粉垄深度对山地黄壤理化特性和烤烟养分利用效率的影响

2021-02-07张敏粟戈璇彭曙光刘勇军周米良田峰张明发邓小华陈金

作物研究 2021年1期

张敏，粟戈璇，彭曙光，刘勇军，周米良，田峰，张明发，邓小华，*，陈金

（1 湖南农业大学农学院，长沙 410128；2 湖南省教育科学研究院，长沙 410005；3 中国烟草中南农业试验站，湖南长沙 410004；4 湖南省烟草公司湘西自治州公司，吉首416000）

土壤是作物赖以生存的重要载体。土壤耕翻可有效促进土壤水、肥、气、热的协调，促进作物对资源的高效利用，确保作物持续高产稳产［1，2］。山区土壤耕层变浅、通透性变差、蓄水保肥能力下降等问题与长期采用小型卧式旋耕机械作业有关，已成为作物生产的制约因子之一［3］。粉垄作为一种立式旋耕方式，利用垂直螺旋型专用机械的钻头快速扰动土壤，使其耕翻悬浮成垄而不破坏土层，既具有翻耕的深松作用，同时具有旋耕后土壤疏松、土粒粉碎均匀的特点［4］，已在甘蔗［5］、水稻［6］、马铃薯［7］、玉米［8］、小麦［9］等作物上得到应用，但在烤烟生产上应用较少。为进一步提高山区土壤质量，充分发挥耕作方式在土壤改良方面的作用，笔者研究了粉垄深度对山地黄壤理化特性和养分利用效率的影响，以为山区土壤保育技术发展和粉垄技术的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年在湖南省湘西自治州烟草公司科技示范园进行。试验地位于28.53°N和109.45°E，海拔530 m，年日照时数1 219 h，年平均气温15.0℃，年降水量1 364 mm，无霜期279 d，属亚热带季风山地湿润气候［10］。试验地前茬为玉米，黄壤土，含有机质16.70 g／kg、碱解氮57.46 mg／kg、有效磷14.71 mg／kg、速效钾90.87 mg／kg，pH 5.04。石灰为市售熟石灰，粉垄机械由厂家提供，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.粉垄深度50 cm；T2.粉垄深度40 cm；T3.粉垄深度30 cm；CK.常规耕作，旋耕深度16 cm。3次重复，小区面积100 m2。在烤烟移栽前10 d，均匀撒施石灰（用量为1 500 kg／hm2），然后按试验设计完成土壤翻耕与起垄。粉垄采用4根垂直轴旋磨细碎土壤，常规耕作采用小型拖拉机带旋耕机旋耕作业。微型起垄机起垄，垄幅120 cm，垄高30 cm。烤烟品种云烟87，种植密度16 650株／hm2（1.2 m×0.5 m）。烤烟氮、磷、钾施用量分别为109.5、139.0、300.0 kg／hm2。4月下旬移栽，7月上旬打顶（留叶16～18片），参照湘西自治州优质烤烟生产技术规程进行田间管理。

1.3 主要检测指标及方法

（1）土壤检测。翻耕前及烤烟移栽后的第30、60、90、120 d，采集0～20 cm垄体层土壤，每小区选择5个点制成混合土样。土壤pH采用电位法测定［11］；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定［11］；土壤碱解氮、有效磷和速效钾分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法和醋酸铵浸提火焰光度法测定［11］；土壤容重和孔隙度采用环刀法测定［11］。

（2）土壤垂直pH测定。翻耕前（FT）及烤烟移栽后30 d，用土壤原位取样器每小区钻取3个50 cm深的土柱，分段采集0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm的土壤用于测定土壤垂直pH值。

（3）氮磷钾养分利用效率。烤烟移栽后70 d，每小区选择长势均匀一致的5棵烟株，挖取样株，用清水冲洗干净。将样株的根、茎、叶片分别收集，于恒温箱105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重。采用H2SO4—H2O2法消煮干样，分别采用凯氏定氮法、钼锑抗比色法、火焰光度法测定植株N、P、K含量［12］。计算公式：

单位面积N（P、K）积累量（kg／hm2）＝烟株（器官）含N（P、K）量（%）×烟株（器官）干物质量（g）×种植密度／1000；

N（P、K）养分吸收效率（FAE，%）＝单位面积烟株N（P、K）积累量／单位面积施N（P、K）量×100；

N（P、K）养分利用效率（FUE，kg／kg）＝单位面积烟叶干物质量／单位面积施N（P、K）量；

N（P、K）烟叶生产效率（LPE，kg／kg）＝单位面积烟叶干物质量／单位面积烟株N（P、K）素积累总量；

N（P、K）收获指数（HI，%）＝单位面积烟叶中的N（P、K）积累量／单位面积烟株N（P、K）积累量×100。

1.4 统计分析方法

采用Microsoft Excel 2003和SPSS17.0进行数据处理、统计分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 粉垄对植烟土壤物理性状的影响

2.1.1 土壤容重

土壤容重是土壤质量评价的重要指标，影响土壤通透性、保肥保水能力及微生物的数量和活性［13］。由图1可知，随烤烟生育进程推进，植烟土壤容重逐渐增加；粉垄处理（T1、T2、T3）的土壤容重显著低于传统耕作（CK）。在烤烟移栽后30 d，T1、T2、T3处理的土壤容重较CK分别降低了7.7%、8.5%、10.0%；移栽60 d后，T1、T2、T3处理的土壤容重较CK分别降低了10.9%、12.3%、13.0%；移栽90 d后，T1、T2、T3处理的土壤容重较CK分别降低了10.0%、10.7%、11.4%；移栽120 d后，T1、T2、T3处理的土壤容重较CK 分别降低了9.2%、9.9%、9.9%。

图1 植烟土壤容重动态变化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、养分、空气和微生物等的贮存库、传输通道和活动空间，与土壤通气性和持水性紧密相关，反映土壤涵养水源、吸持水分及保障气体畅通的能力［13］。由图2可知，随烤烟生育进程的推进，植烟土壤孔隙度会逐渐降低；粉垄处理（T1、T2、T3）土壤孔隙度显著高于传统耕作（CK）。烤烟移栽后30 d，T2、T3处理土壤孔隙度显著高于T1，可能是因为T1处理搅动了底土层。在烤烟移栽后30 d，T1、T2、T3处理的土壤孔隙度较CK分别提高了9.0%、14.5%、15.7%；移栽60 d后，T1、T2、T3处理的土壤孔隙度较CK分别提高了10.7%、11.6%、12.4%；移栽90 d后，T1、T2、T3处理的土壤孔隙度较CK分别提高了11.6%、13.3%、12.2%；移栽120 d后，T1、T2、T3处理的土壤孔隙度较CK分别提高了14.4%、14.2%、14.6%。

图2 植烟土壤孔隙度动态变化Fig.2 Dynamic changes of tobacco-planting soil porosity

2.2 粉垄对植烟土壤p H的影响

2.2.1 pH动态变化

由图3可知，不同处理的土壤pH差异不显著。烤烟移栽后30、60、90、120 d，土壤pH较本底值（5.0）分别提高了32.9%～37.0%、25.4%～29.8%、8.3%～10.9%、3.7%～7.8%。可见，随烤烟生育进程，植烟土壤pH会有所下降，特别是移栽后90～120 d，土壤pH下降较多，这可能是施用石灰造成的［14，15］。

图3 植烟土壤p H动态变化Fig.3 Dynamic changes of tobacco-planting soil p H

2.2.2 pH垂直变化

由图4可知，T1、T2、T3、CK、FT土壤的pH垂直变化范围分别为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差异不显著，但显著高于FT；在20～30 cm，T1、T2、T3的土壤pH差异不显著，但显著高于CK、FT，CK土壤pH也显著高于FT；在30～40 cm，T1、T2的土壤pH差异不显著，但显著高于T3、CK、FT，T3土壤pH也显著高于CK、FT；在40～50 cm，T1的土壤pH显著高于T2、T3、CK、FT，但T2、T3、CK、FT差异不显著。表明粉垄有利于石灰等调酸剂充分与土壤混匀，可提高土壤调酸效果。

图4 植烟土壤p H垂直变化Fig.4 Vertical changes of tobacco-planting soil pH

2.3 粉垄对植烟土壤养分的影响

2.3.1 有机质

土壤有机质含量是耕地土壤基础肥力的重要指标，与土壤结构性、吸附性、通透性、渗透性等紧密相关［13］。由图5可知，随烤烟生育进程的推进，植烟土壤有机质含量先升后降；粉垄处理以移栽后90 d土壤有机质含量最高，传统耕作则以移栽后60 d的土壤有机质含量最高；不同旋耕深度的土壤有机质含量差异不显著，但粉垄处理的土壤有机质含量显著高于传统耕作（CK），烤烟移栽后30、60、90、120 d，粉垄处理（T1、T2、T3）土壤有机质含量较CK分别提高了1.0%～9.6%、15.0%～29.4%、14.1%～20.0%、22.7%～36.7%。结果表明，粉垄可提高土壤有机质含量。

图5 植烟土壤有机质含量动态变化Fig.5 Dynamic changes of organic matter contents in tobacco-planting soil

2.3.2 碱解氮

土壤氮含量高低和氮供应能力大小决定了农作物的生长发育和耕地的生产潜力［16］。由图6可知，随烤烟生育进程的推进，植烟土壤碱解氮含量逐渐下降。烤烟移栽30 d后，T2、T3处理的土壤碱解氮含量显著高于T1、CK；烤烟移栽后60、90、120 d，粉垄处理（T1、T2、T3）的土壤碱解氮含量显著高于传统耕作（CK）。

2.3.3 有效磷

磷是作物生长发育和优质稳产必需的大量元素，作物获得的磷主要来自土壤磷库。烤烟种植残留磷较多，表层土壤有效磷含量远高于底层土壤［17］。由图7可知，烤烟移栽后30 d，粉垄40～50 cm的土壤有效磷含量相对较低，是因为粉垄将部分底层土壤翻上了表土层；移栽后90、120 d，粉垄30～40 cm的土壤有效磷含量相对较高，是因为粉垄活化了土壤难溶性磷［4］。因此，适当控制粉垄深度，有利于提高土壤有效磷含量。

图7 植烟土壤有效磷含量动态变化Fig.7 Dynamic changes of available phosphorus contents in tobacco-planting soil

2.3.4 速效钾

烤烟是喜钾作物，种植烤烟需大量施用钾肥，耕作层土壤残留的钾远高于底层土壤［17］。由图8可知，烤烟移栽后30 d，粉垄的土壤速效钾含量显著高于CK，且随粉垄深度增加（T3至T1），土壤速效钾含量降低。烤烟移栽后60、90、120 d，T2、T3处理的土壤速效钾含量显著高于T1、CK。可见，粉垄有利于提高土壤速效钾含量。

图8 植烟土壤速效钾含量动态变化Fig.8 Dynamic changes of available potassium contents in tobacco-planting soil

2.4 粉垄对养分利用效率的影响

（N、P、K）-FAE、（N、P、K）-HI、（N、P、K）-FUE、（N、P、K）-LPE从不同的角度描述了烤烟对氮肥、磷肥、钾肥的利用效率。

从氮肥生产效率看，粉垄处理（T1、T2、T3）的N-FAE、N-FUE显著高于CK。从氮素利用效率看，不同处理的N-HI差异不显著；T2、CK的NLPE显著高于T1、T3（表1）。说明粉垄可提高氮肥生产效率。

从磷肥生产效率看，粉垄处理（T1、T2、T3）的P-FAE、P-FUE显著高于CK，随粉垄深度增加（T3至T1），P-FAE、P-FUE增加。从磷素利用效率看，粉垄处理（T1、T2、T3）的P-LPE显著低于CK；P-HI以T3最高，其次是CK，T1、T2相对较低（表1）。说明粉垄可提高磷肥的生产效率，但粉垄40～50 cm的磷素利用在移栽后60 d反而较低，说明适宜的粉垄深度可提高磷素的利用效率。

从钾肥生产效率看，粉垄处理（T1、T2、T3）的K-FAE、K-FUE显著高于CK，随粉垄深度增加（T3至T1），K-FAE、K-FUE增加。从钾素利用效率看，粉垄处理（T1、T2、T3）的K-LPE显著低于CK；T3、CK的K-HI显著高于T1、T2（表1）。可见，粉垄可提高钾肥的利用效率，但粉垄40～50 cm的钾素利用效率在移栽60 d后较低，可能与其根系发达积累钾素比例较大有关。

表1 不同处理的N、P、K养分利用效率Table 1 Nutrient utilization efficiency of N，P and K in different treatments

3 讨论

土壤物理特性是土壤功能的重要指标之一，受耕作方式的影响显著［18］。有研究表明，粉垄可降低土壤容重、提高土壤孔隙度，改善土壤耕层物理特性。主要原因是粉垄耕作方式不同于传统耕作：传统耕作是水平安装的卧式旋耕机，只对土壤进行耕翻；而粉垄采用立式螺旋形钻头（4根钻头转轴垂直于被耕地面）切削、捶打、撞击、挤压土壤，将土壤垂直旋磨、粉碎并自然悬浮成垄，土壤颗粒更细。因此，粉垄可实现深耕、深松、碎土［4，19］，改善土壤环境，从而为作物根系生长发育提供良好的条件。

土壤养分是土壤基础肥力的重要物质基础，是土壤理化性状和生物学特性的综合反映，直接影响土壤生产力的高低，受耕作方式的影响显著［13］。合理的土壤耕作可改善土壤耕层结构，提高土壤质量，减少土壤中养分和水分的流失［20］。但不合理的耕作方式易导致农田耕作层变浅和养分流失，严重阻碍作物根系生长和产量提升［21］。本试验的土壤为冬闲地，杂草生物量大，粉垄可将杂草残茬粉碎并与土壤混匀，增加了土壤通透性，有利于土壤微生物活动和杂草残茬腐解，从而提高了土壤有机质含量。粉垄后土壤更细碎，孔隙度增大，有利于土壤吸附氮、磷、钾养分，可减少肥料流失；粉垄过程中的机械摩擦和土壤环境条件的改善，可促进土壤中固定的P、K重新释放出来，可激发土壤有效养分［4，19］，从而提高土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量。

酸性土壤改良剂施用效果是否理想，与改良剂是否与土壤搅拌均匀有关［22-24］。有研究表明，粉垄在粉碎土壤的同时，可将石灰等调酸剂与土壤充分混匀，从而更有利于提高土壤pH值。本研究中，石灰施用量较传统酸性土壤改良的石灰施用量大，所以可在短时间内（30 d左右）提高土壤的pH约2个单位，但由于土壤的缓冲作用，至烤烟收获时，土壤pH值下降。粉垄的垂直钻头在粉碎土壤的同时，由于振动作用，可将部分石灰带至20 cm以下的土层，从而实现表层土壤与表下层土壤的同步改良。所以，粉垄不仅有利于提高土壤改良剂在表层土壤的作用，还有利于表下层土壤的改良，提高石灰改良酸性土壤的效果。