連作對烤煙農藝性狀、根系形態與土壤養分的影響

李柘錦 朱文橋 黃坤 冀新威 王成 趙濤 陳俊鴻 葉興奎 馬凌 潘義宏

摘要：為明確烤煙連作障礙關鍵影響因子，以云南瀘西輪作、連作烤煙、土壤及根系為對象，對輪作及不同連作年限烤煙農藝性狀、土壤養分及根系形態進行了分析。結果表明，隨著烤煙連作年限增加，土壤養分各指標總體呈降低趨勢，其中4個連作處理土壤的有效磷和速效鉀含量顯著低于對照土壤。IFI值（土壤肥力綜合指標值）也隨連作年限的增加呈下降趨勢。在烤煙整個生育期，輪作模式下烤煙農藝性狀整體要優于連作，而連作處理之間農藝性狀整體無明顯變化規律。IFI與烤煙農藝性狀的相關性分析發現，烤煙株高、單葉面積僅在團棵期與土壤IFI顯著相關，現蕾期單葉面積與IFI中等相關。土壤養分各項指標與團棵期、現蕾期烤煙株高、單葉面積相關性分析發現，僅有有效磷、速效鉀含量與烤煙株高和單葉面積的相關系數達到中等相關水平，說明速效鉀、有效磷含量是影響土壤綜合肥力最主要的2項指標，對烤煙正常生長影響較大。與對照相比，團棵期、成熟期不同連作處理烤煙根系形態指標較差。綜上所述，有效磷、速效鉀含量是影響烤煙連作障礙的關鍵因子，而團棵期是引起烤煙連作障礙的主要時期，應在該時期加強對連作烤煙磷、鉀營養的補充，以緩解連作障礙。

關鍵詞：烤煙;連作;輪作;土壤養分;農藝性狀;根系形態

中圖分類號： S572.04? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）02-0067-06

收稿日期：2021-03-23

基金項目：中國煙草總公司云南省公司科技計劃（編號：2019530000241036）;云南省教育廳科學研究基金（編號：2020Y0415）。

作者簡介：李柘錦（1991—），女，云南瀘西人，博士，農藝師，主要從事烤煙生產技術研究。E-mail：lizhejincau@163.com。

通信作者：潘義宏，博士研究生，高級工程師，主要從事煙葉原料研究及應用。E-mail：pyh198311@126.com。

烤煙屬于茄科作物，忌連作。囿于適宜植煙環境條件以及耕地面積有限性等因素，導致主要煙區存在烤煙連作現象[1]。尤其近年來，蔬菜、花卉、藥材、水果等產業不斷發展壯大，基礎設施配套好的基本煙田逐年被擠占，烤煙連作成為較普遍的現象[2-3]。投入增加、病害加重、產量下降、品質劣化、效益下滑是煙田連作的常見問題，據統計，我國植煙連作面積占植煙總種植面積的30%～60%，產生的經濟損失高達數十億[4]，影響煙草農業的可持續發展。因此，研究并明確烤煙連作障礙關鍵因子，為連作障礙的克服提供依據，對提高煙農經濟效益有重要意義。

引起烤煙連作障礙的因素很多，其中土壤養分結構和根系形態的惡化以及土傳病害發病率上升是較為主要的因素[5]。研究發現，連作烤煙會導致土壤有機質和氮素含量降低[6]。隨烤煙連作年限增加，土壤酶活性以及土壤養分指標均成降低趨勢，且土壤酶活性和養分指標間存在正相關[7-8]。說明土壤養分是連作障礙表現的較為重要的因素。烤煙連作下，細根數量明顯減少，不利于作物吸收養分，導致吸肥能力較差[9]，且根系鮮質量、根長度降低，根系形態受到影響，根系活力下降，影響連作烤煙的正常生長[10-11]。在此情況下，針對紅河紅壤典型連作煙區，如何通過研究明確引起烤煙連作障礙的關鍵因子，緩解或克服連作障礙，是急需解決的問題。因此，針對輪作和不同連作年限烤煙，開展連作對烤煙農藝性狀、根系形態與土壤養分含量的影響及相互關系研究，篩選出連作障礙關鍵因子，為克服烤煙連作障礙和相關調控技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年在云南省瀘西縣白水鎮（103.872 7°E、24.665 7°N，海拔為1 803 m）進行，不同處理試驗地在同一連片地塊，連作期間施肥及生產操作基本相同，植煙土壤為紅壤。供試烤煙品種為云煙87，漂浮育苗，膜下小苗移栽。肥料為煙草專用復合肥（N ∶P2O5 ∶K2O=12 ∶8 ∶25），輪作地塊前茬作物為玉米，玉米收獲后，冬閑處理。不同連作年限處理地塊烤煙于2018年收獲后，冬閑處理。

1.2 試驗設計

試驗設置1個輪作對照和4個連作處理（表1）。每個處理3次重復，隨機排列，每個小區300株烤煙。各小區烤煙統一采用烤煙膜下小苗移栽技術，統一移栽（4月18日），按105 kg/hm2純氮施用煙草專用復合肥，復合肥養分配比為N ∶P2O5 ∶K2O= 12 ∶8 ∶25，基肥和追肥用量比例為6 ∶4，追肥時間為移栽后15 d，其他生產管理措施參照云南省紅河州優質煙葉生產技術進行。

各處理植煙土壤養分含量見表1（土壤養分數據為試驗地烤煙移栽前30 d土壤養分含量）。

1.3 測定內容及方法

1.3.1 土壤取樣及檢測方法

不同處理烤煙生長生育時期（團棵期、現蕾期、成熟期）采集土壤樣品，長方形土塊采取“之”字形、較為方正的地塊采用對角線或棋盤形采集耕層土壤20 cm深的土樣，在同一采樣單元內每8～10個點的土樣構成1個0.5～2.0 kg的混合土樣。土壤樣品經風干后，采用NY/T 1121.2—2006《土壤檢測 第2部分 土壤pH的測定》標準測定土壤pH值;采用NY/T 1121.6—2006《土壤檢測 第6部分 土壤有機質的測定》標準，測定土壤有機質含量;采用LY/T 1229—1999《森林土壤水解性氮的測定》標準，測定土壤水解氮含量;采用NY/T 1121.7—2006《土壤檢測 第7部分 酸性土壤有效磷的測定》標準，測定土壤有效磷含量;采用NY/T 889—2004《土壤速效鉀和緩效鉀含量的測定》標準，測定土壤速效鉀含量;采用NY/T 1121.24—2012《土壤檢測 第24部分 土壤全氮的測定自動定氮儀法》標準，測定土壤全氮含量;采用GB/T 9837—1988《土壤全磷測定法》標準，測定土壤全磷含量;采用NY/T 87—1988《土壤全鉀測定法》測定土壤全鉀含量。

1.3.2 評價標準及方法

參考全國第2次土壤普查養分分級標準[12]將土壤養分含量分為1～6級，分別表示指標含量很豐富、豐富、中等、缺乏、很缺乏、極缺乏。根據主成分分析法及模糊數學分別確定各項肥力指標的權重和隸屬度，二者的乘積作為土壤肥力綜合指標值（integrated fertility index，簡稱IFI），以此來評價土壤肥力[13]。

1.3.3 農藝性狀調查

煙株農藝性狀測量依據YC/T 142—2010《煙草農藝性狀調查標準》，分別于烤煙團棵期、現蕾期和成熟期在每個試驗區域內定點選取5株生長正常具有代表性的煙株進行株高、莖圍、節距、葉片數、葉長、葉寬的測量，并計算葉面積系數：葉面積系數=平均葉長×平均葉寬×0.634 5。

1.3.4 連作烤煙不同生長期根系形態

將根系清洗干凈，沿主根分別剪下側根，再從側根上剪下須根，在此過程中盡量保證根系完整。將根盤放置在根系掃描儀（Epson Perfection V700 Photo）上，根系置于根盤中，加入自來水，用玻璃棒或鈍頭鑷子將根系分散開（保證沒有根系重疊），即可蓋上掃描儀蓋子進行掃描。采用WinRHIZO植物根系分析儀進行根系分析。

2 結果與分析

2.1 烤煙不同生育期土壤養分

在烤煙整個生育期，隨著烤煙連作年限的增加，pH值無顯著變化（P>0.05）。烤煙團棵期，土壤有機質及全磷含量在T2處理顯著上升之后便逐漸下降，至T5處理時達顯著水平（P<0.05）;全氮含量在T2處理顯著上升，從T3處理開始便顯著下降（P<0.05）;而全鉀含量卻呈現逐漸上升的趨勢，并在T4處理達顯著水平（P<0.05）。在烤煙現蕾期，有機質和全氮含量呈現出相同的變化規律，均在T2處理顯著上升后在T5處理顯著降低（P<0.05）;全磷含量在T3處理顯著上升后又顯著降低;全鉀含量在T2處理顯著下降，又在T4處理顯著上升。在烤煙成熟期，有機質、全氮含量呈上升的趨勢，在T4處理時最大，但在T5處理顯著下降（P<0.05）;全磷含量總體呈先升高后降低的趨勢，在T2處理時顯著上升，在T3處理顯著降低（P<0.05）;全鉀含量呈現先降低后上升的趨勢，與對照相比，在T3處理時顯著下降，在T4處理顯著上升（P<0.05），至T5處理時達到最大，顯著高于其他處理（P<0.05）;對于土壤速效養分來說，各生育期呈現出相同的規律：水解性氮含量先下降后上升，之后又繼續下降，有效磷、速效鉀含量從T2處理開始便顯著低于輪作對照（P<0.05）。從土壤肥力綜合指標值（IFI）來看，團棵期IFI逐漸下降，在T5處理時達顯著水平（P<0.05），現蕾期和成熟期均在T4處理時稍有回升，但整體而言，隨著烤煙連作年限的增加，土壤肥力綜合指標值（IFI）呈下降趨勢（表2）。

2.2 連作烤煙不同生長期農藝性狀

與對照相比，在烤煙團棵期，輪作對照的各項農藝指標顯著優于連作處理（P<0.05），不同連作處理均對煙株生長產生不同程度的抑制作用;現蕾期有效葉片數在各處理之間無顯著差異（P>0.05），株高、節距在T3～T4處理時上升，但其他農藝性狀指標仍以CK表現最優;成熟期節距在不同處理間無顯著差異（P>0.05），除T2、T5處理的有效葉片數與CK無顯著差異外，其他指標以CK表現最優（表3）。從田間觀察來看，輪作煙田整體長勢要優于連作煙田，連作對煙株單葉面積及株高影響較大。

2.3 土壤養分與農藝性狀的相關分析

2.3.1 不同生育期農藝性狀與IFI的相關分析

以土壤肥力綜合指標值（IFI）為自變量（x），選取株高及單葉面積作為因變量（y），擬合出回歸方程（表4），結果表明，在烤煙團棵期，IFI與株高及單葉面積呈顯著相關關系（P<0.05），且|r|≥0.8，為高度相關;在現蕾期，二者無顯著相關關系（P>0.05），但單葉面積與IFI的相關系數r為0.616，在0.3～0.8之間，呈中度相關;在成熟期時無顯著相關關系（P>0.05）。

2.3.2 團棵期、現蕾期土壤養分與烤煙農藝性狀的相關分析

為探究連作植煙土壤養分指標與烤煙農藝性狀間關系，選取與IFI相關系數較大的團棵期株高、單葉面積及現蕾期單葉面積作為因變量，土壤的各項養分指標作為自變量，擬合出回歸方程（表5、表6），結果表明，各項養分指標與單葉面積及株高無顯著相關關系（P>0.05）。其中，速效鉀及有效磷含量與單葉面積、株高的相關系數r分別為0.625、0.595、0.635、0.610，在0.3～0.8之間，呈中度相關;現蕾期，單葉面積與速效鉀及有效磷含量的相關系數r分別為0.562、0.376，呈中度相關，且與全氮、全磷含量呈現一定程度的負相關。說明在土壤養分中，速效鉀和有效磷含量是影響連作烤煙農藝性狀最主要的2項指標。

2.4 不同處理不同生育期烤煙根系形態

從表7可以看出，團棵期、成熟期根系各指標在不同處理間存在顯著差異（P<0.05），現蕾期處理間各指標無顯著差異（P>0.05）。其中，團棵期輪作烤煙根總長、根平均直徑、根總面積、根總體積顯著高于其他連作處理（P<0.05）;輪作烤煙根尖計數、分叉計數、交疊計數顯著低于連作處理（P<0.05）。成熟期輪作烤煙根總長、根總面積、根尖計數、分叉計數和交疊計數均顯著高于其他連作處理（P<0.05），根平均直徑、根總體積在輪作處理和連作處理間幾乎無顯著差異（P>0.05）。

3 結論與討論

研究結果表明，隨著烤煙連作年限增加，綜合土壤肥力指標值（IFI）呈下降趨勢，連作模式下烤煙主根短、須根少，根總體積、根尖計數、分叉計數和交疊計數等指標整體要劣于輪作，影響烤煙對水分和養分的吸收，進而導致田間煙株長勢變差，農藝性狀指標降低。土壤養分指標與烤煙農藝性狀的相關分析結果表明，烤煙株高、單葉面積在團棵期與IFI顯著相關（P<0.05），但在現蕾期、成熟期相關不顯著（P>0.05）。各養分指標與株高及單葉面積雖無顯著相關關系，但有效磷及速效鉀含量與烤煙株高、單葉面積的相關系數達到中等相關水平，表明速效鉀和有效磷含量是影響土壤綜合肥力最主要的2項指標，對烤煙正常生長影響較大，同時也是引起連作障礙的重要因子。

土壤有機質含量直接影響著煙草的生長發育以及產質量[14]。在試驗中，連作4年之前的處理與輪作對照相比雖有一定差異，但各處理有機質含量均處于豐富水平，至連作5年時顯著降低，僅為缺乏水平，團棵期時相較于輪作下降了51.16%，降幅較大。說明在一定連作年限范圍內對有機質含量影響較小，但隨著年限的不斷增加，有機質含量降低，影響植煙土壤營養，阻礙煙株正常生長，與蘇海燕的研究結果[15]較為一致。烤煙生產中適宜的土壤有機質含量能提高土壤肥力、改善土壤的理化性質和土壤微環境[16]。因此，針對連作年限較長的植煙土壤，應通過增施有機肥或農家肥來增加有機質含量，平衡土壤養分。試驗中隨著烤煙連作年限增加，土壤中全氮、全磷含量先升高后降低，全鉀含量一直呈上升趨勢，王蒙蒙的短期連作會導致氮素、鉀素出現一定程度的積累，但隨著連作年限的增加會造成氮、鉀的缺失的結論[17]較為一致。王棋等認為，連作3年即可導致磷鉀元素積累，連作5年達到最大[18]。在本試驗中，全磷含量在連作 2～3年時出現富集現象，但隨后便開始降低。就整體水平而言，各處理全氮、全磷含量均處于豐富水平，全鉀含量連年上升，推測與瀘西煙區為改善連作煙田土壤養分而施用大量化肥有關。相關研究認為，連作可導致土壤酸化，隨著年限的增加，土壤酸度對煙株生長的抑制作用越來越強[19，20]。在本試驗中，土壤pH值總體呈現出先升高后降低的趨勢，但在各處理之間并未表現出明顯的差異。原因可能是土壤pH值的降低是一個緩慢的過程，試驗中連作年限較短，所以未表現出顯著差異。

在本研究中，隨著連作年限的增加，水解性氮含量總體先上升后下降，有效磷、速效鉀含量在連作2年便顯著降低，說明連作一定年限后會導致植煙土壤有效養分的降低，使養分含量失調，降低土壤肥力，從而表現出連作障礙。本研究相關分析表明，團棵期土壤綜合肥力與烤煙農藝性狀呈顯著正相關，其中有效磷、速效鉀含量是最主要的影響因子。現蕾期，有效磷、速效鉀含量與烤煙單葉面積呈中度相關。鉀是高等植物生長發育的必需營養元素之一，煙草是喜鉀作物。而磷參與了植物各種代謝途徑的物質轉化和能量傳遞[21]，對烤煙的生長發育及吸食品質有著較大的關聯。連作煙田有效磷、速效鉀流失，移栽后的煙苗無法從植煙土壤獲得充足的養分，抑制了煙株的早生快發，最終導致烤煙田間長勢較弱。繆自麗等認為，在烤煙團棵期時施用解磷和解鉀生物有機肥有利于促進煙苗早生快發，還苗期縮短，提高煙株長勢[22]。因此，針對瀘西煙區連作地塊可以增施易于吸收的磷、鉀營養，以緩解連作障礙。

雖然研究中連作煙田氮、磷、鉀含量均處于較高水平，但從田間觀察及農藝性狀指標看，輪作烤煙整體要優于各連作處理烤煙，說明連作障礙受多因子影響。結合烤煙根系形態來看，團棵期輪作處理烤煙主根長、須根較多，呈錐形，連作處理主根較短，但須根根尖計數顯著高于輪作，須根多，整體根系呈蓬松狀;進入現蕾期各處理根系生長快，差異小，不定型;進入成熟期，輪作烤煙根系根總長、根總面積、根尖計數、分叉計數和交疊計數均優于不同連作處理。根系的空間分布、根長、根系表面積等性狀，可以較好地表征根系對水分和養分的吸收與利用[23]。可見，連作對烤煙根系有影響，在團棵期及成熟期較為明顯，但不同連作年限間，抑制作用未表現出明顯的規律。由此可以推測，連作對烤煙根系構型產生了影響，抑制其主根和側根的生長發育，對水分和養分的吸收受阻，導致烤煙在土壤養分充足的情況下，長勢仍受到負面影響，農藝性狀變差。影響根系構型的因素很多，有生物學特性、地理位置、土壤因素及人工因素等[24]。生物學特性可以認為是烤煙各個品種之間的遺傳差異，一般來說影響較小，地理位置和土壤因素是不同植煙區的生態差異。施肥和栽培方式是主要的人工干擾因素[25]。相關研究認為，深耕可以增加土壤保濕能力，促進根系發育[26]。磷脅迫導致根系向地性降低，使根系變淺[24]。目前產量即效益的觀念仍然存在，煙農為了謀求效益最大化濫用無機化肥，而氮素積累過多并不一定利于根系生長[27-28]。本研究中現蕾期時烤煙單葉面積與全氮含量呈現一定程度的負相關，原因便可能是連作煙田化肥施用過多，氮素過量積累影響烤煙根系生長，進而影響烤煙的地上部。

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