烤烟-绿肥轮作对云南烟田土壤质量与微生物养分限制的影响

doi:10.11686/cyxb2023431

草业学报 ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (10): 147-158.DOI: 10.11686/cyxb2023431

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烤烟-绿肥轮作对云南烟田土壤质量与微生物养分限制的影响

赵文军¹^,²(), 刘蕊³(), 王正旭¹, 冯瑜⁴, 薛开政¹, 刘魁¹, 徐梓荷¹, 曹卫东⁵, 付利波⁶, 尹梅⁶, 陈华⁶()

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收稿日期:2023-11-15 修回日期:2023-12-22 出版日期:2024-10-20 发布日期:2024-07-15
通讯作者: 陈华
作者简介:Corresponding author. E-mail： chenhua19792003@126.com
赵文军（1984-），男，云南昌宁人，高级农艺师，在读硕士。E-mail： zhaowenjun19840207@163.com
刘蕊（1995-），女，黑龙江鸡西人，在读博士。E-mail：13159862521@163.com。第一联系人：共同第一作者These authors contributed equally to this work.
基金资助:
红塔集团科技项目《高原湖泊径流区优质烟叶生产高质量发展技术体系研究》(2022YL02)

Effects of rotation with a green manure crop on soil quality and microbial nutrient limitation in a tobacco field in Yunnan

Wen-jun ZHAO¹^,²(), Rui LIU³(), Zheng-xu WANG¹, Yu FENG⁴, Kai-zheng XUE¹, Kui LIU¹, Zi-he XU¹, Wei-dong CAO⁵, Li-bo FU⁶, Mei YIN⁶, Hua CHEN⁶()

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Received:2023-11-15 Revised:2023-12-22 Online:2024-10-20 Published:2024-07-15
Contact: Hua CHEN

摘要/Abstract

摘要：

本研究旨在探讨烤烟轮作绿肥对烤烟产量、土壤质量和微生物养分限制的影响，为云南烟区筛选适宜与烤烟轮作的绿肥种类提供理论与技术支撑。于2017年布置田间定位试验，研究轮作绿肥对烤烟产量、土壤质量、养分循环相关水解酶活性和微生物养分限制的影响。试验设冬闲-烤烟（WF）、肥田萝卜-烤烟（RD）、光叶苕子-烤烟（SV）、黑麦草-烤烟（RG）4个处理。相比WF处理，2019年SV处理烟叶产量增加了6.8%，2022年RD和SV处理烟叶产量分别增加了6.4%和8.4%。2022年较2019年，各处理土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量增加，pH值、全磷含量降低。在2022年，相比WF处理，SV处理土壤全磷含量降低了22.9%，RG处理土壤有机质和速效钾含量增加了9.7%和73.6%，RD、SV和RG处理土壤硝态氮含量分别增加了97.1%、75.9%和26.0%、可溶性有机氮含量增加了228.8%、85.0%和96.7%。总体上，RD、RG处理土壤质量面积指数显著增加了27.0%和15.6%。相比WF处理，轮作绿肥处理碳（α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶）、氮（亮氨酸氨基肽酶）、磷（碱性磷酸酶）相关水解酶活性分别增加了48.8%~262.1%、59.3%~125.0%和312.0%~435.9%。轮作不同绿肥处理较WF处理降低了微生物碳限制，却增加了微生物磷限制。综上，轮作光叶苕子和肥田萝卜可增加烤烟产量、提高烟田土壤质量，是实现云南烟区清洁烟叶生产和可持续土壤管理的有效途径。

关键词: 烤烟-绿肥轮作, 烟叶产量, 土壤质量, 酶化学计量比, 微生物养分限制

Abstract:

We investigated the effects of rotating tobacco （Nicotiana tabacum） with green manure crops， with an aim to provide theoretical and technical support for selecting suitable green manure for rotation systems in tobacco fields in Yunnan Province. The field experiment， which started in 2017， aimed to test the effects of green manure rotation on tobacco yield， soil quality， nutrient cycling-related enzyme activity， and microbial nutrient limitations in a tobacco field. The experiment consisted of four treatments， i.e.， winter fallow-tobacco rotation （WF）， radish （Raphanus sativus）-tobacco rotation （RD）， smooth vetch （Vicia villosa）-tobacco rotation （SV）， and ryegrass （Lolium perenne）-tobacco rotation （RG）. Compared with the WF treatment， the SV treatment increased tobacco yield by 6.8% in 2019； and the RD and SV treatments increased tobacco yield by 6.4% and 8.4% in 2022， respectively. Compared with 2019， in 2022， the soil organic matter （SOM）， total nitrogen （TN）， available phosphorus （AP） and available potassium （AK） contents were increased， but the soil pH value and total phosphorus （TP） contents were decreased. In 2022， compared with the WF treatment， the SV treatment decreased the TP content by 22.9%， and the RG treatment increased the SOM and AK contents by 9.7% and 73.6%， respectively. Additionally， compared with the WF treatment， the RD， SV， and RG treatments increased soil nitrate-nitrogen contents by 97.1%， 75.9%， and 26.0%， respectively， and increased the dissolved organic nitrogen contents by 228.8%， 85.0%， and 96.7%， respectively. Overall， the soil quality area index was significantly higher in the RD and RG treatments （by 27.0% and 15.6%， respectively） than in the WF treatment. Compared with the WF treatment， the green manure rotation treatments significantly increased the activities of carbon metabolism-related enzymes （β- glucosidase， β-xylosidase， α-glucosidase） by 48.8% to 262.1%， the amount of the nitrogen-related compound L-leucine-7-amido-4-methyl coumarin by 59.3% to 125.0%， and the activity of a phosphorus-related enzyme （alkaline phosphatase） by 312.0% to 435.9%. Compared with the WF treatment， all of the tobacco-green manure rotation treatments resulted in reduced microbial carbon limitation， but increased microbial phosphorus limitation. In conclusion， rotation of tobacco with smooth vetch and radish increased tobacco yield and improved soil quality in the tobacco field. These rotations proved to be effective methods to achieve clean tobacco production and sustainable soil management in the tobacco fields of Yunnan Province.

Key words: tobacco and green manure rotation, tobacco yield, soil quality, enzyme stoichiometric ratio, microbial nutrient limitation

赵文军, 刘蕊, 王正旭, 冯瑜, 薛开政, 刘魁, 徐梓荷, 曹卫东, 付利波, 尹梅, 陈华. 烤烟-绿肥轮作对云南烟田土壤质量与微生物养分限制的影响[J]. 草业学报, 2024, 33(10): 147-158.

Wen-jun ZHAO, Rui LIU, Zheng-xu WANG, Yu FENG, Kai-zheng XUE, Kui LIU, Zi-he XU, Wei-dong CAO, Li-bo FU, Mei YIN, Hua CHEN. Effects of rotation with a green manure crop on soil quality and microbial nutrient limitation in a tobacco field in Yunnan[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(10): 147-158.

图/表 8

图1 不同处理烟叶产量WF：冬闲-烤烟轮作； RD：肥田萝卜-烤烟轮作；SV：光叶苕子-烤烟轮作；RG：黑麦草-烤烟轮作，不同字母表示不同处理间差异显著（P<0.05），下同。WF： Winter follow-tobacco rotation； RD： Radish-tobacco rotation； SV： Smooth vetch-tobacco rotation； RG： Ryegrass-tobacco rotation， different letters indicate significant differences among different treatments （P<0.05）， the same below.

Fig.1 Tobacco yield in different treatments

表1 不同处理下耕层土壤化学性状

Table 1 Soil chemical properties in different treatments

项目 Item	处理 Treatment	pH 值 pH value	有机质 Organic matter （SOM， g·kg^-1）	全氮 Total nitrogen （TN， g·kg^-1）	全磷 Total phosphorus （TP， g·kg^-1）	全钾 Total potassium （TK， g·kg^-1）	有效磷 Available phosphorus （AP， mg·kg^-1）	速效钾 Available potassium （AK， mg·kg^-1）
2019	WF	6.79±0.06a	17.61±1.61a	1.27±0.16a	1.64±0.19a	9.64±0.35a	32.84±2.12a	144.5±13.7a
	RD	6.79±0.14a	17.03±0.46a	1.25±0.05a	1.59±0.06a	9.52±0.31a	36.16±2.43a	128.2±8.8a
	SV	6.94±0.10a	17.32±2.36a	1.26±0.14a	1.56±0.06a	9.01±0.64a	32.56±2.76a	152.2±12.8a
	RG	6.93±0.07a	18.20±3.26a	1.15±0.13a	1.54±0.04a	9.51±0.62a	33.42±3.03a	144.0±9.2a
2022	WF	6.06±0.05a	20.21±0.11b	1.43±0.01a	1.66±0.03a	9.83±0.37a	42.79±5.56ab	265.0±33.4b
	RD	6.26±0.08a	20.66±0.40b	1.47±0.05a	1.57±0.05a	9.95±1.51a	43.08±2.30ab	320.0±40.8b
	SV	6.29±0.24a	21.52±0.26ab	1.47±0.01a	1.28±0.01b	10.07±2.08a	39.79±2.39b	326.7±73.6b
	RG	6.17±0.04a	22.17±0.91a	1.41±0.01a	1.44±0.05a	8.47±0.15a	52.98±8.26a	460.0±46.4a
增幅 Increase （%）	WF	-10.7±0.8a	14.8±0.6b	12.6±0.5b	1.3±1.9a	1.9±3.8a	30.3±16.9b	83.4±23.1b
	RD	-7.9±1.2a	21.3±2.4a	17.6±3.6b	-1.2±3.0a	4.4±15.9a	19.1±6.4b	149.6±31.9ab
	SV	-9.5±3.5a	24.2±1.5a	16.7±1.1b	-17.7±0.8c	11.7±23.1a	22.2±7.3b	114.6±48.4b
	RG	-11.0±0.6a	21.8±5.0ab	22.6±1.3a	-6.6±3.3b	-11.0±1.5b	58.5±24.7a	219.5±32.2a

图2 土壤化学性状及土壤质量面积指数pH： pH值； SOM：有机质；TN：全氮；TP：全磷；TK：全钾；AP：有效磷；AK：速效钾；DOC：可溶性有机碳；DON：可溶性有机氮；NH4+-N：铵态氮；NO3--N：硝态氮。下同。pH： pH value； SOM： Soil organic matter； TN： Total nitrogen； TP： Total phosphorus； TK： Total potassium； AP： Available phosphorus； AK： Available potassium； DOC： Dissolved organic carbon； DON： Dissolved organic nitrogen； NH4+-N： Ammonium nitrogen； NO3--N： Nitrate nitrogen. The same below.

Fig.2 Soil chemical properties and soil quality area index in different treatments

表2 不同轮作处理土壤水解酶活性

Table 2 Hydrolase enzyme activities in soils under different treatments （nmol·h-1·g-1）

处理 Treat-ment	碳相关酶活性 C-related enzyme activities				氮相关酶活性 N-related enzyme activities		磷相关酶活性P-related enzyme activities
处理 Treat-ment	β-葡萄糖苷酶 β-glucosidase （BG）	β-纤维二糖苷酶 β-cellobiosidase （CB）	β-木糖苷酶 β-xylosidase （XYL）	α-葡萄糖苷酶 α-glucosidase （AG）	乙酰氨基葡萄糖苷酶 N-acetylglucosaminidase （NAG）	亮氨酸氨基肽酶 L-leucine-7-amido-4-methyl coumarin （LAP）	碱性磷酸酶 Alkaline phosphatase （AKP）
WF	25.95±1.39b	4.37±1.30a	11.80±2.46c	1.23±0.15c	14.58±1.73a	10.30±1.44c	40.19±5.74c
RD	47.78±7.15a	3.71±0.62a	14.22±0.83bc	1.47±0.16c	16.15±0.35a	16.41±1.82b	165.60±5.06b
SV	44.90±2.01a	4.33±1.62a	28.62±0.62a	2.89±0.64b	13.92±2.61a	23.18±0.37a	189.40±26.61ab
RG	43.24±7.37a	4.37±0.62a	17.57±2.10b	4.45±0.53a	12.83±2.24a	20.17±0.48ab	215.39±36.32a

图3 土壤酶活性化学计量比

Fig.3 Soil enzyme activities stoichiometric ratios

图4 矢量长度、矢量角度及其相关关系

Fig.4 Vector length， vector angle and their correlation

图5 土壤化学性状与酶活性间相关性分析pH： pH值； SOM：有机质；TN：全氮；TP：全磷；TK：全钾；C/N：有机碳/全氮含量比值；C/P：有机碳/全磷含量比值；N/P：全氮/全磷含量比值；AP：有效磷；AK：速效钾；DOC：可溶性有机碳；DON：可溶性有机氮；NH4+-N：铵态氮；NO3--N：硝态氮； BG： β-葡萄糖苷酶； CB： β-纤维二糖苷酶； XYL： β-木糖苷酶； AG： α-葡萄糖苷酶； NAG：乙酰氨基葡萄糖苷酶； LAP：亮氨酸氨基肽酶； AKP：碱性磷酸酶；Length：矢量长度；Angle：矢量角度。下同。pH： pH value； SOM： Soil organic matter； TN： Total nitrogen； TP： Total phosphorus； TK： Total potassium； C/N： The ratio of soil organic carbon/total nitrogen； C/P： The ratio of soil organic carbon/total phosphorus； N/P： The ratio of total nitrogen/total phosphorus； AP： available phosphorus； AK： Available potassium； DOC： Dissolved organic carbon； DON： Dissolved organic nitrogen； NH4+-N： Ammonium； NO3--N： Nitrate， BG： β-glucosidase； CB： β- cellobiosidase； XYL： β-xylosidase； AG： α-glucosidase； NAG： N-acetylglucosaminidase； LAP： L-leucine-7-amido-4-methylcoumarin； AKP： Alkaline phosphatase； Length： Vector length； Angle： Vector angle. The same below.

Fig.5 The correlation analysis between soil chemical properties and enzyme activities

图6 矢量长度、矢量角度、土壤化学性状和烟草产量间Mantel分析Yield：烟草产量Tobacco yield.

Fig.6 Mantel analysis between vector length， vector angle， soil chemical properties and tobacco yield

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烤烟-绿肥轮作对云南烟田土壤质量与微生物养分限制的影响

Effects of rotation with a green manure crop on soil quality and microbial nutrient limitation in a tobacco field in Yunnan

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图/表 8

参考文献 38

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