土壤團聚體組分中碳鉀分配對芋頭-水稻輪作年限的響應

宋惠潔，朱莉英，楊延安，胡丹丹，胡惠文，柳開樓

(1.江西省紅壤研究所，江西 南昌 331717；2.鉛山縣農(nóng)業(yè)技術推廣服務中心，江西 上饒 334500； 3.進賢縣鐘陵鄉(xiāng)人民政府，江西 南昌 331717)

0 引 言

鉀作為植物生長必需的營養(yǎng)元素之一，對植物新陳代謝、作物產(chǎn)量和品質的提高都起著關鍵作用[1-2]。作物對鉀的吸收主要來源于土壤，而研究表明我國南方土壤鉀素長期處于虧缺狀態(tài)[3]。施肥特別是施用有機肥可直接提升土壤鉀素肥力和植物的吸鉀能力[4-5]，也可通過增加土壤有機碳而間接改善土壤鉀素供應能力[6]。因此，研究土壤中碳鉀分配機制對提高我國南方丘陵區(qū)的土壤鉀的生物有效性意義重大。

柳開樓[7]研究發(fā)現(xiàn)，提升土壤有機碳含量可以顯著增加>2 mm團聚體組分中交換性鉀和非交換性鉀的儲量及比例。Liao等[8]發(fā)現(xiàn)，去除土壤有機碳會顯著降低紅壤水稻土鉀的吸附量，不利于土壤鉀素的保持。土壤團聚體是土壤水分和養(yǎng)分的重要儲存場所，但其結構容易受種植方式、耕作制度及施肥等因素的影響發(fā)生崩解或分散，不利于土壤水肥的保蓄，進而阻礙作物的生長和發(fā)育[9]。

合理的土地利用方式和作物種植制度，能夠改善土壤團聚體的穩(wěn)定性。李春越等[10]發(fā)現(xiàn)，小麥玉米輪作相比小麥連作更能增加微團聚體質量分數(shù)及其內(nèi)部的全碳和有機碳的含量。王浩田等[11]通過研究不同年限下煙-稻輪作土壤中團聚體的組成發(fā)現(xiàn)，宣城地區(qū)土壤中2～5 mm團聚體的比例隨輪作年限的增加呈顯著降低的趨勢。芋頭-水稻輪作是典型的高產(chǎn)高效種植模式，不僅可以有效緩解芋頭連作產(chǎn)生的芋頭品質變差、病蟲害加重的問題，還能通過改善土壤理化性狀而進一步提高作物產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，有研究表明，水稻與芋頭輪作的年產(chǎn)值是雙季稻的3倍[12-13]。

目前，贛東北地區(qū)的芋頭-水稻輪作模式發(fā)展迅速，以該地區(qū)的鉛山縣為例，2019年鉛山縣的紅芽芋種植面積14.6萬hm2，產(chǎn)量24萬t，產(chǎn)值7.6億元以上，已成為該區(qū)的主要種植模式。同時，隨著市場需求量的加大，該模式在贛東北的面積逐年增加。然而，隨著輪作年限的延長，有機肥和秸稈還田量不斷增加，對土壤團聚體碳鉀的影響尚不明確，因此，亟需開展系統(tǒng)研究，研究不同年限芋頭-水稻輪作下土壤肥力、土壤團聚體組分、團聚體中有機碳、鉀素的變化及碳鉀的相關關系，以明確土壤團聚體碳鉀分配對芋頭-水稻輪作年限的響應機制，為我國南方低山丘陵區(qū)土壤改良提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗在江西省上饒市鉛山縣湖坊鎮(zhèn)(117°42′23″E，28°18′19″N)進行，地形為典型低山丘陵，屬中亞熱帶溫濕型氣候，年均氣溫17.2～19.6 ℃，年均降雨量1 700～2 100 mm，年均蒸發(fā)量1 100～1 200 mm，無霜期251～274 d，平均年日照時數(shù)1 792 h，干濕季節(jié)明顯，3～6月為雨季，7～9月為旱季。

供試土壤為水稻田，成土母質為第四紀紅黏土。當?shù)厥羌t芽芋的主產(chǎn)區(qū)，芋頭-水稻輪作是當?shù)氐闹饕N植模式。供試芋頭為當?shù)刂髟约t芽芋品種(脫毒芋)，2月播種，7月采收，采用單畦雙行密植，株距30～35 cm，種植密度4.5～5.25萬株·hm-2；供試水稻品種為五優(yōu)308，6月下旬播種，7月下旬移栽，11月上中旬收獲移栽密度為27～30萬株·hm-2，株距22 cm。

1.2 試驗設計

本試驗設置5個處理，于2020年在當?shù)胤謩e選取芋頭-水稻輪作年限為1年、3年、5年、10年的田塊展開調查，以只種植一季水稻的田塊(CK)為對照，每個處理選擇3個田塊，田塊面積在300～2 000 m2之間。芋頭種植季基肥施用腐熟的豬糞，年施用量為1.50×104kg·hm-2，其中氮、磷、鉀含量分別為20.9 g·kg-1、8.96 g·kg-1、11.2 g·kg-1，含水量60%，氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥年施用量分別為158.0 kg·hm-2。水稻季的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥年施用量分別為63.0 kg·hm-2，水稻收割后秸稈全部粉碎還田。

1.3 樣品采集和測定指標

于11月晚稻收獲后利用鐵鍬采集耕層土壤原狀樣品，每個田塊采集5個點，混勻風干后分成2份，一份用于測定土壤肥力指標，一份采用干篩濕篩相結合的方法進行團聚體分級：即先將風干土分別過5 mm、2 mm和0.25 mm篩子，獲得>5 mm、2～5 mm、0.25～2 mm和<0.25 mm組分的樣品，然后根據(jù)各組分的比例配置成200 g的混合樣品。進一步將200 g混合樣品利用團聚體分析儀進行濕篩，豎直上下震蕩50次，獲得>2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm的團聚體組分樣品。

土壤pH采用電位法測定，土壤有機碳采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤全氮采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定，土壤堿解氮采用堿解擴散法測定，土壤全磷采用高氯酸-硫酸酸溶-鉬銻抗比色法測定，土壤有效磷采用碳酸氫鈉法測定，土壤全鉀和速效鉀采用原子吸收分光光度法測定[14]。

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2010進行整理，統(tǒng)計分析采用SAS 9.1進行，利用最小因子法進行方差比較。團聚體組分內(nèi)有機碳與速效鉀的相關關系采用線性方程進行擬合，所有圖件均用Origin 8.5進行制作。

2 結果分析

2.1 不同芋頭-水稻輪作年限下土壤肥力變化

研究表明，芋頭-水稻輪作可以改善土壤酸化現(xiàn)象，提高土壤肥力，且隨著輪作年限的延長，土壤肥力呈上升趨勢。不同輪作年限的土壤pH在4.97～5.55之間(表1)，較CK高出3.3%～15.4%，輪作1～3年變化不明顯，輪作5年后達到顯著差異；隨著輪作年限的延長，土壤有機質含量顯著增加，輪作1～10年較CK顯著增加了13.3%～36.2%(P<0.05)；隨著輪作年限的延長，除了全磷外，土壤全氮和全鉀含量都不斷增加，其中土壤全氮含量在輪作3年時顯著增加，土壤全鉀含量在輪作1年時就達到了顯著差異。土壤速效養(yǎng)分中，堿解氮和速效鉀含量在輪作1年時就顯著增加，有效磷含量增加相對緩慢，在輪作5年時達到了顯著差異。

2.2 不同芋頭-水稻輪作年限下團聚體組分變化

不同芋頭-水稻輪作年限能改變土壤中各團聚體組分的比例，各輪作年限均呈現(xiàn)出0.053～0.25 mm團聚體比例最高(圖1)。>2 mm團聚體比例隨輪作年限的延長呈不斷增加的趨勢，在輪作5年時達到顯著差異；0.053～0.25 mm團聚體比例隨輪作年限的延長呈先增加后降低的趨勢，輪作1年時達到最高；與CK相比，<0.053 mm團聚體比例在輪作1～5年差異不顯著，輪作10年時，顯著降低。

2.3 不同芋頭-水稻輪作年限下土壤團聚體組分中有機碳濃度變化

各團聚體組分中有機碳濃度隨輪作年限的延長而不斷變化(表2)。其中，>2 mm，0.25～2 mm，0.053～0.25 mm團聚體中有機碳濃度隨輪作年限的延長呈上升趨勢，在輪作10年時均顯著高于CK處理，較CK分別提高了18.6%、40.9%、29.9%(P<0.05)；<0.053 mm團聚體中有機碳濃度隨輪作年限的延長呈下降趨勢，在輪作5年時顯著低于CK處理，輪作5年和10年較CK處理分別降低了9.5%、32.1%(P<0.05)。

表2 芋頭-水稻輪作不同年限下土壤團聚體組分中有機碳濃度變化Table 2 Organic carbon contents in soil aggregate components under different years of taro-rice rotation

2.4 不同芋頭-水稻輪作年限下團聚體組分中鉀素含量變化

土壤各團聚體組分全鉀含量隨輪作年限的延長變化趨勢有所不同(表3)。與CK處理相比，>2 mm團聚體中全鉀含量在輪作1～3年時變化不大，輪作5年時明顯增加，較CK處理顯著增加了13.6%(P<0.05)，隨著輪作年限的延長持續(xù)增加，但增加幅度較??；0.25～2 mm、0.053～0.25 mm、<0.053 mm團聚體中全鉀含量隨輪作年限的延長均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。

表3 芋頭-水稻輪作不同年限下土壤團聚體組分鉀素含量變化Table 3 Potassium contents in soil aggregate components under different years of taro-rice rotation

土壤各團聚體組分中速效鉀含量隨輪作年限的延長呈增加趨勢。與CK處理相比，>2 mm、0.053～0.25 mm、<0.053 mm團聚體速效鉀含量均在輪作3年時顯著增加，至輪作10年時，分別較CK增加了2.24倍、1.95倍、0.93倍；0.25～2 mm團聚體速效鉀含量均在輪作1年時顯著增加，至輪作10年時，較CK增加了1.45倍。

2.5 不同芋頭-水稻輪作年限下團聚體組分中有機碳與速效鉀的相關關系

土壤各團聚體組分速效鉀含量與有機碳含量相關關系表現(xiàn)不同(圖2)。在>2 mm、0.053～0.25 mm團聚體中，有機碳與速效鉀均呈顯著的正相關關系(R2分別為0.934 2和0.812 2，P<0.05)；在0.25～2 mm、<0.053 mm團聚體中，有機碳與速效鉀關系均不顯著。

圖2 團聚體組分中有機碳與速效鉀的關系Fig.2 Correlation between organic carbon contents and potassium contents in soil aggregates

結合線性方程的斜率發(fā)現(xiàn)，當>2 mm團聚體中的有機碳增加0.10 g·kg-1，速效鉀含量提高3.30 mg·kg-1；而當0.053～0.25 mm團聚體中的有機碳增加0.10 g·kg-1，速效鉀含量可以增加1.36 mg·kg-1。

3 討論

長期作物連作是造成土壤養(yǎng)分不均衡、作物生育障礙的重要因素，合理輪作是緩解土壤養(yǎng)分失衡、調節(jié)作物營養(yǎng)吸收的重要手段。本研究表明，芋頭-水稻輪作可以緩解土壤酸化程度，提升土壤肥力，且隨著輪作年限的延長，土壤pH不斷增加，土壤肥力也呈上升趨勢。這與很多人的研究結果相似，但是與不輪作相比，芋頭-水稻長期輪作導致的土壤有機碳等肥力指標的增加幅度與其他的輪作試驗研究有所差異。楊瓊會[15]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田下，稻-油輪作和稻-麥輪作14年土壤有機碳含量分別較開始時增加了3.42倍和1.89倍，而羅茜[16]通過對涼山烤煙-蕎麥輪作模式的研究發(fā)現(xiàn)，隨著輪作年限的延長，土壤有機碳含量沒有明顯變化。本試驗中，輪作1-10年土壤有機碳含量較CK增加了13.3%～36.2%，各輪作試驗土壤有機碳含量增加幅度各不相同，可能與有機肥和秸稈還田量、氣候條件和土壤性質等存在差異有關。

土壤團聚體作為土壤儲存養(yǎng)分的主要場所，其養(yǎng)分保持、供應能力直接反映了土壤質量的好壞[17-18]。不同粒級的團聚體中營養(yǎng)元素的含量及分布狀況不同，有研究表明，相比于微團聚體，大團聚體含有更多的有機碳且其有機碳更容易礦化[19-20]。Puget等[21]研究發(fā)現(xiàn)，隨著外源新碳施用量的增加，團聚體粒徑越大，團聚體中新碳的比例越高。在本研究中，隨著輪作年限的延長，>2 mm團聚體組分比例不斷增加，且團聚體中有機碳含量也表現(xiàn)為上升趨勢，原因主要是芋頭-水稻輪作每年都會施用有機肥和秸稈還田。因此，隨著輪作年限的延長，土壤中有機碳投入和秸稈鉀歸還量越來越大，進而影響土壤團聚體結構和養(yǎng)分。長期定位試驗也表明，有機肥和秸稈還田是提高土壤團聚體有機碳[22]和鉀素[23]的重要措施。此外，長期芋頭-水稻輪作導致的土壤pH變化也可能是團聚體組分中鉀素變化的原因之一[24]。同時，土壤有機碳含量與鉀素供應能力密切相關，有機碳可以調控土壤鉀素形態(tài)和含量[25-27]。本研究發(fā)現(xiàn)，>2 mm、0.053～0.25 mm團聚體組分中，有機碳與速效鉀含量均呈現(xiàn)顯著的正相關關系，尤其是>2 mm團聚體，其有機碳增加0.10 g·kg-1時，速效鉀含量增幅最大，原因一方面可能是>2 mm、0.053～0.25 mm團聚體比例較高，對養(yǎng)分的周轉速率較快[28]，這說明，輪作年限可以通過改變土壤團聚體結構進而影響團聚體中養(yǎng)分的含量和分布。另一方面，不同團聚體組分中微生物群落的差異也可能導致團聚體碳鉀關系發(fā)生變化[29]，但具體原因還有待進一步分析。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，輪作1-3年時，大團聚體中土壤全鉀含量相對較低，因此，生產(chǎn)上可以考慮在輪作初期，適當增加外源鉀肥的投入，以保證作物的吸鉀量。

4 結論

在我國贛東北地區(qū)，芋頭-水稻輪作可以改善土壤酸化程度，提升土壤肥力，且隨著輪作年限的延長，土壤肥力呈上升趨勢。隨著輪作年限的延長，大團聚體(>2 mm)比例及其有機碳濃度、鉀素含量也不斷增加，而當輪作年限較短時，則建議適當增加外源鉀肥投入，進而滿足作物鉀素吸收。>2 mm團聚體中鉀素含量和有機碳濃度表現(xiàn)為顯著的正相關關系，當有機碳濃度增加0.10 g·kg-1時，速效鉀含量可提高3.30 mg·kg-1，從而有效供應作物鉀素吸收。