稻作煙區(qū)土壤電導率和陽離子交換量的垂直分布特征與養(yǎng)分有效性的關(guān)系

田祥珅，鄭重誼，劉勇軍，周清明，陳 燾， 曹志輝，謝鵬飛，彭曙光，周啟運，黎 娟*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，湖南 長沙 410128； 2.湖南省煙草科學研究所，湖南 長沙 410004； 3.湖南省煙草公司郴州市公司，湖南 郴州 423000； 4.湖南省煙草公司長沙市公司，湖南 長沙 410007)

【研究意義】稻作煙區(qū)指在一年之中連續(xù)種植一季煙草和一季晚稻的煙稻輪作區(qū)。煙稻輪作模式既是一種水旱輪作，也是茄科作物和禾本科作物的輪作，既能有效抑制水稻和煙草病害的發(fā)生，又可以提高土壤理化性狀，平衡土壤養(yǎng)分[1]。土壤是煙草生長的基質(zhì)，特別是對于耕作層淺的煙區(qū)，土壤條件對煙草的生長發(fā)育至關(guān)重要[2]。測定土壤電導率可以直接反映土壤含鹽量，而含鹽量是土壤中一個非常重要的綜合性指標；對于非鹽漬化土壤，土壤電導率可以直接作為一個綜合性指標來體現(xiàn)土壤的肥力[3-4]。土壤陽離子交換量可作為評價土壤肥力的指標，能代表土壤可能保持的養(yǎng)分數(shù)量。一方面，陽離子交換量可以體現(xiàn)土壤質(zhì)量的提升和肥料施用的合理性；另一方面，土壤緩沖性能的主要來源也離不開陽離子交換量[5-8]。【前人研究進展】近幾年，學者們對電導率和土壤陽離子交換量進行了單一研究[9-12]，主要集中在不同的土地類型、土地利用方式及土層深度等方面，而綜合考慮兩者的研究較少。湖南煙區(qū)以煙稻輪作為主，由于傳統(tǒng)耕作方式的長期使用，土壤受到破壞，耕作層變淺；此外，由于大量施用化肥，土壤養(yǎng)分失調(diào)，嚴重影響耕層土壤肥力狀況，從而影響了優(yōu)質(zhì)煙葉的生產(chǎn)[13]?！颈狙芯壳腥朦c】關(guān)于煙稻輪區(qū)土壤化學性質(zhì)的特征已有大量報道，而關(guān)注其在土壤中的垂直分布特征的研究極少。關(guān)于稻作煙區(qū)養(yǎng)分的研究，一般集中在有效養(yǎng)分方面[14]，極少關(guān)注其與電導率和陽離子交換量的相關(guān)性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究在分析了不同土層、不同地區(qū)稻作煙區(qū)土壤電導率和陽離子交換量的垂直分布特征的基礎(chǔ)上，對其二者與養(yǎng)分有效性的關(guān)系進行探討，以期為湖南稻作煙區(qū)改良土壤、合理施肥和農(nóng)田土壤的長期科學發(fā)展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)位于中國湖南郴州、衡陽和長沙等地。研究區(qū)地處亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，四季分明，光照充足，夏季高溫多雨，年均溫16～19 ℃。光、溫、水資源的季節(jié)分布適宜煙草和水稻的生長發(fā)育。地貌類型多樣，以丘陵和山地為主。

1.2 土壤樣品采集

根據(jù)湖南稻作煙區(qū)的種植特點，于2017年11月晚稻收獲后，在郴州、衡陽和長沙3個稻作煙區(qū)中各挑選出10塊典型田塊，具體田塊信息如表1所示。要求至少擁有10年以上的煙稻種植史。在每個典型田塊內(nèi)按“S”型布點法隨機確定3個采樣點，利用50 cm土柱取樣器(型號：QTZ-1，直徑7.5 cm)采集土柱，將采集的每個土柱分成5個土層：0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm，共10×3×5=150個土樣。每個土樣用四分法保留1 kg左右的土壤，帶回實驗室陰干、粉碎、過篩、收集，供后續(xù)的理化分析。在取樣的同時對試驗田的耕作層深度進行觀察測量，得到長沙、衡陽和郴州稻作煙區(qū)耕作層深度分別為9.5～16.4、10.6～16.4、8.2～13.4 cm。

1.3 土壤檢測指標及方法

參照文獻[15-16]測定土壤全氮、磷、鉀；堿解氮、有效磷、速效鉀；交換性鈣、鎂和有效銅、鋅、鐵、錳、銅、鉬的含量。湖南稻作煙區(qū)土壤電導率和陽離子交換量的等級劃分如表2所示[17-18]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本研究數(shù)據(jù)處理在IBM Statistics SPSS 23.0平臺進行，方差分析采用DMRT法，相關(guān)性分析采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)，制圖采用Microsoft Excel 2019。為了更清楚地觀察20～30 cm土層特征，將0～50 cm土層分為0～20 cm(表土層)、20～30 cm(亞表土層)和30～50 cm(中土層)三個土層，0～20 cm土層的數(shù)據(jù)由0～10和10～20 cm土層的數(shù)據(jù)平均后得出，30～50 cm土層的數(shù)據(jù)由30～40和40～50 cm土層的數(shù)據(jù)平均后得出。

表1 取樣田塊具體地點

表2 土壤電導率和陽離子交換量等級標準

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤電導率和陽離子交換量垂直分布特征

由圖1可知，湖南稻作煙區(qū)土壤電導率為0.10～0.17 mS/cm，均值為0.15 mS/cm，隨土層深度的增加而下降；土壤陽離子交換量為10.55～14.35 cmol/kg，均值為13.08 cmol/kg，隨土層深度的增加先下降再上升。

土壤電導率最高的是0～20 cm土層，為0.17 mS/cm，極顯著高于30～50 cm土層，顯著高于20～30 cm土層。從土壤陽離子交換量(CEC)來看，最高的是30～50 cm土層，為14.35 cmol/kg;20～30 cm土層最低，極顯著低于0～20 和30～50 cm土層。對照表1可知，湖南典型稻作煙區(qū)土壤在0～50 cm土層均未出現(xiàn)鹽漬化現(xiàn)象，對作物的影響忽略不計。對照表2可知，湖南稻作煙區(qū)土壤在0～50 cm土層保肥性中等，但20～30 cm土層保肥性顯著低于其他土層。

2.2 土壤電導率和陽離子交換量不同地區(qū)分布特征

將土壤電導率和陽離子交換量的垂直分布分地區(qū)進行比較，結(jié)果見圖2。不同地區(qū)不同土層的土壤電導率有所差異。0～20 cm土層，郴州的土壤電導率最高，長沙最低，前者較后者高37.98%(P<0.01)；20～30 cm土層電導率以衡陽最高，長沙最低，但3個煙區(qū)之間無顯著性差異；30～50 cm土層電導率以郴州最高，長沙最低，前者較后者高49.98%(P<0.01)。3個地區(qū)鹽漬化等級均為非鹽漬化。

不同地區(qū)不同土層的陽離子交換量分析發(fā)現(xiàn)，0～20 cm土層以郴州最高，長沙最低，前者較后者高47.80%(P<0.01)；20～30 cm土層以衡陽最高，長沙最低，衡陽較郴州和長沙分別高18.69%(P<0.05)和28.81%(P<0.01)；30～50 cm土層以郴州最高，長沙最低，郴州較衡陽和長沙分別高14.19%和21.04%(P<0.01)。長沙煙區(qū)0～30 cm土層保肥性較弱，30～50 cm土層保肥性中等；衡陽煙區(qū)0～50 cm土層保肥性中等；郴州煙區(qū)0～20 cm土層保肥性中等，20～30 cm土層保肥性較弱，30～50 cm土層保肥性較強。綜合來看，在3個煙區(qū)中，郴州煙區(qū)土壤保肥性最好，衡陽煙區(qū)土壤保肥性中等，長沙煙區(qū)土壤保肥性最差。

2.3 土壤電導率與養(yǎng)分有效性的關(guān)系

測定湖南稻作煙區(qū)土壤主要的養(yǎng)分含量，并將其與電導率進行相關(guān)性分析(表3)，發(fā)現(xiàn)土壤電導率與堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效硼、有效鉬含量呈極顯著正相關(guān)，與交換性鎂含量呈極顯著負相關(guān)，與交換性鈣、有效錳含量相關(guān)性不顯著。對與土壤電導率有顯著相關(guān)的養(yǎng)分指標進行回歸分析(圖3)。在湖南典型稻作煙區(qū)，0～50 cm土層電導率與堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效硼和有效鉬含量均呈線性正相關(guān)，電導率隨著這些養(yǎng)分含量的提高而上升；電導率與交換性鎂呈線性負相關(guān)，隨交換性鎂含量的上升而下降。

2.4 土壤陽離子交換量與養(yǎng)分有效性的關(guān)系

3 討 論

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤鹽分對作物的影響十分顯著，是判斷土壤肥力豐缺的重要指標[19]。根據(jù)湖南稻作煙區(qū)土壤電導率垂直分布特征來看，土壤電導率在0～50 cm土層均在0～2 mS/cm之間，未出現(xiàn)鹽漬化現(xiàn)象，隨著土層深度的增加，電導率呈現(xiàn)下降的趨勢。這與石麗紅等[20]、韓霽昌等[21]研究結(jié)果一致，是因為土壤鹽分在強蒸發(fā)作用下會隨水逐漸向上運移，從而導致上層土壤電導率增大。8—9月份，隨著高溫和土壤水分的蒸發(fā)量增大，并且長期在植煙田塊中施用化肥，使得地下水位上升，土壤中的鹽分在表層累積得越來越多。土壤緩沖性能的強弱可以通過陽離子交換量的大小來體現(xiàn)，不僅如此，還可以根據(jù)土壤陽離子交換量來進行合理施肥和土壤改良[22-23]。在湖南典型稻作煙區(qū)，土壤陽離子交換量0～50 cm土層在10.5～15.4 cmol/kg之間，土壤保肥性中等。20～30 cm土層陽離子交換量顯著低于0～20 和30～50 cm土層，這與張翠麗[24]等研究結(jié)果一致。0～20 cm土層受人工耕作和施肥因素影響較大，陽離子交換量高于20～30 cm土層。在多年的常規(guī)耕作后，湖南的稻作煙區(qū)20～30 cm土層多為片狀和層狀結(jié)構(gòu)，有機質(zhì)和腐殖質(zhì)流失嚴重，而有機質(zhì)含量是影響陽離子交換量的重要因素[6,12,25]，因此，20～30 cm土層陽離子交換量下降，土壤保肥性降低。30～50 cm土層是由表土淋溶下來的物質(zhì)形成的，稻作煙區(qū)的30～50 cm土層具有塊狀結(jié)構(gòu)，起著托水托肥的作用，所以陽離子交換量上升，土壤保肥性提高。

表3 土壤電導率與土壤養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)

表4 土壤陽離子交換量與土壤養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)

不同煙稻輪作區(qū)土壤電導率和陽離子交換量差異的顯著性，與不同地區(qū)氣候條件、海拔、施肥措施、成土母質(zhì)有關(guān)[11,14,25]。本研究比較研究了湖南3個主要煙區(qū)的土壤電導率和陽離子交換量，發(fā)現(xiàn)在3個煙區(qū)中均未出現(xiàn)鹽漬化現(xiàn)象；保肥性上，郴州煙區(qū)土壤保肥性最好，衡陽煙區(qū)土壤保肥性中等，長沙煙區(qū)土壤保肥性最差。

本試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，湖南稻作煙區(qū)土壤電導率與大部分養(yǎng)分含量之間具有密切的相關(guān)性，電導率與堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效硼、有效鉬含量呈極顯著正相關(guān)，與交換性鎂含量呈極顯著負相關(guān)。本文僅探討了湖南稻作煙區(qū)0～50 cm土層電導率和養(yǎng)分含量的關(guān)系，在不同土層相對電導率和土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系還有待進一步探索，可以根據(jù)許逸林[9]的方法嘗試建立湖南稻作煙區(qū)土壤養(yǎng)分和電導參數(shù)預測模型，為通過電導率快速預測土壤的養(yǎng)分含量的可能性提供科學依據(jù)。湖南稻作煙區(qū)土壤陽離子交換量與堿解氮、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效硼、有效鉬含量呈極顯著正相關(guān)，這與陳忠柳[6]、姜林等[25]人的研究結(jié)果一致，顯示出湖南稻作煙區(qū)土壤對不同養(yǎng)分的保肥效果不同，對氮、鉀、鈣、鎂、硼、鉬養(yǎng)分的吸持和保存能力較強，為今后合理施肥提供了科學的理論依據(jù)。

根據(jù)貢璐等[26]、解雪峰等[27]研究發(fā)現(xiàn)土壤電導率與土壤含水率存在正相關(guān)、與土壤容重存在負相關(guān)，根據(jù)王小艷[28]團隊發(fā)現(xiàn)土壤陽離子交換量與土壤孔隙度、土壤含水率、土壤容重存在顯著相關(guān)性，所以可在湖南稻作煙區(qū)采取粉壟深耕技術(shù)[29]加深耕作層，提高土壤耕層蓄水力，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，從而提高土壤電導率和陽離子交換量，進而提高土壤中速效養(yǎng)分含量和土壤的保肥性，有利于湖南稻作煙區(qū)農(nóng)田土壤的可持續(xù)性發(fā)展。

4 結(jié) 論

湖南稻作煙區(qū)土壤電導率在土層之間存在顯著差異，表現(xiàn)為0～20 cm>20～30 cm>30～50 cm；陽離子交換量在土層之間有顯著差異，表現(xiàn)為30～50 cm>0～20 cm>20～30 cm。長沙、衡陽和郴州煙區(qū)不同土層的土壤電導率和陽離子交換量存在顯著差異，均無鹽漬化現(xiàn)象；保肥性上，郴州煙區(qū)土壤保肥性最好，衡陽煙區(qū)土壤保肥性中等，長沙煙區(qū)土壤保肥性最差，具有一定的空間變異性，需要因地制宜地進行不同的管理。電導率與堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效硼、有效鉬含量之間呈極顯著正相關(guān)，與交換性鎂含量之間呈極顯著負相關(guān)；土壤陽離子交換量與堿解氮、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效硼和有效鉬含量呈極顯著正相關(guān)，與有效錳含量呈顯著負相關(guān)?？梢試L試建立湖南稻作煙區(qū)土壤養(yǎng)分與電導率、陽離子交換量的預測模型，為通過快速檢測電導率和陽離子交換量從而預測土壤養(yǎng)分含量提供參考。在湖南稻作煙區(qū)的生產(chǎn)中，可依照電導率和陽離子交換量在土層中的垂直分布特征和地區(qū)差異，構(gòu)建合理的耕作層并增施有機肥，根據(jù)電導率和陽離子交換量與養(yǎng)分的關(guān)系，針對性地設(shè)計施肥方案，從而提高耕層土壤質(zhì)量和土壤保肥性，促進湖南稻作煙區(qū)土壤的可持續(xù)發(fā)展。