渝東北煙區土壤退化現狀剖析

代先強，楊盛剛，肖鵬，冉茂

1. 中國煙草總公司重慶市煙葉分公司，重慶 400023；2. 貴州中煙工業有限責任公司，貴陽 550001

土壤生態環境是決定煙葉質量的最基本要素, 是生產優質和安全煙葉的重要基礎及保障． 重慶渝東北煙區是我國煙葉八大香型之一——醇甜香型的典型產地, 醇甜香突出, 該煙區所種植的煙葉是卷煙配方中必不可少的原料． 該地區地貌以山地為主, 地質巖層以古生代、 中生代碳酸鹽類地層為主, 屬于三峽庫區, 土層瘠薄, 生態環境十分脆弱, 如持續過度利用土壤, 生態環境將遭受徹底破壞直至無法利用． 烤煙是渝東北山區居民脫貧致富的主導產業, 據走訪調查, 由于人多地少, 目前80%的煙田超30年連作, 復合肥投入單一, 山區煙田有機肥施用不便, 用養結合不夠, 致使煙田退化嚴重, 土傳病害逐年加重, 煙葉質量不穩, 煙葉不能滿足工業需求, 損害了煙農種煙的積極性, 極大地影響了現代煙草農業的可持續發展． 寇智瑞等[1]研究指出, 煙田連作5年以上連作障礙就會凸顯出來, 嚴重降低了土壤細菌群落多樣性, 并且導致化學性狀如pH、 有機質、 活性有機碳和有效磷含量的顯著降低． 煙田長期連作會造成養分與土壤微生物區出現非均衡性變化, 土傳病害的發生與土壤細菌多樣性及種群結構的變化有直接關系[2]． Li等[3]也證實了土壤pH值與煙草青枯病的發生存在密切聯系, 降低土壤酸度可有效防控煙草青枯病的發生． 渝東北煙區的奉節縣土壤酸化非常嚴重, 酸化面積達53.0%, 土壤養分空間分布不均[4]． 左梅等[5]研究證實, 連作與休耕模式相比, 提高了致病菌青枯雷爾氏菌的相對豐度, 降低了有益菌玫瑰彎菌屬的相對豐度． 通過有針對性的改良措施可有效克服煙田連作障礙, 如有機肥和無機肥長期配施, 可顯著提升煙田土壤微生物群落的平衡性和豐富度, 提高關鍵酶活性, 從而提高煙葉品質[6]． 通過平衡施肥可以增加煙田有益菌群的數量, 減輕烤煙連作障礙[7]． 可見, 明確煙區主要障礙因子, 是實現土壤保育與修復、 煙株綠色生長、 品質提升和煙葉特色彰顯的前提． 本研究采用土壤樣品采集和實地調研相結合的方法, 對渝東北煙區烤煙土壤理化、 生物學性狀和病蟲害現狀等進行了系統全面調查, 摸清渝東北煙區土壤存在的主要障礙因子, 為后續煙田可持續利用、 保育與修復提供支撐．

1 材料與方法

1.1 研究區概括

研究區包括重慶市渝東北地區6個代表性植煙區縣: 巫溪縣、 巫山縣、 奉節縣、 萬州區、 豐都縣、 涪陵區, 該區域地層巖性以古生代、 中生代碳酸鹽類地層為主, 地理坐標范圍為106°56′34.959″-110°11′53.328″E, 29°20′16.491″-31°45′19.607″N, 海拔654～1 634 m, 地貌主要以山地為主, 屬中亞熱帶季風濕潤氣候．

1.2 樣品采集與分析方法

1.2.1 樣品采集與制備

于2021年11月和2022年2月對重慶市渝東北6個代表性植煙區縣共57個鄉鎮取樣, 按照現代煙草農業規劃, 每個種植單元(約6.7 hm2)采集一個樣品, 在每個種植單元選擇代表性的土壤類型, 并對集中連片煙田進行耕作層(20 cm)取樣調查, 共采集1 097個土壤樣品, 具體采樣點分布如圖1所示, 采用8點法混合取樣, 采集0～20 cm耕層土壤樣品, 裝入硬質塑料盒帶回實驗室自然風干, 過篩后用于土壤理化性質測定． 同時采用8點混合樣法, 采集1,3,5,7,9,11,13 a的土樣, 迅速放入冰盒中低溫保存帶回, 冷凍鮮樣用于土壤細菌DNA提取與基因測序．

底圖審圖號: 渝S(2022)033號．圖1 渝東北土壤樣品采集分布圖

1.2.2 土壤理化性質測定

依據土壤常規理化指標的測定方法, 按照土∶水=1∶2.5浸提, 用精密pH計(型號: IS128C)直接測定pH值; 采用碳酸氫鈉浸提法測定土壤速效磷質量分數; 采用濃硫酸—重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳質量分數; 采用堿解擴散法測定堿解氮質量分數; 有效鈣和有效鎂質量分數采用原子吸收分光光度計法測定; 有效硫采用氯化鈣浸提—硫酸鋇比濁法測定; 其余土壤各理化指標測定均參考魯如坤[8]的《土壤農業化學分析方法》; 土壤容質量、 毛管孔隙度、 非毛管孔隙度、 總孔隙度等物理性質測定采用環刀法測定; 土壤團粒結構采用土壤團粒分析儀測定, 同時計算土壤團聚體平均重量直徑(MWD)[8]． 土壤細菌DNA提取與基因測序運用16S rRNA高通量測序技術測定[1]． 用土壤緊實度儀(SC900)測定土壤穿透阻力．

1.3 數據處理

試驗數據采用Excel 2010處理, 顯著性分析采用SPSS 25.0統計軟件和Origin 2021進行, 最小顯著差異法(LSD)進行多重比較(P<0.05)． 數據插值和土壤肥力指標空間疊加分布分析采用AcrGIS 10.4作圖．

2 結果分析

2.1 渝東北煙區土壤酸化趨勢明顯

渝東北煙區煙草種植存在長期連作的情況, 部分煙田連作超30年, 煙田土壤酸化趨勢較為嚴重, 渝東北煙區32.78%的土壤酸化(圖2b), 需要改良． 從圖2a可以看出, 巫山、 巫溪和奉節的土壤pH值整體相對較高, 而萬州、 涪陵、 豐都的整體較低, 酸化趨勢更強(圖3), 具體來說, 萬州、 涪陵、 豐都、 巫溪、 奉節、 巫山不同地區土壤酸化的比例分別為74.1%,53.3%,50.0%,33.17%,22.7%和22.5%． 可見, 渝東北煙區土壤酸化現象非常突出．

圖中不同小寫字母代表差異在0.05水平有統計學意義, 下同．圖2 渝東北煙區土壤pH值總體情況

底圖審圖號: 渝S(2022)033號．圖3 渝東北煙區土壤pH值分布圖

2.2 渝東北煙區土壤碳氮平衡被打破

由圖4和圖5可知, 渝東北煙區有25.55%土壤有機質質量分數偏低, 由于土壤全氮質量分數較高, 導致土壤碳氮比嚴重偏低, 有75.5%的煙田碳氮比偏低． 具體來說, 萬州、 涪陵、 豐都、 巫溪、 奉節、 巫山不同地區土壤有機質偏低的比例分別為67.86%,6.67%,4.0%,15.53%,25.75%和24.73%, 急需針對性的改良措施．

圖4 渝東北煙區土壤有機碳整體情況

底圖審圖號: 渝S(2022)033號．圖5 渝東北煙區土壤有機質分布圖

2.3 渝東北煙區土壤板結, 物理結構失衡

通過實地調研, 發現煙田常年連作使土壤結構失衡, 主要表現在兩個方面: 一是土壤耕作層變淺, 80%的煙田耕作層平均厚度為12 cm, 而犁底層上移, 犁底層較10年前上移6 cm, 通過調查發現, 12 cm以下土層嚴重板結, 容質量達到1.5 g/cm3, 根系難以下扎, 20 cm 以下土層難見根系生長(圖6); 二是土壤團粒結構破壞, 大團聚體和小團聚體的比例失衡, 致使土壤水、 肥、 氣、 熱不協調．

圖6 渝東北煙區土壤容質量調查

在渝東北地區選擇有代表性的煙田, 調查了該地區土壤剖面現狀, 包括土壤的耕層厚度、 容質量、 孔隙度、 機械組成、 穿透阻力等指標, 獲取植煙土壤耕作層的現狀． 土壤剖面物理性狀如表1所示, 土壤含水量為0.18～0.40 cm3/cm3, 土壤容質量為1.22～1.68 g/cm3, 土壤總孔隙度為32.94%～54.03%, 田間持水量為0.16～ 0.44 cm3/cm3, 毛管孔隙度為37.88%～46.45%． 隨著剖面土層的加深, 土壤各項物理指標變差, 耕層厚度僅為10～15 cm, 其以下則為堅硬的犁底層, 土壤的貫穿阻力在15～20 cm以下陡然增加(圖7), 極不利于根系下扎, 造成烤煙耐旱澇能力顯著降低． 隨著土壤深度的增加, 土壤團聚體<0.25 mm粒級顯著增多(表2)．

表1 土壤物理性狀

表2 不同土層不同粒級土壤團聚體分布

圖7 奉節和萬州煙田土壤緊實度

2.4 渝東北煙田長期連作致使土壤微生態失衡, 煙田病害加重

由圖8和圖9可知, 隨著連作年限加長, 優勢細菌門分類組成比例存在一定差異, 其中, 綠彎菌門(Chloroflexi)、 芽單胞菌門(Gemmatimonadota)、 厚壁菌門(Firmicutes)、 甲基孢囊菌門(Methylomirabilota)相對豐度均有一定程度的增加, 而放線菌門(Actinobacteriata)、 變形菌門(Proteobacteria)、 酸桿菌門(Acidobacteriota)、 粘球菌門(Myxococcota)、 擬桿菌門(Bacteroidota)、 硝化螺旋菌門(Nitrospirota)相對豐度隨著連作年限增加有不同程度的下降． 對不同連作年限的渝東北煙田土壤細菌群落進行屬水平層面上的組成及相對豐度分析, 結果發現, 連作會對土壤各菌屬豐度產生顯著影響． CK細菌菌屬有347個, 種植1年后, 菌屬個數為338, 當連作3年時, 菌屬個數下降到331個, 連作5年后菌屬個數下降到322個, 連作7年后菌屬個數降為319個, 當連作13年時, 細菌菌屬的種類明顯減少, 菌屬個數降至288個; 連作5年后, 類諾卡氏菌屬(Nocardioides)消失, 主要菌屬的相對豐度產生較大變化, 細菌菌屬群落結構多樣性降低, 多年連作的煙田病害明顯增加． 目前渝東北煙區根莖病害較為嚴重, 得病率在21.5%左右, 主要出現的根莖病害包括根黑腐病、 黑脛病、 青枯病、 枯萎病等．

圖8 不同連作年限細菌門水平上的群落結構柱狀圖和聚類樹

圖9 土壤細菌群落屬水平組成及相對豐度

2.5 渝東北煙田土壤養分非均衡化現象突出

從表3中可以看出, 渝東北煙區土壤各養分非均衡化現象突出, 主要表現在堿解氮、 有效磷、 速效鉀養分缺乏和過量并存, 磷、 鉀無效積累現象嚴重; 中量元素鈣、 鎂缺乏比例較大, 土壤鹽基飽和度和陽離子交換量缺乏比例較大; 微量元素過量與缺乏并存, 渝東北煙區氯的缺乏非常嚴重． 各養分在空間上均呈現斑塊化分布．

表3 渝東北煙區土壤肥力指標分級占比(n=1 097)

3 討論

針對渝東北煙區土壤退化情況模糊、 土壤保育技術和產品的針對性差、 改良效率低等突出問題, 通過全面調查摸清了渝東北煙區存在的主要土壤退化問題, 煙田長期連作, 致使土壤酸堿平衡、 碳氮平衡、 微生態平衡、 土壤結構平衡和營養平衡的“五大平衡”被打破, 土壤處于亞健康狀態, 土傳病害(青枯病、 黑脛病、 根黑腐病、 根結線蟲病)日趨加重(整體發病率大于30%)是土壤亞健康的直觀表現． 優質煙產區逐步萎縮, 嚴重影響著渝東北優質煙葉的可持續生產．

煙田土壤酸化是近年來我國各地煙區普遍存在的問題, 課題組經過多年研究, 揭示了煙葉生產過程中鹽基陽離子(K+,Ca2+,Mg2+等)輸出(流失、 煙葉帶走、 煙稈帶走)遠大于輸入(肥料)的現象, 煙農施用的所有肥料中是不含中微量元素的, 這是煙田酸化的主要原因[9]． 另外, 氮肥的不合理投入也是酸化的原因之一[10]． 利用“堿度”作為酸堿平衡的杠桿, 可有效控制土壤酸度[11]． 具體來說, 針對pH<5.0的強酸性土壤采用3 t/hm2高溫堆肥和1.3 t/hm2石灰配施, 提升土壤酸度的同時, 增強土壤微生物活性, 恢復土壤微生態[12]; 對于pH值為5.0～5.5的弱酸性土壤, 施用1.3 t/hm2硅鈣鉀鎂肥和1.5 t/hm2有機肥, 可有效改善土壤酸堿平衡． 因此, 針對不同酸化程度的土壤可因地制宜地選擇不同的改良物料, 利用“堿度”作為杠桿可實現煙田的“精準降酸”．

渝東北煙田氮肥長期過量施用, 忽視了有機肥的施用, 導致土壤有機質質量分數低, 因而碳氮比偏低, 而碳氮比關系著微生物的活性與群落組成． 微生物將有機物質腐殖化和礦質化共同作用于土壤, 對優質煙葉的生產有重要的意義． 施用高碳氮比(18.0～26.2)的有機肥提高了上部煙還原糖含量, 提高了各部位煙葉含鉀量, 改善了煙葉品質[13]． 李昂等[14]提出, 9 000 kg/hm2碳氮比為30的腐熟有機肥提升了煙葉中性香氣總量, 施用不同碳氮比有機肥, 提高了土壤溶解性有機質質量分數． 高碳氮比有機物料顯著促進了土壤微生物功能多樣性, 誘導了對碳源利用類型有差異的微生物種群增多, 使土壤微生物功能群落變異[15]． 在煙草生產實際中, 因地制宜選擇當地有機物料, 根據土壤性質的差異合理施用, 充分發揮不同有機物料的效應, 實現渝東北煙區土壤固碳、 提質增效的目標．

渝東北煙區超30年的連作, 細菌門屬水平發生了較明顯的變化, 土壤微生態失衡, 會直接造成土傳病害發病率增加[16]． 連作年限超5年, 土壤中對土壤生態系統功能構建和提升的關鍵菌門, 如變形菌門和酸桿菌門相對豐度下降, 而甲基孢囊菌門增加． 而土壤細菌的哪些菌門或菌屬是指示煙草根莖病害的關鍵菌還未得到證實, 尚需進一步研究． 長期連作烤煙根際會分泌積累酚酸類化感物質, 其中鄰苯二甲酸、 苯甲酸、 對苯二甲酸等物質[17]． 長此以往, 降低了土壤微生物多樣性, 寡營養細菌群落將代替富營養細菌群落, 土壤生物因子是病害發生的主要原因[18]． 根據微生物組裝的生態學理論, 我國科學家實現土壤微生物群落可控組裝、 調控和病害控制, 植物生長早期宿主根際微生物群落產生顯著分異, 找到并純培養獲得協助植物抗病部分菌株, 這些菌株可使青枯病發病降低30.4%～100.0%[19]． 該研究為后續的土壤微生態調控奠定了基礎． 選取對青枯雷爾氏菌有較好拮抗作用的枯草芽孢桿菌(Baccillussubtilis)和多黏類芽孢桿菌(Paenibaccilluspolymyxa), 制成菌肥與煙草育苗基質混合, 對煙草青枯病的室內和大田防效達63.64%和24.95%[20]． 在煙葉生產實踐中, 有機肥拌菌技術(熒光假單胞菌與牛糞有機肥復配)對青枯病相對防效達55.21%[21]． 這項技術可能使煙草根系表面形成微生物生物防御層, 防止或減少病原菌的侵入． 對于根莖病害嚴重的煙田采用棉隆熏蒸, 對青枯病防控效果達52.27%, 連續使用2年其防控效果更佳, 其原理是棉隆熏蒸后可有效殺滅煙田有害微生物數量, 對土傳病害起到一定的防治作用[22]．

渝東北煙區土壤水穩性團粒結構減少, 土壤板結, 犁底層上移, 阻礙耕作層與心土層的水、 肥、 氣、 熱的交換, 導致地力下降． 針對這種復合障礙類型, 鄧小華等[23]采用垂直深旋耕30～35 cm結合施用石灰、 綠肥、 生物有機肥等重構煙田土壤耕層, 實現了土壤酸度改良與培肥同步、 表層與表下層土壤酸度改良同步的改良效果． 深耕30 cm與有機肥9 000 kg/hm2二者交互可快速提高植煙土壤肥力[24], 已在云南保山植煙區大面積推廣應用．

渝東北煙區土壤養分非均衡化現象突出, 養分含量過量和缺乏現象并存, 目前生產上施用的肥料配方是根據十多年前的土壤肥力研究的配方, 肥料配方均不含中微量元素是導致目前養分不均衡分布的主要原因之一． 另外, 山地煙田土壤養分空間變異較大． 陳天才等[4]報道渝東北奉節縣煙田總體氮供應良好, 有機質含量適中, 而磷鉀累積現象明顯． 總之, 應根據土壤養分空間分布特征, 按照測土配方施肥原理, 建立配方施肥區劃圖, 采用“區域大配方”和“地塊小調整”的養分管理策略, 實現煙葉質量和土壤質量的協同提升．

渝東北常年連作, 用養結合不夠, 土壤退化現象突出, 土壤“五大平衡”被破壞, 植煙土壤處于亞健康狀態是近年來根莖病害日趨嚴重的重要原因． 為保障煙葉優質可持續生產, 按照“分類控制、 分區施策”的總體思路和土壤退化的防治必須“以防為主, 治為輔”的控制原則, 形成土壤改良關鍵集成技術, 通過一系列綜合改良措施, 使煙田回歸到健康的生態循環中(圖10)．

圖10 渝東北煙區土壤退化類型及技術列表

4 結論

渝東北煙區土壤退化十分嚴重, 破壞了土壤“五大平衡”, 導致煙田土壤亞健康, 是根莖病害日益加劇的重要原因． 該地區土壤酸化比例為32.78%, 有機質質量分數偏低的土壤比例為25.55%, 煙田碳氮比偏低的比例為75.5%, 耕作層厚度在12 cm以下的煙田占80.0%, 土壤板結現象嚴重． 此外, 煙田連作5年以上顯著降低了土壤細菌群落的多樣性． 為了解決土壤退化問題, 我們應該按照“分類控制、 分區施策”的總體思路和“以防為主, 治為輔”的控制原則, 通過整合土壤改良關鍵集成技術, 開展山地煙田土壤退化阻控及修復關鍵技術研究, 協同提升土壤及煙葉質量．