垂直深旋耕配施改土物料改良酸性土壤并提高烟草种植效益研究

邓小华 ，邓永晟，刘勇军 *，彭德元，王振华，符昌武，章程，胡庆辉，陈金，李源环

1 湖南农业大学农学院，长沙 410128；2 中国烟草中南农业试验站，长沙 410128；3 湖南省烟草公司张家界市公司，湖南张家界 427000；4 浙江中烟工业有限责任公司，杭州 310008

大田作物生产的前提是拥有良好的土壤。山地土壤酸化、有机质低、耕层浅等问题，已成为作物增产提质的限制因子[1-2]。酸性土壤改良常用石灰[3]、煤炭灰[4]、碱渣[5]等碱性无机改良剂直接中和酸度，但长期和大量施用这些无机改良剂会导致土壤板结和土壤镁、钾缺乏以及土壤磷有效性下降[6-7]。将无机改良剂与有机肥[8]、秸秆[9]、农林废弃物[10]、种植绿肥[6,11]等有机改良剂配合施用，可同时实现土壤酸度改良与土壤肥力提升。有机和无机改良剂配合施用虽能表现出良好的互补性，但改良剂在土壤中的移动性差，仅能对15～20 cm 以上表层土壤中和酸度和提升肥力，对20 cm 以下的表下层和底层土壤基本无效[7]，不利于深根系作物生长发育。垂直深旋耕可利用立式螺旋形钻头深耕、深松、碎土[12-13]，无机和有机改良剂配合组成改土物料可实现酸性土壤改良与培肥[11]，将两者结合起来可实现表层与表下层土壤酸度改良同步、酸性土壤改良与培肥同步，但相关研究少有报道。据此，采用双因素裂区试验探讨垂直深旋耕机械与多物料改土相结合对土壤理化性状和烤烟根系生长、农艺性状、经济性状、化学成分的影响，为山地酸性土壤可持续改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2019 年在湖南省慈利县高峰镇进行（29.44°N，110.92°E）。该地海拔800 m，年均气温16.8℃，年活动积温5200℃，年降雨量1390 mm，无霜期268 d，年日照时数1563 h，属亚热带季风山地湿润气候区。试验地土壤为棕壤土，pH 5.04，有机质19.42 g/kg，碱解氮90.45 mg/kg，有效磷7.21 mg/kg，速效钾123.55 mg/kg。烤烟品种为云烟87。石灰为市场上购买的熟石灰（主要成分氢氧化钙），施用量2250 kg/hm2；绿肥为燕麦鲜草（全氮、全磷、全钾含量分别为2.65%、2.34%、2.32%），施用量7500 kg/hm2；酸性生物有机肥为某商品肥，pH 6，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）= 2.0 ∶2.0 ∶4.0，有机质含量≥45%，有效活菌数≥0.5 亿/g，施用量450 kg/hm2；碱性生物有机肥为蒙古羊厩肥+复合益生菌配制，pH 8，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O） = 2.0 ∶1.0 ∶2.0，有机质含量≥45%，有效活菌数≥0.2×109CFU/g，施用量450 kg/hm2。

1.2 试验设计

试验采用双因素裂区设计，主区A为耕作方式，设A1为垂直深旋耕，A2为传统耕作；副区B为改土物料，设B1为不施改土物料，B2为施用石灰，B3为石灰+绿肥，B4为石灰+绿肥+酸性生物有机肥，B5为石灰+绿肥+碱性生物有机肥。3次重复，小区面积80 m2，副区随机排列。垂直深旋耕选用湖南田野现代智能装备有限公司生产的可实现垂直深旋耕和起垄的一体机，该机采用4根垂直轴旋切粉碎土壤，土壤翻耕和起垄一次性作业完成，垄幅120 cm，垂直旋耕深度40 cm，垄高35 cm；该机械不打破耕作层，但可将石灰、绿肥在0～20 cm耕层搅拌均匀，同时将部分石灰渗漏至已翻耕的较深耕层。传统耕作采用小型拖拉机带旋耕机旋耕作业，微型机械起垄，土壤翻耕和起垄分2次作业完成，垄幅120 cm，翻耕深度15～20 cm，垄高35 cm。石灰、绿肥、有机肥施用量参照以往研究[3,6,11]。在烤烟移栽前15 d，将燕麦绿肥和石灰均匀撒施在试验地表面，按试验设计要求翻地和起垄。生物有机肥于移栽前与烟草专用基肥一起条施。烤烟施氮量109.5 kg/hm2，氮（N）：磷（P2O5）：钾（K2O）比例为1 : 1.27 : 2.73，各处理氮、磷、钾施肥含量保持一致，其中B3、B4、B5处理添加的绿肥、生物有机肥养分量通过减少基肥中复合肥施用量进行调节。烤烟种植密度为16650株/hm2（1.2 m×0.5 m）。其他栽培管理措施同张家界优质烤烟生产技术规程。

1.3 主要检测指标及方法

（1）土壤理化特性测定：于烤烟收获结束后，每处理选择5 个点，在垄中间的两烟株之间采集0～20 cm 耕层土壤，制成混合土样。采用环刀法测定土壤容重和孔隙度[14]；土壤pH 采用电位法测定（水土比为1 ∶1）[14]；土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾分别采用重铬酸钾容量法、碱解扩散法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法、醋酸铵浸提-火焰光度法测定[14]。在移栽后30d 选择A1B2、A1B3、A2B2、A2B3、A2B1 处理，在两烟株之间的垄中间采用土壤原位取样器钻取50 cm 深的土柱（直径7 cm），分切成0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm 的土柱用于测定土壤pH。

（2）根系形态指标测定：每个处理于烤烟移栽120d 后选择5 株烤烟，采用植物根系取样器在离烟株10 cm 的垄体中部和垄边各取2 个土柱（深度20 cm，直径10 cm）。用水浸泡土柱，使根土分离并冲洗干净，用网筛承接根系，尽量保持根系完整。采用LA-2400 多参数根系分析系统[15]，测定根长、根表面积、根体积、根平均直径及根尖数。

（3）烤烟生长指标调查：每个处理定5 株烟进行观察，于移栽后60 d，按照标准《烟草农艺性状调查测量方法》（YC/T142－2010）测定株高、茎围、叶片数、最大叶长、最大叶宽等。叶面积=叶长×叶宽×0.6345。

（4）烤烟经济性状考查：每个处理单采、单烤，由分级专家分级并分别称重后，计算上等烟比例、中等烟比例、均价、产量、产值等烟叶经济性状。

（5）烟叶化学成分测定：各处理选取具有代表性的C3F 等级烟叶，采用荷兰SKALARSan++间隔流动分析仪[16]测定总糖、还原糖、烟碱、总氮、氯含量，火焰光度法测定烟叶钾含量。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0 软件中Analyze 菜单里的General Linear Model 的Univariate 命令进行裂区统计分析。新复极差法进行多重比较，英文小写字母表示差异在0.05 水平，英文大写字母表示差异在0.01 水平。当方差分析检定为显著性差异时，同时引入pEta2值[17-18]，其大小用来比较耕作方式（A）、改土物料种类（B）及其互作（A×B）对评价指标的影响大小。

2 结果与分析

2.1 耕层土壤pH 垂直变化

由图1 可知，从深度0～50 cm 土柱看，随土柱深度增加，土壤pH 下降；A1B3、A2B3、A1B2、A2B2、A2B1 土 柱 的pH 变 化 分 别 为6.44～5.28、6.32～4.95、6.43～5.24、6.30～5.06、5.06～4.92，其土柱pH 极差值分别为1.16、1.37、1.19、1.24、0.14，其变异系数分别为10.45%、15.94%、9.85%、13.43%、4.31%；垂直深旋耕配施改土物料处理（A1B3、A1B2）土柱的土壤pH 极差、变异系数小于传统耕作配施改土物料处理（A2B3、A2B2），说明垂直深旋耕有利于提高改土物料在土壤中的均匀度，主要是立式螺旋形钻头切削土壤，有利于石灰、绿肥与耕作层土壤的充分混匀。从不同处理看，在同一个深度，“绿肥+石灰”（A1B3、A2B3）处理与“石灰”处理（A1B2、A2B2）的土壤pH 差异不显著，但它们的pH 均显著高于A2B1 处理；在0～20 cm，垂直深旋耕处理的土壤pH 与传统耕作差异不显著，但在20～50 cm，垂直深旋耕处理的土壤pH 显著高于传统耕作，主要是由于垂直深旋耕加深耕层，使部分石灰渗漏至较深土层。可见，垂直深旋耕加深了耕作层，可提高土壤调酸效果，特别是有利于表下层土壤酸度的改良。

图1 土壤pH 垂直变化Fig.1 Vertical change of tobacco-planting soil pH

2.2 对土壤理化特性的影响

由表1 可知，从不同耕作方式看，垂直深旋耕可降低土壤容重，显著或极显著提高土壤孔隙度和pH，提高土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量。从不同改土物料看，单施石灰可提高土壤pH，提高有机质、有效磷、速效钾含量，对土壤容重、孔隙度、碱解氮没有显著影响；石灰+绿肥处理可降低土壤容重，提高土壤pH，提高土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量；B4、B5（“石灰+绿肥+生物有机肥”）处理可降低土壤容重，提高土壤孔隙度和pH，提高土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量；施用碱性生物有机肥（B5）较酸性有机肥（B4）更有利于提高土壤pH。从耕作方式和改土物料组合看，A1B5、A1B4、A1B3对土壤容重、孔隙度等物理特性改良效果较好；A1B5对提高土壤pH 的效果较好；A1B5、A1B4 对提高土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的改良效果较好。从不同因子的效应量估算值（pEta2）看，耕作方式（pEta2平均值为0.969）对土壤理化特性的影响最大，其次是改土物料（pEta2平均值为0.931），两者的互作（pEta2平均值为0.652）影响相对较小。从对不同土壤理化特性指标的效应量估算值看（处理间差异显著，pEta2值相对较大），耕作方式对土壤容重、土壤孔隙度、土壤碱解氮、土壤速效钾的影响较大，改土物料对土壤pH、土壤有机质、土壤有效磷、土壤速效钾影响较大，但两者互作（A×B）对土壤速效钾、土壤pH 的影响较大。可见，土壤理化特性主要受耕作方式和改土物料的影响，也受其互作的影响，以“垂直深旋耕+石灰+绿肥+生物有机肥”和“垂直深旋耕+石灰+绿肥”的处理有利于酸性土壤改良。

2.3 对烤烟根系的影响

由表2 可知，从耕作方式看，A1 较A2 可显著提高烤烟根系长度、表面积、体积和根尖数，但不同耕作方式的根系平均直径差异不显著。从不同改土物料看，B5 的烤烟根系长度、表面积、体积和根尖数最高；B4 与B3 的烤烟根系形态指标差异不显著，但它们均显著高于B2 和B1（根系平均直径除外）；B2 的烤烟根系长度和根系表面积显著高于B1。从耕作方式和改土物料组合看，A1B5 的烤烟根系形态指标值最高，其次是A1B4、A1B3、A2B5，A2B1、A1B1 相对较差。从不同因子的pEta2看，A（pEta2平均值为0.743）对烤烟根系形态指标的影响最大，其次是A×B（pEta2平均值为0.501）的影响，B（pEta2平均值为0.318）对烤烟根系形态指标的影响相对较小；耕作方式和改土物料对烤烟平均直径的影响相对较小。可见，烤烟根系主要受耕作方式的影响，其次是耕作方式与改土物料互作；总体上看，以“垂直深旋耕+石灰+绿肥+碱性生物有机肥”的处理更有利于烤烟根系发育，其次是以“垂直深旋耕+石灰+绿肥+酸性生物有机肥”和“垂直深旋耕+石灰+绿肥”的处理。

表2 不同处理对烤烟根系形态指标的影响Tab. 2 Effects of different treats on root morphological index

2.4 对烤烟农艺性状的影响

由表3 可知，A1 的株高、叶片数、叶长、叶宽、叶面积显著高于A2，但茎围显著低于A2。从不同改土物料看，株高以B3 最高，B3、B4 的株高显著高于B1；茎围以B5 最大，B5、B2 的茎围显著大于B1；叶片数差异不显著；叶长以B4 最大，B2、B4 的叶长显著大于B1；叶宽和叶面积以B4 最大，B4、B5 的叶宽显著大于B1。从耕作方式和改土物料组合看，A1B3、A1B4、A1B5 的株高相对较高，A2B5、A2B2 的茎围相对较大，A1B2、A1B3、A1B5、A2B4 的叶片数相对较多，A1B4 的叶长、叶宽和叶面积相对较大。从不同因子的pEta2看，A 对烤烟农艺性状影响最大，B 对烤烟株高、茎围和叶长的影响要大于A×B，但对叶片数、叶宽、叶面积的影响要小于A×B，A 和B 对烤烟茎围的影响相对较小。总体上看，以“垂直深旋耕+石灰+绿肥+酸性生物有机肥”的处理更有利于烤烟地上部生长，其次是以“垂直深旋耕+石灰+绿肥+碱性生物有机肥”和“垂直深旋耕+石灰+绿肥”的处理。

表3 不同处理对烤烟农艺性状的影响Tab. 3 Effects of different treats on agronomic characters of flue-cured tobacco

2.5 对烤烟经济性状的影响

由表4 可知，A1 的均价、产量、产值显著高于A2，但不同耕作方式的上等烟比例差异不显著。从不同改土物料看，B3、B4、B5 的上等烟比例、上中等烟比例、均价、产量、产值差异不显著，但它们显著高于B1、B2；B2 的上等烟比例、上中等烟比例、产量、产值显著高于B1。从耕作方式和改土物料 组 合 看，A1B3、A1B4、A1B5、A2B3、A2B4、A2B5 的上等烟比例、上中等烟比例、均价相对较高，A1B3、A1B4、A1B5 的产量和产值相对较高。从不同因子的pEta2看，A 对上中等烟比例、均价、产量、产值的影响较大，B 对上等烟比例影响最大，A×B对烤烟经济性状的影响相对较小。可见，改土物料主要影响质量指标，耕作方式主要影响产量和产值指标；总体上看，以“垂直深旋耕+石灰+绿肥+酸性生物有机肥” 处理的烤烟经济性状最好，其次是以“垂直深旋耕+石灰+绿肥+碱性生物有机肥”和“垂直深旋耕+石灰+绿肥”的处理。

表4 不同处理对烤烟经济性状的影响Tab. 4 Effects of different treats on economic characters of flue-cured tobacco

2.6 对烤烟化学成分的影响

由表5 可知，A1 的总糖、氯含量显著高于A2，但总氮含量显著低于A2。从不同改土物料看，B3、B4、B5 的总糖、还原糖、钾含量相对较高，但总氮含量相对较低。从耕作方式和改土物料组合看，A1B3、A1B4、A1B5、A2B5 的总糖、还原糖含量相对较高，A1B1、A2B1 的总氮含量相对较高，A1B5的钾含量相对较高，A1B3、A1B4 的氯含量相对较高（在适宜范围内）。从不同因子的pEta2看，耕作方式对总糖、总氮和氯的影响较大，改土物料对总糖、还原糖、总氮和钾的影响较大，两者互作（A×B）对烟叶钾的影响最大。可见，改土物料对烟叶化学成分的影响最大，耕作方式和改土物料及其互作对烟叶的烟碱含量影响相对较小。

表5 不同处理对烟叶化学成分的影响Tab. 5 Effects of different treats on chemical component of flue-cured tobacco

3 讨论

我国传统耕作深度一般在20 cm 以内，长期不变的深度不仅会导致耕层土壤的活土层变浅，而且在耕作层和心土层之间会形成一层坚硬的犁底层[19-20]，阻碍耕作层与心土层的水、肥、气、热交换，导致地力下降，影响烤烟根系下扎，容易引起烤烟早衰和烟叶不耐熟，造成烤烟产量和质量不稳定，降低烟叶质量和烟农收入。垂直深旋耕作为一种新型的耕作方式，采用钻头转轴垂直于被耕地面的立式螺旋形钻头快速扰动土壤，实现深耕、深松、碎土等深旋耕作业[12-13]，其机械包括垂直深旋耕机和起垄机械两大部分，实现深耕和起垄一次作业完成。本研究结果表明，山地植烟土壤采用垂直深旋耕方式，能降低土壤容重，提高土壤孔隙度，提升土壤肥力，改善土壤耕层质量，有利于烤烟根系发育，促进烤烟生长，提高烤烟产量和产值，这与韦本辉[13,20]、张绪成[21]、聂胜委[22]等人在其他作物上研究结论是一致的。因此，垂直深旋耕在烟草上应用具有一定发展前景。

表层与表下层土壤酸度的同步改良是酸化土壤改良需要重点解决的科学问题[7]。目前酸性土壤改良效果不甚理想，主要是改良剂较难散布在土壤表下层。虽然施用碱渣可以同时改良表层和表下层土壤酸度[23]（主要机制是碱渣中的硫酸根和氯离子促进了钙离子和镁离子等盐基阳离子在土壤剖面中迁移），但碱渣的长期施用会造成土壤二次污染。本研究采用垂直深旋耕机械，旋耕深度达到40 cm，加上起垄高度，疏松土壤层可达50～60 cm。垂直深旋耕不同于一般耕翻机械，不会将耕作层土壤完全打乱，但可将0～40 cm 土壤细碎，特别是有利于绿肥、石灰等改良剂与0～20 cm 土壤充分混匀，同时可将部分石灰渗漏至20 cm 以下土壤层，实现全耕层土壤酸度改良。因此，采用垂直深旋耕作业，应用石灰这类粉剂改良剂时要适当加大施用量，以提高改良剂的效果。

改良酸性土壤与提升土壤肥力同步是可持续改良土壤需要重点研究的问题。土壤具有酸碱缓冲特性，提高有机质可增强土壤缓冲pH 值变化的能力[24]。土壤酸化还伴随着土壤肥力退化、养分缺乏和不平衡[7]。单施石灰等无机改良剂能短暂提高土壤pH，不能可持续解决土壤酸度[3,7,25-26]，以及酸性土壤肥力低和养分缺乏等问题。将石灰等无机改良剂与有机肥[8]、农业废弃物[10]、秸秆生物质炭[27]按一定的比例配合施用，特别是采用石灰、绿肥、生物有机肥综合协同改良酸性土壤[6,11]，不仅可以提高土壤pH，还能提高土壤对酸碱缓冲能力，提高土壤肥力，保持土壤养分平衡，实现酸性土壤改良与肥力提升同步。但是，作物秸秆或绿肥或有机肥等有机土壤改良剂如何均匀参配并分布在土壤耕层，一直是研究者在思考的问题。本研究采用垂直深旋耕机械，利用高速垂直旋转钻头的切削和粉碎土壤[12-13]，较好地解决了无机、有机改良剂在表土耕层均匀分布问题，有利于酸性土壤改良与土壤肥力提升同步。石灰这类粉剂改良剂可通过渗漏至表下层土壤，但绿肥、秸秆这类改良剂如何分布在表下层土壤，实现表土层与表下层土壤同步改良与培肥，还有待对机械的钻头进一步改进。

传统耕作A2 处理的耕深为10～15 cm，绿肥虽集中在0～15 cm 土层，但绿肥不能较好地与土壤混匀，部分绿肥飘在土壤表面，保留养分效果较差。垂直深旋耕可以将绿肥与表层土壤混匀并掩埋在土壤中，绿肥容易腐解，保留养分效果较好；同时，垂直深旋耕还可激发土壤养分的有效性[12-13,20-23]。因此，垂直深旋耕A1 处理的土壤养分优于传统耕作A2 处理。本研究中，B1 和B2 处理的化肥氮施用最多，但这些多余的化肥氮主要作为基肥条施，在烤烟旺长期前烟株吸收养分相对较少，烤烟生长后期则可能因养分流失导致烟株养分利用率下降。B3、B4 和B5 处理减少了化肥氮，但增加了有机氮，这些有机氮流失少，且土壤有机质含量提高，土壤结构较疏松，有利提高土壤微生物活性和促进烟株根系生长，为烟株中、后期提供较多养分。所以，不施改土物料的B1 处理和只施用石灰的B2 处理的烟株农艺性状和经济性状不及施用了绿肥和微生物肥的B3、B4 和B5 处理。

4 结论

本研究表明，土壤理化特性主要受耕作方式和改土物料的影响，也受其互作的影响；垂直深旋耕可降低土壤容重，提高土壤孔隙度和土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量，提高改土物料调酸效果；施用石灰可提高土壤pH、有机质、有效磷、速效钾含量，石灰与绿肥、生物有机肥配施更有利于改善土壤物理特性、提高土壤pH 和养分含量，施用碱性生物有机肥较酸性有机肥更有利于提高土壤pH。烤烟根系和地上部生长及经济性状主要受耕作方式的影响，烟叶化学成分主要受改土物料的影响；垂直深旋耕结合石灰、绿肥、生物有机肥改良酸性土壤，有利烤烟根系生长，改善烤烟农艺性状，提高烤烟产量和产值，协调烟叶化学成分。因此，在山地烟区，采用垂直深旋耕结合无机、有机、生物等多物料综合协同改良酸性植烟土壤，可实现表层土壤酸度改良与肥力提升同步，还可实现表层与表下层酸性土壤改良同步，提高烤烟种植效益。