粉壟深耕對長沙稻作煙區土壤物理特性及烤煙根系發育的影響

彭光爵，王志勇，胡 桐，鄭重誼，唐春閨，劉勇軍，李 強，周清明，黎 娟

(1.湖南農業大學 農學院，湖南 長沙 410128； 2.湖南省煙草公司長沙市公司，湖南 長沙 410007；3.湖南省煙草科學研究所，湖南 長沙 410019； 4.重慶市煙草公司彭水分公司，重慶 409600)

耕地表層的土壤是耕地生產力的核心?，F階段烤煙種植由于人畜、小型機械的不規范操作，以及長期單一的旋耕、翻耕使得耕層結構變淺，耕地土壤理化性質等各方面特性不斷下降，良好的耕作層遭到破壞[1-3]。研究表明[4-6]，良好的耕作活動能明顯地改進耕層土壤特性，改變土壤持水及導水能力，其改善程度取決于耕作方式。通過深松耕作可有效降低容重、降低緊實度、增大孔隙度[7]，同時耕作層的深淺是決定烤煙根系下扎的重要因素，疏松的土壤環境有利于烤煙根系的延伸和發育，過高的緊實度則會抑制烤煙根系穿透能力，同時疏松的環境會使得表層土壤的水分、養分進入根系吸收范圍的阻力降低，也能夠使得根系吸收和轉化養分的能力得到加強[8-11]，構建良好的健康耕層結構，不僅有利于協調作物生長和根系分布[12]，更能夠促進水、肥、氣、熱之間相互協調，進而提升烤煙的產量和品質[13]。因此，探究不同耕作方式對長沙稻作煙區土壤物理性狀、烤煙生長及根系發育的影響，對改進長沙稻作煙區煙田耕作模式具有重要的現實意義。粉壟深耕措施可有效的擴增耕作層厚度，增加耕層中有效土壤量，改善土壤物理特性。前人的研究表明[14-15]，深耕對土壤的理化性質有著良好的改良作用。范藝寬等[16]研究表明，增加土壤中團聚體穩定性，有助于改善土壤板結等土壤問題。長沙煙區以往常規旋耕、翻耕方式導致耕作層淺薄、土壤耕作環境惡化[17]，良好的土壤地力不斷下降。鑒于此，本研究結合長沙稻作煙區土壤環境，致力于改善耕層土壤特性、提升種植效率，通過對比大田試驗中粉壟深耕處理與常規耕作處理的差異，揭示不同耕作方式對土壤結構、土壤孔隙等物理特性的影響機制，為長沙稻作煙區烤煙耕作方式提供一個可供參考的理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

瀏陽地處湘贛邊界，湖南東部偏北，試驗地為長沙瀏陽市永安鎮下大屋(113°22′2″，28°17′17″)，土壤類型為水稻土，質地為壤質砂土，養分情況：pH值7.56、有機質含量30.55 g/kg、全氮1.65 g/kg、全磷0.94 g/kg、全鉀20.54 g/kg、堿解氮含量為136.84 mg/kg、有效磷為70.23 mg/kg、速效鉀87.00 mg/kg。供試烤煙品種為G80，煙草專用肥料和尿素等由當地煙草部門統一提供。

1.2 試驗設計

試驗采用單因素試驗設計，設3個耕作方式，分別為粉壟深耕T1(自走氏粉壟深耕深松，耕作深度30 cm)，當地常規耕作方式鏵式犁翻耕T2(先翻耕后旋耕起壟，15 cm)，直接旋耕起壟T3(12 cm)，每個耕作方式設3個小區，每個小區面積為289 m2(17.20 m×16.80 m)。耕作器械：自走氏粉壟深耕深松機(長寬高：5 300 cm×2 500 cm×2 800 cm，質量：9 500 kg，發動機型號：YC6MK340-T301，發動機功率：251 kW，工作檔位：2擋，耕作效率：2 666.67～5 333.33 m2/h，廣西五豐有限公司)，采用粉壟深耕技術，調節耕作深度為30 cm；1L-425翻耕機，耕作深度15 cm，質量290 kg；1ZKN-110旋耕起壟機，耕作深度12 cm，質量430 kg。2017年12月1日進行粉壟深耕，2018年3月23日起壟栽煙，7月16日完成煙葉的采收，大田生育期115 d，所有生產管理技術措施均按照當地烤煙生產技術手冊執行。

1.3 樣品采集及測定方法

1.3.1 土壤樣品的采集及檢測 在2018年10月25日水稻收獲后，2019年10月29日水稻收獲后，采用50 cm土柱取樣器(QTZ-1式便攜取樣器，長度50 cm、直徑7.50 cm)，采用5點取樣法，每個處理取土柱5個，檢測土壤容重(環刀法)、緊實度(緊實度分析儀)、孔隙度、耕層深度(人工測量)等土壤物理指標。

1.3.2 土壤含水率的檢測 采用土壤溫濕度記錄儀(武漢中科能慧)，每小時記錄一次0～50 cm耕層土壤含水率，每個耕層相差10 cm，分5層記錄，每月數據按照平均每小時來計算(2019年)。

1.3.3 土壤團聚體含量的測定 采用濕篩法來分離不同粒徑范圍內的團聚體。采用國產團聚體測定器，分5個粒徑范圍，套篩的孔徑大小依次為2.000，1.000，0.500，0.250，0.053 mm。測量方法為：將取回的物理特性保存完好的土樣按土壤紋路先分離成1 cm3土樣，風干，浸潤15 min后倒入套篩，頻率為30 r/min(上下篩動時套篩不能露出水面)，持續5 min。然后將各粒徑團聚體沖洗到鋁盒中，最后50 ℃下烘干稱質量。

1.3.4 土壤團聚體穩定性評價指標的計算方式 土壤團聚體穩定性評價指標采用大于0.25 mm的團聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、分形維數(D)值來描述(2018，2019年均值)。計算公式如下：

其中：Xi某i粒徑團聚體平均直徑，Wi為i粒級的百分含量，Mx<0.25為粒徑<0.25 mm團聚體的質量，MT為團聚體總質量，dmax為團聚體的最大粒徑，MW

1.3.5 根系干鮮質量的測定 烤煙團棵期、旺長期、成熟期，通過挖掘法選取各處理5棵具有代表性煙株，保留根系完整，清水洗凈，先稱量根系部分生物量，用排水法測量根系體積，最后105 ℃殺青30 min，60 ℃恒溫烘干，稱量不同處理根系干質量。

1.4 數據分析

采用IBM SPSS Statistics 24.0 分析數據和檢驗顯著性，采用Microsoft Office Excel 2017處理數據和制圖。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式下土壤物理特性的變化

2.1.1 不同耕作方式對土壤容重的影響 由圖1-A可以看出，2018年土壤容重在0～50 cm耕層總體變化呈上升趨勢，在0～30 cm耕層，T1處理容重均小于T2、T3對照處理，差異達到顯著水平(P<0.05)，且T1比T3處理容重整體下降8.80%。T1處理容重在0～10 cm耕層分別低于T2、T3對照處理7.40%，8.61%，在10～20 cm耕層分別比對照低4.42%，5.22%，在20～30 cm耕層分別比對照低7.01%，6.42%，在30～50 cm耕層，差異不顯著。由圖1-B可以看出，2019年土壤容重規律基本與2018年一致，T1比T3處理容重整體下降11.25%。T1處理容重在0～10 cm耕層分別低于T2、T3處理7.88%，23.31%，在10～20 cm耕層分別比對照T2和T3低5.71%，4.33%，在20～30 cm耕層分別比對照T2和T3低6.85%，6.12%，在30～50 cm耕層差異不顯著。

2.1.2 不同耕作方式對土壤孔隙度的影響 在圖2-A中，2018年各處理土壤孔隙度隨著耕層深度的增加呈降低趨勢，在0～30 cm耕層中，T1處理孔隙度含量均顯著高于T2、T3對照處理(P<0.05)，T1比T3處理整體增大10.67百分點。在0～10 cm耕層，T1處理孔隙度高于T2、T3處理4.00，4.57百分點，在10～20 cm耕層高于T2、T3處理3.2，2.8百分點，在20～30 cm耕層高于T2、T3處理4.0，2.9百分點，30～50 cm耕層中差異不顯著。在圖2-B中，2019年土壤孔隙度規律與2018基本一致，T1比T3處理整體增大12.8百分點。在0～10 cm耕層，T1處理土壤孔隙度高于T2、T3處理4.98，7.93百分點，在10～20 cm耕層高于T2、T3處理1.65，2.64百分點，在20～30 cm耕層內高于T2、T3處理3.55，2.23百分點，30～40 cm耕層中差異不顯著，40～50 cm耕層中則T3處理孔隙度較高。

2.1.3 不同耕作方式對土壤緊實度的影響 由圖3-A可以看出，在0～30 cm耕層中，2018年T1處理土壤緊實度與對照處理差異顯著(P<0.05)，均表現為T3>T2>T1，且T1比T3處理整體降低29.70%。在0～10 cm耕層內，T1處理低于T2、T3處理4.90%，25.86%，在10～20 cm耕層內低于T2、T3處理18.29%，29.71%，在20～30 cm耕層內低于T2、T3處理26.46%，27.48%，30～40 cm耕層無顯著性差異，40～50 cm耕層則以T3處理孔隙度最高。在圖3-B中，2019年土壤緊實度規律與2018年基本一致，T1比T3處理整體降低21.45%。在0～10 cm耕層內，T1處理低于T2、T3處理1.47%，16.45%，在10～20 cm耕層內低于T2、T3處理14.52%，24.93%，在20～30 cm耕層內分別低于T2、T3處理25.19%，22.98%，30～50 cm耕層則無顯著性差異。

2.1.4 不同耕作方式對耕層深度的影響 由圖4-A可以看出，2018年T1處理的耕作層深度顯著高于T2、T3處理(P<0.05)，較對照T2、T3處理耕作層深度提高了12.40，12.84 cm。由圖4-B可以看出，T1處理2019年耕作層深度較2018年有所降低，但仍與對照處理差異顯著(P<0.05)，較對照處理提高9.06，12.30 cm。

2.2 不同耕作方式下土壤含水率變化

由表1可以看出，T1處理在移栽后3-4月，0～40 cm耕層的平均土壤含水率均高于T2、T3處理，差異均達到極顯著(P<0.01)，在移栽后5月，0～10 cm耕層T3含水率最高，10～40 cm耕層規律與3-4月一致。且T1在3-5月內，0～10 cm耕層土壤平均含水率比T2 高出0.62百分點，在10～20 cm耕層分別比T2和T3高出3.23，4.92百分點，在20～30 cm耕層分別高出9.43，12.3百分點，在30～40 cm耕層分別高出9.56，13.88百分點；在移栽后6月，耕層0～10 cm T3含水率最高且差異極顯著(P<0.01)，10～30 cm耕層則無顯著性差異，30～40 cm耕層內則是T1最高且差異極顯著(P<0.01)；烤煙移栽后的7月，0～10 cm耕層內含水率規律與6月基本一致，在10～40 cm耕層內則是T1處理極顯著高于T3對照處理(P<0.01)。

表1 不同處理生育期內土壤含水率的變化Tab.1 Changes of soil moisture content during growth period of different treatments %

2.3 不同耕作方式對團聚體穩定指數的影響

從表2可以看出，在0～50 cm耕層，隨著耕層深度的增加各耕層間的MWD值總體呈降低趨勢，且T1處理MWD值在0～30 cm，40～50 cm耕層內與T3(當地耕作方式)差異顯著(P<0.05)，這說明T1處理可一定程度上的增大MWD的值；在R0.25與GMD團聚體穩定指數中，規律與MWD基本一致，且在0～30 cm耕層差異規律較為顯著，30～50 cm耕層內差異未達到顯著水平，隨著耕層深度的增加，團聚體的穩定性有所降低，這說明T1處理對于提高0～30 cm耕層的R0.25與GMD的值有一定程度的增益；各處理的分形維數隨深度增加而增加，T1處理分形維數在0～30 cm耕層內均與對照處理差異極顯著(P<0.01)，且T1較之于T2、T3處理在0～10 cm耕層分別降低了26.82%，30.00%，在10～20 cm耕層分別降低了16.59%，25.60%，在20～30 cm耕層分別降低了23.63%，28.89%，在30～40 cm耕層T1與T3處理差異顯著(P<0.05)，在40～50 cm耕層則未表現出顯著性差異。

2.4 不同耕作方式對烤煙根系的影響

從圖5-A、B可以看出，在烤煙團棵期時，根系的干質量以T1處理最高，與T3處理差異達到顯著水平(P<0.05)，分別高于T2、T3處理20.45%，69.75%，而鮮質量則未體出現顯著性；在旺長期、成熟期，T1處理烤煙根系干質量、鮮質量均顯著高于T2、T3處理(P<0.05)，且T1旺長期干質量分別比T2、T3高26.25%，28.93%，在成熟期分別比T2、T3高32.19%，28.33%；T1旺長期鮮質量分別比T2、T3高8.08%，14.04%，在成熟期分別比T2、T3高15.66%，24.02%；從圖5-C來看，T1處理干鮮比在烤煙團棵期、旺長期顯著高于T3處理(P<0.05)，成熟期時與T2差異顯著(P<0.05)；從圖5-D來看，3個時期內，T1處理烤煙體積均與其余處理差異達顯著水平(P<0.05)，分別比T2、T3高12.35%，48.05%，31.94% 和20.07%，55.61%，36.34%。

表2 不同處理、耕作層中土壤團聚體的穩定指數Tab.2 Stability indices of soil aggregates in different treatments and tillage layers

2.5 土壤物理特性與根系的相關性

從表3可以看出，在生育期內，根系的干質量與鮮質量未體現顯著相關性，與體積呈顯著正相關關系，與干鮮比、MWD、R0.25、GMD之間均呈極顯著正相關關系，與D值呈極顯著負相關關系，與容重、緊實度呈顯著負相關關系，與孔隙度呈正相關關系，但未達到顯著水平；根系鮮質量則與干鮮比呈顯著負相關關系，與其余指標并未達到顯著水平；干鮮比與根系體積呈顯著正相關關系，與MWD、R0.25、GMD呈極顯著正相關關系，與D值呈極顯著負相關關系，與容重、緊實度為顯著負相關關系；根系體積與土壤團聚體穩定指數、孔隙度、緊實度間均呈現出極顯著相關性，與容重呈顯著相關性。

表3 烤煙根系與土壤物理特性的相關性Tab.3 Relationship between flue-cured tobacco root system and soil physical characteristics

3 討論與結論

3.1 不同耕作方式對土壤物理特性的影響

長期小型機械與人畜力作業會使得耕地土壤物理特性的持續下降，過高的緊實度增加土壤中的容重、機械性阻力、降低土壤通透性，限制根系的生長[18-19]，前人的研究發現，深耕可打破土壤內部犁底層，提高土壤內部的通氣性，增加保墑能力，通過深耕可有效地增大土壤的粗糙程度，改變土壤含水率、孔隙度等，而粉壟深耕則可進一步的增強土壤物理特性[20]。本研究顯示，粉壟深耕可加深耕作層，在2018年耕層深度相較于T3提高了12.84 cm，2019年提高12.30 cm，且2019年T1耕層深度較2018年有所降低；2018年0～30 cm耕層總體范圍內，T1較T3處理容重平均下降8.80%，緊實度平均降低29.70%，孔隙度平均增大10.67百分點，2019年T1較T3容重平均下降11.25%，緊實度平均降低21.45%，孔隙度平均增大12.8百分點，這主要是由于機械的攪動耕層，影響了土壤特性，加深了耕作深度，使得土壤通透性變強，從而增大了孔隙度，降低容重。T1處理2019年較2018年土壤容重、緊實度有所增加，孔隙度降低，這主要是因為2019年T1處理并未連續粉壟深耕有關。

土壤水分的高低對根系的生長發育影響重大，是影響烤煙品質的關鍵一環[21]。本研究發現，不同耕作方式對含水率的影響不同，隨著耕作深度的增加，各處理的含水率總體呈現增長趨勢，在烤煙移栽后3-5月，除5月的0～10 cm耕層外，粉壟深耕處理0～40 cm各耕層內的水分均極顯著高于對照處理，在3-5月，T1處理0～10 cm耕層土壤平均含水率比T2 高出0.62百分點，在10～20 cm耕層分別比T2和T3高出3.23，4.92百分點，在20～30 cm耕層分別高出9.43，12.3百分點，在30～40 cm耕層分別高出9.56，13.88百分點，這說明，粉壟深耕對于烤煙團棵期與旺長期0～40 cm耕層土壤含水率有一定的增益效果，其原因可能與深耕有利于土壤水分的下滲，提高深層土壤的蓄水能力有關[22]；而在6-7月，粉壟深耕處理在0～10 cm地表的耕層內水分含量低于常規處理，其導致的原因可能是由于粉壟機械地改善了土壤的通透性，增大了各耕層內的孔隙度，加大了土壤與空氣間的交換量，差同時6-7月日照強度和溫度的升高，從而加快了耕層內水分的蒸發速度導致。而在10～40 cm耕層內，粉壟處理含水率均高于常規處理且在30～40 cm耕層內異顯著，這說明粉壟處理在烤煙成熟期對30～40 cm含水率影響較為顯著，其導致的原因可能是由于6-7月烤煙根系的分布已完善，而粉壟處理更利于根系下扎，從而提高了土壤的保墑特性。整個生育期內T3處理40～50 cm耕層水分均高于其余處理，其原因可能是該土層未受到粉壟深耕的直接影響，受土壤類型與成土母質的影響更為顯著。

3.2 不同耕作方式對團聚體及根系的影響

團聚體的形成是一個生物學、物理-化學的過程，土壤的耕作具有兩面性，既能夠促進團聚體的形成，也會破壞團聚體的結構，而團聚體的穩定則與土壤內有機質的構成與質量、土壤的生物活性、滲透率和抗侵蝕能力等息息相關，前人研究表明，良好的耕作措施在一定程度上可以增加土壤穩定性[23-24]。本研究表明，粉壟深耕處理，隨著耕層深度的增加，團聚體穩定指數下降，T1處理0～10 cm耕層內團聚體穩定指數R0.25、GMD均極顯著高于T3常規耕作，MWD顯著高于T3處理，10～30 cm耕層內，R0.25、GMD、MWD均極顯著高于T3處理，D值在0～30 cm耕層內均極顯著低于T3處理，在30～40 cm耕層內顯著高于T3處理，40～50 cm耕層內無顯著性差異，這說明粉壟深耕有助于提高土壤在0～30 cm耕層團聚體的穩定性，而30～50 cm耕層內穩定降低可能是由于耕作機械的重量過大，使得犁底層的緊實度增大，從而導致孔隙度減少，團聚體穩定指數下降，最終影響了土壤穩定性。

根系的良好發育決定著地上部分煙葉的形態建成[25]。本研究表明，在烤煙旺長期、成熟期，粉壟深耕可顯著的提高地下部根系的干質量、鮮質量、體積，其中，T1干質量比T3分別提高28.93%，28.33%，鮮質量比T3分別提高14.04%，24.02%，體積比T3分別提高55.61%，36.34%，這說明粉壟深耕對烤煙根系的生長發育，根系在土壤內的延伸和分布有著顯著的促進作用。從團聚體與根系的相關性分析來看，根系體積、干質量、干鮮比與團聚體穩定指標、孔隙度、容重均表現出較強的相關性，這說明團聚體的穩定性和土壤物理性狀對于烤煙根系的生長發育有著較強的抑制和促進作用，團聚體越穩定，土壤物理性狀越好，根系發育就越可觀。因此，粉壟深耕在提升團聚體穩定性的同時，對根系的生長發育也有著一定的促進作用。

總的來看，粉壟深耕在加深耕作層深度的同時，降低了0～30 cm耕層內的土壤緊實度、容重，增大了孔隙度，且對于提高烤煙團棵期與旺長期0～40 cm耕層含水率有顯著的效果，同時，在0～30 cm耕層，粉壟深耕提升了團聚體的穩定性，為根系的生長發育提供了保障，提高了地下部根系的干質量、鮮質量和體積，優化了根系的空間結構，為優質煙葉的生產打下了基礎，且良好的耕作措施可有效減少肥料過多使用造成的環境污染，更符合試行綠色農業的宗旨，更有利于實現煙葉的可持續發展。本研究對深入認識粉壟耕作，科學地進行煙田耕作具有一定的指導意義。