耕作方式對(duì)山地?zé)熖锔麑羽B(yǎng)分庫容和烤煙根系、土壤水氮空間分布特征的影響

劉 棋，王 皓，張留臣，封幸兵，王津軍，鄧小鵬，李軍營，馬二登，童文杰*

（1．云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，云南 昆明 650021；2．三亞中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究院，海南 三亞 572025；3．中國煙葉公司，北京 100055；4．中國煙草總公司云南省公司，云南 昆明 650011）

山地?zé)熖锸俏覈鵁熑~生產(chǎn)的主體，2018年達(dá)到4.74×105hm2，占全國烤煙生產(chǎn)面積的52.7%。山地?zé)熖锊贿m于大型機(jī)械作業(yè)，田間土壤耕作主要以小動(dòng)力拖拉機(jī)淺旋耕為主。長期單一的土壤耕作模式導(dǎo)致山地?zé)熖锔麑幼儨\、土壤板結(jié)、犁底層增厚上移、土壤孔隙度變小等問題凸顯，影響烤煙根系生長發(fā)育和垂直下扎，阻礙烤煙根系對(duì)土壤水分、養(yǎng)分的吸收利用，最終影響煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)［1］。水分和養(yǎng)分是烤煙生長的基礎(chǔ)物質(zhì)，也是影響其產(chǎn)量質(zhì)量形成的主要因子［2］。土壤耕作方式是影響耕層水分、養(yǎng)分垂直分布的重要因素，土壤耕層肥力是衡量土壤能夠提供作物生長所需養(yǎng)分的能力。前人研究表明，土壤耕層結(jié)構(gòu)性障礙對(duì)作物根系生長發(fā)育存在抑制作用，通過耕作措施的優(yōu)化，如深松、深翻等，可改良耕層構(gòu)造，協(xié)調(diào)水分、氮素的空間分布，促進(jìn)根系向深層土壤伸長，提高根系對(duì)深層土壤水分、養(yǎng)分的利用，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量［3-5］。王娜等［1］、童文杰等［6］也證明深翻措施可有效促進(jìn)煙株根系的生長發(fā)育，增加一級(jí)側(cè)根和不定根的根數(shù)，擴(kuò)展根系的分布范圍，顯著增加烤煙根系絕對(duì)量，提高烤煙根系根深指數(shù)。前人研究多集中在耕作方式對(duì)土壤理化性質(zhì)、根系生長與養(yǎng)分吸收以及產(chǎn)量提高方面，然而，關(guān)于不同耕作方式對(duì)山地?zé)熖锿寥浪帧⒌睾涂緹煾档目臻g分布特征及土壤水分、養(yǎng)分與烤煙根系空間分布協(xié)調(diào)性的調(diào)控機(jī)制尚不清楚。本文依托田間試驗(yàn)，探究不同耕作方式對(duì)山地?zé)熖锿寥鲤B(yǎng)分庫容、水氮空間分布及烤煙根系形態(tài)的影響，明確深翻、深松對(duì)煙葉生產(chǎn)提質(zhì)增效的作用機(jī)理，以期為西南山地?zé)熖锿寥栏髂Ｊ降母倪M(jìn)提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年3～10月在云南省玉溪市紅塔區(qū)高倉街道干海子村（24°30′ N，103°32′ E）進(jìn)行田間定位試驗(yàn)。該地區(qū)屬于亞熱帶高原季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量779.5～989.7 mm，年平均氣溫15.6～23.8℃，無霜期244～365 d，年平均日照2115.0～2285.4 h，海拔為1760 m。試驗(yàn)田土地平坦，排水良好，土壤類型為紅壤，前茬作物為小麥，烤煙季灌溉方式為穴灌，土壤肥力偏低，耕作前0～20 cm土層土壤基礎(chǔ)性狀為：pH 6.72，有機(jī)質(zhì)17.8 g·kg-1，堿解氮79.1 mg·kg-1，有效磷37.4 mg·kg-1，速 效 鉀204 mg·kg-1，全 氮0.75 g·kg-1，全 磷1.28 g·kg-1，全 鉀7.7 g·kg-1，氯 離 子3.20 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)旋耕20 cm（RT 20，對(duì)照）、深松30 cm（ST 30）、深翻30 cm（DT 30）和深松40 cm（ST 40）4個(gè)處理，采用單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，通過拖拉機(jī)液壓控制耕作深度，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，各小區(qū)面積為108 m2（7.2 m×15 m）。耕作處理包括如下過程。（1）旋耕20 cm：利用旋耕機(jī)刀片切削、打碎土塊，疏松混拌耕層土壤，旋耕深度20 cm；（2）深翻30 cm：通過904東方紅拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛鏵式犁深翻耕地，深翻深度30 cm；（3）深松30 cm、深松40 cm：通過904東方紅拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛鑿式深松鏟疏松土壤而不翻轉(zhuǎn)土層，深松深度分別為30、40 cm。深翻、深松后采用旋耕機(jī)全田旋耕1遍細(xì)碎煙田表層土壤。供試材料為當(dāng)?shù)刂髟钥緹熎贩N‘K326’?？緹熤?、行距分別為0.6、1.2 m。于每年3月中下旬按試驗(yàn)設(shè)置開展耕整地，4月中下旬起壟理墑打塘，壟高25 cm，煙塘直徑35～40 cm，深度15～18 cm。4月下旬開展膜下小苗移栽，移栽前拌塘施用腐熟農(nóng)家肥7500 kg·hm-2和煙草專用復(fù)合肥（N-P2O5-K2O=12-6-24）200 kg·hm-2，移栽后10 d兌水澆施煙草專用復(fù)合肥225 kg·hm-2，移栽后30 d開展揭膜、追肥、培土等煙田中耕管理，追肥為塘內(nèi)環(huán)施鉀肥（農(nóng)業(yè)用硫酸鉀，K2O≥50%）275 kg·hm-2。病蟲害防治及其他田間管理措施參照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)管理辦法執(zhí)行。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 煙葉產(chǎn)量產(chǎn)值測定

烤煙成熟期，對(duì)各小區(qū)煙葉進(jìn)行單采單編單烤，根據(jù)《烤煙》（GB 2635-92）對(duì)烤后煙葉進(jìn)行專業(yè)化分級(jí)，并統(tǒng)計(jì)烤后煙葉產(chǎn)量，確定烤煙產(chǎn)值、均價(jià)和上等煙比例。

1.3.2 土壤水分、全氮和烤煙根系空間分布

烤煙現(xiàn)蕾期，利用小立方原位根土取樣器［7］，通過“3D monolith”［8］分層空間取樣方法，每10 cm為一土層，取到50 cm，每層以烤煙植株為中心取9個(gè)土塊，以體積10 cm×10 cm×10 cm大小的土塊為取樣單位。每個(gè)小區(qū)選定長勢一致并且位置連續(xù)的3株代表性煙株進(jìn)行根系取樣。測定全氮、土壤含水量和根系在取樣單位的含量。利用德國產(chǎn)AA3型流動(dòng)分析儀測定土壤全氮；利用根系掃描儀（Epson Perfection V800，Indonesia Inc.）掃描烤煙根系，通過根系分析系統(tǒng)（Win RHIZO Program，Regent Instruments Inc.）獲得根長、根表面積、根體積、直徑小于2 mm根長等根系參數(shù)。

1.3.3 耕層養(yǎng)分庫容特征

根據(jù)土壤堅(jiān)實(shí)度、根系分布、土壤顏色和土壤片狀結(jié)構(gòu)體的出現(xiàn)等劃分耕作層和犁底層界限，用卷尺測量耕層厚度［9］?？緹熗L期，在每個(gè)小區(qū)連續(xù)2株代表性烤煙之間的壟面上布置1個(gè)取樣點(diǎn)，環(huán)刀法測定耕層土壤容重［10］。有效耕層土壤量、養(yǎng)分庫容量和有效養(yǎng)分總庫容量通過如下計(jì)算公式［11］得出：

有效耕層土壤量（kg·hm-2）=耕層厚度（cm）×面積（104m2）×耕層土壤容重（g·cm-3）×1000；

養(yǎng)分庫容量（kg·hm-2）=耕層厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×養(yǎng)分含量（mg·kg-1）/10；

有效養(yǎng)分總庫容量（kg·hm-2）=堿解氮庫容量+有效磷庫容量+速效鉀庫容量。

1.3.4 土壤養(yǎng)分測定

土壤主要養(yǎng)分參照鮑士旦［12］的方法進(jìn)行測定。堿解性氮：堿解擴(kuò)散法測定；土壤有效磷：NaHCO3浸提，鉬藍(lán)比色法測定；土壤速效鉀：1 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

對(duì)樣品進(jìn)行分析，采用Excel 2007處理數(shù)據(jù)與作圖，用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)顯著性（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對(duì)烤煙產(chǎn)量產(chǎn)值的影響

由表1可知，不同土壤耕作方式下烤煙產(chǎn)量產(chǎn)值有顯著性差異。與RT 20相比，深翻、深松顯著提高烤煙的產(chǎn)量、產(chǎn)值，DT 30、ST 30和ST 40產(chǎn)量分別比RT 20高12.2%、12.3%和16.0%，產(chǎn)值分別比RT 20高10.5%、13.9%和21.8%。

表1 不同耕作處理對(duì)烤煙產(chǎn)量產(chǎn)值的影響

2.2 不同耕作方式下煙田土壤養(yǎng)分含量和養(yǎng)分庫容特征

不同耕作方式對(duì)山地?zé)熖锔麑雍穸?、耕層土質(zhì)量、養(yǎng)分庫容有顯著影響（表2）。與對(duì)照旋耕相比，深翻、深松措施顯著增加了耕層厚度、速效鉀庫容量、有效養(yǎng)分總庫容量（除DT 30），DT 30、ST 30和ST 40處理耕層厚度分別比RT 20增加了50.4%、40.8%、93.2%，速效鉀庫容量分別比RT 20增加了21.0%、25.6%、47.8%，有效養(yǎng)分總庫容量分別比RT 20增加了10.7%、15.1%、23.5%。深翻、深松措施顯著降低堿解氮庫容量，DT 30、ST 30和ST 40處理堿解氮庫容量分別比RT 20降低了9.8%、13.1%、24.7%。

表2 不同耕作方式下土壤養(yǎng)分庫容量

2.3 不同耕作方式對(duì)烤煙根系形態(tài)特征的影響

根長密度、根表面積、根體積、直徑小于2 mm根長是烤煙根系研究的重要形態(tài)指標(biāo)。不同耕作方式下山地?zé)熖?～50 cm土層烤煙根系形態(tài)特征見圖1。深翻、深松處理對(duì)0～20和40～50 cm土層烤煙根系形態(tài)無明顯影響，但對(duì)20～40 cm土層的烤煙根系形態(tài)有良好的促進(jìn)作用。20～40 cm土層，DT 30、ST 30和ST 40處理根長密度分別為0.77 、0.78和0.90 cm·cm-3，比RT 20分別增加了36.2%、39.1%和59.6%；DT 30、ST 30和ST 40根表面積、根體積和直徑小于2 mm根長均顯著高于RT 20，其中根表面積分別比RT 20高73.0%、103.6%和86.9%，根體積分別比RT 20高75.6%、54.4%和86.2%，直徑小于2 mm 根長分別比RT 20高75.6%、54.4%和86.2%。

2.4 不同耕作方式對(duì)土壤水分空間分布的影響

不同耕作方式對(duì)土壤水分空間分布的影響見圖2?？緹煬F(xiàn)蕾期，在0～50 cm土壤垂直剖面上，土壤水分呈先增加后降低的變化趨勢。0～50 cm土層土壤含水量DT 30、ST 30和ST 40處理分別較RT 20增加3.9%、3.7%和5.6%，說明深翻、深松措施增加土壤儲(chǔ)水量。0～20 cm土層，由于烤煙根系的吸收作用，導(dǎo)致土壤含水量出現(xiàn)顯著的降低，煙株根際附近出現(xiàn)了明顯的水分耗竭區(qū)域，且山地?zé)熖锿寥浪衷诳臻g上呈“煙株中心兩側(cè)對(duì)稱”的分布特征。與對(duì)照旋耕相比，DT 30、ST 30和ST 40處理顯著提高20～40 cm土層的土壤含水量，分別比RT 20高6.3%、5.3%和7.9%，說明深翻、深松處理改善了山地?zé)熖锿寥浪址植继匦浴?/p>

2.5 不同耕作方式對(duì)土壤全氮空間分布的影響

不同耕作方式對(duì)土壤全氮空間分布的影響見圖3?？緹煬F(xiàn)蕾期，在0～50 cm土壤垂直剖面上，土壤氮素含量隨土層的加深呈遞減趨勢。深翻、深松處理下的土壤全氮空間分布在煙株正下方10～20 cm土層出現(xiàn)較為明顯的耗竭區(qū)域，0～50 cm土層DT 30、ST 30和ST 40處理分別較RT 20降低7.7%、9.7%和11.1%。其中土壤0～20 cm土層，深翻、深松措施顯著降低土壤全氮含量，DT 30、ST 30和ST 40處理分別較RT 20降低10.1%、12.5%和14.5%。

2.6 不同耕作方式下烤煙根系與土壤總氮及土壤水分的空間協(xié)調(diào)性

作物根系的生長發(fā)育、表型特征與土壤水分、土壤養(yǎng)分的空間分布具有一定內(nèi)在關(guān)系。由圖4可知，0～20 cm土層，烤煙根長密度與土壤水分、土壤全氮呈極顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)分別為0.6353、0.2695。20～50 cm土層，烤煙根長密度與土壤水分無相關(guān)性；烤煙根長密度與土壤全氮呈顯著負(fù)相關(guān)，決定系數(shù)為0.3008。

3 討論

合理的耕作方式，有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，增加耕層厚度，促進(jìn)土壤養(yǎng)分積累，增加土壤養(yǎng)分庫容，是提高土壤保肥和供肥性能的重要措施［11，13］。淺旋耕由于耕作深度較淺，加上機(jī)械碾壓，耕層厚度降低速度快，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分庫容量減少［14］。本研究表明，與傳統(tǒng)旋耕相比，深翻、深松措施可有效打破山地?zé)熖锊糠掷绲讓?，顯著增加山地?zé)熖锔麑雍穸?，進(jìn)而增加耕層土壤有效養(yǎng)分總庫容量，可為烤煙生長發(fā)育提供更充足的養(yǎng)分供給。

根系是作物獲取水肥等資源最重要的器官，與農(nóng)田土壤中水分、養(yǎng)分的時(shí)空分布、運(yùn)移及消耗關(guān)系密切，同時(shí)又和作物地上部的生長發(fā)育、產(chǎn)量形成有直接關(guān)系，根系的生長發(fā)育和形態(tài)建成是作物生長的重要部分［15-16］。耕作方式可通過改變土壤環(huán)境影響作物根系的形成與空間分布［17］。本研究結(jié)果表明，深翻、深松耕作措施顯著影響烤煙根長密度、根表面積、根體積及其空間分布構(gòu)型。與旋耕對(duì)照相比，20～40 cm土層，深翻、深松措施對(duì)烤煙根系形態(tài)特征有良好的促進(jìn)作用。這與余海英等［18］、王秀珍等［19］研究一致，深翻、深松措施不僅更好地促進(jìn)作物根系向深層土壤下扎，且顯著提高20～50 cm土層根長密度、體積等形態(tài)指標(biāo)。

根系對(duì)土壤有效水分養(yǎng)分時(shí)空變化的反映能力，在根系高效吸收水分養(yǎng)分時(shí)起著舉足輕重的作用［20-22］。在理化特性不均勻的土壤中，根系通過自身的可塑性來充分吸收利用土壤中的水分養(yǎng)分等資源。根系的生長發(fā)育直接影響作物探尋吸收土壤中流動(dòng)變化資源的能力［23-24］，也可能對(duì)農(nóng)田土壤含水量和土壤全氮的空間分布反向調(diào)控［25］。本研究表明，在同一土層水平面上，根系集中的區(qū)域是土壤水分與全氮含量較低的區(qū)域。在0～20 cm土層，深翻、深松耕作處理下的土壤出現(xiàn)明顯的水分耗竭區(qū)域，水分耗竭區(qū)域范圍顯著大于旋耕對(duì)照的區(qū)域范圍，且全氮含量的耗竭區(qū)域更為明顯。在0～20 cm土層，土壤水分、土壤全氮與根長密度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；在20～50 cm土層，土壤水分與根長密度無顯著相關(guān)性，土壤全氮與烤煙根系形態(tài)分布呈顯著負(fù)相關(guān)。這也進(jìn)一步說明了深翻、深松措施改善了土壤環(huán)境，協(xié)調(diào)了烤煙根系、土壤水分、土壤全氮的空間分布，促進(jìn)烤煙根系生長并增加其對(duì)氮素、水分的吸收利用［26］。這可能是因?yàn)樯罘?、深松措施可打破犁底層，消除限制根系生長障礙因子，促進(jìn)根系下扎，同時(shí)，在降雨條件下，能夠提高土壤水分與土壤全氮向深層土壤的滲透，促進(jìn)根系的吸收［27-30］。

在農(nóng)業(yè)耕作措施的影響與地上部生長發(fā)育的變化之間，根系系統(tǒng)起到了橋梁紐帶的作用，土壤耕作措施首先影響土體結(jié)構(gòu)特征與水分養(yǎng)分含量，然后影響根系的生長發(fā)育、空間分布和生理活性，進(jìn)而作用于地上部形態(tài)建成，最終影響到作物產(chǎn)量和品質(zhì)［31-32］。本研究結(jié)果表明，深翻、深松措施對(duì)提升煙葉產(chǎn)量、產(chǎn)值均有較好影響，這可能與深翻、深松措施擴(kuò)增山地?zé)熖锔麑雍穸燃梆B(yǎng)分庫容，協(xié)調(diào)烤煙根系、土壤水分以及全氮空間分布，促進(jìn)烤煙對(duì)水肥的吸收有關(guān)。

就深翻與深松措施而言，均是適宜西南山地?zé)焻^(qū)的耕作良法，但就目前形勢而言，深翻措施更利于山地?zé)焻^(qū)，其主要原因：（1）煙草連作障礙較嚴(yán)重，深翻措施將深層土壤翻到地表，能夠減少雜草種子以及病菌、蟲卵的數(shù)量，更利于減少煙草病蟲害；（2）深翻后在進(jìn)行旋耕等農(nóng)事活動(dòng)阻力要小很多。但深松措施屬于保護(hù)性耕作，對(duì)土壤擾動(dòng)較少，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)影響較小，更有利于農(nóng)田的可持續(xù)利用［33］。

4 結(jié)論

深翻、深松措施可增加山地?zé)熖锔麑雍穸燃坝行юB(yǎng)分總庫容量，對(duì)優(yōu)化烤煙根系構(gòu)型、協(xié)調(diào)土壤水分養(yǎng)分空間分布、提高煙葉產(chǎn)量產(chǎn)值有良好的田間效果。深翻、深松是適宜西南山地?zé)焻^(qū)推廣應(yīng)用的耕作措施，在兼顧經(jīng)濟(jì)利益的條件下，深翻30 cm、深松30 cm更為適宜。受西南山地?zé)焻^(qū)地勢復(fù)雜、煙田地塊小、地塊分布零散和田間機(jī)耕道建設(shè)配套欠缺等區(qū)域農(nóng)田分布特征的影響，小型化深翻、深松機(jī)械的研發(fā)是下一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。當(dāng)然，在煙草的長期生產(chǎn)中，是否需要常年深翻深松或者隔年深翻深松還有待進(jìn)一步研究。