煙-稻復(fù)種連作對(duì)紅壤性水稻土團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的影響

陸 峰，廖超林，肖志鵬，石 剛，向鵬華，禹保成，單雪華，夏 凡

（1湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，武漢 430051；2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，長(zhǎng)沙 410128；3衡陽(yáng)市煙草公司，湖南衡陽(yáng) 421000）

0 引言

中國(guó)南方紅壤丘陵區(qū)面臨巨大的資源-環(huán)境-人口壓力，中低產(chǎn)田比例大，耕地質(zhì)量退化嚴(yán)重，制約了區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。紅壤丘陵區(qū)廣布的紅壤性水稻土面臨土壤養(yǎng)分失衡、土壤結(jié)構(gòu)退化、酸化等土壤質(zhì)量問(wèn)題[2]。人為管理措施諸如耕作措施、種植模式及施肥等直接地決定和影響著耕地土壤的肥力特征、土壤結(jié)構(gòu)狀況及作物生長(zhǎng)發(fā)育[3]。土壤團(tuán)聚體是土壤養(yǎng)分的“儲(chǔ)藏庫(kù)”，其數(shù)量的多少一定程度上反映了土壤供儲(chǔ)養(yǎng)分能力和肥力水平的高低[4]；同時(shí)，土壤團(tuán)聚體亦是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，在土壤中發(fā)揮著調(diào)節(jié)“水、肥、氣、熱”、改善生物活性和保持疏松土層的重要作用，是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一[5]。因此，研究種植模式對(duì)土壤團(tuán)聚體特征的影響，對(duì)紅壤性水稻土退化防治及農(nóng)業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。

煙-稻復(fù)種連作是中國(guó)紅壤丘陵區(qū)主要的種植模式之一，在促進(jìn)耕地集約利用和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展及農(nóng)村脫貧攻堅(jiān)中發(fā)揮了長(zhǎng)期而重要的作用[6]。然而，任何一項(xiàng)單一的耕作措施都是“雙刃劍”，對(duì)土壤均具有有利和有弊的作用，長(zhǎng)期地采用單一耕作措施對(duì)土壤及作物的生長(zhǎng)發(fā)育并不是十分有利[7]。諸多研究表明，煙草是一種忌連作作物[8]，長(zhǎng)期煙-稻復(fù)種連作造成土壤結(jié)構(gòu)退化、土壤養(yǎng)分失調(diào)和土傳病害常發(fā)等土壤障礙問(wèn)題，影響煙草正常的生長(zhǎng)發(fā)育，降低烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)[9]?？緹熯B作障礙主要來(lái)自土壤[10]，土壤連作障礙的研究主要集中于土壤養(yǎng)分失調(diào)、自毒作用、土壤環(huán)境及微生物區(qū)系發(fā)生變化[11-12]等，但連作植煙對(duì)土壤團(tuán)聚體分布及其穩(wěn)定性的影響研究少見(jiàn)。本研究采用時(shí)空替代法、相關(guān)及冗余分析等技術(shù)方法，在耒陽(yáng)市煙區(qū)采集不同煙-稻復(fù)種連作年限的紅壤性水稻土，分析土壤團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的變化特征及其與土壤理化性狀的關(guān)系，明確煙-稻復(fù)種連作對(duì)紅壤性水稻土團(tuán)聚體及其穩(wěn)定變化的影響及其關(guān)鍵影響因素，以期為紅壤性水稻土質(zhì)量保育和退化防治提供資料。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

研究區(qū)位于湖南典型紅壤丘陵區(qū)的耒陽(yáng)市煙區(qū)(26°39′33″N，113°2′59″E)。區(qū)內(nèi)煙田耕作制度為煙-稻輪作，肥料由當(dāng)?shù)責(zé)煵莨咎峁?，煙農(nóng)均通過(guò)當(dāng)?shù)責(zé)煵莨炯夹g(shù)員培訓(xùn)，按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行栽培管理。在集中連片的烤煙種植單元，經(jīng)查閱煙葉合作社烤煙種植記錄及入戶調(diào)查基礎(chǔ)上，確定研究區(qū)農(nóng)田煙-稻連作年限后；于煙田翻耕前，根據(jù)地形特點(diǎn)及田塊形狀及土壤環(huán)境一致的原則，按照時(shí)空替代法，分別選取1～20年及以上煙-稻復(fù)種連作(YDLZ)田塊，按梅花形五點(diǎn)法取耕作層(0～20 cm)原狀土樣，對(duì)照0年(0a)為研究區(qū)未植煙且稻-稻連作(DDLZ)5年及以上的稻田土樣。將采集的土樣按YDLZ年限0、(0～5)、(5～10)、(10～15)、(15～20)、＞20年分為6組（下同，不再加范圍符號(hào)），各組土樣數(shù)量分別為13、16、14、13、12、8個(gè)；共采集土樣76個(gè)。將采集好的原狀土樣（重約1 kg）裝入方鋁盒編號(hào)后，保持原狀結(jié)構(gòu)帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干。自然風(fēng)干至土壤含水量到達(dá)土壤塑限（約為22%～25%）時(shí)，沿著自然縫隙將其掰成1 cm3左右的土塊，并挑出礫石、侵入體及植物殘?bào)w等。

1.2 分析方法

土壤團(tuán)聚體測(cè)定采用薩維諾夫法[13]，使用干篩法得到各粒級(jí)團(tuán)聚體，按比例配成濕篩法所需土樣的質(zhì)量，將配置好的土樣放置于團(tuán)聚體分析儀套筒內(nèi)（孔徑自上而下依次為 5、3、2、1、0.5、0.25 mm），緩緩向套筒內(nèi)加入蒸餾水至淹沒(méi)過(guò)土壤，震動(dòng)頻率為30次/min，振蕩時(shí)間5 min，然后用烘干法測(cè)得每個(gè)粒徑等級(jí)土壤的重量。

部分原狀土樣碾磨過(guò)篩，用于土壤有機(jī)質(zhì)等理化指標(biāo)分析，依據(jù)文獻(xiàn)[14]采用常規(guī)分析方法測(cè)定土壤理化指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)計(jì)算公式如式(1)～(2)所示[15]。

式中：MWD為團(tuán)聚體重量平均直徑；GMD為團(tuán)聚體幾何平均直徑；Wi為各粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(%)；Xi為某級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑(mm)。

土壤分形維數(shù)(D)采用楊培嶺等土壤顆粒分形模型[16]，如式(3)所示。

式中：W0是全部粒級(jí)土粒質(zhì)量之和(g)；Wi是直徑小于di土粒的累積質(zhì)量(g)；為最大粒級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑(mm)；為兩篩分粒之間粒徑的平均值(mm)。

采用Excel 2021和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析；單因素方差分析，Duncan’s法顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05)，比較處理間差異；以Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析。運(yùn)用Canaco 5軟件進(jìn)行土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤理化性狀的冗余分析(RDA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙-稻復(fù)種連作對(duì)土壤團(tuán)聚體組成的影響

不同YDLZ年限土壤團(tuán)聚體組成如表1。相較于DDLZ土壤，YDLZ的紅壤性水稻土＞5 mm團(tuán)聚體含量顯著降低；其中煙-稻復(fù)種連作5～10年(YDLZ5～10)的土壤＞5 mm團(tuán)聚體含量降幅最大，達(dá)到28.48%，煙-稻復(fù)種連作＞20年(YDLZ＞20)的土壤降幅最少，為14.33%。相較于DDLZ土壤，YDLZ的紅壤性水稻土＜0.25 mm團(tuán)聚體含量則顯著升高，其中YDLZ5～10的土壤＜0.25 mm團(tuán)聚體含量升高幅度最大，達(dá)到165.75%，煙-稻復(fù)種連作 15～20 年(YDLZ15～20)的土壤升高幅度最少，為44.41%；其他粒徑團(tuán)聚體的含量中，除煙-稻復(fù)種連作0～5年(YDLZ0～5)的土壤 5～3 mm團(tuán)聚體、YDLZ15～20的土壤2～1 mm團(tuán)聚體及煙-稻復(fù)種連作 10～15 年(YDLZ10～15)的土壤 0.5～0.25 mm 團(tuán)聚體含量顯著升高外，不同煙-稻復(fù)種連作年限的土壤團(tuán)聚體含量差異不顯著。說(shuō)明YDLZ導(dǎo)致紅壤性水稻土＞5 mm大團(tuán)聚體破壞而減少，＜0.25 mm團(tuán)聚體含量升高。

表1 不同煙-稻復(fù)種連作年限土壤團(tuán)聚體組成 %

2.2 煙-稻復(fù)種連作對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響

不同YDLZ年限紅壤性水稻土團(tuán)聚體大小如圖1。可以看出，不同YDLZ年限的紅壤性水稻土團(tuán)聚體MWD和GMD表現(xiàn)出相同的變化特征；相較于DDLZ土壤，YDLZ的紅壤性水稻土團(tuán)聚體MWD和GMD均顯著降低，其中YDLZ5～10土壤的團(tuán)聚體MWD和GMD降幅最大，分別顯著降低了21.92%和40.19%；其他復(fù)種連作年限間土壤的MWD和GMD差異不顯著。相較于DDLZ土壤，分形維數(shù)(D)則顯著增加（圖2），其中YDLZ5～10土壤D顯著增加11.02%，其他復(fù)種連作年限土壤D增加幅度在4.24%和7.62%之間。說(shuō)明煙-稻復(fù)種連作顯著降低紅壤性水稻土團(tuán)聚體MWD和GMD，提高分形維數(shù)。

圖1 不同煙-稻復(fù)種連作年限團(tuán)聚體大小

圖2 不同煙-稻復(fù)種連作年限團(tuán)聚體分形維數(shù)

2.3 煙-稻復(fù)種連作對(duì)土壤顆粒組成的影響

煙-稻復(fù)種連作土壤機(jī)械組成如表2。YDLZ對(duì)紅壤性水稻土的影響主要集中于0.25～0.05 mm的細(xì)砂粒、0.02～0.002 mm的細(xì)粉粒及＜0.002 mm的粘粒；相對(duì)于DDLZ土壤，YDLZ年限＞10年的土壤細(xì)砂粒顯著降低；細(xì)粉粒含量則在YDLZ年限＞10年的土壤中顯著升高，而粘粒含量除在YDLZ年限為5～10年階顯著降低外，其他在YDLZ年限的土壤間差異不明顯。

表2 不同煙-稻復(fù)種連作年限土壤機(jī)械組成 %

2.4 煙-稻復(fù)種連作年限對(duì)土壤主要肥力指標(biāo)的影響

土壤主要肥力指標(biāo)如表3。相較于DDLZ，YDLZ年限＞5年的紅壤性水稻土pH顯著降低，降低比率為2.55%～20.86%，而全磷和全鉀含量顯著升高，升高比率分別為14.77%～48.46%和36.85%～99.61%；同時(shí)YDLZ導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)及全氮顯著降低，降低比率分別為7.76%～18.13%和6.35%～24.08%。說(shuō)明YDLZ對(duì)紅壤性水稻土主要肥力指標(biāo)產(chǎn)生差異性影響。

表3 不同煙-稻復(fù)種連作年限土壤主要肥力指標(biāo)

2.5 團(tuán)聚體及其穩(wěn)定性與土壤理化性狀的關(guān)系

2.5.1 團(tuán)聚體與土壤理化性狀的相關(guān)性分析 土壤團(tuán)聚體及其穩(wěn)定性指標(biāo)與土壤理化性狀相關(guān)關(guān)系表明（表4），不同粒徑團(tuán)聚體中，＞5 mm團(tuán)聚體含量分別與土壤有機(jī)質(zhì)和＜0.002 mm的粘粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，＜0.25 mm團(tuán)聚體含量則相反；同時(shí)1～0.5 mm和0.5～0.25 mm團(tuán)聚體含量均分別與粘粒呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)中，MWD和GMD均分別與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮＜0.002 mm的粘粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；分形維數(shù)D則與前述指標(biāo)呈顯著負(fù)相關(guān)。

表4 土壤穩(wěn)定性指標(biāo)與土壤理化性狀的Pearson相關(guān)

2.5.2 團(tuán)聚體與土壤理化性狀的冗余分析 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與團(tuán)聚體分布冗余分析(RDA)結(jié)果如圖3(a)，2個(gè)排序軸解釋了總變異的99.81%，反映了土壤團(tuán)聚體分布對(duì)團(tuán)聚穩(wěn)定性的絕大部分信息，其中＞5 mm(98.1%，F(xiàn)=131，P=0.002)、＜0.25 mm(83.7%，F(xiàn)=82.5，P=0.002)團(tuán)聚體的向量權(quán)重最大，是引起團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化的主導(dǎo)團(tuán)聚體粒徑。圖3(b)的土壤機(jī)械組成及養(yǎng)分對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)分布影響顯示，RDA 2個(gè)排序軸解釋了團(tuán)聚體分布總變異的87.04%，能反映土壤機(jī)械組成、土壤養(yǎng)分對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)分布影響的絕大部分信息，其中 ＜0.002 粘 粒 (68.6% ，F(xiàn)=36.4，P=0.002)、有機(jī)質(zhì)(65.3%，F(xiàn)=32.8，P=0.002)的向量權(quán)重最大，是引起團(tuán)聚體分布變化的主導(dǎo)理化指標(biāo)。

圖3 土壤團(tuán)聚體分布與團(tuán)聚體穩(wěn)定性(a)及土壤理化性狀與團(tuán)聚體分布(b)的冗余分析

3 結(jié)論

煙-稻復(fù)種連作導(dǎo)致紅壤性水稻土＞5 mm團(tuán)聚體含量顯著減少，而＜0.25 mm團(tuán)聚體含量顯著增加，且MWD和GMD顯著降低，而分形維數(shù)D顯著升高，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低；對(duì)團(tuán)聚體粒徑分布及團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響較大的煙-稻復(fù)種連作年限段為5～10年。煙-稻復(fù)種連作的紅壤性水稻土有機(jī)質(zhì)和粘粒含量是引起團(tuán)聚體分布變化的關(guān)鍵指標(biāo)，＞5 mm和＜0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量主導(dǎo)了團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化；煙-稻復(fù)種連作引起紅壤性水稻土有機(jī)質(zhì)和粘粒含量變化，主要導(dǎo)致＞5 mm團(tuán)聚體含量的減少，＜0.25 mm團(tuán)聚體含量增加，從而土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低。

4 討論

4.1 煙-稻復(fù)種連作對(duì)土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體MWD、GMD和D是評(píng)價(jià)團(tuán)聚體粒徑分布及穩(wěn)定性的重要參數(shù)，MWD和GMD越大，D值越小，表明其大團(tuán)聚體含量越高，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好[17-18]。種植模式、施肥及耕作方式等影響土壤有機(jī)質(zhì)含量、機(jī)械組成和養(yǎng)分循環(huán)等土壤理化性狀，從而影響土壤團(tuán)聚體分布及其穩(wěn)定性[19-20]。本研究表明，相對(duì)DDLZ，YDLZ的紅壤性水稻土＞5 mm的團(tuán)聚體含量顯著減少，而＜0.25 mm的微團(tuán)聚體含量顯著升高；且以YDLZ5～10的土壤＞5 mm和＜0.25 mm團(tuán)聚體含量分別降低和升高幅度最大；同時(shí)，YDLZ的紅壤性水稻土團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)MWD和GMD均顯著低于DDLZ的土壤，而分形維數(shù)D則顯著升高，且以YDLZ5～10土壤的MWD和GMD降低幅度最大，而其D值增加幅度最高。說(shuō)明YDLZ顯著降低紅壤性水稻土團(tuán)聚體粒徑分布及團(tuán)聚體穩(wěn)定性，且以YDLZ5～10對(duì)土壤團(tuán)聚體粒徑分布及穩(wěn)定性影響最大。

4.2 煙-稻復(fù)種連作土壤團(tuán)聚體特征與理化指標(biāo)的關(guān)系

土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)等基本屬性影響土壤團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性。本研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)和＜0.002 mm的粘粒含量分別與＞5 mm團(tuán)聚體含量、MWD和GMD呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與分形維數(shù)D則呈顯著負(fù)相關(guān)。說(shuō)明YDLZ的紅壤性水稻土有機(jī)質(zhì)及＜0.002 mm的粘粒促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性。結(jié)果與廖超林等[21]一致。這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體主要膠結(jié)劑，土壤有機(jī)質(zhì)的增加可促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成及增加團(tuán)聚體穩(wěn)定性[22]；土壤粘粒則具有膠體性質(zhì)，往往通過(guò)內(nèi)聚力等作用團(tuán)聚為微團(tuán)聚體，為大團(tuán)聚的形成提供了條件[23]。進(jìn)一步運(yùn)用冗余分析解析YDLZ的紅壤性水稻土中引起團(tuán)聚體分布及其穩(wěn)定性變化的主導(dǎo)理化因子。土壤有機(jī)質(zhì)和粘粒含量分別是引起團(tuán)聚體分布變化的關(guān)鍵指標(biāo)；且土壤＞5 mm團(tuán)聚體含量與土壤有機(jī)質(zhì)和＜0.002 mm的粘粒含量呈顯著正相關(guān)，而＜0.25 mm團(tuán)聚體含量相反；說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)和粘粒含量變化，主導(dǎo)了＞5 mm及＜0.25 mm團(tuán)聚體含量的變化。同時(shí)冗余分析顯示，＞5 mm和＜0.25 mm的團(tuán)聚體分別是引起團(tuán)聚體穩(wěn)定變化的關(guān)鍵指標(biāo)，說(shuō)明YDLZ的紅壤性水稻土中＞5 mm和＜0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量的變化，主導(dǎo)了團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化。因此，可以認(rèn)為YDLZ引起紅壤性水稻土土壤有機(jī)質(zhì)和粘粒含量變化，主要導(dǎo)致＞5 mm團(tuán)聚體含量的減少，＜0.25 mm團(tuán)聚體含量增加，進(jìn)而導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低。