外源有機(jī)碳輸入結(jié)合垂直耕作對(duì)土壤養(yǎng)分和烤煙生長(zhǎng)發(fā)育的影響

楊佳宜, 陳 燾,,肖艷松,李宏光,黎 娟,李 強(qiáng),穰中文,周清明*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128; 2.湖南省煙草公司郴州市公司，湖南 郴州 423000)

【研究意義】煙草是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，烤煙產(chǎn)質(zhì)量的提高對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。我國(guó)人多地少和糧煙土壤的競(jìng)爭(zhēng)使得煙草輪作的條件大受限制[1]，煙草連作成為烤煙種植的普遍現(xiàn)象，連作常導(dǎo)致作物生長(zhǎng)發(fā)育不良，品質(zhì)及產(chǎn)量下降，抗病能力降低[2-3],且長(zhǎng)期不合理的耕作制度使得土壤營(yíng)養(yǎng)環(huán)境逐步變劣，長(zhǎng)期大量施用化肥也使得植煙土壤結(jié)構(gòu)變差，煙葉營(yíng)養(yǎng)比例失調(diào)，進(jìn)而使煙葉產(chǎn)質(zhì)量受到影響[4]，土壤成為提高烤煙產(chǎn)質(zhì)量的重要障礙因子，因此改良土壤，提高地力成了提高煙葉質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)烤煙生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的必要途徑，與傳統(tǒng)耕作模式相比，我國(guó)科研工作者從耕作技術(shù)、土壤改良等多個(gè)方面展開研究。【前人研究進(jìn)展】深松耕能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤的滲水透氣能力，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層的障礙，有效改善耕層土壤結(jié)構(gòu)，有利于作物根系的生長(zhǎng)和分布[6]。碳材料作為土壤改良劑已經(jīng)應(yīng)用于多種作物的生產(chǎn)，在國(guó)內(nèi)外諸多領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注[7-10],施用碳材料可以改善土壤理化性狀并且提高作物的產(chǎn)量[11-17]，有機(jī)碳材料還可以顯著提高氮肥利用效率,且與其他有機(jī)或無機(jī)肥配施能提高作物產(chǎn)量[18]，碳材料施入土壤后可以調(diào)節(jié)土壤容重和土壤孔隙度，有利于微團(tuán)聚體團(tuán)聚成更大粒級(jí)的團(tuán)聚體。【本研究切入點(diǎn)】與傳統(tǒng)耕作模式相比，垂直耕作形成全碎全松耕層[19]，粉壟耕作技術(shù)由廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院于2008年首次提出，垂直耕作機(jī)械由廣西五豐有限公司研發(fā)提供，該機(jī)械帶有垂直螺旋鈷頭,可根據(jù)作物種植深度需求,利用螺旋鉆頭垂直旋轉(zhuǎn)入土30～50 cm，粉碎土壤[20]。垂直耕作不擾亂土層,同時(shí)可擴(kuò)建土壤養(yǎng)分庫(kù)和水庫(kù)[21],促進(jìn)作物充分利用土壤養(yǎng)分。垂直耕作技術(shù)目前已在木薯、馬鈴薯、甘蔗、玉米、水稻、桑樹等作物上進(jìn)行了試驗(yàn)，與傳統(tǒng)耕作法相比，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均有不同程度的提高[22-27]。目前，垂直耕作應(yīng)用于煙草的研究還鮮有報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗(yàn)從優(yōu)化耕作技術(shù)和碳短板補(bǔ)齊的角度，利用垂直耕作技術(shù)開展構(gòu)建合理耕作層和全耕作層土壤培肥的技術(shù)研究，明確耕作措施和培肥措施對(duì)土壤和煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響效果，從而有針對(duì)性的解決湖南植煙土壤障礙引起的煙葉產(chǎn)量水平不理想的問題。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年3-8月在郴州市桂陽(yáng)縣仁義鄉(xiāng)梧桐村汪山組進(jìn)行，試驗(yàn)地地理位置：25°46′01″N，112°41′15″E，海拔250 m。桂陽(yáng)縣屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.2 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)1705.4 h，年平均降雨量1385.2 mm，夏季高溫少雨，冬季偏暖，雨雪甚少。試驗(yàn)田塊土壤類型屬于水稻土，質(zhì)地為壤土，其基本理化性狀為：pH 7.07，全氮含量2.06 g/kg，全磷含量0.99 g/kg，全鉀含量20.68 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量31.97 g/kg，堿解氮含量175.75 mg/kg，有效磷含量56.30 mg/kg，速效鉀含量338.33 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為湘煙5號(hào)，試驗(yàn)田塊土壤類型屬于麻沙泥，質(zhì)地為壤土，前作為水稻。本試驗(yàn)選取2種有機(jī)碳材料：腐殖酸粉和水稻秸稈，設(shè)計(jì)4個(gè)處理(對(duì)照)：T1垂直耕作+施加腐殖酸；T2垂直耕作+秸稈還田；T3垂直耕作不加外源有機(jī)碳；最后增加常規(guī)耕作且不施加外源有機(jī)碳處理作為對(duì)照CK，垂直耕作的耕作深度為30 cm。試驗(yàn)用苗均為漂浮育苗，于3月18日統(tǒng)一移栽，7月8號(hào)完成采收，株行距為50 cm×120 cm，施肥方式和田間管理參照郴州優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)。

1.3 觀測(cè)項(xiàng)目與方法

觀察記載各處理的生育進(jìn)程，每處理選取有代表性的煙株10株，于移栽后20、40、60和80 d測(cè)定煙株株高、葉數(shù)、最大葉長(zhǎng)、最大葉寬等農(nóng)藝性狀，測(cè)定方法參考YC/142-1998。分別于移栽后20、40、60和80 d取樣，每次每個(gè)處理取代表性的根系完好的整株煙株3株，并將煙株分器官烘干、稱重、粉碎、保存?？緹煶墒炱谠诿總€(gè)小區(qū)使用五點(diǎn)取樣法挖取壟體上10 cm深處的土壤樣品，檢測(cè)各處理土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量[28]，煙葉收獲烘烤后采用C3F等級(jí)的烤后煙葉樣品進(jìn)行主要化學(xué)成分分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Office 2007和SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，多重比較檢驗(yàn)方法為L(zhǎng)SD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源有機(jī)碳輸入結(jié)合垂直耕作對(duì)土壤養(yǎng)分和pH的影響

由表1可知，T1、T2處理的土壤pH值顯著高于T3，T3處理的土壤pH值顯著高于CK；T1、T2處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于T3處理和CK，而T3處理的有機(jī)質(zhì)含量顯著低于CK，有效磷、速效鉀、堿解氮的含量從大到小均是T1>T2>T3>T4，且差異顯著，其中，T1、T2和T3的有效磷含量較CK分別增加了72.70 %，68.81 %和35.99 %，T1、T2和T3的速效鉀含量較CK分別增加47.91 %，46.57 %和24.28 %，T1、T2和T3的堿解氮含量較CK分別增加79.08 %，78.06 %和40.58 %，可見垂直耕作結(jié)合外源有機(jī)碳施入能有效改善土壤中的速效養(yǎng)分含量，且能顯著提高土壤pH值。

表1 外源有機(jī)碳施入結(jié)合垂直耕作對(duì)土壤養(yǎng)分和pH的影響

2.2 外源有機(jī)碳輸入結(jié)合垂直耕作對(duì)煙株農(nóng)藝性狀的影響

由表2可知，前2個(gè)時(shí)期CK的多項(xiàng)農(nóng)藝性狀指標(biāo)顯著高于垂直耕作的3個(gè)處理，移栽后20 d時(shí)，CK的各項(xiàng)農(nóng)藝性狀指標(biāo)均顯著高于T1、T2、T3，移栽后40 d時(shí)各處理間株高與葉片數(shù)沒有顯著差異，T1、T2的最大葉長(zhǎng)顯著高于T3，最大葉面積CK仍顯著高于T1、T2、T3，移栽后60 d時(shí)的株高和最大葉面積從大到小為T1>T2>T3>CK，其中T1和T2間差異不顯著，T1、T2與T3和CK差異均顯著，移栽后80 d時(shí)，最大葉面積從大到小為T1>T2>T3>CK，株高與最大葉長(zhǎng)從大到小為T2>T1>T3>CK，各項(xiàng)指標(biāo)的T1和T2間差異不顯著，T1、T2與T3和CK差異顯著。

2.3 外源有機(jī)碳輸入結(jié)合垂直耕作對(duì)烤煙根系的影響

移栽后各時(shí)期垂直耕作處理的煙株根系比常規(guī)耕作處理有更多的一級(jí)側(cè)根數(shù)，根系更發(fā)達(dá)，移栽后80 d時(shí)施加外源有機(jī)碳處理的垂直耕作處理的一級(jí)側(cè)根數(shù)極顯著高于不加碳材料的垂直耕作處理。由表3可見，移栽后20 d時(shí)，各處理間的根系活力沒有顯著差異，這一時(shí)期T1、T2、T3 3個(gè)處理的煙株生長(zhǎng)較緩慢。移栽后40 d時(shí)根系下扎深度和根系干重兩項(xiàng)指標(biāo)各處理間均無顯著差異，CK的根系活力顯著低于T1、T2。移栽后60 d時(shí)，根系活力從大到小為T1>T2>T3>CK，其中T1和T2兩者間差異不顯著，其余各組差異顯著，根系下扎深度從大到小為T1>T2>T3>CK，只有T3和CK間的差異達(dá)到顯著，根干重從大到小為T2>T1>T3>CK，其中只有T2與T1間差異不顯著。移栽后80 d時(shí)，根系活力、根系下扎深度和根干重從大到小均為T1>T2>T3>CK，且T1與T2差異未達(dá)到顯著，而T1、T2與T3，T3與CK差異均達(dá)到顯著水平。說明垂直耕作后有利于煙株根系生長(zhǎng)和干物質(zhì)的積累，垂直耕作結(jié)合外源有機(jī)碳的施入則比單一的垂直耕作處理更有利于煙株根系生長(zhǎng)。

表3 不同外源有機(jī)碳施入結(jié)合垂直耕作對(duì)移栽后不同時(shí)間烤煙根系的影響

2.4 外源有機(jī)碳輸入結(jié)合垂直耕作對(duì)烤煙干物質(zhì)積累的影響

由表4可知，在移栽后20 d時(shí)，常規(guī)耕作處理的整株煙株鮮重和干重極顯著高于垂直耕作處理，同時(shí)CK的干鮮比顯著高于各垂直耕作處理。移栽后40 d時(shí)，常規(guī)耕作處理干鮮重顯著優(yōu)于垂直耕作處理，各處理間干鮮比沒有顯著差異。移栽后60 d時(shí)，T1、T2兩處理間干鮮重和干鮮比沒有顯著性差異，T1、T2的煙株鮮干物質(zhì)量顯著優(yōu)于T3，T3煙株鮮干物質(zhì)量顯著優(yōu)于CK，各處理間干鮮比沒有顯著差異。移栽后80 d時(shí)，T1、T2處理的鮮干重極顯著高于T3處理，T3處理的鮮干重極顯著高于CK，T1、T2兩處理的干鮮比顯著高于CK。移栽后80 d時(shí)，2個(gè)施加外源有機(jī)碳的垂直耕作處理T1和T2較T3的干物質(zhì)量分別高出16.95 %和18.08 %，T3較CK干物質(zhì)量高出15.44 %，可見垂直耕作結(jié)合外源有機(jī)碳施入有利于烤煙整株干物質(zhì)量的積累，且比僅僅垂直耕作處理的整株煙的干物質(zhì)量多15 %以上。

表4 不同外源有機(jī)碳施入結(jié)合垂直耕作對(duì)烤煙干物質(zhì)積累的影響

表5 不同外源有機(jī)碳施入結(jié)合垂直耕作對(duì)烤后煙化學(xué)性狀的影響

2.5 外源有機(jī)碳輸入結(jié)合垂直耕作對(duì)化學(xué)指標(biāo)的影響

由表5可見，C3F等級(jí)的烤后煙葉T1、T2的總糖還原糖含量顯著高于T3、T3的總糖還原糖含量顯著高于CK，T1、T2、T3的總糖含量較CK分別增長(zhǎng)2.14 %，1.89 %，1.10 %，T1、T2、T3的還原糖含量較CK分別增長(zhǎng)2.00 %，2.05 %，0.97 %，煙堿含量各處理間沒有顯著差異，垂直耕作處理的氮堿比顯著高于常規(guī)對(duì)照，垂直耕作處理糖堿比顯著高于CK，T1、T2、T3糖堿比較CK分別高8.77 %，7.94 %，4.54 %，氯離子含量均處于適宜范圍，由高到低排序?yàn)門3>T2>CK>T1。

可見垂直耕作處理的烤后煙葉較常規(guī)耕作處理總糖還原糖含量、糖堿比和氮堿比更高，施加外源有機(jī)碳的垂直耕作處理烤后煙葉的多項(xiàng)指標(biāo)顯著優(yōu)于單獨(dú)垂直耕作處理的烤后煙葉。

3 討 論

土壤垂直耕作后能夠大大增加土壤的耕層深度，楊章明[29]等研究結(jié)果顯示,煙地深翻可以顯著提高煙株農(nóng)藝性狀并顯著提高煙葉質(zhì)量。本試驗(yàn)采用垂直耕作技術(shù)，耕作深度達(dá)到30 cm，大大提高了土壤釋放養(yǎng)分的潛力[30]，本試驗(yàn)中垂直耕作處理的烤煙農(nóng)藝性狀在移栽后60 d后顯著優(yōu)于常規(guī)耕作處理，增施外源有機(jī)碳可以改善土壤養(yǎng)分，提高土壤中氮磷鉀的含量[11,31]，且由于外源有機(jī)碳具有堿性[32]，因此施加外源有機(jī)碳可提高土壤的pH值[33]，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)中施加外源有機(jī)碳的垂直耕作處理有機(jī)質(zhì)含量顯著高于CK，而不施加外源有機(jī)碳的垂直耕作處理的有機(jī)質(zhì)含量顯著低于CK，這與前人研究發(fā)現(xiàn)的施加碳材料能顯著增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量的結(jié)果不一致[34-35]，這可能是因?yàn)榇怪备骱鬅熤旮课震B(yǎng)分能力增強(qiáng)，消耗了更多的土壤本底有機(jī)質(zhì)含量。

煙地深耕能改善土壤結(jié)構(gòu)從而改善作物根系生長(zhǎng)環(huán)境,擴(kuò)大根系的吸收范圍[36-37]，外源有機(jī)碳施入可促進(jìn)烤煙前期根系生長(zhǎng)，同時(shí)可延緩烤煙生長(zhǎng)后期根系衰老，保持一定的根系活力，有研究表明碳材料能夠增加水稻生育前期根系總長(zhǎng)度、根體積和鮮重,而在水稻生育后期,碳材料能夠提高根系活度,延緩其衰老[38]。移栽后20 d時(shí)各處理根系沒有顯著差異，從移栽后40 d開始垂直耕作處理的根系顯著優(yōu)于常規(guī)耕作處理，這與前人研究結(jié)果有些許差異[39]，這可能是因?yàn)榇怪备骱笸寥栏鲗釉黾?，土壤的養(yǎng)分庫(kù)容量增大，前期根系能從垂直耕作后的土壤中吸收的養(yǎng)分相對(duì)變少，后期在更深層次的土壤中能比常規(guī)耕作處理的煙株根系吸收更多的養(yǎng)分。施用碳材料可以顯著提高烤煙的生物量，促進(jìn)煙株生長(zhǎng)[40-41],這與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致，且本試驗(yàn)中垂直耕作結(jié)合外源有機(jī)碳輸入對(duì)根系產(chǎn)生的促進(jìn)作用使得煙株積累干物質(zhì)能力更強(qiáng)。潘金華等[42]研究了施用碳材料對(duì)烤煙品質(zhì)的影響,結(jié)果表明施用有機(jī)碳材料烤后煙葉的煙堿與全氮含量有所下降,還原糖含量有所增加，糖堿比有所優(yōu)化，這與本研究結(jié)果基本一致，垂直耕作措施結(jié)合有機(jī)碳的輸入使得煙株吸收土壤養(yǎng)分能力更強(qiáng)，因此烤后煙葉的化學(xué)成分更協(xié)調(diào)。

4 結(jié) 論

外源有機(jī)碳輸入結(jié)合垂直耕作可以很明顯地改善耕層土壤的物理特性，同時(shí)提高耕層土壤中氮磷鉀及有機(jī)質(zhì)含量，受益于土壤理化性狀的提升，烤煙根系的生長(zhǎng)發(fā)育得到明顯提高，其中側(cè)根數(shù)的顯著增加能夠提升煙株吸收養(yǎng)分的能力，煙株地下部分生長(zhǎng)發(fā)育的提升帶動(dòng)了地上部分生長(zhǎng)發(fā)育的提升，煙株的農(nóng)藝性狀及干物質(zhì)量得到顯著提高，調(diào)節(jié)了B2F及C3F烤后煙葉的化學(xué)性狀，證明了外源有機(jī)碳輸入結(jié)合垂直耕作可以有效改善土壤養(yǎng)分失衡和質(zhì)量下降的問題，為垂直耕作后的土壤快速培肥技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)。