紫色土普遍存在耐旱性差的生产性问题，在基本没有灌溉条件的紫色土坡地，土壤水分短缺已成为区域农业生产的主要限制因素^[1]。研发土壤水分高效利用技术对烤烟生产的可持续发展具有十分重要的意义。四川紫色土区垦殖指数高，耕作强烈，土壤侵蚀严重，致使坡面土层浅薄，特别是上坡部位通常仅有与耕作深度相当的土层厚度，导致土壤保水能力差，这与提质增效潜力发挥不相匹配^[2-3]。四川紫色土区约有 20 多万 hm² 的旱地分布在较高的台位上，其优势是有较好的光热条件，养分丰富，质地适中。但是，这些优势却被台位高 （水分易流失）、土层薄（保水空间窄）的劣势所掩盖，限制了其众多优势的发挥。

改善紫色土水分条件的潜力不仅在于土壤，更在于母岩。紫色土虽然土层浅薄，但母岩（泥页岩）组织松软，抗压强度低，在机械力作用下易被破碎，这奠定了农业生产中破碎母岩增加土层厚度的基础。传统的耕作活动一方面加剧了坡面耕作侵蚀的进程^[2-4]，另一方面正是由于土壤侵蚀造成的严酷土壤条件迫使农民破碎母岩，高强度的耕作加速了母岩的崩解过程和碎屑化过程，以碎屑母岩补充土壤损失^[4-5]，但这只发生在土层厚度小于耕作深度时。过去由于耕作技术和经济条件的限制，如传统人工耕作（锄耕、犁耕）的耕深一般只有 12～18 cm，最深不超过 25 cm，利用深翻耕进行大规模、高强度破碎母岩难以实施，且将母岩碎屑大量混入耕层加剧了土壤水分的蒸发和侵蚀风险，不利于紫色土的土壤质量提升。

垂直超深旋耕（也被称为粉垄耕作）的出现为解决耕层变浅、提高水分利用效率、改善土壤环境提供了一种新的可行之法^[6-9]。大量研究显示出垂直超深旋耕能够降低烟地土壤容重，提高土壤孔隙度，增加土壤水分和养分，促进烤烟根系生长发育和干物质的积累，提高烤烟的产量和产值^[10-16]，但这些研究集中在土层较厚或有疏松土壤母质的土壤上，缺乏对浅薄土层岩性土的研究。因此，本研究针对紫色土普遍存在土层浅薄、耐旱性差的难题，利用紫色土浅薄土层下伏母岩易被破碎的特点，将垂直超深旋耕的技术优势与紫色土母岩松软的独特性质相结合，开展土壤母岩一体化耕作，即同时对土壤层和母岩层进行 360°旋削粉碎，其区别于传统耕作的显著特点是深凿破碎母岩形成蓄水基质的同时不上翻底层生土和母岩碎屑，研究此耕作产生的土层增厚对植烟土壤持水性能的影响，为物理性改良紫色土植烟水分状况和提高土壤保水蓄水性能提供可行技术。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于四川省广元市剑阁县普安镇 （32°0′54.92″N，105°26′39.09″E），2021 年该县烤烟种植面积达 1946.6 hm²，是川北烟区的重要产区之一。气候属亚热带季风性湿润气候，年平均气温 15.4℃，平均降水量 1003.9 mm，降水季节分配不均往往导致前期旱后期涝。试验地长 18 m、宽 25 m，坡脚海拔为 690 m，原土层深度为（33.99±8.12）cm（垄台），上坡浅，下坡深，坡度为 6.5°。土壤类型为白垩系剑阁组（K₁j）发育的石灰质紫色土，成土母岩为泥质粉砂岩，pH 为 7.69。

1.2 试验设计

试验共设 3 个处理，分别为 T1：土壤母岩一体化耕作，耕深为 50 cm；T2：土壤母岩一体化耕作，耕深为 35 cm；T3：常规耕作，耕深为 12 cm。土壤母岩一体化耕作采用垂直超深旋耕机进行耕作，耕作时间为 2021 年 4 月 17 日；常规耕作采用旋耕机进行耕作，耕作时间为 4 月 22 日。土壤母岩一体化耕作使用悍沃 1204 型轮式拖拉机（潍坊百利拖拉机有限公司），动力输出轴转速为 760 r/min，整备质量 4.71 t，拖拉机耕作速度为 0.05 m/s，拖拉机动力输出轴连接 ST-05 型多功能松土机（徐州农丰机械有限公司），钻头长度为 80 cm。种植密度为 0.5×1.2 m/ 株，每个处理小区面积 150 m²。 4 月 26 日进行烟苗移栽，供试品种为云烟 87，除耕作方式外，烤烟田间管理均参照当地通用技术规范执行。

在上坡和下坡的垄台设置采样点，采样位置位于两棵烟株之间，利用直径为 8 cm 的土壤采样器 （荷兰 Eijkelkamp）采集土壤垂直分层样品（15 cm 厚），垂直采至母岩，对采集的样品测定土壤容重和土壤水分，设置 3 个重复。同时采用环刀进行采样，以便校准土壤容重。以烘干法测定土壤水分，以环刀法测定土壤容重。采样时间设置在揭膜上厢后，共进行了 4 次采样，采样日期分别为 2021 年 6 月 21 日、7 月 14 日、8 月 12 日、12 月 3 日。耕作沉降 4 个月后测定土壤紧实度，土壤紧实度利用浙江托普仪器有限公司研制的 GPS 土壤紧实度仪 （TJSD-750-II）进行测定，探针插入土层深度分别为 10、20、30、40 cm，每个处理分别在上坡和下坡部位重复测定 4 次。

1.3 数据分析

$\text{土壤贮水量}（\mathrm{m}\mathrm{m}）=\sum \left(\mathrm{\Delta }{\theta }_i\cdot C_i\cdot Z_i\right)$

式中，Δθ_i为土层 i 的土壤重量含水率（%），C_i 为土层 i的土壤容重（g /cm³），Z_i 为土层 i 的厚度（mm）。

采用方差分析检验不同处理的土壤容重和土壤紧实度是否存在显著差异，利用配对样本 T 检验分析相同坡位不同处理土壤贮水量的差异。

2 结果与分析

2.1 土层深度的变化特征

常规耕作处理（T3）的上坡和下坡土层深度都非常浅薄，分别为 27.6 和 43.0 cm（表1），这一方面是由于紫色土本身发育特性决定的，另一方面也与耕作方式有关，常规耕作导致的强烈侵蚀加剧了上坡部位土层变薄。采用垂直超深旋耕机对薄层紫色土进行土壤母岩一体化耕作后，T1 和 T2 处理不同景观部位土层深度都明显增加，T1 和 T2 处理的上坡部位土层深度相对于 T3 处理分别增加了 147.9% 和 67.9%，T1 和 T2 处理的下坡部位土层深度相对于 T3 处理分别增加了 65.7% 和 9.0%。这个结果表明对于薄层紫色土坡耕地，采用垂直超深旋耕机破碎母岩，实施土壤母岩一体化耕作可以快速增厚土壤（基质）层。值得一提的是，耕作后沿耕作方向形成深浅相间分布的疏松物质层，这是由于两个旋削碎土刀头之间有一定间隙，耕作后在间隙部位土壤下层产生母岩硬质挡埂。

注：增长率为各处理相对于 T3 处理相应部位的变化率。

2.2 土壤容重和紧实度的分布特征

土壤母岩一体化耕作与常规耕作相比土壤容重显著减小（P<0.01），特别是耕层以下（图1）。在土壤垂直方向上，T3 处理土壤容重随着土层深度的增加而增大，然而，土壤母岩一体化耕作（T1 和 T2 处理）却表现出土壤容重随土层深度增加而先减小后增大的趋势，15～30 cm 土层土壤容重明显小于其他土层。对于不同耕作处理，上坡与下坡土壤容重差异不明显（P>0.05）。随着耕作时间的增加， T1 和 T2 处理土壤容重由于自然沉降作用不同土层呈现增大趋势，其中土壤表层（0～15 cm）增大最为明显，15～30 cm 土层土壤容重变化较小， 30～45 和 45～60 cm 土层土壤容重虽然增大但仍明显小于 T3 处理。对于土壤表层（0～15 cm），不同处理的土壤容重无明显差异；对于 15～30 cm 土层，T1 处理上坡和下坡相比 T3 处理土壤容重分别减小了 22.32% 和 24.71%，T2 处理上坡和下坡相比 T3 处理土壤容重分别减小了 21.64% 和 21.85%；对于 30～45 cm 土层，T1 和 T2 处理下坡相比 T3 处理土壤容重分别减小了 29.07% 和 24.07%。

土壤紧实度也叫土壤穿透阻力，可以在一定程度上反映烤烟根系下扎的难易程度。土壤母岩一体化耕作与常规耕作相比土壤紧实度显著减小 （P<0.05），但不同坡位减小程度有所不同。对于 10 cm 土层，T1 和 T2 处理上坡土壤紧实度与 T3 处理无显著差异，但下坡差异显著（P<0.05）；对于 20 cm 土层，T1 和 T2 处理上坡土壤紧实度与 T3 处理差异显著（P<0.05），而下坡却无显著差异；对于 30 cm 土层，T1 处理下坡土壤紧实度与 T3 处理差异显著（P<0.05），但 T2 处理下坡土壤紧实度与 T3 处理无显著差异。

注：每行不同字母表示相同部位不同耕作处理在 0.05 水平上差异显著。

2.3 土壤水分分布特征及土壤贮水量比较

土壤母岩一体化耕作对于增大土壤含水量作用明显，不同时期土壤母岩一体化耕作土壤含水量均显著高于常规耕作（图2）。对于 2021 年 6 月 21 日，由于刚降过雨，不同耕作处理土壤含水量都较高， T3 处理土壤含水量随着土层深度增加而减小，而 T1 和 T2 处理土壤含水量随着土壤深度增加而增大 （图2a），表明土壤母岩一体化耕作明显增大了深层土壤含水量。对于 2021 年 7 月 14 日和 8 月 12 日，由于该时期雨水较少，T3 处理不同坡位土壤含水量均较低，特别是上坡部位，但 T1 和 T2 处理不同土层深度土壤含水量均明显高于 T3 处理 （图2b，c）。对于 2021 年 12 月 3 日，在土壤母岩一体化耕作实施半年多的冬季，不同耕作处理土壤表层（0～15 cm）差异不显著，但是土壤深层 T1 和T2 处理的土壤含水量仍明显高于 T3 处理（图2d）。综合来讲，土壤母岩一体化耕作土壤含水量的变化幅度弱于常规耕作，特别是 30～60 cm 土层随着耕作时间的增加土壤含水量波动较小（图2b，c，d）。

不同耕作处理土壤贮水量由大到小排序为 T1>T2>T3（表3），对于上坡，三者差异显著，T1 和 T2 处理分别比 T3 处理高 125.69% 和 66.02%； 对于下坡，T1 和 T2 处理分别比 T3 处理高 34.99% 和 6.58%，T1 处理显著高于 T2 和 T3 处理，但 T2 处理与 T3 处理差异不显著。这个结果表明土壤母岩一体化耕作显著提高了土壤贮水量，耕深越大土壤贮水量增加越明显，对于上坡部位作用尤为显著。常规耕作处理（T3）上坡土壤贮水量显著小于下坡，然而土壤母岩一体化耕作（T1 和 T2）处理中不同坡位土壤贮水量无明显差异（表3）。

注：不同小写字母表示相同坡位不同耕作处理在 0.05 水平上差异显著，不同大写字母表示同种耕作处理不同坡位在 0.05 水平上差异显著。

3 讨论

3.1 垂直超深旋耕对增加土层厚度的作用

紫色土坡耕地土壤侵蚀强烈，土壤退化特别是土壤“浅薄化”特征明显，土层浅薄成为制约紫色土保水保肥和增产增收的关键要素^[1，17]。朱波等^[17]研究显示土层深度 60 cm 是紫色土生产力临界土层，达到此深度可维持基本稳定的生产力水平。本研究证实了利用垂直超深旋耕机对薄层紫色土进行土壤母岩一体化耕作，可以实现薄层紫色土的土层厚度快速增加至 60 cm 以上。紫色土坡地土层深度一般呈现上坡浅、下坡深的顺坡分布规律，然而，土壤母岩一体化耕作却使上坡与下坡都增加到相似的土层深度。这源于两方面的原因：一是垂直超深旋耕机破碎母岩能力明显高于传统机具，通过耕作破碎沉积松散的紫色泥页岩，促岩成土，增加土壤基质层；二是垂直超深旋耕机随着耕作深度的增加侵蚀却未明显增大，开源节流，增加土层厚度。对于紫色土坡耕地，耕作起着土壤物质垂直搬运（成土过程）和顺坡搬运（侵蚀过程）的重要作用，但传统耕作总是使人为成土与侵蚀两个过程处于动态平衡中，而土壤母岩一体化耕作却打破二者的平衡。

3.2 垂直超深旋耕对土壤结构变化的影响

紫色土薄层坡地通过垂直超深旋耕机破碎母岩后土壤容重和土壤紧实度明显减小，这进一步证实深耕可降低土壤容重和土壤紧实度，提高土壤孔隙度，改善土壤结构^[15-16，18]。本研究中土壤母岩一体化耕作对土壤结构的影响结果与以往研究报道的粉垄耕作不同之处在于：一是土壤母岩一体化耕作对土层表层（0～15 cm）土壤容重的后效作用不明显，耕作后 3 个月左右在自然压实作用下不同处理土壤容重差异变得不明显，但是土壤母岩一体化耕作对表层以下（>15 cm）土壤容重有后效作用，在烟草种植当季及收获后土壤容重都保持在较小状态，甚至小于耕层；二是土壤母岩一体化耕作对土壤下层（15～60 cm）土壤容重的降低幅度远远大于以往研究^[15-16]；三是土壤母岩一体化耕作产生母岩硬质挡埂（相对土壤而言），底层的母岩被局部破碎产生凹槽，母岩碎屑堆积在凹槽内，形成母岩硬质挡埂和疏松物质层深浅相间的土壤剖面构型。本研究还发现土壤母岩一体化耕作后土壤过于疏松，不利于起垄机上箱起垄操作和苗期保温保水，可将深耕时间前移至烟叶采收后小春作物种植前。鉴于土壤母岩一体化耕作有后效作用，本研究显示耕作 8 个月后土壤容重依然较小（图1d），综合考虑经济性因素，可适当降低耕作频次，具体适宜频次还有待于进一步研究。

3.3 垂直超深旋耕对土壤水分保持的影响

垂直超深旋耕后土壤含水量和土壤贮水量显著提高，且耕作深度越深，土壤持水性能越强。对于土壤母岩一体化耕作，两种耕作深度处理中不同坡位土壤贮水量均无明显差异，表明土壤母岩一体化耕作可以将上坡土壤贮水量提升至与下坡相当。这一结果与以往研究不同，以往研究认为传统耕作将母质或泥质母岩碎屑混入耕层无法在短期内恢复土壤贮水性能^[19]。这也证实了改善紫色土水分条件的潜力不仅在于土壤，更在于母岩。本研究中采用顺坡耕作（耕作方向垂直于等高线），这使得土壤母岩一体化耕作产生的母岩硬质挡埂无法完全发挥其作用，如改为横向耕作（耕作方向平行于等高线）可以强化母岩硬质挡埂对土壤水分的挡水阻水屏障作用，可能产生更好的保水蓄水效果，这需要在实践中进一步验证。值得注意的问题是土壤母岩一体化耕作对土壤水分分配过程的影响可能阻碍壤中流的排出，在坡度较小的耕地内部容易形成“水库”，导致烤烟淹水。因此，需要构建植烟坡地排水系统，可采取地表明沟排水体系与地下暗槽排水体系相结合的立体化水网及时将坡地内过量的雨水排出，避免发生内涝^[20]。

3.4 土壤母岩一体化耕作抗旱机理

为打破土层浅薄、土壤水分容量小、保水抗旱能力差、雨水季节分配不均导致前期旱后期涝对紫色土旱坡地烤烟生产的制约，本研究采用垂直超深旋耕机对薄层紫色土进行土壤母岩一体化耕作，实现旱坡地土壤容水空间物理性扩容，增强贮水能力，其实现机理和途径包括 3 个方面：一是土壤母岩一体化耕作通过垂直超深旋耕机对泥页岩进行破碎，增厚土壤（基质）层，增加蓄水基质，扩大坡面水容量，就地拦蓄雨水，提高了水分接收容纳空间与贮存能力；二是土壤母岩一体化耕作形成疏松物质层深浅相间分布的暗槽型沟，避免土壤水分的分布深度一致性，增加局部水深，减少蒸发面积，延长保水时间，实现延时有效供水；三是土壤母岩一体化耕作后形成母岩硬质挡埂，在土层下形成挡水阻水屏障，提高水分接收纳滞效应，产生深层土壤和母岩保水的独特抗旱效应。

3.5 土壤母岩一体化耕作存在的问题与应对策略

土壤母岩一体化耕作可为紫色土旱坡地物理性改良土壤水分状况，提高保水蓄水性能提供快捷而有效的途径。目前存在的问题主要是耕作效率较低，为了达到较好的土壤母岩一体化耕作效果和预定的耕作深度只能使用爬行档，耕作效率明显低于常规耕作。但这点可以采用坡面局部耕作法进行弥补，顺应紫色土旱坡地上坡浅、下坡深的土层厚度顺坡分布规律，突破传统耕作在坡地上全方位实施的方法，在土层浅薄的中、上坡位置开展土壤母岩一体化耕作；或者采取间隔耕作法，即实施一次土壤母岩一体化耕作后，与常规耕作交替进行，当土壤质量下降至必要时再次采用土壤母岩一体化耕作，具体间隔时间取决于该耕作的后效长短和土壤本身质量状况。目前垂直超深旋耕机的钻头破碎母岩的能力不足，对于硬度较高的母岩难以破碎。下一步可对钻头进一步改进，增加磨光基岩坑底及周壁的刀具，使暗槽型沟具有更强的挡水阻水能力，有利于水分的持久贮存。

4 结论

利用垂直超深旋耕对薄层紫色土进行土壤母岩一体化耕作，可以实现土层厚度快速增加至 60 cm 以上，实现开源节流就地增加土层厚度。土壤母岩一体化耕作破碎母岩后，能够在较长时期内减小土壤容重和土壤紧实度，显著提高土壤含水量和土壤贮水量，且耕作深度越深，土壤持水性能越强。土壤母岩一体化耕作实现旱坡地土壤水分物理性扩容，拓展容水空间和贮水能力，打破了土层浅薄、土壤水分容量小、保水抗旱能力差对紫色土旱坡地烤烟生产的制约。目前存在的主要问题是耕作效率较低，建议采用坡面局部耕作法或者间隔耕作法进行弥补。

参考文献