代方秀 杜杏蓉 李運國 鄧小鵬 姜永雷 趙正雄 王娜



摘要:通過分析連作條件下云南省3種植煙土壤(紅壤、水稻土、紫色土)的化學性狀指標及酶活性的變化特征,旨在進一步剖析烤煙連作障礙機制,指導烤煙種植布局優化。結果表明,連作5年導致3種植煙土壤的化學性狀和酶活性發生明顯變化,主要表現在pH值降低,土壤有機質、全氮、堿解氮和有效磷含量不同程度增加,過氧化氫酶、蔗糖酶活性降低,而脲酶、磷酸酶活性增強。逐步回歸分析結果顯示,3種植煙土壤的部分化學性狀指標與酶活性間存在密切的相互影響的關系。過氧化氫酶活性與pH值、全鉀含量之間具有極顯著的正相關性(P<0.05),與全磷、有效磷含量之間具有極顯著的負相關性(P<0.01);蔗糖酶、脲酶活性與有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮含量之間具有顯著或極顯著的正相關性(P<0.05或P<0.01),脲酶活性與pH值之間具有極顯著的負相關性(P<0.01);磷酸酶活性與pH值之間具有顯著的負相關性(P<0.05),與全磷、有效磷含量之間具有極顯著的正相關性(P<0.01)。總體而言,3種植煙土壤經連作5年后,以紫色土的化學性狀和酶活性變化幅度最小,對連作的響應相對最低。
關鍵詞:連作;土壤類型;化學性狀;酶活性;逐步回歸模型
中圖分類號: S572.01 文獻標志碼: A 文章編號:1002-1302(2021)16-0233-07
烤煙是忌連作作物,也是云南省乃至全國的主要經濟作物之一。長期連作嚴重影響烤煙的生長發育及產質量的形成。雖然我國一直提倡輪作,但是由于耕地面積的減少以及經濟效益驅使等一系列原因,煙農長期保持連作的種植習慣,連作現象普遍存在,這已經成為制約煙葉可持續生產和植煙土壤可持續利用的重要因素之一[1-2]。連作會導致煙田有害物質的逐年積累,造成土壤養分失調,從而抑制土壤生物化學過程,影響煙草正常生長發育,最終造成烤煙產量和品質的顯著降低[3]。煙葉產量與品質是由遺傳因子和環境因素共同決定的,其中土壤條件是影響煙葉產質量的首要環境因素[4-5]。劉冬冬等研究發現,不同的植煙土壤類型會導致烤煙品質不同,其中以紫色土的烤煙品質最好,沙泥田的品質最差[6]。李明海等研究發現,當種植烤煙的土壤類型為黃壤時,所得煙葉化學成分協調性相對優于同一生態環境和栽培條件下的石灰土和水稻土[7]。對于不同的植煙土壤類型而言,由于土壤的理化性質、養分供應狀況、酶活性與微生物群落動態不盡相同,對煙株生長發育進程造成的影響也不同。在連作條件下,不同類型植煙土壤的理化性狀和酶活性也會發生不同程度的改變,而土壤理化性狀與酶活性之間具有一定的相互作用[8-9]。Aparicio等研究發現,長期連作可導致烤煙土壤中pH值下降、養分比例失調[10-11]。陳繼峰等研究發現,連作3年內,植煙土壤脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性逐年升高,但之后趨于下降,而酸性磷酸酶活性先下降,之后趨勢復雜[10]。陶寶先等研究發現,脲酶活性與有機質、全磷含量呈正相關[12]。葛曉改等研究認為,土壤總氮、有機質等對酶活性具有一定作用,其中轉化酶和過氧化物酶活性與土壤理化性狀有顯著相關性[13]。現有的研究主要集中在連作條件下不同土壤類型的烤煙產質量變化及連作條件下土壤理化性質和酶活性的變化與相互關系,但綜合系統地研究土壤類型-連作-土壤化學性狀指標與酶活性三者之間相互關系的相對較少。為此,本研究聚焦云南省主要煙區,以不同類型植煙土壤為切入點,探討3種主要植煙土壤經連作后化學性狀、酶活性等指標的變化及其相互關系,旨在初步明確不同類型土壤對植煙連作的響應差異,為烤煙連作障礙消減和種植的優化布局提供理論依據和科學指導。
1 材料與方法
1.1 采樣煙田信息
本研究所選對象是長期定位的試驗田,主要包括:(1)紅壤煙田,位于云南省尋甸縣河口鎮雙龍村水井村民小組,地理位置為25°41′19″N、103°26′13″E,海拔為2 020 m;(2)紫色土煙田,位于云南省石林縣鹿阜鎮阿烏村干山沖村民小組,地理位置為 47°33′13″N、157°23′15″E,海拔為1 970 m;(3)水稻土煙田,位于云南省石林縣板橋鎮板橋村虎街村民小組,地理位置為25°17′48″N、103°21′51″E,海拔為1 950 m。3塊煙田土壤質地均為壤土,種植的烤煙品種為云煙87,連作采用“烤煙-小麥→烤煙-小麥”的復種+連作模式;輪作采用“烤煙-小麥→玉米-小麥”的復種+輪作模式。紅壤煙田每年施純氮75 kg/hm2,N、P2O5、K2O的質量比為1 ∶ 2 ∶ 2,施農家肥500 g/株;紫色土煙田每年施純氮 75 kg/hm2,N、P2O5、K2O的質量比為1 ∶ 1 ∶ 2.5;水稻土煙田每年施純氮75 kg/hm2,N、P2O5、K2O的質量比為1 ∶ 2 ∶ 2。烤煙的栽培管理方法均按照當地優質煙葉生產技術規程進行。
1.2 土樣的采集
采集每類植煙土壤中輪作處理和連作5年處理的土樣,每個處理設3個重復小區,單個小區的面積為0.067 hm2。2019年于烤煙成熟期在每個小區隨機選取3個點,去除地表凋落物、腐殖質層后,采集表層(0~20 cm)土樣,充分均勻混合后裝入自封袋中帶回實驗室,將其分成2個部分,一部分經自然風干、去雜、研磨后用于土壤理化性質的測定;另一部分于4 ℃暫時保存,用于測定土壤酶活性。
1.3 測定項目與方法
1.3.1 土壤理化指標的測定 pH值的測定采用美國SPECTRUM公司的IQ150pH儀,有機質含量的測定采用重鉻酸鉀氧化法[14],采用高氯酸-濃硫酸消化樣品后用半微量開氏蒸餾法(NY/T53—1987《土壤全氮測定法》)測定全氮含量,采用高氯酸-濃硫酸消化樣品后用鉬藍比色法(NY/T 88—1988《土壤全磷測定法》)測定全磷含量,采用NaOH熔融、火焰光度計法(NY/T 87—1988《土壤全鉀測定法》)測定全鉀含量,堿解氮含量的測定采用堿解擴散法(LY/T 1229—1999《土壤水解性氮的測定》),有效磷含量采用NaHCO3浸提、鉬銻抗比色法(NY/T 1121.7—2006《土壤有效磷的測定》)測定,速效鉀含量的測定采用醋酸銨浸提、火焰光度計法(NY/T 889—2004《土壤速效鉀和緩效鉀含量的測定》)。每個指標均重復測定3次。
1.3.2 土壤酶活性的測定 過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法,蔗糖酶活性的測定采用 3,5-二硝基水楊酸比色法,脲酶活性的測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法,磷酸酶活性的測定采用磷酸苯二鈉比色法[15]。每個指標均重復測定3次。
1.4 數據處理與統計分析
數據處理、統計分析制圖運用IBM SPSS Statistics 24.0和Excel 2010進行。
2 結果與分析
2.1 烤煙連作對不同土壤化學指標的影響
2.1.1 pH值與有機質含量 由圖1-a可以看出,與輪作相比,烤煙連作5年后,3種土壤的pH值均不同程度降低,其中紅壤、水稻土的pH值分別顯著下降了1.26、2.20,但紫色土的pH值僅下降了0.42,降低不顯著。由圖1-b可以看出,與輪作相比,連作5年后3類土壤的有機質含量均有所增加,其中紅壤、水稻土的有機質含量分別顯著增加了25.97、6.53 g/kg,紫色土的有機質含量僅略增加了1.68 g/kg,增幅不顯著。
2.1.2 全氮和堿解氮含量 由圖2-a可以看出,與輪作相比,3種土壤經連作5年后的全氮含量均呈不同程度增加,其中紅壤、水稻土的全氮含量分別顯著增加了1 263.33、480.00 mg/kg,紫色土的全氮含量僅增加了10.00 mg/kg,增幅不顯著。由圖2-b 可以看出,在輪作處理下,紅壤的堿解氮含量為105.20 mg/kg,連作5年后顯著增加了 126.33 mg/kg;連作5年導致紫色土的堿解氮含量僅下降了1.80 mg/kg,降幅不顯著;水稻土連作5年后,堿解氮含量亦顯著增加了44.27 mg/kg。
2.1.3 全磷和有效磷 由圖3-a可以看出,與輪作相比,連作5年導致紅壤、水稻土的全磷含量分別顯著增加了93.34、363.33 mg/kg;連作5年的紫色土全磷含量下降了43.34 mg/kg,降幅不顯著。由圖3-b可以看出,與輪作相比,連作5年導致紅壤、水稻土的有效磷含量顯著增加,其中增幅最大的為水稻土,增加了44.97 mg/kg;連作5年的紫色土中的有效磷含量下降了63.34 mg/kg,降幅不顯著。
2.1.4 全鉀和速效鉀 由圖4-a可以看出,連作5年導致紅壤、紫色土的全鉀含量出現不同程度的下降,紅壤的全鉀含量顯著下降了10 533.3 mg/kg,紫色土的全鉀含量僅下降了1 033.33 mg/kg,降幅不顯著。水稻土連作5年后全鉀含量略有增加,但增幅不顯著。由圖4-b可以看出,與輪作相比,連作5年的紅壤、水稻土速效鉀含量分別顯著下降了72.33、340.67 mg/kg。紫色土速效鉀含量則顯著增加了120.00 mg/kg。
2.2 烤煙連作對不同土壤酶活性的影響
2.2.1 過氧化氫酶 由圖5-a可以看出,與輪作相比,3種土壤連作5年后的過氧化氫酶活性均呈顯著下降,水稻土、紫色土、紅壤的過氧化氫酶活性分別下降了1.78、0.55、0.53 mL/g,降幅分別為22.90%、6.06%、6.18%。
2.2.2 蔗糖酶 由圖5-b可以看出,與輪作相比,烤煙連作5年后,紫色土、水稻土的蔗糖酶活性均不同程度下降,其中水稻土的蔗糖酶活性顯著下降了7.08 mg/(g·d),紫色土的蔗糖酶活性僅下降了0.17 mg/(g·d),降幅不顯著,紅壤的蔗糖酶活性則增加了0.10 mg/(g·d),增幅不顯著。
2.2.3 脲酶 由圖5-c可以看出,在輪作處理下,紅壤的脲酶活性為0.31 mg/(g·d),連作5年后,其脲酶活性顯著增加了0.36 mg/(g·d),增幅顯著。與輪作相比,紫色土、水稻土5年連作后的脲酶活性均不同程度增加,其中水稻土的脲酶活性顯著增加了0.02 mg/(g·d),而紫色土的脲酶活性僅增加了0.01 mg/(g·d),增幅不顯著。
2.2.4 磷酸酶 由圖5-d可以看出,與輪作相比,3種土壤經連作5年后,其磷酸酶活性均顯著增加,紫色土、水稻土、紅壤的磷酸酶活性分別增加了 1 652.90、1 187.67、858.95 nmol/(h·g),增幅分別為24.69%、13.88%、11.06%。
2.3 土壤化學性狀與酶活性之間的關系
2.3.1 相關性 對各處理的土壤化學性狀與酶活性進行Pearson相關性分析,由表2可以看出,土壤過氧化氫酶活性與土壤全磷、有效磷含量呈極顯著負相關,與土壤pH值、全鉀含量呈顯著正相關;土壤蔗糖酶活性與土壤有機質、全氮、全鉀、堿解氮含量呈極顯著正相關;土壤脲酶活性與土壤有機質、全氮、堿解氮含量呈極顯著正相關,與土壤pH值呈極顯著負相關,與土壤全磷、全鉀含量呈顯著正相關;土壤磷酸酶活性與土壤全磷、有效磷含量呈極顯著正相關,與土壤pH值呈顯著負相關。
2.3.2 逐步回歸 采用多元線性回歸分析方法對土壤理化性狀、土壤酶活性這2類指標進行分析,以理化性狀指標為因變量/自變量、酶活性為自變量/因變量,分別進行多元線性回歸分析,并利用逐步回歸模型初步建立兩者間的相互影響。
(1)以土壤化學性狀為因變量進行回歸分析。由表3可知,土壤脲酶、過氧化氫酶活性對pH值具有一定的影響(確定系數為0.868);從標準化系數上看,脲酶具有抑制作用,過氧化氫酶具有促進作用,且脲酶對pH值的影響最大(0.770>0.595)。過氧化氫酶活性對有機質含量具有抑制作用,脲酶、蔗糖酶活性對其具有促進作用,其中脲酶對有機質含量的影響最大。從全氮含量看,過氧化氫酶、磷酸酶活性對全氮含量有抑制作用,脲酶活性對其有促進作用,且脲酶活性對全氮含量的影響最大。過氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性對全磷含量均有一定影響;從標準化系數來看,蔗糖酶、脲酶活性對其具有促進作用,過氧化氫酶、磷酸酶活性對其具有抑制作用,且過氧化氫酶活性的影響最大。就全鉀含量來看,蔗糖酶活性對其具有促進作用,磷酸酶活性對其具有抑制作用,且蔗糖酶活性的影響最大。脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性對堿解氮含量具有一定影響,脲酶活性對其具有促進作用,而過氧化氫酶、磷酸酶活性對其具有抑制作用,且脲酶活性的影響最大。有效磷含量主要受過氧化氫酶、脲酶和磷酸酶活性的影響,且脲酶活性對其具有促進作用,過氧化氫酶、磷酸酶活性對其具有抑制作用,且過氧化氫酶活性的影響最大。
(2)以土壤酶活性為因變量進行回歸分析。由表4可以看出,土壤全磷、全鉀、堿解氮、有機質含量和pH值對過氧化酶活性具有一定的影響(確定系數為0.986);從標準化系數上看,全鉀、堿解氮含量和pH值對其有促進作用,而全磷、有機質含量對其有抑制作用,其中堿解氮含量對過氧化氫酶活性的影響最大(1.761>1.345>0.727>0.557>0.430)。蔗糖酶活性主要受土壤有機質含量、pH值、全鉀和有效鉀含量的影響,四者對蔗糖酶活性均具有促進作用,且有機質含量的影響最大。脲酶活性主要受土壤有機質、有效磷、全鉀、堿解氮和全氮含量的影響,有機質、全鉀、堿解氮和全氮含量對其均具有促進作用,而有效磷含量對其具有抑制作用,且有機質含量對土壤脲酶活性的影響最大。磷酸酶活性主要受土壤有效磷、全鉀含量的影響,有效磷含量對其具有促進作用,全鉀含量對其具有抑制作用,且有效磷含量對土壤磷酸酶活性的影響最大。
3 討論
3種植煙土壤經5年連作后,pH值均呈不同程度下降,這與白羽祥等的研究結果[3,16-17]一致。主要原因可能有以下幾點:(1)在連作條件下,每年投入的肥料養分一致,并且煙株對養分的選擇性吸收相對固定,使得土壤膠體上吸附的H+或Al3+在土壤中呈逐年積累的趨勢[18];(2)土壤本身含有的非腐質物質如有機酸、氨基酸以及烤煙根系和微生物的有機酸類分泌物,均會釋放H+和酸性物質,從而使根區的pH值下降[2]。
本研究結果顯示,連作導致3種植煙土壤的有機質、全氮、堿解氮和有效磷含量不同程度增加,這與張長華等的研究結果[19-20]一致,在連作條件下,當施入土壤的養分持續不變時,煙株吸收的養分量在不斷減少,可能出現土壤養分含量隨著連作年限的增加而增加的現象。值得一提的是,本研究中3種植煙土壤養分含量從高到低排序依次為紅壤、水稻土和紫色土,結合不同類型土壤的結構和基本性狀看,紅壤的質地相對黏重,保水保肥能力強,養分的持續供應能力強;水稻土次之;而紫色土的潛在性基礎養分雖然較高,但土層淺薄,質地偏沙,保水保肥性能差,養分易流失,故其有機質等土壤養分含量相對較低[21-24]。
3種植煙土壤經5年連作后,均表現為過氧化氫酶、蔗糖酶活性降低,而脲酶、磷酸酶活性增強。該結果與張翼等的研究結果[25]不完全一致,原因可能有以下幾點:(1)根系分泌物的殘留和積累,導致土壤中微生物種群變化,從而抑制了土壤中過氧化氫酶、蔗糖酶活性[24];(2)過氧化氫酶可以催化土壤中有機物質分解,蔗糖酶是土壤腐殖質分解的重要酶類[26],由于供試煙田在每季試驗結束后,土壤中煙株殘體得到了及時清除,從而導致土壤中過氧化氫酶、蔗糖酶活性降低。同時,紅壤輪作和連作處理的脲酶活性以10倍數量級明顯高于紫色土、水稻土的相應處理。土壤脲酶作為判斷土壤氮素營養的一個指標,其活性能反映土壤有機氮、全氮和有效氮含量及其轉化情況[27]。在本試驗中,紅壤的全氮、堿解氮含量高于其余2種植煙土壤。總體而言,在3種土壤中,酶活性最強的依然為紅壤,其次是水稻土,紫色土最低,這可能是由于土壤酶活性與土壤黏粒含量呈正相關[21],即土壤質地越黏重,其土壤酶活性越強,可能還與紅壤施用了農家肥有關,有機肥能明顯提高土壤酶活性。
前人研究發現,土壤的化學性狀與酶活性間存在密切的相互作用[12-13,28-29]。本試驗利用逐步回歸模型,在相關性分析的前提下,確定理化性狀與酶活性間具有一定相關性,再分別以理化性狀和酶活性為因變量,剔除相應的無關變量后,進一步得出土壤化學性狀與酶活性間的相互影響關系。結果表明,土壤酶活性對土壤pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷含量均有一定影響,其中過氧化氫酶、脲酶活性是主要的影響因素。同時,部分土壤化學性狀指標對4種酶活性均有不同程度的影響,過氧化氫酶活性主要受堿解氮、有機質、全磷含量的影響;蔗糖酶活性主要受有機質含量和pH值的影響;脲酶活性主要受有機質、堿解氮和全氮含量的影響;磷酸酶活性主要受有效磷和全鉀含量的影響。一方面,酶活性的改變影響了土壤中各種生物化學過程的強度和方向,導致土壤養分的轉化發生變化;另一方面,土壤養分的變化甚至失衡改變了土壤酶的底物組成,必然對酶活性造成直接或間接影響,這與白羽祥等的研究結果[2]不完全一致,主要原因可能是本研究用于建立回歸方程的數據不充分,僅有輪作、連作5年的數據,難以全面地反映土壤理化性質與酶活性之間的關系。
綜合化學性狀和酶活性指標來看,與輪作相比,3種植煙連作土壤以紫色土的各項指標變化幅度最小,這應該與紫色土的化學成分具有較強的化學穩定性,并且能不斷得到母質鹽基物質的補充[30]密切相關。
4 結論
連作5年導致不同類型植煙土壤的化學性狀和酶活性發生明顯改變,但紫色土呈現出的變化幅度要小于水稻土、紅壤,對連作的響應相對最低。土壤理化性狀與酶活性間存在顯著的相關性,兩者之間相互影響。
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