摘要
旨在探讨轮作不同绿肥对滇中烤烟生产的影响，为该地区烤烟生产提质增效提供技术与理论支撑，并构建合理的绿肥-烤烟制度。基于 2017 年开始的田间定位试验，于 2021—2022 年研究了轮作不同种类绿肥对土壤养分、烤烟产量、品质和经济效益的影响。在烟田休闲季设置不种绿肥（冬闲）、种植光叶苕子、黑麦草、肥田萝卜 4 个处理。绿肥处理能改善烟田土壤性状，3 种绿肥处理可溶性有机碳、可溶性有机氮含量分别比冬闲处理高 4.07 ～ 16.4 和 1.34 ～ 1.74 mg·kg-1（P<0.05），光叶苕子处理的土壤有机碳和无机氮含量平均高于冬闲处理 2.7 g·kg-1 和 13.5 mg·kg-1（P<0.05）。相比冬闲，光叶苕子、肥田萝卜处理有效叶数平均分别增加了 3.0、2.8 叶·株 -1（P<0.05），烤烟产量年均增加 257 kg·hm-2。3 种绿肥处理均有效提高烟叶钾氯比，烟叶钾含量比冬闲提高 0.19% ～ 0.66%、氯离子含量降低 0.14% ～ 0.18%（P<0.05）；肥田萝卜具有降低烟叶糖碱比的优势。相比冬闲处理，光叶苕子处理的烤烟均价提高 2.2 元·kg-1、产值增加 13887 元·hm-2，黑麦草处理产值增加 9062 元·hm-2，肥田萝卜处理提高产值 3938 元·hm-2（P<0.05）。Mantel 分析表明，土壤无机氮和可溶性有机氮含量是影响烤烟产量的重要因素。综上，在烤烟休闲季种植、翻压绿肥，能够改善烟田土壤性状，进而提升烤烟产量、品质和经济效益，以光叶苕子表现最优。
Abstract
This study aimed to explore the effects of different green manures on tobacco production in central Yunnan，provide technical and theoretical support for improving the quality and efficiency of tobacco production in this region，and construct a reasonable green manure-tobacco rotation system．Based on the located field experiment started in 2017，the effects of different types of green manures on soil nutrients，yield，quality and economic benefits of tobacco in 2021—2022 were studied．Four treatments were set up in the fallow season of tobacco field，including winter fallow-tobacco，smooth vetch-tobacco，ryegrass-tobacco，and radish-tobacco rotation．Green manuring could improve soil properties，i.e．，the soil dissolved organic carbon and dissovloved organic nitrogen contents of all the three green manuring treatments significantly increased by 4.07-16.4 mg·kg-1 and 1.34-1.74 mg·kg-1，compared to the winter fallow（P<0.05）．Moreover，soil organic carbon and inorganic nitrogen contents were on average 2.7 g·kg-1 and 13.5 mg·kg-1（P<0.05）higher under smooth vetch treatment than in the winter fallow．Compared with winter fallow，the effective leaves average number of smooth vetch and radish treatment increased by 3.0 and 2.8 leaves pen / plant（P<0.05），and the average annual increase of tobacco yield increased by 257 kg·hm-2．Generally，three green manuring treatments improved the ratio of potassium/chlorine in tobacco leaves，with increase in potassium concentration by 0.19% to 0.66% and decreased in chloride ion concentration by 0.14% to 0.18%，compared to the winter fallow．Additionally，radish significantly decreased the ratio of total sugar/nicotine in tobacco leaves．Compared with winter fallow，the average price and output value of tobacco in smooth vetch treatment increased by 2.2 Yuan·kg-1 and 13887 Yuan·hm-2，and the output value of ryegrass treatment increased by 9062 Yuan·hm-2，radish treatment increased by 3938 Yuan·hm-2（P<0.05）. The Mantel analysis found that tobacco yield was significantly correlated with mineral nitrogen and dissolved organic nitrogen. In summary，planting and incorporating green manure could improve the soil properties of the tobacco field，and then enhance the yield，quality and economic benefits of tobacco，and the smooth vetch showed the optimal performance.
Keywords
滇中烟区地处云南中部高原，是我国重要的烤烟生产地，对云南经济发展起到了重要推动作用。受烤烟生产所需特殊地理环境及耕地条件的制约，与我国其他传统烟区类似，烤烟连作在滇中烟区也难以避免。加上当地“重无机肥、轻有机肥” 的施肥方式和“重用地、轻养地”的耕种方式，滇中烟区面临着土壤退化、烤烟产量与品质下降的风险[1-2]。
绿肥是重要的轮作倒茬作物，具有改善土壤质量、提升土壤肥力、调节土壤养分、增强土壤酶活性、招募土壤有益微生物、抑制病原微生物等作用[3]。绿肥与主作物轮套作可调控土壤微生物群落、消减主作物根系分泌的自毒化感物质、阻断土传病害传播，从而减轻连作障碍[4]。研究表明，烟田休闲期轮作绿肥可以优化植烟土壤的微生物群落结构，诱导特定微生物类群提升土壤碳氮养分循环、缓解土壤真菌病害的潜力[5]。同时，绿肥本身作为全元均衡有机肥源，翻压还田后养分能够高效释放、被接茬作物高效利用[3]。冯瑜等[6]在抚仙湖径流区的研究发现，轮作并翻压绿肥可改善烟田土壤养分性状，提升上等烟比例和烤烟品质，且随着种植年限的增加效果更显著。滇中烟区冬季光热资源丰富，在烟田冬闲期种植绿肥，既充分利用气候资源，覆盖地面保持水土，其翻压后又可为后茬烤烟生长提供养分，绿肥-烤烟轮作有望成为破解我国传统烟区烤烟生产瓶颈的有效措施之一[7]。
我国主栽绿肥作物种类多样，不同科属绿肥作物培肥养地特性各异。例如，豆科绿肥能够与根瘤菌共生固氮补充农田氮素，禾本科和十字花科绿肥在活化土壤磷、钾养分方面具有重要作用[3]。为此，选择适宜滇中烟区的绿肥种类，构建适合该地区的烤烟-绿肥轮作制度，对于该区域烤烟可持续生产具有重要意义。本研究基于多年定位试验，分析 3 种典型绿肥（光叶苕子、黑麦草、肥田萝卜） 轮作翻压对烟田土壤养分、烤烟品质与经济效益的影响，以期为滇中烟区烤烟高质高效生产、土壤质量提升提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验点概况与试验设计
试验位于滇中地区云南省农业科学院嵩明试验站（25°21′11.21″N，103°6′47.24″E）。试验地属亚热带高原季风气候，年平均降水量 987 mm，年平均气温 14℃。土壤类型为红色石灰土，耕层 （0～20 cm）土壤基础理化性状：pH 值 7.1、有机质 22.1 g·kg-1、全氮 0.9 g·kg-1、全磷 1.6 g·kg-1、全钾 9.8 g·kg-1、碱解氮 76 mg·kg-1、有效磷 31 mg·kg-1、速效钾 145 mg·kg-1。
试验始于 2017 年，设置 4 个处理，分别为烤烟-冬闲（WF）、烤烟-光叶苕子轮作（SV）、烤烟-黑麦草轮作（RY）和烤烟-肥田萝卜轮作 （RD）。每个处理设 3 个重复，完全随机区组排列，各试验小区面积为 4 m×5 m。绿肥于每年 10 月下旬播种，并于次年 3 月烤烟移栽前 20 d 原位就地翻压还田，绿肥季除投入绿肥种子外，无额外养分投入。绿肥播种量分别为光叶苕子 60 kg·hm-2、肥田萝卜 60 kg·hm-2、黑麦草 30 kg·hm-2。绿肥全部按 22500 kg·hm-2（鲜草）的比例翻压还田。各处理烤烟季氮、磷、钾肥施用量分别为 N 120 kg·hm-2、P2O5 90 kg·hm-2、K2O 405 kg·hm-2。
1.2 样品采集与分析
分别于 2020、2021 年烤烟收获前，每个小区选取 3 株烟株测定株高、茎围、有效叶数、最大叶长和叶宽。烤烟成熟后，分小区采用挂牌编竿烘烤，烘烤结束后测定各小区烤烟产量，并对各小区烤后烟叶按部位和等级取中部叶 2 kg 进行烟叶化学成分检测，检测指标为氯、钾、烟碱、还原糖、总糖和总氮等。测定方法如下：水溶性总糖、还原糖含量按照国家标准连续流动法（YC/T159—2019） 测定；烟碱含量按照国家标准连续流动法（YC/T160—2002）测定，总氮含量按照国家标准连续流动法（YCT161—2002）测定，钾含量按照国家标准连续流动法（YC/T217—2007）测定；氯含量按照国家标准连续流动法（YC/T162—2011）测定，两糖差是总糖和还原糖的差值，糖碱比为还原糖与烟碱的比值；氮碱比是指总氮与烟碱的比值；钾氯比是钾和氯的比值。
烤烟收获后，采用五点取样法采集土壤样品，样品经去杂、风干，过 2 和 0.15 mm 筛。土壤理化性质测定参考鲍士旦[8]的方法，使用 pH 计（LE438，Mettler-Toledo Instruments） 测定 1∶5 （W/V） 的土壤 pH 值。土壤无机氮（NO3 −-N 和 NH4 +-N）通过 1 mol·L-1 氯化钾提取，使用连续流动分析仪（SAN++，Skalar，荷兰）进行测量。土壤有效磷采用 0.5 mol·L-1 碳酸氢钠提取、紫外可见分光光度计测定。土壤速效钾采用 1 mol·L-1 乙酸铵提取，火焰光度计测定。采用去离子水提取、0.45 μm 滤膜过滤，获得土壤可溶性有机碳和可溶性有机氮溶液[9]，TOC 分析仪（TOC-LCPH， Shimadzu，日本）测定其含量。土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸-0.5 mol·L-1 硫酸钾浸提测定，TOC 分析仪测定含量[10]。采用元素分析仪（Flash Smart， Thermo Fisher Scientific，美国）测量土壤和植物总碳和总氮含量。植物样品经硫酸-过氧化氢消化后，分别使用连续流动分析仪（SAN++，Skalar，荷兰） 和火焰光度计测定磷和钾含量。
1.3 统计分析
试验数据采用 Excel 2019、SAS 8.1 进行整理和统计分析，方差分析多重比较采用最小显著差异法（LSD），在 P<0.05 水平下检验差异显著性。偏最小二乘法路径模型（PLS-PM）是一种研究观测变量和潜在变量之间复杂多元关系的统计方法，应用 R 3.6.1 中的“plspm”包实现。使用 R 3.6.1 中的 “vegan”包[11] 进行 Mantel 分析及 Pearson 相关性分析，以确定烤烟产量、品质与土壤理化性状之间的关联。
2 结果与分析
2.1 植烟土壤养分含量
轮作绿肥可有效改善土壤养分（表1）。轮作光叶苕子、黑麦草对土壤有机碳、全氮的提升作用较大，相比冬闲，光叶苕子处理 2020 年总有机碳含量增加了 1.7 g·kg-1、2021 年总有机碳和全氮含量增加了 3.6 和 0.4 g·kg-1。3 种绿肥处理下土壤可溶性有机碳、可溶性有机氮含量相比冬闲显著增加了 4.1～16.4 和 1.3～1.7 mg·kg-1。3 种绿肥仅光叶苕子处理在 2021 年显著提高了土壤微生物量碳含量，较冬闲增加了 20.0 mg·kg-1。2020— 2021 年，3 种绿肥处理均显著提升土壤无机氮和速效钾含量，光叶苕子增加土壤无机氮、黑麦草增加土壤速效钾的效果最优，两年分别增加了 12.6、 14.6 mg·kg-1 和 204.3、157.3 mg·kg-1。
表1不同绿肥处理对土壤理化性状的影响
注：表中数值为平均值 ± 标准误差（n=3）；同列数据后不同小写字母代表同一年份处理间差异显著（P<0.05）。下同。
2.2 烤烟农艺性状
轮作绿肥可有效改善烤烟的农艺性状（表2）。相比冬闲处理，2020 和 2021 年光叶苕子处理烟株株高平均增加 8.8 cm，2020 年肥田萝卜处理增加 8.3 cm，2021 年黑麦草处理增加 6.3 cm。2020 年，光叶苕子和肥田萝卜处理烤烟有效叶数较冬闲均显著增加了 3叶·株-1；2021 年，光叶苕子、黑麦草和肥田萝卜处理烤烟有效叶数较冬闲分别增加了 3、2.6 和 2.5 叶·株-1。与冬闲相比，光叶苕子处理 2020 年烟叶最大叶长显著增加了 11.6 cm，2021 年烟叶最大叶宽显著增加了 6 cm。
2.3 烤烟化学成分
轮作绿肥可提高烟叶烟碱、总氮和钾含量，降低氯离子含量（表3）。相比冬闲，2020 年肥田萝卜处理烟叶烟碱含量提高了 0.47%，2021 年 3 种绿肥处理烟碱含量分别提高了 0.26%（光叶苕子）、0.28%（黑麦草）和 0.81%（肥田萝卜）。 2020 和 2021 年，3 种绿肥提升烟叶总氮含量的效应以肥田萝卜处理最优，该处理烟叶总氮含量较冬闲处理分别增加了 0.46% 和 0.61%。3 种绿肥处理烟叶钾含量较冬闲显著增加了 0.19%～0.66%、氯离子含量显著降低了 0.14%～0.18%。轮作肥田萝卜显著降低烟叶糖碱比，轮作 3 种绿肥均显著提高烟叶钾氯比，以黑麦草处理增幅最高。
2.4 烤烟产量和经济效益
2020—2021 两年试验期间均以光叶苕子处理下烤烟产量最高，分别达 2721 和 2588 kg·hm-2 （表4）。相比冬闲，2020 和 2021 年光叶苕子处理产量平均增加了 257 kg·hm-2。轮作绿肥对烤烟中上等烟和上等烟占比的提升效果并不显著。2020 和 2021 年光叶苕子处理较冬闲处理均价平均增加了 2.2 元·kg-1，2021 年黑麦草处理较冬闲处理均价增加了 1.9 元·kg-1。相比冬闲，轮作绿肥提高了烤烟产值，其中光叶苕子处理产值最高，两年间平均提升了 13887 元·hm-2、黑麦草处理提高了 9062 元·hm-2、肥田萝卜处理提高了 3938 元·hm-2。
2.5 土壤养分含量与烤烟产量、品质间相关性分析
通过 Mantel 分析发现，烤烟产量分别与无机氮及可溶性有机氮显著相关（R=0.25～0.5，P<0.01），品质则分别与土壤可溶性有机碳（R<0.25，P<0.05） 及微生物量碳（R=0.25～0.5，P<0.05）显著相关 （图1b）。Pearson 相关性分析解释了烤烟品质中各指标与土壤性状间的关联，发现烤烟的钾含量与土壤速效钾存在显著正相关（P<0.05），烤烟的总氮与土壤可溶性有机氮呈显著正相关（P<0.05）。烤烟的总糖及还原糖含量则与微生物量碳具有显著的负相关关系（P<0.05），同时还原糖还与土壤全氮呈显著负相关（图1a，P<0.05）。
表2不同绿肥处理下烤烟农艺性状
表3不同绿肥处理对烤烟化学成分的影响
表4不同绿肥处理下烤烟经济效益
图1土壤性状对烤烟产量、品质的贡献
注：a 为烤烟产量及品质与土壤各性状相关性。MIN，无机氮；AP，有效磷；AK，速效钾；TC，总有机碳；TN，全氮；DOC，可溶性有机碳；DON，可溶性有机氮；MBC，微生物量碳。颜色梯度表示 Pearson 相关系数，* 和 ** 分别表示显著水平为 P<0.05 和 P<0.01。b 为土壤性状与烤烟产量、品质的相关性。矩阵中箱体大小和颜色梯度表示各因素两两比较的 Pearson 相关系数。左侧连线宽度对应 MantelR 统计量，连线颜色表示对应统计显著性。
3 讨论
3.1 绿肥-烤烟轮作对烟叶产量和品质的影响
种植利用绿肥能够改善烤烟的农艺性状[6，12]，但不同绿肥处理对烤烟的株高、有效叶数、最大叶长和最大叶宽的提升效果存在差异，以光叶苕子对各项农艺性状的综合提升效果最佳，这也使该处理下的烤烟产量最高。烤烟中各项化学成分含量的平衡决定了烟叶品质的优劣[13]。烟叶总糖和还原糖以及两糖之间的差值可反映烟叶碳水化合物的转化程度，增加还原糖含量、降低两糖差值可提升烟叶的吃味[14]，一般认为，优质烟叶总糖和还原糖含量上限分析为 40% 和 30%[15]，本研究全部处理的总糖和还原糖含量均符合优质烟叶标准。烟叶中的烟碱含量在衡量烟叶品质时十分重要，烟叶烤制后含量在 1.5%～3.5% 为宜，过高会导致吃味变劣，刺激性增强，过低则会导致吃味平淡，无法作为优质烟叶[16-17]。本研究中全部处理的烟碱含量均符合优质烟叶标准，肥田萝卜处理在 2020 年提升了烟碱含量，2021 年 3 种绿肥处理下烟碱含量均显著提升，表明绿肥轮作多年后可对烤烟吃味有较好提升效果。烟草属于需钾忌氯型作物，烤烟在生长过程中对氯离子十分敏感，烟叶中较高的氯离子含量会导致烟叶的燃烧性下降、吃味变劣[18]。本研究发现，绿肥处理的烟叶氯离子含量均显著低于冬闲。烟叶钾含量也是烟叶品质优劣的重要指标，钾离子参与烟草体内物质运转，促进烟叶烤制后的香气、燃烧性，提高烟叶品质。一般认为烟叶钾含量在 2.0% 以上为宜[19]， 3 种绿肥处理提高了烟叶钾含量，使得烟叶钾含量符合优质烟叶标准。Pearson 相关性分析显示，钾含量的增加主要因为绿肥提高了土壤钾含量。绿肥种植期间可活化和富集土壤深层的钾元素，改善了耕层土壤速效钾供应能力，从而提高了烟草钾含量[6]。烤烟中钾氯比反映了两元素的平衡性，绿肥处理下钾氯比较冬闲有所提升，其范围为 4.10%～6.24%，符合优质烟叶钾氯比标准[20]。轮作绿肥虽未提升上等烟和中上等烟占比，但绿肥处理下烤烟均价均有所提升，烤烟产值显著提高。可见，轮作绿肥不仅提升烤烟的产量与产值，对烤烟品质也有整体提升效果，3 种绿肥中以光叶苕子的效益最佳。
3.2 绿肥-烤烟轮作对土壤理化性状的影响
绿肥生长期间能够吸收固持土壤速效养分，烟草种植前翻压培肥土壤[21-22]。总的来说，连续多年轮作不同科属绿肥后，土壤肥力均有不同程度的提升。绿肥处理普遍增加了土壤钾的有效性，这主要归因于绿肥生长期间对不同土层土壤中钾元素的吸收固持作用，在其翻压腐解后钾元素迅速释放直接提升土壤速效钾含量[23]。此外，不同科属绿肥种植翻压后均增加了土壤可溶性有机碳和可溶性有机氮含量。土壤可溶性有机碳作为有机碳库中最活跃的组分，是土壤碳库质量变化的有效指示因子[24]，而可溶性有机氮则是作物有效性氮的重要来源之一[25]，二者含量的提升对改善植烟土壤养分的有效性具有重要意义。但不同科属的绿肥因其生理特征不同，对土壤性状产生的影响也有所差异。本研究中，光叶苕子、黑麦草和肥田萝卜在不同试验年份虽对土壤无机氮均有明显提升效果，但光叶苕子对土壤无机氮的提升效果最佳，这与宁诗琪等[26] 的研究结果类似。豆科绿肥生长期间可一方面截留土壤中盈余的养分，另一方面还可通过生物固氮作用向农田输入氮素[27]。也正因如此，2021 年光叶苕子显著提升了土壤全氮含量，其他绿肥处理较冬闲无显著变化。综上，连续轮作绿肥多年后，植烟土壤肥力得以有效提升，以光叶苕子培肥土壤的效果最优。
烟叶产量与土壤养分状况直接相关[28]。Mantel 分析表明，烟叶产量主要受土壤无机氮和可溶性有机氮含量影响。烟草是对氮素敏感的植物，烟草产量和品质极易受到氮素供给量的影响。无机氮作为旱作植物体内氮素的主要来源[29]，能够促进作物氮素吸收，提高作物产量。因此，相比冬闲，绿肥处理通过提高土壤无机氮含量促进烟草生长。另外，可溶性有机氮是参与土壤矿化过程的活跃组分之一，易被土壤微生物、植物分解利用[30]，种植绿肥土壤可溶性有机氮含量增加也为烟草生长提供了氮源。除此之外，翻压绿肥后有机氮在土壤中缓慢分解，不断地释放养分，为作物提供持久的养分，绿肥完全、均衡的养分也促进了烟草吸收营养，从而提高烟叶产量。
4 结论
轮作光叶苕子可以提高烤烟株高、有效叶数、最大叶长和最大叶宽，从而有效提升其产量。轮作光叶苕子、黑麦草和肥田萝卜均能够增加烟叶中烟碱和钾含量，降低氯离子含量，提升烤烟品质，增加土壤可溶性有机氮、无机氮和速效钾含量，并且光叶苕子处理可提升土壤微生物量碳。综上，轮作绿肥不仅能够有效改善烤烟农艺性状，提高烤烟经济效益，还能够培肥土壤，是云南烟区值得推广的可持续种植制度。