深耕及復(fù)合措施對土壤呼吸、烤煙生長及品質(zhì)的影響

王 東,陳 彪,崔曉闖,張 偉,倫 錦*

(1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,河南 鄭州 450017;2.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 許昌卷煙廠,河南 許昌 461000;3.河南省煙草公司 平頂山市公司,河南 平頂山 467002)

保護(hù)性耕作是相對于傳統(tǒng)翻耕的一種新型耕作技術(shù),是指在一季作物收獲之后地表殘茬覆蓋率至少為30%,使土壤侵蝕控制約在50%的耕作和種植體系[1]。深耕是以改變微地形為主的保護(hù)性耕作措施,可以有效降低土壤的緊實(shí)度[2]，改善土壤的通透性[3]，增加土壤的微生物活性[4]，提高土壤的肥力[5],進(jìn)而促進(jìn)作物根系生長和提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[6]。土壤呼吸是指土壤釋放二氧化碳的過程,從嚴(yán)格意義上講是指未擾動(dòng)土壤中產(chǎn)生二氧化碳的所有代謝作用,包括3個(gè)生物學(xué)過程(土壤微生物呼吸、根系呼吸、土壤動(dòng)物呼吸)和1個(gè)非生物學(xué)過程,即含碳礦物質(zhì)的化學(xué)氧化作用[7],也是農(nóng)田碳庫向大氣碳庫輸入的主要途徑；土壤呼吸值的變化對全球氣候變暖有較大的影響[8]。因此,深入研究土壤耕作、秸稈還田和綠肥翻壓對土壤呼吸排放特征的影響,對制定科學(xué)有效的土壤耕作方式及土壤碳調(diào)控管理措施具有重要意義。

研究表明,深耕對農(nóng)田土壤的呼吸有顯著的影響[9]。在翻耕條件下農(nóng)田土壤的呼吸速率顯著高于旋耕和免耕條件下的,而深松耕處理的土壤呼吸速率又顯著高于翻耕處理的[10]。秸稈和綠肥翻埋還田可以提高土壤的呼吸速率,且隨著秸稈還田量的增加土壤呼吸通量顯著提高[11]。此外,土壤溫度、土壤水分、土壤透氣性和土壤有機(jī)質(zhì)含量等也是影響土壤呼吸的關(guān)鍵因子[12-13]。前人的研究多側(cè)重于分析單一的土壤耕作方式或秸稈處理方式對土壤呼吸特征的影響[14-15],且研究周期多局限于單一作物生長季[16],而對翻耕深度及秸稈還田、綠肥翻壓條件下作物各個(gè)生長時(shí)期土壤呼吸速率的變化規(guī)律的研究目前鮮有報(bào)道。鑒于此,本試驗(yàn)采用深耕、淺耕與秸稈還田、綠肥翻壓相結(jié)合的模式,研究了不同措施對煙田土壤呼吸速率及其調(diào)控因子，以及烤煙的生長發(fā)育、化學(xué)成分和感官質(zhì)量的影響，以期揭示不同耕作方式下土壤呼吸速率及其影響因素的變化規(guī)律，探索不斷改善豫中煙區(qū)土壤質(zhì)量、促進(jìn)烤煙生長發(fā)育和提高煙葉質(zhì)量的有效途徑,為烤煙生產(chǎn)建立適宜的深耕栽培技術(shù)方案。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019年在河南省郟縣市李口鄉(xiāng)白龍廟村進(jìn)行。土壤質(zhì)地為砂壤土,土壤基礎(chǔ)肥力指標(biāo)為: pH值7.8,有機(jī)質(zhì)含量17.1 g/kg,堿解氮含量49.0 mg/kg,速效磷含量6.3 mg/kg,速效鉀含量87.5 mg/kg,緩效鉀含量629.4 mg/kg,有效硫含量13.9 mg/kg。試驗(yàn)田地勢平坦,排灌方便。供試烤煙品種為中煙100；選取生長茁壯的煙苗于5月10日移栽；適時(shí)打頂,打頂時(shí)每株煙留葉21或22片。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每處理重復(fù)3次,共設(shè)置5個(gè)處理和1個(gè)對照。CK:常規(guī)耕作(對照)。處理T1:常規(guī)耕作+綠肥翻壓。T2:常規(guī)耕作+秸稈還田。T3:深耕。T4:深耕+綠肥翻壓。T5:深耕+秸稈還田(秸稈還田量為6000 kg/hm2)。

試驗(yàn)田每小區(qū)(6～8行區(qū))面積約100 m2,并設(shè)置保護(hù)行。常規(guī)耕作：采用鏵式犁翻耕1遍,作業(yè)深度為20 cm,隨后耙地2遍,以便于起壟栽煙。深耕：采用鏵式犁翻耕1遍,作業(yè)深度為30 cm,隨后耙地2遍。腐熟秸稈于起壟前撒施于地面,結(jié)合土壤耕作混入土壤中進(jìn)行翻埋。綠肥按照當(dāng)?shù)夭シN量播種后,于耕作時(shí)翻壓還田。土壤耕作后起壟覆膜,選擇長勢均勻一致的煙苗移栽。

各處理的施肥量依照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量標(biāo)準(zhǔn),即純氮22.5 kg/hm2,N∶P2O5∶K2O=1∶2.25∶6；試驗(yàn)所用肥料為煙草專用復(fù)合肥(10∶12∶24),磷、鉀不足部分用重過磷酸鈣、硫酸鉀補(bǔ)充提供。除耕作方式不同外,所有處理均保持相同的田間管理方式及烤煙調(diào)制措施。

1.3 測定項(xiàng)目

1.3.1 土壤理化指標(biāo) 使用土壤緊實(shí)度儀測定耕作后土壤的緊實(shí)度,以2.5 cm深度為1層，每層測定1個(gè)數(shù)據(jù),計(jì)算0～40 cm的平均土壤緊實(shí)度。分別在烤煙移栽前以及移栽后30、60、90、120 d取0～20 cm耕層土壤,采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[17]測定土壤的有機(jī)碳含量。在移栽前以及煙株移栽后15、30、45、60、90、105 d,分別取0～10、10～20、20～30、30～40 cm土層的土壤,測定各土層土壤的容重。使用Li-COR 8100A土壤碳通量自動(dòng)測量儀測定土壤的呼吸速率,于烤煙的旺長期、圓頂期、成熟期晴朗無風(fēng)天氣的上午9:00～11:00進(jìn)行測定。

1.3.2 煙株生長指標(biāo) 在烤煙圓頂期,隨機(jī)選取各處理的5棵煙株,在烘箱中于105 ℃條件下殺青30 min,然后在70 ℃條件下烘干至恒重，測定煙株的干物質(zhì)積累量。參照王玉杰[18]的方法測定煙株根的干重密度。

1.3.3 烤后煙葉指標(biāo) 在煙葉烘烤后,選取各處理具有代表性的中部和上部煙葉樣品2 kg，進(jìn)行化學(xué)成分和香氣成分的分析。參照王瑞新[19]的方法進(jìn)行常規(guī)化學(xué)成分分析;感官評吸由河南中煙技術(shù)中心7名評吸委員進(jìn)行,各指標(biāo)采用專家評吸打分平均值作為量化分值。各評價(jià)指標(biāo)的評分權(quán)重為：香氣質(zhì)，20分；香氣量，20分；濃度，10分；雜氣，10分；刺激性，10分；余味，15分；勁頭，5分；燃燒性，5分；灰色，5分；總分為100分。

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2010和SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用Origin 9.0進(jìn)行分析繪圖；對平均值用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤呼吸的影響

2.1.1 不同處理對土壤呼吸速率的影響 土壤呼吸速率可表征土壤質(zhì)量和肥力水平,同時(shí)也可以反映土壤生物活性及土壤物質(zhì)代謝的強(qiáng)度[20]。由圖1可知：土壤呼吸速率在烤煙旺長期出現(xiàn)了高峰(常規(guī)耕作在圓頂期最高)；此后隨著生育進(jìn)程的推移而逐漸下降；在旺長期,不同處理的土壤呼吸速率表現(xiàn)為T4>T1>T5>T3>T2>CK;在圓頂期,不同處理的土壤呼吸速率表現(xiàn)為T4>T5>T1>T2>T3>CK;在成熟期,不同處理的土壤呼吸速率表現(xiàn)為T4>T5>T1>T3>T2>CK。與常規(guī)耕作相比,深耕能明顯增加土壤的呼吸速率,其中旺長期、圓頂期和成熟期的土壤呼吸速率分別比常規(guī)耕作顯著增加了21.62%、8.29%和43.46%。深耕+綠肥處理與深耕+秸稈還田處理也能明顯增加旺長期、圓頂期和成熟期的土壤呼吸速率,分別比對照顯著增加了55.68%、20.85%、53.69%和22.64%、15.08%、50.65%。

圖1 不同處理對土壤呼吸速率的影響

2.1.2 不同處理對土壤呼吸調(diào)控因子的影響

2.1.2.1 不同處理對土壤緊實(shí)度的影響 由圖2可知,無論是常規(guī)耕作還是深耕,在耕作后配合翻壓綠肥或者秸稈還田均能明顯降低土壤的緊實(shí)度,其中常規(guī)耕作配合綠肥翻壓及秸稈還田處理較常規(guī)耕作對照分別顯著降低了9.65%和7.02%,深耕配合綠肥翻壓及秸稈還田處理較深耕處理分別顯著降低了11.49%和15.52%,說明綠肥翻壓和秸稈還田對土壤的松緊結(jié)構(gòu)有明顯的改善作用。但與常規(guī)耕作相比,深耕后各處理土壤的緊實(shí)度均有所增加,其原因可能與烤煙生產(chǎn)起壟有關(guān),烤煙在平整土地耕作后進(jìn)行了起壟,目的是提高土壤的活土層面積,但耕層加深后土壤變得緊實(shí)[21]。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.1.2.2 不同處理對土壤有機(jī)碳含量的影響 由圖3可知,隨著煙草生育期的推移,植煙土壤有機(jī)碳的含量變化并未呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,但不同耕作處理之間差異明顯。深耕后配合施用綠肥和秸稈還田可明顯增加土壤的有機(jī)碳含量,其中深耕+綠肥處理的土壤有機(jī)碳含量無論在哪個(gè)時(shí)期均最高；其次是深耕+秸稈還田處理；深耕+綠肥處理的土壤有機(jī)碳含量在各時(shí)期比常規(guī)耕作對照分別顯著增加了33.12%、14.08%、38.43%、33.38%和15.93%；常規(guī)耕作+綠肥或秸稈還田處理的土壤有機(jī)碳含量與常規(guī)耕作相比并未明顯增加,這可能與土壤耕層淺、水分與溫度不協(xié)調(diào)而使綠肥和小麥秸稈在土壤中腐解速度慢有關(guān)。常規(guī)耕作+綠肥處理的土壤有機(jī)碳含量自移栽后逐漸增加,在后期逐漸釋放出來。隨著煙草生育期的推移,深耕處理煙田土壤的有機(jī)碳含量在各處理中逐漸降到最低,這可能與深耕后添加有機(jī)物料有關(guān),深耕后土層發(fā)生變化,活土層厚度雖增加但未熟化,植煙土壤的有機(jī)營養(yǎng)水平減低[22]。

2.1.2.3 不同處理對土壤容重的影響 土壤容重可以反映土壤的顆粒組成和孔隙狀況。如圖4所示,隨著土層深度的增加,土壤容重逐漸增加。與常規(guī)耕作對照相比,深耕后各處理各土層的土壤容重均顯著降低,其中0～10 cm和10～20 cm土層容重表現(xiàn)為常規(guī)耕作+綠肥處理>常規(guī)耕作對照>深耕+綠肥處理>常規(guī)耕作+秸稈還田處理>深耕+秸稈還田處理>深耕處理,20～30 cm土層表現(xiàn)為常規(guī)耕作對照>常規(guī)耕作+綠肥處理>深耕處理>常規(guī)耕作+秸稈還田處理>深耕+秸稈還田處理>深耕+綠肥處理,30～40 cm土層表現(xiàn)為常規(guī)耕作對照>常規(guī)耕作+綠肥處理>深耕處理>常規(guī)耕作+秸稈還田處理>深耕+綠肥處理>深耕+秸稈還田處理。結(jié)果表明,在0～20 cm表土層范圍內(nèi),施用綠肥對改良土壤容重效果并不明顯,但深耕和深耕+秸稈還田處理可明顯降低土壤的容重。深耕后配施綠肥和秸稈還田可明顯降低20～40 cm土層的容重,尤其是20～30 cm土壤容重明顯降低,說明深耕后配合有機(jī)物料可增加活土層的深度,并能夠熟化土層,改良土壤孔隙結(jié)構(gòu)。

圖4 不同處理對土壤容重的影響

2.2 不同處理對烤煙生長的影響

2.2.1 不同處理對烤煙干物質(zhì)積累的影響 由圖5可見：深耕可明顯增加烤煙在圓頂期的植株總干物質(zhì)累積量；深耕配合種植綠肥或者秸稈還田也可明顯增加植株的干物質(zhì)累積量,其中深耕處理的煙株干物質(zhì)積累比常規(guī)耕作顯著提高了48.67%,深耕+綠肥和深耕+秸稈還田處理分別比常規(guī)耕作顯著增加了101.16%和59.48%；不同處理的烤煙干物質(zhì)積累量總體表現(xiàn)為深耕+綠肥>深耕+秸稈還田>深耕>常規(guī)耕作+綠肥>常規(guī)耕作+秸稈還田>常規(guī)耕作。

2.2.2 不同處理對烤煙根系干物質(zhì)密度的影響 根干重密度是指單位土壤體積的根干重,可以反映根系在土壤剖面的垂直分布,是反映植株根系生長狀況的重要指標(biāo)之一[23]。由圖6可知,不同處理在烤煙圓頂期的根系干物質(zhì)密度表現(xiàn)出一定的規(guī)律性,即深耕+綠肥>深耕+秸稈還田>深耕>常規(guī)耕作+綠肥>常規(guī)耕作+秸稈還田>常規(guī)耕作。與常規(guī)耕作相比,深耕、深耕+綠肥和深耕+秸稈還田處理均增加了烤煙根系干物質(zhì)密度,分別比常規(guī)耕作顯著增加了62.25%、162.40%和90.58%。在常規(guī)耕作的基礎(chǔ)上,配合種植綠肥和秸稈還田也能提高烤煙根系的干物質(zhì)密度,分別比常規(guī)耕作提高了38.88%和6.34%。總體而言,在深耕的基礎(chǔ)上配合施用綠肥和秸稈還田有利于烤煙根系的生長。

2.3 不同處理對烤后煙葉品質(zhì)的影響

2.3.1 不同處理對烤后煙葉常規(guī)化學(xué)成分含量的影響 不同耕作處理烤煙各部位葉片的常規(guī)化學(xué)成分分析結(jié)果(表1)表明：不同處理的煙葉鉀含量均顯著高于對照的,特別是深耕配合施用綠肥和秸稈還田處理對提高煙葉各部位鉀含量效果非常明顯,其中深耕+綠肥處理的上部葉、中部葉鉀含量分別比常規(guī)耕作對照提高了0.68、0.87個(gè)百分點(diǎn),深耕+秸稈還田處理的上部葉、中部葉鉀含量分別比常規(guī)耕作對照提高了0.16、0.24個(gè)百分點(diǎn)。說明深耕配合綠肥和秸稈還田有利于煙葉鉀素含量的提高。

與常規(guī)耕作對照相比,常規(guī)耕作+綠肥和深耕處理能降低各部位煙葉的煙堿含量,常規(guī)耕作+秸稈還田處理能降低中、上部葉的煙堿含量。深耕后配施綠肥和秸稈還田處理的烤煙中、上部葉煙堿含量與常規(guī)耕作對照并無顯著差異。

從表1還可以看出：除深耕+綠肥處理外,其他各處理的上部葉總糖和還原糖含量均高于常規(guī)耕作對照；各處理的中部葉兩糖含量與對照相當(dāng);與常規(guī)耕作對照相比,深耕+綠肥處理能降低中上部葉的氯含量。

表1 不同處理對烤后煙葉常規(guī)化學(xué)成分含量的影響

圖5 不同處理對烤煙干物質(zhì)積累的影響

圖6 不同處理對烤煙根系干物質(zhì)密度的影響

2.3.2 不同處理對烤后煙葉中性致香物質(zhì)含量的影響 對烤后上中部葉的中性致香物質(zhì)含量進(jìn)行氣相色譜/質(zhì)譜(GC/MS)定量和定性分析，結(jié)果如表2所示。對于上部葉而言，深耕處理的烤后煙葉中性致香物質(zhì)總量均高于常規(guī)耕作對照的；常規(guī)耕作+秸稈還田處理的中性致香物質(zhì)總量較低；不同處理的中性致香物質(zhì)總量表現(xiàn)為深耕+綠肥>深耕>深耕+秸稈還田>常規(guī)耕作>常規(guī)耕作+綠肥>常規(guī)耕作+秸稈還田處理。從除新植二烯后的總量來看,除常規(guī)耕作+綠肥處理與常規(guī)耕作+秸稈還田處理基本相當(dāng)外,其他處理的表現(xiàn)規(guī)律與中性致香物質(zhì)總量相似。深耕+綠肥處理在類胡蘿卜素降解產(chǎn)物、新植二烯以及芳香類氨基酸降解產(chǎn)物的含量上最高,其次是深耕處理。Maillard反應(yīng)產(chǎn)物含量以深耕處理最高,其次是深耕+綠肥和深耕+秸稈處理,以常規(guī)耕作+秸稈還田處理最低。深耕+秸稈還田處理能明顯提高類西柏烷類降解產(chǎn)物茄酮的含量。

對于中部葉而言,深耕處理的中性致香物質(zhì)總量也均高于常規(guī)耕作對照的,規(guī)律與上部葉相似,但不同處理表現(xiàn)為深耕+綠肥>深耕+秸稈還田>深耕>常規(guī)耕作+綠肥>常規(guī)耕作>常規(guī)耕作+秸稈還田處理。從除新植二烯后的總量來看,深耕處理比深耕+綠肥處理略高,其次是常規(guī)耕作+綠肥處理,而以常規(guī)耕作對照最低。在類胡蘿卜素降解產(chǎn)物、新植二烯及芳香類氨基酸降解產(chǎn)物的含量上,以深耕+綠肥處理最高,其次是深耕和深耕+秸稈還田處理。Maillard反應(yīng)產(chǎn)物含量也以深耕處理最高。常規(guī)耕作+綠肥處理能明顯提高類西柏烷類降解產(chǎn)物的含量。

表2 不同處理對烤后煙葉中性致香物質(zhì)含量的影響 μg/g

2.3.3 不同處理對烤后煙葉感官評吸質(zhì)量的影響 對不同耕作處理烤煙中上部葉的感官質(zhì)量評吸結(jié)果(表3)表明:對中部葉而言,香氣質(zhì)均為中等,香氣量尚充足,表現(xiàn)為常規(guī)耕作各處理的得分高于深耕及深耕配合翻壓綠肥和秸稈還田處理,其中又以淺耕+綠肥處理的得分最高;濃度均為中等,得分表現(xiàn)為常規(guī)耕作+綠肥>深耕+綠肥>常規(guī)耕作+秸稈還田>深耕+秸稈還田>常規(guī)耕作>深耕處理,說明翻壓綠肥可以提高煙氣濃度;雜氣表現(xiàn)為“有”,但淺耕各處理的雜氣得分高于深耕各處理的;各處理的刺激性、勁頭和灰分得分基本相當(dāng);淺耕各處理的余味得分高于深耕處理;煙葉的燃燒性處于中等稍差水平,其中翻壓綠肥處理的燃燒性得分高于其他處理。各處理煙葉感官評吸質(zhì)量的總體得分表現(xiàn)為常規(guī)耕作+綠肥>常規(guī)耕作+秸稈還田>常規(guī)耕作>深耕+綠肥>深耕>深耕+秸稈還田處理。

對于上部葉而言,常規(guī)耕作各處理的香氣質(zhì)、香氣量、余味、濃度和燃燒性得分高于深耕及深耕配合翻壓綠肥和秸稈還田處理。各處理煙葉感官評吸質(zhì)量的總體得分表現(xiàn)為常規(guī)耕作+秸稈還田>常規(guī)耕作>常規(guī)耕作+綠肥>深耕>深耕+秸稈還田>深耕+綠肥處理。

綜上所述,無論中部葉還是上部葉,常規(guī)耕作對照及常規(guī)耕作配合翻壓綠肥或者秸稈還田處理的評吸得分都高于深耕各處理,這可能與試驗(yàn)地的輪作前茬有關(guān)，因試驗(yàn)地前茬為玉米,在玉米收獲后殘留氮素較多,影響到烤煙對礦質(zhì)元素的吸收和代謝[24]。

表3 不同處理對烤后煙葉感官評吸質(zhì)量得分的影響

3 小結(jié)

本試驗(yàn)結(jié)果表明：不同的耕作措施明顯地影響土壤的呼吸狀況。在烤煙旺長期時(shí)土壤呼吸速率最大；隨著生育期的推移,土壤呼吸速率逐漸降低；深耕及深耕后翻壓綠肥或秸稈還田能夠明顯提高土壤的呼吸速率。深耕配施綠肥和秸稈還田能明顯增加0～30 cm土層的有機(jī)碳含量,降低0～40 cm各土層的容重,改良土壤的孔隙結(jié)構(gòu)。

深耕及深耕配合綠肥翻壓或者秸稈還田可明顯增加烤煙在圓頂期的植株總干物質(zhì)累積量,且根系干物質(zhì)密度與烤煙干物質(zhì)累積量表現(xiàn)出一致的規(guī)律性，說明在深耕的基礎(chǔ)上配合施用綠肥和秸稈還田有利于烤煙根系的生長。

深耕及配施綠肥或秸稈還田可以提高煙葉的鉀含量,但對其他化學(xué)成分含量的影響不明顯。深耕及深耕后翻壓綠肥或秸稈還田處理能明顯增加烤后中上部煙葉的中性致香物質(zhì)總量和除新植二烯外的中性致香物質(zhì)總量；深耕+綠肥處理能明顯提高中上部葉的類胡蘿卜素降解產(chǎn)物、葉綠素降解產(chǎn)物新植二烯及芳香類氨基酸降解產(chǎn)物的含量。此外,深耕處理能提高中上部葉的Maillard反應(yīng)產(chǎn)物含量。常規(guī)栽培+綠肥處理能明顯提高中部葉的類西柏烷類降解產(chǎn)物的含量。深耕+秸稈還田處理能明顯提高上部葉的類西柏烷類降解產(chǎn)物的含量。無論中部葉還是上部葉,在評吸得分上,常規(guī)耕作對照及常規(guī)耕作配合翻壓綠肥或秸稈還田處理都高于深耕各處理。