粉垄深度对稻作烟区土壤理化特性及作物周年产量的影响

熊梓沁，荊永锋，贺非，郑卜凡，龚嘉，龚嘉蕾，彭光爵，穰中文，李强，郑重谊，黎娟*

1 湖南农业大学，农学院，湖南长沙农大路1号 410128；

2 湖南中烟工业有限责任公司，技术研发中心，湖南长沙劳动中路386号 410109；

3 湖南省临澧县烟草专卖局，烟叶分部，湖南常德安福西路666号 415200

土壤是作物最重要的、赖以生存的物质基础[1]。土壤的类型及其相关物理、化学、生物学特性与烟草的产量、品质及风格特色有着密切的关系[2]。邓小华等[3]研究表明烟-稻轮作有利于减少土壤病虫害、改善土壤理化性质，有利于烟叶增质增产。但是水旱轮作易破坏土壤结构，降低土壤孔隙度，不利于根系下扎，进而影响作物的生长发育和产量的提高[4]。其次，由于不合理的施肥、耕作和水分管理措施，我国许多地区的耕层变差[5]，而改善土壤耕层则能够实现作物的产量稳产。目前，在湖南省的主要植烟土壤上，人们多采用单犁浅耕或旋耕机进行耕作，有效耕深多在15 cm左右[6]。而多年不合理的耕作模式使土壤犁底层上移[7]，加剧了植烟土壤质量的下降。

与传统旋耕相比，深耕虽然能打破犁底层，降低土壤容重，具有一定蓄水保墒的作用[8-11]。但是，深翻等目前的深耕方式，不但会加速土壤养分的矿化，甚至可能导致作物产量下降[12]。2015年来，以湘西为代表的植烟土壤养分增幅较大，增幅最大的是土壤有效磷，其次是速效钾，最后是碱解氮[13]，研究粉垄深耕对土壤速效养分含量的影响，对后续设计肥料的投入方案及保护生态的植烟环境很有必要。粉垄耕作指在现有浅耕层的基础上，利用粉垄机螺旋钻头将土壤垂直旋磨粉碎，深度可达30～60 cm，且不改变土壤主体层次，使土壤团颗粒细小而自然悬浮成垄，形成深厚的疏松耕层[14]。2009年该技术面世以来，在水稻、小麦、马铃薯、甘蔗等36种作物应用，证明不增加或减少10%化肥施用，具有增加产值10%～30% 、提升作物品质5%以上、比较效益提升15%以上、土壤贮水增加1倍以上的效果[15]。因此，探究粉垄深耕技术在稻作烟区的应用，能为解决湖南稻作烟区土壤板结、烟叶主要化学成分指标的协调性变差、烤烟的产质量降低等问题提供解决方案。

鉴于此，从优化耕作技术的角度，因地制宜的开展合理耕作层的构建，研究粉垄耕作措施及耕作深度对土壤和烟叶产质量的影响效果，旨在通过结合湖南稻作烟区土壤环境，致力于改善耕层土壤特性、提升种植效率，揭示粉垄深耕对烟叶生长的影响机制，为湖南稻作烟区合理耕层构建和烤烟种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 地点与材料

试验选择在湖南省浏阳市永安镇（北纬28°17′17″，东经113°22′2″）进行，该区域是湖南省典型的稻作烟区之一，年降水量1700～2200 mm，年均气温15℃～23℃，光照资源丰富，昼夜温差小。试验地土壤类型为水稻土，土壤质地为壤质砂土，常年稻烟水旱轮作，土壤基础养分肥力情况为为有机质含量23.08 g/kg，全氮含量1.44 g/kg，全磷含量为0.67 g/kg，全钾含量为19.70 g/kg，碱解氮为126.63 mg/kg，有效磷46.61 mg/kg，速效钾99.99 mg/kg，pH 7.79。供试烟草品种为当地适栽品种G80，2018年12月1日进行粉垄深耕，2019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天。试验所用基肥为烟草专用基肥，用量为1305 kg/hm2，肥 料 配 方 为N：P2O5：K2O=8：10：11；钾肥由硫酸钾、硝酸钾提供，硫酸钾用量为450 kg/hm2，硝酸钾用量为600 kg/hm2；生物饼肥用量为780 kg/hm2。具体到小区用量=（用量×小区面积）/667m2；种植密度为0.5 m×1.2 m/株。

1.2 试验设计

采用单因素试验设计，设置四个处理，分别为以直接旋耕起垄12 cm为对照：CK（当地常规耕作方式）；运用自走式粉垄深耕深松机（广西五丰机械有限公司），在不打乱主体土层结构的基础上，进行原位疏松土壤。设置粉垄深耕20 cm：T1；粉垄深耕30 cm：T2；粉垄深耕40 cm：T3，每处理3 次重复，种植密度为0.5×1.2 m/株，每小区面积为300 m²。除耕作方式外，其他生产管理技术措施均按照当地优质烤烟生产技术规范执行。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤和烟株取样

采集移栽后45 d、60 d、75 d烟株样品测定其根系下扎深度和体积。于移栽后60 d，采用50 cm土柱取样器（QTZ-1式便携取样器，长度50 cm、直径7.5 cm），随机取样，每个处理取土柱3个，分土层测定土壤容重（环刀法）、土壤紧实度（紧实度分析仪），土壤孔隙度（环刀法）。

1.3.2 土壤养分测定

土样取好后于阴凉处自然开袋晾干、剔除异物、研磨、过筛后，检测分析土壤速效养分指标。有效磷含量测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；速效钾含量测定采用醋酸铵浸提-火焰光度法；氯离子采用硝酸银滴定法测定[16]。

1.3.3 根系生长相关指标的测定

取样后，冲洗、扫描，采用根系分析软件（WinRHIZO version 5.0）进行分析，得到根长指标参数。之后分离根系与地上部，用排水法测定根系体积。

1.3.4 烤后烟叶产质量的测定

烤后烟叶分大区采收、编杆、烘烤、分级、测产（产量、产值）。每个大区分别取C3F和B2F各2份，每份1 kg，记录叶片数（计算单叶重）。

主要测定开叶度、单叶重、含梗率、厚度等物理特性指数，按照文献[17]的方法计算出烟叶物理特性指数（Physical Properties Index，PPI）作为综合评价烟叶物理性状的依据，其值越大，综合性状越好[18]。对烤烟物理特性进行主成分分析，提取累积贡献率达74.07%的前2个主成分，计算这2个主成分的载荷矩阵，得出开片度、单叶重、含梗率、叶片厚度的权重分别为27.33%、23.10%、26.23%、27.32%。

采用加权指数法计算烤烟物理特性指数，计算公式：

式中：Qij表示第i个样本、第j个指标的标准化值，其中0＜Qij≤1；Wj表示第j个指标的权重，其中∑Wj=100。

初烤烟叶化学成分参照国家烟草质量监督检验中心标准[19]。化学成分可用性指数参考其参数与标准化公式计算。烟叶总糖、还原糖、总氮、烟碱等指标采用抛物线型（简称P）隶属函数，利用以下公式计算隶属度：

烟叶钾含量采用S型隶属函数，利用以下公式计算隶属度；

式中x为中性指标的实际检测值，x1、x2、x3、x4分别代表各指标的下临界值，上临界值，最优值下限，最优值上限，其值参考《湖南烤烟区域特征及质量评价指标间关系研究》确定，参考文献研究[20-21]，结合实践经验，确定各参评指标的函数类型及转折点（表1），并采用主成分分析方法计算权重。

CUUI（可用性指数）计算公式如下：

表1 烟叶化学成分隶属函数类型及拐点值Tab. 1 Types of membership function and inflection point of chemical composition of tobacco leaf

1.3.5 烤烟经济性状及作物周年产量的计算

成熟采烤后，按国家烟叶分级标准[22]分级，以小区为单位，计算烟叶产量、产值、新增产值、中上等烟比例、均价；按照湖南省粮食和物资储备局公布的2018年晚稻稻谷收购价格为126元/50 kg计算水稻的产值，稻谷均价约2.52元/kg，故烤烟产值=烤烟产量×烤烟均价，水稻产值=水稻产量×稻谷均价；作物周年产值=烟叶产值+水稻产值；新增产值=烤烟产值+水稻产量-CK产值-新增费用。只在烤烟季进行粉垄深耕，粉垄深耕按照每亩200元计算（包括人工、油耗和粉垄深松机的费用），正常旋翻耕按照每亩120元一个人成本计算，新增的费用为80元/亩即1 200元/hm2。

1.4 数据处理

利用 Excel 2007 进行数据处理，数据分析利用SPSS19.0软件对数据进行差异显著性检验分析，方差分析采用邓肯新复极差法，文中表和图小写字母表示在0.05水平呈显著差异，大写字母表示在0.01水平呈显著差异。利用Origin 8.0软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 粉垄深耕对土壤物理性状的影响

粉垄耕作可以显著降低（P＜0.01）深层土壤容重（表2）。粉垄耕作下0～40 cm各土层容重均有不同程度下降。与CK处理相比，T1处理略微降低0～10 cm和40～50 cm土壤容重，差异不显著；T2处理显著降低0～30 cm土壤容重（P＜0.01）；T3 处理则显著降低0～40 cm土壤容重（P＜0.01）。在40～50 cm土层，各处理之间差异不显著，但仍表现出粉垄深耕处理容重低于传统旋耕处理。在10～50 cm土层，T3处理下土壤容重最小，在10～20 cm土层，T3较CK土壤容重降低了6.47%（P＜0.01）；在20～30 cm土层，T3较CK土壤容重降低了8.97%（P＜0.01）；在30～40 cm，T3较CK土壤容重降低了8.78%（P＜0.01）。

由表2可知，粉垄深耕增加了土层的土壤孔隙度。与CK相比，在各土层T1处理差异不显著（P＜0.01）；T2处理显著增加0～30 cm土壤孔隙度（P＜0.01），30～50 cm深土层差异不显著；T3处理则显著增加0～50 cm土壤孔隙度（P＜0.01）。在0～50 cm土层，T3处理下土壤孔隙度最大。T3在10～30土壤耕作层差异极显著（P＜0.01），在10～20 cm土层，T3较CK土壤孔隙度增加了12.88%（P＜0.01）；在20～30 cm土层，T3较CK土壤孔隙度增加了10.91%（P＜0.01）。

土壤紧实度的高低是限制烤烟根系生长发育的重要因子之一，一定程度上反映了植物根系下扎的难易程度。由表2可以看出，粉垄深耕降低了土层的土壤紧实度。与CK相比，各处理在1～40 cm土层土壤紧实度都显著降低（P＜0.01）；在40～50 cm土层，CK与T3处理差异极显著（P＜0.01），T2处理与T3处理差异显著（P＜0.05）。各土层中，T3处理的土壤紧实度最小，介于576.37～1008.40 kPa。

表2 不同耕作处理对0～50 cm土壤物理性状的影响Tab.2 Soil physical properties in 0-50 cm layers under different tillage treatments

2.2 粉垄深耕对速效养分的影响

粉垄深耕对各种无机速效养分的影响如图1-1、图1-2、图1-3所示，T1、T2、T3处理土壤碱解氮含量较CK在0～30 cm土层虽有提升但变幅较小，T3处理在30～40 cm能保留较多的碱解氮；粉垄深耕能有效提高土壤有效磷含量，T1、T2、T3处理在10～40 cm土层显著增加了土壤有效磷含量，以10～20 cm土层深度增加最为显著，与CK相比分别增加了20.58%、8.17%、108.30%（P＜0.05），T1、T2在40～50 cm土层有效磷含量显著降低；T2、T3处理较CK显著提高了速效钾在0～40 cm的含量，在20～30 cm深层土壤中速效钾含量提高量最多，与CK比较T2、T3分别提高了52.41%、50.00%（P＜0.05）。

图1-1 不同耕作处理对0～50 cm土壤碱解氮的影响Fig.1-1 Soil Alkaline Nitrogen in 0-50 cm layers under different tillage treatments

图1-2 不同耕作处理对0～50 cm土壤有效磷的影响Fig.1-2 Soil effective scale in 0-50 cm layers under different tillage treatments

图1-3 不同耕作处理对0～50 cm土壤速效钾的影响Fig.1-3 Soil available phosphorus in 0-50 cm layers under different tillage treatments

2.3 粉垄深耕对烟株根系生长的影响

由图2可知，四个处理中，烟株在T2处理下的土壤根系下扎深度最深。在移栽后45 d，T2、T3、T1分别比CK增长了6.7 cm、4.6 cm和4.5 cm，各粉垄处理与传统耕作处理之间有显著差异。移栽后60 d，各处理比CK处理分别增长了8.1 cm、7.0 cm、1.6 cm，T2与CK差异显著。移栽后75 d，T2处理根系平均下扎深度达到最大值34.6 cm，与CK相比增长了42.39%（P＜0.05），T2与其他3个处理差异显著。

四个处理中，烟株在T2的根系体积最大。在移栽后45 d，T2、T3、T1分别比CK增长了12.3 cm3、6.7 cm3和1.6 cm3，CK与T1没有显著差异，T2、T3与CK、T1之间有显著差异。移栽后60 d，各处理表现为各处理比CK处理分别增长了44.8 cm3、14.9 cm3、3.0 cm3，T2与其他3个处理之间有显著差异。移栽后75 d，T2处理平均根系体积达到最大值141.1 cm3，与CK相比增长了137.94%（P＜0.05），T2与CK、T1、T3之间有显著差异。

图2 不同粉垄耕作深度烟株根系生长情况Fig.2 Root growth of tobacco plants with deep ploughing depth of different pollen ridge

2.4 粉垄深耕对初烤烟叶品质的影响

2.4.1 对烤后烟叶物理性状的影响

选取质量较高的两种烟叶——B2F等级和C3F等级进行烟叶物理性状测试。如表3 所示，在B2F等级中，各处理叶长表现为T2＞T1＞CK＞T3，T2处理显著高于CK处理，与CK处理相比增加了8.30%（P＜0.05）；叶宽表现为T2＞T1＞CK＞T3，T1、T2处理与CK、T3处理差异显著，CK处理显著高于T3处理；单叶重表现为T2＞T1＞CK＞T3，T1、T2处理与CK、T3处理差异显著，CK处理显著高于T3处理；含梗率表现为T1＞T2＞CK＞T3，T1处理显著高于CK处理，与CK相比增加了25.23%（P＜0.05），T3处理显著低于CK处理；厚度表现为T2＞T3＞T1＞CK，各处理显著高于CK处理。从物理特性指数来看，T2＞T1＞T3＞CK且显著高于CK处理。说明粉垄深度30 cm，物理特性指数提高。

在C3F等级中，各处理叶长表现为T2＞T1＞CK＞T3，各处理之间差异不显著；各处理叶 宽 表 现 为T2＞T1＞T3＞CK，T2处 理 与CK处 理差异显著；各处理单叶重表现为T2＞T3＞T1＞CK，T2、T3处理与CK差异显著；各处理含梗率表现为T1＞T2＞CK＞T3，T1、T2处理与CK、T3处理差异显著；各处理厚度表现为T2＞T3＞T1＞CK，各处理皆显著高于CK处理。可见，粉垄深耕30 cm能显著提高中部叶物理特性指数。

表3 不同粉垄深耕深度初烤烟叶物理性状Tab. 3 Physical properties of first-billed tobacco with deep cultivation of different flour ridge

2.4.2 对烤后烟叶化学成分的影响

表4是初烤烟叶B2F等级和C3F等级烟叶的各项化学指标。从烤后烟叶B2F等级来看，总糖含量表现为T2＞T3＞CK＞T1，还原糖含量表现为T2＞T3＞T1＞CK，T2显著高于CK处理；总氮含量T1、T2处理与CK、T3处理显著增加；T1、T2、T3处理烟碱含量比CK处理分别显著降低了0.11%、0.59%和0.14%，T2处理显著低于T1、T3处理；钾含量表现为T2＞T1＞T3＞CK，T1、T2处理显著高于CK处理；氯含量表现为T1处理显著高于其他各处理，各处理显著高于CK处理；氮碱比表现为T2处理显著高于其他各处理，各处理显著高于CK处理；糖碱比表现为T1、T2、T3比CK处理分别增加了0.48、2.18和0.55，T2处理显著高于其他各处理。综合来看，上部叶化学成分可用性指数最高的为T2处理，其次为处理T3，可用性指数最低的为CK处理。

从烤后烟叶C3F等级来看，总糖含量表现为为T2＞T1＞T3＞CK，还原糖含量表现为T3＞T2＞T1＞CK，各处理显著高于CK；总氮含量T2处理比CK处理显著增加，CK显著高于T1、T3处理；烟碱含量T2处理显著低于CK处理，T1处理显著高于其他各处理；钾含量表现为T2＞T3=CK＞T1，且T2、T1处理比CK处理分别增加了0.24%和减少了0.06%；氯含量表现为CK＞T2＞T1=T3，各处理之间差异不显著；氮碱比表现T2、T1、T3且各处理比CK处理分别增加了0.09和减少了0.01、0.07，T2处理显著高于其他各处理；糖碱比表现为T1、T2、T3比CK处理分别增加了0.80、1.88和1.66，各处理显著高于CK处理。综合来看，中部叶化学成分可用性指数最高的为处理T2，其次为处理T3，可用性指数最低的为CK处理，且显著低于各处理。

表4 不同粉垄深耕深度初烤烟叶化学成分Tab. 4 Chemical constituents of first-baked tobacco leaves with different depth of deep depth of different ridges

2.5 对烤烟经济性状及作物周年产量的影响

由表5所示，粉垄深耕对比传统翻耕对烟叶的产质量都有所提高，并且对后季作物也产生了有利影响，提高了后季作物的产量。烤烟产值表现为：T2＞T3＞T1＞CK，T2处理产量最高。T1、T2、T3处理分别比CK处理高出7.59%、17.06%和13.16%（P＜0.05）。不仅产量有所增加，烤烟均价和上等烟率皆表现为：T2＞T3＞T1＞CK，产值规律与产量一致。后季作物水稻方面，产量表现为：T1、T2、T3处理分别比CK处理高出2.47%、9.38%和0.89%。从作物周年产值来看各处理表现为：T2＞T3＞T1＞ CK，T2处理对比CK作物全年新增产值高达18029.89元/hm²。

表5 不同粉垄深耕深度烤后烟样经济性状及作物周年产值Tab. 5 Economic characters and annual yield of tobacco sample after deep cultivation of different pollen ridge

3 讨论

本研究在长沙浏阳稻作烟区，通过对传统旋耕及不同粉垄深度耕作等处理下的土壤理化性质及烟叶质量进行研究，表明粉垄深耕不仅能改善土壤理化性状，还能提高烟叶产量，增加烟叶产值。从土壤理化性状的变化来看，粉垄深耕与传统旋耕相比，虽然传统旋耕处理也可以使表层土壤容重降低[23]，但也会导致土壤犁底层变浅，而粉垄深耕则可以激发土壤潜在生产能力，降低深层土壤容重[24]；张丽娜等[25]的研究结果表明，深耕深松对土壤孔隙度有一定的改善作用，这与本研究结果相似，深耕深松措施显著提高了0～40 cm土层土壤总孔隙度，经过粉垄深耕处理的土壤孔隙度更高且更接近50%或有稍大于50%，这表明深耕具有降低土壤容重和硬度的效果，从而增加了土壤孔隙度并能使其达到较好水平，增加了土壤的水、气通透性，这与蒋发辉等[26]研究结果一致；因为传统旋耕使表层土壤相对较为疏松[27]，但35 cm以下土层由于受机械镇压作用，土壤紧实度明显高于表层，经过粉垄深耕30 cm处理结果显示粉垄深耕具有明显改善10 cm以下土壤紧实度，这保证了土壤根系层10～30 cm变得疏松，这与张有利等[28]的研究结果一致。粉垄深耕改善了土壤物理结构为后续烟株生长提供了有利条件，在养分分解、根系生长、水分利用等方面均能发挥作用。

刘智炫[29]等研究表明，基于长期浅耕操作下的湖南烟稻轮作区，土壤中碱解氮、有效磷和速效钾总体上呈现出随土层深度的增加而下降的趋势，且表现出显著的层化性和表聚性，以有效磷表现最为突出。粉垄耕作改变了土壤速效养分在土壤垂直剖面的分布，尤其是粉垄40 cm深度下10～20 cm土层有效磷含量甚至比0～10 cm土层有效磷含量高。本研究结果显示，粉垄耕作下不同深度土壤速效钾、有效磷含量显著升高，0～10 cm的表层碱解氮含量显著降低，而10～50 cm下层碱解氮含量显著提高，其中以粉垄深度30 cm处理的效果最为显著。此前，Wei等[30]研究认为水稻土粉垄耕作能有效提高所有养分含量。分析其中原因之一是粉垄耕作降低了0～50 cm 土壤容重，造成养分含量高于传统旋耕；也有可能粉垄深耕耕提高了土壤粉碎程度，深层土壤氧气、水分充足，有利于酶发挥作用，可激发土壤有效养分释放[31]。因此，更为合理的土壤速效养分剖面分布特征是本研究中烟叶、水稻产量大幅度提升的一个重要原因。

因为粉垄深耕改变了土壤的理化性质，土壤破碎化程度提高，高速旋转的转头能将空气带入深层土壤中，使氧气充满土壤空隙。并且速效养分含量增加有利于根系生长和下扎[32]，与本研究结果粉垄深耕40 cm烟株根系下扎深度最深、根系体积最大相符合。此外，粉垄深耕深度为30 cm对烤后C3F和B2F烟叶物理性状在叶长、叶宽、单叶重和叶片厚度上有均有显著提高，含梗率增加情况只有在粉垄深度达到40 cm的烤后烟叶中有所体现，说明粉垄深耕下，增强了土壤的通透性，有利于微生物的活动和养分的释放，从而使得烟株根系发达、代谢旺盛、生长状态良好、落黄及时，产量和品质也较传统耕作方式有所提高[33]。各粉垄深耕处理化学成分可用性均高于对照，说明粉垄深耕能有效提高烟叶的化学成分可用性，使烟叶化学成分更协调；适宜的耕作深度能显著提升烟叶的主要化学成分含量，如总糖、还原糖、总氮等。所以在进行田间管理时可以酌情减少氮肥的施用，提高经济效率。

王奇等[34]研究发现粉垄深耕能增加甘蔗单茎质量，进而达到增产效果。刘江汉等[35]研究表明粉垄耕作后较传统旋耕可使马铃薯总产量增加最大能到10.19%。聂胜委等[36]研究结果显示粉垄深度30～40 cm时能显著增加小麦、玉米两季作物的产量，在适当增加耕作层厚度的情况下更能提高作物产量。卢本辉[37]提到，采用粉垄机械螺旋型钻头一次性深垦高速旋削碎稻田土耕能加深到30 cm。因此，粉垄耕作30 cm能最大程度减少烟稻轮作田的成本投入、提高耕作效率、达到最大产值。本研究结果表明，粉垄深耕深度达到30 cm能显著提高烤烟产量、产值、均价、上等烟比例和中上等烟比例且效果最好，作物周年新增产值能达到18029.89元/hm²。粉垄深耕在一定程度上提升了土壤速效养分，如果考虑在此基础上研究减少各种养分投入量，新增产值还能进一步提高。以上结果均说明，粉垄深耕能显著改善土壤耕层结构，调节养分垂直分布状态，改善了土壤物理结构有利于根系下扎加强对水肥的吸收，从而增加了开片度和叶重。并且协调烤后烟叶的化学成分，提高烟叶均价，提高产能。在一定程度上也能提高后季作物的水稻产值。

4 结论

在湖南烟稻轮作区，与传统旋耕相比，粉垄耕作显著改善了土壤耕层物理结构，降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，降低了土壤紧实度，从而增加土壤通气度和蓄水性促进了烟草根系下扎和根茎体积膨大。粉垄耕作显著改变了养分在耕层的分布，提升了下层养分含量，有效改善了土壤养分状况。粉垄耕作对烤烟的生长发育有较好的促进作用，与CK处理相比烤后C3F和B2F烟叶叶宽、单叶重和厚度增大，含梗率略有上升，C3F烟叶总糖、还原糖、总氮和钾含量显著提高，粉垄深耕30 cm的烟叶化学成分可用性最好。适当的粉垄深度能提高作物周年产值。在稻作烟区土壤中，不同粉垄耕作深度的效果存在一定差异，但是综合考量烟叶的理化品质和产值产量，粉垄耕作30 cm（T2）增产效果最佳，产量大幅度提升。