山地酸性土壤耕層重構的理化性狀及酶活性動態變化

鄧小華 何銘鈺 陳金 彭曙光 劉勇軍 王振華 彭德元 符昌武 鄧永晟 粟戈璇 夏振

摘?要：為揭示垂直深旋耕配施石灰、綠肥、生物有機肥重構酸性土壤耕層的效果，以湘西山地酸性土壤為研究對象，研究了耕層重構后植煙土壤的pH、物理性狀、主要養分含量和酶活性的動態變化。結果表明：（1）酸性土壤耕層重構后，隨烤煙生育進程發展，pH快速升高后緩慢下降并逐漸趨于穩定，孔隙度先升高后略有下降，有機質提高后呈波動變化，堿解氮快速升高后緩慢下降，有效磷快速升高后呈下降趨勢，速效鉀快速升高后下降再緩慢提升，蔗糖酶、脲酶先升高后下降并趨于穩定。（2）酸性土壤耕層重構可降低土壤容重，提高pH、孔隙度、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量以及蔗糖酶和脲酶活性。至烤煙移栽后120 d，容重降低7.32%～8.45%，pH、孔隙度、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀分別提高0.78～1.04、8.17%～9.23%、16.89%～27.72%、13.39%～18.81%、69.83%～245.17%和47.05%～100.91%，蔗糖酶和脲酶活性分別提高53.19～163.53和0.76～1.24 mg/（g?d）。（3）垂直深旋耕+石灰+綠肥+生物有機肥處理的效果最好，其次是垂直深旋耕+石灰+綠肥處理。因此，采用垂直深旋耕結合施用石灰、綠肥、生物有機肥等重構酸性土壤耕層，可實現土壤酸度改良與培肥同步、表層與表下層土壤酸度改良同步的改良效果。

關鍵詞：垂直深旋耕;石灰;綠肥;生物有機肥;耕層重構

Abstract： To reveal the synergistic effect of restructured arable layer of mountainous acidic soil by deep vertical rotary tillage combined with lime， green manure and bio-organic manure， the dynamic of pH， physical properties， main nutrients and enzyme activities of the tobacco-planting acidic soil were studied in the western Hunan mountainous area. The results showed that： （1） After restructured arable layer， as to tobacco grow， soil pH increased rapidly， then decreased slowly and tended to be stable， porosity ascended firstly and then descended slightly， organic matter firstly rose and then fluctuated， alkali-hydrolyzable nitrogen rose sharply and then dropped slowly， available phosphorus increased rapidly and then tended to fall， available potassium increased significantly first， then declined and finally rose steadily， activities of invertase and urease firstly rose， then dropped and at last tended to be stable. （2） Application of restructured arable layer technology can reduce soil bulk density， increase soil pH， increase soil porosity and contents of soil organic matter， alkali-hydrolyzed nitrogen， available phosphorus， available potassium， and increase the activities of soil invertase and urease. One hundred and twenty days after tobacco transplanting， soil pH was increased by 0.78-1.04 unit， bulk density was reduced by 7.32%-8.45%. In addition， porosity， the contents of organic matter， alkali-hydrolyzable nitrogen， available phosphorus and available potassium， the activities of invertase and urease were elevated by 16.89%-27.72%， 8.17%-9.23%， 13.39%-18.81%， 69.83%-245.17%， 47.05%-100.91%， 53.19-163.53 and 0.76-1.24 mg/（g·d）， respectively. （3） The treatment of deep vertical rotary tillage+lime+green manure+biological organic manure was most effective， followed by the treatment of deep vertical rotary tillage+lime+green manure. Therefore， the deep vertical rotary tillage combined with lime， green manure and biological organic manure to reconstruct the arable layer can achieve synchronous improvement of soil acidity and fertilization， synchronous improvement of the acidity in topsoil and subsurface soil.

Keywords： deep vertical rotary tillage; lime; green manure; bio-organic manure; restructuring arable layer

優質煙葉生產的前提是擁有良好的土壤[1-2]。長期連作[3]、大量施用化肥[4]、降雨淋溶[5]、輕視養地[6]等導致植煙土壤酸化、結構變差[7]、養分失衡[8]和微生物失調[9]，嚴重影響烤煙適產提質增效。傳統酸性土壤改良方法是施用石灰[10-11]、堿渣[12]等堿性無機改良劑，雖可在短期內提高土壤pH[10-11]，但長期施用不僅導致土壤板結[6]，還會造成土壤鎂、鉀、磷的有效性下降[6]。酸化土壤在pH下降的同時伴隨土壤肥力下降，因而將無機改良劑與有機肥[13]、農作物秸稈[14]、綠肥[15]等有機改良劑相結合，可同步實現土壤酸度改良和肥力提升[3，7，15]。如何將無機改良劑和有機改良劑與土壤混勻，以提高土壤改良效果，一直是研究的難點。傳統的水平旋耕方法，由于無機、有機改良劑在土壤中移動性差及耕作層淺，較難將改良劑與土壤混勻，也難對20 cm以下的表下層土壤進行酸度改良和培肥[6]，不利于深根系作物烤煙的生長發育。有關施用無機改良劑[8]、有機改良劑[16]，以及無機和有機改良劑混合施用后的土壤理化特性[7]、酶[8]等動態變化，已有較多報道，但采用垂直深旋耕結合石灰、綠肥、生物有機肥等改土物料重構酸性土壤耕層效果的報道還是空白。據此，采用垂直深旋耕機具配施石灰、綠肥、生物有機肥重構山地酸性土壤耕層，探討其改良山地酸性土壤后的土壤pH、物理特性、主要養分、酶活性的動態變化，為山地酸性土壤可持續改良提供理論依據。

1?材料與方法

1.1?材料

試驗于2019年在湖南省慈利縣高峰鎮進行（29.44° N，110.92° E）。該地海拔800 m，年均氣溫16.8 ℃，活動積溫5200 ℃，降雨量1390 mm，無霜期268 d，日照時數1563 h，屬亞熱帶季風山地濕潤氣候區。試驗地土壤為棕壤，耕作層厚度為18～20 cm，pH 4.54，含有機質19.42 g/kg，堿解氮90.45 mg/kg，有效磷7.21 mg/kg，速效鉀123.55 mg/kg?？緹熎贩N云煙87。石灰為市場上購買的熟石灰，施用量2250 kg/hm2;綠肥為燕麥鮮草（全氮、全磷、全鉀含量分別為2.65%、2.34%、2.32%），施用量7500 kg/hm2;商品生物有機肥，N、P2O5和K2O總含量≥8%，有機質含量≥45%，有效活菌數≥0.5億/g，施用量450 kg/hm2。

1.2?試驗設計

試驗采用垂直深旋耕，配施石灰、綠肥、生物有機肥等土壤改良劑重構植煙土壤耕層，以提高改酸與培肥效果。試驗設5個處理：CK，傳統旋耕;T1，垂直深旋耕;T2，垂直深旋耕+石灰;T3，垂直深旋耕+石灰+綠肥;T4，垂直深旋耕+石灰+綠肥+生物有機肥。每個處理3次重復，小區面積80 m2，隨機區組排列。垂直深旋耕選用湖南田野現代智能裝備有限公司生產的可實現垂直深旋耕和起壟的一體機，該機采用4根垂直軸旋切粉碎土壤，土壤翻耕和起壟一次性作業完成，壟幅120 cm，垂直旋耕深度40 cm，壟高35 cm;傳統耕作采用小型拖拉機帶旋耕機作業，微型機械起壟，土壤翻耕和起壟分2次作業完成，壟幅120 cm，旋耕深度15～17 cm左右，壟高35 cm。石灰、綠肥、有機肥施用量參照以往研究[7，11]。在烤煙移栽前15 d，將燕麥綠肥和石灰均勻撒施在耕地表面，按試驗設計要求翻地和起壟。生物有機肥于移栽前與煙草專用基肥一起條施?？緹熓┑?09.5 kg/hm2，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=1∶1.27∶2.73，各處理氮、磷、鉀施用量保持一致，其中T3、T4處理添加的綠肥、生物有機肥養分量采用減少基肥中復合肥施用量的方法進行調節?？緹煼N植密度為16 650株/hm2。其他栽培管理措施同張家界優質烤煙生產技術規程。

1.3?主要檢測指標及方法

在烤煙移栽后的30、60、90、120 d，每小區采用梅花形5點法取土樣，每個樣點在壟中間的兩煙株之間采集0～20 cm耕層土壤，制成一個混合土樣。土壤容重和孔隙度采用環刀法測定[17]，pH采用電位法測定（水土比為1∶1）[17]，有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀分別采用重鉻酸鉀容量法、堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和醋酸銨浸提-火焰光度法測定[17]。蔗糖酶、脲酶分別采用Na2S2O3滴定法和靛酚藍比色法測定[17]。為了解pH垂直變化，在烤煙移栽后30 d，每處理采用土壤原位取樣器鉆取3個50 cm深的土柱，分切成0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm的小段測定pH。

1.4?數據處理

采用Microsoft Excel 2003和IBM Statistics SPSS 17.0進行數據處理和統計分析。采用Duncan法在p=0.05水平下檢驗顯著性。

2?結?果

2.1?對土壤pH的影響

2.1.1?土壤pH垂直變化?由圖1可知，在烤煙移栽后30 d，隨土壤深度增加，土壤pH下降。0～50 cm深度，T2、T3和T4的pH差異不顯著（p>0.05），但均顯著高于T1和CK（p<0.05），T1和CK的pH差異也不顯著（p>0.05）。這表明垂直深旋耕配施改良劑對土壤重構，可以同時提高0～20 cm表層和20～50 cm表下層pH，實現了表層與表下層的同步調酸。

2.1.2?0～20 cm土壤pH動態變化?由圖2可知，移栽后30 d，T2-T4的pH較pH初始值（4.54）分別上升了2.36、2.48和2.41;至移栽后120 d，T2-T4的pH較移栽30 d時分別下降了1.64、1.65和1.42?？緹熞圃院蟮腡1和CK土壤pH介于4.45～4.73和4.52～4.74，與初始值差異不顯著。施用改良劑后，土壤pH先升后降并逐漸趨于穩定。

在烤煙移栽后，T2-T4的pH均顯著高于T1和CK。移栽后30 d，T2～T4 pH差異不顯著;在60 d，T2的pH顯著高于T4;在90 d和120 d，T2的pH顯著低于T4。移栽后30、90和120 d，T1的pH與CK差異不顯著;但在60 d，T1的pH顯著高于CK。至移栽后120 d，T2、T3和T4的pH較CK提高了0.78～1.04。表明不同重構土壤處理提高酸性土壤pH效果有差異，以T4的效果最好。

2.2?對0～20 cm土壤物理特性的影響

2.2.1?土壤容重動態變化?由圖3可知，T1-T4的容重較CK分別低了4.72%～8.03%、4.31%～8.76%、6.27%～8.05%和5.42%～8.45%;T2-T4的容重較T1分別低了2.05%～3.46%、2.23%～4.86%和2.29%～2.80%。移栽后120 d，T3和T4的容重顯著低于T1、T2和CK;T2-T4的容重較CK下降了7.32%～8.45%?？梢?，耕層重構可降低土壤容重，配施改良劑可提高效果，以T4和T3的效果更好。

2.2.2?土壤孔隙度動態變化?由圖4可知，同一處理的孔隙度隨烤煙生育進程略有下降;T1-T4的孔隙度較CK分別提高了5.76%～8.83%、5.36%～9.53%、7.29%～9.08%和6.41%～9.23%;T2-T4的孔隙度較T1分別提高了1.72%～2.91%、1.72%～3.96%和1.23%～1.68%。至移栽后120 d，T2-T4的孔隙度較CK提高了8.17%～9.23%?？梢?，耕層重構可提高土壤孔隙度，以T2、T3和T4的效果更好。

2.3?對0～20 cm土壤主要養分含量的影響

2.3.1?土壤有機質含量動態變化?由圖5可知，同一處理的有機質隨烤煙生育進程呈現較小的波動; 有機質含量均表現為T4>T3>T2>T1>CK。其中，T1-T4的有機質含量顯著高于CK;T3和T4的有機質含量顯著高于T1。至移栽后120 d，T2、T3和T4的有機質較CK提高16.89%～27.72%?？梢?，土壤重構后的有機質含量提高，以T4的效果最好，其次是T3。

2.3.2?土壤堿解氮含量動態變化?由圖6可知，由于烤煙施氮肥主要在大田前期，因而烤煙大田前期（30 d）和中期（60 d）的堿解氮含量要高于大田后期（90～120 d）。在移栽后30～120 d，堿解氮含量均表現為T4>T3>T2>T1>CK。其中，T1-T4的堿解氮含量顯著高于CK;在移栽后30～90 d，T2-T4的堿解氮顯著高于T1;移栽后120 d，這種差異在縮小。至移栽后120 d，T2～T4的堿解氮較CK可提高13.39%～18.81%?？梢?，土壤重構后的堿解氮含量提高，堿解氮快速升高后緩慢下降，以T4的效果最好，其次是T3。

2.3.3?土壤有效磷含量動態變化?由圖7可知，烤煙大田前期（30 d）的有效磷含量最高，以后隨烤煙生育進程發展略有下降。在移栽后30～120 d，有效磷含量均表現為T4>T3>T2>T1>CK，且不同處理之間差異顯著。至移栽后120 d，T2、T3和T4的有效磷較CK提高69.83%～245.17%?？梢?，土壤重構后的有效磷含量提高，以T4的效果最好，其次是T3。

2.3.4?土壤速效鉀含量動態變化?由圖8可知，烤煙大田前期（30 d）的速效鉀含量最高，此后隨烤煙生育進程發展略有降低。移栽后30～120 d，速效鉀含量均表現為T4>T3>T2>T1>CK。其中，T1-T4的速效鉀含量顯著高于CK;T2-T4的速效鉀顯著高于T1。移栽后30、120 d，T4的速效鉀顯著高于T2和T3;移栽后60、90 d，T3和T4的速效鉀顯著高于T2。移栽后120 d，T2-T4的速效鉀較CK提高47.05%～100.91%?？梢?，土壤速效鉀快速升高后下降再緩慢提升，土壤重構后的速效鉀含量提高，以T4的效果最好，其次是T3。

2.4?對土壤酶活性的影響

2.4.1?土壤蔗糖酶活性動態變化?由圖9可知，烤煙移栽后30 d蔗糖酶活性最低，移栽后60 d最高，此后隨烤煙生育進程發展而下降并趨于穩定。移栽后30～120 d，蔗糖酶活性均表現為T4>T3>T2>T1>CK。其中，T1-T4的蔗糖酶活性顯著高于CK;在烤煙移栽30～90 d，T2-T4的蔗糖酶活性顯著高于T1，但移栽后120 d只有T3和T4的蔗糖酶活性顯著高于T1。移栽后30～60 d，T3和T4的蔗糖酶活性顯著高于T2;移栽后90～120 d，T2、T3和T4的蔗糖酶活性差異顯著。至移栽后120 d，T2-T4的蔗糖酶活性較CK提高53.19～163.53 mg/（g·d）?？梢?，土壤重構可提高土壤蔗糖酶活性，以T4的效果最好，其次是T3。

2.4.2?土壤脲酶動態變化?由圖10可知，烤煙移栽后30 d的脲酶活性最低，移栽后60 d的脲酶活性最高，此后隨烤煙生育進程發展而下降并趨于穩定。移栽后30～120 d，脲酶活性均表現為T4>T3>T2>T1>CK。其中，T2-T4的脲酶活性顯著高于CK。移栽后30 d，不同處理間的脲酶活性差異顯著;移栽后60 d，T1的脲酶活性顯著高于CK，T4的脲酶活性顯著高于T2和T3;移栽后90 d，T1的脲酶活性顯著高于CK，T3和T4的脲酶活性顯著高于T2;移栽后120 d，T2、T3和T4的脲酶差異顯著。至移栽后120 d，T2-T4的脲酶活性較CK提高0.76～1.24 mg/（g·d）?？梢?，土壤重構可提高土壤脲酶活性，以T4的效果最好，其次是T3。

3?討?論

土壤酸化伴隨著土壤肥力下降，阻控和修復酸化土壤要求在提高土壤pH的同時培肥土壤[2，6]。石灰作為無機改良劑對土壤pH影響是階段性的[10-11]，施用初期可顯著提高土壤pH，但隨后會緩慢下降并趨于穩定，這是土壤緩沖效應的結果。綠肥還田可提高土壤有機質[18]，生物有機肥可加速土壤中有益微生物的繁殖[19]、提高土壤養分[20]，這兩者均有利于提高土壤緩沖能力[3，15]。石灰、綠肥和生物有機肥協同改良酸性土壤，有利于獲得穩定的土壤改酸效果[3，7，15]。本研究表明，至120 d，配施綠肥和生物有機肥的土壤pH較單施石灰和CK分別提高了0.88和1.04。單施石灰一旦過量會引起土壤板結[21]，綠肥還田和施用生物有機肥能降低土壤的容重和緊實度[18，22]，較好地改善土壤物理特性。本研究結果也證實在施用石灰時，配施綠肥和生物有機肥能顯著降低土壤容重和提高孔隙度。另外，單施石灰不能提升土壤肥力，將石灰、綠肥、生物有機肥配合施用，不僅可以提高土壤pH，還能提高土壤肥力，實現酸性土壤改良與肥力提升同步[3，7，15]。本研究表明，在施用石灰改良酸性土壤的同時，配施綠肥和生物有機肥可顯著提高土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀。因此，施用無機改良劑（石灰）改良酸性土壤時，還應適當配施有綠肥、生物有機肥等有機改良劑，既可穩定改酸效果，也可同步實現土壤的改良與培肥。

酸化山地土壤的耕作層較淺[2]，加之采用水平旋耕（其耕深一般在12～16 cm），長此以往會導致耕作層淺薄以及犁底層的加厚，阻礙耕作層與心土層的水、肥、氣、熱的交換，導致地力下降。垂直深旋耕用高速垂直旋轉鉆頭切削、撞擊、捶打、擠壓、粉碎土壤[23-24]，可提高耕層土壤深度，提高煙葉產量和質量[25-27]。酸性土壤改良劑一般撒施在土壤表層，傳統水平旋耕較難解決綠肥、石灰與土壤混勻問題，通過垂直旋耕可將改良劑摻混入0～50 cm土壤中，較好地解決改良劑在全耕層土壤的均勻分布問題[25，28]，可顯著提高20～50 cm表下層土壤pH，實現了表層與表下層土壤同步改酸[28]。

垂直深旋耕可加深土壤耕層、細碎土壤，從而改善土壤結構，提高土壤通氣性，有利于土壤微生物活動和綠肥殘茬分解。與此同時，垂直深旋耕后的土壤細碎化也有利于施入的肥料吸附，進而減少養分淋溶損失。所以，垂直深旋耕配施改良劑重構酸性土壤耕層，可提高土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。蔗糖酶活性可反映土壤熟化程度和肥力水平，脲酶活性可反映土壤供氮能力。采用耕層重構措施顯著提高了土壤蔗糖酶和脲酶活性。由此可見，耕層重構措施有利于山地酸化土壤熟化和肥力水平提高，對實現酸性土壤可持續改良[28]具有重要意義。

需要指出的是，垂直深旋耕可加深土壤耕層，本文只對20 cm耕層的物理特性、主要養分和酶活性進行了一年的初步研究，因此垂直深旋耕對耕層20 cm以下土壤影響以及對土壤影響的時效性還有待于今后進一步研究。

4?結?論

酸性土壤耕層重構后，隨烤煙生育進程發展，不同土壤理化指標動態變化有差異?？傮w來看，酸性土壤耕層重構可降低土壤容重，提高pH、孔隙度、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量以及蔗糖酶和脲酶活性，實現改酸和培肥的同步以及表層與表下層土壤同時改酸。不同處理以垂直深旋耕+石灰+綠肥+生物有機肥處理的效果最好，其次是垂直深旋耕+石灰+綠肥處理。因此，生產上可采用垂直深旋耕結合施用石灰、綠肥、生物有機肥等重構酸性土壤耕層，以實現山地酸性改酸、有機質提高和耕層增加的目的，穩定提高山地土壤改良效果。

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