魏全全，芶久蘭，趙 歡，張 萌，周開芳，左明玉，茍世新，邵代興，肖厚軍*

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006;2.農(nóng)業(yè)部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，貴州 貴陽550006;3.貴州省遵義市土壤肥料工作站，貴州遵義 553000)

【研究意義】煙草是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，然而受限于我國土地資源短缺和經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，連作現(xiàn)象十分普遍且愈發(fā)嚴(yán)重。但長期連作會產(chǎn)生一系列生產(chǎn)問題，相關(guān)研究指出，烤煙連作顯著降低烤煙根、莖和葉的生物量［1］以及上等煙比例［2］，同時煙葉品質(zhì)降低，評吸質(zhì)量下降［3－4］，煙地養(yǎng)分比例失調(diào)［5］，不利于現(xiàn)代煙草產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?？茖W(xué)的輪作模式能有效減輕連作障礙，是保持土壤生產(chǎn)力和保障整個農(nóng)業(yè)健康生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的重要舉措［6］?？緹熭喿髂苡行Ц纳仆寥牢⑸锃h(huán)境［7］，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代煙草產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】董建江等［8］在皖南的試驗(yàn)結(jié)果表明，稻煙輪作能提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，維護(hù)皖南土壤肥力，并且提高作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值;蔡艷等［9］的結(jié)果表明，與連作相比，糧草輪作能顯著增加小麥籽粒和秸稈;陳丹梅等［10］研究表明，烤煙－苕子－水稻輪作模式土壤適合多種真菌的繁殖生長，提高作物產(chǎn)量和產(chǎn)值。黃壤是貴州典型的植煙土壤，且烤煙連作現(xiàn)象較為嚴(yán)重。輪作能有效減輕土壤病蟲害［11］，同時能提高烤煙的產(chǎn)量和品質(zhì)［12］?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】水稻－烤煙輪作模式是貴州近年發(fā)展的水旱輪作模式，然而有關(guān)貴州黃壤區(qū)稻－煙輪作下烤煙根系形態(tài)、養(yǎng)分利用及產(chǎn)質(zhì)量的變化研究變化并不多見?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究設(shè)置稻－煙輪作和煙－煙連作2種種植模式，在兩年1個輪作周期內(nèi)控制氮、磷和鉀用量一致，探究黃壤區(qū)兩種種植模式對水稻和烤煙產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、養(yǎng)分利用及烤煙根系生長的影響，明確適用于貴州烤煙的種植模式，為貴州黃壤區(qū)烤煙的科學(xué)合理種植提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2016和2017年在貴州省遵義市綏陽縣旺草鎮(zhèn)廣懷村青山組進(jìn)行，供試土壤為微酸性黃泥土。試驗(yàn)地土壤(2016年作物種植前)基本理化性質(zhì)為 pH 5.62，堿解氮108.7 mg·kg－1，有效磷37.6 mg·kg－1，速效鉀 272.0 mg·kg－1。

1.2 試驗(yàn)材料

水稻采用當(dāng)?shù)刂魍破贩N(粟香196)。烤煙品種是K326。水稻供試肥料為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和硫酸鉀(含K2O 50%);烤煙供試肥料為烤煙專用基肥(N∶P2O5∶K2O=10∶10∶23)、烤煙專用追肥(N∶P2O5∶K2O=15∶0∶30)、硝酸銨(含N 35%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和硫酸鉀(含K2O 50%)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)2種種植模式(稻－煙輪作和煙－煙連作)，每種種植模式各設(shè)置3次重復(fù)，共計(jì)6個處理，小區(qū)面積42 m2(6 m×7 m)，隨機(jī)區(qū)組排列，各小區(qū)起埂用塑料薄膜隔開單獨(dú)翻耕且作物單獨(dú)種植，不同重復(fù)間留排灌水溝預(yù)防小區(qū)漬水，并在小區(qū)缺水時及時補(bǔ)充水分。

兩種植模式同田進(jìn)行，試驗(yàn)開始前，2015年田塊夏季作物為烤煙，冬季種植作物為油菜(作綠肥)，共種植1a，2015年之前田塊作物為水稻。2016年為水稻和烤煙試驗(yàn)，2017年在水稻和烤煙收獲后的小區(qū)上分別種植烤煙。兩種植模式在兩年的養(yǎng)分總投入量控制一致，均為 N 195 kg·hm－2，P2O5180 kg·hm－2，K2O 270 kg·hm－2，每年具體施肥情況見表1。

烤煙栽種和施肥按貴州省煙草公司遵義市分公司的推薦規(guī)范技術(shù)進(jìn)行育苗、起壟和移栽，起壟不覆膜，烤煙移栽時施用烤煙專用肥40 kg，移栽20d后，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)追施烤煙專用追肥，其他養(yǎng)分用硝酸銨、過磷酸鈣和硫酸鉀配施，其他田間管理措施按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)措施進(jìn)行。2016年，水稻統(tǒng)一育苗栽培，于4月2日播種育苗，5月27日移栽，移栽密度為每小區(qū) 500穴(20行 ×25穴/行，11.91萬穴·hm－2)，9月22日統(tǒng)一收獲;烤煙于3月2日播種育苗，5月6日移栽，移栽密度為每小區(qū)54穴(6行×9穴/行，12 857穴·hm－2)，7月5日開始分次收獲。2017年，烤煙于3月6日播種育苗，5月12日移栽，移栽密度為每小區(qū)54穴(6行×9穴/行，12 857穴·hm－2)，7月13日開始分次收獲。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 測定項(xiàng)目 ①土壤樣品的采集與測定。土壤樣品在作物種植前采用“S”行取樣法在整個試驗(yàn)田采集，風(fēng)干磨細(xì)過篩后分別測定0～20和20～40 cm土壤pH、堿解氮、有效磷和速效鉀［13］;每一季作物收獲后分別在各種植模式小區(qū)取0～20和20～40 cm土壤，測定pH、堿解氮、有效磷、速效鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮［13］。②烤煙根系參數(shù)的測定。第2季烤煙第1次采收后(2017年7月13日)，無破壞挖取烤煙根系，用根系掃描儀分別測定根系根長、平均直徑、表面積和體積。③水稻、烤煙地上部生物量的測定。取水稻和烤煙收獲期，各小區(qū)選取有代表性植株6株(兜)，105℃下殺青30 min，60℃烘箱中烘至恒重，記錄干重，依次折算地上部生物量，其中烤煙生物量為多次采收累積。④水稻、烤煙產(chǎn)量的測定。水稻收獲期，各處理實(shí)打?qū)嵤?，分別計(jì)產(chǎn)?？緹煼制诓墒蘸婵?，各個時期實(shí)際采收烘烤量相加即為小區(qū)的實(shí)際產(chǎn)量。⑤水稻、烤煙養(yǎng)分的測定。水稻收獲期，各小區(qū)分別選取有代表性植株，105℃下殺青30 min，60℃烘箱中烘至恒重，分莖稈、葉片和籽粒測定N和K［13］;烤煙采收期，選取每次采收的烤煙樣品，60℃烘箱中烘至恒重，分莖稈和葉片測定N和K［13］。⑥水稻、烤煙養(yǎng)分累積量的計(jì)算。水稻養(yǎng)分累積量為莖稈、葉片和籽粒氮素累積量之和;烤煙養(yǎng)分累積量為采收期每次采收烤煙養(yǎng)分累積量及莖稈養(yǎng)分之和。

表1 稻－煙輪作與煙－煙連作試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design of rice-tobacco rotation and continuous cropping of tobacco

氮素累積量=氮含量×地上部生物量/1000

鉀素累積量=鉀含量×地上部生物量/1000

1.4.2 數(shù)據(jù)處理與分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析采用Microsoft Excel 2003軟件及SPSS 17.0軟件進(jìn)行，采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果則采用LSD法在P＜0.05和P＜0.01水平上進(jìn)行顯著性分析，制圖采用Origin 8.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 連作與輪作模式下烤煙根系外部形態(tài)及特征參數(shù)

根系是植株吸收養(yǎng)分和水分的器官，其生長狀況能反應(yīng)作物養(yǎng)分和水分的吸收能力。旺長期烤煙根系外部形態(tài)見圖1。連作種植模式下，烤煙部分根系顏色發(fā)黑，數(shù)量較少，且細(xì)根數(shù)目較少，根系生長相對較弱;輪作種植模式下，烤煙根系顏色正常，根系發(fā)達(dá)，數(shù)量較多，且細(xì)根數(shù)量較多，根系生長較連作模式根系旺盛。一般認(rèn)為，細(xì)根的吸收能力強(qiáng)于粗根［14］，輪作烤煙根系吸收能力強(qiáng)于連作烤煙。

與煙－煙連作相比，輪作模式下烤煙根長、根表面積和根總體積均顯著高于連作模式烤煙根，根平均直徑顯著低于連作模式烤煙根(表2)。輪作模式下，烤煙根長為14 777.9 cm，顯著高于連作模式的根長;由于輪作模式下，烤煙根系發(fā)達(dá)，數(shù)量較多，導(dǎo)致根平均直徑較小，為0.94 cm，顯著低于連作模式下的根直徑;總表面積以輪作模式烤煙根系較大，為5038.4 cm2，顯著高于連作模式的;輪作模式烤煙根總體積為128.33 cm3，顯著高于連作模式的根總體積。

2.2 水稻和烤煙的產(chǎn)量和產(chǎn)值

由表3可知，2016年水稻產(chǎn)量為7050 kg·hm－2，產(chǎn)值為15 510元·hm－2;烤煙產(chǎn)量為1224 kg·hm－2，產(chǎn)值為26 928元·hm－2，產(chǎn)值較水稻高11 418元·hm－2。由于2016年試驗(yàn)布置時降雨量較大，烤煙試驗(yàn)緊鄰水稻試驗(yàn)，試驗(yàn)地出現(xiàn)串水情況，并且試驗(yàn)布置前一年種植作物為烤煙，所以導(dǎo)致2016年烤煙產(chǎn)量相對較低。連作后，2017年烤煙的產(chǎn)量為1098 kg·hm－2，低于輪作模式，連作顯著降低烤煙產(chǎn)量。經(jīng)濟(jì)效益方面，連作后烤煙的產(chǎn)值為28 548元·hm－2，于較輪作模式低10 556元·hm－2，且差異顯著?？緹熯B作后產(chǎn)量和產(chǎn)值均明顯降低，連作降低烤煙產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，對烤煙發(fā)展有較大影響。

圖1 2017年連作與輪作的烤煙根系外部形態(tài)Fig.1 External morphology of roots under different planting patterns in 2017

表2 連作與輪作的烤煙根系特征參數(shù)Table 2 Parameters of tobacco roots in plant patterns of rotation and continuous cropping

表3 連作與輪作的兩季作物產(chǎn)量和產(chǎn)值Table 3 Yield and output of rice and tobacco in plant patterns of rotation and continuous cropping

2.3 連作與輪作對作物氮鉀吸收利用的影響

由表4可知，輪作模式下，水稻和烤煙氮素累積量分別為60.3 和 42.5 kg·hm－2，分別比連作烤煙高出25.1 和13.6 kg·hm－2，從總氮素累積量看，輪作模式氮素累積量為102.8 kg·hm－2，高于連作模式。連作模式下，2017年烤煙氮素累積顯著低于2016年。水稻和烤煙鉀素累積量分別為81.6和76.1 kg·hm－2，分別高出連作烤煙16.2 和 22.7 kg·hm－2，從總鉀素累積量看，輪作模式鉀素累積量為157.7 kg·hm－2，高于連作模式?？傮w來看，在兩年一個輪作周期內(nèi)，在肥料施用量相同的情況下，輪作模式的氮素和鉀素吸收量明顯高于連作模式，且2017年輪作模式下烤煙氮鉀累積量顯著高于連作模式，說明，連作降低了烤煙對氮鉀的吸收。

2.4 不同種植模式土壤的養(yǎng)分含量

與作物種植前(基礎(chǔ)土樣)相比，2種植模式下土壤不同層次養(yǎng)分含量變化明顯(表5)。pH:輪作模式下0～20和20～40 cm土層呈上升趨勢，連作則出現(xiàn)降低趨勢，輪作模式能提高土壤pH。堿解氮:輪作模式下兩季作物收獲后0～20和20～40 cm土層均呈升高趨勢，水稻收獲后不同土層分別增加 19.8 和 17.8 mg·kg－1，烤煙收獲后分別增加15.9 和8.7 mg·kg－1;連作模式下兩季作物收獲后不同土層分別增加39.9、35.3 和53.3 和14.1 mg·kg－1，其中連作模式的含量均高于輪作模式。有效磷:2種植模式下不同層次土壤有效磷含量均呈降低趨勢，連作模式土壤有效磷高于輪作模式。速效鉀含量:在烤煙收獲后均降低，其中輪作模式不同土層分別降低 19.5、27.9 和 23.5、63.1 mg·kg－1，連作模式分別降低7.0、14.7 和 14.4、29.5 mg·kg－1，連作模式土壤速效鉀高于輪作模式。硝態(tài)氮:輪作模式下0～20 cm土壤硝態(tài)氮呈先降后升趨勢，20～40 cm土壤硝態(tài)氮呈現(xiàn)先升后降趨勢，連作模式下土壤硝態(tài)氮均呈升高趨勢。銨態(tài)氮:輪作種植模式下，0～20 cm土壤銨態(tài)氮變化不大，20～40 cm土壤銨態(tài)氮呈降低趨勢;連作模式下，0～20 cm土壤銨態(tài)氮含量先增后降，20～40 cm土壤銨態(tài)氮呈降低趨勢。輪作模式下，土壤養(yǎng)分含量降低，除水稻和烤煙生長吸收外，水稻季也存在水土流失，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量降低;連作模式下，烤煙生長受阻，對土壤養(yǎng)分的吸收減少，養(yǎng)分帶出量降低，土壤養(yǎng)分含量高于輪作模式。

表4 連作與輪作的兩季作物氮吸收量Table 4 Nitrogen uptake of rice and tobacco in plant patterns of rotation and continuous cropping (kg·hm －2)

表5 連作與輪作兩年后土壤速效養(yǎng)分變化Table 5 Soil available nutrients two years later in plant patterns of rotation and continuous cropping

3 討論

作物通過根系吸收生長所必需的各種養(yǎng)分元素，其根系總表面積和總體積反映了根系的吸收能力［15］。與連作種植模式相比，輪作種植模式能提高烤煙的根系根長、總表面積和體積，降低根平均直徑，與前人在馬鈴薯的研究結(jié)果［16］一致。不同直徑范圍根系的吸收能力存在差別，一般認(rèn)為細(xì)根的吸收能力強(qiáng)于粗根［14］，主要是作物通過根系總長和表面積來擴(kuò)大根系與養(yǎng)分的接觸面積，增加了養(yǎng)分的吸收量和吸收效率，同時本研究連作模式下烤煙細(xì)根數(shù)量遠(yuǎn)低于粗根數(shù)量，導(dǎo)致了烤煙對養(yǎng)分吸收能力的下降，這也驗(yàn)證了連作模式下烤煙的產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收均低于輪作模式，但其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。但本試驗(yàn)條件下，連續(xù)2 a種植烤煙導(dǎo)致烤煙產(chǎn)量和養(yǎng)分的下降，這與鄧陽春等［2］利用盆栽試驗(yàn)得出烤煙連作4 a產(chǎn)量下降的結(jié)果不同，可能是由于烤煙品種和試驗(yàn)地的生態(tài)環(huán)境所致。本試驗(yàn)條件下，連作后烤煙的產(chǎn)量和產(chǎn)值均顯著低于輪作模式，說明烤煙連作阻礙烤煙的生長發(fā)育，使得烤煙減產(chǎn)。

土壤養(yǎng)分方面，與基礎(chǔ)土樣相比，連作降低土壤pH，這與前人研究結(jié)果［17］一致，堿解氮和硝態(tài)氮有上升的趨勢，有效磷和速效鉀變化不大，可能是由于連作后烤煙根系分泌物影響下茬烤煙生長，導(dǎo)致烤煙減產(chǎn)［18］，烤煙養(yǎng)分吸收帶出量減少，造成土壤養(yǎng)分含量的積累;輪作模式土壤養(yǎng)分含量均有所降低，原因一是水稻和烤煙生長吸收，二是水稻季的水土流失。有報道［2，19］指出，長期連作能導(dǎo)致一系列生長問題，不同學(xué)者認(rèn)為導(dǎo)致連作障礙的主要因子不盡相同［20－25］，因此在以后的研究中應(yīng)注重連作障礙機(jī)理的研究。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)通過研究兩種種植模式對烤煙根系、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益、養(yǎng)分利用和土壤理化性質(zhì)的影響，探究適宜黃壤烤煙種植的模式。綜合來看，黃壤區(qū)稻－煙輪作模式下烤煙各指標(biāo)均優(yōu)于煙－煙連作模式。因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)重視烤煙與水稻等其他作物輪作以提高產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)烤煙產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

致 謝:根系形態(tài)指標(biāo)由貴州省煙草科學(xué)研究院林葉春博士測定，特此致謝。