外源有机碳输入结合垂直耕作对土壤养分和烤烟生长发育的影响

杨佳宜, 陈 焘,,肖艳松,李宏光,黎 娟,李 强,穰中文,周清明*

(1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128; 2.湖南省烟草公司郴州市公司，湖南 郴州 423000)

【研究意义】烟草是我国重要的经济作物之一，在国民经济中占有重要地位，烤烟产质量的提高对我国经济发展具有重要的意义。我国人多地少和粮烟土壤的竞争使得烟草轮作的条件大受限制[1]，烟草连作成为烤烟种植的普遍现象，连作常导致作物生长发育不良，品质及产量下降，抗病能力降低[2-3],且长期不合理的耕作制度使得土壤营养环境逐步变劣，长期大量施用化肥也使得植烟土壤结构变差，烟叶营养比例失调，进而使烟叶产质量受到影响[4]，土壤成为提高烤烟产质量的重要障碍因子，因此改良土壤，提高地力成了提高烟叶质量、实现烤烟生产可持续发展的必要途径，与传统耕作模式相比，我国科研工作者从耕作技术、土壤改良等多个方面展开研究。【前人研究进展】深松耕能够改善土壤结构，增加土壤的渗水透气能力，有效提高土壤含水率，降低土壤容重[5]。深耕或深松可以打破犁底层的障碍，有效改善耕层土壤结构，有利于作物根系的生长和分布[6]。碳材料作为土壤改良剂已经应用于多种作物的生产，在国内外诸多领域得到广泛关注[7-10],施用碳材料可以改善土壤理化性状并且提高作物的产量[11-17]，有机碳材料还可以显著提高氮肥利用效率,且与其他有机或无机肥配施能提高作物产量[18]，碳材料施入土壤后可以调节土壤容重和土壤孔隙度，有利于微团聚体团聚成更大粒级的团聚体。【本研究切入点】与传统耕作模式相比，垂直耕作形成全碎全松耕层[19]，粉垄耕作技术由广西农业科学院于2008年首次提出，垂直耕作机械由广西五丰有限公司研发提供，该机械带有垂直螺旋钴头,可根据作物种植深度需求,利用螺旋钻头垂直旋转入土30～50 cm，粉碎土壤[20]。垂直耕作不扰乱土层,同时可扩建土壤养分库和水库[21],促进作物充分利用土壤养分。垂直耕作技术目前已在木薯、马铃薯、甘蔗、玉米、水稻、桑树等作物上进行了试验，与传统耕作法相比，经济产量均有不同程度的提高[22-27]。目前，垂直耕作应用于烟草的研究还鲜有报道。【拟解决的关键问题】本试验从优化耕作技术和碳短板补齐的角度，利用垂直耕作技术开展构建合理耕作层和全耕作层土壤培肥的技术研究，明确耕作措施和培肥措施对土壤和烟叶产质量的影响效果，从而有针对性的解决湖南植烟土壤障碍引起的烟叶产量水平不理想的问题。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年3-8月在郴州市桂阳县仁义乡梧桐村汪山组进行，试验地地理位置：25°46′01″N，112°41′15″E，海拔250 m。桂阳县属亚热带湿润季风气候，年平均气温17.2 ℃，年平均日照时数1705.4 h，年平均降雨量1385.2 mm，夏季高温少雨，冬季偏暖，雨雪甚少。试验田块土壤类型属于水稻土，质地为壤土，其基本理化性状为：pH 7.07，全氮含量2.06 g/kg，全磷含量0.99 g/kg，全钾含量20.68 g/kg，有机质含量31.97 g/kg，碱解氮含量175.75 mg/kg，有效磷含量56.30 mg/kg，速效钾含量338.33 mg/kg。

1.2 试验设计

供试品种为湘烟5号，试验田块土壤类型属于麻沙泥，质地为壤土，前作为水稻。本试验选取2种有机碳材料：腐殖酸粉和水稻秸秆，设计4个处理(对照)：T1垂直耕作+施加腐殖酸；T2垂直耕作+秸秆还田；T3垂直耕作不加外源有机碳；最后增加常规耕作且不施加外源有机碳处理作为对照CK，垂直耕作的耕作深度为30 cm。试验用苗均为漂浮育苗，于3月18日统一移栽，7月8号完成采收，株行距为50 cm×120 cm，施肥方式和田间管理参照郴州优质烟叶生产技术手册。

1.3 观测项目与方法

观察记载各处理的生育进程，每处理选取有代表性的烟株10株，于移栽后20、40、60和80 d测定烟株株高、叶数、最大叶长、最大叶宽等农艺性状，测定方法参考YC/142-1998。分别于移栽后20、40、60和80 d取样，每次每个处理取代表性的根系完好的整株烟株3株，并将烟株分器官烘干、称重、粉碎、保存。烤烟成熟期在每个小区使用五点取样法挖取垄体上10 cm深处的土壤样品，检测各处理土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量[28]，烟叶收获烘烤后采用C3F等级的烤后烟叶样品进行主要化学成分分析。

1.4 数据处理

使用Microsoft Office 2007和SPSS 22.0进行数据分析统计，多重比较检验方法为LSD法。

2 结果与分析

2.1 外源有机碳输入结合垂直耕作对土壤养分和pH的影响

由表1可知，T1、T2处理的土壤pH值显著高于T3，T3处理的土壤pH值显著高于CK；T1、T2处理的土壤有机质含量显著高于T3处理和CK，而T3处理的有机质含量显著低于CK，有效磷、速效钾、碱解氮的含量从大到小均是T1>T2>T3>T4，且差异显著，其中，T1、T2和T3的有效磷含量较CK分别增加了72.70 %，68.81 %和35.99 %，T1、T2和T3的速效钾含量较CK分别增加47.91 %，46.57 %和24.28 %，T1、T2和T3的碱解氮含量较CK分别增加79.08 %，78.06 %和40.58 %，可见垂直耕作结合外源有机碳施入能有效改善土壤中的速效养分含量，且能显著提高土壤pH值。

表1 外源有机碳施入结合垂直耕作对土壤养分和pH的影响

2.2 外源有机碳输入结合垂直耕作对烟株农艺性状的影响

由表2可知，前2个时期CK的多项农艺性状指标显著高于垂直耕作的3个处理，移栽后20 d时，CK的各项农艺性状指标均显著高于T1、T2、T3，移栽后40 d时各处理间株高与叶片数没有显著差异，T1、T2的最大叶长显著高于T3，最大叶面积CK仍显著高于T1、T2、T3，移栽后60 d时的株高和最大叶面积从大到小为T1>T2>T3>CK，其中T1和T2间差异不显著，T1、T2与T3和CK差异均显著，移栽后80 d时，最大叶面积从大到小为T1>T2>T3>CK，株高与最大叶长从大到小为T2>T1>T3>CK，各项指标的T1和T2间差异不显著，T1、T2与T3和CK差异显著。

2.3 外源有机碳输入结合垂直耕作对烤烟根系的影响

移栽后各时期垂直耕作处理的烟株根系比常规耕作处理有更多的一级侧根数，根系更发达，移栽后80 d时施加外源有机碳处理的垂直耕作处理的一级侧根数极显著高于不加碳材料的垂直耕作处理。由表3可见，移栽后20 d时，各处理间的根系活力没有显著差异，这一时期T1、T2、T3 3个处理的烟株生长较缓慢。移栽后40 d时根系下扎深度和根系干重两项指标各处理间均无显著差异，CK的根系活力显著低于T1、T2。移栽后60 d时，根系活力从大到小为T1>T2>T3>CK，其中T1和T2两者间差异不显著，其余各组差异显著，根系下扎深度从大到小为T1>T2>T3>CK，只有T3和CK间的差异达到显著，根干重从大到小为T2>T1>T3>CK，其中只有T2与T1间差异不显著。移栽后80 d时，根系活力、根系下扎深度和根干重从大到小均为T1>T2>T3>CK，且T1与T2差异未达到显著，而T1、T2与T3，T3与CK差异均达到显著水平。说明垂直耕作后有利于烟株根系生长和干物质的积累，垂直耕作结合外源有机碳的施入则比单一的垂直耕作处理更有利于烟株根系生长。

表3 不同外源有机碳施入结合垂直耕作对移栽后不同时间烤烟根系的影响

2.4 外源有机碳输入结合垂直耕作对烤烟干物质积累的影响

由表4可知，在移栽后20 d时，常规耕作处理的整株烟株鲜重和干重极显著高于垂直耕作处理，同时CK的干鲜比显著高于各垂直耕作处理。移栽后40 d时，常规耕作处理干鲜重显著优于垂直耕作处理，各处理间干鲜比没有显著差异。移栽后60 d时，T1、T2两处理间干鲜重和干鲜比没有显著性差异，T1、T2的烟株鲜干物质量显著优于T3，T3烟株鲜干物质量显著优于CK，各处理间干鲜比没有显著差异。移栽后80 d时，T1、T2处理的鲜干重极显著高于T3处理，T3处理的鲜干重极显著高于CK，T1、T2两处理的干鲜比显著高于CK。移栽后80 d时，2个施加外源有机碳的垂直耕作处理T1和T2较T3的干物质量分别高出16.95 %和18.08 %，T3较CK干物质量高出15.44 %，可见垂直耕作结合外源有机碳施入有利于烤烟整株干物质量的积累，且比仅仅垂直耕作处理的整株烟的干物质量多15 %以上。

表4 不同外源有机碳施入结合垂直耕作对烤烟干物质积累的影响

表5 不同外源有机碳施入结合垂直耕作对烤后烟化学性状的影响

2.5 外源有机碳输入结合垂直耕作对化学指标的影响

由表5可见，C3F等级的烤后烟叶T1、T2的总糖还原糖含量显著高于T3、T3的总糖还原糖含量显著高于CK，T1、T2、T3的总糖含量较CK分别增长2.14 %，1.89 %，1.10 %，T1、T2、T3的还原糖含量较CK分别增长2.00 %，2.05 %，0.97 %，烟碱含量各处理间没有显著差异，垂直耕作处理的氮碱比显著高于常规对照，垂直耕作处理糖碱比显著高于CK，T1、T2、T3糖碱比较CK分别高8.77 %，7.94 %，4.54 %，氯离子含量均处于适宜范围，由高到低排序为T3>T2>CK>T1。

可见垂直耕作处理的烤后烟叶较常规耕作处理总糖还原糖含量、糖碱比和氮碱比更高，施加外源有机碳的垂直耕作处理烤后烟叶的多项指标显著优于单独垂直耕作处理的烤后烟叶。

3 讨 论

土壤垂直耕作后能够大大增加土壤的耕层深度，杨章明[29]等研究结果显示,烟地深翻可以显著提高烟株农艺性状并显著提高烟叶质量。本试验采用垂直耕作技术，耕作深度达到30 cm，大大提高了土壤释放养分的潜力[30]，本试验中垂直耕作处理的烤烟农艺性状在移栽后60 d后显著优于常规耕作处理，增施外源有机碳可以改善土壤养分，提高土壤中氮磷钾的含量[11,31]，且由于外源有机碳具有碱性[32]，因此施加外源有机碳可提高土壤的pH值[33]，这与本试验研究结果一致。本试验中施加外源有机碳的垂直耕作处理有机质含量显著高于CK，而不施加外源有机碳的垂直耕作处理的有机质含量显著低于CK，这与前人研究发现的施加碳材料能显著增加土壤中有机质含量的结果不一致[34-35]，这可能是因为垂直耕作后烟株根部吸收养分能力增强，消耗了更多的土壤本底有机质含量。

烟地深耕能改善土壤结构从而改善作物根系生长环境,扩大根系的吸收范围[36-37]，外源有机碳施入可促进烤烟前期根系生长，同时可延缓烤烟生长后期根系衰老，保持一定的根系活力，有研究表明碳材料能够增加水稻生育前期根系总长度、根体积和鲜重,而在水稻生育后期,碳材料能够提高根系活度,延缓其衰老[38]。移栽后20 d时各处理根系没有显著差异，从移栽后40 d开始垂直耕作处理的根系显著优于常规耕作处理，这与前人研究结果有些许差异[39]，这可能是因为垂直耕作后土壤耕作层增加，土壤的养分库容量增大，前期根系能从垂直耕作后的土壤中吸收的养分相对变少，后期在更深层次的土壤中能比常规耕作处理的烟株根系吸收更多的养分。施用碳材料可以显著提高烤烟的生物量，促进烟株生长[40-41],这与本试验研究结果一致，且本试验中垂直耕作结合外源有机碳输入对根系产生的促进作用使得烟株积累干物质能力更强。潘金华等[42]研究了施用碳材料对烤烟品质的影响,结果表明施用有机碳材料烤后烟叶的烟碱与全氮含量有所下降,还原糖含量有所增加，糖碱比有所优化，这与本研究结果基本一致，垂直耕作措施结合有机碳的输入使得烟株吸收土壤养分能力更强，因此烤后烟叶的化学成分更协调。

4 结 论

外源有机碳输入结合垂直耕作可以很明显地改善耕层土壤的物理特性，同时提高耕层土壤中氮磷钾及有机质含量，受益于土壤理化性状的提升，烤烟根系的生长发育得到明显提高，其中侧根数的显著增加能够提升烟株吸收养分的能力，烟株地下部分生长发育的提升带动了地上部分生长发育的提升，烟株的农艺性状及干物质量得到显著提高，调节了B2F及C3F烤后烟叶的化学性状，证明了外源有机碳输入结合垂直耕作可以有效改善土壤养分失衡和质量下降的问题，为垂直耕作后的土壤快速培肥技术提供一定的理论基础。