導致土壤酸化的重要因素。

不同施肥方式和土壤管理方式可對土壤容重和孔隙度產生影響,龔偉等[31]研究認為,長期單施化肥,其帶入土壤中的鹽離子使得土壤大團聚體分散,團粒結構遭受破壞,進而導致土壤容重增加,土壤顆粒間空間減少,孔隙度下降。研究表明,不同施肥方式下,土壤容重隨種植年限增加均下降,孔隙度增加,原因可能與烤煙栽培中實行高壟深栽,且每年收獲后、種植前進行土地深翻、旋耕等農事操作有關。表明,在長期單施化肥情況下,合理的土壤管理方式是保持土壤耕層結構的有效措施。長期不同的施肥方式會馴化土壤中的微生物群落,導致微生物群落多樣性產生差異[32],在養分平衡供應情況下,可滿足土壤各類微生物的生長需求。因此,長期不施肥或施氮磷鉀肥對土壤微生物多樣性影響不大,而土壤長期缺磷、缺鉀施肥,土壤磷鉀養分供應失衡,使得喜磷、喜鉀的微生物因養分供應不足而逐漸減少,從而導致土壤微生物種類減少,多樣性下降。

從營養角度看,煙葉產質量的形成不僅源于足量的養分供應,同時源于養分投入的平衡[33]。不施肥種植烤煙,土壤養分供應不足,導致煙葉產質量下降;而長期缺磷、缺鉀種植烤煙,煙株養分供給平衡被打破,也會導致煙葉產質量下降,且缺鉀對煙葉產質量的影響大于缺磷。研究表明,不同施肥方式煙葉產量隨種植年限增加均呈逐漸降低趨勢,CK、NP、NK、NPK處理平均降幅分別為57.40%、24.12%、22.37%、27.44%;從同一年份看,煙葉產量均表現為NPK>NK>NP>CK,煙葉感官評吸總分大致表現為CK和NPK處理高于NK和NP處理,與NP處理比,NK和NPK處理各年度平均提高1.30分和2.05分。表明,土壤不施肥或施氮磷鉀肥狀況下,煙葉產質量隨種植年限增加而降低;在缺磷或缺鉀情況下煙葉產質量降幅加劇,且鉀素對其的影響強于磷素。由于不同養分在土壤中的累積情況不同,長期全營養施肥,同樣會造成土壤中速效養分的比例失衡,從而導致煙葉產質量下降。另外,長期施用化肥雖對土壤微生物多樣性影響不明顯,但其對微生物豐富度的影響是否會導致煙葉產質量下降需要進一步研究。

4 結論

綜合分析長期定位施肥試驗不同施肥方式對土壤化學性狀、物理性狀、生物性狀及煙葉產質量的影響認為,長期施用化肥對土壤氮、磷、鉀養分累積起主導作用,但對土壤有機質、酸堿度及煙葉產質量均產生不利影響,且鉀素對煙葉產質量的影響強于磷素。因此,在烤煙生產中為提高烤煙產量、改善品質以及保育植煙土壤,建議在減少化肥施用量基礎上,合理配施有機肥進行煙葉生產。