烤煙連作對植煙土壤碳庫及烤后煙葉品質(zhì)的影響

付仲毅，張曉遠(yuǎn)，張曉帆，周涵君，秦燚鶴，馬 靜，韓秋靜，葉協(xié)鋒

(1河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，國家煙草栽培生理生化研究基地，煙草行業(yè)煙草栽培重點實驗室，河南 鄭州450002；2云南臨滄市煙草公司，云南 臨滄677000)

煙草是忌連作作物，煙田長期連作導(dǎo)致煙株營養(yǎng)失調(diào)、土傳病害嚴(yán)重發(fā)生，對煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生不良影響[1]。由于煙葉生產(chǎn)耕作制度單一，連作或復(fù)種連作的面積越來越大，連作障礙已成為煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的突出問題。

引起連作障礙的原因主要有土壤養(yǎng)分的消耗、土壤反應(yīng)異常、土壤物理性狀的惡化、來自植物的有害物質(zhì)及土傳病害和線蟲[2]。鄭良永等[3]、張長華等[4]研究認(rèn)為，連作條件下烤煙植煙土壤pH值變?yōu)樗嵝?，有機(jī)質(zhì)含量降低，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)減少，土壤易板結(jié)，對土壤酶活性、土壤呼吸和微生物生物量也有較大影響。晉艷等[5-6]研究表明，輪作土壤的pH值和有機(jī)質(zhì)含量均高于連作，連作降低了煙葉總糖、還原糖和鉀含量，增加了煙葉的煙堿含量。尤垂淮等[7]研究表明，連作使煙葉煙堿和氯的含量增加，總糖、還原糖、鉀含量及鉀氯比降低，進(jìn)而導(dǎo)致煙葉化學(xué)成分不協(xié)調(diào)，品質(zhì)變差，產(chǎn)值下降。土壤有機(jī)質(zhì)表征土壤肥力的變化，是土壤質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)中的碳即為有機(jī)碳，土壤有機(jī)碳的變化不僅與煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量風(fēng)格特色密切相關(guān)，而且會影響土壤乃至整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性[8]。受氣候條件、農(nóng)業(yè)管理和土地利用不合理等因素的影響，土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的貧瘠化現(xiàn)象相當(dāng)普遍。土壤碳庫的動態(tài)平衡直接影響著土壤肥力的保持與提高，進(jìn)而影響土壤質(zhì)量的優(yōu)劣和作物產(chǎn)量的高低。因此推測土壤有機(jī)碳庫水平可能成為引起烤煙連作障礙因子之一。本研究在重慶市彭水縣通過田間建池進(jìn)行定位試驗，研究了烤煙連作對土壤碳庫及烤后煙葉品質(zhì)的影響，解析煙草連作障礙的成因，為調(diào)控作物連作障礙，建立以煙為主的耕作制度提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試煙草品種為“云煙87”，煙苗取自重慶市彭水縣小廠鄉(xiāng)育苗基地。

1.2 試驗設(shè)計

大田試驗于2013年在重慶市彭水縣小廠鄉(xiāng)煙葉示范園內(nèi)進(jìn)行。該區(qū)域海拔高度1 105 m。2004年3月取試驗地0～20 cm耕層土壤，分析土壤理化指標(biāo)，其中堿解氮含量167.4 mg/kg，速效磷含量60.95 mg/kg，速效鉀含量422 mg/kg，pH值5.66，總有機(jī)碳含量24.64 g/kg，水溶性有機(jī)碳含量129.82 mg/kg，微生物生物量碳含量210.20 mg/kg，易氧化活性有機(jī)碳含量3.72 mg/kg，礦化速率27.68 mg/(kg·d)。在該試驗地上建池，池長30 m，寬6 m，深1.5 m。池之間用水泥擋板進(jìn)行分割隔離。

試驗設(shè)置3個處理：對照CK(輪作土壤，即2013年開始植煙)，T1(連作5年植煙土壤，即 2009-2013年連續(xù)植煙)，T2(連作10年植煙土壤，即2004-2013年連續(xù)植煙)。以上各年份植煙均為煙后冬閑再種煙。煙草種植在池內(nèi)，池中土壤為原狀土。每個處理200株(50株×4行)，旁邊設(shè)置保護(hù)行，3次重復(fù)。肥料用量為氮肥(以純氮計)45 kg/hm2，m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)為1∶1∶3。煙株移栽、施肥、栽培密度及打頂?shù)忍镩g管理按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。

試驗地臨近未耕作的森林土壤總有機(jī)碳含量5.63 g/kg，水溶性有機(jī)碳含量75.89 mg/kg，微生物生物量碳含量60.23 mg/kg，易氧化活性有機(jī)碳含量0.69 mg/kg，礦化速率26.61 mg/(kg·d)。

1.3 測量指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤碳庫指標(biāo) 在煙株移栽施肥前,按照五點法采集耕作層(0～20 cm)土壤及試驗田臨近的森林土壤;在煙株收獲后，用土鉆在各小區(qū)煙株根部以煙株為圓心、15 cm為半徑,按照五點法采集土壤樣品。將采集的土樣分為兩部分，一部分鮮土樣保存在4 ℃冰箱，用于測量土壤微生物生物量碳含量等指標(biāo)；另一部分土樣風(fēng)干后用于測量土壤總有機(jī)碳、易氧化活性有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、有機(jī)碳礦化速率等。土壤總有機(jī)碳含量(TOC)測定采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱氧化法[9],土壤易氧化活性有機(jī)碳含量(EOC)測定采用333 mmol/L KMnO4氧化法[10],土壤水溶性有機(jī)碳含量(DOC)測定采用水提取過濾的方法[11],土壤微生物生物量碳含量(SMBC)測定采用氯仿熏蒸浸提法[12],非活性有機(jī)碳含量(NLOC)=總有機(jī)碳含量-土壤易氧化活性有機(jī)碳含量,土壤有機(jī)碳礦化釋放的C量測定采用Phoenix 8000 TOC 分析儀(美國),土壤有機(jī)碳礦化速率測定采用堿吸收法[13]。

土壤碳庫管理指數(shù)以試驗田附近未耕作的森林土壤為參考土壤，其計算方法[12]如下：

碳庫指數(shù)(CPI)=樣品有機(jī)碳含量/參考土壤有機(jī)碳含量；碳庫活度(A)=活性有機(jī)碳含量/非活性有機(jī)碳含量；碳庫活度指數(shù)(AI)=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度；碳庫管理指數(shù)(CPMI)=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100。

1.3.2 烤后煙葉常規(guī)化學(xué)成分 取B2F、C3F和X2F烤后煙葉樣品各1.0 kg用于常規(guī)化學(xué)成分測定。還原糖和總糖含量按照YC/T 159-2002的方法測定，煙堿、總氮、K+、Cl-含量分別按照YC/T 159-2002、YC/T 161-2002、YC/T 173-2003、YC/T 16/2-2002的方法測定[14]。

1.3.3 中性致香物質(zhì)含量 取B2F和C3F烤后煙葉樣品用于中性致香物質(zhì)檢測。中性致香物質(zhì)含量采用HP5890-5972氣質(zhì)聯(lián)動儀檢測，具體蒸餾操作及檢測方法參見葉協(xié)鋒等[15]的方法。

1.3.4 烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀 煙葉成熟后按部位依次采收，并按照處理單獨掛桿烘烤，對烤后煙葉進(jìn)行分級，各個等級單獨稱樣、計產(chǎn)。依據(jù)當(dāng)?shù)責(zé)熑~收購市場平均價格計算產(chǎn)值、均價及上等煙比例。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel軟件進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和圖表制作，方差分析采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 連作對植煙土壤碳庫的影響

2.1.1 對土壤碳庫各指標(biāo)的影響 連作對植煙土壤碳庫的影響見表1。

表1 連作對植煙土壤碳庫的影響Table 1 Effect of continuous cropping on carbon pool of tobacco-planted soil

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note：Different lowercase letters indicate significant difference atP<0.05.The same below.

由表1可以看出，連作顯著影響土壤總有機(jī)碳含量(TOC)。與CK相比，處理T1和T2總有機(jī)碳含量 (TOC)分別降低了8.80%和28.17%，且各處理間差異達(dá)到顯著水平。說明隨著連作年限的增加，土壤總有機(jī)碳含量呈下降趨勢，這與何川等[16]的研究結(jié)果一致。土壤有機(jī)碳礦化速率是表征土壤有機(jī)碳分解速率的指標(biāo)[13]。處理T1和T2土壤有機(jī)碳礦化速率較CK顯著下降，T2的礦化速率最小，為23.17 mg/(kg·d)，與CK和T1的差異達(dá)到顯著水平。處理T2的土壤易氧化活性有機(jī)碳含量(EOC)較CK降低了11.05%，差異顯著；T1略低于CK，且與CK間差異不顯著。說明短期連作(連作5年)對土壤易氧化活性有機(jī)碳含量(EOC)影響不顯著，長期連作(連作10年)使土壤易氧化活性有機(jī)碳含量降低。處理T1和T2的水溶性有機(jī)碳含量較CK分別降低29.08%和31.56%，差異顯著。處理T1和T2的微生物生物量碳(SMBC)含量較CK分別降低了12.16%和12.92%，且處理T1和T2與CK間存在顯著性差異。

2.1.2 對植煙土壤碳庫管理指數(shù)的影響 土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)是評價施肥和耕作措施對土壤質(zhì)量影響的最好指標(biāo)，能夠反映土壤肥力和土壤質(zhì)量的變化[17]。從表2可以看出，各處理土壤碳庫活度(A)和碳庫活度指數(shù)(AI)均無顯著變化，碳庫指數(shù)(CPI)較對照分別下降8.97%和28.25%，表現(xiàn)為CK>T1>T2。碳庫管理指數(shù)T2處理較CK下降7.84%，差異顯著，而CK與T1間無顯著性差異。

表2 連作對植煙土壤碳庫管理指數(shù)的影響Table 2 Effect of continuous cropping on CMPI of tobacco-planted soil

2.2 連作對烤后煙葉化學(xué)成分及協(xié)調(diào)性的影響

由表3可知，處理T1和T2中部葉和上部葉的煙堿含量均高于CK，說明連作提高了煙葉的煙堿含量，但處理T1和T2上部葉煙堿含量超出優(yōu)質(zhì)煙葉的最適范圍(1.5%～3.5%)[18]，而煙堿含量過高會導(dǎo)致刺激性大，味苦，煙味辛辣[19]。煙草是喜鉀作物，煙葉鉀含量不僅影響卷煙燃燒性和焦油釋放量，而且對提高香氣含量、改善煙葉香吃味以及煙葉外觀和內(nèi)在品質(zhì)均有明顯的影響[20]。處理T1和T2中部葉和上部葉鉀含量均低于CK，且處理T1和T2與CK間差異顯著，說明連作降低了煙葉鉀含量。整體來看，處理T1和T2的兩糖含量均顯著低于CK，處理T2的兩糖含量整體高于T1，且處理T1與T2間差異顯著。處理T1和T2的氯含量整體高于CK。連作有降低煙葉鉀氯比的趨勢。

表3 連作對烤后煙葉化學(xué)成分及協(xié)調(diào)性的影響Table 3 Effect of continuous cropping on chemical composition and coordination of cured-tobacco

2.3 連作對烤后煙葉香氣物質(zhì)含量的影響

根據(jù)形成致香物質(zhì)的前體物，可以將烤煙中性致香物質(zhì)分為苯丙氨酸類、棕色化反應(yīng)產(chǎn)物類、類胡蘿卜素類、類西柏烷類等，有些物質(zhì)含量雖然較低，但對煙葉香氣特征的形成具有重要影響[21]。棕色化反應(yīng)產(chǎn)物類致香物質(zhì)包括糠醛、糠醇等成分，其中多種物質(zhì)具有特殊的香味[21]。從表4可知，連作降低了煙葉苯丙氨酸類致香物質(zhì)含量、棕色化反應(yīng)產(chǎn)物類致香物質(zhì)含量。

類胡蘿卜素類致香物質(zhì)是煙葉中重要香味物質(zhì)的前體物。煙葉在醇化過程中，類胡蘿卜素降解，生成一大類揮發(fā)性芳香化合物，其中相當(dāng)一部分是重要的中性致香物質(zhì)，對卷煙吸食品質(zhì)有重要影響[21]。茄酮是類西柏烷類物質(zhì)降解的主要產(chǎn)物之一，可以賦予煙葉一種醛和酮類物質(zhì)的味道[21]。新植二烯具有減輕刺激和柔和煙氣的作用，并且與煙氣的品質(zhì)密切相關(guān)[21]。從表4可知，連作降低了中部葉類胡蘿卜素類中性致香物質(zhì)總量，但增加了上部葉類胡蘿卜素類中性致香物質(zhì)總量；連作增加了中部葉類西柏烷類香氣物質(zhì)含量；連作降低了中部葉芳樟醇含量和螺巖蘭草酮含量；連作降低了中上部葉新植二烯含量，且隨著連作年限增加，呈先下降后上升的趨勢。

由表4可知，連作降低了煙葉中中性致香物質(zhì)總量。

表4 連作對煙葉中性致香物質(zhì)成分含量的影響Table 4 Effect of continuous cropping on neutral aroma components of cured-tobacco leaves μg/g

2.4 連作對烤煙經(jīng)濟(jì)性狀的影響

由表5可以看出，不同處理在各項經(jīng)濟(jì)性狀指標(biāo)方面呈現(xiàn)出一致的規(guī)律，隨著連作年限的增加，各項經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)呈下降趨勢，即CK>T1>T2。處理T1和T2的產(chǎn)量較CK分別降低了10.72%和18.68%；CK產(chǎn)值最高，為28 916元/hm2，處理T1和T2的產(chǎn)值較CK分別降低了13.46%和24.77%。在均價方面，處理T1和T2均價較CK分別降低了3.06%和7.48%，處理T1和T2間差異顯著。CK上中等煙比例高達(dá)88.32%，較處理T1高3.89%，較處理T2高11.66%，且差異顯著。

表5 連作對烤煙經(jīng)濟(jì)性狀的影響Table 5 Effect of continuous cropping years on economic characters of flue-cured tobacco

3 討 論

多數(shù)研究表明，在同一田塊多年連作同一作物會帶來諸多不良后果[22]。許婷婷等[23]研究表明，隨著楊樹人工林連作代數(shù)的增加，土壤有機(jī)碳含量逐漸降低，2代林地和3代林地的有機(jī)碳含量顯著低于荒地。本研究結(jié)果表明，輪作植煙土壤總有機(jī)碳含量高于連作，且隨著連作年限的增加呈下降趨勢。這可能的原因是：(1)輪作增加了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)時間序列上的生物多樣性，從而改變了輸入土壤的有機(jī)成分、微生物種類以及碳分解與轉(zhuǎn)化的生物過程，進(jìn)而增強了對土壤有機(jī)碳固持的作用。(2)長期連作導(dǎo)致土壤氮素增加，而氮素的增加可以提高土壤微生物的活性，加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解[24]，進(jìn)而加速土壤有機(jī)碳的消耗。黃文昭等[25]研究表明，土壤氮素充足條件下，受氮源限制的發(fā)酵性微生物生長旺盛，抑制了受碳源限制的土著性微生物的生長，使土壤有機(jī)碳分解礦化速率降低，產(chǎn)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)。魏朝富等[26研究表明，單施化肥會導(dǎo)致土壤活性有機(jī)碳含量下降。施肥對土壤水溶性有機(jī)碳含量有很大影響，通常無機(jī)肥能減少土壤水溶性有機(jī)碳含量，而有機(jī)肥能夠增加水溶性有機(jī)碳含量[27]。Chantigny等[28]研究表明，隨著N肥施用量的增加，土壤中水溶性有機(jī)碳含量逐漸減少。本試驗結(jié)果表明，連作5年和10年的土壤易氧化活性有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳含量及有機(jī)碳礦化速率均低于輪作。水溶性有機(jī)碳是土壤微生物可直接利用的有機(jī)碳源[29]，其含量減少必然影響微生物量，進(jìn)而影響微生物生物量碳含量。本試驗中，各處理微生物生物量碳含量呈現(xiàn)輪作>連作5年>連作10年，證實了這一推測。

碳庫管理指數(shù)結(jié)合了人為影響下土壤碳庫指標(biāo)和土壤碳庫活度兩方面的內(nèi)容，一方面反映了外界條件對土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量變化的影響，另一方面反映了土壤活性有機(jī)質(zhì)數(shù)量的變化，所以能夠較全面和動態(tài)地反映外界條件對土壤有機(jī)質(zhì)特性的影響。本研究中輪作和連作5年的碳庫管理指數(shù)分別為517.36和519.68，表明短期連作(連作5年)對土壤碳庫影響不大；而連作10年的碳庫管理指數(shù)為476.80，顯著低于輪作和連作5年，表明長期連作(連作10年)降低了土壤碳庫，使土壤性質(zhì)趨劣。尤垂淮等[7]研究表明，隨著連作年限的增加，煙葉煙堿和氯含量增加，總糖、還原糖和鉀含量降低，內(nèi)在化學(xué)成分相對不協(xié)調(diào)。本研究結(jié)果表明，連作降低了烤煙總糖和還原糖含量及烤煙中下部煙葉鉀含量和鉀氯比，增加了烤煙中下部煙葉的煙堿和氯含量，這與前人研究的結(jié)論部分一致。

烤煙中部葉苯丙氨酸類、棕色化反應(yīng)產(chǎn)物類、類胡蘿卜素類、新植二烯均表現(xiàn)為輪作>連作10年>連作5年，隨連作年限的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。上部葉苯丙氨酸類、棕色化反應(yīng)產(chǎn)物表現(xiàn)為輪作>連作5年>連作10年，隨連作年限的增加呈下降的趨勢。從中性致香物質(zhì)總量來看，輪作>連作10年>連作5年。晉艷等[5]的研究表明，輪作煙田的煙葉中性致香物質(zhì)含量大多高于連作煙田的煙葉，與本試驗結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

(1)連作土壤總有機(jī)碳含量、易氧化活性有機(jī)碳含量、水溶性有機(jī)碳含量、有機(jī)碳礦化速率、微生物生物量碳含量、碳庫指數(shù)和土壤碳庫管理指數(shù)降低，且隨著連作年限的增加均呈下降趨勢。(2)短期連作(連作5年)對土壤碳庫影響不大，長期連作(連作10年)降低了土壤碳庫，使土壤性質(zhì)趨劣。(3)輪作處理烤煙化學(xué)成分及其協(xié)調(diào)性優(yōu)于連作。(4)輪作烤煙經(jīng)濟(jì)性狀均優(yōu)于連作。