垂直深旋耕配施改土物料改良酸性土壤并提高煙草種植效益研究

鄧小華 ，鄧永晟，劉勇軍 *，彭德元，王振華，符昌武，章程，胡慶輝，陳金，李源環

1 湖南農業大學農學院，長沙 410128；2 中國煙草中南農業試驗站，長沙 410128；3 湖南省煙草公司張家界市公司，湖南張家界 427000；4 浙江中煙工業有限責任公司，杭州 310008

大田作物生產的前提是擁有良好的土壤。山地土壤酸化、有機質低、耕層淺等問題，已成為作物增產提質的限制因子[1-2]。酸性土壤改良常用石灰[3]、煤炭灰[4]、堿渣[5]等堿性無機改良劑直接中和酸度，但長期和大量施用這些無機改良劑會導致土壤板結和土壤鎂、鉀缺乏以及土壤磷有效性下降[6-7]。將無機改良劑與有機肥[8]、秸稈[9]、農林廢棄物[10]、種植綠肥[6,11]等有機改良劑配合施用，可同時實現土壤酸度改良與土壤肥力提升。有機和無機改良劑配合施用雖能表現出良好的互補性，但改良劑在土壤中的移動性差，僅能對15～20 cm 以上表層土壤中和酸度和提升肥力，對20 cm 以下的表下層和底層土壤基本無效[7]，不利于深根系作物生長發育。垂直深旋耕可利用立式螺旋形鉆頭深耕、深松、碎土[12-13]，無機和有機改良劑配合組成改土物料可實現酸性土壤改良與培肥[11]，將兩者結合起來可實現表層與表下層土壤酸度改良同步、酸性土壤改良與培肥同步，但相關研究少有報道。據此，采用雙因素裂區試驗探討垂直深旋耕機械與多物料改土相結合對土壤理化性狀和烤煙根系生長、農藝性狀、經濟性狀、化學成分的影響，為山地酸性土壤可持續改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2019 年在湖南省慈利縣高峰鎮進行（29.44°N，110.92°E）。該地海拔800 m，年均氣溫16.8℃，年活動積溫5200℃，年降雨量1390 mm，無霜期268 d，年日照時數1563 h，屬亞熱帶季風山地濕潤氣候區。試驗地土壤為棕壤土，pH 5.04，有機質19.42 g/kg，堿解氮90.45 mg/kg，有效磷7.21 mg/kg，速效鉀123.55 mg/kg。烤煙品種為云煙87。石灰為市場上購買的熟石灰（主要成分氫氧化鈣），施用量2250 kg/hm2；綠肥為燕麥鮮草（全氮、全磷、全鉀含量分別為2.65%、2.34%、2.32%），施用量7500 kg/hm2；酸性生物有機肥為某商品肥，pH 6，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）= 2.0 ∶2.0 ∶4.0，有機質含量≥45%，有效活菌數≥0.5 億/g，施用量450 kg/hm2；堿性生物有機肥為蒙古羊廄肥+復合益生菌配制，pH 8，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O） = 2.0 ∶1.0 ∶2.0，有機質含量≥45%，有效活菌數≥0.2×109CFU/g，施用量450 kg/hm2。

1.2 試驗設計

試驗采用雙因素裂區設計，主區A為耕作方式，設A1為垂直深旋耕，A2為傳統耕作；副區B為改土物料，設B1為不施改土物料，B2為施用石灰，B3為石灰+綠肥，B4為石灰+綠肥+酸性生物有機肥，B5為石灰+綠肥+堿性生物有機肥。3次重復，小區面積80 m2，副區隨機排列。垂直深旋耕選用湖南田野現代智能裝備有限公司生產的可實現垂直深旋耕和起壟的一體機，該機采用4根垂直軸旋切粉碎土壤，土壤翻耕和起壟一次性作業完成，壟幅120 cm，垂直旋耕深度40 cm，壟高35 cm；該機械不打破耕作層，但可將石灰、綠肥在0～20 cm耕層攪拌均勻，同時將部分石灰滲漏至已翻耕的較深耕層。傳統耕作采用小型拖拉機帶旋耕機旋耕作業，微型機械起壟，土壤翻耕和起壟分2次作業完成，壟幅120 cm，翻耕深度15～20 cm，壟高35 cm。石灰、綠肥、有機肥施用量參照以往研究[3,6,11]。在烤煙移栽前15 d，將燕麥綠肥和石灰均勻撒施在試驗地表面，按試驗設計要求翻地和起壟。生物有機肥于移栽前與煙草專用基肥一起條施?？緹熓┑?09.5 kg/hm2，氮（N）：磷（P2O5）：鉀（K2O）比例為1 : 1.27 : 2.73，各處理氮、磷、鉀施肥含量保持一致，其中B3、B4、B5處理添加的綠肥、生物有機肥養分量通過減少基肥中復合肥施用量進行調節。烤煙種植密度為16650株/hm2（1.2 m×0.5 m）。其他栽培管理措施同張家界優質烤煙生產技術規程。

1.3 主要檢測指標及方法

（1）土壤理化特性測定：于烤煙收獲結束后，每處理選擇5 個點，在壟中間的兩煙株之間采集0～20 cm 耕層土壤，制成混合土樣。采用環刀法測定土壤容重和孔隙度[14]；土壤pH 采用電位法測定（水土比為1 ∶1）[14]；土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀分別采用重鉻酸鉀容量法、堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法、醋酸銨浸提-火焰光度法測定[14]。在移栽后30d 選擇A1B2、A1B3、A2B2、A2B3、A2B1 處理，在兩煙株之間的壟中間采用土壤原位取樣器鉆取50 cm 深的土柱（直徑7 cm），分切成0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm 的土柱用于測定土壤pH。

（2）根系形態指標測定：每個處理于烤煙移栽120d 后選擇5 株烤煙，采用植物根系取樣器在離煙株10 cm 的壟體中部和壟邊各取2 個土柱（深度20 cm，直徑10 cm）。用水浸泡土柱，使根土分離并沖洗干凈，用網篩承接根系，盡量保持根系完整。采用LA-2400 多參數根系分析系統[15]，測定根長、根表面積、根體積、根平均直徑及根尖數。

（3）烤煙生長指標調查：每個處理定5 株煙進行觀察，于移栽后60 d，按照標準《煙草農藝性狀調查測量方法》（YC/T142－2010）測定株高、莖圍、葉片數、最大葉長、最大葉寬等。葉面積=葉長×葉寬×0.6345。

（4）烤煙經濟性狀考查：每個處理單采、單烤，由分級專家分級并分別稱重后，計算上等煙比例、中等煙比例、均價、產量、產值等煙葉經濟性狀。

（5）煙葉化學成分測定：各處理選取具有代表性的C3F 等級煙葉，采用荷蘭SKALARSan++間隔流動分析儀[16]測定總糖、還原糖、煙堿、總氮、氯含量，火焰光度法測定煙葉鉀含量。

1.4 數據處理

采用SPSS 20.0 軟件中Analyze 菜單里的General Linear Model 的Univariate 命令進行裂區統計分析。新復極差法進行多重比較，英文小寫字母表示差異在0.05 水平，英文大寫字母表示差異在0.01 水平。當方差分析檢定為顯著性差異時，同時引入pEta2值[17-18]，其大小用來比較耕作方式（A）、改土物料種類（B）及其互作（A×B）對評價指標的影響大小。

2 結果與分析

2.1 耕層土壤pH 垂直變化

由圖1 可知，從深度0～50 cm 土柱看，隨土柱深度增加，土壤pH 下降；A1B3、A2B3、A1B2、A2B2、A2B1 土 柱 的pH 變 化 分 別 為6.44～5.28、6.32～4.95、6.43～5.24、6.30～5.06、5.06～4.92，其土柱pH 極差值分別為1.16、1.37、1.19、1.24、0.14，其變異系數分別為10.45%、15.94%、9.85%、13.43%、4.31%；垂直深旋耕配施改土物料處理（A1B3、A1B2）土柱的土壤pH 極差、變異系數小于傳統耕作配施改土物料處理（A2B3、A2B2），說明垂直深旋耕有利于提高改土物料在土壤中的均勻度，主要是立式螺旋形鉆頭切削土壤，有利于石灰、綠肥與耕作層土壤的充分混勻。從不同處理看，在同一個深度，“綠肥+石灰”（A1B3、A2B3）處理與“石灰”處理（A1B2、A2B2）的土壤pH 差異不顯著，但它們的pH 均顯著高于A2B1 處理；在0～20 cm，垂直深旋耕處理的土壤pH 與傳統耕作差異不顯著，但在20～50 cm，垂直深旋耕處理的土壤pH 顯著高于傳統耕作，主要是由于垂直深旋耕加深耕層，使部分石灰滲漏至較深土層?？梢?，垂直深旋耕加深了耕作層，可提高土壤調酸效果，特別是有利于表下層土壤酸度的改良。

圖1 土壤pH 垂直變化Fig.1 Vertical change of tobacco-planting soil pH

2.2 對土壤理化特性的影響

由表1 可知，從不同耕作方式看，垂直深旋耕可降低土壤容重，顯著或極顯著提高土壤孔隙度和pH，提高土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量。從不同改土物料看，單施石灰可提高土壤pH，提高有機質、有效磷、速效鉀含量，對土壤容重、孔隙度、堿解氮沒有顯著影響；石灰+綠肥處理可降低土壤容重，提高土壤pH，提高土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量；B4、B5（“石灰+綠肥+生物有機肥”）處理可降低土壤容重，提高土壤孔隙度和pH，提高土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量；施用堿性生物有機肥（B5）較酸性有機肥（B4）更有利于提高土壤pH。從耕作方式和改土物料組合看，A1B5、A1B4、A1B3對土壤容重、孔隙度等物理特性改良效果較好；A1B5對提高土壤pH 的效果較好；A1B5、A1B4 對提高土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀的改良效果較好。從不同因子的效應量估算值（pEta2）看，耕作方式（pEta2平均值為0.969）對土壤理化特性的影響最大，其次是改土物料（pEta2平均值為0.931），兩者的互作（pEta2平均值為0.652）影響相對較小。從對不同土壤理化特性指標的效應量估算值看（處理間差異顯著，pEta2值相對較大），耕作方式對土壤容重、土壤孔隙度、土壤堿解氮、土壤速效鉀的影響較大，改土物料對土壤pH、土壤有機質、土壤有效磷、土壤速效鉀影響較大，但兩者互作（A×B）對土壤速效鉀、土壤pH 的影響較大?？梢姡寥览砘匦灾饕芨鞣绞胶透耐廖锪系挠绊?，也受其互作的影響，以“垂直深旋耕+石灰+綠肥+生物有機肥”和“垂直深旋耕+石灰+綠肥”的處理有利于酸性土壤改良。

2.3 對烤煙根系的影響

由表2 可知，從耕作方式看，A1 較A2 可顯著提高烤煙根系長度、表面積、體積和根尖數，但不同耕作方式的根系平均直徑差異不顯著。從不同改土物料看，B5 的烤煙根系長度、表面積、體積和根尖數最高；B4 與B3 的烤煙根系形態指標差異不顯著，但它們均顯著高于B2 和B1（根系平均直徑除外）；B2 的烤煙根系長度和根系表面積顯著高于B1。從耕作方式和改土物料組合看，A1B5 的烤煙根系形態指標值最高，其次是A1B4、A1B3、A2B5，A2B1、A1B1 相對較差。從不同因子的pEta2看，A（pEta2平均值為0.743）對烤煙根系形態指標的影響最大，其次是A×B（pEta2平均值為0.501）的影響，B（pEta2平均值為0.318）對烤煙根系形態指標的影響相對較??；耕作方式和改土物料對烤煙平均直徑的影響相對較小?？梢?，烤煙根系主要受耕作方式的影響，其次是耕作方式與改土物料互作；總體上看，以“垂直深旋耕+石灰+綠肥+堿性生物有機肥”的處理更有利于烤煙根系發育，其次是以“垂直深旋耕+石灰+綠肥+酸性生物有機肥”和“垂直深旋耕+石灰+綠肥”的處理。

表2 不同處理對烤煙根系形態指標的影響Tab. 2 Effects of different treats on root morphological index

2.4 對烤煙農藝性狀的影響

由表3 可知，A1 的株高、葉片數、葉長、葉寬、葉面積顯著高于A2，但莖圍顯著低于A2。從不同改土物料看，株高以B3 最高，B3、B4 的株高顯著高于B1；莖圍以B5 最大，B5、B2 的莖圍顯著大于B1；葉片數差異不顯著；葉長以B4 最大，B2、B4 的葉長顯著大于B1；葉寬和葉面積以B4 最大，B4、B5 的葉寬顯著大于B1。從耕作方式和改土物料組合看，A1B3、A1B4、A1B5 的株高相對較高，A2B5、A2B2 的莖圍相對較大，A1B2、A1B3、A1B5、A2B4 的葉片數相對較多，A1B4 的葉長、葉寬和葉面積相對較大。從不同因子的pEta2看，A 對烤煙農藝性狀影響最大，B 對烤煙株高、莖圍和葉長的影響要大于A×B，但對葉片數、葉寬、葉面積的影響要小于A×B，A 和B 對烤煙莖圍的影響相對較小?？傮w上看，以“垂直深旋耕+石灰+綠肥+酸性生物有機肥”的處理更有利于烤煙地上部生長，其次是以“垂直深旋耕+石灰+綠肥+堿性生物有機肥”和“垂直深旋耕+石灰+綠肥”的處理。

表3 不同處理對烤煙農藝性狀的影響Tab. 3 Effects of different treats on agronomic characters of flue-cured tobacco

2.5 對烤煙經濟性狀的影響

由表4 可知，A1 的均價、產量、產值顯著高于A2，但不同耕作方式的上等煙比例差異不顯著。從不同改土物料看，B3、B4、B5 的上等煙比例、上中等煙比例、均價、產量、產值差異不顯著，但它們顯著高于B1、B2；B2 的上等煙比例、上中等煙比例、產量、產值顯著高于B1。從耕作方式和改土物料 組 合 看，A1B3、A1B4、A1B5、A2B3、A2B4、A2B5 的上等煙比例、上中等煙比例、均價相對較高，A1B3、A1B4、A1B5 的產量和產值相對較高。從不同因子的pEta2看，A 對上中等煙比例、均價、產量、產值的影響較大，B 對上等煙比例影響最大，A×B對烤煙經濟性狀的影響相對較小。可見，改土物料主要影響質量指標，耕作方式主要影響產量和產值指標；總體上看，以“垂直深旋耕+石灰+綠肥+酸性生物有機肥” 處理的烤煙經濟性狀最好，其次是以“垂直深旋耕+石灰+綠肥+堿性生物有機肥”和“垂直深旋耕+石灰+綠肥”的處理。

表4 不同處理對烤煙經濟性狀的影響Tab. 4 Effects of different treats on economic characters of flue-cured tobacco

2.6 對烤煙化學成分的影響

由表5 可知，A1 的總糖、氯含量顯著高于A2，但總氮含量顯著低于A2。從不同改土物料看，B3、B4、B5 的總糖、還原糖、鉀含量相對較高，但總氮含量相對較低。從耕作方式和改土物料組合看，A1B3、A1B4、A1B5、A2B5 的總糖、還原糖含量相對較高，A1B1、A2B1 的總氮含量相對較高，A1B5的鉀含量相對較高，A1B3、A1B4 的氯含量相對較高（在適宜范圍內）。從不同因子的pEta2看，耕作方式對總糖、總氮和氯的影響較大，改土物料對總糖、還原糖、總氮和鉀的影響較大，兩者互作（A×B）對煙葉鉀的影響最大?？梢姡耐廖锪蠈熑~化學成分的影響最大，耕作方式和改土物料及其互作對煙葉的煙堿含量影響相對較小。

表5 不同處理對煙葉化學成分的影響Tab. 5 Effects of different treats on chemical component of flue-cured tobacco

3 討論

我國傳統耕作深度一般在20 cm 以內，長期不變的深度不僅會導致耕層土壤的活土層變淺，而且在耕作層和心土層之間會形成一層堅硬的犁底層[19-20]，阻礙耕作層與心土層的水、肥、氣、熱交換，導致地力下降，影響烤煙根系下扎，容易引起烤煙早衰和煙葉不耐熟，造成烤煙產量和質量不穩定，降低煙葉質量和煙農收入。垂直深旋耕作為一種新型的耕作方式，采用鉆頭轉軸垂直于被耕地面的立式螺旋形鉆頭快速擾動土壤，實現深耕、深松、碎土等深旋耕作業[12-13]，其機械包括垂直深旋耕機和起壟機械兩大部分，實現深耕和起壟一次作業完成。本研究結果表明，山地植煙土壤采用垂直深旋耕方式，能降低土壤容重，提高土壤孔隙度，提升土壤肥力，改善土壤耕層質量，有利于烤煙根系發育，促進烤煙生長，提高烤煙產量和產值，這與韋本輝[13,20]、張緒成[21]、聶勝委[22]等人在其他作物上研究結論是一致的。因此，垂直深旋耕在煙草上應用具有一定發展前景。

表層與表下層土壤酸度的同步改良是酸化土壤改良需要重點解決的科學問題[7]。目前酸性土壤改良效果不甚理想，主要是改良劑較難散布在土壤表下層。雖然施用堿渣可以同時改良表層和表下層土壤酸度[23]（主要機制是堿渣中的硫酸根和氯離子促進了鈣離子和鎂離子等鹽基陽離子在土壤剖面中遷移），但堿渣的長期施用會造成土壤二次污染。本研究采用垂直深旋耕機械，旋耕深度達到40 cm，加上起壟高度，疏松土壤層可達50～60 cm。垂直深旋耕不同于一般耕翻機械，不會將耕作層土壤完全打亂，但可將0～40 cm 土壤細碎，特別是有利于綠肥、石灰等改良劑與0～20 cm 土壤充分混勻，同時可將部分石灰滲漏至20 cm 以下土壤層，實現全耕層土壤酸度改良。因此，采用垂直深旋耕作業，應用石灰這類粉劑改良劑時要適當加大施用量，以提高改良劑的效果。

改良酸性土壤與提升土壤肥力同步是可持續改良土壤需要重點研究的問題。土壤具有酸堿緩沖特性，提高有機質可增強土壤緩沖pH 值變化的能力[24]。土壤酸化還伴隨著土壤肥力退化、養分缺乏和不平衡[7]。單施石灰等無機改良劑能短暫提高土壤pH，不能可持續解決土壤酸度[3,7,25-26]，以及酸性土壤肥力低和養分缺乏等問題。將石灰等無機改良劑與有機肥[8]、農業廢棄物[10]、秸稈生物質炭[27]按一定的比例配合施用，特別是采用石灰、綠肥、生物有機肥綜合協同改良酸性土壤[6,11]，不僅可以提高土壤pH，還能提高土壤對酸堿緩沖能力，提高土壤肥力，保持土壤養分平衡，實現酸性土壤改良與肥力提升同步。但是，作物秸稈或綠肥或有機肥等有機土壤改良劑如何均勻參配并分布在土壤耕層，一直是研究者在思考的問題。本研究采用垂直深旋耕機械，利用高速垂直旋轉鉆頭的切削和粉碎土壤[12-13]，較好地解決了無機、有機改良劑在表土耕層均勻分布問題，有利于酸性土壤改良與土壤肥力提升同步。石灰這類粉劑改良劑可通過滲漏至表下層土壤，但綠肥、秸稈這類改良劑如何分布在表下層土壤，實現表土層與表下層土壤同步改良與培肥，還有待對機械的鉆頭進一步改進。

傳統耕作A2 處理的耕深為10～15 cm，綠肥雖集中在0～15 cm 土層，但綠肥不能較好地與土壤混勻，部分綠肥飄在土壤表面，保留養分效果較差。垂直深旋耕可以將綠肥與表層土壤混勻并掩埋在土壤中，綠肥容易腐解，保留養分效果較好；同時，垂直深旋耕還可激發土壤養分的有效性[12-13,20-23]。因此，垂直深旋耕A1 處理的土壤養分優于傳統耕作A2 處理。本研究中，B1 和B2 處理的化肥氮施用最多，但這些多余的化肥氮主要作為基肥條施，在烤煙旺長期前煙株吸收養分相對較少，烤煙生長后期則可能因養分流失導致煙株養分利用率下降。B3、B4 和B5 處理減少了化肥氮，但增加了有機氮，這些有機氮流失少，且土壤有機質含量提高，土壤結構較疏松，有利提高土壤微生物活性和促進煙株根系生長，為煙株中、后期提供較多養分。所以，不施改土物料的B1 處理和只施用石灰的B2 處理的煙株農藝性狀和經濟性狀不及施用了綠肥和微生物肥的B3、B4 和B5 處理。

4 結論

本研究表明，土壤理化特性主要受耕作方式和改土物料的影響，也受其互作的影響；垂直深旋耕可降低土壤容重，提高土壤孔隙度和土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量，提高改土物料調酸效果；施用石灰可提高土壤pH、有機質、有效磷、速效鉀含量，石灰與綠肥、生物有機肥配施更有利于改善土壤物理特性、提高土壤pH 和養分含量，施用堿性生物有機肥較酸性有機肥更有利于提高土壤pH。烤煙根系和地上部生長及經濟性狀主要受耕作方式的影響，煙葉化學成分主要受改土物料的影響；垂直深旋耕結合石灰、綠肥、生物有機肥改良酸性土壤，有利烤煙根系生長，改善烤煙農藝性狀，提高烤煙產量和產值，協調煙葉化學成分。因此，在山地煙區，采用垂直深旋耕結合無機、有機、生物等多物料綜合協同改良酸性植煙土壤，可實現表層土壤酸度改良與肥力提升同步，還可實現表層與表下層酸性土壤改良同步，提高烤煙種植效益。