耕作方式对山地烟田耕层养分库容和烤烟根系、土壤水氮空间分布特征的影响

刘 棋，王 皓，张留臣，封幸兵，王津军，邓小鹏，李军营，马二登，童文杰*

（1．云南省烟草农业科学研究院，云南 昆明 650021；2．三亚中国农业大学研究院，海南 三亚 572025；3．中国烟叶公司，北京 100055；4．中国烟草总公司云南省公司，云南 昆明 650011）

山地烟田是我国烟叶生产的主体，2018年达到4.74×105hm2，占全国烤烟生产面积的52.7%。山地烟田不适于大型机械作业，田间土壤耕作主要以小动力拖拉机浅旋耕为主。长期单一的土壤耕作模式导致山地烟田耕层变浅、土壤板结、犁底层增厚上移、土壤孔隙度变小等问题凸显，影响烤烟根系生长发育和垂直下扎，阻碍烤烟根系对土壤水分、养分的吸收利用，最终影响烟叶产量和品质［1］。水分和养分是烤烟生长的基础物质，也是影响其产量质量形成的主要因子［2］。土壤耕作方式是影响耕层水分、养分垂直分布的重要因素，土壤耕层肥力是衡量土壤能够提供作物生长所需养分的能力。前人研究表明，土壤耕层结构性障碍对作物根系生长发育存在抑制作用，通过耕作措施的优化，如深松、深翻等，可改良耕层构造，协调水分、氮素的空间分布，促进根系向深层土壤伸长，提高根系对深层土壤水分、养分的利用，进而提高作物产量和质量［3-5］。王娜等［1］、童文杰等［6］也证明深翻措施可有效促进烟株根系的生长发育，增加一级侧根和不定根的根数，扩展根系的分布范围，显著增加烤烟根系绝对量，提高烤烟根系根深指数。前人研究多集中在耕作方式对土壤理化性质、根系生长与养分吸收以及产量提高方面，然而，关于不同耕作方式对山地烟田土壤水分、氮素和烤烟根系的空间分布特征及土壤水分、养分与烤烟根系空间分布协调性的调控机制尚不清楚。本文依托田间试验，探究不同耕作方式对山地烟田土壤养分库容、水氮空间分布及烤烟根系形态的影响，明确深翻、深松对烟叶生产提质增效的作用机理，以期为西南山地烟田土壤耕作模式的改进提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年3～10月在云南省玉溪市红塔区高仓街道干海子村（24°30′ N，103°32′ E）进行田间定位试验。该地区属于亚热带高原季风气候区，年均降水量779.5～989.7 mm，年平均气温15.6～23.8℃，无霜期244～365 d，年平均日照2115.0～2285.4 h，海拔为1760 m。试验田土地平坦，排水良好，土壤类型为红壤，前茬作物为小麦，烤烟季灌溉方式为穴灌，土壤肥力偏低，耕作前0～20 cm土层土壤基础性状为：pH 6.72，有机质17.8 g·kg-1，碱解氮79.1 mg·kg-1，有效磷37.4 mg·kg-1，速 效 钾204 mg·kg-1，全 氮0.75 g·kg-1，全 磷1.28 g·kg-1，全 钾7.7 g·kg-1，氯 离 子3.20 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验设旋耕20 cm（RT 20，对照）、深松30 cm（ST 30）、深翻30 cm（DT 30）和深松40 cm（ST 40）4个处理，采用单因素随机区组试验，通过拖拉机液压控制耕作深度，每个处理设3次重复，共12个小区，各小区面积为108 m2（7.2 m×15 m）。耕作处理包括如下过程。（1）旋耕20 cm：利用旋耕机刀片切削、打碎土块，疏松混拌耕层土壤，旋耕深度20 cm；（2）深翻30 cm：通过904东方红拖拉机三点悬挂铧式犁深翻耕地，深翻深度30 cm；（3）深松30 cm、深松40 cm：通过904东方红拖拉机三点悬挂凿式深松铲疏松土壤而不翻转土层，深松深度分别为30、40 cm。深翻、深松后采用旋耕机全田旋耕1遍细碎烟田表层土壤。供试材料为当地主栽烤烟品种‘K326’。烤烟株、行距分别为0.6、1.2 m。于每年3月中下旬按试验设置开展耕整地，4月中下旬起垄理墒打塘，垄高25 cm，烟塘直径35～40 cm，深度15～18 cm。4月下旬开展膜下小苗移栽，移栽前拌塘施用腐熟农家肥7500 kg·hm-2和烟草专用复合肥（N-P2O5-K2O=12-6-24）200 kg·hm-2，移栽后10 d兑水浇施烟草专用复合肥225 kg·hm-2，移栽后30 d开展揭膜、追肥、培土等烟田中耕管理，追肥为塘内环施钾肥（农业用硫酸钾，K2O≥50%）275 kg·hm-2。病虫害防治及其他田间管理措施参照当地优质烟叶生产管理办法执行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 烟叶产量产值测定

烤烟成熟期，对各小区烟叶进行单采单编单烤，根据《烤烟》（GB 2635-92）对烤后烟叶进行专业化分级，并统计烤后烟叶产量，确定烤烟产值、均价和上等烟比例。

1.3.2 土壤水分、全氮和烤烟根系空间分布

烤烟现蕾期，利用小立方原位根土取样器［7］，通过“3D monolith”［8］分层空间取样方法，每10 cm为一土层，取到50 cm，每层以烤烟植株为中心取9个土块，以体积10 cm×10 cm×10 cm大小的土块为取样单位。每个小区选定长势一致并且位置连续的3株代表性烟株进行根系取样。测定全氮、土壤含水量和根系在取样单位的含量。利用德国产AA3型流动分析仪测定土壤全氮；利用根系扫描仪（Epson Perfection V800，Indonesia Inc.）扫描烤烟根系，通过根系分析系统（Win RHIZO Program，Regent Instruments Inc.）获得根长、根表面积、根体积、直径小于2 mm根长等根系参数。

1.3.3 耕层养分库容特征

根据土壤坚实度、根系分布、土壤颜色和土壤片状结构体的出现等划分耕作层和犁底层界限，用卷尺测量耕层厚度［9］。烤烟旺长期，在每个小区连续2株代表性烤烟之间的垄面上布置1个取样点，环刀法测定耕层土壤容重［10］。有效耕层土壤量、养分库容量和有效养分总库容量通过如下计算公式［11］得出：

有效耕层土壤量（kg·hm-2）=耕层厚度（cm）×面积（104m2）×耕层土壤容重（g·cm-3）×1000；

养分库容量（kg·hm-2）=耕层厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×养分含量（mg·kg-1）/10；

有效养分总库容量（kg·hm-2）=碱解氮库容量+有效磷库容量+速效钾库容量。

1.3.4 土壤养分测定

土壤主要养分参照鲍士旦［12］的方法进行测定。碱解性氮：碱解扩散法测定；土壤有效磷：NaHCO3浸提，钼蓝比色法测定；土壤速效钾：1 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法。

1.4 数据处理与分析

对样品进行分析，采用Excel 2007处理数据与作图，用SPSS 17.0统计分析数据和检验显著性（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对烤烟产量产值的影响

由表1可知，不同土壤耕作方式下烤烟产量产值有显著性差异。与RT 20相比，深翻、深松显著提高烤烟的产量、产值，DT 30、ST 30和ST 40产量分别比RT 20高12.2%、12.3%和16.0%，产值分别比RT 20高10.5%、13.9%和21.8%。

表1 不同耕作处理对烤烟产量产值的影响

2.2 不同耕作方式下烟田土壤养分含量和养分库容特征

不同耕作方式对山地烟田耕层厚度、耕层土质量、养分库容有显著影响（表2）。与对照旋耕相比，深翻、深松措施显著增加了耕层厚度、速效钾库容量、有效养分总库容量（除DT 30），DT 30、ST 30和ST 40处理耕层厚度分别比RT 20增加了50.4%、40.8%、93.2%，速效钾库容量分别比RT 20增加了21.0%、25.6%、47.8%，有效养分总库容量分别比RT 20增加了10.7%、15.1%、23.5%。深翻、深松措施显著降低碱解氮库容量，DT 30、ST 30和ST 40处理碱解氮库容量分别比RT 20降低了9.8%、13.1%、24.7%。

表2 不同耕作方式下土壤养分库容量

2.3 不同耕作方式对烤烟根系形态特征的影响

根长密度、根表面积、根体积、直径小于2 mm根长是烤烟根系研究的重要形态指标。不同耕作方式下山地烟田0～50 cm土层烤烟根系形态特征见图1。深翻、深松处理对0～20和40～50 cm土层烤烟根系形态无明显影响，但对20～40 cm土层的烤烟根系形态有良好的促进作用。20～40 cm土层，DT 30、ST 30和ST 40处理根长密度分别为0.77 、0.78和0.90 cm·cm-3，比RT 20分别增加了36.2%、39.1%和59.6%；DT 30、ST 30和ST 40根表面积、根体积和直径小于2 mm根长均显著高于RT 20，其中根表面积分别比RT 20高73.0%、103.6%和86.9%，根体积分别比RT 20高75.6%、54.4%和86.2%，直径小于2 mm 根长分别比RT 20高75.6%、54.4%和86.2%。

2.4 不同耕作方式对土壤水分空间分布的影响

不同耕作方式对土壤水分空间分布的影响见图2。烤烟现蕾期，在0～50 cm土壤垂直剖面上，土壤水分呈先增加后降低的变化趋势。0～50 cm土层土壤含水量DT 30、ST 30和ST 40处理分别较RT 20增加3.9%、3.7%和5.6%，说明深翻、深松措施增加土壤储水量。0～20 cm土层，由于烤烟根系的吸收作用，导致土壤含水量出现显著的降低，烟株根际附近出现了明显的水分耗竭区域，且山地烟田土壤水分在空间上呈“烟株中心两侧对称”的分布特征。与对照旋耕相比，DT 30、ST 30和ST 40处理显著提高20～40 cm土层的土壤含水量，分别比RT 20高6.3%、5.3%和7.9%，说明深翻、深松处理改善了山地烟田土壤水分分布特性。

2.5 不同耕作方式对土壤全氮空间分布的影响

不同耕作方式对土壤全氮空间分布的影响见图3。烤烟现蕾期，在0～50 cm土壤垂直剖面上，土壤氮素含量随土层的加深呈递减趋势。深翻、深松处理下的土壤全氮空间分布在烟株正下方10～20 cm土层出现较为明显的耗竭区域，0～50 cm土层DT 30、ST 30和ST 40处理分别较RT 20降低7.7%、9.7%和11.1%。其中土壤0～20 cm土层，深翻、深松措施显著降低土壤全氮含量，DT 30、ST 30和ST 40处理分别较RT 20降低10.1%、12.5%和14.5%。

2.6 不同耕作方式下烤烟根系与土壤总氮及土壤水分的空间协调性

作物根系的生长发育、表型特征与土壤水分、土壤养分的空间分布具有一定内在关系。由图4可知，0～20 cm土层，烤烟根长密度与土壤水分、土壤全氮呈极显著线性负相关关系，决定系数分别为0.6353、0.2695。20～50 cm土层，烤烟根长密度与土壤水分无相关性；烤烟根长密度与土壤全氮呈显著负相关，决定系数为0.3008。

3 讨论

合理的耕作方式，有利于改善土壤结构，增加耕层厚度，促进土壤养分积累，增加土壤养分库容，是提高土壤保肥和供肥性能的重要措施［11，13］。浅旋耕由于耕作深度较浅，加上机械碾压，耕层厚度降低速度快，导致土壤养分库容量减少［14］。本研究表明，与传统旋耕相比，深翻、深松措施可有效打破山地烟田部分犁底层，显著增加山地烟田耕层厚度，进而增加耕层土壤有效养分总库容量，可为烤烟生长发育提供更充足的养分供给。

根系是作物获取水肥等资源最重要的器官，与农田土壤中水分、养分的时空分布、运移及消耗关系密切，同时又和作物地上部的生长发育、产量形成有直接关系，根系的生长发育和形态建成是作物生长的重要部分［15-16］。耕作方式可通过改变土壤环境影响作物根系的形成与空间分布［17］。本研究结果表明，深翻、深松耕作措施显著影响烤烟根长密度、根表面积、根体积及其空间分布构型。与旋耕对照相比，20～40 cm土层，深翻、深松措施对烤烟根系形态特征有良好的促进作用。这与余海英等［18］、王秀珍等［19］研究一致，深翻、深松措施不仅更好地促进作物根系向深层土壤下扎，且显著提高20～50 cm土层根长密度、体积等形态指标。

根系对土壤有效水分养分时空变化的反映能力，在根系高效吸收水分养分时起着举足轻重的作用［20-22］。在理化特性不均匀的土壤中，根系通过自身的可塑性来充分吸收利用土壤中的水分养分等资源。根系的生长发育直接影响作物探寻吸收土壤中流动变化资源的能力［23-24］，也可能对农田土壤含水量和土壤全氮的空间分布反向调控［25］。本研究表明，在同一土层水平面上，根系集中的区域是土壤水分与全氮含量较低的区域。在0～20 cm土层，深翻、深松耕作处理下的土壤出现明显的水分耗竭区域，水分耗竭区域范围显著大于旋耕对照的区域范围，且全氮含量的耗竭区域更为明显。在0～20 cm土层，土壤水分、土壤全氮与根长密度呈极显著负相关关系；在20～50 cm土层，土壤水分与根长密度无显著相关性，土壤全氮与烤烟根系形态分布呈显著负相关。这也进一步说明了深翻、深松措施改善了土壤环境，协调了烤烟根系、土壤水分、土壤全氮的空间分布，促进烤烟根系生长并增加其对氮素、水分的吸收利用［26］。这可能是因为深翻、深松措施可打破犁底层，消除限制根系生长障碍因子，促进根系下扎，同时，在降雨条件下，能够提高土壤水分与土壤全氮向深层土壤的渗透，促进根系的吸收［27-30］。

在农业耕作措施的影响与地上部生长发育的变化之间，根系系统起到了桥梁纽带的作用，土壤耕作措施首先影响土体结构特征与水分养分含量，然后影响根系的生长发育、空间分布和生理活性，进而作用于地上部形态建成，最终影响到作物产量和品质［31-32］。本研究结果表明，深翻、深松措施对提升烟叶产量、产值均有较好影响，这可能与深翻、深松措施扩增山地烟田耕层厚度及养分库容，协调烤烟根系、土壤水分以及全氮空间分布，促进烤烟对水肥的吸收有关。

就深翻与深松措施而言，均是适宜西南山地烟区的耕作良法，但就目前形势而言，深翻措施更利于山地烟区，其主要原因：（1）烟草连作障碍较严重，深翻措施将深层土壤翻到地表，能够减少杂草种子以及病菌、虫卵的数量，更利于减少烟草病虫害；（2）深翻后在进行旋耕等农事活动阻力要小很多。但深松措施属于保护性耕作，对土壤扰动较少，对土壤结构影响较小，更有利于农田的可持续利用［33］。

4 结论

深翻、深松措施可增加山地烟田耕层厚度及有效养分总库容量，对优化烤烟根系构型、协调土壤水分养分空间分布、提高烟叶产量产值有良好的田间效果。深翻、深松是适宜西南山地烟区推广应用的耕作措施，在兼顾经济利益的条件下，深翻30 cm、深松30 cm更为适宜。受西南山地烟区地势复杂、烟田地块小、地块分布零散和田间机耕道建设配套欠缺等区域农田分布特征的影响，小型化深翻、深松机械的研发是下一步推广应用的关键。当然，在烟草的长期生产中，是否需要常年深翻深松或者隔年深翻深松还有待进一步研究。