套作绿肥对烤烟生长及土壤酶活性的影响

李金秋，贺国强，王晶英

(1.东北林业大学 生命科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150000；2.牡丹江烟草研究所，黑龙江 哈尔滨150000)

东北烟区是我国七大一级烟产区之一，烤烟种植业是黑龙江农业发展的主要产业。生产上通常采用增施化肥的方式提高烤烟产质量，进而追求高效益[1-2]。化肥成分单一、养分含量高、肥效快，短期内对于提高烤烟产质量具有明显效果，但长期施用会造成土壤养分结构失调、酸碱失衡、土壤酶活性降低等危害[3]。客观来说，黑龙江烟区的自然条件在全国烟区范围相对较差，如土壤养分不平衡、富氮少钾、无霜期和生长期较短，烟叶品质也相对较差。自然环境的不可变更性成为制约东北地区烤烟生长的一个重要问题。针对这一现状，适宜的绿肥品种和合理的施肥方式对于烤烟的优质生长和可持续发展显得尤为重要。

已有研究表明，套作并翻压绿肥能够改善烤烟土壤的生态环境[4-5]，绿肥与土壤原有的微生物形成新的生态系统，在土壤的物质转化和能量流通中起着重要作用[4,6]。王修忠等[7]研究表明，云南烟区套作高丹草能够调节土壤养分并改善上部烟叶的有效利用率；阳显斌等[8]研究表示，贵州遵义烟蒜套作系统对烟地土壤和烤烟产量具有明显的改善效果；韦俊等[9]研究发现，在云南地区套种翻压绿肥能够提高烤烟根际土壤细菌的丰富度，且翻压豌豆的效果较好。追踪近几年关于烤烟绿肥套作的文献报道，发现套作耕种模式在南方烟区应用较为普遍，且均是绿肥当年种植当年翻压，而在东北烟区却鲜有报道，普适性较低。受地理因素限制，黑龙江地区耕作制为一年一茬，冬季空茬期较长，绿肥虽具有改土培肥的功效，但必须在绿肥腐熟完全、养分充分释放到土壤的前提下才能发挥作用，为保障烤烟的高效适产，合理利用田闲期，使绿肥中营养元素腐解完全十分必要。因此，采用套种的耕作模式，将小麦(TriticumaestivumL.)和草木樨(Melilotusofficinalis)2种绿肥与前茬烤烟套种，经过冬季充分腐解作为土壤基础肥力，次年移栽烤烟并设置不同的化肥配施比，研究其对烤烟生长和土壤酶活性的影响，探讨适宜黑龙江宾西地区烤烟生长的施肥配比，为黑龙江烟区烤烟的优质高产及该地区绿肥种植翻压模式的推行提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概述和供试材料

试验地位于黑龙江省哈尔滨市宾县永和乡宾西烟草科学研究所试验基地内。该区属于寒温带大陆性季风气候，全年日照时间约2 500 h，年平均气温3.9 ℃，无霜期平均148 d左右，年平均降水量约550 mm，降雨多集中于7—8月，冬季最大冻土深180 cm。地势丘陵，试验地土壤为黑土，质地壤土，pH值7.22，有机质含量30.21 g/kg，碱解氮含量114.92 mg/kg，速效磷含量47.12 mg/kg，速效钾含量114.50 mg/kg。供试烤烟品种为龙江911，供试2种绿肥分别为小麦和草木樨(一年生)。

1.2 试验设计

采用定位试验，随机区组设计，共设套作草木樨+化肥减量30%(Y1)、套作草木樨+不施化肥(Y2)、套作小麦+化肥减量30%(Y3)、套作小麦+不施化肥(Y4)、不套作绿肥+常规施肥(Y5)、不套作绿肥+化肥减量30%(Y6)、不套作绿肥+不施化肥(CK)7个施肥处理(表1)，每个处理3次重复。小区13行，行长10 m，垄距1.20 m，小区面积143 m2。行距×株距为1.20 m×0.50 m，密度18 180株/hm2。试验地2017年种植的烤烟与绿肥材料套作，绿肥材料于2017年7月下旬播种，2017年10月烤烟采收结束后，将烟秆清理。2017年11月初将绿肥进行翻压，2018年4月起垄，5月13日移栽烤烟。田间各项管理措施依照“烟草优质特色低危害”技术规范实施，农事操作秉承统一、规范、及时的原则，保证试验规范进行。

表1 试验施肥处理Tab.1 Test fertilization treatment

1.3 测定指标及方法

1.3.1 烤烟农艺性状 依照烟草农艺性状调查方法(YC/T 142—1998)，每小区选择长势有代表性的烟株6株，在烤烟平顶期(移栽后60 d)测定烤烟的叶片数、株高、茎粗、最大叶叶长和叶宽。叶片数为自下而上至第一分枝处顶叶第一分芽的叶片数。株高为自地表茎基处至最高叶分芽处的高度。用游标卡尺测量株高由下而上1/3处茎的直径，最后以茎围表示。用卷尺测量最大叶片自叶基部至叶尖的长度和叶片最宽处的宽度，计算叶面积。

1.3.2 烤烟土壤酶活性 采用五点取样法，分别于2018年6月13日、7月23日、8月23日、9月20日取土样。具体方法：避开小区第1行、最后1行和施肥点等无代表性地段，根据烤烟的长势情况，取长势较均匀的2株烤烟居中位置耕作层土壤，深度约为20 cm左右，取土后将土壤混合均匀，排除根系、杂草、石块、动物残体等杂物，四分法留取1/4土壤，风干后用研钵研磨土样，过1 mm筛备用。土壤脲酶活性测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法，蔗糖酶活性测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法，过氧化氢酶活性测定采用紫外分光光度法[10]，磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法。

1.3.3 烤烟不同部位钾元素含量 在烤烟平顶期(移栽后60 d)，每小区取大小均匀一致的烟株3株，分为根、茎、叶三部分，105 ℃杀青后，70 ℃烘干至恒质量，按照YC/T 217—2002测定钾含量。

1.3.4 烤烟经济性状 依照GB 2635—92，按小区分级测产记值，包括单叶质量、上等烟比例、橘色烟比例、均价、产量和产值。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理，采用DPS 7.05差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 套作绿肥对烤烟农艺性状的影响

从表2可知，对于烤烟叶片数，Y3处理叶片数最多，Y1处理次之，分别较Y5处理提高3.47%、1.56%；对于株高和茎围指标，均表现为Y5>Y6>Y3>Y1，其中Y1与Y3处理差异不显著；对于最大叶面积而言，Y1处理最好，Y3处理次之，二者间差异不显著，分别较Y5处理提高2.57%、1.58%。因此，套作绿肥+化肥减量30%(Y1或Y3处理)能够不同程度地提升烤烟的农艺性状，其中对叶片数和最大叶面积的改善效果较明显。

表2 套作绿肥对烤烟农艺性状的影响Tab.2 Effect of intercropping green manure on agronomic characters of flue-cured tobacco

2.2 套作绿肥对植烟土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶活性专性较强，仅能酶促尿素水解，其产物氨是烤烟氮素主要来源之一，常用土壤脲酶活性表征土壤的氮素状况，研究表明，烤烟土壤脲酶活性对提高氮肥利用率具有重要意义[11-12]。由图1可知，7月土壤脲酶活性整体较强，2种绿肥套作效果没有明显差异。6—8月Y2、Y4处理土壤脲酶活性均显著高于Y6处理，但与Y5处理差异不显著。9月，Y2、Y4、Y5处理土壤脲酶活性较强，但3个处理差异不显著。说明套作绿肥能够提升植烟土壤的脲酶活性，可替代常规施肥。

不同字母表示同一时间不同处理差异显著，下同Different letters indicate significant differences among different treatments at the same time,the same below

2.3 套作绿肥对植烟土壤蔗糖酶活性的影响

烤烟土壤蔗糖酶又称为“转化酶”，蔗糖酶活性与土壤碳利用、有机质含量、微生物活动的频繁性及作物种类等因素有一定的关联，烤烟根系微生物活动可以提高蔗糖酶活性[11,13]。常用土壤蔗糖酶活性表征土壤碳素的营养状况[11]。从图2可以看出，6月植烟土壤蔗糖酶活性整体较强，7月、8月和9月变化趋于平稳。不同施肥处理比较，6月，Y3、Y5处理土壤蔗糖酶活性较强，二者差异不显著；8月，Y3处理蔗糖酶活性较强，较Y5处理提高1.77%，且Y3处理显著高于Y1处理，可知套作小麦优于套作草木樨；9月，Y2、Y4处理与Y5处理差异不显著，Y4处理蔗糖活性最强。可见，6月为植烟土壤蔗糖酶活性较强时期，套作小麦可以部分替代化肥进而提高土壤蔗糖酶活性。

图2 套作绿肥对植烟土壤蔗糖酶活性的影响Fig.2 Effect of intercropping green manure on invertase activity in tobacco planting soil

2.4 套作绿肥对植烟土壤过氧化氢酶活性的影响

过氧化氢酶是一种酶类清洁剂。土壤代谢过程中会产生大量的过氧化氢，为避免其对生物体的毒害损伤，过氧化氢须快速分解为无害或毒性较小的物质，过氧化氢酶可促进过氧化氢分解为氧气和水[6,11]。因此，过氧化氢酶是生物防御的关键酶之一。从图3可知，随着烤烟生育时期的推进，土壤过氧化氢酶活性呈逐渐升高的趋势，7、8月趋于平稳，9月土壤过氧化氢酶活性最强。6月，Y3、Y4处理土壤过氧化氢酶活性较强，分别较Y5处理提高8.26%、6.67%。7月，Y1、Y2、Y3、Y4处理土壤过氧化氢酶活性均高于Y6处理，但与Y5处理差异不显著，以Y3处理最强。9月为烤烟生长末期，此时除Y1处理外，其他施肥处理均差异不显著。说明9月为土壤过氧化氢酶活性的最高时期，Y3处理对于增强烤烟生长不同时期土壤过氧化氢酶活性效果较好。

图3 套作绿肥对植烟土壤过氧化氢酶活性的影响Fig.3 Effect of intercropping green manure on catalase activity in tobacco planting soil

2.5 套作绿肥对植烟土壤磷酸酶活性的影响

土壤磷酸酶可以促进有机磷的矿化分解[14]，对土壤中磷素积累具有指示性作用，其活性也是评价土壤磷素矿化潜力和土壤生物活性的有效指标[15-16]。从图4可以看出，不同取样时间土壤磷酸酶活性表现为8月>7月>9月>6月，随着烤烟生长进程的推进，土壤磷酸酶活性呈先升高后降低趋势。6月，Y2、Y3、Y4处理土壤磷酸酶活性高于Y5处理，以Y2处理和Y4处理较强。7月和9月不同施肥处理的磷酸酶活性变化趋于一致，均表现为Y1、Y2、Y3、Y4处理高于Y5、Y6处理，以Y2、Y4处理较高，2种绿肥套作效果没有较大差异，但能够起到部分绿肥替代化肥提高土壤磷酸酶活性的作用。8月，Y4处理土壤磷酸酶活性最强，显著高于Y6处理，较Y5处理提高3.49%。说明8月为土壤磷酸酶活性较强时期，仅套作小麦的施肥处理土壤磷酸酶活性较强。

图4 套作绿肥对植烟土壤磷酸酶活性的影响Fig.4 Effect of intercropping green manure on phosphatase activity in tobacco planting soil

2.6 套作绿肥对烤烟不同部位钾元素含量的影响

钾元素是烤烟生长的必需营养元素，钾元素含量越多，烤烟品质越优[17]。从表3可知，烤烟地上部分(茎部和叶部)钾元素含量明显高于地下部分(根部)，表现为茎部>叶部>根部。套作绿肥处理对于根部钾元素含量不具有提升作用，以Y6处理根部钾元素含量最多。不同施肥处理茎部钾元素含量表现为Y2>Y4>Y3>Y1，且均高于Y5处理，可见，套作绿肥处理烤烟茎部钾元素分布较多。Y3处理叶部钾元素含量最多，较Y5处理显著提高41.94%。说明套作绿肥对促进烤烟地上部分钾元素含量的积累有较好作用。

表3 套作绿肥对烤烟不同部位钾元素含量的影响Tab.3 Effect of intercropping green manure on potassium content in different parts of flue-cured tobacco %

2.7 套作绿肥对烤烟经济性状的影响

从表4可知，烤烟经济性状的各项指标均表现为Y1>Y2、Y3>Y4，可见，套作绿肥+化肥减量30%效果好于仅套作绿肥处理。就单叶质量而言，Y3处理单叶质量最大，Y1处理次之，分别较Y5处理提高3.28%、3.01%；上等烟比例则表现为Y6>Y5>Y3>Y1>Y4>Y2>CK；就橘色烟比例而言，Y1处理橘色烟比例显著最大，较Y5处理提高131.72%，Y3处理较Y5处理显著提高44.29%。产量和产值2个指标均是Y1处理最大，但Y1、Y3处理与Y5处理差异不显著，可见，套作绿肥+化肥减量30%处理可以替代常规施肥提升烤烟产量和产值。因此，除上等烟比例和均价外，套作小麦或草木樨+化肥减量30%能一定程度提升烤烟的经济性状。

表4 套作绿肥对烤烟经济性状的影响Tab.4 Effect of intercropping green manure on economic characters of flue-cured tobacco

3 结论与讨论

本研究结果表明，套作绿肥+化肥减量30%(Y1或Y3处理)较常规施肥(Y5处理)提高烤烟叶片数和最大叶面积。卢钰升等[18]研究表明，在广东烟区施用有机肥并减氮15%施肥，烤烟的有效叶片数、最大叶叶长和叶宽较对照(农户习惯施肥)显著提高。黄凯等[19]研究表明，湖北地区翻压箭舌豌豆，且化肥减施15%，能够改善烟株株高和最大叶面积。石楠等[20]研究认为，在湘西烟地翻压绿肥并减施氮肥9 kg/hm2，可以改善烤烟农艺性状。可见，绿肥与化肥配施可减少一定量的化肥施用比例，因绿肥品种和区域差异，各地区化肥减施比例不同。

土壤酶活性反映了土壤各种生物化学的过程和强度，其活性能够有效评估土壤肥力[6，13]。本研究表明，套作小麦或草木樨能够提高植烟土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性，这与刘领等[11]、刘海等[12]、张黎明等[13]的研究结果相近。从上述分析可知，土壤脲酶和磷酸酶活性均在烤烟旺长期最强，均呈现出先升高后降低的趋势。与贾国涛等[21]的研究结果相一致。武雪萍等[22]研究认为，施用菜籽饼和花生饼处理土壤蔗糖酶活性在烤烟团棵期较高。本试验结果显示，土壤蔗糖酶活性在6月表现较高活性，与其研究结果相一致。本研究发现，土壤过氧化氢酶活性随着生育时期的推进呈现出逐渐升高的趋势，9月出现峰值。这与大多数研究结果中土壤过氧化氢酶活性烤烟旺长期高，后期减弱的趋势不尽相同。可能的原因：其一，植烟地土壤综合肥力情况不同导致了差异性，其二，7、8月是该地区的多雨时期，降水量较充沛，土壤含水量在这2个月相对较多，9月随着土壤水分的消散，土壤透气性增强，改善了通透结构，促进了土壤的代谢和分解水平，因此过氧化氢酶表现出较高的活性，但具体影响因素有待进一步研究。

从施肥处理上看，对于植烟土壤脲酶和磷酸酶活性，2种绿肥的套作效果差异不明显，但均体现出仅套作绿肥处理好于套作绿肥+化肥减量30%处理(Y2>Y1，Y4>Y3)。有研究表明，酶促产物能够降低土壤酶活性，土壤中外部氮素的附入和有效磷的掺加导致土壤脲酶和磷酸酶活性降低[23]，因此单施绿肥处理有利于提高烤烟土壤脲酶和磷酸酶活性。对于土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性来说，套作小麦效果好于草木樨，小麦和草木樨均属深根系植物，小麦秸秆富含碳元素，土壤蔗糖酶活性一部分来源于小麦根系，因此套作小麦处理蔗糖酶活性较高。而过氧化氢酶活性则以套作小麦+化肥减量30%处理最好。由此可知，套作绿肥处理能够提高土壤酶活性，不同施肥处理对不同类型土壤酶影响不同。

钾元素是烤烟生长的必需营养元素[17,24]，钾对细胞营养物质的运输起着关键作用，可使烟叶糖的积累量增加，叶面柔和，组织细致，燃烧性和保火力增强。本研究结果显示，在烤烟平顶期(移栽后60 d)，钾元素含量在烤烟不同部位含量高低分布为茎部>叶部>根部，这与王筱滢等[24]研究认为叶部钾元素积累量高于茎部和根部钾元素积累量的结果不同。而本试验烤烟茎部的钾元素较多，可能是因为平顶措施去除了烤烟的顶端优势，改变了营养物质的运输方向，使钾元素从根部向叶部的运输回转[17]，积聚在茎部位置，使得茎部钾元素含量较多。从施肥处理上看，茎部和叶部均表现为套作小麦的效果好于草木樨，二者间差异不显著，但均显著提高钾元素含量。

对于烤烟经济性状，套作绿肥+化肥减量30%处理能够提高烤烟的单叶质量、橘色烟比例、产量和产值。因此，套作绿肥对于提高烤烟经济性状有一定的促进作用，在实际生产中能够替代常规施肥达到一定的经济效益。值得注意的是，本试验Y6处理(即不套作绿肥仅化肥减量30%)烤烟的产量和产值表现较好，高于常规施肥处理，可能是因为宾西烟区土壤类型为黑土，植烟地土壤基础肥力过高，人为常规施肥后造成了土壤营养过饱和，破坏了养分循环规律，烟草生长所缺元素依旧短缺，过盛元素补充过量。土壤养分含量越高并不意味烤烟产量越高，维持生长所需养分的平衡才是提高产量的关键，所以表现出仅化肥减量30%较常规施肥烤烟产量高。

综上所述，套作绿肥并配施化肥能够改善烤烟农艺性状，提高土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性，增加不同部位钾元素含量，进而提高烤烟的经济效益。针对黑龙江宾西烟区，从绿色农业可持续发展为出发点，以套作小麦或草木樨+化肥减量30%处理烤烟的综合生长效果较好。