秸稈覆蓋對坡地紅壤養分流失及烤煙質量的影響①

呂 凱，吳伯志

(云南農業大學農學與生物技術學院，昆明 650201)

云南省是中國最大的烤煙種植產區，近年來烤煙種植面積約40.60×104hm2。隨著區域農業產業結構的變化，“烤煙上山”問題日益突出，由于大部分烤煙種植于坡地，且多為順坡起壟種植，降雨時極易產生水土流失，致使坡地土壤耕層變薄[1]，養分流失嚴重，土壤理化性狀變差[2]，烤煙產量和質量下降，嚴重影響了當地烤煙生產的可持續性。

秸稈覆蓋作為一種典型的保護性耕作措施，可以有效降低雨水對表層土壤的侵蝕力，增加地表糙度和雨水入滲，抑制土壤侵蝕和養分流失[3-4]；同時，隨著秸稈的降解，土壤物理、化學和生物學性狀也可以得到改善，進而增加土壤肥力水平[5-7]。適宜的土壤環境是烤煙正常生長發育和品質形成的基礎條件。已有研究表明，隨著土壤有機質、氮和磷的供應水平提高，初烤煙葉煙堿和總氮含量增加，總糖和還原糖含量降低[8-13]；土壤鉀的供應水平上升會促進初烤煙葉總糖、還原糖和鉀積累，降低煙堿和總氮含量[14-15]。目前，關于烤煙種植過程中秸稈覆蓋的研究報道主要集中在兩方面：一是對植煙土壤環境及烤煙經濟性狀和質量性狀的影響[16-17]；另一方面則是從水土保持的角度研究其對土壤侵蝕的影響[18-19]。而針對土壤養分流失對烤煙質量影響的研究較少。本研究通過設置4個不同梯度的秸稈覆蓋量，采用野外徑流小區觀測的方式，分析了秸稈覆蓋對坡地紅壤有機質、全氮、全磷、全鉀等養分流失及烤煙化學成分和感官質量的影響，并進一步探討了土壤養分流失量與烤煙質量之間的關系，以期為云南烤煙可持續性生產提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區域概況

試驗區位于昆明市宜良縣九鄉鄉，海拔1 905 m，年日照時數2 123 h，年均氣溫14.6 ℃，年降雨量1 064 mm。試驗地為緩坡地，坡度7°。供試土壤類型為紅壤，其基本性狀見表1。試驗開展時間為2015年4 月—2016 年10 月。2014 年試驗地大春作物為玉米，收獲后清除殘茬，淺耕休閑。徑流小區于2015年4 月上旬建成，并于6 月中旬烤煙揭膜培土后開始正式監測試驗。兩年的試驗觀測期間各發生6 場降雨產流事件，其中2015 年和2016 年產流降雨量分別為356.5 mm 和217.9 mm。

表1 試驗區土壤基本性狀Table 1 Soil basic properties in experimental area

1.2 試驗設計

試驗共設4 個處理，采用隨機區組設計，重復3次，共計12 個小區，小區面積為50 m2(10 m×5 m)。小區間采用高40 cm 的塑料板隔開，并用土掩埋成田埂。徑流小區下方設置體積為1 m3(1 m×1m×1m)混凝土徑流池，內置體積約140 L 徑流桶，并采用一根直徑為10 cm 的PVC 管連接徑流桶，用于地表徑流采集。小區沿等高線起壟8 行，每行種植8 株烤煙，共計64 株，行距1.20 m，株距0.55 m。各處理措施見表2。

表2 各處理農藝措施Table 2 Agronomic measures of different treatments

2015—2106 年烤煙移栽時間分別為5 月1 日和5月3 日，供試烤煙品種為當地主栽品種K326。各處理農家肥施用量為4 500 kg/hm2，氮(N)、磷(P2O5)和鉀(K2O)肥施用量分別為105、135 和300 kg/hm2(煙草專用復合肥、鈣鎂磷肥和硫酸鉀混合施用)。烤煙中耕培土后用風干切成5 cm 左右的小麥秸稈進行覆蓋。其余田間管理措施按當地優質煙葉生產標準進行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 徑流和泥沙樣品 每次產流后測定各小區徑流體積，并攪動徑流2 min，分層采集1 L 徑流，加入濃硫酸調節pH＜2 后，置于冰箱內保存用于測定徑流養分；另外，采集1 L 徑流，靜置后過濾泥沙，烘干測定泥沙質量及養分含量。徑流中有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮含量采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，全磷含量采用鉬酸銨分光光度法測定，全鉀含量采用火焰原子吸收分光光度法測定。泥沙中有機質、全氮、全磷、全鉀含量分別采用重鉻酸鉀容量法、凱氏定氮法、高氯酸-硫酸消解鉬銻抗比色法、火焰光度法測定。徑流養分流失量(kg/hm2)= 徑流養分含量(g/L)× 徑流體積(L)× 10/小區面積(m2)；泥沙養分流失量(kg/hm2)= 泥沙養分含量(g/kg)× 徑流含沙量(g/L)× 徑流體積(L)/[小區面積(m2)×100]。

1.3.2 初烤煙葉樣品 烤煙封頂后對葉片進行掛牌標記，成熟采收烘烤后，每個小區選取1 ～ 1.5 kg等級為C3F 的初烤煙葉用于化學成分測定和感官質量評價。煙葉總糖、還原糖、煙堿、總氮、鉀和氯含量分別采用連續流動法測定，感官質量采用九分制評吸法[20]進行評價。

1.4 數據處理

數據采用SPSS 21.0 和Excel 2016 軟件進行統計分析，其中多重比較采用Duncan 法(P＜0.05)，相關分析采用Pearson 法進行(P＜0.01)。

2 結果與分析

2.1 秸稈覆蓋對徑流和泥沙量的影響

徑流和泥沙是土壤養分流失的主要載體[21]。由表3 數據可知，隨著秸稈覆蓋量增加，徑流和泥沙量均呈下降趨勢(除2015 年SM4 處理徑流)，且秸稈覆蓋處理徑流和泥沙量均顯著低于對照(P＜0.05)。這說明秸稈覆蓋能顯著降低坡地產流和產沙量，減少土壤侵蝕。

表3 各處理徑流和泥沙量Table 3 Runoff and sediment yields under different treatments

2.2 秸稈覆蓋對土壤養分流失量的影響

2.2.1 泥沙養分流失量 通過連續2 a 的觀測，各處理泥沙有機質、全氮、全磷和全鉀流失量均隨著秸稈覆蓋量的增加而減少，且對照(SM1)泥沙養分流失量均顯著高于其余處理(P＜0.05)，各處理泥沙養分流失量與泥沙流失量變化趨于一致(表4)。與CK 相比，SM2、SM3 和SM4 處理泥沙有機質、全氮、全磷和全鉀流失量分別降低了53.97% ～ 82.52%、61.49% ～85.56%、44.69% ～ 83.75% 和52.52% ～ 81.79%。以上結果表明秸稈覆蓋能有效減少土壤養分流失，秸稈覆蓋量越高，抑制效果越好。這可能是由于秸稈覆蓋減緩了雨水對表層土壤的沖擊，減少了徑流中泥沙含量，從而降低了土壤養分流失，這與前人研究結果基本類似[22]。

表4 不同處理泥沙養分流失量Table 4 Sediment nutrients under different treatments

2.2.2 地表徑流養分流失量 由表5 可知，2 a 的觀測結果顯示，與CK 相比，其余3 個處理徑流有機質、全氮、全磷和全鉀流失量均降低，各處理地表徑流養分流失量與徑流量變化趨勢類似。其中2016 年SM2、SM3 和SM4 處理徑流養分含量均顯著低于CK(P＜0.05)，且隨著秸稈覆蓋量的增加徑流養分流失量降低，而2015 年僅徑流有機質和全磷流失量顯著低于CK(P＜0.05)。2015 年和2016 年SM2、SM3 和SM4 處理徑流有機質、全氮、全磷和全鉀分別較CK降低59.94% ～ 68.24%、45.97% ～ 61.16%、59.74% ～62.63% 和47.14% ～ 54.29%。這說明秸稈覆蓋可以降低徑流養分流失量而減少土壤養分流失，可能是因為秸稈覆蓋減緩了雨水對土壤沖擊，有利于雨水入滲而減少地表徑流產生，進而降低了徑流養分流失量。

表5 不同處理徑流養分流失量Table 5 Runoff nutrients under different treatments

2.2.3 養分流失總量 各處理土壤養分流失總量(泥沙養分流失量和地表徑流養分流失量)結果見表6。由表6 可知，2015—2016 年SM2、SM3 和SM4處理土壤有機質、全氮、全磷和全鉀流失量均顯著低于CK(P＜0.05)，分別平均降低了56.98% ～ 79.79%、54.46% ～ 77.00%、47.88% ～ 80.93% 和51.36% ～75.78%，且隨著秸稈覆蓋量的增加，各處理養分流失量呈下降趨勢。這主要是因為秸稈覆蓋降低了坡面產流和產沙量從而降低了土壤養分的流失總量。

表6 不同處理土壤養分流失總量Table 6 Soil nutrient losses under different treatments

結合表4 和表5，2015 年和2016 年各處理泥沙養分累計流失量占土壤養分流失總量比重為：有機質72.66%、全氮46.29%、全磷81.04% 和全鉀72.83%；而徑流養分流失量占比則為：有機質27.34%、全氮53.71%、全磷18.96% 和全鉀27.17%。這說明土壤有機質、磷和鉀多以泥沙形式流失為主，而泥沙和徑流則是氮素流失共同的主要形式，其原因可能是土壤中有機質、磷和鉀大部分難溶于水，其主要隨泥沙遷移流失，而氮則難溶和易溶部分較接近，致使泥沙和徑流中全氮的流失量占比相差不大。

2.3 不同處理對烤煙質量的影響

2.3.1 化學成分 由表7 可知，根據云南中煙優質煙葉化學指要求[23]，以SM3 和SM4 處理初烤煙葉化學成分協調性較好。2015 年和2016 年各處理煙葉總糖和還原糖含量均以CK 最高，其含量大小表現為CK＞SM2＞SM3(除SM4 外)；而煙堿、總氮和鉀含量則以 CK 煙葉最低，含量大小表現為 CK＜SM2＜SM3(除SM4 外)；各處理煙葉氯含量均無顯著性差異(P＞0.05)。當秸稈覆蓋量在0 ～ 7 500 kg/hm2時，各處理總糖和還原糖含量均表現出遞減趨勢，煙堿、總氮和鉀含量呈上升趨勢；而當秸稈量達到15 000 kg/hm2，不同年份間SM3 與SM4 處理煙葉總糖、還原糖、煙堿、總氮和鉀含量大小關系表現不一致，但均無顯著性差異(P＞0.05)。上述結果說明秸稈覆蓋可以有效降低煙葉總糖、還原糖含量，提高煙堿和總氮含量。

表7 不同處理煙葉化學成分Table 7 Tobacco chemical constitutions under different treatments

2.3.2 感官質量 2015 年和2016 年各秸稈覆蓋處理在感官總分上均高于CK，其中以SM3 處理最高，但僅SM3 處理得分顯著高于CK(P＜0.05)，這與翟興等[24]研究結果類似，但在香氣質、香氣量、雜氣、刺激性和余味等方面各處理間整體差異不大(表8)。

2.4 土壤養分流失量與烤煙質量的相關性

2015 年和2016 年土壤養分流失量與烤煙質量相關性分析結果見表9。土壤有機質、全氮、全磷和全鉀流失量與煙葉總糖和還原糖含量均呈顯著或極顯著正相關，與煙堿、總氮含量呈顯著或極顯著負相關，而與鉀、氯含量及評吸總分呈負相關關系，但未達到顯著水平。這說明土壤養分流失對煙葉質量影響較大，尤其是對烤煙碳氮化合物含量的影響。這可能是因為土壤養分流失集中于耕作表層，而這一部分養分為煙株生長發育的重要來源，隨著土壤養分流失量的增加，尤其是有機質和氮的流失，煙株對氮素吸收能力也減弱，從而導致含氮化合物含量降低，而含碳化合物含量增加。

3 討論

胡小曼等[25]研究表明，小麥秸稈覆蓋能降低初烤煙葉總糖和還原糖含量，提升煙堿和總氮含量，這與本研究結果類似，而與徐天養等[26]研究結果存在差異。隨著秸稈覆蓋量增加，初烤煙葉總糖(除2015年SM4 處理外)和還原糖含量呈遞減趨勢，而煙堿和總氮含量則呈上升趨勢，這與鄭憲濱等[27]研究結果也存在差異，且各處理土壤養分流失量與總糖、還原糖、煙堿和總氮含量均達到顯著或極顯著相關。上述結果表明，在不同條件下，秸稈覆蓋對烤煙碳氮代謝影響的機制存在差異。土壤養分供應水平是影響烤煙碳氮代謝平衡的關鍵因素，而硝酸還原酶活性則是煙草氮素吸收和利用的限速因子。在一定氮素供應水平范圍內，隨著土壤供氮水平的上升，硝酸還原酶活性增加，低氮水平有利于煙草碳代謝，增加煙葉含碳化合物的積累，而高氮水平則有利于煙草氮代謝，促進煙葉含氮化合物的合成[28]，而土壤有機質及有效磷含量提升，也會提升土壤氮素供應能力。

表8 不同處理煙葉感官質量評分Table 8 Scores of tobacco smoking qualities under different treatments

表9 土壤養分流失量與烤煙質量的相關性Table 9 Correlation between soil nutrient loss and tobacco quality

已有研究結果表明，秸稈覆蓋對土壤養分供應能力的影響主要來自于土壤理化性狀、生物學性狀[29-30]，以及土壤侵蝕和養分流失等方面[4,31]，而土壤養分供應能力又是影響烤煙碳氮代謝的關鍵因素。因此，本試驗中各處理煙葉總糖、還原糖、煙堿和總氮含量的差異原因應該是秸稈覆蓋一方面增加了土壤水分、通透性、微生物數量和酶活性，改善了土壤微環境，提升了根系活力和硝酸還原酶活性，從而促進對土壤養分吸收和利用，使烤煙氮代謝加強；另一方面則可能是秸稈覆蓋大幅降低了壟體表層土壤侵蝕和有機質、氮和磷的流失，提升了土壤微生物活性及土壤酶活性[32-33]，增加了壟體土壤養分的供應水平，促進了根系對土壤養分的吸收和利用，增強了烤煙氮代謝水平，而抑制了碳代謝。

3 個秸稈覆蓋處理土壤養分流失量均顯著低于對照(P＜0.05)，以SM4 處理抑制養分流失效果最好，其次為SM3 處理，但SM4 處理僅在2016 年顯著低于SM3 處理，而2015 年與之相比則未達到顯著差異水平(P＞0.05)。此外，秸稈覆蓋處理煙葉化學成分協調性和感官質量總分均優于對照，其中以SM3 處理煙葉綜合質量最佳；隨著秸稈覆蓋量增加，煙葉感官質量總分呈先增加后降低趨勢，這說明當秸稈量達到15 000 kg/hm2時會降低煙葉感官質量。因此，以7 500 kg/hm2(SM3)小麥秸稈覆蓋量的綜合效益較好，可以應用于紅壤坡地烤煙生產。

本研究通過野外徑流小區觀測，探討了秸稈覆蓋對坡地紅壤養分流失及烤煙質量的影響，提出了有利于坡地烤煙生產的秸稈覆蓋措施，但是不同養分形態對煙葉質量的影響也存在差異[34-36]，因此不同養分形態流失量對煙葉質量的影響仍需進一步研究。

4 結論

1)秸稈覆蓋可以有效降低土壤養分流失量，其中土壤有機質、全氮、全磷和全鉀流失量分別較對照降低了56.98% ～ 79.79%、54.46% ～ 77.00%、47.88% ～80.93% 和51.36% ～ 75.78%。此外，土壤不同養分流失的載體存在差異，其中土壤有機質、磷和鉀多以泥沙形式流失為主，而氮素則以泥沙和地表徑流共同流失為主。

2)秸稈覆蓋降低了煙葉總糖和還原糖含量，提升了煙葉煙堿、總氮、鉀含量和感官質量，促進了煙葉質量的提升。

3)綜合分析認為，以7 500 kg/hm2小麥秸稈量覆蓋措施綜合效益較好，可以應用于紅壤坡地烤煙生產，同時為云南烤煙生產的可持續性發展提供一定參考。