龍世平 廖超林 陳山 彭斯文 寧尚輝 楊紅武 祝利 梅光軍 曹明鋒

摘 要：選擇湘西北烤煙和玉米連作兩種典型耕地，分析不同粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳差異及與土壤總有機(jī)碳及其活性組分的關(guān)系。結(jié)果表明，玉米及烤煙連作的土壤，較大的團(tuán)聚體具有較高的有機(jī)碳含量;玉米田土壤有機(jī)碳主要儲(chǔ)存于粒徑>2 mm團(tuán)聚體中，而煙田土壤有機(jī)碳主要儲(chǔ)存于粒徑>2 mm和2～0.25 mm的團(tuán)聚體中;相較于煙田，玉米田土壤大團(tuán)聚體具有較高的有機(jī)碳含量、固碳能力及有機(jī)碳貢獻(xiàn)率;兩種土壤均以粒徑>2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的響應(yīng)最敏感;土壤易氧化有機(jī)碳（EOC）及顆粒有機(jī)碳（POC）均與粒徑>2 mm和2～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率呈顯著或極顯著正相關(guān)。因此，山地?zé)焻^(qū)烤煙和玉米連作田土壤質(zhì)量保育和退化修復(fù)工作均需提升大團(tuán)聚體比例以提高其固碳能力。

關(guān)鍵詞：煙區(qū);耕地;團(tuán)聚體;有機(jī)碳

Abstract： The soils in maize and tobacco succession cropping fields in northwestern Hunan were sampled to analyze the differences of organic carbon in soil aggregates and their relationship with soil organic carbon and its active components. The results showed that， organic carbon contents in soil aggregates of maize and tobacco succession cropping fields increased with the increase of soil aggregate size. Soil organic carbon was mainly stored in >2 mm aggregates in corn succession cropping field （CSCF） and in >2 mm and 2-0.25 mm aggregates in tobacco succession cropping field （TSCF）. Compared to TSCF， the soil aggregates of CSCF had higher organic carbon content， carbon sequestration capacity and contribution rates to soil organic carbon by 0.25-0.053 mm aggregates. In both soils， organic carbon of >2 mm soil aggregates were the most relevant to soil total organic carbon， meanwhile soil labile organic carbon （EOC） and particulate organic carbon （POC） showed significant or extremely significant positive correlation with the contribution rates to soil organic carbon by > 2 mm and 2-0.25 mm aggregates carbon. The results suggested that increasing the proportion of macro-aggregates and their carbon sequestration capacity favor to repair and improve soil quality in CSCF and TSCF in northwestern Hunan.

Keywords： tobacco-growing area; cultivated land; aggregates; organic carbon

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是形成良好土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，在調(diào)節(jié)土壤肥力、維持土地生產(chǎn)力方面具有重要作用[1]。有機(jī)碳作為有機(jī)膠結(jié)物在提高土壤團(tuán)聚能力及團(tuán)聚體穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著重要作用[2]。因此，研究土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳特征有助于了解土壤團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定機(jī)理及土壤質(zhì)量的調(diào)節(jié)機(jī)制。

表層土壤中90%有機(jī)碳位于土壤團(tuán)聚體內(nèi)[3]。然而，不同種植模式土壤的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及分布存在差異[4]。向蕊等[5]指出，相對(duì)于玉米和馬鈴薯單作，玉米馬鈴薯間作增加了土壤大顆粒團(tuán)聚體（>2mm）有機(jī)碳含量;石巖松等[6]認(rèn)為，在棉田土壤中，各粒徑水穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨著連作年限的增加而降低;魏艷春等[7]的研究則表明，糧-草長(zhǎng)周期輪作系統(tǒng)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于糧-豆輪作、玉米連作和小麥連作。因此，種植模式是影響土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳分布的重要因素之一。湘西山區(qū)是湖南集中連片貧困區(qū)，玉米和烤煙是當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物，但迄今尚缺乏玉米及烤煙連作對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳影響的報(bào)道。另外，關(guān)于團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)及相關(guān)性已有較多的報(bào)道[8-9]，但團(tuán)聚體有機(jī)碳與土壤有機(jī)碳活性成分之間的關(guān)系尚有待進(jìn)一步明確。為此，本文選擇湘西北典型玉米及烤煙連作耕地，分析其耕層土壤團(tuán)聚體及團(tuán)聚體有機(jī)碳分布特征，明確團(tuán)聚體有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳及其活性組分之間的關(guān)系，以期為耕地土壤肥力調(diào)控及碳素管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于湖南省常德市石門縣三圣鄉(xiāng)山羊沖村境內(nèi)，地理坐標(biāo)范圍為東經(jīng)112?29′59.58″～ 112?30′4.94″，北緯26?6′28.76″～28?6′39.30″，總面積20.18 km2左右。該區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，多年平均氣溫15～16.9 ℃，年降雨量1300～1500 mm，無(wú)霜期250～280 d。海拔范圍在200～600 m之間，土壤類型以石灰?guī)r紅壤為主;區(qū)內(nèi)光、熱、水資源基本同步，與優(yōu)質(zhì)煙葉生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律較吻合，有利于優(yōu)質(zhì)煙葉生長(zhǎng);在當(dāng)?shù)?，農(nóng)民具有較好的植煙傳統(tǒng)，除此外，主要種植模式還包括玉米連作。

1.2 土樣采集與分析方法

1.2.1 樣品采集與制備 在隨機(jī)調(diào)查農(nóng)戶耕作歷史及習(xí)慣的基礎(chǔ)上，于2019年2月中旬，選擇不同農(nóng)戶長(zhǎng)期烤煙連作和玉米連作的耕地，采集0～20 cm耕層土樣。每一代表樣由同一農(nóng)戶同一種植模式下的3～5個(gè)田塊土樣組成，在同一田塊內(nèi)S形隨機(jī)采集5～8點(diǎn)土樣均勻混合。分別采集到12個(gè)煙田土樣和玉米土樣。

采集的混合土樣輕放于硬質(zhì)塑料盒，保持原狀帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)自然風(fēng)干至土壤含水量達(dá)土壤塑限（約為22%～25%）時(shí)，沿自然縫隙將其掰成10 mm左右的土塊，并挑出礫石、植物殘?bào)w等雜質(zhì)，待自然風(fēng)干后用于土壤團(tuán)聚體及基本理化性狀分析。

1.2.2 分析方法 土壤團(tuán)聚體分離方法在SIX[10]的基礎(chǔ)上稍作修改，采用濕篩法進(jìn)行土壤團(tuán)聚體分組測(cè)定，結(jié)果取5次測(cè)定的平均值。土壤總有機(jī)碳（TOC）含量采用重鉻酸鉀-外加熱法[11]測(cè)定，易氧化有機(jī)碳（EOC）測(cè)定采用333 mmol/L KMnO4氧化，可見分光光度計(jì)565 nm比色[12]，顆粒有機(jī)碳（POC）組分提取和測(cè)定參考周萍等[13]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率 某粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率（%）計(jì)算公式如下[14]：

式中：為第i級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，%;為第i級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，g/kg;為第i級(jí)團(tuán)聚體百分含量，%;土壤有機(jī)碳含量，g/kg。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析 所有數(shù)據(jù)應(yīng)用Microsoft Excel 2016和IBM Statistics SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）比較處理間差異，LSD法檢驗(yàn)差異顯著性（p<0.05），Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié) 果

2.1 團(tuán)聚體及團(tuán)聚體有機(jī)碳分布

玉米和烤煙連作下土壤團(tuán)聚體粒徑分布見表1。兩類耕地均以粒徑>2 mm團(tuán)聚體為主，含量分別介于47.63%～49.27%和32.09%～40.13%，平均分別為48.81%和37.14%;其中玉米田>2 mm和2～0.25 mm的大團(tuán)聚體含量均高于煙田相應(yīng)粒級(jí)團(tuán)聚體，而0.25～0.053 mm及<0.053 mm的微團(tuán)聚體含量低于煙田。

兩種種植模式下團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯示（表2），玉米田不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量由高到低依次為>2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm、<0.053 mm，且各粒徑團(tuán)聚體間差異顯著。煙田土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量除粒徑2～0.25 mm和0.25～0.053 mm團(tuán)聚體間差異不明顯外，粒徑>2 mm團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量顯著高于其他3個(gè)粒徑團(tuán)聚體，且2～0.25 mm和0.25～0.053 mm團(tuán)聚體顯著高于<0.053 mm團(tuán)聚體。兩種種植模式整體表現(xiàn)出較大的團(tuán)聚體具有較高的有機(jī)碳含量。兩種模式間同一粒級(jí)團(tuán)聚體，玉米田>2 mm、2～0.25 mm和0.25～0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均顯著高于煙田相應(yīng)粒級(jí)團(tuán)聚體。從變異系數(shù)看，玉米田>2 mm和2～0.25 mm大團(tuán)聚體有機(jī)碳的變異系數(shù)高于煙田，而0.25～0.053 mm和<0.053 mm微團(tuán)聚體有機(jī)碳則相反。

2.2 團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

由表3可以看出，玉米田>2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)TOC貢獻(xiàn)率最高，為51.28%～56.27%，平均為53.67%，顯著高于其他粒徑團(tuán)聚體，說(shuō)明玉米田土壤有機(jī)碳主要儲(chǔ)存于>2 mm團(tuán)聚體中。煙田>2 mm及2～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)TOC的貢獻(xiàn)率分別為42.43%～48.64%和14.88%～24.08%，平均分別為45.90%和21.55%，兩者共計(jì)占67.45%，表明煙田土壤有機(jī)碳主要儲(chǔ)存于>0.25 mm團(tuán)聚體中。比較兩種模式間同一粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，玉米田>0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均顯著高于煙田相應(yīng)粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。從變異系數(shù)看，玉米田>0.25 mm的團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的變異系數(shù)低于煙田，而0.25～0.053 mm和<0.053 mm微團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率相反。

2.3 土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳組分含量

玉米田和煙田土壤總有機(jī)碳及活性有機(jī)碳組分含量存在差異（表4），玉米田TOC及POC含量分別介于18.40～35.29和6.89～10.54 g/kg之間，均值分別為26.39和8.33 g/kg，均顯著高于煙田，但EOC含量與煙田差異不顯著。

2.4 土壤總有機(jī)碳和活性組分與團(tuán)聚體有機(jī)碳及其貢獻(xiàn)率的關(guān)系

從圖1來(lái)看。玉米田和煙田的土壤總有機(jī)碳含量與各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤總有機(jī)碳含量與不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的相關(guān)系數(shù)由大到小排序均表現(xiàn)為：>2 mm，2～0.25 mm，0.25～0.053 mm，<0.053 mm。說(shuō)明兩種種植模式中，大粒徑團(tuán)聚體（>2 mm）有機(jī)碳含量是決定土壤總有碳的部分。此外，玉米田和煙田土壤TOC、EOC、POC均與粒徑>2 mm和2～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系（表5），而與0.25～0.053 mm及<0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。

3 討 論

3.1 兩種種植模式土壤團(tuán)聚體分布

土壤團(tuán)聚體是土壤中各種養(yǎng)分的貯藏庫(kù)和微生物的生存場(chǎng)所，是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)[15]。粒徑>0.25 mm團(tuán)聚體數(shù)量通?？梢杂脕?lái)判別土壤結(jié)構(gòu)的好壞，其含量越高，表明土壤抗分散能力越好，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[16]。湘西北煙區(qū)玉米田粒徑>0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量高于煙田，說(shuō)明玉米田土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好于煙田。其原因可能是煙田翻耕以機(jī)耕為主，且化肥常過(guò)量施用，導(dǎo)致土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破壞，而玉米地以人力翻耕和施用農(nóng)家肥為主，對(duì)團(tuán)聚體破壞性較弱。

3.2 兩種種植模式土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳比較

從團(tuán)聚體有機(jī)碳分布來(lái)看，本研究中不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量之間存在差異，且較大粒徑團(tuán)聚體具有相對(duì)更高的有機(jī)碳含量，這與譚文峰[17]的研究結(jié)果一致。由于不同有機(jī)物料在土壤中的分解速率和殘留量存在差異及碳輸入水平不同，導(dǎo)致不同粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳的儲(chǔ)量存在差異[18]。大團(tuán)聚體由新鮮植物殘?bào)w、細(xì)顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)和微團(tuán)聚體組成[19]，因此較大的團(tuán)聚體含有較高的有機(jī)碳量。在本研究中，相比煙田土壤，在相應(yīng)粒徑團(tuán)聚體中，玉米田團(tuán)聚體具有更高的有機(jī)碳含量，且玉米田中>2 mm和2～0.25 mm土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率也高于煙田，而大粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳是貢獻(xiàn)土壤總有機(jī)碳的主要部分（圖1），綜合以上，說(shuō)明玉米田土壤較煙田具有更高的固碳能力。此外，玉米田>2 mm和2～0.25 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的變異系數(shù)高于煙田，而0.25～0.053 mm和<0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳相反，這種差異暗示湘西北玉米田及煙田土壤有機(jī)碳在不同粒級(jí)團(tuán)聚體中轉(zhuǎn)化過(guò)程以及土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳保護(hù)能力存在差異，其機(jī)制有待深入研究。

3.3 兩種種植模式土壤有機(jī)碳組分的差異

湘西北煙區(qū)玉米田因具有較高的大團(tuán)聚體含量，輸入的有機(jī)碳受團(tuán)聚體物理保護(hù)作用的有機(jī)碳比例較高，礦化分解的比例相對(duì)較低;同時(shí)，團(tuán)聚體物理保護(hù)的有機(jī)碳以顆粒有機(jī)碳為主，因此玉米田的TOC和POC含量顯著高于煙田。而EOC主要為輸入的新鮮有機(jī)物、植物根系及分泌物、微生物有機(jī)碳等易分解氧化部分，具有對(duì)環(huán)境反映敏感、易礦化分解和周轉(zhuǎn)速度快等特征[20]，雖然玉米及煙田土壤中新輸入的有機(jī)碳量存在差異，但EOC因易礦化分解而消耗，因而EOC差異不明顯。

3.4 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及貢獻(xiàn)率與土壤總有機(jī)碳及其組分的關(guān)系

土壤有機(jī)碳作為團(tuán)聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)促進(jìn)團(tuán)聚體的團(tuán)聚和形成，同時(shí)團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳具有物理保護(hù)作用[21]。依據(jù)土壤總有機(jī)碳含量與團(tuán)聚體有機(jī)碳的相關(guān)系數(shù)，兩種土壤均以>2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的響應(yīng)最敏感，其次為2～0.25 mm;0.25～0.053 mm和<0.053 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率與土壤TOC沒有顯著相關(guān)關(guān)系。其結(jié)果與李景等[22]、王浩等[23]結(jié)果一致。ELLIOTT等[24]和PUGET等[25]認(rèn)為，新鮮有機(jī)碳主要向大團(tuán)聚體富集，更容易礦化，而微團(tuán)聚體中的有機(jī)碳則大多是高度腐殖化的惰性組分，因此>2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳響應(yīng)敏感，而<0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳最不敏感。兩種土壤>2 mm和2～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均與EOC及POC呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明EOC和POC隨>0.25 mm大團(tuán)聚體形成和破壞而增減。有機(jī)碳活性組分主要為易分解礦化的有機(jī)碳，是新輸入有機(jī)碳的重要組成部分，主要被>0.25 mm的大團(tuán)聚體所固定而受物理保護(hù)[2]，從而與>0.25 mm大團(tuán)聚體含量正相關(guān)。其結(jié)果一定程度上也印證了團(tuán)聚體物理保護(hù)理論和>0.25 mm大團(tuán)聚體保護(hù)的主要為易分解礦化有機(jī)碳的說(shuō)法[26]。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，湘西北煙田與玉米田均表現(xiàn)出較大粒徑團(tuán)聚體具有較高的有機(jī)碳含量，但玉米田具有相對(duì)較高的固碳能力;煙田和玉米田均以粒徑>2 mm土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的響應(yīng)最敏感;兩種種植模式的土壤EOC及POC均與粒徑>2 mm和2～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，粒徑>0.25 mm大團(tuán)聚體與土壤有機(jī)碳活性關(guān)系密切。提升大團(tuán)聚體比例及其固碳能力對(duì)湘西山地?zé)焻^(qū)土壤質(zhì)量保育和退化修復(fù)具有積極作用。

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