山地酸性土壤耕层重构的理化性状及酶活性动态变化
邓小华 何铭钰 陈金 彭曙光 刘勇军 王振华 彭德元 符昌武 邓永晟 粟戈璇 夏振
摘 要：為揭示垂直深旋耕配施石灰、绿肥、生物有机肥重构酸性土壤耕层的效果，以湘西山地酸性土壤为研究对象，研究了耕层重构后植烟土壤的pH、物理性状、主要养分含量和酶活性的动态变化。结果表明：（1）酸性土壤耕层重构后，随烤烟生育进程发展，pH快速升高后缓慢下降并逐渐趋于稳定，孔隙度先升高后略有下降，有机质提高后呈波动变化，碱解氮快速升高后缓慢下降，有效磷快速升高后呈下降趋势，速效钾快速升高后下降再缓慢提升，蔗糖酶、脲酶先升高后下降并趋于稳定。（2）酸性土壤耕层重构可降低土壤容重，提高pH、孔隙度、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的含量以及蔗糖酶和脲酶活性。至烤烟移栽后120 d，容重降低7.32%～8.45%，pH、孔隙度、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾分别提高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别提高53.19～163.53和0.76～1.24 mg/（g?d）。（3）垂直深旋耕+石灰+绿肥+生物有机肥处理的效果最好，其次是垂直深旋耕+石灰+绿肥处理。因此，采用垂直深旋耕结合施用石灰、绿肥、生物有机肥等重构酸性土壤耕层，可实现土壤酸度改良与培肥同步、表层与表下层土壤酸度改良同步的改良效果。
关键词：垂直深旋耕;石灰;绿肥;生物有机肥;耕层重构
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
优质烟叶生产的前提是拥有良好的土壤[1-2]。长期连作[3]、大量施用化肥[4]、降雨淋溶[5]、轻视养地[6]等导致植烟土壤酸化、结构变差[7]、养分失衡[8]和微生物失调[9]，严重影响烤烟适产提质增效。传统酸性土壤改良方法是施用石灰[10-11]、碱渣[12]等碱性无机改良剂，虽可在短期内提高土壤pH[10-11]，但长期施用不仅导致土壤板结[6]，还会造成土壤镁、钾、磷的有效性下降[6]。酸化土壤在pH下降的同时伴随土壤肥力下降，因而将无机改良剂与有机肥[13]、农作物秸秆[14]、绿肥[15]等有机改良剂相结合，可同步实现土壤酸度改良和肥力提升[3，7，15]。如何将无机改良剂和有机改良剂与土壤混匀，以提高土壤改良效果，一直是研究的难点。传统的水平旋耕方法，由于无机、有机改良剂在土壤中移动性差及耕作层浅，较难将改良剂与土壤混匀，也难对20 cm以下的表下层土壤进行酸度改良和培肥[6]，不利于深根系作物烤烟的生长发育。有关施用无机改良剂[8]、有机改良剂[16]，以及无机和有机改良剂混合施用后的土壤理化特性[7]、酶[8]等动态变化，已有较多报道，但采用垂直深旋耕结合石灰、绿肥、生物有机肥等改土物料重构酸性土壤耕层效果的报道还是空白。据此，采用垂直深旋耕机具配施石灰、绿肥、生物有机肥重构山地酸性土壤耕层，探讨其改良山地酸性土壤后的土壤pH、物理特性、主要养分、酶活性的动态变化，为山地酸性土壤可持续改良提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
试验于2019年在湖南省慈利县高峰镇进行（29.44° N，110.92° E）。该地海拔800 m，年均气温16.8 ℃，活动积温5200 ℃，降雨量1390 mm，无霜期268 d，日照时数1563 h，属亚热带季风山地湿润气候区。试验地土壤为棕壤，耕作层厚度为18～20 cm，pH 4.54，含有机质19.42 g/kg，碱解氮90.45 mg/kg，有效磷7.21 mg/kg，速效钾123.55 mg/kg。烤烟品种云烟87。石灰为市场上购买的熟石灰，施用量2250 kg/hm2;绿肥为燕麦鲜草（全氮、全磷、全钾含量分别为2.65%、2.34%、2.32%），施用量7500 kg/hm2;商品生物有机肥，N、P2O5和K2O总含量≥8%，有机质含量≥45%，有效活菌数≥0.5亿/g，施用量450 kg/hm2。
1.2 试验设计
试验采用垂直深旋耕，配施石灰、绿肥、生物有机肥等土壤改良剂重构植烟土壤耕层，以提高改酸与培肥效果。试验设5个处理：CK，传统旋耕;T1，垂直深旋耕;T2，垂直深旋耕+石灰;T3，垂直深旋耕+石灰+绿肥;T4，垂直深旋耕+石灰+绿肥+生物有机肥。每个处理3次重复，小区面积80 m2，随机区组排列。垂直深旋耕选用湖南田野现代智能装备有限公司生产的可实现垂直深旋耕和起垄的一体机，该机采用4根垂直轴旋切粉碎土壤，土壤翻耕和起垄一次性作业完成，垄幅120 cm，垂直旋耕深度40 cm，垄高35 cm;传统耕作采用小型拖拉机带旋耕机作业，微型机械起垄，土壤翻耕和起垄分2次作业完成，垄幅120 cm，旋耕深度15～17 cm左右，垄高35 cm。石灰、绿肥、有机肥施用量参照以往研究[7，11]。在烤烟移栽前15 d，将燕麦绿肥和石灰均匀撒施在耕地表面，按试验设计要求翻地和起垄。生物有机肥于移栽前与烟草专用基肥一起条施。烤烟施氮量109.5 kg/hm2，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=1∶1.27∶2.73，各处理氮、磷、钾施用量保持一致，其中T3、T4处理添加的绿肥、生物有机肥养分量采用减少基肥中复合肥施用量的方法进行调节。烤烟种植密度为16 650株/hm2。其他栽培管理措施同张家界优质烤烟生产技术规程。
1.3 主要检测指标及方法
在烤烟移栽后的30、60、90、120 d，每小区采用梅花形5点法取土样，每个样点在垄中间的两烟株之间采集0～20 cm耕层土壤，制成一个混合土样。土壤容重和孔隙度采用环刀法测定[17]，pH采用电位法测定（水土比为1∶1）[17]，有机质、碱解氮、速效磷、速效钾分别采用重鉻酸钾容量法、碱解扩散法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法和醋酸铵浸提-火焰光度法测定[17]。蔗糖酶、脲酶分别采用Na2S2O3滴定法和靛酚蓝比色法测定[17]。为了解pH垂直变化，在烤烟移栽后30 d，每处理采用土壤原位取样器钻取3个50 cm深的土柱，分切成0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm的小段测定pH。
1.4 数据处理
采用Microsoft Excel 2003和IBM Statistics SPSS 17.0进行数据处理和统计分析。采用Duncan法在p=0.05水平下检验显著性。
2 结 果
2.1 对土壤pH的影响
2.1.1 土壤pH垂直变化 由图1可知，在烤烟移栽后30 d，随土壤深度增加，土壤pH下降。0～50 cm深度，T2、T3和T4的pH差异不显著（p>0.05），但均显著高于T1和CK（p<0.05），T1和CK的pH差异也不显著（p>0.05）。这表明垂直深旋耕配施改良剂对土壤重构，可以同时提高0～20 cm表层和20～50 cm表下层pH，实现了表层与表下层的同步调酸。
2.1.2 0～20 cm土壤pH动态变化 由图2可知，移栽后30 d，T2-T4的pH较pH初始值（4.54）分别上升了2.36、2.48和2.41;至移栽后120 d，T2-T4的pH较移栽30 d时分别下降了1.64、1.65和1.42。烤烟移栽后的T1和CK土壤pH介于4.45～4.73和4.52～4.74，与初始值差异不显著。施用改良剂后，土壤pH先升后降并逐渐趋于稳定。
在烤烟移栽后，T2-T4的pH均显著高于T1和CK。移栽后30 d，T2～T4 pH差异不显著;在60 d，T2的pH显著高于T4;在90 d和120 d，T2的pH显著低于T4。移栽后30、90和120 d，T1的pH与CK差异不显著;但在60 d，T1的pH显著高于CK。至移栽后120 d，T2、T3和T4的pH较CK提高了0.78～1.04。表明不同重构土壤处理提高酸性土壤pH效果有差异，以T4的效果最好。
2.2 对0～20 cm土壤物理特性的影响
2.2.1 土壤容重动态变化 由图3可知，T1-T4的容重较CK分别低了4.72%～8.03%、4.31%～8.76%、6.27%～8.05%和5.42%～8.45%;T2-T4的容重较T1分别低了2.05%～3.46%、2.23%～4.86%和2.29%～2.80%。移栽后120 d，T3和T4的容重显著低于T1、T2和CK;T2-T4的容重较CK下降了7.32%～8.45%。可见，耕层重构可降低土壤容重，配施改良剂可提高效果，以T4和T3的效果更好。
2.2.2 土壤孔隙度动态变化 由图4可知，同一处理的孔隙度随烤烟生育进程略有下降;T1-T4的孔隙度较CK分别提高了5.76%～8.83%、5.36%～9.53%、7.29%～9.08%和6.41%～9.23%;T2-T4的孔隙度较T1分别提高了1.72%～2.91%、1.72%～3.96%和1.23%～1.68%。至移栽后120 d，T2-T4的孔隙度较CK提高了8.17%～9.23%。可见，耕层重构可提高土壤孔隙度，以T2、T3和T4的效果更好。
2.3 对0～20 cm土壤主要养分含量的影响
2.3.1 土壤有机质含量动态变化 由图5可知，同一处理的有机质随烤烟生育进程呈现较小的波动; 有机质含量均表现为T4>T3>T2>T1>CK。其中，T1-T4的有机质含量显著高于CK;T3和T4的有机质含量显著高于T1。至移栽后120 d，T2、T3和T4的有机质较CK提高16.89%～27.72%。可见，土壤重构后的有机质含量提高，以T4的效果最好，其次是T3。
2.3.2 土壤碱解氮含量动态变化 由图6可知，由于烤烟施氮肥主要在大田前期，因而烤烟大田前期（30 d）和中期（60 d）的碱解氮含量要高于大田后期（90～120 d）。在移栽后30～120 d，碱解氮含量均表现为T4>T3>T2>T1>CK。其中，T1-T4的碱解氮含量显著高于CK;在移栽后30～90 d，T2-T4的碱解氮显著高于T1;移栽后120 d，这种差异在缩小。至移栽后120 d，T2～T4的碱解氮较CK可提高13.39%～18.81%。可见，土壤重构后的碱解氮含量提高，碱解氮快速升高后缓慢下降，以T4的效果最好，其次是T3。
2.3.3 土壤有效磷含量动态变化 由图7可知，烤烟大田前期（30 d）的有效磷含量最高，以后随烤烟生育进程发展略有下降。在移栽后30～120 d，有效磷含量均表现为T4>T3>T2>T1>CK，且不同处理之间差异显著。至移栽后120 d，T2、T3和T4的有效磷较CK提高69.83%～245.17%。可见，土壤重构后的有效磷含量提高，以T4的效果最好，其次是T3。
2.3.4 土壤速效钾含量动态变化 由图8可知，烤烟大田前期（30 d）的速效钾含量最高，此后随烤烟生育进程发展略有降低。移栽后30～120 d，速效钾含量均表现为T4>T3>T2>T1>CK。其中，T1-T4的速效钾含量显著高于CK;T2-T4的速效钾显著高于T1。移栽后30、120 d，T4的速效钾显著高于T2和T3;移栽后60、90 d，T3和T4的速效钾显著高于T2。移栽后120 d，T2-T4的速效钾较CK提高47.05%～100.91%。可见，土壤速效钾快速升高后下降再缓慢提升，土壤重构后的速效钾含量提高，以T4的效果最好，其次是T3。
2.4 對土壤酶活性的影响
2.4.1 土壤蔗糖酶活性动态变化 由图9可知，烤烟移栽后30 d蔗糖酶活性最低，移栽后60 d最高，此后随烤烟生育进程发展而下降并趋于稳定。移栽后30～120 d，蔗糖酶活性均表现为T4>T3>T2>T1>CK。其中，T1-T4的蔗糖酶活性显著高于CK;在烤烟移栽30～90 d，T2-T4的蔗糖酶活性显著高于T1，但移栽后120 d只有T3和T4的蔗糖酶活性显著高于T1。移栽后30～60 d，T3和T4的蔗糖酶活性显著高于T2;移栽后90～120 d，T2、T3和T4的蔗糖酶活性差异显著。至移栽后120 d，T2-T4的蔗糖酶活性较CK提高53.19～163.53 mg/（g·d）。可见，土壤重构可提高土壤蔗糖酶活性，以T4的效果最好，其次是T3。
2.4.2 土壤脲酶动态变化 由图10可知，烤烟移栽后30 d的脲酶活性最低，移栽后60 d的脲酶活性最高，此后随烤烟生育进程发展而下降并趋于稳定。移栽后30～120 d，脲酶活性均表现为T4>T3>T2>T1>CK。其中，T2-T4的脲酶活性显著高于CK。移栽后30 d，不同处理间的脲酶活性差异显著;移栽后60 d，T1的脲酶活性显著高于CK，T4的脲酶活性显著高于T2和T3;移栽后90 d，T1的脲酶活性显著高于CK，T3和T4的脲酶活性显著高于T2;移栽后120 d，T2、T3和T4的脲酶差异显著。至移栽后120 d，T2-T4的脲酶活性较CK提高0.76～1.24 mg/（g·d）。可见，土壤重构可提高土壤脲酶活性，以T4的效果最好，其次是T3。
3 讨 论
土壤酸化伴随着土壤肥力下降，阻控和修复酸化土壤要求在提高土壤pH的同时培肥土壤[2，6]。石灰作为无机改良剂对土壤pH影响是阶段性的[10-11]，施用初期可显著提高土壤pH，但随后会缓慢下降并趋于稳定，这是土壤缓冲效应的结果。绿肥还田可提高土壤有机质[18]，生物有机肥可加速土壤中有益微生物的繁殖[19]、提高土壤养分[20]，这两者均有利于提高土壤缓冲能力[3，15]。石灰、绿肥和生物有机肥协同改良酸性土壤，有利于获得稳定的土壤改酸效果[3，7，15]。本研究表明，至120 d，配施绿肥和生物有机肥的土壤pH较单施石灰和CK分别提高了0.88和1.04。单施石灰一旦过量会引起土壤板结[21]，绿肥还田和施用生物有机肥能降低土壤的容重和紧实度[18，22]，较好地改善土壤物理特性。本研究结果也证实在施用石灰时，配施绿肥和生物有机肥能显著降低土壤容重和提高孔隙度。另外，单施石灰不能提升土壤肥力，将石灰、绿肥、生物有机肥配合施用，不仅可以提高土壤pH，还能提高土壤肥力，实现酸性土壤改良与肥力提升同步[3，7，15]。本研究表明，在施用石灰改良酸性土壤的同时，配施绿肥和生物有机肥可显著提高土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾。因此，施用无机改良剂（石灰）改良酸性土壤时，还应适当配施有绿肥、生物有机肥等有机改良剂，既可稳定改酸效果，也可同步实现土壤的改良与培肥。
酸化山地土壤的耕作层较浅[2]，加之采用水平旋耕（其耕深一般在12～16 cm），长此以往会导致耕作层浅薄以及犁底层的加厚，阻碍耕作层与心土层的水、肥、气、热的交换，导致地力下降。垂直深旋耕用高速垂直旋转钻头切削、撞击、捶打、挤压、粉碎土壤[23-24]，可提高耕层土壤深度，提高烟叶产量和质量[25-27]。酸性土壤改良剂一般撒施在土壤表层，传统水平旋耕较难解决绿肥、石灰与土壤混匀问题，通过垂直旋耕可将改良剂掺混入0～50 cm土壤中，较好地解决改良剂在全耕层土壤的均匀分布问题[25，28]，可显著提高20～50 cm表下层土壤pH，实现了表层与表下层土壤同步改酸[28]。
垂直深旋耕可加深土壤耕層、细碎土壤，从而改善土壤结构，提高土壤通气性，有利于土壤微生物活动和绿肥残茬分解。与此同时，垂直深旋耕后的土壤细碎化也有利于施入的肥料吸附，进而减少养分淋溶损失。所以，垂直深旋耕配施改良剂重构酸性土壤耕层，可提高土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量。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。采用耕层重构措施显著提高了土壤蔗糖酶和脲酶活性。由此可见，耕层重构措施有利于山地酸化土壤熟化和肥力水平提高，对实现酸性土壤可持续改良[28]具有重要意义。
需要指出的是，垂直深旋耕可加深土壤耕层，本文只对20 cm耕层的物理特性、主要养分和酶活性进行了一年的初步研究，因此垂直深旋耕对耕层20 cm以下土壤影响以及对土壤影响的时效性还有待于今后进一步研究。
4 结 论
酸性土壤耕层重构后，随烤烟生育进程发展，不同土壤理化指标动态变化有差异。总体来看，酸性土壤耕层重构可降低土壤容重，提高pH、孔隙度、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的含量以及蔗糖酶和脲酶活性，实现改酸和培肥的同步以及表层与表下层土壤同时改酸。不同处理以垂直深旋耕+石灰+绿肥+生物有机肥处理的效果最好，其次是垂直深旋耕+石灰+绿肥处理。因此，生产上可采用垂直深旋耕结合施用石灰、绿肥、生物有机肥等重构酸性土壤耕层，以实现山地酸性改酸、有机质提高和耕层增加的目的，稳定提高山地土壤改良效果。
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