粉垄深耕对长沙稻作烟区土壤物理特性及烤烟根系发育的影响

彭光爵，王志勇，胡 桐，郑重谊，唐春闺，刘勇军，李 强，周清明，黎 娟

(1.湖南农业大学 农学院，湖南 长沙 410128； 2.湖南省烟草公司长沙市公司，湖南 长沙 410007；3.湖南省烟草科学研究所，湖南 长沙 410019； 4.重庆市烟草公司彭水分公司，重庆 409600)

耕地表层的土壤是耕地生产力的核心。现阶段烤烟种植由于人畜、小型机械的不规范操作，以及长期单一的旋耕、翻耕使得耕层结构变浅，耕地土壤理化性质等各方面特性不断下降，良好的耕作层遭到破坏[1-3]。研究表明[4-6]，良好的耕作活动能明显地改进耕层土壤特性，改变土壤持水及导水能力，其改善程度取决于耕作方式。通过深松耕作可有效降低容重、降低紧实度、增大孔隙度[7]，同时耕作层的深浅是决定烤烟根系下扎的重要因素，疏松的土壤环境有利于烤烟根系的延伸和发育，过高的紧实度则会抑制烤烟根系穿透能力，同时疏松的环境会使得表层土壤的水分、养分进入根系吸收范围的阻力降低，也能够使得根系吸收和转化养分的能力得到加强[8-11]，构建良好的健康耕层结构，不仅有利于协调作物生长和根系分布[12]，更能够促进水、肥、气、热之间相互协调，进而提升烤烟的产量和品质[13]。因此，探究不同耕作方式对长沙稻作烟区土壤物理性状、烤烟生长及根系发育的影响，对改进长沙稻作烟区烟田耕作模式具有重要的现实意义。粉垄深耕措施可有效的扩增耕作层厚度，增加耕层中有效土壤量，改善土壤物理特性。前人的研究表明[14-15]，深耕对土壤的理化性质有着良好的改良作用。范艺宽等[16]研究表明，增加土壤中团聚体稳定性，有助于改善土壤板结等土壤问题。长沙烟区以往常规旋耕、翻耕方式导致耕作层浅薄、土壤耕作环境恶化[17]，良好的土壤地力不断下降。鉴于此，本研究结合长沙稻作烟区土壤环境，致力于改善耕层土壤特性、提升种植效率，通过对比大田试验中粉垄深耕处理与常规耕作处理的差异，揭示不同耕作方式对土壤结构、土壤孔隙等物理特性的影响机制，为长沙稻作烟区烤烟耕作方式提供一个可供参考的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

浏阳地处湘赣边界，湖南东部偏北，试验地为长沙浏阳市永安镇下大屋(113°22′2″，28°17′17″)，土壤类型为水稻土，质地为壤质砂土，养分情况：pH值7.56、有机质含量30.55 g/kg、全氮1.65 g/kg、全磷0.94 g/kg、全钾20.54 g/kg、碱解氮含量为136.84 mg/kg、有效磷为70.23 mg/kg、速效钾87.00 mg/kg。供试烤烟品种为G80，烟草专用肥料和尿素等由当地烟草部门统一提供。

1.2 试验设计

试验采用单因素试验设计，设3个耕作方式，分别为粉垄深耕T1(自走氏粉垄深耕深松，耕作深度30 cm)，当地常规耕作方式铧式犁翻耕T2(先翻耕后旋耕起垄，15 cm)，直接旋耕起垄T3(12 cm)，每个耕作方式设3个小区，每个小区面积为289 m2(17.20 m×16.80 m)。耕作器械：自走氏粉垄深耕深松机(长宽高：5 300 cm×2 500 cm×2 800 cm，质量：9 500 kg，发动机型号：YC6MK340-T301，发动机功率：251 kW，工作档位：2挡，耕作效率：2 666.67～5 333.33 m2/h，广西五丰有限公司)，采用粉垄深耕技术，调节耕作深度为30 cm；1L-425翻耕机，耕作深度15 cm，质量290 kg；1ZKN-110旋耕起垄机，耕作深度12 cm，质量430 kg。2017年12月1日进行粉垄深耕，2018年3月23日起垄栽烟，7月16日完成烟叶的采收，大田生育期115 d，所有生产管理技术措施均按照当地烤烟生产技术手册执行。

1.3 样品采集及测定方法

1.3.1 土壤样品的采集及检测 在2018年10月25日水稻收获后，2019年10月29日水稻收获后，采用50 cm土柱取样器(QTZ-1式便携取样器，长度50 cm、直径7.50 cm)，采用5点取样法，每个处理取土柱5个，检测土壤容重(环刀法)、紧实度(紧实度分析仪)、孔隙度、耕层深度(人工测量)等土壤物理指标。

1.3.2 土壤含水率的检测 采用土壤温湿度记录仪(武汉中科能慧)，每小时记录一次0～50 cm耕层土壤含水率，每个耕层相差10 cm，分5层记录，每月数据按照平均每小时来计算(2019年)。

1.3.3 土壤团聚体含量的测定 采用湿筛法来分离不同粒径范围内的团聚体。采用国产团聚体测定器，分5个粒径范围，套筛的孔径大小依次为2.000，1.000，0.500，0.250，0.053 mm。测量方法为：将取回的物理特性保存完好的土样按土壤纹路先分离成1 cm3土样，风干，浸润15 min后倒入套筛，频率为30 r/min(上下筛动时套筛不能露出水面)，持续5 min。然后将各粒径团聚体冲洗到铝盒中，最后50 ℃下烘干称质量。

1.3.4 土壤团聚体稳定性评价指标的计算方式 土壤团聚体稳定性评价指标采用大于0.25 mm的团聚体含量(R0.25)、平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、分形维数(D)值来描述(2018，2019年均值)。计算公式如下：

其中：Xi某i粒径团聚体平均直径，Wi为i粒级的百分含量，Mx<0.25为粒径<0.25 mm团聚体的质量，MT为团聚体总质量，dmax为团聚体的最大粒径，MW

1.3.5 根系干鲜质量的测定 烤烟团棵期、旺长期、成熟期，通过挖掘法选取各处理5棵具有代表性烟株，保留根系完整，清水洗净，先称量根系部分生物量，用排水法测量根系体积，最后105 ℃杀青30 min，60 ℃恒温烘干，称量不同处理根系干质量。

1.4 数据分析

采用IBM SPSS Statistics 24.0 分析数据和检验显著性，采用Microsoft Office Excel 2017处理数据和制图。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式下土壤物理特性的变化

2.1.1 不同耕作方式对土壤容重的影响 由图1-A可以看出，2018年土壤容重在0～50 cm耕层总体变化呈上升趋势，在0～30 cm耕层，T1处理容重均小于T2、T3对照处理，差异达到显著水平(P<0.05)，且T1比T3处理容重整体下降8.80%。T1处理容重在0～10 cm耕层分别低于T2、T3对照处理7.40%，8.61%，在10～20 cm耕层分别比对照低4.42%，5.22%，在20～30 cm耕层分别比对照低7.01%，6.42%，在30～50 cm耕层，差异不显著。由图1-B可以看出，2019年土壤容重规律基本与2018年一致，T1比T3处理容重整体下降11.25%。T1处理容重在0～10 cm耕层分别低于T2、T3处理7.88%，23.31%，在10～20 cm耕层分别比对照T2和T3低5.71%，4.33%，在20～30 cm耕层分别比对照T2和T3低6.85%，6.12%，在30～50 cm耕层差异不显著。

2.1.2 不同耕作方式对土壤孔隙度的影响 在图2-A中，2018年各处理土壤孔隙度随着耕层深度的增加呈降低趋势，在0～30 cm耕层中，T1处理孔隙度含量均显著高于T2、T3对照处理(P<0.05)，T1比T3处理整体增大10.67百分点。在0～10 cm耕层，T1处理孔隙度高于T2、T3处理4.00，4.57百分点，在10～20 cm耕层高于T2、T3处理3.2，2.8百分点，在20～30 cm耕层高于T2、T3处理4.0，2.9百分点，30～50 cm耕层中差异不显著。在图2-B中，2019年土壤孔隙度规律与2018基本一致，T1比T3处理整体增大12.8百分点。在0～10 cm耕层，T1处理土壤孔隙度高于T2、T3处理4.98，7.93百分点，在10～20 cm耕层高于T2、T3处理1.65，2.64百分点，在20～30 cm耕层内高于T2、T3处理3.55，2.23百分点，30～40 cm耕层中差异不显著，40～50 cm耕层中则T3处理孔隙度较高。

2.1.3 不同耕作方式对土壤紧实度的影响 由图3-A可以看出，在0～30 cm耕层中，2018年T1处理土壤紧实度与对照处理差异显著(P<0.05)，均表现为T3>T2>T1，且T1比T3处理整体降低29.70%。在0～10 cm耕层内，T1处理低于T2、T3处理4.90%，25.86%，在10～20 cm耕层内低于T2、T3处理18.29%，29.71%，在20～30 cm耕层内低于T2、T3处理26.46%，27.48%，30～40 cm耕层无显著性差异，40～50 cm耕层则以T3处理孔隙度最高。在图3-B中，2019年土壤紧实度规律与2018年基本一致，T1比T3处理整体降低21.45%。在0～10 cm耕层内，T1处理低于T2、T3处理1.47%，16.45%，在10～20 cm耕层内低于T2、T3处理14.52%，24.93%，在20～30 cm耕层内分别低于T2、T3处理25.19%，22.98%，30～50 cm耕层则无显著性差异。

2.1.4 不同耕作方式对耕层深度的影响 由图4-A可以看出，2018年T1处理的耕作层深度显著高于T2、T3处理(P<0.05)，较对照T2、T3处理耕作层深度提高了12.40，12.84 cm。由图4-B可以看出，T1处理2019年耕作层深度较2018年有所降低，但仍与对照处理差异显著(P<0.05)，较对照处理提高9.06，12.30 cm。

2.2 不同耕作方式下土壤含水率变化

由表1可以看出，T1处理在移栽后3-4月，0～40 cm耕层的平均土壤含水率均高于T2、T3处理，差异均达到极显著(P<0.01)，在移栽后5月，0～10 cm耕层T3含水率最高，10～40 cm耕层规律与3-4月一致。且T1在3-5月内，0～10 cm耕层土壤平均含水率比T2 高出0.62百分点，在10～20 cm耕层分别比T2和T3高出3.23，4.92百分点，在20～30 cm耕层分别高出9.43，12.3百分点，在30～40 cm耕层分别高出9.56，13.88百分点；在移栽后6月，耕层0～10 cm T3含水率最高且差异极显著(P<0.01)，10～30 cm耕层则无显著性差异，30～40 cm耕层内则是T1最高且差异极显著(P<0.01)；烤烟移栽后的7月，0～10 cm耕层内含水率规律与6月基本一致，在10～40 cm耕层内则是T1处理极显著高于T3对照处理(P<0.01)。

表1 不同处理生育期内土壤含水率的变化Tab.1 Changes of soil moisture content during growth period of different treatments %

2.3 不同耕作方式对团聚体稳定指数的影响

从表2可以看出，在0～50 cm耕层，随着耕层深度的增加各耕层间的MWD值总体呈降低趋势，且T1处理MWD值在0～30 cm，40～50 cm耕层内与T3(当地耕作方式)差异显著(P<0.05)，这说明T1处理可一定程度上的增大MWD的值；在R0.25与GMD团聚体稳定指数中，规律与MWD基本一致，且在0～30 cm耕层差异规律较为显著，30～50 cm耕层内差异未达到显著水平，随着耕层深度的增加，团聚体的稳定性有所降低，这说明T1处理对于提高0～30 cm耕层的R0.25与GMD的值有一定程度的增益；各处理的分形维数随深度增加而增加，T1处理分形维数在0～30 cm耕层内均与对照处理差异极显著(P<0.01)，且T1较之于T2、T3处理在0～10 cm耕层分别降低了26.82%，30.00%，在10～20 cm耕层分别降低了16.59%，25.60%，在20～30 cm耕层分别降低了23.63%，28.89%，在30～40 cm耕层T1与T3处理差异显著(P<0.05)，在40～50 cm耕层则未表现出显著性差异。

2.4 不同耕作方式对烤烟根系的影响

从图5-A、B可以看出，在烤烟团棵期时，根系的干质量以T1处理最高，与T3处理差异达到显著水平(P<0.05)，分别高于T2、T3处理20.45%，69.75%，而鲜质量则未体出现显著性；在旺长期、成熟期，T1处理烤烟根系干质量、鲜质量均显著高于T2、T3处理(P<0.05)，且T1旺长期干质量分别比T2、T3高26.25%，28.93%，在成熟期分别比T2、T3高32.19%，28.33%；T1旺长期鲜质量分别比T2、T3高8.08%，14.04%，在成熟期分别比T2、T3高15.66%，24.02%；从图5-C来看，T1处理干鲜比在烤烟团棵期、旺长期显著高于T3处理(P<0.05)，成熟期时与T2差异显著(P<0.05)；从图5-D来看，3个时期内，T1处理烤烟体积均与其余处理差异达显著水平(P<0.05)，分别比T2、T3高12.35%，48.05%，31.94% 和20.07%，55.61%，36.34%。

表2 不同处理、耕作层中土壤团聚体的稳定指数Tab.2 Stability indices of soil aggregates in different treatments and tillage layers

2.5 土壤物理特性与根系的相关性

从表3可以看出，在生育期内，根系的干质量与鲜质量未体现显著相关性，与体积呈显著正相关关系，与干鲜比、MWD、R0.25、GMD之间均呈极显著正相关关系，与D值呈极显著负相关关系，与容重、紧实度呈显著负相关关系，与孔隙度呈正相关关系，但未达到显著水平；根系鲜质量则与干鲜比呈显著负相关关系，与其余指标并未达到显著水平；干鲜比与根系体积呈显著正相关关系，与MWD、R0.25、GMD呈极显著正相关关系，与D值呈极显著负相关关系，与容重、紧实度为显著负相关关系；根系体积与土壤团聚体稳定指数、孔隙度、紧实度间均呈现出极显著相关性，与容重呈显著相关性。

表3 烤烟根系与土壤物理特性的相关性Tab.3 Relationship between flue-cured tobacco root system and soil physical characteristics

3 讨论与结论

3.1 不同耕作方式对土壤物理特性的影响

长期小型机械与人畜力作业会使得耕地土壤物理特性的持续下降，过高的紧实度增加土壤中的容重、机械性阻力、降低土壤通透性，限制根系的生长[18-19]，前人的研究发现，深耕可打破土壤内部犁底层，提高土壤内部的通气性，增加保墒能力，通过深耕可有效地增大土壤的粗糙程度，改变土壤含水率、孔隙度等，而粉垄深耕则可进一步的增强土壤物理特性[20]。本研究显示，粉垄深耕可加深耕作层，在2018年耕层深度相较于T3提高了12.84 cm，2019年提高12.30 cm，且2019年T1耕层深度较2018年有所降低；2018年0～30 cm耕层总体范围内，T1较T3处理容重平均下降8.80%，紧实度平均降低29.70%，孔隙度平均增大10.67百分点，2019年T1较T3容重平均下降11.25%，紧实度平均降低21.45%，孔隙度平均增大12.8百分点，这主要是由于机械的搅动耕层，影响了土壤特性，加深了耕作深度，使得土壤通透性变强，从而增大了孔隙度，降低容重。T1处理2019年较2018年土壤容重、紧实度有所增加，孔隙度降低，这主要是因为2019年T1处理并未连续粉垄深耕有关。

土壤水分的高低对根系的生长发育影响重大，是影响烤烟品质的关键一环[21]。本研究发现，不同耕作方式对含水率的影响不同，随着耕作深度的增加，各处理的含水率总体呈现增长趋势，在烤烟移栽后3-5月，除5月的0～10 cm耕层外，粉垄深耕处理0～40 cm各耕层内的水分均极显著高于对照处理，在3-5月，T1处理0～10 cm耕层土壤平均含水率比T2 高出0.62百分点，在10～20 cm耕层分别比T2和T3高出3.23，4.92百分点，在20～30 cm耕层分别高出9.43，12.3百分点，在30～40 cm耕层分别高出9.56，13.88百分点，这说明，粉垄深耕对于烤烟团棵期与旺长期0～40 cm耕层土壤含水率有一定的增益效果，其原因可能与深耕有利于土壤水分的下渗，提高深层土壤的蓄水能力有关[22]；而在6-7月，粉垄深耕处理在0～10 cm地表的耕层内水分含量低于常规处理，其导致的原因可能是由于粉垄机械地改善了土壤的通透性，增大了各耕层内的孔隙度，加大了土壤与空气间的交换量，差同时6-7月日照强度和温度的升高，从而加快了耕层内水分的蒸发速度导致。而在10～40 cm耕层内，粉垄处理含水率均高于常规处理且在30～40 cm耕层内异显著，这说明粉垄处理在烤烟成熟期对30～40 cm含水率影响较为显著，其导致的原因可能是由于6-7月烤烟根系的分布已完善，而粉垄处理更利于根系下扎，从而提高了土壤的保墒特性。整个生育期内T3处理40～50 cm耕层水分均高于其余处理，其原因可能是该土层未受到粉垄深耕的直接影响，受土壤类型与成土母质的影响更为显著。

3.2 不同耕作方式对团聚体及根系的影响

团聚体的形成是一个生物学、物理-化学的过程，土壤的耕作具有两面性，既能够促进团聚体的形成，也会破坏团聚体的结构，而团聚体的稳定则与土壤内有机质的构成与质量、土壤的生物活性、渗透率和抗侵蚀能力等息息相关，前人研究表明，良好的耕作措施在一定程度上可以增加土壤稳定性[23-24]。本研究表明，粉垄深耕处理，随着耕层深度的增加，团聚体稳定指数下降，T1处理0～10 cm耕层内团聚体稳定指数R0.25、GMD均极显著高于T3常规耕作，MWD显著高于T3处理，10～30 cm耕层内，R0.25、GMD、MWD均极显著高于T3处理，D值在0～30 cm耕层内均极显著低于T3处理，在30～40 cm耕层内显著高于T3处理，40～50 cm耕层内无显著性差异，这说明粉垄深耕有助于提高土壤在0～30 cm耕层团聚体的稳定性，而30～50 cm耕层内稳定降低可能是由于耕作机械的重量过大，使得犁底层的紧实度增大，从而导致孔隙度减少，团聚体稳定指数下降，最终影响了土壤稳定性。

根系的良好发育决定着地上部分烟叶的形态建成[25]。本研究表明，在烤烟旺长期、成熟期，粉垄深耕可显著的提高地下部根系的干质量、鲜质量、体积，其中，T1干质量比T3分别提高28.93%，28.33%，鲜质量比T3分别提高14.04%，24.02%，体积比T3分别提高55.61%，36.34%，这说明粉垄深耕对烤烟根系的生长发育，根系在土壤内的延伸和分布有着显著的促进作用。从团聚体与根系的相关性分析来看，根系体积、干质量、干鲜比与团聚体稳定指标、孔隙度、容重均表现出较强的相关性，这说明团聚体的稳定性和土壤物理性状对于烤烟根系的生长发育有着较强的抑制和促进作用，团聚体越稳定，土壤物理性状越好，根系发育就越可观。因此，粉垄深耕在提升团聚体稳定性的同时，对根系的生长发育也有着一定的促进作用。

总的来看，粉垄深耕在加深耕作层深度的同时，降低了0～30 cm耕层内的土壤紧实度、容重，增大了孔隙度，且对于提高烤烟团棵期与旺长期0～40 cm耕层含水率有显著的效果，同时，在0～30 cm耕层，粉垄深耕提升了团聚体的稳定性，为根系的生长发育提供了保障，提高了地下部根系的干质量、鲜质量和体积，优化了根系的空间结构，为优质烟叶的生产打下了基础，且良好的耕作措施可有效减少肥料过多使用造成的环境污染，更符合试行绿色农业的宗旨，更有利于实现烟叶的可持续发展。本研究对深入认识粉垄耕作，科学地进行烟田耕作具有一定的指导意义。