湖南煙稻輪作區(qū)土壤團聚體穩(wěn)定性及其與碳氮比的關系

劉勇軍 ，彭曙光，肖艷松，向鵬華，唐春閨，周清明，黎娟*

1 湖南農業(yè)大學農學院，長沙市芙蓉區(qū)農大路1號 410128；2 湖南省煙草科學研究所，長沙市芙蓉南路1段628號 410004；3 湖南省煙草公司郴州市公司，郴州市北湖區(qū)三元路7號 423000；4 湖南省煙草公司衡陽市公司，衡陽市延安路8號 421000；5 湖南省煙草公司長沙市公司，長沙市勞動東路359號 410011

土壤團聚體作為衡量土壤質量的重要指標，不僅決定土壤結構的穩(wěn)定性，還與土壤理化性質、固碳潛力和抗蝕能力等有著直接聯系[1]。團聚體的形成是土壤中生物和非生物因素共同作用的結果[2]，其中土壤有機碳在團聚體形成過程中扮演著重要角色，并且影響團聚體的穩(wěn)定性[3]。同時，團聚體是土壤有機碳的儲存場所，在團聚體形成后能夠對有機碳起到保護作用[4]。張世祺等[5]研究發(fā)現，團聚體與土壤有機碳兩者關系密切，隨種植年限的增加有機碳含量呈下降的趨勢，并且影響團聚體的水穩(wěn)性。曹偉等[6]研究表明，土壤團聚體有機碳和全氮主要富集在小粒徑團聚體中，坡地土壤團聚體的穩(wěn)定性受碳、氮的共同作用，并且土壤團聚體穩(wěn)定性受C/N 顯著影響。土壤碳氮比是土壤質量的敏感指標，它的演變趨勢對土壤碳、氮循環(huán)有重要影響[7]。研究表明[8]，過高或過低的土壤碳氮比不利于烤煙的碳氮代謝，影響煙葉的品質。因此，適宜的土壤碳氮比和穩(wěn)定的團聚體對植煙土壤質量的提升，顯得尤為重要。湖南煙區(qū)烤煙種植模式以煙稻輪作為主，長期犁翻土壤導致耕層土壤質量下降，嚴重影響土壤團聚體的穩(wěn)定性[9]。前人對土壤團聚體的研究雖然較多，但針對湖南煙稻輪作區(qū)土壤碳氮比與團聚體的研究則鮮有報道。鑒于此，本研究基于田間調查取樣，研究不同土層不同粒級土壤團聚體含量的分布特征和穩(wěn)定性，探討了土壤團聚體穩(wěn)定性與碳氮比的關系，旨在為深入了解植煙土壤結構特征，為湖南煙稻輪作區(qū)合理耕層的構建，為指導當地煙區(qū)優(yōu)質煙葉生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

于2017 年水稻收獲后，在湖南郴州、衡陽和長沙3 個煙稻輪作區(qū)，每個地區(qū)選取10 塊田，每塊田土壤質地均為壤質砂土。每塊田采用多點取樣法，取樣采用50 cm 土柱取樣器，每個土柱分成0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 和40～50 cm共5 個土層，共計150 個土壤樣品。樣品分布情況為：郴州嘉禾縣普滿鄉(xiāng)5 個，桂陽縣和平鎮(zhèn)20 個，桂陽縣仁義鎮(zhèn)15 個，桂陽縣雷坪鎮(zhèn)10 個，共50 個；衡陽市耒陽縣導子鎮(zhèn)15 個，耒陽縣竹市鎮(zhèn)5 個，耒陽縣東湖圩鎮(zhèn)5 個，耒陽縣馬水鎮(zhèn)15 個，耒陽縣哲橋鎮(zhèn)5 個 ，耒陽縣壇下鄉(xiāng)5 個，共50 個；長沙瀏陽市永安鎮(zhèn)15 個，瀏陽市北盛鎮(zhèn)10 個，瀏陽市沙市鎮(zhèn)10 個，瀏陽市淳口鎮(zhèn)5 個，瀏陽市官渡鎮(zhèn)10 個，共50 個。

1.2 測定方法

土壤團聚體百分比含量參照文獻[10]測定，采用濕篩法將團聚體分為＞1 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、0.053～0.25 mm 和＜0.053 mm 共5 個粒級。土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀法檢測，全氮（TN）含量采用凱式定氮法檢測[11]，碳氮比（C/N）指土壤有機碳與全氮含量的比值。

1.3 計算方法

平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、水穩(wěn)性大團聚體（R0.25）和分形維數（FD）參照文獻[12]計算：

式中：di為i 粒級團聚體的平均直徑；Wi為di相對應的粒級團聚體占總重的百分含量；MT＞0.25為粒級＞0.25 mm 團聚體重量，MT為團聚體總重量。dmax為團聚體的最大粒徑；Mw≤di為粒徑小于di 的團聚體重量。

1.4 數據處理

采用SPSS 24.0 軟件進行數據處理，方差分析采用鄧肯氏新復極差法（SSR），相關分析采用Pearson雙尾檢測，運用Origin 2018 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 湖南煙稻輪作區(qū)土壤團聚體和碳氮比統(tǒng)計分析

由表1 可知，湖南省煙稻輪作區(qū)不同粒級土壤團聚體差異較大，其中＞1.00 mm 粒級的土壤團聚體含量最高，為64.47%，說明湖南煙稻輪作區(qū)以＞1.00 mm 粒級的土壤團聚體為主；0.25～0.50 mm 和0.053～0.25 mm 的土壤團聚體變異系數大于100%，說明樣本之間離散程度較大，屬重度變異。土壤團聚體穩(wěn)定性指數中分形維數FD 的均值為2.70，變異系數為2.04%，說明樣本之間分布較集中，屬弱變異。土壤碳氮比均值為9.66，變幅在3.69～14.06之間，偏度和峰度的值在-1.00～1.00 之間，分布形態(tài)接近正態(tài)分布[13]，變異系數為22.40%，屬中度變異。

2.2 湖南煙稻輪作區(qū)土壤團聚體分布情況

由表2 可知，不同土層不同粒級土壤團聚含量呈顯著差異，從不同粒級土壤團聚體含量來看，各粒級土壤團聚體含量從高到低依次為＞1 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、＜0.053 mm、0.053～0.25 mm；其中＞1 mm 粒級團聚體在不同地區(qū)間分布基本相同，以0～10 cm 和10～20 cm 土層的團聚體含量較大，顯著高于30～40 cm 和40～50 cm 土層；而0.5～1 mm、0.25～0.5 mm 和0.053～0.25 mm 粒級團聚體含量則以30～40 cm 和40～50 cm 土層較高，0～10 cm 和10～20 cm 土層較低；＜0.053 mm 粒級團聚體含量除衡陽地區(qū)外，均以30～40 cm 和40～50 cm 土層較高，以0～10 cm 和10～20 cm 土層較低。從不同土層深度來看，20～30 cm 土層土壤團聚體含量介于0～20 cm 和30～50 cm 土層之間，說明20～30 cm 土層在不同粒級土壤團聚體百分比含量大小轉變的過程中，起到了過渡作用。

表1 湖南煙稻輪作區(qū)土壤團聚體和碳氮比描述性統(tǒng)計Tab. 1 Descriptive statistics of soil aggregates and C/N in rice-tobacco rotation area of Hunan province

表2 不同粒級土壤團聚體含量Tab. 2 Content of soil aggregates with different size fraction

2.3 湖南煙稻輪作區(qū)土壤團聚體穩(wěn)定指數分析

土壤團聚體穩(wěn)定性指數是評價土壤結構和物理性狀的重要指標[14]。由表3 可知，不同土層土壤團聚體平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、水穩(wěn)性大團聚體（R0.25）和分形維數（FD）呈顯著差異。不同煙稻輪作區(qū)間變化趨勢基本一致，表現為隨著土層深度的增加，MWD、GMD 和R0.25呈下降趨勢，FD 呈上升趨勢。郴州、衡陽和長沙煙稻輪作 區(qū)0～10 cm 土 層MWD 比40～50 cm 土 層 分 別 高出31.68%（P＜0.01）、34.00%（P＜0.01） 和59.72%（P＜0.05）；郴州、衡陽和長沙煙稻輪作區(qū)10～20 cm 土 層GMD 比40～50 cm 土 層 分 別 高 出61.64%（P＜0.01）、40.26%（P＜0.05）和82.00%（P＜0.01）；郴州、衡陽和長沙煙稻輪作區(qū)10～20 cm 土層R0.25比40～50 cm 土 層 分 別 高 出9.30%（P＜0.01）、8.24%（P＜0.05）和25.00%（P＜0.01）；郴州、衡陽和長沙煙稻輪作區(qū)40～50 cm 土層FD 比0～10 cm 土層分別高出1.87%（P＜0.05）、2.65%（P＜0.01）和1.48%（P＜0.05）。一般來說，MWD、GMD 和R0.25越大，FD 越小，土壤團聚體越穩(wěn)定[15]。從不同煙稻輪作區(qū)來看，郴州和衡陽的土壤穩(wěn)定性指數較為接近，而長沙的MWD、GMD 和R0.25相對較低，FD 相對較高，表明郴州和衡陽煙稻輪作區(qū)的土壤團聚體穩(wěn)定性較優(yōu)于長沙煙稻輪作區(qū)。

表3 土壤團聚體穩(wěn)定性指數分析Tab. 3 Stability index analysis of soil aggregates

2.4 湖南煙稻輪作區(qū)碳氮比分布特征

從圖1 可以看出，湖南煙稻輪作區(qū)有機碳和全氮含量在不同土層呈顯著差異，且隨土層的加深，呈下降趨勢。郴州、衡陽和長沙煙稻輪作區(qū)0～10 cm 土層的有機碳含量分別比40～50 cm 土層高出134.64%、93.69%和205.44%，均達顯著差異（P＜0.01）；郴州、衡陽和長沙煙稻輪作區(qū)0～10 cm 土層的全氮含量分別比40～50 cm 土層高出77.69%、52.31%和149.18%，均達顯著差異（P＜0.01）。湖南煙稻輪作區(qū)碳氮比在不同土層呈顯著差異（圖1-c），且隨著土層的加深，郴州和衡陽煙稻輪作區(qū)碳氮比呈逐漸下降的趨勢；長沙煙稻輪作區(qū)以0～10 cm 土層碳氮比最高，以20～30 土層最低，兩者相差1.55 倍，達顯著差異（P＜0.01）。湖南煙稻輪作區(qū)不同土層碳氮比均值在8.48～11.39 之間（圖1-d），總體上隨土層深度的增加，碳氮比呈下降的趨勢。從10～20 cm 到20～30 cm 土層土壤碳氮比下降幅度最大，為21.52%；因此，提高20～30 cm 土層土壤碳氮比，可改善土層土壤結構，提高植煙土壤肥力。

圖1 湖南煙稻輪作區(qū)不同土層土壤碳氮比比較Fig. 1 Comparison of C/N ratio in different soil layers in rice-tobacco rotation area of Hunan province

2.5 土壤碳氮比與土壤團聚體穩(wěn)定性的相關分析

通過對不同土層土壤碳氮比與團聚體的相關分析可知（表4），不同土層土壤全氮、有機碳和碳氮比與＞1 mm 粒級團聚體呈顯著正相關（P＜0.01），與＜0.053 mm 粒級土壤團聚體不呈顯著相關，與其他粒級土壤團聚體呈顯著負相關（P＜0.01）。0～10 cm 土層土壤全氮、有機碳和碳氮比與MWD 呈顯著正相關（P＜0.05），與FD 呈顯著負相關（P＜0.01）；10～20 cm 土層土壤全氮、有機碳和碳氮比與MWD 呈顯著正相關（P＜0.01），與GMD 呈顯著正相關（P＜0.05），與FD 呈顯著負相關（P＜0.01）；20～30 cm、30～40 cm 和40～50 cm 土層土壤全氮、有機碳和碳氮比與MWD、GWD 和R0.25呈顯著正相關（P＜0.01），與FD 呈顯著負相關（P＜0.01）。不同土層土壤碳氮比與土壤穩(wěn)定性指數的相關系數表現出相似的規(guī)律，隨著土層的加深，相關系數呈先升高后下降的趨勢，都在20～30 cm 土層相關系數達到最高；按照相關程度大小排序依次為FD ＞ MWD ＞ GWD ＞ R0.25，說明碳氮比與FD 相關程度最高。

對湖南煙稻輪作區(qū)150 個土壤樣品的碳氮比與土壤團聚體穩(wěn)定性指數進行線性回歸分析可知（圖2），土壤碳氮比與MWD、GMD 和R0.25的回歸方程分別為y=0.16+0.01x、y=-0.07+0.01x 和y=0.59+0.03x，均呈顯著正相關關系（P ＜0.01）；土壤碳氮比與分形維數FD 的回歸方程為y=2.89-0.02x（r2=0.57），呈顯著負相關關系（P ＜0.01）。說明土壤碳氮比與土壤團聚體具有緊密聯系，土壤碳氮比值越高，土壤團聚體越穩(wěn)定。因為有機質是創(chuàng)造團聚體的膠結劑[1]，有機碳（C）含量越高，越能形成較多地穩(wěn)定性團聚體。

表4 不同土層土壤碳氮比與團聚體的相關分析Tab. 4 Correlation analysis of C/N ratio and soil aggregates in different soil layer

圖2 土壤碳氮比與團聚體穩(wěn)定性指數的線性回歸分析Fig. 2 Linear regression analysis of C/N ratio and soil aggregate stability index

3 討論

土壤團聚體是土壤結構的基本單元[16]，不同土層的團聚體含量具有明顯差異[17]。土壤團聚體穩(wěn)定性是反映土壤結構狀況的重要指標，水穩(wěn)性團聚體（＞0.25 mm）是土壤中最好的結構體，其值越高土壤結構則越穩(wěn)定[18]。本研究表明，R0.25隨土層的加深而下降，且不同土層以＞1 mm 的團聚體為主。殷文等[3]研究發(fā)現≥0.25 mm 的團聚體隨土層的增加而增加，與本文結果不一致，一方面可能是所研究的土壤類型不同（水稻土和灌淤土），造成土壤供氮能力的差異[19]，從而使土壤團聚體含量發(fā)生變化[10]；另一方面可能是由于兩者耕作措施的不同（傳統(tǒng)耕作和秸稈還田），秸稈還田有利于增加土壤各土層有機質含量，陳曉芬等[20]研究表明水穩(wěn)性團聚體的形成主要依靠有機質的膠結作用，增加土壤有機質含量有利于水穩(wěn)性團聚體的形成，因此，這可能是造成兩者水穩(wěn)性團聚體分布差異的重要原因。此外，MWD 和GMD 也表現出隨土層增加而下降的規(guī)律，說明湖南煙稻輪作區(qū)土層土壤越深，結構穩(wěn)定性越差。Pirmoradian 等[21]指出分形維數比MWD和GMD 更適于表征土壤團聚體的穩(wěn)定性。本研究表明，湖南煙稻輪作區(qū)FD 隨土層的加深而增加，王國梁等[22]研究表明農田土壤隨深度的增加，土壤體積分形維數也隨之增加，與本研究相似。本研究發(fā)現0～10 cm 和10～20 cm 土層的FD 值相近，但與30～40 cm 和40～50 cm 土層的FD 呈顯著差異，說明土層越深土壤團聚體穩(wěn)定性差異越大。因此，湖南煙稻輪作區(qū)需要改善30～40 cm 土層植煙土壤的團聚體穩(wěn)定性，為煙草的根系生長提供良好的環(huán)境。

土壤碳氮比影響烤煙的碳氮代謝和煙葉品質[23]。本研究表明：隨著土層深度的增加，土壤有機碳和總氮含量呈下降趨勢，這與前人[3]研究結果基本一致，可能是由于煙稻輪作區(qū)的土壤養(yǎng)分主要靠施肥來調控，而肥料對土壤碳氮的調節(jié)作用主要集中在可直接接觸的0～20 cm 表層土壤[24]；另外，養(yǎng)分的淋溶流失也是造成不同土層土壤碳、氮含量差異的一個原因[25]。本研究發(fā)現，不同土層碳氮比均值在8.48～11.39 之間，且隨著土層深度的增加，C/N 呈下降趨勢，以20～30 cm 土層碳氮比下降最為嚴重。李雪利等[23]通過添加小麥秸稈來調節(jié)土壤碳氮比的研究指出，土壤C/N 在24～28 之間時，有利于促進烤煙碳氮代謝平衡，協調烤后煙葉化學成分。為此，一方面，可通過減少氮肥的施用來提高土壤碳氮比；因為煙葉生產對氮肥的需求較敏感，以往的生產中普遍對化肥的用量偏大，且氮肥利用率低，造成土壤中氮素較多[26]。另一方面，可通過增加土壤中的有機碳含量來提高土壤的碳氮比；前人[27,28]研究表明，減氮運籌下增加有機肥的施用，能夠使有機碳增加9%～54%，因此施用有機肥是提高有機碳含量的一個重要途徑。

為進一步了解土壤碳氮比與土壤團聚體穩(wěn)定性指數之間的關系，對各參數進行了相關分析。研究表明，土壤碳氮比與FD 相關程度最高，說明FD 更能表征湖南煙稻輪作區(qū)土壤碳氮比與團聚體的關系。這可能是由于分形維數所表達的意義和功能較其他評價指標更為合理，不僅能反映質地均一程度，還能說明土壤結構和其它物理性質[14]。本研究表明，土壤碳氮比越高，土壤團聚體穩(wěn)定性越好，且在20～30 cm 土層相關系數達到最高?？梢?，為改善湖南煙稻輪作區(qū)耕層土壤質量，應從提高不同土層土壤團聚體穩(wěn)定性和土壤碳氮比兩方面同時出發(fā)。因此，為改進煙稻輪作區(qū)耕層土壤結構，建議今后應加強對減氮增碳等綜合耕作措施的研究，這為促進湖南煙稻輪作區(qū)煙葉可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路。

4 結論

湖南煙稻輪作區(qū)不同粒級土壤團聚含量呈顯著差異，不同土層以＞1.00 mm 粒級含量最高。不同土層土壤團聚體平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、水穩(wěn)性大團聚體（R0.25）和分形維數（FD）呈顯著差異，且不同煙稻輪作區(qū)間變化趨勢基本一致，隨土層深度的增加，MWD、GMD 和R0.25呈下降趨勢，FD 呈上升趨勢。有機碳、全氮和C/N 在不同土層呈顯著差異，且隨土層的加深而降低。不同土層碳氮比均值在8.48～11.39 之間，20～30 cm 土層土壤碳氮比下降幅度最大，為21.52%。相關分析表明，不同土層土壤全氮、有機碳和碳氮比與＞1 mm 粒級團聚體呈顯著正相關；與＜0.053 mm 粒級土壤團聚體不呈顯著相關，與其他粒級土壤團聚體呈顯著負相關。土壤碳氮比與MWD、GWD 和R0.25呈顯著正相關關系；與分形維數FD 的回歸方程為y=2.89-0.02x（P ＜0.01）。綜上，增加有機肥的比例，合理控制無機氮肥的用量，提高20～40 cm 土層土壤的碳氮比，增加該層土壤團聚體穩(wěn)定性，對于合理的耕層構建、促進優(yōu)質煙葉生產具有重要意義。