烤烟连作对植烟土壤碳库及烤后烟叶品质的影响

付仲毅，张晓远，张晓帆，周涵君，秦燚鹤，马 静，韩秋静，叶协锋

(1河南农业大学 烟草学院，国家烟草栽培生理生化研究基地，烟草行业烟草栽培重点实验室，河南 郑州450002；2云南临沧市烟草公司，云南 临沧677000)

烟草是忌连作作物，烟田长期连作导致烟株营养失调、土传病害严重发生，对烟叶产量和品质产生不良影响[1]。由于烟叶生产耕作制度单一，连作或复种连作的面积越来越大，连作障碍已成为烟草农业生产中的突出问题。

引起连作障碍的原因主要有土壤养分的消耗、土壤反应异常、土壤物理性状的恶化、来自植物的有害物质及土传病害和线虫[2]。郑良永等[3]、张长华等[4]研究认为，连作条件下烤烟植烟土壤pH值变为酸性，有机质含量降低，团粒结构减少，土壤易板结，对土壤酶活性、土壤呼吸和微生物生物量也有较大影响。晋艳等[5-6]研究表明，轮作土壤的pH值和有机质含量均高于连作，连作降低了烟叶总糖、还原糖和钾含量，增加了烟叶的烟碱含量。尤垂淮等[7]研究表明，连作使烟叶烟碱和氯的含量增加，总糖、还原糖、钾含量及钾氯比降低，进而导致烟叶化学成分不协调，品质变差，产值下降。土壤有机质表征土壤肥力的变化，是土壤质量优劣的重要指标。土壤有机质中的碳即为有机碳，土壤有机碳的变化不仅与烟叶产量和质量风格特色密切相关，而且会影响土壤乃至整个陆地生态系统的可持续性[8]。受气候条件、农业管理和土地利用不合理等因素的影响，土壤有机质和养分的贫瘠化现象相当普遍。土壤碳库的动态平衡直接影响着土壤肥力的保持与提高，进而影响土壤质量的优劣和作物产量的高低。因此推测土壤有机碳库水平可能成为引起烤烟连作障碍因子之一。本研究在重庆市彭水县通过田间建池进行定位试验，研究了烤烟连作对土壤碳库及烤后烟叶品质的影响，解析烟草连作障碍的成因，为调控作物连作障碍，建立以烟为主的耕作制度提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试烟草品种为“云烟87”，烟苗取自重庆市彭水县小厂乡育苗基地。

1.2 试验设计

大田试验于2013年在重庆市彭水县小厂乡烟叶示范园内进行。该区域海拔高度1 105 m。2004年3月取试验地0～20 cm耕层土壤，分析土壤理化指标，其中碱解氮含量167.4 mg/kg，速效磷含量60.95 mg/kg，速效钾含量422 mg/kg，pH值5.66，总有机碳含量24.64 g/kg，水溶性有机碳含量129.82 mg/kg，微生物生物量碳含量210.20 mg/kg，易氧化活性有机碳含量3.72 mg/kg，矿化速率27.68 mg/(kg·d)。在该试验地上建池，池长30 m，宽6 m，深1.5 m。池之间用水泥挡板进行分割隔离。

试验设置3个处理：对照CK(轮作土壤，即2013年开始植烟)，T1(连作5年植烟土壤，即 2009-2013年连续植烟)，T2(连作10年植烟土壤，即2004-2013年连续植烟)。以上各年份植烟均为烟后冬闲再种烟。烟草种植在池内，池中土壤为原状土。每个处理200株(50株×4行)，旁边设置保护行，3次重复。肥料用量为氮肥(以纯氮计)45 kg/hm2，m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)为1∶1∶3。烟株移栽、施肥、栽培密度及打顶等田间管理按当地优质烟叶生产技术规范进行。

试验地临近未耕作的森林土壤总有机碳含量5.63 g/kg，水溶性有机碳含量75.89 mg/kg，微生物生物量碳含量60.23 mg/kg，易氧化活性有机碳含量0.69 mg/kg，矿化速率26.61 mg/(kg·d)。

1.3 测量指标及方法

1.3.1 土壤碳库指标 在烟株移栽施肥前,按照五点法采集耕作层(0～20 cm)土壤及试验田临近的森林土壤;在烟株收获后，用土钻在各小区烟株根部以烟株为圆心、15 cm为半径,按照五点法采集土壤样品。将采集的土样分为两部分，一部分鲜土样保存在4 ℃冰箱，用于测量土壤微生物生物量碳含量等指标；另一部分土样风干后用于测量土壤总有机碳、易氧化活性有机碳、水溶性有机碳、有机碳矿化速率等。土壤总有机碳含量(TOC)测定采用重铬酸钾-浓硫酸外加热氧化法[9],土壤易氧化活性有机碳含量(EOC)测定采用333 mmol/L KMnO4氧化法[10],土壤水溶性有机碳含量(DOC)测定采用水提取过滤的方法[11],土壤微生物生物量碳含量(SMBC)测定采用氯仿熏蒸浸提法[12],非活性有机碳含量(NLOC)=总有机碳含量-土壤易氧化活性有机碳含量,土壤有机碳矿化释放的C量测定采用Phoenix 8000 TOC 分析仪(美国),土壤有机碳矿化速率测定采用碱吸收法[13]。

土壤碳库管理指数以试验田附近未耕作的森林土壤为参考土壤，其计算方法[12]如下：

碳库指数(CPI)=样品有机碳含量/参考土壤有机碳含量；碳库活度(A)=活性有机碳含量/非活性有机碳含量；碳库活度指数(AI)=样品碳库活度/参考土壤碳库活度；碳库管理指数(CPMI)=碳库指数×碳库活度指数×100。

1.3.2 烤后烟叶常规化学成分 取B2F、C3F和X2F烤后烟叶样品各1.0 kg用于常规化学成分测定。还原糖和总糖含量按照YC/T 159-2002的方法测定，烟碱、总氮、K+、Cl-含量分别按照YC/T 159-2002、YC/T 161-2002、YC/T 173-2003、YC/T 16/2-2002的方法测定[14]。

1.3.3 中性致香物质含量 取B2F和C3F烤后烟叶样品用于中性致香物质检测。中性致香物质含量采用HP5890-5972气质联动仪检测，具体蒸馏操作及检测方法参见叶协锋等[15]的方法。

1.3.4 烤后烟叶经济性状 烟叶成熟后按部位依次采收，并按照处理单独挂杆烘烤，对烤后烟叶进行分级，各个等级单独称样、计产。依据当地烟叶收购市场平均价格计算产值、均价及上等烟比例。

1.4 数据分析

用Excel软件进行试验数据统计分析和图表制作，方差分析采用SPSS 22.0统计软件进行。

2 结果与分析

2.1 连作对植烟土壤碳库的影响

2.1.1 对土壤碳库各指标的影响 连作对植烟土壤碳库的影响见表1。

表1 连作对植烟土壤碳库的影响Table 1 Effect of continuous cropping on carbon pool of tobacco-planted soil

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(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，连作显著影响土壤总有机碳含量(TOC)。与CK相比，处理T1和T2总有机碳含量 (TOC)分别降低了8.80%和28.17%，且各处理间差异达到显著水平。说明随着连作年限的增加，土壤总有机碳含量呈下降趋势，这与何川等[16]的研究结果一致。土壤有机碳矿化速率是表征土壤有机碳分解速率的指标[13]。处理T1和T2土壤有机碳矿化速率较CK显著下降，T2的矿化速率最小，为23.17 mg/(kg·d)，与CK和T1的差异达到显著水平。处理T2的土壤易氧化活性有机碳含量(EOC)较CK降低了11.05%，差异显著；T1略低于CK，且与CK间差异不显著。说明短期连作(连作5年)对土壤易氧化活性有机碳含量(EOC)影响不显著，长期连作(连作10年)使土壤易氧化活性有机碳含量降低。处理T1和T2的水溶性有机碳含量较CK分别降低29.08%和31.56%，差异显著。处理T1和T2的微生物生物量碳(SMBC)含量较CK分别降低了12.16%和12.92%，且处理T1和T2与CK间存在显著性差异。

2.1.2 对植烟土壤碳库管理指数的影响 土壤碳库管理指数(CPMI)是评价施肥和耕作措施对土壤质量影响的最好指标，能够反映土壤肥力和土壤质量的变化[17]。从表2可以看出，各处理土壤碳库活度(A)和碳库活度指数(AI)均无显著变化，碳库指数(CPI)较对照分别下降8.97%和28.25%，表现为CK>T1>T2。碳库管理指数T2处理较CK下降7.84%，差异显著，而CK与T1间无显著性差异。

表2 连作对植烟土壤碳库管理指数的影响Table 2 Effect of continuous cropping on CMPI of tobacco-planted soil

2.2 连作对烤后烟叶化学成分及协调性的影响

由表3可知，处理T1和T2中部叶和上部叶的烟碱含量均高于CK，说明连作提高了烟叶的烟碱含量，但处理T1和T2上部叶烟碱含量超出优质烟叶的最适范围(1.5%～3.5%)[18]，而烟碱含量过高会导致刺激性大，味苦，烟味辛辣[19]。烟草是喜钾作物，烟叶钾含量不仅影响卷烟燃烧性和焦油释放量，而且对提高香气含量、改善烟叶香吃味以及烟叶外观和内在品质均有明显的影响[20]。处理T1和T2中部叶和上部叶钾含量均低于CK，且处理T1和T2与CK间差异显著，说明连作降低了烟叶钾含量。整体来看，处理T1和T2的两糖含量均显著低于CK，处理T2的两糖含量整体高于T1，且处理T1与T2间差异显著。处理T1和T2的氯含量整体高于CK。连作有降低烟叶钾氯比的趋势。

表3 连作对烤后烟叶化学成分及协调性的影响Table 3 Effect of continuous cropping on chemical composition and coordination of cured-tobacco

2.3 连作对烤后烟叶香气物质含量的影响

根据形成致香物质的前体物，可以将烤烟中性致香物质分为苯丙氨酸类、棕色化反应产物类、类胡萝卜素类、类西柏烷类等，有些物质含量虽然较低，但对烟叶香气特征的形成具有重要影响[21]。棕色化反应产物类致香物质包括糠醛、糠醇等成分，其中多种物质具有特殊的香味[21]。从表4可知，连作降低了烟叶苯丙氨酸类致香物质含量、棕色化反应产物类致香物质含量。

类胡萝卜素类致香物质是烟叶中重要香味物质的前体物。烟叶在醇化过程中，类胡萝卜素降解，生成一大类挥发性芳香化合物，其中相当一部分是重要的中性致香物质，对卷烟吸食品质有重要影响[21]。茄酮是类西柏烷类物质降解的主要产物之一，可以赋予烟叶一种醛和酮类物质的味道[21]。新植二烯具有减轻刺激和柔和烟气的作用，并且与烟气的品质密切相关[21]。从表4可知，连作降低了中部叶类胡萝卜素类中性致香物质总量，但增加了上部叶类胡萝卜素类中性致香物质总量；连作增加了中部叶类西柏烷类香气物质含量；连作降低了中部叶芳樟醇含量和螺岩兰草酮含量；连作降低了中上部叶新植二烯含量，且随着连作年限增加，呈先下降后上升的趋势。

由表4可知，连作降低了烟叶中中性致香物质总量。

表4 连作对烟叶中性致香物质成分含量的影响Table 4 Effect of continuous cropping on neutral aroma components of cured-tobacco leaves μg/g

2.4 连作对烤烟经济性状的影响

由表5可以看出，不同处理在各项经济性状指标方面呈现出一致的规律，随着连作年限的增加，各项经济学指标呈下降趋势，即CK>T1>T2。处理T1和T2的产量较CK分别降低了10.72%和18.68%；CK产值最高，为28 916元/hm2，处理T1和T2的产值较CK分别降低了13.46%和24.77%。在均价方面，处理T1和T2均价较CK分别降低了3.06%和7.48%，处理T1和T2间差异显著。CK上中等烟比例高达88.32%，较处理T1高3.89%，较处理T2高11.66%，且差异显著。

表5 连作对烤烟经济性状的影响Table 5 Effect of continuous cropping years on economic characters of flue-cured tobacco

3 讨 论

多数研究表明，在同一田块多年连作同一作物会带来诸多不良后果[22]。许婷婷等[23]研究表明，随着杨树人工林连作代数的增加，土壤有机碳含量逐渐降低，2代林地和3代林地的有机碳含量显著低于荒地。本研究结果表明，轮作植烟土壤总有机碳含量高于连作，且随着连作年限的增加呈下降趋势。这可能的原因是：(1)轮作增加了农田生态系统时间序列上的生物多样性，从而改变了输入土壤的有机成分、微生物种类以及碳分解与转化的生物过程，进而增强了对土壤有机碳固持的作用。(2)长期连作导致土壤氮素增加，而氮素的增加可以提高土壤微生物的活性，加速土壤有机质的分解[24]，进而加速土壤有机碳的消耗。黄文昭等[25]研究表明，土壤氮素充足条件下，受氮源限制的发酵性微生物生长旺盛，抑制了受碳源限制的土著性微生物的生长，使土壤有机碳分解矿化速率降低，产生负激发效应。魏朝富等[26研究表明，单施化肥会导致土壤活性有机碳含量下降。施肥对土壤水溶性有机碳含量有很大影响，通常无机肥能减少土壤水溶性有机碳含量，而有机肥能够增加水溶性有机碳含量[27]。Chantigny等[28]研究表明，随着N肥施用量的增加，土壤中水溶性有机碳含量逐渐减少。本试验结果表明，连作5年和10年的土壤易氧化活性有机碳、水溶性有机碳含量及有机碳矿化速率均低于轮作。水溶性有机碳是土壤微生物可直接利用的有机碳源[29]，其含量减少必然影响微生物量，进而影响微生物生物量碳含量。本试验中，各处理微生物生物量碳含量呈现轮作>连作5年>连作10年，证实了这一推测。

碳库管理指数结合了人为影响下土壤碳库指标和土壤碳库活度两方面的内容，一方面反映了外界条件对土壤有机质数量变化的影响，另一方面反映了土壤活性有机质数量的变化，所以能够较全面和动态地反映外界条件对土壤有机质特性的影响。本研究中轮作和连作5年的碳库管理指数分别为517.36和519.68，表明短期连作(连作5年)对土壤碳库影响不大；而连作10年的碳库管理指数为476.80，显著低于轮作和连作5年，表明长期连作(连作10年)降低了土壤碳库，使土壤性质趋劣。尤垂淮等[7]研究表明，随着连作年限的增加，烟叶烟碱和氯含量增加，总糖、还原糖和钾含量降低，内在化学成分相对不协调。本研究结果表明，连作降低了烤烟总糖和还原糖含量及烤烟中下部烟叶钾含量和钾氯比，增加了烤烟中下部烟叶的烟碱和氯含量，这与前人研究的结论部分一致。

烤烟中部叶苯丙氨酸类、棕色化反应产物类、类胡萝卜素类、新植二烯均表现为轮作>连作10年>连作5年，随连作年限的增加呈现先下降后上升的趋势。上部叶苯丙氨酸类、棕色化反应产物表现为轮作>连作5年>连作10年，随连作年限的增加呈下降的趋势。从中性致香物质总量来看，轮作>连作10年>连作5年。晋艳等[5]的研究表明，轮作烟田的烟叶中性致香物质含量大多高于连作烟田的烟叶，与本试验结果一致。

4 结 论

(1)连作土壤总有机碳含量、易氧化活性有机碳含量、水溶性有机碳含量、有机碳矿化速率、微生物生物量碳含量、碳库指数和土壤碳库管理指数降低，且随着连作年限的增加均呈下降趋势。(2)短期连作(连作5年)对土壤碳库影响不大，长期连作(连作10年)降低了土壤碳库，使土壤性质趋劣。(3)轮作处理烤烟化学成分及其协调性优于连作。(4)轮作烤烟经济性状均优于连作。