种植年限对植烟土壤团聚体组成与稳定性的影响

王 珊，毛 玲，廖 浩，蔡 华，孙文攀，陈良丹

(1.内江师范学院地理与资源科学学院，四川 内江 641199；2重庆师范大学 地理与旅游学院，重庆 400047)



种植年限对植烟土壤团聚体组成与稳定性的影响

王 珊1，毛 玲2，廖 浩1，蔡 华1，孙文攀1，陈良丹1

(1.内江师范学院地理与资源科学学院，四川 内江 641199；2重庆师范大学 地理与旅游学院，重庆 400047)

【目的】揭示不同植烟年限土壤团聚体的分布特征和稳定性，探明烟草种植对土壤结构变化的影响。【方法】以冕宁县长期植烟区域土壤为研究对象，研究种植年限在3年以下、4～6年及7年以上土壤团聚体的粒级组成、机械稳定性、水稳定性、分行维数和结构破坏率的变化。【结果】①植烟土壤机械稳定性团聚体以>0.25 mm的土壤大团聚体含量最高，所占比例在75.85 %～83.56 %。随植烟年限的延长，土壤机械稳定性团聚体组成逐渐呈均质化态势，这种变化主要影响到5～2和2～1 mm 2个粒级。②植烟土壤水稳性团聚体组成均以<0.25 mm的微团聚体为优势级别，随植烟年限的延长，土壤水稳性团聚体变化较非水稳性团聚体变化更快，尤其以>5 mm的粒径变化最为显著。③在种植初期(<3年)，土壤水稳性团聚体平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)最大，分形维数(D)、结构破坏率(PAD)最小，土壤团聚体稳定性最好，随种植年限的增加，MWD、GMD降低，D、PAD增大。【结论】种植年限对土壤团聚体的组成影响不大，但影响其稳定性。长期种植烟草会使土壤团聚体的水力学稳定性变差，减弱土壤的抗蚀性。

烟草；种植年限；土壤团聚体状况； 团聚体稳定性

安宁河谷位于长江上游，北通成都、南接云贵、连接成渝经济区和东盟自由贸易区的安宁河谷是四川省内仅次于成都的第二大平原，区域内自然条件优越、人口和城镇分布密集，形成了以烤烟、蚕桑、花卉、蔬菜、畜禽等为代表的特色农业，是国家和省农业综合开发的重点地区。区域内拥有良好的生态气候环境，所产烟叶可与世界最好的津巴布韦烟叶媲美，是国家优质烟叶、储备烟叶和出口烟叶的重要基地[1]。从2013年,该区域着手规划特色烟叶的开发,计划用5年的时间打造“山地原生态知名品牌”，并建成全国最大的打叶复烤加工基地和膨胀烟丝出口基地。受传统种植习惯、土地资源稀缺等因素的影响，烟草种植大多采用连作的方式，一则烟草对该区域生态环境适应快,二来具有较高经济效益，同时这种种植方式又充分利用了土地、气候等自然资源，短期内即能产生较好的经济和社会效益，因此十分普遍。但长期连作也会出现多种弊端，如烟叶病害加重、中上等级烟叶减产、土壤营养元素流失、土壤菌落发生变化等，既而对烟叶品质及土壤生态环境产生影响。缩短连作时间及减轻连作带来的危害，对保护该地区土壤的生态环境及“全面建成山地原生态特色烟区”具有重要意义。

土壤团聚体指土壤中大小、形状不一、具有不同孔隙度和机械稳定性、水稳定性的结构单位，是土壤结构的基本单元和土壤物质、能量转化的场所，影响着土壤的水、肥、气、热等状况，是评价土壤肥力的重要指标。土壤团聚体的组成和性质是决定土壤侵蚀、压实、板结等物理过程的关键指标之一，其稳定性可以表征土壤生态的变化[2-8]。目前关于植烟土壤的研究主要集中在养分、微生物、酶活性、重金属等方面[9-11]，而对于连作下土壤团聚体的研究较少。本研究以不同种植年限植烟土壤为研究对象，分析土壤团聚体的组成和稳定性，探讨种植年限对土壤团聚体特征的影响，以期为植烟区土壤的生态保护与可持续利用、防止土壤质量退化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

冕宁县位于安宁河谷地区北部，也是安宁河的发源地，地理坐标为东经101°39＇44＇，北纬28°25＇5″～29°4＇42″，海拔1200～1900 m，多年平均降水量1015 mm，年平均温度13.8 ℃，年日照时数2008 h，无霜期235 d，>10 ℃的积温为3800 ℃，属于亚热带季风气候。该区域具有低纬度、高海拔、气候温和、雨热同期、雨量充沛、日照充足等明显等特点，地带性植被为亚热带常绿阔叶林，地势以低山平坝为主，成土母质以壤质冲积物、砾质洪积物为主。烟草种植品种主要为红花大金元。

1.2 土样的采集

根据前期调查结果，选择了自然生态条件相同、施肥情况较为一致、种植年限在3年以下、4～6年以及7年以上的烟田进行采样，于2013年8月，按0～20 cm在每个年限范围内烟田采集原状土样。土样运回室内，在阴凉处自然风干，风干过程中沿团聚体间自然裂隙掰分成直径1cm左右的小土块，剔除植物残体，待充分风干后一部分用于土壤团聚体测定，另一部分磨细备用。

1.3 研究方法

土壤团聚体分为机械稳定性和水稳定性2种，其中机械稳定性团聚体组成用干筛法测定[12]，水稳定性团聚体组成用湿筛法测定[12]。

1.4 指标计算及数据处理

土壤团聚体平均质量直径：

式中：MWD为团聚体平均质量直径(mm)，Xi为任一级别范围内团聚体的平均直径(mm),Wi为对应Xi的团聚体百分含量。

几何平均直径：

GMD=exp[∑XiWi/m]

式中：GMD为团聚体几何平均直径(mm),Xi为任一级别范围内团聚体的平均直径(mm)，Wi为对应于Xi的团聚体百分含量，m为样品总重量。

土壤团聚体分散度(PAD)：

PAD=(Md-Mw)/Md×100 %

式中：Md和Mw分别为大于0.25 mm干筛和湿筛团聚体质量分数。

土壤质量分形模型

式中：Di为相邻两筛分粒级的粒径平均值(mm)；Dmax为最大土粒的粒径(mm);Mi为粒径小于Di的累积土粒质量(kg)；Mmax为各粒级质量的总和(kg)；D为分形维数。

1.5 数据统计分析

全部数据使用Excel2003和SPSS17.0软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植年限植烟土壤中团聚体的粒径分布

2.1.1 机械稳定性团聚体的粒径分布特征 通过干筛法得到不同种植年限植烟土壤机械稳定性团聚体分布特征。由表1可知，植烟土壤以>0.25 mm粒径的团聚体含量最高，所占比例在75.85 %～83.56 %，大团聚体组成以5～1 mm粒径为主，其次是1～0.25 mm和>5 mm。不同种植年限下，土壤团聚体变化不一致，种植年限在3年以下和4～6年的土壤中，团聚体组成总体上随粒径的减小呈W型分布特点；在种植年限超过7年的土壤中，则表现为N型。

表1 植烟土壤机械稳定性团聚体组成

注：不同小写字母表示相同种植年限下不同级别团聚体含量差异显著，上标字母表示不同种植年限下相同级别团聚体含量差异显著(P<0.05)。 Note: Different lowercase letters and superscript letters indicate significant difference at 5 % level in content of mechanically-stable soil aggregates between different fractions of soil aggregates in the same planting year and between different planting years of the same fraction, respectively.

随植烟年限的延长，土壤中>5 mm的团聚体含量明显下降，5～2、2～1和1～0.5 mm粒级团聚体表现为先下降再增加，0.5～0.25和<0.25 mm粒级恰好相反，表现为先增加再下降。方差分析表明，种植年限在3年以下的土壤微团聚体(<0.25 mm)与大团聚体中>5、5～2和0.5～0.25 mm 3个粒径差异显著；种植年限在4～6年土壤微团聚体(<0.25 mm)与5～2和0.5～0.25 mm 2个粒径差异显著；而种植年限7年以上的土壤微团聚体(<0.25 mm)与2～1和0.5～0.25 mm 2个粒径差异显著，且该时间段5～2和2～1 mm 2个粒级与<3年和4～6年差异显著。说明随着植烟年限的增加，土壤机械稳定性团聚体组成逐渐呈均质化态势，这种变化主要影响到5～2和2～1 mm 2个粒级。

2.1.2 水稳定性团聚体的粒径分布特征 通过湿筛法得到不同种植年限植烟土壤水稳性团聚体分布特征，该指标对于保持土壤稳定状态更具重要价值。分析表2，植烟土壤水稳性团聚体组成均以<0.25 mm的微团聚体为优势级别，变化范围在34.15 %～39.83 %，土壤大团聚体含量组成表现为1～0.25 mm>5～1 mm>>5 mm>。与土壤机械稳定性团聚体变化相比，土壤水稳性团聚体变化更快，在种植3年以下土壤中水稳性团聚体组成随粒径的减小呈V型分布；在种植4～6年和超过7年的土壤中，则表现为N型特点。

随植烟年限的延长，土壤中>5 mm的水稳性团聚体含量也明显下降，在种植初期和中后期差异明显。5～2、1～0.5 mm粒级土壤团聚体含量随种植年限表现为持续增加，2～1 mm和<0.25 mm粒级呈先增加再下降的趋势，但这种变化都不显著。方差分析表明，土壤中<0.25 mm水稳性团聚体与各粒径差异显著，且不受种植年限的影响。说明种植年限对植烟土壤水稳性团聚体的影响主要是大团聚体，尤其是>5 mm粒级。

2.2 不同种植年限对植烟土壤团聚体的稳定性

土壤团聚体的稳定性关系到土壤对环境的适应和协调，可以衡量土壤抗蚀型和土壤质量，常用的指标包括平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、团粒结构分形维数(D)、团聚体破坏率(PAD)等[13-14]。一般认为MWD和GMD值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高，土壤稳定性越好，抗侵蚀能力强[15]。分析土壤团聚体的稳定性特征(表3)，MWD、GMD值都较小，随种植年限的增加，土壤机械稳定性团聚体MWD表现为先降低后增加，GMD变化不大；土壤水稳性团聚体的MWD、GMD较机械稳定性团聚体低，随种植年限增加呈持续下降趋势。方差分析表明种植年限对MWD、GMD影响并不明显。

土壤团粒结构粒径分布的分形维数(D)是反映土壤结构几何形状的参数，该值越高，表明土壤水稳性团聚体及水稳性大团聚体含量越低，土壤结构越紧实；反之，土壤水稳性团聚体及水稳性大团聚含量较高，土壤结构相对松散、通透性好[16]。本研究中干筛和湿筛下下土壤分形维数分别在2.24～2.55、2.63～2.75，不同种植年限下分型维数为<3年<4～6年<7年以上，种植初期与长期种植后差异显著。土壤团聚体破坏率(PAD)表征团聚体在水力作用下的分散程度，该值越大表明土壤团聚体的稳定性越差[17]。与分形维数变化相同，植烟年限越长，土壤团聚体破坏率也越大，且在各种植年限间差异显著。说明种植年限对土壤团聚体稳定性有影响，长期种植烟草会使土壤团聚体的水力学稳定性变差。

表2 植烟土壤水稳性团聚体组成

注：不同小写字母表示相同种植年限下不同级别团聚体含量差异显著，上标字母表示不同种植年限下相同级别团聚体含量差异显著(P<0.05)。 Note: Different lowercase letters and superscript letters indicate significant difference at 5 % level in content of water-stable soil aggregates between different fractions of soil aggregates in the same planting year and between different planting years of the same fraction, respectively.

表3 土壤团聚体稳定性特征

注：不同小写字母表示不同种植年限下差异显著(P<0.05)。

Note： Different lowercase letters indicate significant difference at 5 % level in different planting years.

3 讨 论

土壤结构的好坏通常受土壤团聚体的含量、分布及稳定性影响，>10 mm 团聚体在改善土壤孔性、增强土壤通透性、增强抗风蚀能力等方面具有重要价值，尤其是表层土壤，但该粒径的团聚体含量过多会因结构体过大而影响土壤保墒和作物出苗；10～0.25 mm 的团聚体决定土壤物理、化学和生物性质，是最理想的粒径；而<0.25 mm 的微团聚体含量过多则会影响土壤通气透水性和微生物活性[13,18]。Шеин认为，干筛法下土壤10～0.25 mm 含量>60 %为优良团聚状态，60 %～40 %为良好状态，<40 %则为差等状态；而湿筛法以>0.25 mm 团聚体为指标，<30 %为不良团聚状态，30 %～40 %属较差，40 %～75 %为良好状态，>75 %属相当优良状态。本研究中，无论是采用干筛还是湿筛法，土壤团聚体组成均以>0.25 mm粒径为主，达到了60 %以上，根据这两个指标可以得出目前研究区土壤机械稳定性和水稳性团聚体分别为优良和良好级团聚状态，有利于土壤保水、保肥，也说明种植年限对土壤团聚体的组成影响不大。但是湿筛下数量上优势级别的水稳性团聚体主要为<0.25 mm，且水稳性大团聚体多由直径小的粒径组成，这种结构在在浸水条件下抵抗破坏能力较小。

随种植年限的延长，土壤团聚体的稳定性发生变化，在种植初期(<3年)，土壤团聚体组成中>5 mm 大团聚体含量较高，MWD、GMD最大，D、PAD最小，土壤团聚体稳定性最好；随后土壤中大团聚体逐渐破碎成微团聚体，水稳性团聚体MWD、GMD降低，而D、PAD增加，此时植烟土壤结构开始变差，抗蚀性、通透性下降，增加了土壤侵蚀与流失的可能。究其原因，一方面植烟土壤大量施用化学肥料、轻施有机肥；另一方面长期种植烟草，土壤中微生物群落单一，不利于土壤中有机质的分解，形成土壤大团聚体的胶结剂减少[19]。

4 结 论

(1)植烟土壤机械稳定性团聚体以>0.25 mm的土壤大团聚体含量最高，所占比例在75.85 %～83.56 %。不同种植年限下，土壤团聚体变化不一致。随植烟年限的延长，土壤机械稳定性团聚体组成逐渐呈均质化态势，这种变化主要影响到5～2和2～1 mm 2个粒级。

(2)植烟土壤水稳性团聚体组成均以<0.25 mm的微团聚体为优势级别，随植烟年限的延长，土壤水稳性团聚体变化较非水稳性团聚体变化更快，尤其以>5 mm的粒径变化最为显著。

(3)种植年限对土壤团聚体的组成影响不大，但影响其稳定性。在种植初期(<3年)，土壤水稳性团聚体MWD、GMD最大，D、PAD最小，土壤团聚体稳定性最好，随种植年限的增加， MWD、GMD降低，D、PAD增大。长期种植烟草会使土壤团聚体的水力学稳定性变差，减弱土壤的抗蚀性。

[1]四川省人民政府网站.四川省人民政府关于印发《安宁河谷地区跨越式发展规划(2010—2020年)》的通知[EB/OL].(2010-12-22) http://125.64.4.186/t.aspx?i=20101227092530-859860-00-000.

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(责任编辑 李 洁)

Effects of Soil Aggregates Composition and Stability with Different Planting Years in Tobacco

WANG Shan1, MAO Ling2, LIAO Hao1, CAI Hua1, SUN Wen-pan1, CHEN Liang-dan1

(1.College of Geography and Resources Science, Neijiang Normal University, Sichuan Neijiang 641199,China;2.College of Geography and Tourism, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China)

【Objective】Revealed The distribution and stability of soil aggregates in different tobacco planting years were revealed,and the effects of tobacco planting on soil structure were discussed. 【Method】Soil with different planting years(<3 years,4-6 years,>7 years) were selected in the long-term tobacco planting area in Mianning County as the research object. Analysed the soil aggregate composition, mechanical stability, water stability, fractal dimension and structural damage rate. 【Result】(i) The soil mechanical aggregates with >0.25 mm had the highest content of soil aggregates, and the proportion was 75.85 %-83.56 %.With the extension of tobacco planting years, the mechanical stability of soil aggregate showed a homogeneous trend. This change mainly affected 5-2 and 2-1 mm. (ii) Soil water stable aggregates were composed by < 0.25 mm. With increasing years of tobacco planting, soil water stable aggregates changed faster than non water stable aggregate, especially significant to >5 mm particle size. (iii) In the early planting year (<3 years), the MWD, GMD of soil water stable aggregate had the maximum value, while the D, PAD the minimum. The stability of soil aggregates was best. With the increase of planting year, MWD, GMD decreased, while D,PAD increased.【Conclusion】The planting year had little effect on the composition of soil aggregates, but affected the stability of soil aggregates. After long term cultivation of tobacco,the soil aggregate water stability became worse. It would weak the soil corrosion resistance.

Tobacco; Planting year; Soil aggregates status; Soil aggregate stability

1001-4829(2017)6-1421-05

10.16213/j.cnki.scjas.2017.6.031

2016-10-17

四川省教育厅项目(15ZB0273)；四川省农村发展研究中心项目(CR1628)；内江师范学院大学生项目(13NSD-1)

王 珊(1983-)，女，四川崇州人，硕士，主要从事土地利用与生态环境、农业与农村方向的研究，E-mail:wangsh1983@qq.com。

S152.4

A