劉勇軍 ，彭曙光，肖艷松，向鵬華，唐春閨，周清明，黎娟*

1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙市芙蓉區(qū)農(nóng)大路1號(hào) 410128；2 湖南省煙草科學(xué)研究所，長沙市芙蓉南路1段628號(hào) 410004；3 湖南省煙草公司郴州市公司，郴州市北湖區(qū)三元路7號(hào) 423000；4 湖南省煙草公司衡陽市公司，衡陽市延安路8號(hào) 421000；5 湖南省煙草公司長沙市公司，長沙市勞動(dòng)?xùn)|路359號(hào) 410011

土壤團(tuán)聚體作為衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，不僅決定土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還與土壤理化性質(zhì)、固碳潛力和抗蝕能力等有著直接聯(lián)系[1]。團(tuán)聚體的形成是土壤中生物和非生物因素共同作用的結(jié)果[2]，其中土壤有機(jī)碳在團(tuán)聚體形成過程中扮演著重要角色，并且影響團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[3]。同時(shí)，團(tuán)聚體是土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存場(chǎng)所，在團(tuán)聚體形成后能夠?qū)τ袡C(jī)碳起到保護(hù)作用[4]。張世祺等[5]研究發(fā)現(xiàn)，團(tuán)聚體與土壤有機(jī)碳兩者關(guān)系密切，隨種植年限的增加有機(jī)碳含量呈下降的趨勢(shì)，并且影響團(tuán)聚體的水穩(wěn)性。曹偉等[6]研究表明，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮主要富集在小粒徑團(tuán)聚體中，坡地土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性受碳、氮的共同作用，并且土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性受C/N 顯著影響。土壤碳氮比是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，它的演變趨勢(shì)對(duì)土壤碳、氮循環(huán)有重要影響[7]。研究表明[8]，過高或過低的土壤碳氮比不利于烤煙的碳氮代謝，影響煙葉的品質(zhì)。因此，適宜的土壤碳氮比和穩(wěn)定的團(tuán)聚體對(duì)植煙土壤質(zhì)量的提升，顯得尤為重要。湖南煙區(qū)烤煙種植模式以煙稻輪作為主，長期犁翻土壤導(dǎo)致耕層土壤質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[9]。前人對(duì)土壤團(tuán)聚體的研究雖然較多，但針對(duì)湖南煙稻輪作區(qū)土壤碳氮比與團(tuán)聚體的研究則鮮有報(bào)道。鑒于此，本研究基于田間調(diào)查取樣，研究不同土層不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量的分布特征和穩(wěn)定性，探討了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與碳氮比的關(guān)系，旨在為深入了解植煙土壤結(jié)構(gòu)特征，為湖南煙稻輪作區(qū)合理耕層的構(gòu)建，為指導(dǎo)當(dāng)?shù)責(zé)焻^(qū)優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

于2017 年水稻收獲后，在湖南郴州、衡陽和長沙3 個(gè)煙稻輪作區(qū)，每個(gè)地區(qū)選取10 塊田，每塊田土壤質(zhì)地均為壤質(zhì)砂土。每塊田采用多點(diǎn)取樣法，取樣采用50 cm 土柱取樣器，每個(gè)土柱分成0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 和40～50 cm共5 個(gè)土層，共計(jì)150 個(gè)土壤樣品。樣品分布情況為：郴州嘉禾縣普滿鄉(xiāng)5 個(gè)，桂陽縣和平鎮(zhèn)20 個(gè)，桂陽縣仁義鎮(zhèn)15 個(gè)，桂陽縣雷坪鎮(zhèn)10 個(gè)，共50 個(gè)；衡陽市耒陽縣導(dǎo)子鎮(zhèn)15 個(gè)，耒陽縣竹市鎮(zhèn)5 個(gè)，耒陽縣東湖圩鎮(zhèn)5 個(gè)，耒陽縣馬水鎮(zhèn)15 個(gè)，耒陽縣哲橋鎮(zhèn)5 個(gè) ，耒陽縣壇下鄉(xiāng)5 個(gè)，共50 個(gè)；長沙瀏陽市永安鎮(zhèn)15 個(gè)，瀏陽市北盛鎮(zhèn)10 個(gè)，瀏陽市沙市鎮(zhèn)10 個(gè)，瀏陽市淳口鎮(zhèn)5 個(gè)，瀏陽市官渡鎮(zhèn)10 個(gè)，共50 個(gè)。

1.2 測(cè)定方法

土壤團(tuán)聚體百分比含量參照文獻(xiàn)[10]測(cè)定，采用濕篩法將團(tuán)聚體分為＞1 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、0.053～0.25 mm 和＜0.053 mm 共5 個(gè)粒級(jí)。土壤有機(jī)碳（SOC）采用重鉻酸鉀法檢測(cè)，全氮（TN）含量采用凱式定氮法檢測(cè)[11]，碳氮比（C/N）指土壤有機(jī)碳與全氮含量的比值。

1.3 計(jì)算方法

平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（R0.25）和分形維數(shù)（FD）參照文獻(xiàn)[12]計(jì)算：

式中：di為i 粒級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑；Wi為di相對(duì)應(yīng)的粒級(jí)團(tuán)聚體占總重的百分含量；MT＞0.25為粒級(jí)＞0.25 mm 團(tuán)聚體重量，MT為團(tuán)聚體總重量。dmax為團(tuán)聚體的最大粒徑；Mw≤di為粒徑小于di 的團(tuán)聚體重量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 24.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，方差分析采用鄧肯氏新復(fù)極差法（SSR），相關(guān)分析采用Pearson雙尾檢測(cè)，運(yùn)用Origin 2018 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖南煙稻輪作區(qū)土壤團(tuán)聚體和碳氮比統(tǒng)計(jì)分析

由表1 可知，湖南省煙稻輪作區(qū)不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體差異較大，其中＞1.00 mm 粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體含量最高，為64.47%，說明湖南煙稻輪作區(qū)以＞1.00 mm 粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體為主；0.25～0.50 mm 和0.053～0.25 mm 的土壤團(tuán)聚體變異系數(shù)大于100%，說明樣本之間離散程度較大，屬重度變異。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)中分形維數(shù)FD 的均值為2.70，變異系數(shù)為2.04%，說明樣本之間分布較集中，屬弱變異。土壤碳氮比均值為9.66，變幅在3.69～14.06之間，偏度和峰度的值在-1.00～1.00 之間，分布形態(tài)接近正態(tài)分布[13]，變異系數(shù)為22.40%，屬中度變異。

2.2 湖南煙稻輪作區(qū)土壤團(tuán)聚體分布情況

由表2 可知，不同土層不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚含量呈顯著差異，從不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量來看，各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量從高到低依次為＞1 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、＜0.053 mm、0.053～0.25 mm；其中＞1 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體在不同地區(qū)間分布基本相同，以0～10 cm 和10～20 cm 土層的團(tuán)聚體含量較大，顯著高于30～40 cm 和40～50 cm 土層；而0.5～1 mm、0.25～0.5 mm 和0.053～0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量則以30～40 cm 和40～50 cm 土層較高，0～10 cm 和10～20 cm 土層較低；＜0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量除衡陽地區(qū)外，均以30～40 cm 和40～50 cm 土層較高，以0～10 cm 和10～20 cm 土層較低。從不同土層深度來看，20～30 cm 土層土壤團(tuán)聚體含量介于0～20 cm 和30～50 cm 土層之間，說明20～30 cm 土層在不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體百分比含量大小轉(zhuǎn)變的過程中，起到了過渡作用。

表1 湖南煙稻輪作區(qū)土壤團(tuán)聚體和碳氮比描述性統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Descriptive statistics of soil aggregates and C/N in rice-tobacco rotation area of Hunan province

表2 不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量Tab. 2 Content of soil aggregates with different size fraction

2.3 湖南煙稻輪作區(qū)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)分析

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)和物理性狀的重要指標(biāo)[14]。由表3 可知，不同土層土壤團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（R0.25）和分形維數(shù)（FD）呈顯著差異。不同煙稻輪作區(qū)間變化趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)為隨著土層深度的增加，MWD、GMD 和R0.25呈下降趨勢(shì)，F(xiàn)D 呈上升趨勢(shì)。郴州、衡陽和長沙煙稻輪作 區(qū)0～10 cm 土 層MWD 比40～50 cm 土 層 分 別 高出31.68%（P＜0.01）、34.00%（P＜0.01） 和59.72%（P＜0.05）；郴州、衡陽和長沙煙稻輪作區(qū)10～20 cm 土 層GMD 比40～50 cm 土 層 分 別 高 出61.64%（P＜0.01）、40.26%（P＜0.05）和82.00%（P＜0.01）；郴州、衡陽和長沙煙稻輪作區(qū)10～20 cm 土層R0.25比40～50 cm 土 層 分 別 高 出9.30%（P＜0.01）、8.24%（P＜0.05）和25.00%（P＜0.01）；郴州、衡陽和長沙煙稻輪作區(qū)40～50 cm 土層FD 比0～10 cm 土層分別高出1.87%（P＜0.05）、2.65%（P＜0.01）和1.48%（P＜0.05）。一般來說，MWD、GMD 和R0.25越大，F(xiàn)D 越小，土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定[15]。從不同煙稻輪作區(qū)來看，郴州和衡陽的土壤穩(wěn)定性指數(shù)較為接近，而長沙的MWD、GMD 和R0.25相對(duì)較低，F(xiàn)D 相對(duì)較高，表明郴州和衡陽煙稻輪作區(qū)的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性較優(yōu)于長沙煙稻輪作區(qū)。

表3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)分析Tab. 3 Stability index analysis of soil aggregates

2.4 湖南煙稻輪作區(qū)碳氮比分布特征

從圖1 可以看出，湖南煙稻輪作區(qū)有機(jī)碳和全氮含量在不同土層呈顯著差異，且隨土層的加深，呈下降趨勢(shì)。郴州、衡陽和長沙煙稻輪作區(qū)0～10 cm 土層的有機(jī)碳含量分別比40～50 cm 土層高出134.64%、93.69%和205.44%，均達(dá)顯著差異（P＜0.01）；郴州、衡陽和長沙煙稻輪作區(qū)0～10 cm 土層的全氮含量分別比40～50 cm 土層高出77.69%、52.31%和149.18%，均達(dá)顯著差異（P＜0.01）。湖南煙稻輪作區(qū)碳氮比在不同土層呈顯著差異（圖1-c），且隨著土層的加深，郴州和衡陽煙稻輪作區(qū)碳氮比呈逐漸下降的趨勢(shì)；長沙煙稻輪作區(qū)以0～10 cm 土層碳氮比最高，以20～30 土層最低，兩者相差1.55 倍，達(dá)顯著差異（P＜0.01）。湖南煙稻輪作區(qū)不同土層碳氮比均值在8.48～11.39 之間（圖1-d），總體上隨土層深度的增加，碳氮比呈下降的趨勢(shì)。從10～20 cm 到20～30 cm 土層土壤碳氮比下降幅度最大，為21.52%；因此，提高20～30 cm 土層土壤碳氮比，可改善土層土壤結(jié)構(gòu)，提高植煙土壤肥力。

圖1 湖南煙稻輪作區(qū)不同土層土壤碳氮比比較Fig. 1 Comparison of C/N ratio in different soil layers in rice-tobacco rotation area of Hunan province

2.5 土壤碳氮比與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的相關(guān)分析

通過對(duì)不同土層土壤碳氮比與團(tuán)聚體的相關(guān)分析可知（表4），不同土層土壤全氮、有機(jī)碳和碳氮比與＞1 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），與＜0.053 mm 粒級(jí)土壤團(tuán)聚體不呈顯著相關(guān)，與其他粒級(jí)土壤團(tuán)聚體呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。0～10 cm 土層土壤全氮、有機(jī)碳和碳氮比與MWD 呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與FD 呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；10～20 cm 土層土壤全氮、有機(jī)碳和碳氮比與MWD 呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），與GMD 呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與FD 呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；20～30 cm、30～40 cm 和40～50 cm 土層土壤全氮、有機(jī)碳和碳氮比與MWD、GWD 和R0.25呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），與FD 呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。不同土層土壤碳氮比與土壤穩(wěn)定性指數(shù)的相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)出相似的規(guī)律，隨著土層的加深，相關(guān)系數(shù)呈先升高后下降的趨勢(shì)，都在20～30 cm 土層相關(guān)系數(shù)達(dá)到最高；按照相關(guān)程度大小排序依次為FD ＞ MWD ＞ GWD ＞ R0.25，說明碳氮比與FD 相關(guān)程度最高。

對(duì)湖南煙稻輪作區(qū)150 個(gè)土壤樣品的碳氮比與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)進(jìn)行線性回歸分析可知（圖2），土壤碳氮比與MWD、GMD 和R0.25的回歸方程分別為y=0.16+0.01x、y=-0.07+0.01x 和y=0.59+0.03x，均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P ＜0.01）；土壤碳氮比與分形維數(shù)FD 的回歸方程為y=2.89-0.02x（r2=0.57），呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P ＜0.01）。說明土壤碳氮比與土壤團(tuán)聚體具有緊密聯(lián)系，土壤碳氮比值越高，土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定。因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)是創(chuàng)造團(tuán)聚體的膠結(jié)劑[1]，有機(jī)碳（C）含量越高，越能形成較多地穩(wěn)定性團(tuán)聚體。

表4 不同土層土壤碳氮比與團(tuán)聚體的相關(guān)分析Tab. 4 Correlation analysis of C/N ratio and soil aggregates in different soil layer

圖2 土壤碳氮比與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)的線性回歸分析Fig. 2 Linear regression analysis of C/N ratio and soil aggregate stability index

3 討論

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元[16]，不同土層的團(tuán)聚體含量具有明顯差異[17]。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是反映土壤結(jié)構(gòu)狀況的重要指標(biāo)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體（＞0.25 mm）是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其值越高土壤結(jié)構(gòu)則越穩(wěn)定[18]。本研究表明，R0.25隨土層的加深而下降，且不同土層以＞1 mm 的團(tuán)聚體為主。殷文等[3]研究發(fā)現(xiàn)≥0.25 mm 的團(tuán)聚體隨土層的增加而增加，與本文結(jié)果不一致，一方面可能是所研究的土壤類型不同（水稻土和灌淤土），造成土壤供氮能力的差異[19]，從而使土壤團(tuán)聚體含量發(fā)生變化[10]；另一方面可能是由于兩者耕作措施的不同（傳統(tǒng)耕作和秸稈還田），秸稈還田有利于增加土壤各土層有機(jī)質(zhì)含量，陳曉芬等[20]研究表明水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成主要依靠有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量有利于水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，因此，這可能是造成兩者水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布差異的重要原因。此外，MWD 和GMD 也表現(xiàn)出隨土層增加而下降的規(guī)律，說明湖南煙稻輪作區(qū)土層土壤越深，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差。Pirmoradian 等[21]指出分形維數(shù)比MWD和GMD 更適于表征土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。本研究表明，湖南煙稻輪作區(qū)FD 隨土層的加深而增加，王國梁等[22]研究表明農(nóng)田土壤隨深度的增加，土壤體積分形維數(shù)也隨之增加，與本研究相似。本研究發(fā)現(xiàn)0～10 cm 和10～20 cm 土層的FD 值相近，但與30～40 cm 和40～50 cm 土層的FD 呈顯著差異，說明土層越深土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異越大。因此，湖南煙稻輪作區(qū)需要改善30～40 cm 土層植煙土壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定性，為煙草的根系生長提供良好的環(huán)境。

土壤碳氮比影響烤煙的碳氮代謝和煙葉品質(zhì)[23]。本研究表明：隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)碳和總氮含量呈下降趨勢(shì)，這與前人[3]研究結(jié)果基本一致，可能是由于煙稻輪作區(qū)的土壤養(yǎng)分主要靠施肥來調(diào)控，而肥料對(duì)土壤碳氮的調(diào)節(jié)作用主要集中在可直接接觸的0～20 cm 表層土壤[24]；另外，養(yǎng)分的淋溶流失也是造成不同土層土壤碳、氮含量差異的一個(gè)原因[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同土層碳氮比均值在8.48～11.39 之間，且隨著土層深度的增加，C/N 呈下降趨勢(shì)，以20～30 cm 土層碳氮比下降最為嚴(yán)重。李雪利等[23]通過添加小麥秸稈來調(diào)節(jié)土壤碳氮比的研究指出，土壤C/N 在24～28 之間時(shí)，有利于促進(jìn)烤煙碳氮代謝平衡，協(xié)調(diào)烤后煙葉化學(xué)成分。為此，一方面，可通過減少氮肥的施用來提高土壤碳氮比；因?yàn)闊熑~生產(chǎn)對(duì)氮肥的需求較敏感，以往的生產(chǎn)中普遍對(duì)化肥的用量偏大，且氮肥利用率低，造成土壤中氮素較多[26]。另一方面，可通過增加土壤中的有機(jī)碳含量來提高土壤的碳氮比；前人[27,28]研究表明，減氮運(yùn)籌下增加有機(jī)肥的施用，能夠使有機(jī)碳增加9%～54%，因此施用有機(jī)肥是提高有機(jī)碳含量的一個(gè)重要途徑。

為進(jìn)一步了解土壤碳氮比與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)分析。研究表明，土壤碳氮比與FD 相關(guān)程度最高，說明FD 更能表征湖南煙稻輪作區(qū)土壤碳氮比與團(tuán)聚體的關(guān)系。這可能是由于分形維數(shù)所表達(dá)的意義和功能較其他評(píng)價(jià)指標(biāo)更為合理，不僅能反映質(zhì)地均一程度，還能說明土壤結(jié)構(gòu)和其它物理性質(zhì)[14]。本研究表明，土壤碳氮比越高，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好，且在20～30 cm 土層相關(guān)系數(shù)達(dá)到最高?？梢?，為改善湖南煙稻輪作區(qū)耕層土壤質(zhì)量，應(yīng)從提高不同土層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤碳氮比兩方面同時(shí)出發(fā)。因此，為改進(jìn)煙稻輪作區(qū)耕層土壤結(jié)構(gòu)，建議今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)減氮增碳等綜合耕作措施的研究，這為促進(jìn)湖南煙稻輪作區(qū)煙葉可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路。

4 結(jié)論

湖南煙稻輪作區(qū)不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚含量呈顯著差異，不同土層以＞1.00 mm 粒級(jí)含量最高。不同土層土壤團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（R0.25）和分形維數(shù)（FD）呈顯著差異，且不同煙稻輪作區(qū)間變化趨勢(shì)基本一致，隨土層深度的增加，MWD、GMD 和R0.25呈下降趨勢(shì)，F(xiàn)D 呈上升趨勢(shì)。有機(jī)碳、全氮和C/N 在不同土層呈顯著差異，且隨土層的加深而降低。不同土層碳氮比均值在8.48～11.39 之間，20～30 cm 土層土壤碳氮比下降幅度最大，為21.52%。相關(guān)分析表明，不同土層土壤全氮、有機(jī)碳和碳氮比與＞1 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體呈顯著正相關(guān)；與＜0.053 mm 粒級(jí)土壤團(tuán)聚體不呈顯著相關(guān)，與其他粒級(jí)土壤團(tuán)聚體呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤碳氮比與MWD、GWD 和R0.25呈顯著正相關(guān)關(guān)系；與分形維數(shù)FD 的回歸方程為y=2.89-0.02x（P ＜0.01）。綜上，增加有機(jī)肥的比例，合理控制無機(jī)氮肥的用量，提高20～40 cm 土層土壤的碳氮比，增加該層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，對(duì)于合理的耕層構(gòu)建、促進(jìn)優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)具有重要意義。