邱嶺軍,張 翔,毛家偉,李 亮,李 琦,司賢宗,索炎炎,程培軍,孔德輝
(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所,河南鄭州 450002;2.河南省煙草公司,河南鄭州 450018;3.洛陽(yáng)市煙草公司,河南洛陽(yáng) 471000)
我國(guó)每年約產(chǎn)生秸稈資源10.4 億t,其中,小麥秸稈占禾谷類秸稈的27.7%[1],但存在秸稈處置方式落后,回收利用率低,造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源損耗,所以,秸稈科學(xué)還田引起了大多數(shù)學(xué)者的關(guān)注。秸稈腐解不僅能夠提供作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的大、微量營(yíng)養(yǎng)元素,還能為土壤微生物提供物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)源,在維持地力平衡、增加土壤有機(jī)質(zhì)等方面發(fā)揮著巨大作用[2-3]。付鑫等[4]研究表明,秸稈覆蓋對(duì)土壤微生物量氮、全氮和潛在礦化氮含量等具有顯著提升作用。程宏波等[5]的研究認(rèn)為,玉米秸稈覆蓋能夠顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率。秸稈覆蓋作為一種高效生態(tài)農(nóng)藝栽培措施,兼顧蓄水穩(wěn)溫保墑效應(yīng),是資源循環(huán)利用的最有效、最被認(rèn)同培肥地力的增產(chǎn)措施[6],通過(guò)改變土壤水熱狀況、理化性狀和生物養(yǎng)分有效性進(jìn)而調(diào)控土壤微生物的群落生態(tài)結(jié)構(gòu),減少化肥投入,降低空氣污染和環(huán)境負(fù)荷,而且能為作物營(yíng)造一個(gè)適宜的土壤環(huán)境,對(duì)促進(jìn)作物快速生長(zhǎng)發(fā)育、提高產(chǎn)量等具有積極作用[7]。
煙草是我國(guó)一種重要的經(jīng)濟(jì)作物,在豫西地區(qū)廣泛推廣種植,但由于人均耕地資源不足,過(guò)度依賴化肥、不合理的耕作方式及高強(qiáng)度的種植模式等,嚴(yán)重破壞了土壤結(jié)構(gòu),造成煙田土壤養(yǎng)分不平衡、根際土壤微生態(tài)結(jié)構(gòu)惡化、土傳病害加重、地力衰退、煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)逐年下降等一系列問(wèn)題[8]。土壤作為烤煙種植的直接載體,其理化性質(zhì)、肥力水平及微生物活性水平與植物生長(zhǎng)代謝聯(lián)系緊密[9],再加上低溫、干旱等自然環(huán)境因素的限制,嚴(yán)重制約著該區(qū)煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)的進(jìn)一步提升。李小雁等[10]研究認(rèn)為,旱作玉米覆膜以及溝壟技術(shù)可顯著提高旱地馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率,且具有疊加效應(yīng)。目前,關(guān)于秸稈與地膜覆蓋技術(shù)的耦合效應(yīng)對(duì)土壤生物學(xué)特性及煙葉品質(zhì)的研究還較少。
本研究通過(guò)開(kāi)展大田試驗(yàn),探究地膜與秸稈覆蓋組合的栽培技術(shù)對(duì)烤煙的生理指標(biāo)、土壤微生物區(qū)系、烤后煙葉化學(xué)成分的影響,探索一套適合豫西地區(qū)烤煙的土壤保育技術(shù)與秸稈地膜覆蓋耦合的農(nóng)業(yè)綜合模式,為提高烤煙經(jīng)濟(jì)效益、促進(jìn)秸稈還田技術(shù)的示范應(yīng)用提供參考依據(jù),旨在為優(yōu)化旱地土壤培肥管理提供理論和技術(shù)支撐。
試驗(yàn)于2019 年5—10 月在河南省洛寧縣小界鄉(xiāng)王村進(jìn)行,試驗(yàn)地肥力均勻一致,地勢(shì)平坦,排灌方便。土壤基本理化性質(zhì)為:pH 值7.80,有機(jī)質(zhì)含量11.5g/kg,全氮含量0.088%,速效氮含量72.1mg/kg,速效磷含量21.7 mg/kg,速效鉀含量187 mg/kg,水溶性鹽總量0.32 g/kg。試驗(yàn)前茬作物為煙草。
供試烤煙品種為中煙203。
供試肥料種類有:煙草專用復(fù)合肥料(N 10%、P2O512%、K2O 18%),餅肥(N 53%),重過(guò)磷酸鈣(P2O546%),硫酸鉀(K2O 50%),硝酸鉀(N 13.5%,K2O 46%)。
試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),共設(shè)4 個(gè)處理,分別為:T1.只地膜覆蓋(CK),團(tuán)棵期揭膜培土。T2.秸稈覆蓋。移栽時(shí),小麥秸稈7 500 kg/hm2均勻覆蓋壟體。T3.壟體地膜覆蓋+壟溝小麥秸稈覆蓋。移栽時(shí),壟體地膜覆蓋,壟溝小麥秸稈7 500 kg/hm2覆蓋;團(tuán)棵期壟體揭膜,將壟溝小麥秸稈翻到壟體覆蓋培土。T4.壟體地膜覆蓋+壟溝小麥秸稈粉碎覆蓋。移栽時(shí),壟體地膜覆蓋,壟溝用粉碎后的小麥秸稈(將小麥秸稈切割成2~3 cm 段)7 500 kg/hm2覆蓋;團(tuán)棵期壟體揭膜,將壟溝小麥秸稈隨中耕培土翻到壟體覆蓋。
試驗(yàn)3 次重復(fù),小區(qū)面積72 m2(4.8 m×15.0 m),每小區(qū)種植4 行,行距120 cm,株距55 cm。常規(guī)施N60 kg/hm2,氮磷鉀比例為1∶1.5∶3.5。煙草專用復(fù)合肥80%條施、20%穴施,餅肥和磷肥全部條施,鉀肥30%條施、20%穴施、50%追施,硝酸鉀于團(tuán)棵期追施。5 月10 日移栽,移栽密度為16 500 棵/hm2,10 月18 日采烤結(jié)束。其他各項(xiàng)田間生產(chǎn)管理措施統(tǒng)一按當(dāng)?shù)匾?guī)范化措施進(jìn)行。
于植株生長(zhǎng)的3 個(gè)生育時(shí)期(團(tuán)棵期(移栽后35 d)、旺長(zhǎng)期(移栽后70 d)、成熟期(移栽后90 d)),測(cè)定煙株的株高、莖圍、葉片數(shù)、葉面積等農(nóng)藝指標(biāo)。移栽后70 d,在陽(yáng)光充足的10:00—12:00 對(duì)煙葉進(jìn)行光合特性測(cè)定。在煙壟上采集2 株煙株正中位置0~20 cm 土層3 個(gè)重復(fù)的土樣,采用五點(diǎn)法混合均勻后取1/4 低溫冷藏帶回室內(nèi),鮮樣去雜后保存于4 ℃冰箱,用以測(cè)定土壤微生物群落和微生物生物量碳、氮,另外部分土樣風(fēng)干后研磨測(cè)養(yǎng)分含量。同時(shí),每個(gè)生育時(shí)期隨機(jī)選取3 整株煙株,分部位取樣并清洗干凈,置于烘箱中,于105 ℃殺青30 min 后,70 ℃烘干至恒質(zhì)量,粉碎后測(cè)定根、莖、葉中全氮含量。產(chǎn)量根據(jù)小區(qū)產(chǎn)量進(jìn)行估算。煙葉成熟后,按不同處理分區(qū)采收和計(jì)產(chǎn),按《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):烤煙(GB 2635—1992)》進(jìn)行分級(jí),計(jì)算中上等煙率,并按2019 年國(guó)家局收購(gòu)指導(dǎo)價(jià)格計(jì)算不同煙葉等級(jí)單價(jià);每公頃產(chǎn)量、產(chǎn)值由小區(qū)產(chǎn)量、產(chǎn)值折算。
土壤微生物區(qū)系采用稀釋平板分離測(cè)數(shù)法測(cè)定[11];微生物生物量采用氯仿熏蒸法測(cè)定[12];按照鮑士旦[13]的方法測(cè)定土壤總氮等;速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定;烤后煙葉總糖采用蒽酮比色法測(cè)定,還原糖采用DNS 比色法測(cè)定,煙堿采用萃取脫色法測(cè)定,總氮采用凱氏定氮法測(cè)定,鉀采用火焰光度法測(cè)定,氯采用莫爾法測(cè)定[14]。
采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 17.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,用Duncan′s 新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較(α=0.05)。
由表1 可知,在移栽后35 d,葉面積和莖圍均以T4 處理最高,分別達(dá)984.5 cm2和8.4 cm,各處理葉面積由高到低排序?yàn)椋篢4>T3>T1>T2;與T1處理相比,T4 處理的株高、莖圍和葉面積分別提高了15.84%、10.53%、10.09%;株高、莖圍、葉片數(shù)和葉面積均以T2 處理最低,表明與地膜覆蓋相比,秸稈覆蓋對(duì)煙株生長(zhǎng)的促進(jìn)作用相對(duì)較弱。移栽后70 d,與T1 處理相比,T2、T3、T4 處理的葉面積分別提高了0.14%、9.34%、6.60%,其中,T4 處理的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)最佳。表明T4 處理的栽培措施對(duì)烤煙株高、葉片數(shù)、莖圍及葉面積均有促進(jìn)作用,能有效促進(jìn)烤煙生長(zhǎng)。
表1 不同處理對(duì)煙株農(nóng)藝性狀的影響
從表2 可以看出,在移栽后70 d,T2 處理凈光合速率最低,為24.2 μmol/(m2·s),低于地膜+秸稈組合模式的T3、T4 處理,且與T1 處理間差異不顯著。氣孔導(dǎo)度以T3 處理最高,為0.61 mol/(m2·s),不同處理間差異不顯著。T2、T3、T4 處理的蒸騰速率與T1 處理間存在顯著性差異,由高到低排序?yàn)門(mén)4>T3>T2>T1。T4 處理的胞間CO2濃度與T1 處理相比降低了39.27%,且與T1、T2 和T3 處理間均存在顯著性差異。
表2 不同處理對(duì)煙葉光合特性的影響
表3 不同處理對(duì)土壤微生物數(shù)量和生物量碳、氮的影響
從表3 可以看出,在移栽后70 d,不同處理間土壤微生物數(shù)量發(fā)生了顯著性變化,具體表現(xiàn)為細(xì)菌>放線菌>真菌,土壤細(xì)菌最高,其次是放線菌。施用地膜+不同秸稈處理的微生物數(shù)量顯著高于只地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理,其中,T4 處理的土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量較T1 處理分別提高了26.09%、56.25%、84.44%,T4 處理與T1、T2、T3 處理的細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量均存在顯著性差異。由于秸稈中有效碳的腐解引起微生物底物利用的迅速增加,不同處理間土壤微生物生物量碳(MBC)含量差異顯著;T2 處理土壤微生物生物量氮(MBN)含量最大,且與T1、T3、T4 處理間差異顯著,使得T2處理的MBC/MBN 值顯著小于其他處理。T4 處理的土壤MBC、MBN 含量分別較T1 處理提高了73.17%、13.61%,土壤MBC/MBN 值均顯著高于T1、T2、T3處理,表明地膜+粉碎秸稈的T4 處理對(duì)土壤微生物群落功能多樣性和數(shù)量的提升具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
由圖1 可知,在移栽后35 d,不同處理對(duì)土壤溫度(0~25 cm)有較大影響,隨土層深度不斷增加土壤溫度呈逐漸降低的趨勢(shì),以T4 處理保溫效果最好,T3 處理次之。與T1 處理相比,T4 處理0~5、5~10、10~15、15~20、20~25 cm分別提高了9.52%、7.66%、6.25%、7.39%、7.66%。T4 處理的平均溫度為22.2 ℃,T2 處理表現(xiàn)最差,平均溫度僅為19.0 ℃,且低于T1 處理1.62 ℃。在移栽后70 d,不同處理間土壤溫度整體表現(xiàn)為:T4>T2>T1>T3,且不同土層的土壤溫度差異不大,并未達(dá)到顯著差異水平,這表明地膜和秸稈覆蓋處理均有利于耕作層(0~25 cm)的保溫保墑,且地膜+不同秸稈處理對(duì)耕作層的保墑作用優(yōu)于只覆地膜或只秸稈覆蓋,其中,地膜+粉碎秸稈處理效果最明顯,能夠促進(jìn)煙株健康快速生長(zhǎng)。
從表4 可以看出,隨著烤煙生育期的不斷推進(jìn),煙田土壤逐漸變得疏松,土壤容重呈逐漸降低趨勢(shì),T2、T3、T4 處理的土壤容重均低于T1 處理,但差異未達(dá)到顯著水平。移栽后35 d,T3 和T4 處理的土壤含水率顯著低于T1 處理;T2、T3 和T4 處理的有機(jī)碳含量與T1 處理相比,分別提高了13.26%、15.91%、18.94%;T4 處理硝態(tài)氮含量最高,達(dá)1.12 mg/kg,T2 處理最低,T4 處理的硝態(tài)氮含量與T1、T2 和T3 處理間均存在顯著性差異,而T2 處理的銨態(tài)氮含量顯著高于T1、T3 和T4 處理,且均存在顯著性差異;不同處理間全氮、速效鉀和水溶性鹽總量均差異不顯著。在移栽后70 d,T2、T3 和T4 處理的土壤含水率均顯著高于T1 處理,分別提高了11.70%、16.37%和18.71%,T2 處理的銨態(tài)氮含量顯著高于T1、T3 和T4 處理,且存在顯著性差異;與生育前期相比,硝態(tài)氮平均含量隨生育期的推進(jìn)呈增加趨勢(shì),而銨態(tài)氮含量則呈不斷降低趨勢(shì)。結(jié)果顯示,有秸稈覆蓋的T2、T3 和T4 處理土壤中的有機(jī)碳含量也顯著高于只地膜覆蓋處理,表明秸稈覆蓋對(duì)煙田土壤的保水保濕具有促進(jìn)意義。
表4 不同處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響
表5 不同處理對(duì)烤煙產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)性狀的影響
由表5 可知,與T1 處理相比,施用地膜+秸稈、地膜+粉碎秸稈的T3、T4 處理的烤煙產(chǎn)量、產(chǎn)值、均價(jià)和中上等煙比例均有不同程度提高,其中,T4 處理的煙葉品質(zhì)最佳且經(jīng)濟(jì)性狀好,較T1 處理產(chǎn)量提高11.65%,產(chǎn)值增加19.06%,中上等煙比例均提升21.94%,T4 處理的產(chǎn)量、產(chǎn)值、均價(jià)和中上等煙比例均顯著優(yōu)于T1、T2、T3 處理,但與T3 處理的產(chǎn)量、產(chǎn)值、中上等煙比例間均無(wú)顯著性差異。表明秸稈覆蓋措施對(duì)烤煙產(chǎn)量、產(chǎn)值的影響相對(duì)只覆地膜的效果更明顯,均能顯著提高烤煙產(chǎn)量和產(chǎn)值,其中,地膜+粉碎秸稈的T4 處理的產(chǎn)量、產(chǎn)值和中上等煙比例最好,對(duì)烤煙的經(jīng)濟(jì)效益有積極的促進(jìn)作用。
由表6 可知,煙葉總糖含量為18.44%~26.56%,還原糖含量為17.02%~25.13%,總氮含量為1.63%~1.86%,煙堿含量為2.21%~3.35%,鉀含量在1.31%以上,氯含量在0.52%以下,糖堿比為5.50~12.02,氮堿比為0.56~0.77,鉀氯比≥2.52,還原糖與總糖的比值≥0.85。T3、T4 處理的煙堿、總氮含量均顯著低于T1、T2 處理,并存在顯著性差異;T4 處理中部煙葉的總糖、還原糖、氯的含量及糖堿比、氮堿比和兩糖比均在適宜范圍內(nèi)。與T1 處理相比,T4處理煙葉鉀離子含量提高了27.48%;T4 與T3 處理的總糖、還原糖、總氮、氯、還原糖與總糖比等均無(wú)顯著性差異,表明T3 處理烤后煙品質(zhì)僅次于T4 處理。研究結(jié)果顯示,地膜+小麥秸稈粉碎的T4 處理和地膜+小麥秸稈的T3 處理能有效促進(jìn)烤煙生長(zhǎng)發(fā)育并使烤后煙葉內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)更協(xié)調(diào)。
表6 不同處理對(duì)烤后中部煙葉化學(xué)成分的影響
秸稈覆蓋作為一種綠色生態(tài)、高效農(nóng)藝栽培措施,既優(yōu)化秸稈資源的合理配置,又減少對(duì)環(huán)境的污染,同時(shí)秸稈腐解可釋放多種有益營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),在某種程度上激活了土著微生物和酶的偏嗜性和優(yōu)先性,有效提高作物抗病免疫機(jī)制及增強(qiáng)作物抵抗非可控生物、非生物因素逆境下的脅迫,提高作物N 素利用效率和調(diào)節(jié)作物快速生長(zhǎng)發(fā)育,為植物生長(zhǎng)營(yíng)造一個(gè)適宜的生存環(huán)境[15]。趙永敢[16]研究表明,在河套灌區(qū)“上膜下秸”措施可有效提高土壤含水率,為向日葵根系營(yíng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境,這與本研究結(jié)果一致,在移栽后35 d,有地膜覆蓋的T1、T3、T4 處理土壤含水率顯著高于只秸稈覆蓋的T2 處理,且比T2 處理分別提高了11.70%、16.37%和18.71%,可能原因是春季蒸發(fā)旺盛,只秸稈覆蓋處理對(duì)煙株生長(zhǎng)的促進(jìn)作用相對(duì)較弱。不同處理對(duì)土壤溫度(0~25 cm)有較大影響,與T1 處理相比,地膜+粉碎秸稈的T4 處理土壤0~5、5~10、10~15、15~20、20~25 cm 的溫度分別提高了9.52%、7.66%、6.25%、7.39%、7.66%。夏冬等[17]研究表明,秸稈覆蓋和地膜覆蓋均能減少膜內(nèi)表土蒸發(fā)和保溫保濕,而地膜+不同秸稈結(jié)合模式能進(jìn)一步提高番茄產(chǎn)量。鄭梅迎等[18]研究表明,秸稈粉碎還田效果最佳,土壤小粒徑團(tuán)聚體含量減少而大粒徑團(tuán)聚體含量增加,從而使土壤團(tuán)聚性能、水穩(wěn)定性增強(qiáng)。本研究表明,在移栽后70 d,有秸稈覆蓋的T2、T3 和T4 處理土壤中的有機(jī)碳含量也顯著高于只地膜覆蓋,與T1 處理相比分別提高了13.26%、15.91%、18.94%,表明秸稈覆蓋對(duì)煙田土壤的保水保濕具有顯著促進(jìn)作用。T4 處理的栽培措施對(duì)烤煙株高、葉片數(shù)、莖圍及葉面積均有促進(jìn)作用,能有效促進(jìn)烤煙生長(zhǎng);T4 處理的煙葉品質(zhì)最佳且經(jīng)濟(jì)性狀好,較T1 處理產(chǎn)量增加11.65%,產(chǎn)值增加19.06%,均價(jià)提高9.54%,中上等煙比例均提升21.94%,且烤后中部煙葉的總糖、還原糖、氯含量及糖堿比、氮堿比和兩糖比均在適宜范圍內(nèi),使烤后煙葉內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)更協(xié)調(diào)。
地膜與不同秸稈覆蓋處理引起土壤物理、化學(xué)、生物特性和養(yǎng)分狀況的變化[19],進(jìn)而影響了微生物群落結(jié)構(gòu)和功能。土壤細(xì)菌、真菌、放線菌是微生物類群結(jié)構(gòu)數(shù)量重要的組分之一,積極介入土壤中物質(zhì)能量循環(huán)、有機(jī)物轉(zhuǎn)化與吸收以及維護(hù)微生物群落生態(tài)平衡[20],是影響土壤養(yǎng)分庫(kù)、生物化學(xué)活性及群落生理功能的活指標(biāo)[21]。本研究結(jié)果表明,秸稈與地膜覆蓋處理與同期對(duì)照相比顯著增加了煙田土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量,這對(duì)于連作煙田微生態(tài)土壤修復(fù)與保護(hù),降低土傳病害發(fā)生等方面具有積極意義。丁柳屹等[22]研究表明,秸稈與地膜覆蓋處理均能顯著增加土壤中的細(xì)菌群落豐度和多樣性,且顯著增加了分解纖維素的纖維弧菌及根瘤菌和硝化過(guò)程的亞硝化螺菌;伍玉鵬等[23]研究表明,秸稈還田可有效改善土壤蓄水、通氣狀況以及有機(jī)質(zhì)累積來(lái)增加土壤中固氮菌、纖維素分解菌的數(shù)量,其原因可能是覆蓋措施可以有效提高作物產(chǎn)量,改善土壤保溫保墑、水分利用效率。微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)是固定在土壤微生物軀體中的碳素和氮素,是植物生長(zhǎng)可利用養(yǎng)分的重要來(lái)源,秸稈腐解為土壤微生物生物量的繁殖帶來(lái)了多種功能性微生物、豐富的微量元素以及適宜的生存環(huán)境,從而顯著提高土壤MBC 和MBN,進(jìn)而改變了MBC/MBN 值[24-25]。本研究中T2 處理的MBN 含量較高,可能是煙田土壤中MBN 主要來(lái)自于土壤和有機(jī)肥,秸稈腐解產(chǎn)生了更豐富的有機(jī)碳以及頻繁的干濕交替使得土壤有機(jī)氮礦化。T4 處理的土壤MBC、MBN 分別較T1 處理提高了73.17%、13.61%,且土壤MBC/MBN 值均高于T1 和單秸稈覆蓋處理,且與較低的土壤pH 表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,可能是由于貧瘠土壤中有效氮、磷含量匱乏,刺激了真菌比細(xì)菌更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力,從而導(dǎo)致微生物群落表現(xiàn)出細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)的現(xiàn)象[26-27]。表明地膜+粉碎秸稈組合模式的T4 處理對(duì)土壤微生物群落功能多樣性和數(shù)量的提升具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,對(duì)煙田土壤保育具有積極效應(yīng)。
地膜與秸稈覆蓋對(duì)土壤肥力性質(zhì)具有復(fù)合作用。不同處理對(duì)植煙土壤理化性狀、微生物群落、煙株生長(zhǎng)狀況及煙葉產(chǎn)值的影響存在顯著性差異,其中,T4 處理烤后煙葉內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)更協(xié)調(diào)且經(jīng)濟(jì)性狀最佳,顯著影響了煙田土壤微生物群落功能多樣性和數(shù)量、土壤生態(tài)修復(fù)效果,在烤后煙葉產(chǎn)量穩(wěn)定性情況下,提高了中上等煙比例、均價(jià)和產(chǎn)值。因此,在本試驗(yàn)條件下,地膜+粉碎秸稈的T4 處理更符合豫西煙區(qū)優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)的營(yíng)養(yǎng)特性,能有效改良煙田土壤環(huán)境,提高烤煙的產(chǎn)量和品質(zhì)。