湘西北烤煙和玉米連作田土壤團聚體碳特征比較

龍世平 廖超林 陳山 彭斯文 寧尚輝 楊紅武 祝利 梅光軍 曹明鋒

摘 要：選擇湘西北烤煙和玉米連作兩種典型耕地，分析不同粒徑團聚體的有機碳差異及與土壤總有機碳及其活性組分的關(guān)系。結(jié)果表明，玉米及烤煙連作的土壤，較大的團聚體具有較高的有機碳含量;玉米田土壤有機碳主要儲存于粒徑>2 mm團聚體中，而煙田土壤有機碳主要儲存于粒徑>2 mm和2～0.25 mm的團聚體中;相較于煙田，玉米田土壤大團聚體具有較高的有機碳含量、固碳能力及有機碳貢獻率;兩種土壤均以粒徑>2 mm團聚體有機碳對土壤總有機碳的響應最敏感;土壤易氧化有機碳（EOC）及顆粒有機碳（POC）均與粒徑>2 mm和2～0.25 mm團聚體有機碳貢獻率呈顯著或極顯著正相關(guān)。因此，山地煙區(qū)烤煙和玉米連作田土壤質(zhì)量保育和退化修復工作均需提升大團聚體比例以提高其固碳能力。

關(guān)鍵詞：煙區(qū);耕地;團聚體;有機碳

Abstract： The soils in maize and tobacco succession cropping fields in northwestern Hunan were sampled to analyze the differences of organic carbon in soil aggregates and their relationship with soil organic carbon and its active components. The results showed that， organic carbon contents in soil aggregates of maize and tobacco succession cropping fields increased with the increase of soil aggregate size. Soil organic carbon was mainly stored in >2 mm aggregates in corn succession cropping field （CSCF） and in >2 mm and 2-0.25 mm aggregates in tobacco succession cropping field （TSCF）. Compared to TSCF， the soil aggregates of CSCF had higher organic carbon content， carbon sequestration capacity and contribution rates to soil organic carbon by 0.25-0.053 mm aggregates. In both soils， organic carbon of >2 mm soil aggregates were the most relevant to soil total organic carbon， meanwhile soil labile organic carbon （EOC） and particulate organic carbon （POC） showed significant or extremely significant positive correlation with the contribution rates to soil organic carbon by > 2 mm and 2-0.25 mm aggregates carbon. The results suggested that increasing the proportion of macro-aggregates and their carbon sequestration capacity favor to repair and improve soil quality in CSCF and TSCF in northwestern Hunan.

Keywords： tobacco-growing area; cultivated land; aggregates; organic carbon

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是形成良好土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎，是反映土壤質(zhì)量的重要指標，在調(diào)節(jié)土壤肥力、維持土地生產(chǎn)力方面具有重要作用[1]。有機碳作為有機膠結(jié)物在提高土壤團聚能力及團聚體穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著重要作用[2]。因此，研究土壤團聚體有機碳特征有助于了解土壤團聚體形成和穩(wěn)定機理及土壤質(zhì)量的調(diào)節(jié)機制。

表層土壤中90%有機碳位于土壤團聚體內(nèi)[3]。然而，不同種植模式土壤的團聚體有機碳含量及分布存在差異[4]。向蕊等[5]指出，相對于玉米和馬鈴薯單作，玉米馬鈴薯間作增加了土壤大顆粒團聚體（>2mm）有機碳含量;石巖松等[6]認為，在棉田土壤中，各粒徑水穩(wěn)定性團聚體有機碳含量隨著連作年限的增加而降低;魏艷春等[7]的研究則表明，糧-草長周期輪作系統(tǒng)團聚體有機碳含量顯著高于糧-豆輪作、玉米連作和小麥連作。因此，種植模式是影響土壤團聚體及其有機碳分布的重要因素之一。湘西山區(qū)是湖南集中連片貧困區(qū)，玉米和烤煙是當?shù)刂饕r(nóng)作物，但迄今尚缺乏玉米及烤煙連作對土壤團聚體有機碳影響的報道。另外，關(guān)于團聚體有機碳對土壤總有機碳的貢獻及相關(guān)性已有較多的報道[8-9]，但團聚體有機碳與土壤有機碳活性成分之間的關(guān)系尚有待進一步明確。為此，本文選擇湘西北典型玉米及烤煙連作耕地，分析其耕層土壤團聚體及團聚體有機碳分布特征，明確團聚體有機碳與土壤總有機碳及其活性組分之間的關(guān)系，以期為耕地土壤肥力調(diào)控及碳素管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于湖南省常德市石門縣三圣鄉(xiāng)山羊沖村境內(nèi)，地理坐標范圍為東經(jīng)112?29′59.58″～ 112?30′4.94″，北緯26?6′28.76″～28?6′39.30″，總面積20.18 km2左右。該區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均氣溫15～16.9 ℃，年降雨量1300～1500 mm，無霜期250～280 d。海拔范圍在200～600 m之間，土壤類型以石灰?guī)r紅壤為主;區(qū)內(nèi)光、熱、水資源基本同步，與優(yōu)質(zhì)煙葉生長發(fā)育規(guī)律較吻合，有利于優(yōu)質(zhì)煙葉生長;在當?shù)?，農(nóng)民具有較好的植煙傳統(tǒng)，除此外，主要種植模式還包括玉米連作。

1.2 土樣采集與分析方法

1.2.1 樣品采集與制備 在隨機調(diào)查農(nóng)戶耕作歷史及習慣的基礎上，于2019年2月中旬，選擇不同農(nóng)戶長期烤煙連作和玉米連作的耕地，采集0～20 cm耕層土樣。每一代表樣由同一農(nóng)戶同一種植模式下的3～5個田塊土樣組成，在同一田塊內(nèi)S形隨機采集5～8點土樣均勻混合。分別采集到12個煙田土樣和玉米土樣。

采集的混合土樣輕放于硬質(zhì)塑料盒，保持原狀帶回實驗室，經(jīng)自然風干至土壤含水量達土壤塑限（約為22%～25%）時，沿自然縫隙將其掰成10 mm左右的土塊，并挑出礫石、植物殘體等雜質(zhì)，待自然風干后用于土壤團聚體及基本理化性狀分析。

1.2.2 分析方法 土壤團聚體分離方法在SIX[10]的基礎上稍作修改，采用濕篩法進行土壤團聚體分組測定，結(jié)果取5次測定的平均值。土壤總有機碳（TOC）含量采用重鉻酸鉀-外加熱法[11]測定，易氧化有機碳（EOC）測定采用333 mmol/L KMnO4氧化，可見分光光度計565 nm比色[12]，顆粒有機碳（POC）組分提取和測定參考周萍等[13]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 團聚體有機碳貢獻率 某粒級團聚體有機碳對土壤有機碳貢獻率（%）計算公式如下[14]：

式中：為第i級團聚體有機碳貢獻率，%;為第i級團聚體有機碳含量，g/kg;為第i級團聚體百分含量，%;土壤有機碳含量，g/kg。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析 所有數(shù)據(jù)應用Microsoft Excel 2016和IBM Statistics SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）比較處理間差異，LSD法檢驗差異顯著性（p<0.05），Pearson法進行相關(guān)性分析。

2 結(jié) 果

2.1 團聚體及團聚體有機碳分布

玉米和烤煙連作下土壤團聚體粒徑分布見表1。兩類耕地均以粒徑>2 mm團聚體為主，含量分別介于47.63%～49.27%和32.09%～40.13%，平均分別為48.81%和37.14%;其中玉米田>2 mm和2～0.25 mm的大團聚體含量均高于煙田相應粒級團聚體，而0.25～0.053 mm及<0.053 mm的微團聚體含量低于煙田。

兩種種植模式下團聚體有機碳含量顯示（表2），玉米田不同粒徑團聚體有機碳含量由高到低依次為>2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm、<0.053 mm，且各粒徑團聚體間差異顯著。煙田土壤團聚體有機碳含量除粒徑2～0.25 mm和0.25～0.053 mm團聚體間差異不明顯外，粒徑>2 mm團聚體的有機碳含量顯著高于其他3個粒徑團聚體，且2～0.25 mm和0.25～0.053 mm團聚體顯著高于<0.053 mm團聚體。兩種種植模式整體表現(xiàn)出較大的團聚體具有較高的有機碳含量。兩種模式間同一粒級團聚體，玉米田>2 mm、2～0.25 mm和0.25～0.053 mm團聚體有機碳含量均顯著高于煙田相應粒級團聚體。從變異系數(shù)看，玉米田>2 mm和2～0.25 mm大團聚體有機碳的變異系數(shù)高于煙田，而0.25～0.053 mm和<0.053 mm微團聚體有機碳則相反。

2.2 團聚體有機碳對土壤總有機碳的貢獻率

由表3可以看出，玉米田>2 mm團聚體有機碳對TOC貢獻率最高，為51.28%～56.27%，平均為53.67%，顯著高于其他粒徑團聚體，說明玉米田土壤有機碳主要儲存于>2 mm團聚體中。煙田>2 mm及2～0.25 mm團聚體有機碳對TOC的貢獻率分別為42.43%～48.64%和14.88%～24.08%，平均分別為45.90%和21.55%，兩者共計占67.45%，表明煙田土壤有機碳主要儲存于>0.25 mm團聚體中。比較兩種模式間同一粒級團聚體有機碳貢獻率，玉米田>0.25 mm團聚體有機碳貢獻率均顯著高于煙田相應粒級團聚體的有機碳貢獻率。從變異系數(shù)看，玉米田>0.25 mm的團聚體有機碳貢獻率的變異系數(shù)低于煙田，而0.25～0.053 mm和<0.053 mm微團聚體有機碳貢獻率相反。

2.3 土壤總有機碳和活性有機碳組分含量

玉米田和煙田土壤總有機碳及活性有機碳組分含量存在差異（表4），玉米田TOC及POC含量分別介于18.40～35.29和6.89～10.54 g/kg之間，均值分別為26.39和8.33 g/kg，均顯著高于煙田，但EOC含量與煙田差異不顯著。

2.4 土壤總有機碳和活性組分與團聚體有機碳及其貢獻率的關(guān)系

從圖1來看。玉米田和煙田的土壤總有機碳含量與各級團聚體有機碳含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤總有機碳含量與不同粒徑團聚體有機碳含量的相關(guān)系數(shù)由大到小排序均表現(xiàn)為：>2 mm，2～0.25 mm，0.25～0.053 mm，<0.053 mm。說明兩種種植模式中，大粒徑團聚體（>2 mm）有機碳含量是決定土壤總有碳的部分。此外，玉米田和煙田土壤TOC、EOC、POC均與粒徑>2 mm和2～0.25 mm團聚體有機碳貢獻率呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系（表5），而與0.25～0.053 mm及<0.053 mm團聚體有機碳貢獻率的相關(guān)性均未達到顯著水平。

3 討 論

3.1 兩種種植模式土壤團聚體分布

土壤團聚體是土壤中各種養(yǎng)分的貯藏庫和微生物的生存場所，是評價土壤肥力的重要指標[15]。粒徑>0.25 mm團聚體數(shù)量通?？梢杂脕砼袆e土壤結(jié)構(gòu)的好壞，其含量越高，表明土壤抗分散能力越好，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[16]。湘西北煙區(qū)玉米田粒徑>0.25 mm土壤團聚體含量高于煙田，說明玉米田土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好于煙田。其原因可能是煙田翻耕以機耕為主，且化肥常過量施用，導致土壤團粒結(jié)構(gòu)破壞，而玉米地以人力翻耕和施用農(nóng)家肥為主，對團聚體破壞性較弱。

3.2 兩種種植模式土壤團聚體有機碳比較

從團聚體有機碳分布來看，本研究中不同粒徑團聚體有機碳含量之間存在差異，且較大粒徑團聚體具有相對更高的有機碳含量，這與譚文峰[17]的研究結(jié)果一致。由于不同有機物料在土壤中的分解速率和殘留量存在差異及碳輸入水平不同，導致不同粒級團聚體中有機碳的儲量存在差異[18]。大團聚體由新鮮植物殘體、細顆粒態(tài)有機質(zhì)和微團聚體組成[19]，因此較大的團聚體含有較高的有機碳量。在本研究中，相比煙田土壤，在相應粒徑團聚體中，玉米田團聚體具有更高的有機碳含量，且玉米田中>2 mm和2～0.25 mm土壤大團聚體有機碳貢獻率也高于煙田，而大粒徑團聚體有機碳是貢獻土壤總有機碳的主要部分（圖1），綜合以上，說明玉米田土壤較煙田具有更高的固碳能力。此外，玉米田>2 mm和2～0.25 mm土壤團聚體有機碳的變異系數(shù)高于煙田，而0.25～0.053 mm和<0.053 mm團聚體有機碳相反，這種差異暗示湘西北玉米田及煙田土壤有機碳在不同粒級團聚體中轉(zhuǎn)化過程以及土壤團聚體對有機碳保護能力存在差異，其機制有待深入研究。

3.3 兩種種植模式土壤有機碳組分的差異

湘西北煙區(qū)玉米田因具有較高的大團聚體含量，輸入的有機碳受團聚體物理保護作用的有機碳比例較高，礦化分解的比例相對較低;同時，團聚體物理保護的有機碳以顆粒有機碳為主，因此玉米田的TOC和POC含量顯著高于煙田。而EOC主要為輸入的新鮮有機物、植物根系及分泌物、微生物有機碳等易分解氧化部分，具有對環(huán)境反映敏感、易礦化分解和周轉(zhuǎn)速度快等特征[20]，雖然玉米及煙田土壤中新輸入的有機碳量存在差異，但EOC因易礦化分解而消耗，因而EOC差異不明顯。

3.4 團聚體有機碳含量及貢獻率與土壤總有機碳及其組分的關(guān)系

土壤有機碳作為團聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)促進團聚體的團聚和形成，同時團聚體對土壤有機碳具有物理保護作用[21]。依據(jù)土壤總有機碳含量與團聚體有機碳的相關(guān)系數(shù)，兩種土壤均以>2 mm團聚體有機碳對土壤總有機碳的響應最敏感，其次為2～0.25 mm;0.25～0.053 mm和<0.053 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率與土壤TOC沒有顯著相關(guān)關(guān)系。其結(jié)果與李景等[22]、王浩等[23]結(jié)果一致。ELLIOTT等[24]和PUGET等[25]認為，新鮮有機碳主要向大團聚體富集，更容易礦化，而微團聚體中的有機碳則大多是高度腐殖化的惰性組分，因此>2 mm團聚體有機碳對土壤總有機碳響應敏感，而<0.053 mm團聚體有機碳最不敏感。兩種土壤>2 mm和2～0.25 mm團聚體有機碳貢獻率均與EOC及POC呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明EOC和POC隨>0.25 mm大團聚體形成和破壞而增減。有機碳活性組分主要為易分解礦化的有機碳，是新輸入有機碳的重要組成部分，主要被>0.25 mm的大團聚體所固定而受物理保護[2]，從而與>0.25 mm大團聚體含量正相關(guān)。其結(jié)果一定程度上也印證了團聚體物理保護理論和>0.25 mm大團聚體保護的主要為易分解礦化有機碳的說法[26]。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，湘西北煙田與玉米田均表現(xiàn)出較大粒徑團聚體具有較高的有機碳含量，但玉米田具有相對較高的固碳能力;煙田和玉米田均以粒徑>2 mm土壤團聚體有機碳對土壤總有機碳的響應最敏感;兩種種植模式的土壤EOC及POC均與粒徑>2 mm和2～0.25 mm團聚體有機碳貢獻率呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，粒徑>0.25 mm大團聚體與土壤有機碳活性關(guān)系密切。提升大團聚體比例及其固碳能力對湘西山地煙區(qū)土壤質(zhì)量保育和退化修復具有積極作用。

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