垂直深旋耕配施有机碳肥对植烟土壤pH和物理性状及养分的影响

陈明刚，向剑明，刘勇军，张黎明，吴晶晶，杨红武，菅攀锋，田 峰，粟戈璇，邓小华*

(1 湖南农业大学农学院，长沙 410128；2 湖南省烟草公司湘西自治州公司，吉首 416000；3 中国烟草中南农业试验站，湖南长沙 410004；4 浙江中烟工业有限责任公司，杭州 310008)

山地烟区多采用小型旋耕机械翻耕烟田，其翻耕深度一般为12～16 cm，长此以往会导致植烟土壤耕层变浅、犁底层升高、板结与蓄水保肥能力下降等问题[1]，加之土壤酸化[2]、有机质含量低[3]等，严重影响烤烟丰产提质增效。垂直深旋耕作为一种新型的耕作方式，利用专用机械中的垂直螺旋型钻头快速搅动土壤，实现深耕、深松、碎土，改善土壤环境，已在水稻[4]、马铃薯[5]、甘蔗[6]、玉米[7]、小麦[8]等作物上得到应用。碳是作物体内含量最高的元素，碳素营养成了作物养分平衡的一个短板[9]。施用有机碳肥可提高土壤的生物肥力和物理肥力，从而提高土壤中N、P、K等矿质营养元素和化肥的利用率[10]，已成为作物碳素补充的重要途径。有关垂直深旋耕或有机碳肥施用的研究较多，但两者结合改良酸性土壤的研究尚未见报道。本文研究垂直深旋耕配施有机碳肥对酸性土壤pH、物理性状及主要养分的影响，以为山地植烟土壤保育技术的进一步发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018～2019年在湖南省花垣县科技示范园(28.53°N，109.45°E)进行。土壤为黄壤，pH5.12，有机质12.50 g/kg，碱解氮82.17 mg/kg，有效磷12.11 mg/kg，速效钾113.34 mg/kg。试验地前茬作物为玉米，冬种绿肥(品种为箭筈豌豆[11])，绿肥翻压量7500 kg/hm2，石灰施用量1500 kg/hm2，为市售熟石灰[12]。有机碳肥为商用液态有机碳肥，每次施用量45 kg/hm2。烤烟品种为云烟87。垂直深旋耕起垄机、旋耕机、微型起垄机由合作社提供。

1.2 试验设计

试验设4个处理：T1.石灰+绿肥+垂直深旋耕；T2.石灰+绿肥+垂直深旋耕+液态有机碳肥1次；T3.石灰+绿肥+垂直深旋耕+液态有机碳肥2次；CK.石灰+绿肥+常规耕作。小区面积100 m2，3次重复。烤烟移栽前10 d，在种植绿肥的土壤上均匀撒施石灰，采用垂直深旋耕起垄机一次性完成土壤翻耕和起垄。垄幅120 cm，旋耕深度35 cm，垄高35 cm。CK中的常规耕作采用大型拖拉机旋耕和微型机械起垄，2次作业完成，翻耕深度20 cm，垄幅120 cm，垄高35 cm。烤烟移栽后结合浇定根水施第1次液态有机碳肥，移栽后20 d结合追肥浇施第2次有机碳肥。烤烟栽培管理措施参照湘西自治州优质烤烟生产技术规程。

1.3 主要检测指标及方法

于绿肥种植前(简称PG)和移栽后30 d(T1、CK)，采用土壤原位取样器钻取3个50 cm深的土柱，采集0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm的土壤测定pH。烤烟移栽后30、60、90 d，每小区选择5个点，采集0～20 cm垄体层土壤，制成混合土样，采用环刀法测定土壤容重、孔隙度和水分；采用电位法测定土壤pH；分别采用重铬酸钾容量法、碱解扩散法、碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法、醋酸铵浸提—火焰光度法测定土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量[13]。

1.4 统计分析方法

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 对植烟土壤pH的影响

2.1.1 植烟土壤pH垂直变化

由表1可知，T1处理0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm土壤pH较PG分别提高了1.48、1.86、1.92、2.00、1.79，CK较PG分别提高了1.54、1.76、1.49、1.44、0.78，说明撒施石灰和翻压绿肥均能提高土壤pH。与CK 相比，除0～10、10～20 cm以外，T1处理各深度的土壤pH均显著高于CK；T1处理土壤pH平均值为6.72，变异系数为2.08%；CK土壤pH平均值为6.31，变异系数为8.24%。说明垂直深旋耕可使石灰、绿肥等改良剂混入深层土壤，有利于石灰、绿肥与土壤混匀，增加土壤pH均匀度，提高改良剂的改土效果。

表1 不同处理的土壤pH垂直变化

2.1.2 植烟土壤pH动态变化

由图1可知，随烤烟生育进程的发展，土壤pH呈下降趋势。在烤烟移栽后30 d，土壤pH由背景值5.12上升到6.91～7.02，这是由于施用了石灰的结果。至移栽后60 d，土壤pH下降至6.47～6.61；移栽后90 d，土壤pH继续下降至5.79～5.92。这主要是由于土壤本身对酸碱的缓冲效应，以及烤烟根系分泌的有机酸所致。不同处理间虽有差异，但未达到显著水平。

图1 不同处理植烟土壤pH动态变化

2.2 对植烟土壤物理特性的影响

2.2.1 土壤容重动态变化

由图2可知，随烤烟生育进程推进，土壤容重略有上升。烤烟移栽后30、60、90 d，T1、T2、T3处理土壤容重均显著低于CK，但处理间差异不显著。表明垂直深旋耕可降低土壤容重，施用有机碳肥对土壤容重则没有影响。

图2 不同处理植烟土壤容重动态变化

2.2.2 土壤孔隙度动态变化

由图3可知，土壤孔隙度随烤烟生育进程推进略有下降。移栽后30、60、90 d，T1、T2、T3处理土壤孔隙度均显著高于CK，但处理间差异不显著。表明垂直深旋耕可提高土壤孔隙度，施用机碳肥对土壤孔隙度则没有影响。

图3 不同处理植烟土壤孔隙度动态变化

2.3 对植烟土壤主要养分的影响

2.3.1 土壤有机质动态变化

由图4可知，随烤烟生育进程推进，同一处理土壤有机质含量变化不大。在烤烟移栽后30 d，表现为：T2>T3>T1>CK；移栽后60、90 d，表现为：T3>T2>T1>CK，各处理间差异均达显著水平。表明垂直深旋耕和施用有机碳肥均可提高土壤有机质含量，浇施2次有机碳肥较1次效果更好。

2.3.2 植烟土壤碱解氮动态变化

由图5可知，随烤烟生育进程推进，植烟土壤碱解氮含量呈“低—高—低”变化。在烤烟移栽后30、60 d，土壤碱解氮含量表现为：T3>T2>T1>CK，处理间差异显著。在移栽后90 d，土壤碱解氮含量表现为：T3>T2>T1>CK，T3与T2处理差异不显著，但均显著高于T1、CK；同时，T1处理显著高于CK。表明垂直深旋耕和施用有机碳肥均可提高土壤碱解氮含量，浇施2次有机碳肥较1次效果更好。

2.3.3 植烟土壤有效磷动态变化

由图6可知，随烤烟生育进程推进，植烟土壤有效磷含量呈“低—高—低”变化。在烤烟移栽后30 d，土壤有效磷含量以T3最高，与其他处理差异显著，其次是T2、T1，两者无显著差异，但均显著高于CK。在移栽后60 d，土壤有效磷含量表现为：T3>T2>T1>CK，处理间差异显著。在移栽后90 d，各处理差异不显著。表明垂直深旋耕可提高烤烟前期土壤有效磷含量，以垂直深旋耕配合施用2次有机碳肥的效果较好。

图6 不同处理植烟土壤有效磷动态变化

2.3.4 植烟土壤速效钾动态变化

由图7可知，随烤烟生育进程推进，植烟土壤速效钾含量呈“低—高—低”变化。在烤烟移栽后30 d，T3处理土壤速效钾含量显著高于T2、T1、CK。在烤烟移栽后60、90 d，土壤速效钾含量表现为：T3>T2>T1>CK，除T1与CK外，各处理间差异显著。表明垂直深旋耕配施有机碳肥可提高土壤速效钾含量，以垂直深旋耕配施2次有机碳肥效果最好。

图7 不同处理植烟土壤速效钾动态变化

3 讨论与结论

改良剂与土壤搅拌不均匀，难以实现表层土壤与表下层土壤的同步改良，是目前山地酸性土壤改良效果不甚理想的重要原因。而垂直深旋耕采用转轴垂直于被耕地面的立式螺旋形钻头，多把旋耕刀切削、撞击、捶打、挤压土壤，能将全耕层土壤粉碎成细小颗粒[14，15]，可达到降低土壤容重、提高土壤孔隙度、增加土壤肥力[16]和土壤蓄水抗旱能力的效果[17]，且可通过旋切刀的垂直搅拌，将石灰、绿肥等改良剂与土壤搅拌，充分均匀混入表层土壤和表下层土壤。

传统耕作机械是采用刀辊转轴与被耕地面平行的卧式旋耕机实现翻耕。垂直深旋耕提高了土壤粉碎程度，可激发土壤有效养分释放[16]，有利于烤烟根系发育和下扎，促进烤烟生长和干物质积累，提高烤烟产量。

有研究发现，施用有机碳肥可提高作物产量、质量及抗逆性[18，19]，显示了有机碳肥的优势。有机碳肥多为液态，易水溶而被植物吸收，能快速见效，还可提高土壤的生物肥力和物理肥力，提高土壤中N、P、K等矿质营养元素的利用率，从而提升化肥利用率[10]。有机碳肥已应用在油茶林改良[20]、马铃薯连作障碍缓解[21]、蕹菜增产[22]等多种农林作物上，并取得了良好的效果。本研究发现其对山地烤烟也具有明显的增产提质效果，与垂直深旋耕结合可改良酸性土壤和提高烤烟种植效益。

试验结果表明，垂直深旋耕可提高全耕作层土壤pH，降低土壤容重，提高土壤孔隙度。采用垂直深旋耕配施有机碳肥，可增加土壤有机质，提高植烟土壤氮、磷、钾的有效性。以垂直深旋耕结合2次施用有机碳肥改良酸性土壤的效果最好。