不同植煙年限對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響及其相關因素分析①

張世祺，王沛裴，王昌全*，何玉亭，沈 杰，徐 強，李 萌

(1 四川農業(yè)大學資源學院，四川成都 611130；2什邡市農業(yè)局，四川什邡 618400)

土壤團聚體是土壤質量的物質基礎，其粒級分布和穩(wěn)定性決定土壤的通透性能和養(yǎng)分的保持與供應[1]。研究表明，通過不同種植模式、土壤管理措施以及土壤的物質含量直接影響土壤團聚體的形成及其穩(wěn)定性進而改變土壤肥力，其中土壤有機質的變化與土壤團聚體形成、分布和穩(wěn)定性的關系最為緊密[2]。土壤有機碳作為衡量土壤肥力的重要指標之一，它的含量直接決定土壤質量。有機碳是土壤團聚體形成和穩(wěn)定的重要膠結劑，常與黏粒結合形成微團聚體，微團聚體再逐步團聚形成大團聚體，同時，團聚體在形成后能夠對其中儲存的有機碳產(chǎn)生保護作用，影響有機質的轉化和分解速率[3]。起壟植煙，一方面對土壤團聚體擾動強烈，破壞有機碳的“保護殼”[4]；另一方面烤煙壟作過程中土壤水、氣、熱條件的變化導致土壤微生物活性增強[5]，消耗暴露在團聚體保護之外的有機碳。另外，烤煙成熟收獲的生物量占植株總生物量的比例大，且根部、莖稈等難以還田，從而導致以地面殘余植株凋落形式回到土壤中的有機碳量大幅下降[6]。

涼攀地區(qū)是四川省主要烤煙生產(chǎn)區(qū)，近年來植煙土壤的退化問題已經(jīng)影響到當?shù)責煵莓a(chǎn)業(yè)的健康長遠發(fā)展，而煙草又是當?shù)剞r業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，所以該區(qū)域植煙土壤退化問題逐漸引起研究者的重視。長期植煙導致土壤有機碳含量降低以及團聚體結構穩(wěn)定性差等是土壤退化問題的重要表現(xiàn)[7]。目前少見該區(qū)域植煙土壤團聚體穩(wěn)定性及其影響因素的研究，本文以四川典型植煙區(qū)涼攀地區(qū)為研究對象，通過分析不同植煙年限下土壤團聚體穩(wěn)定性及相關指標的變化，以期揭示植煙年限對團聚體穩(wěn)定性的影響。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

于涼攀地區(qū)典型植煙區(qū)：涼山州會東縣姜州鄉(xiāng)(101o29′05′′ E，26o33′21′′ N)、攀枝花市仁和區(qū)大龍?zhí)多l(xiāng)(101o52′45′′ E，26o20′20′′ N)、攀枝花市米易縣坪山村(102o07′42′′ E，26o49′10′′ N)分別采集植煙年限為0、3、5、8 a 的紫色土(H0、H3、H5、H8)、水稻土(P0、P3、P5、P8)、紅壤(R0、R3、R5、R8)樣品。采樣點所在的田塊、地塊冬季均閑置或少量種植紫花芍，施肥和田間管理長期采用當?shù)乜緹煼N植標準模式，即一次基肥為主，3次追肥為輔。本研究采樣時間為2015年4月中旬。在地壟斜面采用“S”型法進行取樣，避開施肥點，取樣深度為0～20 cm(耕作層)。采取的原狀土帶回實驗室自然風干，風干過程中沿土塊自然斷裂面掰成不小于1 cm的土塊，并測定土樣 的基本性質如表1。

表1 土壤基本性質Table 1 Basic properties of tested soils

1.2 樣品測定與分析

非水穩(wěn)性團聚體組成的測定采用干篩法[8]。首先用四分法從待測樣品中取約400 g樣品，分別過5、2、1、0.5、0.25 mm套篩進行人工篩分，得到粒徑＞5、5～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25、＜0.25 mm 6 組團聚體樣品，稱重即得到干篩條件下各粒級團聚體含量。

水穩(wěn)性團聚體含量的測定采用濕篩法[9]。根據(jù)干篩獲得的各粒級團聚體百分比例稱取100 g混合樣，重復3次。然后將混合樣置于孔徑分別為5、2、1、0.5、0.25 mm的套篩上，套篩由篩架固定，置于水桶中，底部離桶底10 cm高。向桶中加水至水面剛接觸2 mm篩網(wǎng)，樣品毛管浸潤5 min，然后啟動電源，使套篩以每分鐘30次的頻率，振幅3 cm上下振蕩30 min，然后將留在各篩子上的團聚體沖洗到鋁盒中，置于50℃烘箱中，烘干后稱重[10]。

土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定[11]。土壤顆粒組成的測定采用比重計法[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

團聚體平均重量直徑、幾何平均直徑計算方法如下：

式中：Ri為某粒徑團聚體平均直徑；DA0.25為＞0.25 mm粒徑干篩團聚體干重；WA0.25為＞0.25 mm粒徑濕篩團聚體干重，Wi為某粒徑團聚體的質量分數(shù)；MWD為團聚體平均重量直徑；GMD為團聚體幾何平均直徑；PAD為土壤的團聚體破壞率。

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 13.0軟件，不同植煙年限以及各級團聚體之間的顯著性差異分析采用單因素方差分析方法(ANOVA)，并用最小顯著性差異方法進行檢驗，數(shù)據(jù)處理等在Microsoft Excel 2013中進行。

2 結果與分析

2.1 植煙年限對土壤團聚體分布的影響

涼攀地區(qū)未植煙土壤非水穩(wěn)性和水穩(wěn)性團聚體均以＞2 mm粒徑為主，其中未植煙紅壤中粒徑＞2 mm非水穩(wěn)性團聚體含量達到751.4 g/kg；植煙3、5、8 a后，土壤水穩(wěn)性團聚體以＜0.25 mm粒徑為主，其中植煙8 a后紅壤中粒徑＜0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量達到459.2 g/kg。粒徑＞5 mm團聚體，濕篩法測得的含量(水穩(wěn)性團聚體)都小于干篩法測得的含量(非水穩(wěn)性團聚體)，其中植煙8 a后的紫色土、水稻土、紅壤中粒徑＞5 mm非水穩(wěn)性團聚體含量分別是水穩(wěn)性團聚體含量的1.25倍、3.43倍、7.33倍，紅壤的變化幅度遠大于紫色土和水稻土，表明紅壤相對于紫色土和水稻土，其大粒徑團聚體對水的崩解抗性最差。3種植煙土壤水穩(wěn)性團聚體分布隨植煙年限的增加發(fā)生了顯著變化，植煙3、5、8 a后，粒徑＞5 mm水穩(wěn)性團聚體含量較未植煙土壤出現(xiàn)顯著降低，同時粒徑＜0.25 mm團聚體含量顯著增加，表明植煙對土壤水穩(wěn)性大團聚體具有顯著破壞作用。

表2 不同植煙年限土壤非水穩(wěn)性團聚體分布Table 2 Distribution of soil water unstable aggregates in different tobacco cropping years

表3 不同植煙年限土壤水穩(wěn)性團聚體分布Table 3 Distribution of soil water stable aggregates in different tobacco cropping years

2.2 植煙年限對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

由圖1可知，與不植煙相比，紅壤植煙3、5、8 a后土壤團聚體機械穩(wěn)定性呈下降趨勢，其中植煙5 a后和8 a后表現(xiàn)為顯著降低，MWD值植煙5 a后下降34%，植煙8 a后下降35%；紫色土植煙3、5、8 a后團聚體機械穩(wěn)定性未出現(xiàn)顯著變化；水稻土中團聚體機械穩(wěn)定性在植煙3 a后達到峰值，其MWD值是不植煙土壤的150%，隨后顯著降低。

由圖2可知，紅壤植煙3 a后，團聚體水穩(wěn)定性較不植煙顯著降低，MWD值下降47%；植煙5 a后和植煙8 a后相對于植煙3 a后，團聚體水穩(wěn)定性同樣顯著下降，MWD值分別下降39% 和36%。與不植煙相比，紫色土植煙3 a后，團聚體水穩(wěn)定性顯著降低，MWD值下降45%；植煙5 a后相對于植煙 3 a后，團聚體水穩(wěn)定性同樣顯著下降，MWD值下降34%；但植煙8 a后相對于植煙5 a和3 a后都出現(xiàn)了顯著上升的趨勢，MWD值上升146%，即在植煙0～8 a過程中紫色土團聚體水穩(wěn)性出現(xiàn)先下降再上升的趨勢。水稻土植煙3、5、8 a后，相對于不植煙，團聚體水穩(wěn)定性出現(xiàn)顯著下降趨勢，MWD值分別下降47%、52% 和46%，而植煙3、5、8 a年間土壤團聚體水穩(wěn)定性沒有顯著差異，即在植煙0～8 a過程中水稻土團聚體水穩(wěn)性出現(xiàn)先下降再平穩(wěn)的趨勢。

圖1 不同植煙年限土壤非水穩(wěn)性團聚體的MWD和GMDFig.1 MWD and GMD values of soil water unstable aggregates in different tobacco cropping years

圖2 不同植煙年限土壤水穩(wěn)性團聚體的MWD和GMDFig. 2 MWD and GMD values of soil water stable aggregates in different tobacco cropping years

圖3 不同植煙年限土壤的團聚體破壞率(PAD)Fig. 3 Values of percentage of aggregate disruption (PAD) under in different tobacco cropping years

紫色土和水稻土團聚體破壞率(PAD)隨植煙年限的變化出現(xiàn)顯著變化，在不植煙條件下最低，植煙5 a后團聚體破壞率達最高，其中紫色土和水稻土團聚體破壞率增加395% 和824%。植煙3 a后的紫色土和水稻土團聚體PAD值相對于不植煙土壤顯著上升，這和植煙對土壤水穩(wěn)性團粒結構的破壞關系密切，植煙5 a后PAD值相對于植煙3 a后也有顯著上升，但上升趨勢減弱，植煙8 a后PAD值相對于植煙5 a有顯著下降。不植煙條件下紅壤團聚體的PAD值極大地高于紫色土和水稻土團聚體，相對于不植煙，植煙3 a和5 a后PAD值未出現(xiàn)顯著升高，植煙8 a年后顯著升高158%。

2.3 土壤團聚體水穩(wěn)性的主要影響因素

采用Pearson相關系數(shù)法對參試土壤樣品主要指標進行兩兩相關的相關性分析(表 4)，結果表明，在不同植煙年限下，紫色土和水稻土的有機碳含量與團聚體GMD值、MWD值以及PAD值存在明顯的相關性，相關系數(shù)r均大于0.900，對相關系數(shù)進行檢驗，均達到顯著水平，與現(xiàn)有大量關于團聚體穩(wěn)定性和有機碳關系的研究結果一致，即有機碳含量與土壤團聚體穩(wěn)定性顯著相關。但紅壤團聚體的有機碳含量與GMD值、MWD值以及PAD值均無顯著相關性，表明發(fā)育程度深、有機碳含量低的紅壤團聚體穩(wěn)定性的相關因素不含原土有機碳含量。對于水稻土，黏粒的質量分數(shù)與土壤團聚體GMD值、MWD值、PAD值以及有機碳含量相關性明顯，而紫色土和紅壤并沒有出現(xiàn)上述規(guī)律，這可能與水稻土團聚體粒徑分布規(guī)律及其土壤類型特性有關。

表4 土壤主要指標相關關系Table 4 Correlation coefficients between soil indexes

2.4 植煙年限對土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳分布的影響

涼攀煙區(qū)主要植煙土壤各粒級團聚體有機碳含量隨植煙年限的增加而表現(xiàn)出不同的趨勢，其中紫色土和水稻土＞5 mm團聚體有機碳含量呈顯著下降，且其下降幅度明顯大于其他粒徑；紅壤各粒級團聚體有機碳含量變化不顯著；紫色土和水稻土整體表現(xiàn)為各粒級團聚體有機碳含量植煙5 a后和8 a后顯著下降，而紅壤團聚體相關變化趨勢不明顯。從有機碳含量分布來看，紫色土和水稻土團聚體有機碳含量分布以＞5 mm和＜0.25 mm粒徑較多，其余粒徑分布較少，其中不植煙條件下紫色土＞5 mm團聚體有機碳含量為1～2 mm團聚體的2.42倍；紅壤團聚體有機碳含量分布以粒徑＜0.25 mm團聚體較多。隨著植煙年限的增加，有機碳在各粒徑團聚體中的分布趨于平均。植煙8 a后相較于植煙5 a后，3種土壤各粒級團聚體有機碳含量下降趨勢不明顯，部分粒級有機碳含量甚至有小幅上升趨勢。3種土壤團聚體各粒級有機碳分布情況大致相同，但紅壤各粒級團聚體有機碳含量明顯低于紫色土和水稻土，其中植煙3 a后紫色土＞5 mm粒徑團聚體有機碳含量是紅壤＞5 mm團聚體的1.81倍。

表5 不同植煙年限土壤水穩(wěn)性團聚體的有機碳分布(g/kg)Table 5 Distribution of organic carbon in soil water stable aggregates in different tobacco cropping years

通過對紅壤團聚體各粒徑有機碳含量與其水穩(wěn)定性的相關性分析(表6)可知，紅壤團聚體穩(wěn)定性與粒徑1～2 mm團聚體有機碳含量呈極顯著相關，與其他粒徑團聚體的相關性不顯著，粒徑1 ～2 mm團聚體有機碳含量是影響紅壤團聚體穩(wěn)定性的重要因素。

表6 紅壤各粒徑團聚體有機碳含量與其水穩(wěn)性的相關關系Table 6 Correlation coefficients between organic carbon contents and their water stabilities in different aggregate sizes

3 討論

涼攀地區(qū)主要植煙土壤團聚體分布隨植煙年限的增加發(fā)生顯著變化，植煙年限為3、5、8 a時，＞5 mm水穩(wěn)性團聚體含量相對于未植煙土壤顯著降低，＜0.25 mm團聚體含量顯著增加，說明植煙會導致土壤水穩(wěn)性大團聚體發(fā)生大量崩解[13]。植煙土壤非水穩(wěn)性團聚體＞2 mm粒徑含量較多，而植煙年限為3、5、8 a時，其水穩(wěn)性團聚體分布以＜0. 25 mm粒徑為主，說明在水的崩解作用下部分大粒徑團聚體向更小粒徑的團聚體轉化，且這種趨勢以紅壤團聚體最強[14]：其中植煙年限為8 a時，紫色土、水稻土、紅壤團聚體＞5 mm粒徑非水穩(wěn)性團聚體含量分別是水穩(wěn)性團聚體的1.25倍、3.43倍、7.33倍；紅壤團聚體PAD值在不植煙和植煙年限為8 a時均大于其他團聚體，表明紅壤非水穩(wěn)定性大粒徑團聚體雖然較多，但遇水極易崩解，其原因可能是紅壤團聚體中在團粒結構中起膠結作用的物質多糖、菌絲等瞬變和臨時膠結劑含量較其他土壤類型的高[15]。

文倩和關欣[16]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中原生礦物顆粒與細菌、真菌和植物碎屑膠結形成游離的微團聚體，同時這些微團聚體又被有機碳、鐵鋁氧化物、菌絲、植物根和多糖等物質膠結成大團聚體，因此植煙的土壤管理措施以及土壤中相關物質含量、形態(tài)等因素均會造成植煙土壤團聚體穩(wěn)定性的變化。濕篩條件下，3種土壤均是在不植煙時水穩(wěn)性最高，且隨植煙年限增加，水穩(wěn)性顯著下降，說明植煙年限對土壤水穩(wěn)性團聚體有顯著破壞作用[17]。由于紅壤發(fā)育程度深，其團聚體有機碳含量明顯低于紫色土和水稻土。但在不植煙條件下3種土壤團聚體水穩(wěn)性是持平的，甚至紅壤團聚體非水穩(wěn)性超過紫色土和水稻土其原因是紅壤含有大量的無機膠結物且黏粒含量極高[18]，對紅壤團聚體形成產(chǎn)生促進作用；但植煙8 a相對植煙5 a紅壤團聚體水穩(wěn)性顯著降低，其原因可能與植煙土壤無機膠結物損失有關[19]。因紫色土發(fā)育程度淺，所以需要以有機碳為主的膠結劑參與團聚作用。植煙年限為3、5 a時相對于不植煙，紫色土團聚體有機碳含量顯著下降，主要由于團粒結構的主要膠結劑減少導致團聚作用減弱，使團粒結構遭到破壞，水穩(wěn)性顯著降低；植煙8 a相對于植煙5 a，粒徑2～5、0.25～0.5和＜0. 25 mm團聚體的有機碳含量均升高，且粒徑0.25～0.5 mm團聚體達到顯著水平，這可能與近年來有機肥的施用有關[20]。水稻土團聚體，植煙年限為3、5 a時相對于不植煙，大部分粒徑團聚體有機碳含量呈現(xiàn)下降的趨勢，團聚體水穩(wěn)性顯著降低，植煙8 a相對于植煙5 a，水稻土各粒徑團聚體有機碳含量均未出現(xiàn)顯著變化，所以其團聚體水穩(wěn)性變化不顯著[21]。

干篩條件下，有機碳含量隨植煙年限增加而降低：紫色土團聚體非水穩(wěn)性變化不顯著，而水穩(wěn)性為顯著降低，由此可見有機碳含量主要影響團聚體的水穩(wěn)性，對非水穩(wěn)性影響不大；紅壤團聚體非水穩(wěn)性隨植煙年限的增加顯著下降，說明長期植煙會破壞紅壤非水穩(wěn)性團聚體的膠結劑[22]；水稻土非水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性在植煙0～3 a期間有一定程度的提高，且在植煙3 a時達到最大值，這是因為烤煙壟作提供的環(huán)境條件和當?shù)剞r戶大量施用有機肥增加土壤中有機碳含量，從而提高非水穩(wěn)性團聚體含量，在植煙年限為0～3 a時，減少植煙耕作對土壤團聚體的機械破壞，總體上提高非水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性。研究結果顯示植煙初期(3 a內)大量水穩(wěn)性較差的新團聚體形成導致這段時期內土壤團聚體非水穩(wěn)性不降反升，但又由于其較差的水穩(wěn)性，所以這階段土壤團聚體水穩(wěn)性呈極顯著下降趨勢[23]。

有機碳和團聚體是土壤兩個基本組成成分，兩者相互關聯(lián)，密不可分。已有大量研究表明涼攀生態(tài)區(qū)長期種植烤煙造成土壤有機碳大量消耗，有機碳含量較第二次土壤普查已下降15.96%，與土壤有機碳關系密切的碳氮比、碳磷比、碳鉀比分別下降12.22%、33.24% 和 21.39%，說明有機碳含量下降在涼攀煙區(qū)長期植煙土壤中普遍存在[24]。研究發(fā)現(xiàn)各粒徑團聚體有機碳含量基本大于原土，表明團聚體對有機碳具有富集作用[25]。紫色土和水稻土各粒徑團聚體，有機碳含量隨植煙年限增加顯著下降，說明植煙減弱團聚體對有機碳的保護，降低土壤有機碳含量。紫色土和水稻土團聚體水穩(wěn)性隨植煙年限增加顯著降低的直接原因是有機碳作為土壤團聚體的主要膠結劑，其含量降低導致土壤團聚體崩解速度加快以及膠結速度減緩[26]。通過相關性分析可知，有機碳含量和紫色土、水稻土團聚體水穩(wěn)性存在極顯著相關[27]；而隨植煙年限的增加，紅壤粒徑＞5 mm團聚體和＜0.25 mm團聚體有機碳含量未出現(xiàn)顯著下降，其他多數(shù)粒徑團聚體下降趨勢也不明顯，即在植煙過程中紅壤團聚體的有機碳對團粒結構的保護效果并沒有顯著下降。通過相關性分析可知，雖然有機碳含量與紅壤團聚體水穩(wěn)性無顯著相關性，但粒徑1～2 mm團聚體有機碳含量與水穩(wěn)性呈極顯著相關，其他粒徑團聚體有機碳含量與水穩(wěn)定性未出現(xiàn)顯著相關性，這可能與各粒徑團聚體有機碳組分的含量及作用有關[28]。隨植煙年限的增加紫色土和水稻土粒徑＞5 mm團聚體有機碳含量降低幅度較其他粒徑大，即在粒徑＞5 mm團聚體中，土壤團聚體的膠結劑被破壞較多，膠結能力下降較快，說明植煙對土壤團聚體的破壞主要集中在粒徑較大的團聚體上[29]。3種土壤團聚體有機碳也大多集中分布在粒徑＞5 mm和＜0.25 mm 2個團聚體中，和其他利用方式土壤有機碳分布情況相似，其原因是微團聚體中的有機碳不易被耕作的機械力和微生物活動破壞，而大直徑團聚體更有利于碳的截留[30]；再者，團聚體分布也表現(xiàn)為＞5 mm和＜0.25 mm兩個粒徑較多，這進一步證明有機碳在團聚體的保護下充當膠結劑連接團聚體的作用。另外，隨著植煙年限的增加，有機碳在各粒徑團聚體的分布趨于平均[31]。3種土壤團聚體之間，紅壤發(fā)育程度深，土壤礦化作用強，導致有機碳分解較快，所以紅壤各個粒徑團聚體有機碳含量明顯低于紫色土和水稻土。

4 結論

涼攀地區(qū)植煙土壤在連作過程中，水穩(wěn)性團聚體的破壞集中在植煙0～5 a期間，非水穩(wěn)性團聚體被破壞集中在植煙3～5 a期間。有機碳含量是影響團聚體水穩(wěn)性的重要因素，且在水稻土和紫色土團聚體中表現(xiàn)顯著。植煙會破壞土壤團聚體中的有機碳，其中水稻土和紫色土中達到顯著水平，這種破壞作用主要集中在植煙5 a內，未植煙土壤團聚體有機碳以粒徑＞5 mm和＜0.25 mm 2個團聚體含量較多，經(jīng)植煙破壞后，各粒徑團聚體有機碳含量趨于平均。烤煙不宜連作，長年植煙的紫色土和水稻土可以增大有機肥施用比例，保護土壤團聚體。

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