廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤碳庫(kù)及顆粒組成評(píng)價(jià)

王 鵬，陳炬廷，楊 杰，吳 勇，石 剛，殷如婷，張 波，龍 飛，王 晶

（1.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠，武漢 430040；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院/國(guó)家煙草栽培生理生化研究基地/煙草行業(yè)煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002；3.四川省煙草公司廣元市公司劍閣縣公司，四川 廣元 628300）

土壤碳庫(kù)是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和肥力的重要指標(biāo)［1］，土壤碳庫(kù)包括無(wú)機(jī)碳和有機(jī)碳。植煙土壤中有機(jī)碳的保護(hù)、固定對(duì)提高土壤生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性有重要意義［2］，對(duì)土壤有機(jī)碳的研究主要在全國(guó)尺度范圍上進(jìn)行，研究對(duì)象多集中于森林、草原等自然植被土壤［3］，農(nóng)田土壤碳庫(kù)比自然土壤碳庫(kù)更活躍，由于其受人為活動(dòng)的影響更多，所以比自然土壤碳庫(kù)更能在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)［4，5］。

本研究在湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣元基地單元（廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)）內(nèi)采集植煙土壤樣品，綜合評(píng)價(jià)其碳庫(kù)水平，明確該地區(qū)植煙土壤碳庫(kù)營(yíng)養(yǎng)水平，確定該地區(qū)植煙土壤顆粒粒徑分布，為該地區(qū)烤煙施肥策略調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)種植規(guī)模、土壤類型、種植制度（撂荒、玉米、小麥、大豆輪作和煙草連作）、施肥制度和海拔高度等因素確定25 個(gè)采樣點(diǎn)，在預(yù)整地前采集耕層（0～20 cm）土壤樣品，采樣時(shí)遵循“隨機(jī)、等量、多點(diǎn)混合”的原則，采用S 形布點(diǎn)取樣，取樣點(diǎn)的選擇采用GPS 定位技術(shù)，并標(biāo)記采樣時(shí)間、地點(diǎn)、前作、土壤類型、土壤深度、施肥概況及地形情況等。

1.2 測(cè)定指標(biāo)

分析測(cè)定土壤全碳、總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳（可溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳等）及土壤顆粒結(jié)構(gòu)等指標(biāo)。土壤總有機(jī)碳（TOC）含量測(cè)定采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱氧化法［6］，土壤易氧化活性有機(jī)碳（EOC）含量測(cè)定采用333 mmol/L KMnO4氧化法［7］，土壤水溶性有機(jī)碳（DOC）含量測(cè)定采用水提取過(guò)濾的方法［8］。

1.2.1 土壤碳庫(kù)管理指數(shù) 以周邊森林土壤為參照，計(jì)算土壤碳庫(kù)管理指數(shù)及碳素有效率［9］，具體計(jì)算式如下。

1.2.2 土壤顆粒體積分形維數(shù) 采用土壤顆粒體積分形維數(shù)模型計(jì)算分形維數(shù)（D），計(jì)算式如下［10］。

對(duì)式（5）兩邊取對(duì)數(shù)可得：

式中，λV為土壤顆粒分級(jí)中最大的粒徑值，μm；R為某一特定粒徑值，μm；VR為土壤粒徑小于D的顆粒總體積；VT為土壤顆?？傮w積；D為土壤顆粒體積分形維數(shù)。

將式（6）轉(zhuǎn)換成散點(diǎn)圖，通過(guò)添加趨勢(shì)線，并運(yùn)用最小二乘法可得線性擬合方程、擬合系數(shù)（R2）以及該直線的斜率，通過(guò)計(jì)算可知，直線斜率為式（6）中3-D，最終可得土壤顆粒體積分形維數(shù)（D）［11］。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Excel 2013 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，借助IBM SPSS Statistics 22.0軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤碳庫(kù)

2.1.1 廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤描述性特征 土壤全氮含量在0.95～2.41 g/kg，全碳含量為9.36～20.09 g/kg，水溶性有機(jī)碳含量為45.03～236.10 mg/kg，易氧化有機(jī)碳含量為1.04～3.89 g/kg，高活性有機(jī)碳含量為1.29～2.71 mg/kg，中活性有機(jī)碳含量和碳氮比分別在1.56～26.72 mg/kg、7.28～13.31，中活性有機(jī)碳的變異系數(shù)最高，為129.59%，其他指標(biāo)的變異系數(shù)均小于50.00%（表1）。由此可知，廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤碳庫(kù)各項(xiàng)指標(biāo)均處于正常范圍。

表1 廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤描述性特征數(shù)據(jù)

2.1.2 廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤碳庫(kù)特征 由表2 可知，前茬撂荒田地各種有機(jī)碳的含量較高，前茬作物不同也會(huì)影響植煙土壤的碳庫(kù)含量，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得前茬撂荒的植煙土壤大部分有機(jī)碳含量較高。前茬為小麥的土壤全碳含量最高，比撂荒土壤高12.00%，比煙草前茬土壤高71.08%。撂荒土壤的水溶性有機(jī)碳比小麥前茬土壤高7.89%，比煙草前茬土壤高51.00%；撂荒土壤的易氧化有機(jī)碳比小麥前茬土壤高35.22%，比煙草前茬土壤高143.71%；撂荒土壤的高活性有機(jī)碳比大豆前茬土壤高3.90%，比煙草前茬土壤高18.99%；小麥前茬土壤的中活性有機(jī)碳含量比撂荒土壤高66.89%，比煙草前茬土壤高710.85%。

表2 廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤碳庫(kù)特征數(shù)據(jù)

2.1.3 廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤碳庫(kù)管理指數(shù) 土壤碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）是評(píng)價(jià)土壤有機(jī)碳質(zhì)量的指標(biāo)。以前茬撂荒的植煙土壤為參考，由表3 可知，前茬為其他作物的土壤CPMI均有所降低，其中煙草前茬土壤的CPMI最低，比撂荒的土壤減少了47.31%，其他前茬作物的CPMI從高到低依次為小麥、大豆、玉米。只有小麥前茬土壤的碳庫(kù)指數(shù)（CPI）高于撂荒土壤，但其碳庫(kù)活度（A）與碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）均小于撂荒土壤。

表3 廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤碳庫(kù)管理指數(shù)

2.1.4 廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤碳庫(kù)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣 根據(jù)25 個(gè)對(duì)比觀測(cè)樣本，計(jì)算每個(gè)土壤數(shù)據(jù)水溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳以及中、高活性有機(jī)碳含量的相關(guān)系數(shù)。由表4 可知，全碳與全氮、易氧化有機(jī)碳、中活性有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與水溶性有機(jī)碳、高活性有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；水溶性有機(jī)碳與全氮、易氧化有機(jī)碳、高活性有機(jī)碳、中活性有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；易氧化有機(jī)碳與全氮、高活性有機(jī)碳、中活性有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；高活性有機(jī)碳與全氮呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；中活性有機(jī)碳與全氮呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

表4 廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤碳庫(kù)相關(guān)系數(shù)

2.2 廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤顆粒

2.2.1 廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤顆粒分布 廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)土壤顆粒粒徑分布及土壤顆粒分形維數(shù)D的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤顆粒集中在2～50 μm 的粒徑范圍。如圖1 所示，土壤粒徑以粉粒為主，黏粒和砂粒占比較小。前茬撂荒、玉米、小麥、大豆和煙草的植煙土壤粉粒占比分別為63.58%、64.78%、66.60%、63.49%、65.77%，砂粒占比分別為15.30%、15.96%、10.11%、12.02%、11.87%，黏粒占比分別為21.12%、19.26%、26.65%、24.48%、22.36%。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，土壤粉粒占比大小表現(xiàn)為小麥＞煙草＞玉米＞撂荒＞大豆，黏粒占比大小表現(xiàn)為小麥＞大豆＞煙草＞撂荒＞玉米；而砂粒占比大小表現(xiàn)為玉米＞撂荒＞大豆＞煙草＞小麥。

表5 廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤顆粒粒徑分布及分形維數(shù)

2.2.2 廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤顆粒分形維數(shù) 根據(jù)土壤顆粒體積分形維數(shù)模型，計(jì)算得到研究區(qū)土壤顆粒分形維數(shù)（D）在2.766 4～2.812 9。從前茬類型上看，土壤顆粒分形維數(shù)（D）表現(xiàn)為小麥＞大豆＞煙草＞撂荒＞玉米。分析結(jié)果可知，不同前茬類型的土壤顆粒組成存在差異，分形維數(shù)隨著土壤粒徑組成不同而呈現(xiàn)差異。根據(jù)式（5）和式（6）計(jì)算出分形維數(shù)（D）的擬合方程相關(guān)系數(shù)R2全部大于0.700 0，表明擬合效果良好，分形維數(shù)（D）較準(zhǔn)確。

3 小結(jié)與討論

研究表明，廣元市植煙土壤肥沃，土壤碳庫(kù)營(yíng)養(yǎng)水平良好，完全符合煙草種植土壤的標(biāo)準(zhǔn)。輪作能影響植煙土壤的碳庫(kù)水平，煙草連作土壤的碳庫(kù)水平不如輪作土壤。其中，土壤碳庫(kù)管理指數(shù)從高到低的前茬依次為小麥、大豆、玉米。四川省廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤顆粒大部分為粉粒。

苑廣源等［12］研究得出，土壤易氧化有機(jī)碳含量是決定土壤碳庫(kù)活度指數(shù)和土壤碳庫(kù)管理指數(shù)變化的主要原因。本試驗(yàn)易氧化有機(jī)碳含量從高到低的前茬依次為撂荒、小麥、大豆、玉米、煙草，而土壤碳庫(kù)管理指數(shù)從高到低的前茬依次也是撂荒、小麥、大豆、玉米、煙草。

輪作制度是影響有機(jī)碳含量的重要因素。由于輪作改變了作物殘?bào)w的種類、數(shù)量，從而影響到土壤有機(jī)碳的固存和土壤有機(jī)碳的含量［13］。廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)不同前茬作物的植煙土壤全碳含量、易氧化有機(jī)碳含量從高到低依次為小麥、大豆、玉米、煙草；水溶性有機(jī)碳含量為小麥＞大豆＞煙草＞玉米；高活性有機(jī)碳含量為大豆＞小麥＞玉米＞煙草；中活性有機(jī)碳含量為小麥＞玉米＞大豆＞煙草。前茬為煙草的植煙土壤中大部分有機(jī)碳含量明顯低于其他作物，表明要保持植煙土壤良好的碳庫(kù)水平，采用輪作的種植方式優(yōu)于連作。

廣元市漢陽(yáng)鎮(zhèn)植煙土壤活性有機(jī)碳含量比周邊森林土壤多，土壤肥力優(yōu)秀，土壤碳庫(kù)營(yíng)養(yǎng)水平較好，但是長(zhǎng)期的連作會(huì)降低土壤質(zhì)量和碳庫(kù)水平，輪作則可以有效提高煙葉的品質(zhì)性狀和經(jīng)濟(jì)質(zhì)量。