耕作方式對山地煙田耕層養分庫容和烤煙根系、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．云南省煙草農業科學研究院，云南 昆明 650021；2．三亞中國農業大學研究院，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）

山地煙田是我國煙葉生產的主體，2018年達到4.74×105hm2，占全國烤煙生產面積的52.7%。山地煙田不適于大型機械作業，田間土壤耕作主要以小動力拖拉機淺旋耕為主。長期單一的土壤耕作模式導致山地煙田耕層變淺、土壤板結、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育和垂直下扎，阻礙烤煙根系對土壤水分、養分的吸收利用，最終影響煙葉產量和品質［1］。水分和養分是烤煙生長的基礎物質，也是影響其產量質量形成的主要因子［2］。土壤耕作方式是影響耕層水分、養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分的能力。前人研究表明，土壤耕層結構性障礙對作物根系生長發育存在抑制作用，通過耕作措施的優化，如深松、深翻等，可改良耕層構造，協調水分、氮素的空間分布，促進根系向深層土壤伸長，提高根系對深層土壤水分、養分的利用，進而提高作物產量和質量［3-5］。王娜等［1］、童文杰等［6］也證明深翻措施可有效促進煙株根系的生長發育，增加一級側根和不定根的根數，擴展根系的分布范圍，顯著增加烤煙根系絕對量，提高烤煙根系根深指數。前人研究多集中在耕作方式對土壤理化性質、根系生長與養分吸收以及產量提高方面，然而，關于不同耕作方式對山地煙田土壤水分、氮素和烤煙根系的空間分布特征及土壤水分、養分與烤煙根系空間分布協調性的調控機制尚不清楚。本文依托田間試驗，探究不同耕作方式對山地煙田土壤養分庫容、水氮空間分布及烤煙根系形態的影響，明確深翻、深松對煙葉生產提質增效的作用機理，以期為西南山地煙田土壤耕作模式的改進提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年3～10月在云南省玉溪市紅塔區高倉街道干海子村（24°30′ N，103°32′ E）進行田間定位試驗。該地區屬于亞熱帶高原季風氣候區，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土層土壤基礎性狀為：pH 6.72，有機質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 試驗設計

試驗設旋耕20 cm（RT 20，對照）、深松30 cm（ST 30）、深翻30 cm（DT 30）和深松40 cm（ST 40）4個處理，采用單因素隨機區組試驗，通過拖拉機液壓控制耕作深度，每個處理設3次重復，共12個小區，各小區面積為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東方紅拖拉機三點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東方紅拖拉機三點懸掛鑿式深松鏟疏松土壤而不翻轉土層，深松深度分別為30、40 cm。深翻、深松后采用旋耕機全田旋耕1遍細碎煙田表層土壤。供試材料為當地主栽烤煙品種‘K326’。烤煙株、行距分別為0.6、1.2 m。于每年3月中下旬按試驗設置開展耕整地，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家肥7500 kg·hm-2和煙草專用復合肥（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，追肥為塘內環施鉀肥（農業用硫酸鉀，K2O≥50%）275 kg·hm-2。病蟲害防治及其他田間管理措施參照當地優質煙葉生產管理辦法執行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 煙葉產量產值測定

烤煙成熟期，對各小區煙葉進行單采單編單烤，根據《烤煙》（GB 2635-92）對烤后煙葉進行專業化分級，并統計烤后煙葉產量，確定烤煙產值、均價和上等煙比例。

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個土塊，以體積10 cm×10 cm×10 cm大小的土塊為取樣單位。每個小區選定長勢一致并且位置連續的3株代表性煙株進行根系取樣。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AA3型流動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（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。

1.3.3 耕層養分庫容特征

根據土壤堅實度、根系分布、土壤顏色和土壤片狀結構體的出現等劃分耕作層和犁底層界限，用卷尺測量耕層厚度［9］。烤煙旺長期，在每個小區連續2株代表性烤煙之間的壟面上布置1個取樣點，環刀法測定耕層土壤容重［10］。有效耕層土壤量、養分庫容量和有效養分總庫容量通過如下計算公式［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；

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

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

1.3.4 土壤養分測定

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

1.4 數據處理與分析

對樣品進行分析，采用Excel 2007處理數據與作圖，用SPSS 17.0統計分析數據和檢驗顯著性（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式對烤煙產量產值的影響

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

表1 不同耕作處理對烤煙產量產值的影響

2.2 不同耕作方式下煙田土壤養分含量和養分庫容特征

不同耕作方式對山地煙田耕層厚度、耕層土質量、養分庫容有顯著影響（表2）。與對照旋耕相比，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分庫容量

2.3 不同耕作方式對烤煙根系形態特征的影響

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指標。不同耕作方式下山地煙田0～50 cm土層烤煙根系形態特征見圖1。深翻、深松處理對0～20和40～50 cm土層烤煙根系形態無明顯影響，但對20～40 cm土層的烤煙根系形態有良好的促進作用。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 不同耕作方式對土壤水分空間分布的影響

不同耕作方式對土壤水分空間分布的影響見圖2。烤煙現蕾期，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水量。0～20 cm土層，由于烤煙根系的吸收作用，導致土壤含水量出現顯著的降低，煙株根際附近出現了明顯的水分耗竭區域，且山地煙田土壤水分在空間上呈“煙株中心兩側對稱”的分布特征。與對照旋耕相比，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煙田土壤水分分布特性。

2.5 不同耕作方式對土壤全氮空間分布的影響

不同耕作方式對土壤全氮空間分布的影響見圖3。烤煙現蕾期，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土層出現較為明顯的耗竭區域，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調性

作物根系的生長發育、表型特征與土壤水分、土壤養分的空間分布具有一定內在關系。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相關關系，決定系數分別為0.6353、0.2695。20～50 cm土層，烤煙根長密度與土壤水分無相關性；烤煙根長密度與土壤全氮呈顯著負相關，決定系數為0.3008。

3 討論

合理的耕作方式，有利于改善土壤結構，增加耕層厚度，促進土壤養分積累，增加土壤養分庫容，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，加上機械碾壓，耕層厚度降低速度快，導致土壤養分庫容量減少［14］。本研究表明，與傳統旋耕相比，深翻、深松措施可有效打破山地煙田部分犁底層，顯著增加山地煙田耕層厚度，進而增加耕層土壤有效養分總庫容量，可為烤煙生長發育提供更充足的養分供給。

根系是作物獲取水肥等資源最重要的器官，與農田土壤中水分、養分的時空分布、運移及消耗關系密切，同時又和作物地上部的生長發育、產量形成有直接關系，根系的生長發育和形態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境影響作物根系的形成與空間分布［17］。本研究結果表明，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型。與旋耕對照相比，20～40 cm土層，深翻、深松措施對烤煙根系形態特征有良好的促進作用。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、體積等形態指標。

根系對土壤有效水分養分時空變化的反映能力，在根系高效吸收水分養分時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分等資源。根系的生長發育直接影響作物探尋吸收土壤中流動變化資源的能力［23-24］，也可能對農田土壤含水量和土壤全氮的空間分布反向調控［25］。本研究表明，在同一土層水平面上，根系集中的區域是土壤水分與全氮含量較低的區域。在0～20 cm土層，深翻、深松耕作處理下的土壤出現明顯的水分耗竭區域，水分耗竭區域范圍顯著大于旋耕對照的區域范圍，且全氮含量的耗竭區域更為明顯。在0～20 cm土層，土壤水分、土壤全氮與根長密度呈極顯著負相關關系；在20～50 cm土層，土壤水分與根長密度無顯著相關性，土壤全氮與烤煙根系形態分布呈顯著負相關。這也進一步說明了深翻、深松措施改善了土壤環境，協調了烤煙根系、土壤水分、土壤全氮的空間分布，促進烤煙根系生長并增加其對氮素、水分的吸收利用［26］。這可能是因為深翻、深松措施可打破犁底層，消除限制根系生長障礙因子，促進根系下扎，同時，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，促進根系的吸收［27-30］。

在農業耕作措施的影響與地上部生長發育的變化之間，根系系統起到了橋梁紐帶的作用，土壤耕作措施首先影響土體結構特征與水分養分含量，然后影響根系的生長發育、空間分布和生理活性，進而作用于地上部形態建成，最終影響到作物產量和品質［31-32］。本研究結果表明，深翻、深松措施對提升煙葉產量、產值均有較好影響，這可能與深翻、深松措施擴增山地煙田耕層厚度及養分庫容，協調烤煙根系、土壤水分以及全氮空間分布，促進烤煙對水肥的吸收有關。

就深翻與深松措施而言，均是適宜西南山地煙區的耕作良法，但就目前形勢而言，深翻措施更利于山地煙區，其主要原因：（1）煙草連作障礙較嚴重，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、蟲卵的數量，更利于減少煙草病蟲害；（2）深翻后在進行旋耕等農事活動阻力要小很多。但深松措施屬于保護性耕作，對土壤擾動較少，對土壤結構影響較小，更有利于農田的可持續利用［33］。

4 結論

深翻、深松措施可增加山地煙田耕層厚度及有效養分總庫容量，對優化烤煙根系構型、協調土壤水分養分空間分布、提高煙葉產量產值有良好的田間效果。深翻、深松是適宜西南山地煙區推廣應用的耕作措施，在兼顧經濟利益的條件下，深翻30 cm、深松30 cm更為適宜。受西南山地煙區地勢復雜、煙田地塊小、地塊分布零散和田間機耕道建設配套欠缺等區域農田分布特征的影響，小型化深翻、深松機械的研發是下一步推廣應用的關鍵。當然，在煙草的長期生產中，是否需要常年深翻深松或者隔年深翻深松還有待進一步研究。