长期连作下石灰性紫色土植烟土壤养分与酶活性变化

刘勇成，俞世康，李富程，顾会战，骆国辉，何佶弦

（1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.四川省烟草公司广元市公司，四川 广元 628000）

【研究意义】烤烟属忌连作作物［1］，由于耕地面积有限、轮作倒茬困难和比较利益驱动等因素导致连作现象较为普遍［2］。连作引起烤烟生长和发育不良，病虫害加重，进而影响烤烟的产质量，解决烤烟连作障碍是烟草行业可持续发展的关键［3-5］。【前人研究进展】目前许多研究表明，烤烟连作导致土壤养分失衡、酶活性改变以及烤烟产质量下降等问题。邓阳春等［6］研究显示随着烤烟连作年限的增加，土壤pH 呈缓慢降低的趋势，而土壤有效养分含量却呈富集现象。苏海燕等［7］研究显示烤烟连作导致土壤pH 和有机质含量下降，全氮、全磷和全钾含量随着连作年限增加呈上升趋势，速效磷、速效钾含量呈下降趋势，而速效氮略微上升。代方秀等［8］研究表明连作5 年导致土壤pH 下降，土壤全氮、碱解氮、有效磷和有机质含量却不同程度增加。刘烨等［9］研究表明，随着连作年限增加，土壤速效钾含量呈下降趋势，而土壤有效磷呈上升趋势。对于土壤酶活性，孙冰玉等［10］研究认为烤烟连作5 年明显降低了土壤脲酶活性。杜杏蓉等［11］研究得出烤烟连作5 年导致3 种类型土壤（紫色土、红壤、水稻土）脲酶活性不同程度增加，水稻土的蔗糖酶活性显著下降，红壤和紫色土则变化不明显。白羽祥等［12］研究表明随着连作年限增加（4、6、8、14、16 年），脲酶和蔗糖酶活性呈先增加后减少的趋势。对于烤烟生长发育而言，李柘锦等［13］研究表明烤烟连作农艺性状整体劣于轮作处理。马文富等［14］研究得出烤烟连作导致烤烟有效叶片数、叶面积指数和产量等下降。魏全全等［15］研究得出烤烟连作处理下烤烟产量及产值均显著低于轮作处理。龚林等［16］研究表明，在短期连作处理下，随着连作年限增加，烤烟农艺性状表现整体呈下降趋势，产量略微上升。【本研究切入点】广元石灰性土壤烤烟长期连作虽然肥料施用量不断增加，但土壤养分转化速率和肥效不理想，与新烟地相比烟叶产质量明显偏低。目前关于烤烟连作对土壤肥力和酶活性变化的影响研究多集中于酸性土壤且连作时限较短，而缺乏对石灰性土壤长期连作的相关研究。【拟解决的关键问题】本研究以石灰性紫色土为研究对象，探讨长期连作条件下石灰性紫色土植烟土壤养分和酶活性的变化特征，为土壤肥力提升及研发连作障碍修复技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于四川盆地北部的广元市昭化区，地貌属盆地丘陵向山区过渡地带，该区以中低山为主，平均海拔900 m。地质构造属米仓山、龙门山和盆北低山三大地貌交汇地带，大部分地区属白垩系地质层，由砾岩、砂岩、泥岩互层组成，岩性变化较大，土壤类型为石灰性紫色土。气候属亚热带季风性湿润气候，四季分明，常年日照时数为1 389.1 h，年均无霜期为286 d，降水空间分布不均，南多北少，季节性降水明显，分干湿两季，降雨主要集中在夏秋两季，冬春两季降雨少。供试烟品种为云烟87。该烟区的栽培管理方法均按照当地优质烟叶生产技术规范进行。

1.2 试验方法

选择植烟年限分别为8、10、27、33 年的代表性样地，相同年限烟田选择3 块烟地作为重复，同时选择相邻从未种植过烟草的耕地为对照。于2021 年4 月种烟前进行土样采集，采用梅花状混样方式采集不同植烟年限样地表层0～15 cm和15～30 cm 土壤，每个样地共采集6 个土样，待土壤风干后进行土壤养分测定。同时，采集0～15 cm 表层土壤，于4 ℃保存，带回实验室，进行土壤酶活性测定。

1.3 测定项目及方法

农艺性状：依据YC/T 142-2010《烟草农艺性状调查测量方法》进行调查，分别于不同连作年限烟地选择10 株健康、长势一致的 烟株，测量株高、叶长、叶宽、茎围和叶片数，并计算最大叶面积（叶长×叶宽×0.6345）。

烤烟干物质含量测定：于烤烟成熟期，每个处理选择3 株烟株，分别采集根、茎，在105 ℃下杀青30 min，然后在80 ℃下烘干至恒重测定干物质质量。

pH 值采用电位法测定，有机质含量采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定，全氮、碱解氮含量分别采用凯氏定氮法和碱解扩散法测定，全磷、速效磷含量分别采用碱熔-钼锑抗分光光度法和碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法测定，全钾、速效钾含量分别采用氢氧化钠熔融法和乙酸铵提取法测定。脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法进行测定，β-葡萄糖苷酶活性采用硝基酚比色法测定。

试验数据采用t检验分析长期连作对植烟土壤养分含量是否存在显著影响，采用单因素方差分析长期连作对烤烟农艺性状是否存在显著影响，采用Pearson 相关分析研究土壤养分与土壤酶活性的关系。

2 结果与分析

2.1 烤烟长期连作对土壤养分的影响

2.1.1 烤烟长期连作对不同土层土壤养分的影响 长期连作对石灰性紫色土养分的影响如表1所示。对于表层土壤0～15 cm，长期连作导致土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量以及pH 发生显著变化，但对土壤全氮、全磷和全钾含量无显著影响，土壤有机质和碱解氮含量、pH分别比对照减少18.34%、23.15%和17.43%，土壤速效磷、速效钾含量分别比对照增加124%和54.55%。对于深层土壤15～30 cm，长期连作导致土壤速效磷含量和pH 发生显著变化，但其他养分指标变化不明显，与对照相比，土壤速效磷含量显著增加110%，土壤pH 值显著降低14.01%。

表1 长期连作对石灰性紫色土养分的影响Table 1 Effects of long-term continuous cropping on calcareous purple soil nutrients

2.1.2 不同连作年限植烟土壤养分含量变化 石灰性紫色土长期连作植烟土壤养分含量变化如图1 所示。不同连作年限植烟土壤养分含量存在明显差异，总体呈现如下特点：（1）不同连作年限植烟土壤pH、有机质和碱解氮含量与对照相比呈不同程度下降。对于土壤pH，不同连作年限处理与对照相比均下降，其变化范围在11.88%～28.72%，其中连作27 年的土壤pH 下降最为显著；对于土壤有机质，不同连作年限处理与对照相比均下降，其变化范围在0～32.66%，其中连作8 年时显著下降，其次是连作27 年，下降27.69%，而连作33 年基本无变化；对于土壤碱解氮，不同连作年限处理相比对照下降9.6%～33.83%，其中连作27 年降幅最大，连作33年降幅较小（图1）。

（2）不同连作年限植烟土壤全磷、速效磷和速效钾含量与对照相比呈不同程度增加。对于土壤全磷，不同连作年限处理与对照相比均增幅较小，其变化范围在3.01%～19.95%，其中连作33 年土壤全磷含量增幅最大；对于土壤速效磷，不同连作年限处理与对照相比增幅较大，其变化范围在59.81%～201%，其中连作10 年时速效磷含量增加59.81%，而连作27 年土壤速效磷含量增幅显著、达201%；对于土壤速效钾，不同连作年限处理与对照相比均增加，其变化范围在34.79%～68.27%，其中连作27 年土壤速效钾增幅显著（图1）。

（3）不同连作年限植烟土壤全钾、全氮含量与对照相比变化不一致。对于土壤全钾，连作8 年和27 年土壤全钾含量几乎没变，而连作10、33 年土壤全钾却不同程度增加，分别增加36.57%和82.25%；对于土壤全氮，连作33 年土壤全氮含量增加17.19%，而其余连作年限土壤全氮含量均降低，其中连作8 年处理下降最为明显、下降26.92%（图1）。

图1 不同连作年限土壤养分含量变化（0～15 cm 土层）Fig.1 Changes of soil nutrient contents in different continuous cropping years (0-15 cm soil layer)

2.2 烤烟长期连作对土壤酶活性的影响

烤烟长期连作土壤酶活性变化特征如图2 所示。对于β-葡萄糖苷酶，除连作10 年外，其余连作年限处理与对照相比均呈不同程度降低，其中连作8 年、33 年分别降低44.49%和35.52%，而连作10 年β-葡萄糖苷酶较对照增加39.27%；对于脲酶，不同连作年限处理相比对照降低58.51%～91.28%，其中连作10 年处理降幅最为显著，连作27 年的脲酶活性降幅最小；对于蔗糖酶，不同连作年限处理相比对照降低29.14%～48.66%，其中连作8 年处理的降幅最为显著。

图2 不同连作年限土壤酶活性变化Fig.2 Chang of soil enzyme activities in different continuous cropping years

2.3 土壤养分与酶活性之间的关系

对不同连作年限土壤养分与土壤酶活性进行Pearson 相关性分析（表2）可知，土壤蔗糖酶活性与土壤速效磷呈极显著负相关；土壤β-葡萄糖苷酶与土壤速效钾含量呈极显著正相关，而与土壤速效磷呈显著负相关；土壤脲酶活性与土壤pH 的相关系数较大，达到0.825，且呈极显著正相关。

表2 土壤养分和酶活性之间的相关性Table 2 Correlation between soil nutrients and enzyme activities

2.4 长期连作对烤烟生长发育的影响

由表3 可知，在烤烟旺长期，连作8 年的烤烟株高最大，连作27 年的茎围最大、最大叶面积也取得最大值；在成熟期，连作27 年和10 年的株高显著高于连作8 年，其中连作27 年的株高、茎围和最大叶面积最大，分别较连作8 年大17.25%、0.47%、29.62%，较连作10 年大1.45%、5.68%、40.11%，较连作33 年大14.80%、7.17%、19.97%。

表3 烤烟长期连作不同生长期农艺性状Table 3 Agronomic traits of flue-cured tobacco with long-term continuous cropping at different growth periods

由表4 可知，连作27 年的烤烟总干物质量最大，连作8 年最小，连作27 年烤烟干物质总量较连作8 年、10 年和33 年分别增加35.36%、18.43%和11.46%；对于烤烟烟叶干物质量，连作27 年烤烟烟叶干物质量最大，连作10 年最小，连作27 年烤烟烟叶干物质量较连作8 年、10 年和33 年分别增加36.56%、41.07%和18.88%；烤烟干物质分配比例表现为叶＞茎＞根。

表4 连作烤烟干物质积累与分配特征Table 4 Characteristics of dry matter accumulation and distribution in continuous-cropping flue-cured tobacco

3 讨论

3.1 烤烟长期连作对土壤养分的影响

前人研究发现，烤烟长期连作导致土壤pH呈不同程度降低［11,14,21］，本研究显示长期连作导致石灰性紫色土植烟土壤pH 呈现明显下降，进一步证实烤烟连作导致土壤发生酸化。酸化原因可能主要归因于：一是在连作条件下，每年投入相同的肥料，且烟株对养分的选择性吸收相对固定，使得土壤中的氢离子或者铝离子不断积累［17］；二是土壤本身含有的非腐质物质（氨基酸、有机酸）以及植物根系、微生物分泌的有机酸使得土壤pH 下降。

对于土壤有机质，不同研究得出的结论截然相反，一些研究显示烤烟连作引起土壤有机质含量降低［6,21］，还有研究显示土壤有机质含量随着连作时限的增加而增大［8,11］。本研究结果显示，长期连作导致石灰性紫色土有机质含量下降，这可能是由于本研究烤烟生产中基肥一般以化肥为主，有机肥施用量较小，加之烤烟成熟后将所有烟叶及烟株移除田外，很难保留足够的腐殖质等，进一步加剧了土壤板结，使有机质含量降低。

本研究显示烤烟长期连作导致土壤速效磷、速效钾含量增加而碱解氮含量降低。与前人研究结果相同的是烤烟连作导致土壤速效磷、速效钾含量增加［6,18-19］，这可能主要源于烤烟长期连作抑制烤烟生长，烟株养分吸收量降低，而施入烟田的肥料相对固定，施入烟田的养分量大于烟株吸收量，因而速效磷、速效钾出现富集现象［6］。不同之处在于本研究发现烤烟连作使得土壤碱解氮含量降低，其原因可能是本研究样地连作年限较长，施入样地氮肥量相对固定，而烤烟生长过程需氮量较多且氮肥施入土壤中存在一系列损失，如硝化淋溶、反硝化等，难以留存于土壤中［20］。

3.2 烤烟期长连作对土壤酶活性的影响

本研究显示长期连作导致土壤蔗糖酶活性呈不同程度降低。杜杏蓉等［11］研究显示随着连作年限增加，植烟土壤蔗糖酶活性呈先增加后减少的趋势，蔗糖酶活性最高值出现在连作6 年，之后呈下降趋势。这种差异可能源于短期连作时表层土壤中烟株和根系残留物不断积累，为土壤酶提供了足够的底物，因而酶活性会出现升高的趋势，一旦连作超过了一定年限，土壤中的病菌以及有毒物质的积累将导致土壤酶活性下降。本研究中，烤烟长期连作导致土壤脲酶活性不同程度降低。古战朝等［22］研究得出植烟土壤脲酶随着连作年限增加呈先增加后减少的趋势，而代方秀等［8］研究则认为烤烟连作使得土壤脲酶活性增加。这可能是由于为提高产量而增施氮肥，导致其土壤中氮素含量较高，氮素循环变快，使得土壤脲酶活性增加，当连作年限较短时，表层土壤中烟株和根系残留物不断积累，为脲酶提供了足够的底物，使得脲酶活性增加。

3.3 烤烟长期连作对烤烟生长发育的影响

从农艺性状及干物质积累量来看，本研究都显示连作27 年烤烟长势最好，分析原因可能如下：一是该烟地土壤pH 呈偏酸性，微酸性的土壤根际环境有利于烤烟前中期生长，特别是根系生长，为烤烟后期的茁壮生长奠定了基础［23］。二是与该烟地土壤质地松软有关，土壤质地松软，孔隙度高，透气性好，有利于烤烟生长发育［21］。三是与该烟地土壤有机质含量较高有关，前人研究表明有机质含量高的烟田烟株干物质积累量明显大于有机质含量低的烟田［25］。四是烤烟生长的适宜全氮含量为1～2 g/kg，该烟地的土壤全氮含量适宜烤烟生长［26］。五是该烟田的开沟排水处理效果较好，避免了烤烟成熟期时烟地土壤的水分过多，有利于烤烟的生长发育［27］。

4 结论

长期连作导致石灰性紫色土养分失衡，使表层土壤pH、有机质、碱解氮含量显著降低，分别降低17.43%、18.34% 和23.15%；速效磷、速效钾含量显著增加，分别增加124%和54.55%。长期连作还导致植烟土壤脲酶活性降低58.51%～91.28%，蔗糖酶活性降低29.14%～48.66%。土壤pH、速效磷和速效钾的变化与土壤酶活性密切相关，土壤pH 与土壤脲酶活性呈正相关，土壤速效磷与土壤蔗糖酶和土壤β-葡萄糖苷酶活性都呈负相关，而土壤速效钾与土壤β-葡萄糖苷酶活性呈正相关。因此，石灰性紫色土烤烟长期连作下土壤有机质、速效养分和土壤酶活性发生显著变化，生产上应重视对土壤微环境的调控，加速土壤酶对养分的转化和利用。