粉壟深度對山地黃壤理化特性和烤煙養分利用效率的影響

張敏，粟戈璇，彭曙光，劉勇軍，周米良，田峰，張明發，鄧小華，*，陳金

（1 湖南農業大學農學院，長沙 410128；2 湖南省教育科學研究院，長沙 410005；3 中國煙草中南農業試驗站，湖南長沙 410004；4 湖南省煙草公司湘西自治州公司，吉首416000）

土壤是作物賴以生存的重要載體。土壤耕翻可有效促進土壤水、肥、氣、熱的協調，促進作物對資源的高效利用，確保作物持續高產穩產［1，2］。山區土壤耕層變淺、通透性變差、蓄水保肥能力下降等問題與長期采用小型臥式旋耕機械作業有關，已成為作物生產的制約因子之一［3］。粉壟作為一種立式旋耕方式，利用垂直螺旋型專用機械的鉆頭快速擾動土壤，使其耕翻懸浮成壟而不破壞土層，既具有翻耕的深松作用，同時具有旋耕后土壤疏松、土粒粉碎均勻的特點［4］，已在甘蔗［5］、水稻［6］、馬鈴薯［7］、玉米［8］、小麥［9］等作物上得到應用，但在烤煙生產上應用較少。為進一步提高山區土壤質量，充分發揮耕作方式在土壤改良方面的作用，筆者研究了粉壟深度對山地黃壤理化特性和養分利用效率的影響，以為山區土壤保育技術發展和粉壟技術的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年在湖南省湘西自治州煙草公司科技示范園進行。試驗地位于28.53°N和109.45°E，海拔530 m，年日照時數1 219 h，年平均氣溫15.0℃，年降水量1 364 mm，無霜期279 d，屬亞熱帶季風山地濕潤氣候［10］。試驗地前茬為玉米，黃壤土，含有機質16.70 g／kg、堿解氮57.46 mg／kg、有效磷14.71 mg／kg、速效鉀90.87 mg／kg，pH 5.04。石灰為市售熟石灰，粉壟機械由廠家提供，旋耕機、微型起壟機由合作社提供。

1.2 試驗設計

試驗設4個處理：T1.粉壟深度50 cm；T2.粉壟深度40 cm；T3.粉壟深度30 cm；CK.常規耕作，旋耕深度16 cm。3次重復，小區面積100 m2。在烤煙移栽前10 d，均勻撒施石灰（用量為1 500 kg／hm2），然后按試驗設計完成土壤翻耕與起壟。粉壟采用4根垂直軸旋磨細碎土壤，常規耕作采用小型拖拉機帶旋耕機旋耕作業。微型起壟機起壟，壟幅120 cm，壟高30 cm。烤煙品種云煙87，種植密度16 650株／hm2（1.2 m×0.5 m）。烤煙氮、磷、鉀施用量分別為109.5、139.0、300.0 kg／hm2。4月下旬移栽，7月上旬打頂（留葉16～18片），參照湘西自治州優質烤煙生產技術規程進行田間管理。

1.3 主要檢測指標及方法

（1）土壤檢測。翻耕前及烤煙移栽后的第30、60、90、120 d，采集0～20 cm壟體層土壤，每小區選擇5個點制成混合土樣。土壤pH采用電位法測定［11］；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定［11］；土壤堿解氮、有效磷和速效鉀分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法和醋酸銨浸提火焰光度法測定［11］；土壤容重和孔隙度采用環刀法測定［11］。

（2）土壤垂直pH測定。翻耕前（FT）及烤煙移栽后30 d，用土壤原位取樣器每小區鉆取3個50 cm深的土柱，分段采集0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm的土壤用于測定土壤垂直pH值。

（3）氮磷鉀養分利用效率。烤煙移栽后70 d，每小區選擇長勢均勻一致的5棵煙株，挖取樣株，用清水沖洗干凈。將樣株的根、莖、葉片分別收集，于恒溫箱105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重。采用H2SO4—H2O2法消煮干樣，分別采用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法、火焰光度法測定植株N、P、K含量［12］。計算公式：

單位面積N（P、K）積累量（kg／hm2）＝煙株（器官）含N（P、K）量（%）×煙株（器官）干物質量（g）×種植密度／1000；

N（P、K）養分吸收效率（FAE，%）＝單位面積煙株N（P、K）積累量／單位面積施N（P、K）量×100；

N（P、K）養分利用效率（FUE，kg／kg）＝單位面積煙葉干物質量／單位面積施N（P、K）量；

N（P、K）煙葉生產效率（LPE，kg／kg）＝單位面積煙葉干物質量／單位面積煙株N（P、K）素積累總量；

N（P、K）收獲指數（HI，%）＝單位面積煙葉中的N（P、K）積累量／單位面積煙株N（P、K）積累量×100。

1.4 統計分析方法

采用Microsoft Excel 2003和SPSS17.0進行數據處理、統計分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 粉壟對植煙土壤物理性狀的影響

2.1.1 土壤容重

土壤容重是土壤質量評價的重要指標，影響土壤通透性、保肥保水能力及微生物的數量和活性［13］。由圖1可知，隨烤煙生育進程推進，植煙土壤容重逐漸增加；粉壟處理（T1、T2、T3）的土壤容重顯著低于傳統耕作（CK）。在烤煙移栽后30 d，T1、T2、T3處理的土壤容重較CK分別降低了7.7%、8.5%、10.0%；移栽60 d后，T1、T2、T3處理的土壤容重較CK分別降低了10.9%、12.3%、13.0%；移栽90 d后，T1、T2、T3處理的土壤容重較CK分別降低了10.0%、10.7%、11.4%；移栽120 d后，T1、T2、T3處理的土壤容重較CK 分別降低了9.2%、9.9%、9.9%。

圖1 植煙土壤容重動態變化Fig.1 Dynamic changes of tobacco-planting soil bulk density

2.1.2 土壤孔隙度

土壤孔隙是水分、養分、空氣和微生物等的貯存庫、傳輸通道和活動空間，與土壤通氣性和持水性緊密相關，反映土壤涵養水源、吸持水分及保障氣體暢通的能力［13］。由圖2可知，隨烤煙生育進程的推進，植煙土壤孔隙度會逐漸降低；粉壟處理（T1、T2、T3）土壤孔隙度顯著高于傳統耕作（CK）。烤煙移栽后30 d，T2、T3處理土壤孔隙度顯著高于T1，可能是因為T1處理攪動了底土層。在烤煙移栽后30 d，T1、T2、T3處理的土壤孔隙度較CK分別提高了9.0%、14.5%、15.7%；移栽60 d后，T1、T2、T3處理的土壤孔隙度較CK分別提高了10.7%、11.6%、12.4%；移栽90 d后，T1、T2、T3處理的土壤孔隙度較CK分別提高了11.6%、13.3%、12.2%；移栽120 d后，T1、T2、T3處理的土壤孔隙度較CK分別提高了14.4%、14.2%、14.6%。

圖2 植煙土壤孔隙度動態變化Fig.2 Dynamic changes of tobacco-planting soil porosity

2.2 粉壟對植煙土壤p H的影響

2.2.1 pH動態變化

由圖3可知，不同處理的土壤pH差異不顯著。烤煙移栽后30、60、90、120 d，土壤pH較本底值（5.0）分別提高了32.9%～37.0%、25.4%～29.8%、8.3%～10.9%、3.7%～7.8%。可見，隨烤煙生育進程，植煙土壤pH會有所下降，特別是移栽后90～120 d，土壤pH下降較多，這可能是施用石灰造成的［14，15］。

圖3 植煙土壤p H動態變化Fig.3 Dynamic changes of tobacco-planting soil p H

2.2.2 pH垂直變化

由圖4可知，T1、T2、T3、CK、FT土壤的pH垂直變化范圍分別為6.1～6.7、4.9～6.8、4.6～6.8、4.7～6.9、4.6～5.0。T1的0～50 cm土壤pH均在6.0以上，T2的0～40 cm土壤pH在6.0以上，T3的0～30 cm土壤pH在6.0以上，CK的0～20 cm土壤pH在6.0以上，FT的0～50 cm土壤pH均在6.0以下。在0～20 cm，T1、T2、T3、CK的土壤pH差異不顯著，但顯著高于FT；在20～30 cm，T1、T2、T3的土壤pH差異不顯著，但顯著高于CK、FT，CK土壤pH也顯著高于FT；在30～40 cm，T1、T2的土壤pH差異不顯著，但顯著高于T3、CK、FT，T3土壤pH也顯著高于CK、FT；在40～50 cm，T1的土壤pH顯著高于T2、T3、CK、FT，但T2、T3、CK、FT差異不顯著。表明粉壟有利于石灰等調酸劑充分與土壤混勻，可提高土壤調酸效果。

圖4 植煙土壤p H垂直變化Fig.4 Vertical changes of tobacco-planting soil pH

2.3 粉壟對植煙土壤養分的影響

2.3.1 有機質

土壤有機質含量是耕地土壤基礎肥力的重要指標，與土壤結構性、吸附性、通透性、滲透性等緊密相關［13］。由圖5可知，隨烤煙生育進程的推進，植煙土壤有機質含量先升后降；粉壟處理以移栽后90 d土壤有機質含量最高，傳統耕作則以移栽后60 d的土壤有機質含量最高；不同旋耕深度的土壤有機質含量差異不顯著，但粉壟處理的土壤有機質含量顯著高于傳統耕作（CK），烤煙移栽后30、60、90、120 d，粉壟處理（T1、T2、T3）土壤有機質含量較CK分別提高了1.0%～9.6%、15.0%～29.4%、14.1%～20.0%、22.7%～36.7%。結果表明，粉壟可提高土壤有機質含量。

圖5 植煙土壤有機質含量動態變化Fig.5 Dynamic changes of organic matter contents in tobacco-planting soil

2.3.2 堿解氮

土壤氮含量高低和氮供應能力大小決定了農作物的生長發育和耕地的生產潛力［16］。由圖6可知，隨烤煙生育進程的推進，植煙土壤堿解氮含量逐漸下降。烤煙移栽30 d后，T2、T3處理的土壤堿解氮含量顯著高于T1、CK；烤煙移栽后60、90、120 d，粉壟處理（T1、T2、T3）的土壤堿解氮含量顯著高于傳統耕作（CK）。

2.3.3 有效磷

磷是作物生長發育和優質穩產必需的大量元素，作物獲得的磷主要來自土壤磷庫。烤煙種植殘留磷較多，表層土壤有效磷含量遠高于底層土壤［17］。由圖7可知，烤煙移栽后30 d，粉壟40～50 cm的土壤有效磷含量相對較低，是因為粉壟將部分底層土壤翻上了表土層；移栽后90、120 d，粉壟30～40 cm的土壤有效磷含量相對較高，是因為粉壟活化了土壤難溶性磷［4］。因此，適當控制粉壟深度，有利于提高土壤有效磷含量。

圖7 植煙土壤有效磷含量動態變化Fig.7 Dynamic changes of available phosphorus contents in tobacco-planting soil

2.3.4 速效鉀

烤煙是喜鉀作物，種植烤煙需大量施用鉀肥，耕作層土壤殘留的鉀遠高于底層土壤［17］。由圖8可知，烤煙移栽后30 d，粉壟的土壤速效鉀含量顯著高于CK，且隨粉壟深度增加（T3至T1），土壤速效鉀含量降低。烤煙移栽后60、90、120 d，T2、T3處理的土壤速效鉀含量顯著高于T1、CK。可見，粉壟有利于提高土壤速效鉀含量。

圖8 植煙土壤速效鉀含量動態變化Fig.8 Dynamic changes of available potassium contents in tobacco-planting soil

2.4 粉壟對養分利用效率的影響

（N、P、K）-FAE、（N、P、K）-HI、（N、P、K）-FUE、（N、P、K）-LPE從不同的角度描述了烤煙對氮肥、磷肥、鉀肥的利用效率。

從氮肥生產效率看，粉壟處理（T1、T2、T3）的N-FAE、N-FUE顯著高于CK。從氮素利用效率看，不同處理的N-HI差異不顯著；T2、CK的NLPE顯著高于T1、T3（表1）。說明粉壟可提高氮肥生產效率。

從磷肥生產效率看，粉壟處理（T1、T2、T3）的P-FAE、P-FUE顯著高于CK，隨粉壟深度增加（T3至T1），P-FAE、P-FUE增加。從磷素利用效率看，粉壟處理（T1、T2、T3）的P-LPE顯著低于CK；P-HI以T3最高，其次是CK，T1、T2相對較低（表1）。說明粉壟可提高磷肥的生產效率，但粉壟40～50 cm的磷素利用在移栽后60 d反而較低，說明適宜的粉壟深度可提高磷素的利用效率。

從鉀肥生產效率看，粉壟處理（T1、T2、T3）的K-FAE、K-FUE顯著高于CK，隨粉壟深度增加（T3至T1），K-FAE、K-FUE增加。從鉀素利用效率看，粉壟處理（T1、T2、T3）的K-LPE顯著低于CK；T3、CK的K-HI顯著高于T1、T2（表1）。可見，粉壟可提高鉀肥的利用效率，但粉壟40～50 cm的鉀素利用效率在移栽60 d后較低，可能與其根系發達積累鉀素比例較大有關。

表1 不同處理的N、P、K養分利用效率Table 1 Nutrient utilization efficiency of N，P and K in different treatments

3 討論

土壤物理特性是土壤功能的重要指標之一，受耕作方式的影響顯著［18］。有研究表明，粉壟可降低土壤容重、提高土壤孔隙度，改善土壤耕層物理特性。主要原因是粉壟耕作方式不同于傳統耕作：傳統耕作是水平安裝的臥式旋耕機，只對土壤進行耕翻；而粉壟采用立式螺旋形鉆頭（4根鉆頭轉軸垂直于被耕地面）切削、捶打、撞擊、擠壓土壤，將土壤垂直旋磨、粉碎并自然懸浮成壟，土壤顆粒更細。因此，粉壟可實現深耕、深松、碎土［4，19］，改善土壤環境，從而為作物根系生長發育提供良好的條件。

土壤養分是土壤基礎肥力的重要物質基礎，是土壤理化性狀和生物學特性的綜合反映，直接影響土壤生產力的高低，受耕作方式的影響顯著［13］。合理的土壤耕作可改善土壤耕層結構，提高土壤質量，減少土壤中養分和水分的流失［20］。但不合理的耕作方式易導致農田耕作層變淺和養分流失，嚴重阻礙作物根系生長和產量提升［21］。本試驗的土壤為冬閑地，雜草生物量大，粉壟可將雜草殘茬粉碎并與土壤混勻，增加了土壤通透性，有利于土壤微生物活動和雜草殘茬腐解，從而提高了土壤有機質含量。粉壟后土壤更細碎，孔隙度增大，有利于土壤吸附氮、磷、鉀養分，可減少肥料流失；粉壟過程中的機械摩擦和土壤環境條件的改善，可促進土壤中固定的P、K重新釋放出來，可激發土壤有效養分［4，19］，從而提高土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量。

酸性土壤改良劑施用效果是否理想，與改良劑是否與土壤攪拌均勻有關［22-24］。有研究表明，粉壟在粉碎土壤的同時，可將石灰等調酸劑與土壤充分混勻，從而更有利于提高土壤pH值。本研究中，石灰施用量較傳統酸性土壤改良的石灰施用量大，所以可在短時間內（30 d左右）提高土壤的pH約2個單位，但由于土壤的緩沖作用，至烤煙收獲時，土壤pH值下降。粉壟的垂直鉆頭在粉碎土壤的同時，由于振動作用，可將部分石灰帶至20 cm以下的土層，從而實現表層土壤與表下層土壤的同步改良。所以，粉壟不僅有利于提高土壤改良劑在表層土壤的作用，還有利于表下層土壤的改良，提高石灰改良酸性土壤的效果。

4 結論

山地植煙土壤采用粉壟結合施用石灰，降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，提高了土壤pH均勻度，有利于酸性土壤改良。粉壟可提高土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，提高土壤養分的有效性和氮磷鉀肥料的生產效率，從而為優質烤煙生產提供良好的土壤環境。