植煙紅壤粒徑組分對連作年限響應(yīng)的差異分析

關(guān)鍵詞：連作；紅壤；粒徑組分；養(yǎng)分含量；酶活性

中圖分類號：S151.9 文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2024）11-0127-06

土壤粒徑組分的變化可以表征土壤質(zhì)量的穩(wěn)定性及土地退化程度與過程。作為土壤重要的理化性質(zhì)，土壤顆粒組分對土壤持水力、通氣性、土壤礦物組成、肥力等理化特性，以及土壤酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)等生物特性具有塑造作用。近年來由于糧煙爭地矛盾突出，煙葉種植多分布于山區(qū)、半山區(qū)，連作現(xiàn)象普遍存在，嚴(yán)重制約了植煙土壤的可持續(xù)利用。連作障礙產(chǎn)生的原因主要包括：連作導(dǎo)致土壤養(yǎng)分狀態(tài)呈現(xiàn)出特定養(yǎng)分偏向性消耗和其余養(yǎng)分過度富集的趨勢，引發(fā)土壤養(yǎng)分失衡。連作導(dǎo)致植株凋落物和根系分泌物種類單一且長期不變，這樣一方面使根系分泌物逐年積累引發(fā)自毒效應(yīng)；另一方面，鹽分、有機(jī)酸等在土壤耕層富集，形成較為特殊的生態(tài)環(huán)境，引起土壤胞外酶活性和根際微生物群落平衡發(fā)生明顯改變。目前，關(guān)于植煙連作相關(guān)研究多集中在連作對土壤養(yǎng)分、酶活性、土壤微生物、煙株根系分泌物和產(chǎn)質(zhì)量影響等方面，但在典型紅壤區(qū)中長期煙草單一種植對土壤粒徑組分的影響，以及粒徑組分與生化特性相互關(guān)系的研究較少。據(jù)此，于2014年開始，本課題組在云南省典型紅壤區(qū)建立長期定位試驗(yàn)點(diǎn)，設(shè)置了輪作、植煙連作3年和8年三種耕作模式，研究植煙連作對土壤粒徑組分及生化指標(biāo)的影響規(guī)律，試圖從植煙連作對土壤粒徑組分占比影響的角度，為土壤質(zhì)量穩(wěn)定性以及連作障礙機(jī)理研究等方面提供新的視角。

1材料與方法

1.1土樣采集

試驗(yàn)地位于云南省玉溪市紅塔區(qū)高倉街道干海子（E：102°17′32″～102041'37”，N：24°08′30″～24°32′18″），隸屬云貴高原典型紅壤區(qū)，海拔1855 m，屬中亞熱帶濕潤冷冬高原季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.7℃，年降水量700～900 mm，年均日照時(shí)數(shù)2300～2700h，無霜期300d左右。

長期定位試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：2013年，將一整塊典型的紅壤農(nóng)田劃分為3個地塊，并采用不同耕作模式，具體為（1）輪作地塊（CK）：采用“烤煙一小麥_÷玉米一小麥”隔年輪作模式；（2）連作3年地塊（T3）：2013-2018年采用與輪作地塊相同的耕作模式，2019—2021年采用“烤煙—小麥”復(fù)種連作模式；（3）連作8年地塊（T8）：2013年開始采用“烤煙—小麥”復(fù)種連作模式。

2021年9月烤煙收獲后，按五點(diǎn)取樣法采集植煙土壤0～20cm土層土壤1 kg，去除殘根和地表凋落物后裝入自封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室后自然風(fēng)干，用于測定土壤粒徑組分、養(yǎng)分含量和酶活性。

1.2測定項(xiàng)目及方法

1.2.1土壤粒徑組分測定 土壤粒徑組分采用比重計(jì)法測定。

1.2.2土壤pH值及養(yǎng)分含量測定 土壤pH值采用土壤pH測定儀測定。全氮含量采用凱氏定氮法測定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用火焰光度計(jì)法測定，水解性氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定，有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用原子吸收分光光度計(jì)法測定，陽離子交換總量采用乙酸銨交換法測定。

1.2.3 土壤酶活性測定 過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，脲酶活性采用苯甲酸-次氯酸鈉比色法測定。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2021和SPSS 26.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)分析及圖表制作，采用Duncan’s法進(jìn)行單因素差異顯著性分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同連作年限對土壤粒徑組分的影響

由表1可知，與CK相比，連作植煙土壤中黏粒（粒徑lt;0.002 mm）、粉砂粒（粒徑0.002～0.02mm）和砂粒（粒徑0.02～2 mm）占比隨連作年限不同而發(fā)生變化。

T3、T8處理土壤的黏粒占比較CK分別升高6.12%、19.21%，粉砂粒分別降低10.38%、21.71%，砂粒分別降低3.41%、14.87%，且均表現(xiàn)為T3與CK差異不顯著而T8與CK差異顯著。

根據(jù)土壤粒徑成分變異強(qiáng)度三級評價(jià)法標(biāo)準(zhǔn)：CVlt;10%為弱變異，10%≤CV≤300/0為中等變異，CVgt;30%為強(qiáng)變異。T3處理土壤的粒徑組分處于弱變異狀態(tài)，T8處理土壤則達(dá)到中等變異狀態(tài)。

2.2不同連作年限對土壤化學(xué)特性的影響

由表2可以看出，植煙紅壤pH值為4.90～5.95，整體均在酸性范圍內(nèi)，且隨著連作年限延長pH值呈下降趨勢。相較于CK，T8處理土壤的pH值顯著下降，降幅達(dá)17.65%。連作導(dǎo)致土壤養(yǎng)分整體呈下降趨勢，相較CK，T3處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解性氮、全磷、有效磷及速效鉀含量均顯著下降：而隨著連作年限延長，除T8處理土壤速效鉀含量較T3處理顯著下降外，其余指標(biāo)變化均未達(dá)顯著水平：土壤全鉀含量各處理間無顯著性差異，其含量變化范圍為6.44～7.63g/kg。T3處理土壤的陽離子交換總量與CK差異不顯著.T8處理則較CK顯著下降，降幅達(dá)38.84%。

2.3不同連作年限對土壤酶活性的影響

由表3可知，隨連作年限延長，土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性呈下降趨勢。其中，蔗糖酶活性降幅較大，處理間差異顯著，T3、T8處理較CK分別降低33.93%、68.01%;T8處理土壤過氧化氫酶活性較CK顯著降低，降幅達(dá)10.87%，T3處理與CK差異不顯著。T3、T8處理土壤脲酶活性均顯著高于CK，分別高出69.91%、61.36%。

2.4不同連作年限下土壤粒徑組分與化學(xué)指標(biāo)、酶活性的相關(guān)性分析

由表4可知，土壤黏粒占比與土壤pH值、全氮、全鉀、速效鉀含量、陽離子交換總量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤全磷、有效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)，但未達(dá)顯著水平；粉砂粒占比與土壤速效鉀含量、陽離子交換總量呈極顯著正相關(guān)，與水解性氮含量呈正相關(guān)，但未達(dá)顯著水平，與其余6項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)；土壤砂粒占比與土壤全氮、全磷、全鉀、速效鉀含量、pH值、陽離子交換總量呈顯著正相關(guān)，與土壤有機(jī)質(zhì)、水解性氮、有效磷含量呈正相關(guān)，但均未達(dá)顯著水平。

土壤黏粒占比與土壤過氧化氫酶、蔗糖酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤脲酶活性呈正相關(guān)，但未達(dá)顯著水平；土壤粉砂粒占比與土壤過氧化氫酶、蔗糖酶活性呈極顯著正相關(guān)，與脲酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤砂粒占比與土壤蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)，與土壤過氧化氫酶活性呈正相關(guān)，與土壤蔗糖酶活性呈負(fù)相關(guān)，但均未達(dá)顯著水平。

2.5不同連作年限下土壤化學(xué)指標(biāo)與酶活性的相關(guān)性分析

由表5可知，土壤過氧化氫酶活性與土壤全鉀、速效鉀含量、陽離子交換總量呈極顯著正相關(guān)，與土壤pH值和全氮、全磷含量呈顯著正相關(guān)；土壤脲酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解性氮、全磷、速效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤蔗糖酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀含量及pH值、陽離子交換總量呈極顯著正相關(guān)。其余指標(biāo)間的相關(guān)性均未達(dá)顯著水平。

2.6不同連作年限下土壤粒徑組分與生化指標(biāo)的逐步回歸分析

以土壤化學(xué)特性為因變量，土壤粒徑占比為自變量，進(jìn)行逐步回歸分析，排除無關(guān)變量后，得到關(guān)于土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效鉀含量及土壤pH值、陽離子交換總量和土壤過氧化氫酶、蔗糖酶活性的偏回歸方程（表6）。

土壤pH值及全氮、全磷、全鉀含量的變化主要受到黏粒占比的影響，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)分別為-0.855、-0.815、-0.797、-0.865，表明黏粒占比對這四個土壤性狀均有顯著抑制作用；土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量和過氧化氫酶活性則主要受到粉砂粒占比的影響，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)分別為0.763、0.859和0.850，表明粉砂粒占比對此三個土壤性狀有顯著促進(jìn)作用：土壤陽離子交換總量與土壤蔗糖酶活性主要受到黏粒和粉砂粒的共同影響，黏粒、粉砂粒對陽離子交換總量及蔗糖酶活性的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)分別為-0.520、0.503和0.339、0.760，決定系數(shù)分別為0.880、0.937，表明粉砂粒和黏粒含量占比可以解釋陽離子交換總量變化的88.0、蔗糖酶活性變化的93.7%。

3討論

土壤粒徑組分的變化是土地質(zhì)量變化過程中最常見且較具有代表性的現(xiàn)象。根據(jù)土壤粒徑組分的變化和差異特征，可以判斷土地質(zhì)量退化的強(qiáng)弱和發(fā)展強(qiáng)度。本研究結(jié)果表明，隨著連作年限增加，黏粒占比明顯增加，而粉砂粒和砂粒占比明顯下降。其原因可能是，長期連作下的單一肥料施用會加速黏粒礦物的風(fēng)化速度，長期定位試驗(yàn)用肥為煙草專用復(fù)合肥，每年投入的養(yǎng)分種類、比例和數(shù)量一致，從而加速黏土礦物的風(fēng)化：長期施用化肥還會改變土壤黏粒級復(fù)合體表面性質(zhì)，致使土壤酸化趨勢加快，土壤陽離子交換總量降低。本研究結(jié)果顯示，土壤pH值、陽離子交換總量與黏粒占比呈極顯著負(fù)相關(guān)，但與砂粒和粉砂粒占比呈顯著或極顯著正相關(guān)，這與前人研究結(jié)果一致。表明施肥導(dǎo)致的土壤粒徑占比改變可能是土壤酸化加劇、肥力降低的一個重要原因。

連作土壤養(yǎng)分雖在輪作處理間存在顯著差異，但其整體并未隨連作年限延長而顯著下降，說明短期連作（8年內(nèi)）對土壤養(yǎng)分的改變效應(yīng)有限?？赡茉?yàn)椋哼B作對土壤養(yǎng)分的影響效應(yīng)存在閾值，當(dāng)連作超過一定年限打破土壤養(yǎng)分閾值時(shí)才會導(dǎo)致養(yǎng)分明顯失衡；另一方面，隨著連作年限延長，煙株吸收能力下降，也會引起養(yǎng)分在土壤中的滯留。

土壤養(yǎng)分含量與土壤酶活性存在相關(guān)性。本研究結(jié)果表明，土壤蔗糖酶、過氧化氫酶活性與土壤全鉀、速效鉀含量及陽離子交換總量呈極顯著正相關(guān)，而與土壤黏粒占比呈極顯著負(fù)相關(guān)。該結(jié)果與Busto等得出的土壤中的黏粒能與土壤酶結(jié)合形成土壤復(fù)合體提高酶活性的結(jié)論不一致，這可能是由于紅壤本身質(zhì)地偏黏，因而透水透氣性相對較差，導(dǎo)致土壤微生物呼吸強(qiáng)度減弱，從而降低土壤酶活性。脲酶活性與粉砂粒占比呈顯著負(fù)相關(guān)，可能與程昊等提出的粉砂粒與土壤可蝕性呈顯著正相關(guān)有關(guān)，且有研究表明，土壤侵蝕將導(dǎo)致土壤生物活性降低和結(jié)構(gòu)退化，并制約土地肥力提升、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和環(huán)境質(zhì)量改善。

4結(jié)論

連作導(dǎo)致土壤的不同粒徑組分占比發(fā)生變化，隨著連作年限延長，砂粒、粉砂粒占比逐漸下降，黏粒占比逐漸增加，即整體呈現(xiàn)向更小粒徑占比增加的變異趨勢。連作導(dǎo)致植煙紅壤呈酸化趨勢，土壤養(yǎng)分含量以及蔗糖酶、過氧化氫酶活性隨連作年限延長及不同粒徑占比的改變均呈現(xiàn)出一定程度的下降，而脲酶活性則有所上升。逐步回歸分析結(jié)果顯示，黏粒占比對土壤pH值及全氮、全磷、全鉀含量有極顯著抑制作用；粉砂粒占比對土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量及陽離子交換總量和過氧化氫酶、蔗糖酶活性有顯著或極顯著促進(jìn)作用。與輪作（CK）相比，連作導(dǎo)致植煙紅壤的黏粒占比上升，降低了土壤的通透性，從而影響土壤養(yǎng)分礦化和酶活性。