張 恒, 曹廷茂, 朱經(jīng)偉, 劉艷霞, 楊 瓊, 李 寒

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

0 引言

【研究意義】烤煙是我國重要的經(jīng)濟作物,隨著社會經(jīng)濟發(fā)展,環(huán)保意識不斷提高,生態(tài)友好型優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)成為學(xué)者的關(guān)注焦點[1-2]?？緹熒a(chǎn)中為保證煙葉產(chǎn)量與質(zhì)量,長期大量投入氮、磷、鉀肥,據(jù)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(chǎn)量與質(zhì)量的同時實現(xiàn)化肥合理施用、提高化肥利用率、提高土壤生產(chǎn)力和可持續(xù)利用力,同時促進人與自然和諧發(fā)展成為土壤學(xué)的研究熱點[3]。因此,探索不同施肥方式下土壤性質(zhì)演變規(guī)律對開展化肥減量研究可起到有效支撐作用。【前人研究進展】隨著我國化學(xué)工業(yè)的快速發(fā)展,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重化肥輕有機肥的生產(chǎn)現(xiàn)狀日趨嚴重,ISLAM等[4-5]研究表明,長期過量施用無機態(tài)化肥會導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降,生產(chǎn)力變?nèi)?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P(guān)ark Grass的表土pH由5.2降低至4.2,因土壤酸化致使小麥產(chǎn)量降低。劉艷霞等[6]研究發(fā)現(xiàn),連續(xù)施用不同種類化肥對土壤微生物群落產(chǎn)生不利影響,其中,復(fù)合肥對土壤的沖擊作用大于單質(zhì)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(fù)性、地理定位性、歷史代表性等優(yōu)點的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),是發(fā)現(xiàn)重大科學(xué)問題、開展重要科學(xué)研究的關(guān)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)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(xué)養(yǎng)分、物理性狀、生物性狀及烤煙產(chǎn)質(zhì)量的影響。【擬解決的關(guān)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(tài)多樣性以及烤煙產(chǎn)量和感官質(zhì)量的影響,以期為推動植煙土壤保育工作提供依據(jù)。

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(zhèn)貴州省煙草科學(xué)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(shù)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(nóng)田,于2007年冬進行初步土地平整并完成相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),土壤屬黃壤黃泥土,pH 6.9,有機質(zhì)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(qū)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(xué)研究院良種繁育中心提供。

1.2.2 玉米 供試玉米品種為當?shù)刂髟云贩N黔單1號,購自農(nóng)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(yè)有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設(shè)計 試驗為長期定位監(jiān)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(fù),共8個小區(qū),依次排列,每小區(qū)周邊用水泥板隔離,避免小區(qū)間養(yǎng)分干擾,小區(qū)面積144 m2,每小區(qū)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?shù)貎?yōu)質(zhì)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(chǎn)質(zhì)量的影響試驗設(shè)計方案

1.3.2 指標測定

1) 土壤理化性狀測定?？緹煛⒂衩撞墒蘸?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(jīng)風(fēng)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(huán)刀法測定[13]。

2) 土壤微生物生態(tài)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(tǒng)(Biolog Inc. Hayward Cal.USA)測定土壤微生物生態(tài)多樣性指數(shù)[14]。

3) 烤煙產(chǎn)量和感官質(zhì)量測定。烤煙成熟期按小區(qū)成熟采收,烘烤結(jié)束后統(tǒng)計產(chǎn)量;每處理分別取C3F葉(葉位8～11片)1～2 kg進行感官評吸質(zhì)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(zhì)(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(tǒng)計總分。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2013和SASS 9.1對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥方式植煙土壤的全量養(yǎng)分含量

由圖1可知,長期不同施肥方式下土壤的全量養(yǎng)分含量變化存在差異。有機質(zhì):各處理土壤有機質(zhì)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(zhì)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(yǎng)分含量下降,增施氮磷鉀肥后,其養(yǎng)分逐漸在土壤中累積轉(zhuǎn)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(yǎng)分含量

2.2 長期不同施肥方式植煙土壤的速效養(yǎng)分含量

由圖2可知,長期不同施肥方式下土壤速效養(yǎng)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(xiàn)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(wěn)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(wěn)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(wěn)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(yǎng)分含量下降,以氮、鉀養(yǎng)分消耗較快,磷養(yǎng)分消耗較慢,增施氮磷鉀肥后,其養(yǎng)分逐漸在土壤中累積轉(zhuǎn)化,使得土壤速效養(yǎng)分含量增加,有利于提高當季的養(yǎng)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(yǎng)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(shù)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(nèi)變化不大,施入化肥后,土壤pH下降,出現(xiàn)酸化現(xiàn)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(jié)構(gòu),而長期施用氮磷鉀肥會導(dǎo)致土壤容重增加,孔隙度下降,從而使土壤物理結(jié)構(gòu)變差。同一施肥方式下,各處理土壤微生物多樣性指數(shù)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(shù)均表現(xiàn)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(dǎo)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(shù)

2.5 長期不同施肥方式烤后煙葉的產(chǎn)量及感官質(zhì)量

由圖4可知,產(chǎn)量:不同施肥方式煙葉產(chǎn)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(chǎn)量均表現(xiàn)為NPK>NK>NP>CK,與CK比,NP、NK、NPK處理煙葉產(chǎn)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(yǎng)分,難以維持作物正常生長,從而降低烤煙產(chǎn)量;施入肥料后,NPK處理增產(chǎn)最大,其次是NK處理,NP處理增產(chǎn)最低,因此,鉀素缺失供應(yīng)對烤煙產(chǎn)量的影響強于磷素。感官質(zhì)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(xiàn)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(zhì)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(zhì)量降幅加劇,且鉀素對煙葉感官質(zhì)量的影響強于磷素。

3 討論

土壤化學(xué)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(zhì)量的重要依據(jù),其中土壤化學(xué)養(yǎng)分是地力形成的基礎(chǔ)[15-16]。有機質(zhì)既是植物礦質(zhì)營養(yǎng)和有機營養(yǎng)的供給源,也是形成土壤結(jié)構(gòu)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(zhì)含量均較試前有所降低,與徐寧等[18-21]的研究結(jié)論相似,而與高亞軍等[22-23]研究結(jié)果即單施化肥可提高土壤有機質(zhì)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(zhì)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(zhì)的分解與流失,而不同施肥方式的土壤有機質(zhì)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(guān)。作物產(chǎn)量越高,其殘留有機物越多,則土壤有機質(zhì)含量越高。土壤全量養(yǎng)分反映土壤的潛在供肥能力,速效養(yǎng)分反映土壤的直接供肥能力,二者間存在源與庫的關(guān)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(yǎng)分,導(dǎo)致其含量下降,與邱多生等[25]的研究結(jié)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(yǎng)分逐漸在土壤累積,從而提高土壤全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分含量,與鄒湘等[26-27]的研究結(jié)果一致;從養(yǎng)分積累程度看,磷>鉀>氮,主要與營養(yǎng)元素在土壤中的損失率不同有關(guān)。長期單施化肥會導(dǎo)致土壤酸化[28-30]。研究結(jié)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(dǎo)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(chǎn)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(jié)構(gòu)遭受破壞,進而導(dǎo)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(nóng)事操作有關(guān)。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(jié)構(gòu)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(dǎo)致微生物群落多樣性產(chǎn)生差異[32],在養(yǎng)分平衡供應(yīng)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(yǎng)分供應(yīng)失衡,使得喜磷、喜鉀的微生物因養(yǎng)分供應(yīng)不足而逐漸減少,從而導(dǎo)致土壤微生物種類減少,多樣性下降。

從營養(yǎng)角度看,煙葉產(chǎn)質(zhì)量的形成不僅源于足量的養(yǎng)分供應(yīng),同時源于養(yǎng)分投入的平衡[33]。不施肥種植烤煙,土壤養(yǎng)分供應(yīng)不足,導(dǎo)致煙葉產(chǎn)質(zhì)量下降;而長期缺磷、缺鉀種植烤煙,煙株養(yǎng)分供給平衡被打破,也會導(dǎo)致煙葉產(chǎn)質(zhì)量下降,且缺鉀對煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響大于缺磷。研究表明,不同施肥方式煙葉產(chǎn)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(chǎn)量均表現(xiàn)為NPK>NK>NP>CK,煙葉感官評吸總分大致表現(xiàn)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(chǎn)質(zhì)量隨種植年限增加而降低;在缺磷或缺鉀情況下煙葉產(chǎn)質(zhì)量降幅加劇,且鉀素對其的影響強于磷素。由于不同養(yǎng)分在土壤中的累積情況不同,長期全營養(yǎng)施肥,同樣會造成土壤中速效養(yǎng)分的比例失衡,從而導(dǎo)致煙葉產(chǎn)質(zhì)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(dǎo)致煙葉產(chǎn)質(zhì)量下降需要進一步研究。

4 結(jié)論

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