减量施肥对牧草/烤烟轮作系统中产量和土壤养分的影响

贾雪杰，游明鸿，李达旭，董志晓，李英主，雷雄，余青青，张建波*，马啸*

（1.四川农业大学草业科技学院，成都 611130；2.四川省草原科学研究院，成都 611731）

烟草（Nicotiana tabacum），是一种属于茄科（Solanaceae）的一年生草本植物。作为我国重要经济作物，烟草产量在全球排名第一[1]。由于其可观的经济价值，烟草产业也是我国财政税收的重要来源之一[2]。然而，烤烟作为一种不宜连作的作物，长期连续种植会导致烟草根系释放出大量化感物质，这些物质在土壤中积累，抑制了烟草的生长发育，并降低了根系对NO3-、SO42-和K+等养分的吸收能力，从而引起养分比例失衡和病虫害的加剧等问题[3-6]。目前，国内适宜种植烤烟的耕地面积不足7%，由于耕地资源、栽培方式和经济利益等因素的影响，许多烟草种植区难以避免连作现象的发生[3-7]。张重义等[8]发现，合理施肥、合理轮作和应用微生物菌剂等生产方法都可以有效防治土壤连作障碍问题。因此，探索合理的烤烟轮作模式对于防治连作障碍、增加烤烟产量等方面尤为重要[9]。

目前我国南北方烟区轮作选择各不相同，一般北方烟区可供选择的轮作作物种类多，有烤烟-丹参（Salvia miltiorrhiza Bunge），烤烟-小麦（Triticum aestivum）和烤烟-大蒜（Allium sativum）等轮作模式，而南方多为烟-稻轮作制度，其原因在于烤烟作为喜钾作物，对钾素需求量较氮素和磷素多，而水稻（Oryza sativa）等禾谷类作物对氮素需求大，收获后土壤中的氮素含量较低，因此烟-稻轮作可提高肥料利用率[10-12]。四川省作为我国的产烟大省，该地的烟-稻轮作模式虽然能在轮作最初几年体现出其优势，但单一轮作模式同样也会出现土壤肥力下降、肥料利用率降低，烟叶缺素，其产量降低等问题[13]。因此，烟-稻轮作模式逐渐被新兴的烟-豆草轮作模式所代替为必然趋势，其原因在于烤烟-豆草轮作可使土壤pH和有机质含量升高，且土壤中的N、P、K含量也发生相应变化。目前常见烤烟-豆草轮作模式有：烤烟-光叶紫花苕（Viciavillosa Rothvar）、烤烟-箭筈豌豆（Vicia sativa）和烤烟-燕麦（Avena sativa）等轮作模式[14-15]。

合理调控烤烟营养作为另外一种影响烤烟生产的措施，也对烤烟产量和烟叶品质产生重要影响[16]。化学肥料的出现使得土壤的施肥量逐渐上升，中国年施肥量高居全球榜首，但随着国家号召及绿色可持续农业出现，有机肥料开始被广泛利用，常见有机肥主要包括人粪肥、厩肥和绿肥等，其中厩肥数量多，便宜易得，得到了广泛利用[17]。有机肥与化肥各有优点，其中有机肥料有效期长，且能够改善质量，提高土壤微量元素，但肥效慢，无法满足烤烟早期生长的营养需求土壤。化肥可快速补充土壤中的营养物质，却无法满足地力的可持续发展[18-19]。研究表明，烤烟种植过程中，容易过度关注当季施肥量管理，忽略土壤自身肥力水平，同一施肥管理，低肥力土壤无法供给烤烟足够养分，导致其产量降低，高肥力土壤则由于营养过剩出现“憨烟”，烤烟产量质量均受到影响[20]。因此研究土壤营养肥力水平，探索适合的施肥供给临界量尤为重要。

目前国内针对烤烟研究多集中于轮作模式，以及烤烟合理的施肥量[21-22]。前人研究表明，烤烟-大蒜、烤烟-油菜、烤烟-水稻轮作均能不同程度地改善土壤养分、提高烤烟产量以及烟叶品质[23-25]。但对烤烟-豆科，或者烤烟-豆科和禾本科混播模式的探索较少，本研究探索了烤烟单播连作、光叶紫花苕-烤烟轮作、光叶紫花苕+燕麦（混播）-烤烟轮作3种栽培模式，配合不同施肥水平，探究对牧草的产量和烤烟产量、质量以及土壤养分影响，筛选出适宜四川省凉山州的烤烟轮作模式，优化轮作合理施肥量，培肥土壤，实现农业可持续化，为该地区的烤烟生产提供生产实践指导。

1 材料和方法

1.1 试验地概况与供试材料

试验于2018年9月—2020年9月在四川省凉山彝族自治州普格县县城（E102°54′9.01″，N27°37′64.13″）进行，该地平均海拔1 480 m，属亚热带季风气候，年温差较小，日差较大，5—10月为雨季，降水量占年降水量的90%，年总降水量1 169.8 mm，无霜期301 d。小区土壤基况见表1。

表1 小区土壤基况Table 1 Soil nutrient base state of the experimental plots before the investigation

1.2 供试材料

试验材料为‘云烟87’烤烟（Nicotiana tabacum），‘苏特’燕麦（Avena sativa），光叶紫花苕（Viciavillosa-Rothvar），试验材料均由四川省草原科学研究院提供。试验基肥为烤烟专用化肥（N-P2O5-K2O=15-5-25）和有机肥（羊粪）。

1.3 试验设计

试验采用双因素随机区组设计，设计了栽培模式和不同基肥施肥量这2个因素。栽培模式有3种，分别是A0：烤烟连作，冬闲田不种牧草；A1：光叶紫花苕—烤烟；A2：光叶紫花苕+燕麦—烤烟。基肥施肥量也有3种，分别是B1：牧草地单施基肥羊粪7 500 kg/hm2；B2：烤烟单施烤烟专用化肥600 kg/hm2；B3：牧草地单施羊粪3 750 kg/hm2+烤烟地单施烤烟专用化肥300 kg/hm2。总共有7个处理，每个处理重复3次。烤烟种植密度为22 489 株/hm2，光叶紫花苕单播播种量为60 kg/hm2，光叶紫花苕与燕麦混播播种量为光叶紫花苕（30 kg/hm2）+燕麦（105 kg/hm2）。每个小区面积为30 m2（6 m×5 m）。具体的试验处理见表2。

表2 轮作与不同施肥试验处理方法Table 2 Experimental treatment methods of crop rotation and different fertilization

表3 牧草-烤烟轮作模式下不同施肥量烤烟等级Table 3 Flue-cured tobacco grades with different fertilizer application rates under herbage-flue-cured tobacco rotation %

1.4 样品采集与测定方法

1.4.1 样品采集

烤烟与牧草样品采集：试验周期2年，烤烟、燕麦和光叶紫花苕成熟后，按小区分别收获燕麦、光叶紫花苕地上部分与烤烟叶片。

土壤样品采集：2018年9月，种植牧草前测定试验小区土壤养分含量，2019年9月和2020年9月烤烟收获后，去除土壤表面杂物，采集耕作层土壤，即0～20 cm土层。每小区随机取5个点土样，收集后置于通风处阴干，其后研钵磨碎，过筛备用。2019年4月和2020年4月，燕麦与光叶紫花苕收获后，土样采集处理方法上同。

1.4.2 测定指标

产量测定：各小区收获烤烟叶片及牧草地上部分，置于70 ℃电热恒温箱中，烘干至恒重，称重记录后，牧草作饲用。

土壤养分测定：采用pH测定仪（pHS-3S）测定不同时期各小区的土壤pH；用NaHCO3提取钼锑抗比色法测定速效磷；采用原子吸收分光光度法测定速效钾；采用凯氏定氮法测定全氮；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法（外加热法）测定[26]。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2016进行试验数据整理、SPSS 20.0软件分析试验数据，采用LSD分析法进行方差分析，Graph.prism 8.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对烤烟和牧草产量影响

2.1.1 不同轮作施肥处理对牧草产量影响

由图1可知，试验周期内，不同处理对牧草产量均有显著的影响（P<0.05）。轮作模式下，光叶紫花苕和燕麦混播，二者混播牧草产量较光叶紫花苕单播有显著的提升，且混播牧草第2年产量整体高于混播第1年。A2B3和A2B1牧草产量显著高于同年的其他处理，其中A2B3与产量最低的A1B2相比，2020年增产31.62%（P<0.05），2021年增产42.07%（P<0.05）。综上，A2B3牧草产量在2年轮作中显著高于同年其他处理。

图1 牧草-烤烟轮作模式下施肥处理间牧草干草产量Figure 1 Grass-flue-cured tobacco rotation mode,production of hay grass under different treatments

2.1.2 不同轮作施肥处理对烤烟产量影响

在牧草-烤烟轮作系统中，烤烟的轮作种植方式总体上比连作方式产量更高，但差异并不显著。根据2019年的数据，A1B3处理方式的产量最高，且其中上等和中上等烟叶比例较高，与A1B2处理方式相比，产量增加了11.20%（P<0.05），与A2B2处理方式相比，上等烟叶比例增加了50%（P<0.05）。而在2020年，A0B2处理方式的烤烟产量最高，但其中上等烟叶比例明显低于同年其他处理方式，与A2B1处理方式相比，产量增加了6.5%（P<0.05）。总结来说，在轮作系统中，当基肥施肥量减半时，烤烟的产量与采用烤烟单独连作方式的差异不显著（图2）。

图2 牧草-烤烟轮作模式下施肥处理间烤烟产量Figure 2 Grass-flue-cured tobacco rotation mode, production of flue-cured tobacco under different treatments

2.2 不同处理对土壤pH、有机质和养分影响

2.2.1 不同处理对土壤pH和有机质影响

试验周期内，烤烟冬闲期和牧草收获后的土壤pH整体上高于烤烟收获后的土壤pH。数据显示，在A2B3处理方式下的土壤有机质含量整体上高于同年其他处理方式（图3）。经过轮作两年的比较，发现烤烟的连作和轮作对土壤pH的影响差异不显著，但在牧草收获后，A2B2处理方式的土壤pH显著低于同年其他处理方式（P<0.05）。具体而言，与相同施肥处理方式A1B2相比，2019年和2020年的土壤pH分别降低了10.30%和17.56%（P<0.05），然而与其他处理方式比较，差异并不显著。关于土壤有机质含量方面，2019年牧草收获后，A2B3处理方式的土壤有机质含量显著高于其他处理方式，分别比A1B3和A2B1处理方式增加了0.64%和8.11%（P<0.05），这说明在相同施肥量下，采用牧草混播会比单独播种土壤有机质含量更高，并且施肥量为7 500 kg/hm2时，有机质含量会更高（P<0.05）。综上所述，轮作和施肥对土壤pH的影响整体上不显著，但对土壤有机质含量的影响是显著的。

图3 轮作及不同施肥处理下牧草和烤烟收获后土壤pH以及有机质含量Figure 3 Soil pH and organic matter content after harvest of grass and flue-cured tobacco under c ropping rotation and different treatments

2.2.2 不同处理对土壤氮素影响

轮作2年后，土壤氮素含量与烤烟休闲期相比差异不大。然而，在烤烟收获后，连作烤烟的土壤氮素含量较轮作烤烟整体来说要低一些（图4）。研究显示，在2019年的牧草收获后，A1B3处理方式的土壤全氮含量最高，相较于A1B2和A2B3分别显著增加了30.11%和17.47%（P<0.05）。而在2020年的牧草收获后，A2B3处理方式的土壤全氮含量最低，相较于A1B3显著减少了13.14%（P<0.05）。此外，A1B1处理方式的土壤碱解氮含量也是最低的，相较于A2B1减少了10.12%（P<0.05）。换言之，在同时施肥牧草和烤烟时，与单独播种牧草相比，混播牧草的土壤全氮含量更高。而当只施肥牧草时，混播牧草的土壤碱解氮含量显著高于单独播种的情况（P<0.05）。另外，2019年烤烟收获后，A2B1处理方式的土壤全氮含量显著高于A0B2和A1B1，分别增加了16.23%和15.74%，而其土壤碱解氮含量与A0B2相比降低了18.23%（P<0.05）。在2020年，A1B3处理方式的土壤全氮和碱解氮含量较A0B2分别增加了17.94%和8.57%（P<0.05）。综上所述，在轮作烤烟收获后，土壤氮素含量整体上要高于连作烤烟的情况（P<0.05）。总的来说，当烤烟与牧草进行轮作，并且同时施肥时，不同收获期的土壤氮素含量整体上是较高的。

图4 轮作及不同施肥处理下牧草和烤烟收获后土壤全氮以及碱解氮含量Figure 4 Soil total nitrogen and available nitrogen contents after harvest of grass and flue-cured tobacco under cropping rotation and different treatments

图5 轮作及不同施肥处理下牧草和烤烟收获后土壤全磷和有效磷含量Figure 5 Soil total phosphorus and available phosphorus contents after harvest of grass and flue-cured tobacc under crop rotation and different treatments

图6 轮作及不同施肥处理下牧草和烤烟收获后土壤全钾和速效钾含量Figure 6 Soil total potassium and available potassium contents after harvest of grass and flue-cured tobacco under crop rotation and different treatments

2.2.3 不同处理对土壤磷素影响

对于轮作处理土壤的全磷及有效磷含量与烤烟连作相比，存在较大差异，即轮作施肥对土壤磷素含量具有重要影响。在2019年牧草收获后，基肥施肥量为B3时，土壤全磷含量显著低于其他处理方式（P<0.05）。而在烤烟收获后，与A0B2处理方式相比，A2B3的土壤全磷及有效磷含量显著高，分别增加了21.67%和16.43%（P<0.05）。这说明在烤烟和牧草混播且进行施肥处理时，土壤磷素含量要高于烤烟连作单播处理（P<0.05）。在2020年牧草收获后，轮作处理的土壤全磷含量也显著高于烤烟休闲期（P<0.05）。然而，A2B1处理方式的土壤磷素含量却显著低于其他轮作处理方式。相比A2B1，A2B3的土壤全磷含量显著增加了16.67%（P<0.05）。总的来说，虽然轮作烤烟后土壤磷素含量有所增加，但与连作烤烟相比差异并不显著（P<0.05）。综合分析来看，在不同的收获期，采用A2B3处理方式可以保持较高的土壤磷素含量。

2.2.4 不同处理对土壤钾素影响

在2个轮作周期内，不同处理方式对土壤全钾含量的变化差异较小。在不同的收获期，最高土壤全钾含量相比最低含量分别增加了11.27%、13.83%、12.24%和11.29%。然而，土壤速效钾含量在不同处理方式之间变化差异很大。其中，在烤烟收获后，土壤速效钾含量均高于牧草收获后的情况。特别是A2B3处理方式的土壤速效钾含量显著高于试验持续2年的其他处理方式，增加了54.23%和61.42%，增幅较大。总体而言，不同处理方式对土壤全钾含量的变化不显著，但A2B3处理方式相比其他处理方式，在土壤速效钾含量方面有显著增加（P<0.05）。

3 讨论

3.1 不同轮作施肥模式对轮作系统产量的影响

不同的轮作模式配合施肥对轮作系统产量以及土壤养分具有不同作用[27]。烤烟作为经济作物，前茬作物对其产量有较大影响[28]。本研究中前茬选择的光叶紫花苕具有较强耐贫瘠能力，多应用在作物和烤烟轮作中。赵彩衣等[29]研究表明，光叶紫花苕轮作可改善土壤肥力，促进后茬作物对养分吸收，且根瘤固氮能增强土壤的供氮能力，这与本研究结果相似但略有不同。本研究发现，烤烟轮作可略微提高产量和质量，但轮作烤烟的产量通常低于连作。在试验的第一年中，A1B1和A2B1处理的烤烟产量高于连作，增产了5.07%。然而，在施肥量为B2和B3时，烤烟产量低于连作。在轮作的第二年，烤烟连作的产量略高于轮作产量，但差异不显著。这可能是因为前作光叶紫花苕虽具有根瘤固氮能力，但其提供的养分不足，导致后作烤烟生长中养分不足，从而降低了产量。在本研究中，A1B3和A2B3处理的烤烟施肥量可能较少，导致二者的烤烟产量分别降低了2.22%和6.10%。这是该轮作系统中B3施肥量能够支持的最大产量。因此，建议适当增加B3处理的烤烟专用肥使用量，理论上应该313.05～334.95 kg/hm2。

不同的前茬情况对轮作系统中烤烟的产量和质量有显著影响。本研究中，当前茬为豆禾混播时，烤烟的烟叶产量为1.99 t/hm2，中上等烟叶比例为41.67%，相比于前茬为牧草单播处理，该处理使烤烟产量增加了1.73%。这可能是由于前茬为豆科植物，具有根瘤固氮能力，烟叶产量随着施氮量的增加而逐渐增加。然而，如果施用过量的氮肥，则会降低烤烟的产量。在相同的施氮条件下，前茬为豆科植物可以提高土壤的氮素供应能力，降低对肥料的利用率。然而，在豆-禾混播时，禾本科植物可以消耗一部分氮肥，提高肥料的利用效率，从而获得最佳的效益[30-31]。

3.2 不同轮作施肥模式对土壤养分影响

作物产量和品质与土壤养分密切相关[32]。施肥对烤烟的影响主要是其器官内氮磷钾的吸收与分配关系协调的结果，合理施肥不仅能提高作物光合作用，加速干物质积累，还可显著调高养分利用效率，减少养分的浪费[33-35]。本研究中，施肥量为B3时，相同前作处理的土壤养分含量较其他施肥量高，其中A2B3较A2B1土壤有机质显著增加8.11%，土壤pH差异不大；A1B3土壤全氮含量较A1B2增加30.11%；A2B3土壤全磷较A2B1增加16.67%，同时A2B3土壤速效钾含量显著高于同年其他处理（P<0.05），即有机肥和化肥配施时，土壤养分较单施有机肥或单施烤烟专用肥高。这是因为有机肥与化肥配施，能有效促进烤烟生长发育，且作用时效较长，有利于烤烟后期的干物质积累[36]。这与祖庆学等[37]在有机肥对烤烟生长及品质影响研究结果相似，这是因为烤烟专用肥保证了烤烟具有足够的养分，前作有机肥的使用改善了土壤理化性质，其促进烤烟的根系伸展，导致烤烟根系对养分的吸收利用加强，从而有利于烤烟生长。

为减少化肥施用，实现我国化肥“零增长”的发展目标，在轮作系统中，合理利用前作收获后土壤残留养分，可适当减少后作肥料施用量，提高肥料利用率[38]。本试验中，轮作处理土壤养分含量整体上均略高于或与烤烟连作差异不大，该现象可解释为轮作效应和氮素残留效应两方面，即轮作系统中豆科作物减少对土壤氮素的消耗，并以根系、根瘤、脱落物等形式向土壤残留氮素，提高土壤肥力，且若豆科固氮量大，对禾本科氮素转移量大，会产生土壤氮素平衡正效应，有利于养分积累，减少养分下降程度[39]。

4 结论

牧草-烤烟轮作与连作相比具有明显的优势。在轮作条件下，即使烤烟产量整体差异不显著，但牧草产量较高的处理比连作条件下的土壤养分含量要高。轮作模式下，光叶紫花苕+燕麦（羊粪3 750 kg/hm2）-烤烟（烤烟专用肥300 kg/hm2）为最优处理，该处理既提高了牧草和烤烟的产量，同时土壤有机质、有效磷、速效钾等养分指标也较高。然而，对于这个最优处理，可以适当提高后续烤烟的施肥量，以期获得最大效益。