紫色土坡耕地是我国重要的耕地资源，集中分布于四川、重庆、云南等地区，占全国坡耕地面积的 32%^[1]。紫色土分布区域降雨集中，耕地土层浅薄^[2]、土粒粗大，土壤水稳性及抗旱性差、养分流失严重^[3-4]。由于紫色土特殊的物理结构及其分布区独特的降雨气候，常常加剧土壤养分衰减程度、导致根系养分吸收不及时、不充分，严重影响作物产量^[5]。因此，减少土壤养分流失、提高根区养分供应强度、优化根系空间分布格局、充分挖掘根系对养分的高效利用潜力，对提高紫色土区域作物产量具有重要意义。研究表明，缓控释化肥能够减少养分流失、促进根系养分吸收、提高根系生物量^[6]。化肥配施有机肥可以改善土壤理化环境^[7]，提高根系对养分的吸收利用、促进根系生长发育^[8]。化肥与有机肥经圆盘造粒制成的有机-无机复混肥可以提高土壤养分的供肥性^[9]，优化肥料肥效和增加作物养分吸收量^[10-12]。紫色土分布地区，通常以化肥与有机肥配施为主，如，将化肥和秸秆^[13]、化肥和猪粪^[14]、化肥和生物炭^[15]等配合施用，均能改善土壤理化性质、促进根系生长发育。然而，目前的研究多集中于化肥与有机肥配施对提高紫色土分布区作物产量的效果，很少关注在超强压力下将化肥与有机物料压制成有机-无机砖肥，研究砖肥对根系生长的影响。

肥料压块原指颗粒肥或颗粒状肥料的物理压实过程，经此技术成型的肥料被称为块肥（Fertilizer Briquette）^[16]。与颗粒级商品化肥相比，块肥表面积更小，施入土壤后能够以更温和的方式缓慢溶解和释放养分，最终减少土壤养分损失^[17]。Bandaogo 等^[18]在水稻栽培上的研究表明，与传统尿素相比，压块尿素的产量提高了 5.4%～12.3%、氮肥农学利用率提高了 10.8%。Miah 等^[19]、Huda 等^[20] 利用氮磷钾压块肥栽培水稻，发现该措施能够减少肥料用量，提高水稻氮肥利用率、干物质积累量和籽粒产量。Adu-Gyamfi 等^[21]研究结果也发现，氮磷钾压块肥可以减少养分淋失、增加土壤养分留存、提高肥料利用率。王忠强等^[22]进一步将化肥与有机物料压制成块肥，发现该措施可以延长肥料养分释放时间、减少养分流失、提高肥料利用率等。这些研究主要集中于水稻、玉米、黄瓜等作物，很少有人将块肥作为大田烤烟的主要肥源，并且以往研究中多使用 150～200 kg/cm² 的压力制备块肥，物料紧实度有限、强度不足，施入土壤仍易崩解、养分释放性能不足。针对上述问题，本文利用 1400 kg/ cm² 的超强压力将化肥和有机物料的混合物料压制成长 7.2 cm、宽 2.1 cm、高 1.2 cm 的砖肥。移栽当天，以根茎为中心、7.5 cm 半径作圆，在圆周四等分点处基施砖肥，研究砖肥对土壤电导率、根系空间分布及根系生物量的影响。通过此研究，以期为开发烟用砖肥新产品提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 砖肥

原料：有机无机砖肥中原料肥和有机物料各占 50%，N、P₂O₅、K₂O 和 C 含量分别为 6.0%、6.5%、 13.9% 和 22.2%。

制备过程：原料肥和有机物料物理混匀后控制含水率为 3%～6%，在 1400 kg/cm² 的超强压力下压制，经 3～4 s 的保压时间压制成长 7.2 cm、宽 2.1 cm、高 1.2 cm 的块状。

施用方式：以根茎为中心，7.5 cm 半径作圆，在圆周取 4 个均匀分布的等分点，等分点位置垂直插入砖肥，施肥方式见示意图1。

注：1 为叶片；2 为根区土壤；3 为根茎；4 为砖肥。

1.1.2 供试物料

供试物料为烟草专用肥（N 12%，P₂O₅ 12%， K₂O 25%）、普钙（P₂O₅ 12%）、硝酸钾（N 13.5%， K₂O 45%）、硝酸铵磷（N 30%，P₂O₅ 4%）、磷酸一铵（N 12%，P₂O₅ 61%）、硫酸钾（K₂O 50%）和有机物料。

1.2 研究地点与方法

1.2.1 试验地点

试验于 2021 年在四川省仁和区平地镇马头村 （26°11′56″N，101°47′42″E，海拔 1886.6 m） 进行。属亚热带季风气候，具有夏季长、旱雨季分明、昼夜温差大、气侯干燥、降雨量集中、日照长、太阳辐射强、蒸发量大等特点^[23]。年均气温 20.3℃，年降水量 900～1300 mm，全年日照达 2300～2700 h，≥10℃年积温 6638～7359℃，无霜期 288～330 d^[24]。供试土壤类型为紫色土，土壤质地为砂壤，种植制度为一年两熟（小麦-烤烟），土壤基本理化性质见表1。

1.2.2 试验设计

以云烟 87 作为试验材料，设置砖肥（BF）和物理混合（CK）共 2 个处理，3 次重复，小区面积为 46.9 m²，烤烟移栽密度为 15150 株 /hm²。BF 处理：将硝酸铵磷、磷酸一铵、硝酸钾、硫酸钾及有机物料物理混合后，经 1400 kg/cm² 的超强压力压制成砖肥后作基肥；烟苗移栽后，以根茎为中心、 7.5 cm 半径作圆，在圆周取 4 个均匀分布的等分点，等分点位置施用块肥。CK 处理：将 BF 处理原料肥与有机物料物理混合后用作基肥；施肥方式参考当地常规方式，并控制施肥半径及深度与 BF 处理一致，BF 和 CK 处理的基肥纯养分投入量见表2。

所有处理均施用 31.5 kg/hm² 的烟草专用肥和 12.0 kg/hm² 的普钙作提苗肥，3.0 kg/hm² 的磷酸一铵、78.0 kg/hm² 的硫酸钾和 136.5 kg/hm² 的硝酸钾作追肥，肥料稀释比例均为 100 倍；提苗肥养分量计入追肥中，具体养分投入量见表2。提苗肥施肥时间为移栽当天，追肥时间为移栽后 25～35 d。试验田移栽当天滴灌一次，之后每 2～3 d 滴灌一次，每次灌溉量为 76.7 m³ /hm² ，遇自然降雨则推迟 2～3 d 再滴灌，直至揭膜后不再滴灌。所有处理于 2021 年 5 月 12 日完成移栽和覆膜，揭膜上厢时间为 6 月 25 日，烤烟采烤时间为 8 月 1 日到 9 月 11 日。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集

基肥施用前，五点取样法取试验田土壤，制备混合土样 500 g。

移栽后 45、60、75、90、105 d，每小区选取两株代表烟株，使用整根挖掘法获取烟株根系、地上部分茎和叶，一起烘干称重。

移栽后 90 d，各处理选取长势一致（株高、茎围、有效留叶数相近）的烟株 6 株，从表土层向下、远离根茎 30 cm 水平距离处向内使用全根挖掘法采集原位根系，采集过程中使用回形针固定同方向的侧根，避免根系移位。并从第一株开始顺序编号为 1～6，对于第 1、3、5 株，以主根茎（垄土覆盖的地下根茎）为原点、向外作同心圆（圆半径依次是 5、10、15、20、25 cm），用长剪（剪长 40 cm）在圆与根系切点处剪下根系，洗净后擦净水分并称量根系鲜重；对于第 2、4、6 株，使用油性笔在表土处根茎位置标记，原位根系洗净后擦干，以坐标纸 （长 75 cm、宽 50 cm）作土壤剖面背景，将根系置于其上，从表层根茎标记位点向下，每间隔 5 cm 即剪断，获取分布在不同土层深度的根系，并称量鲜重。

1.3.2 指标测定

土壤基础样品测定全磷、有效磷、全钾、速效钾、全氮、碱解氮、有机质含量和 pH^[25]。

移栽后 60 d，以小区为单位，使用电导率仪（Spectrum EC Testr 11+）在距根茎 2.5、7.5、12.5、 17.5 cm 和距表土 2.5、7.5、12.5、17.5 cm 的位置测定根区不同位点处电导率值，每小区重复测定 8 次。

1.3.3 计算方法

根系生物累积量随时间变化的关键参数，侧根重量在某一方向上的累计百分比随距离变化的关键参数使用 Logistic 模型、指数模型计算^[26-27]，计算公式如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{m}}_{\mathrm{r}}={\mathrm{y}}_0+A\times {\mathrm{e}}^{\wedge }\left(br\right)\\ {\mathrm{m}}_{\mathrm{d}}={\mathrm{y}}_0/\left[1+\mathrm{A}\times {\mathrm{e}}^{\widehat{}}\left(\mathrm{b}\mathrm{d}\right)\right]\\ y={\mathrm{a}}_0/\left[1+{\left(\mathrm{x}/{\mathrm{x}}_0\right)}^{-\mathrm{k}\mathrm{x}}\right]\\ \end{array}$

m_r 表示侧根重量在水平方向上的累积百分比，r 表示距根茎半径大小，m_d 表示侧根重量沿土壤剖面方向的累积百分比，d 表示土层深度，y₀、A、b 均为模型参数。x 为烟株移栽后天数；y 为根系（烟叶）生物累积量；a₀、x₀、k 均为模型参数。

1.4 数据处理

使用 Excel2010 整理数据及 T 检验，使用 Sigmplot 14 拟合回归模型，Origin 2019 绘制空间密度热力图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥方式对土壤电导率的影响

随烤烟生育期的推进，根区土壤电导率测试值发生明显位移，在根系下方呈现“底聚”现象；移栽后 60 d 与移栽后 30 d 相比，土壤剖面 17.5 cm 处、距根茎半径 7.5、12.5、17.5 cm 位置，BF 的 EC 分别提高了 69.8、116.0、246.7 μS/cm，CK 则分别提高了 162.4、59.1、113.6 μS/cm（表3）。移栽后 30 d，距根茎半径 2.5 cm 处，BF 土壤剖面 7.5、12.5 cm 的 EC 分别比 CK 低 83.6、106.0 μS/cm；距根茎半径 12.5 cm 处，BF 土壤剖面 2.5、7.5、12.5 cm 的 EC 分别比 CK 高 281.6、170.7、90.5 μS/cm；距根茎半径 17.5 cm 处，BF 土壤剖面 2.5、7.5、12.5、17.5 cm 的 EC 分别比 CK 高 340.1、392.2、160.1、339.1 μS/cm （表3）。EC 能够反映土壤中离子总量，是反映土壤肥力的重要参考指标，在一定程度上 EC 测试结果也能够反映出土壤养分状况。移栽后 30 d 的土壤 EC 测试结果表明，砖肥施肥方式下，烤烟根区土壤养分储备更充分、养分供应强度更高。移栽后 30～60 d 为烤烟旺长期，是烤烟对养分需求最旺盛的阶段。土壤养分经烤烟生长吸收后，砖肥（BF）、物理混合（CK）的土壤电导率测试值差异明显降低，仅根系附近区域 EC 差异较显著；距根茎半径 2.5 cm 处，BF 土壤剖面 5 cm 的 EC 比 CK 低 160.5 μS/cm，土壤剖面 17.5 cm 的 EC 比 CK 高 161.0 μS/cm；距根茎半径 7.5 cm 处，BF 土壤剖面 2.5、7.5 cm 的 EC 分别比 CK 低 65.0、193.0 μS/cm；其它位点土壤 EC 与 CK 无显著性差异（表3）。

注：EC 数值为平均值 ± 标准差；不同小写字母表示不同处理在 0.05 水平上差异显著。下同。

2.2 不同施肥方式对根系空间分布的影响

2.2.1 不同施肥方式对根系水平分布的影响

烤烟的主根茎（半径为 0 cm 时的地下部分） 几乎占地下总重量的 50%，超过 50% 的侧根分布在距主根茎 10 cm 的半径范围内，超过 80% 的侧根分布在距主根茎 15 cm 的半径范围内（图2）。 BF 处理根系在水平方向上的重量分布整体优于 CK，CK 根系扎根限于 0～25 cm 半径范围。 5～10 cm 半径内，BF 的根系重量比 CK 提高 166.0%；10～15 cm 半径内，BF 的根系重量比 CK 提高 114.4%；15～20 cm 半径内，BF 的根系重量比 CK 提高 150.0%；20～25 cm 半径内，BF 的根系重量比 CK 提高 161.9%（图2）。根系容易受土壤水肥影响而发生趋向性生长，尽管物理混合在根区部分位点维持了一定强度的养分供应能力，但并不利于侧根的生长发育。砖肥施入土壤后，有利于维持养分供应强度和促进侧根的伸长生长。

2.2.2 不同施肥方式对根系垂直分布的影响

不同施肥方式对烤烟根系重量垂直分布的影响如图3，中耕培土对垄体的二次堆筑致使烤烟根系在土层垂直方向呈现“干字型”分布。50% 的烤烟根系分布在 0～10 cm 土层，80% 的烤烟根系分布在 0～20 cm 土层。BF 处理根系在垂直方向上的重量分布整体优于 CK，CK 根系扎根限于 0～30 cm 半径范围。5～10 cm 深度，BF 的根系重量比 CK 高 31.2%；10～15 cm 深度，BF 的根系重量比 CK 高 26.5%；25～30 cm 深度，BF 的根系重量比 CK 高 58.6%。紫色土耕层浅薄，犁底层坚硬而难以扎根。物理混合施肥方式下，根系在空间中的伸展略有不足，制约根系对水肥的高效吸收及利用。土壤施入砖肥后，有利于优化根系空间分布格局，进一步挖掘根系捕获水分和养分的潜力。

2.2.3 不同施肥方式对侧根空间分布的影响

侧根重量累积百分比沿土壤剖面方向的增长动态符合 Logistic 曲线规律，采用 Logistic 方程对其拟合；侧根重量累积百分比沿水平方向的增长动态符合一阶指数增长曲线规律，采用一阶指数增长方程对其拟合，二者拟合精度均较高（R² >0.99），相关参数达极显著水平（表4）。利用根系重量累积百分比在各方向的增长模型，以移栽后 90 d 的烟株侧根重量为因变量，设定步长为 2.5 cm，计算单位根系密度，绘制根系空间密度热力图（图4）。从图4 可以看出，BF 和 CK 处理的侧根密度整体由中心向四周呈降低趋势，越往外变化越平缓； 随土层的加深，侧根密度先增大后降低。半径 10 cm 以内、土壤剖面 10～20 cm 之间，BF 和 CK 处理都存在一个明显的高值区；低值区尤其集中于根区边际，但 BF 处理侧根在土壤剖面 10～20 cm 之间具备更强大的伸展性，高值区范围更大、侧根分布更具广度。

注：^** 表示参数在 0.01 水平极显著相关。

注：“0”点为根在土壤中的生长起点。

2.3 不同施肥方式对烤烟生长的影响

2.3.1 不同施肥方式对根生物量累积的影响

烤烟生育期的根系生物量增长动态符合生长型曲线规律，采用 Logistic 方程对不同处理生物量的增长过程进行拟合，拟合精度均较高（R² >0.99） （表5）。通过对方程求导可知，BF 处理的生物量快速累积期持续时间为 16.6 d，比 CK 缩短了 5.0 d； 生物量最大累积速率为 3.3 g/（株·d），比 CK 提高了 43.5%。

移栽后 45 d，BF 处理的田间根系生物量比 CK 高 25.8%。移栽后 75、90 和 105 d，BF 的田间根系生物量高于 CK，分别比 CK 高 12.7、11.9 和 9.7 g/ 株（表5）。砖肥提高了烟株旺长期间的土壤养分供应强度，有利于侧根生长及优化其空间分布结构，进一步增强根系快速生长能力，缩短生物量快速积累周期，提高根系生物量。

2.3.2 不同施肥方式对叶片生物量累积的影响

烤烟生育期的叶片生物量增长动态符合生长型曲线规律，采用 Logistic 方程对不同处理生物量的增长过程进行拟合，拟合精度均较高（R² >0.99） （表6）。通过对方程求导可知，BF 处理的生物量最大累积速率为 5.9 g/（ 株·d），比 CK 提高了 15.7%；最大累积速率出现时间为移栽后 64.9 d，比 CK 提前 1.9 d。

移栽后 45 d，BF 处理的田间根系生物量比 CK 高 3.4 g/株。移栽后 75、90 和 105 d，BF 的田间根系生物量分别比 CK 高 24.5、13.6 和 17.1 g/株（表6）。砖肥提高了土壤养分的供应强度，促进根系生长而提高烤烟对水肥的吸收潜力，进而促进烟叶生长、增加叶片生物累积量。

3 讨论

3.1 砖肥对土壤的影响

土壤表观电导率能够反映土壤中离子总量，是反映土壤肥力的重要参考指标^[28]。在容重和土壤含水率基本不变的田间条件下，原位连续测得的土壤电导率可以反映出养分在土壤中的动态变化^[29-30]。本研究结果表明，在烤烟根系主要分布区，即主根系半径 12.5 cm 处，深度 2.5～12.5 cm 的土壤剖面， BF 处理的 EC 比 CK 高 90.5～281.6 μS/cm；主根系半径 17.5 cm 处，深度 2.5～17.5 cm 的土壤剖面， BF 的 EC 比 CK 高 160.1～392.2 μS/cm。这可能和砖肥的成型特性有关，唐国昌等^[31]认为大颗粒肥料施入后可以在植物根系附近创造一个养分含量较高的区域，慢慢分解和移动以供给作物吸收利用； 其次与养分离子在土壤中的扩散有关，土壤水分、容重、质地、表面吸附特性、有机质和离子浓度都会影响养分离子在土壤中的扩散速度^[32]。砖肥经 1400 kg/cm² 的超强压力压制成型，体积为 18 cm³，与物理混合相比，可能养分离子没有更快地向根系和更深层土壤（超过 17.5 cm 深度土层）扩散，导致电导率较高。

3.2 砖肥对烤烟生长的影响

在灌溉方式和胁迫因素基本不变的田间条件下，土壤养分状况是影响根系分布的主要因素^[33]。在一定范围内，根系分布量随土壤养分含量的增加而提高^[34]。本研究结果表明，超过 80% 的侧根分布在距主根茎 15 cm 的半径范围内，80% 的根系分布在 0～20 cm 土层，与黄泽春等^[35]研究结果一致。BF 和 CK 处理的侧根密度整体由中心向四周呈降低趋势，但 BF 处理侧根在土壤剖面 10～20 cm 之间具备更强大的伸展性，高值区范围更大、侧根分布更具广度。究其原因为根系生长具有向肥性，根系分布量在一定范围内随着土壤养分含量的增加而增加^[34]，可能砖肥的成型特性促使其在根系附近形成了一个养分含量较高的区域，慢慢分解和移动以导根和壮根。

本文研究表明，砖肥处理改善了根系的生长发育状况，根生物量在整个生育期的最大累积速率分别比原料肥与有机物料物理混合提高了 43.5%，烟叶成熟期（移栽后 105 d）根系生物量提高了 9.7 g/株。根系发育和生物量积累受到水分、养分等条件的强烈影响^[36]，空间分布更广阔的根系结构有利于根系充分汲取土壤水分和养分，进一步提高根系水肥利用效率、促进根系生长发育^[37-38]。根系是烟株吸收水分和养分的重要器官，也是生物碱和部分激素的合成场所，对烤烟生长、产量和质量的形成至关重要^[39]。本文研究结果表明，砖肥处理提高了根系在土壤中的空间分布能力，进一步促进烟株对养分和水分的高效获取和利用，大大提高了叶片生物累积量。

尽管本文通过田间试验，分析了烤烟生长过程中砖肥对土壤电导率及根系生长的影响，肯定了砖肥施肥方式的积极作用，但是，本研究结果的应用仍存在诸多限制。主要有以下几方面：（1）生态因素的不可复制性，块肥养分释放受当季生育期气候的影响较大，本试验于攀枝花当地气候条件下进行，不能代表其它地区特殊气候环境；（2）试验条件的局限性，本文仅进行了一年的田间试验，未对砖肥在土壤中养分释放和扩散做进一步探索；（3）缺乏生理生化指标的测试，本文试验指标是土壤电导率、根系空间分布、烟叶生物量等宏观指标，不能代表烤烟生长过程中砖肥对根系生长影响的全部。

4 结论

（1）砖肥施入土壤后，距根茎半径 12.5～17.5 cm、土壤剖面 2.5～12.5 cm 处的 EC 比原料肥与有机物料物理混合处理高 160.1～392.2 μS/cm。

（2）砖肥处理增加了 15～20 cm 水平半径内的根系分布量，比原料肥与有机物料物理混合处理提高 150%，在 10～15 cm 土层的根系分布量提高了 26.5%，并且侧根在土壤剖面 10～20 cm 之间具备更强大的伸展性，且分布更具广度。

（3）砖肥处理提高了田间的根系生物量，移栽后 75、90 和 105 d 的根系生物量分别比原料肥与有机物料物理混合处理高 12.7、11.9 和 9.7 g/株，并且根生物量在整个生育期的最大累积速率提高了 43.5%。

（4）砖肥处理增加了烟叶生物量，移栽后 75、 90 和 105 d 的生物量分别比原料肥与有机物料物理混合处理高 24.5、13.6 和 17.1 g/株，并且叶片生物量在整个生育期的最大累积速率提高了 15.7%。

参考文献