不同植烟年限对土壤团聚体稳定性的影响及其相关因素分析①

张世祺，王沛裴，王昌全*，何玉亭，沈 杰，徐 强，李 萌

(1 四川农业大学资源学院，四川成都 611130；2什邡市农业局，四川什邡 618400)

土壤团聚体是土壤质量的物质基础，其粒级分布和稳定性决定土壤的通透性能和养分的保持与供应[1]。研究表明，通过不同种植模式、土壤管理措施以及土壤的物质含量直接影响土壤团聚体的形成及其稳定性进而改变土壤肥力，其中土壤有机质的变化与土壤团聚体形成、分布和稳定性的关系最为紧密[2]。土壤有机碳作为衡量土壤肥力的重要指标之一，它的含量直接决定土壤质量。有机碳是土壤团聚体形成和稳定的重要胶结剂，常与黏粒结合形成微团聚体，微团聚体再逐步团聚形成大团聚体，同时，团聚体在形成后能够对其中储存的有机碳产生保护作用，影响有机质的转化和分解速率[3]。起垄植烟，一方面对土壤团聚体扰动强烈，破坏有机碳的“保护壳”[4]；另一方面烤烟垄作过程中土壤水、气、热条件的变化导致土壤微生物活性增强[5]，消耗暴露在团聚体保护之外的有机碳。另外，烤烟成熟收获的生物量占植株总生物量的比例大，且根部、茎秆等难以还田，从而导致以地面残余植株凋落形式回到土壤中的有机碳量大幅下降[6]。

凉攀地区是四川省主要烤烟生产区，近年来植烟土壤的退化问题已经影响到当地烟草产业的健康长远发展，而烟草又是当地农业的支柱产业，所以该区域植烟土壤退化问题逐渐引起研究者的重视。长期植烟导致土壤有机碳含量降低以及团聚体结构稳定性差等是土壤退化问题的重要表现[7]。目前少见该区域植烟土壤团聚体稳定性及其影响因素的研究，本文以四川典型植烟区凉攀地区为研究对象，通过分析不同植烟年限下土壤团聚体稳定性及相关指标的变化，以期揭示植烟年限对团聚体稳定性的影响。

1 材料与方法

1.1 土样采集

于凉攀地区典型植烟区：凉山州会东县姜州乡(101º29′05′′ E，26º33′21′′ N)、攀枝花市仁和区大龙潭乡(101º52′45′′ E，26º20′20′′ N)、攀枝花市米易县坪山村(102º07′42′′ E，26º49′10′′ N)分别采集植烟年限为0、3、5、8 a 的紫色土(H0、H3、H5、H8)、水稻土(P0、P3、P5、P8)、红壤(R0、R3、R5、R8)样品。采样点所在的田块、地块冬季均闲置或少量种植紫花芍，施肥和田间管理长期采用当地烤烟种植标准模式，即一次基肥为主，3次追肥为辅。本研究采样时间为2015年4月中旬。在地垄斜面采用“S”型法进行取样，避开施肥点，取样深度为0～20 cm(耕作层)。采取的原状土带回实验室自然风干，风干过程中沿土块自然断裂面掰成不小于1 cm的土块，并测定土样 的基本性质如表1。

表1 土壤基本性质Table 1 Basic properties of tested soils

1.2 样品测定与分析

非水稳性团聚体组成的测定采用干筛法[8]。首先用四分法从待测样品中取约400 g样品，分别过5、2、1、0.5、0.25 mm套筛进行人工筛分，得到粒径＞5、5～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25、＜0.25 mm 6 组团聚体样品，称重即得到干筛条件下各粒级团聚体含量。

水稳性团聚体含量的测定采用湿筛法[9]。根据干筛获得的各粒级团聚体百分比例称取100 g混合样，重复3次。然后将混合样置于孔径分别为5、2、1、0.5、0.25 mm的套筛上，套筛由筛架固定，置于水桶中，底部离桶底10 cm高。向桶中加水至水面刚接触2 mm筛网，样品毛管浸润5 min，然后启动电源，使套筛以每分钟30次的频率，振幅3 cm上下振荡30 min，然后将留在各筛子上的团聚体冲洗到铝盒中，置于50℃烘箱中，烘干后称重[10]。

土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定[11]。土壤颗粒组成的测定采用比重计法[12]。

1.3 数据处理

团聚体平均重量直径、几何平均直径计算方法如下：

式中：Ri为某粒径团聚体平均直径；DA0.25为＞0.25 mm粒径干筛团聚体干重；WA0.25为＞0.25 mm粒径湿筛团聚体干重，Wi为某粒径团聚体的质量分数；MWD为团聚体平均重量直径；GMD为团聚体几何平均直径；PAD为土壤的团聚体破坏率。

试验数据统计分析采用SPSS 13.0软件，不同植烟年限以及各级团聚体之间的显著性差异分析采用单因素方差分析方法(ANOVA)，并用最小显著性差异方法进行检验，数据处理等在Microsoft Excel 2013中进行。

2 结果与分析

2.1 植烟年限对土壤团聚体分布的影响

凉攀地区未植烟土壤非水稳性和水稳性团聚体均以＞2 mm粒径为主，其中未植烟红壤中粒径＞2 mm非水稳性团聚体含量达到751.4 g/kg；植烟3、5、8 a后，土壤水稳性团聚体以＜0.25 mm粒径为主，其中植烟8 a后红壤中粒径＜0.25 mm水稳性团聚体含量达到459.2 g/kg。粒径＞5 mm团聚体，湿筛法测得的含量(水稳性团聚体)都小于干筛法测得的含量(非水稳性团聚体)，其中植烟8 a后的紫色土、水稻土、红壤中粒径＞5 mm非水稳性团聚体含量分别是水稳性团聚体含量的1.25倍、3.43倍、7.33倍，红壤的变化幅度远大于紫色土和水稻土，表明红壤相对于紫色土和水稻土，其大粒径团聚体对水的崩解抗性最差。3种植烟土壤水稳性团聚体分布随植烟年限的增加发生了显著变化，植烟3、5、8 a后，粒径＞5 mm水稳性团聚体含量较未植烟土壤出现显著降低，同时粒径＜0.25 mm团聚体含量显著增加，表明植烟对土壤水稳性大团聚体具有显著破坏作用。

表2 不同植烟年限土壤非水稳性团聚体分布Table 2 Distribution of soil water unstable aggregates in different tobacco cropping years

表3 不同植烟年限土壤水稳性团聚体分布Table 3 Distribution of soil water stable aggregates in different tobacco cropping years

2.2 植烟年限对土壤团聚体稳定性的影响

由图1可知，与不植烟相比，红壤植烟3、5、8 a后土壤团聚体机械稳定性呈下降趋势，其中植烟5 a后和8 a后表现为显著降低，MWD值植烟5 a后下降34%，植烟8 a后下降35%；紫色土植烟3、5、8 a后团聚体机械稳定性未出现显著变化；水稻土中团聚体机械稳定性在植烟3 a后达到峰值，其MWD值是不植烟土壤的150%，随后显著降低。

由图2可知，红壤植烟3 a后，团聚体水稳定性较不植烟显著降低，MWD值下降47%；植烟5 a后和植烟8 a后相对于植烟3 a后，团聚体水稳定性同样显著下降，MWD值分别下降39% 和36%。与不植烟相比，紫色土植烟3 a后，团聚体水稳定性显著降低，MWD值下降45%；植烟5 a后相对于植烟 3 a后，团聚体水稳定性同样显著下降，MWD值下降34%；但植烟8 a后相对于植烟5 a和3 a后都出现了显著上升的趋势，MWD值上升146%，即在植烟0～8 a过程中紫色土团聚体水稳性出现先下降再上升的趋势。水稻土植烟3、5、8 a后，相对于不植烟，团聚体水稳定性出现显著下降趋势，MWD值分别下降47%、52% 和46%，而植烟3、5、8 a年间土壤团聚体水稳定性没有显著差异，即在植烟0～8 a过程中水稻土团聚体水稳性出现先下降再平稳的趋势。

图1 不同植烟年限土壤非水稳性团聚体的MWD和GMDFig.1 MWD and GMD values of soil water unstable aggregates in different tobacco cropping years

图2 不同植烟年限土壤水稳性团聚体的MWD和GMDFig. 2 MWD and GMD values of soil water stable aggregates in different tobacco cropping years

图3 不同植烟年限土壤的团聚体破坏率(PAD)Fig. 3 Values of percentage of aggregate disruption (PAD) under in different tobacco cropping years

紫色土和水稻土团聚体破坏率(PAD)随植烟年限的变化出现显著变化，在不植烟条件下最低，植烟5 a后团聚体破坏率达最高，其中紫色土和水稻土团聚体破坏率增加395% 和824%。植烟3 a后的紫色土和水稻土团聚体PAD值相对于不植烟土壤显著上升，这和植烟对土壤水稳性团粒结构的破坏关系密切，植烟5 a后PAD值相对于植烟3 a后也有显著上升，但上升趋势减弱，植烟8 a后PAD值相对于植烟5 a有显著下降。不植烟条件下红壤团聚体的PAD值极大地高于紫色土和水稻土团聚体，相对于不植烟，植烟3 a和5 a后PAD值未出现显著升高，植烟8 a年后显著升高158%。

2.3 土壤团聚体水稳性的主要影响因素

采用Pearson相关系数法对参试土壤样品主要指标进行两两相关的相关性分析(表 4)，结果表明，在不同植烟年限下，紫色土和水稻土的有机碳含量与团聚体GMD值、MWD值以及PAD值存在明显的相关性，相关系数r均大于0.900，对相关系数进行检验，均达到显著水平，与现有大量关于团聚体稳定性和有机碳关系的研究结果一致，即有机碳含量与土壤团聚体稳定性显著相关。但红壤团聚体的有机碳含量与GMD值、MWD值以及PAD值均无显著相关性，表明发育程度深、有机碳含量低的红壤团聚体稳定性的相关因素不含原土有机碳含量。对于水稻土，黏粒的质量分数与土壤团聚体GMD值、MWD值、PAD值以及有机碳含量相关性明显，而紫色土和红壤并没有出现上述规律，这可能与水稻土团聚体粒径分布规律及其土壤类型特性有关。

表4 土壤主要指标相关关系Table 4 Correlation coefficients between soil indexes

2.4 植烟年限对土壤水稳性团聚体有机碳分布的影响

凉攀烟区主要植烟土壤各粒级团聚体有机碳含量随植烟年限的增加而表现出不同的趋势，其中紫色土和水稻土＞5 mm团聚体有机碳含量呈显著下降，且其下降幅度明显大于其他粒径；红壤各粒级团聚体有机碳含量变化不显著；紫色土和水稻土整体表现为各粒级团聚体有机碳含量植烟5 a后和8 a后显著下降，而红壤团聚体相关变化趋势不明显。从有机碳含量分布来看，紫色土和水稻土团聚体有机碳含量分布以＞5 mm和＜0.25 mm粒径较多，其余粒径分布较少，其中不植烟条件下紫色土＞5 mm团聚体有机碳含量为1～2 mm团聚体的2.42倍；红壤团聚体有机碳含量分布以粒径＜0.25 mm团聚体较多。随着植烟年限的增加，有机碳在各粒径团聚体中的分布趋于平均。植烟8 a后相较于植烟5 a后，3种土壤各粒级团聚体有机碳含量下降趋势不明显，部分粒级有机碳含量甚至有小幅上升趋势。3种土壤团聚体各粒级有机碳分布情况大致相同，但红壤各粒级团聚体有机碳含量明显低于紫色土和水稻土，其中植烟3 a后紫色土＞5 mm粒径团聚体有机碳含量是红壤＞5 mm团聚体的1.81倍。

表5 不同植烟年限土壤水稳性团聚体的有机碳分布(g/kg)Table 5 Distribution of organic carbon in soil water stable aggregates in different tobacco cropping years

通过对红壤团聚体各粒径有机碳含量与其水稳定性的相关性分析(表6)可知，红壤团聚体稳定性与粒径1～2 mm团聚体有机碳含量呈极显著相关，与其他粒径团聚体的相关性不显著，粒径1 ～2 mm团聚体有机碳含量是影响红壤团聚体稳定性的重要因素。

表6 红壤各粒径团聚体有机碳含量与其水稳性的相关关系Table 6 Correlation coefficients between organic carbon contents and their water stabilities in different aggregate sizes

3 讨论

凉攀地区主要植烟土壤团聚体分布随植烟年限的增加发生显著变化，植烟年限为3、5、8 a时，＞5 mm水稳性团聚体含量相对于未植烟土壤显著降低，＜0.25 mm团聚体含量显著增加，说明植烟会导致土壤水稳性大团聚体发生大量崩解[13]。植烟土壤非水稳性团聚体＞2 mm粒径含量较多，而植烟年限为3、5、8 a时，其水稳性团聚体分布以＜0. 25 mm粒径为主，说明在水的崩解作用下部分大粒径团聚体向更小粒径的团聚体转化，且这种趋势以红壤团聚体最强[14]：其中植烟年限为8 a时，紫色土、水稻土、红壤团聚体＞5 mm粒径非水稳性团聚体含量分别是水稳性团聚体的1.25倍、3.43倍、7.33倍；红壤团聚体PAD值在不植烟和植烟年限为8 a时均大于其他团聚体，表明红壤非水稳定性大粒径团聚体虽然较多，但遇水极易崩解，其原因可能是红壤团聚体中在团粒结构中起胶结作用的物质多糖、菌丝等瞬变和临时胶结剂含量较其他土壤类型的高[15]。

文倩和关欣[16]研究发现，土壤中原生矿物颗粒与细菌、真菌和植物碎屑胶结形成游离的微团聚体，同时这些微团聚体又被有机碳、铁铝氧化物、菌丝、植物根和多糖等物质胶结成大团聚体，因此植烟的土壤管理措施以及土壤中相关物质含量、形态等因素均会造成植烟土壤团聚体稳定性的变化。湿筛条件下，3种土壤均是在不植烟时水稳性最高，且随植烟年限增加，水稳性显著下降，说明植烟年限对土壤水稳性团聚体有显著破坏作用[17]。由于红壤发育程度深，其团聚体有机碳含量明显低于紫色土和水稻土。但在不植烟条件下3种土壤团聚体水稳性是持平的，甚至红壤团聚体非水稳性超过紫色土和水稻土其原因是红壤含有大量的无机胶结物且黏粒含量极高[18]，对红壤团聚体形成产生促进作用；但植烟8 a相对植烟5 a红壤团聚体水稳性显著降低，其原因可能与植烟土壤无机胶结物损失有关[19]。因紫色土发育程度浅，所以需要以有机碳为主的胶结剂参与团聚作用。植烟年限为3、5 a时相对于不植烟，紫色土团聚体有机碳含量显著下降，主要由于团粒结构的主要胶结剂减少导致团聚作用减弱，使团粒结构遭到破坏，水稳性显著降低；植烟8 a相对于植烟5 a，粒径2～5、0.25～0.5和＜0. 25 mm团聚体的有机碳含量均升高，且粒径0.25～0.5 mm团聚体达到显著水平，这可能与近年来有机肥的施用有关[20]。水稻土团聚体，植烟年限为3、5 a时相对于不植烟，大部分粒径团聚体有机碳含量呈现下降的趋势，团聚体水稳性显著降低，植烟8 a相对于植烟5 a，水稻土各粒径团聚体有机碳含量均未出现显著变化，所以其团聚体水稳性变化不显著[21]。

干筛条件下，有机碳含量随植烟年限增加而降低：紫色土团聚体非水稳性变化不显著，而水稳性为显著降低，由此可见有机碳含量主要影响团聚体的水稳性，对非水稳性影响不大；红壤团聚体非水稳性随植烟年限的增加显著下降，说明长期植烟会破坏红壤非水稳性团聚体的胶结剂[22]；水稻土非水稳性团聚体稳定性在植烟0～3 a期间有一定程度的提高，且在植烟3 a时达到最大值，这是因为烤烟垄作提供的环境条件和当地农户大量施用有机肥增加土壤中有机碳含量，从而提高非水稳性团聚体含量，在植烟年限为0～3 a时，减少植烟耕作对土壤团聚体的机械破坏，总体上提高非水稳性团聚体的稳定性。研究结果显示植烟初期(3 a内)大量水稳性较差的新团聚体形成导致这段时期内土壤团聚体非水稳性不降反升，但又由于其较差的水稳性，所以这阶段土壤团聚体水稳性呈极显著下降趋势[23]。

有机碳和团聚体是土壤两个基本组成成分，两者相互关联，密不可分。已有大量研究表明凉攀生态区长期种植烤烟造成土壤有机碳大量消耗，有机碳含量较第二次土壤普查已下降15.96%，与土壤有机碳关系密切的碳氮比、碳磷比、碳钾比分别下降12.22%、33.24% 和 21.39%，说明有机碳含量下降在凉攀烟区长期植烟土壤中普遍存在[24]。研究发现各粒径团聚体有机碳含量基本大于原土，表明团聚体对有机碳具有富集作用[25]。紫色土和水稻土各粒径团聚体，有机碳含量随植烟年限增加显著下降，说明植烟减弱团聚体对有机碳的保护，降低土壤有机碳含量。紫色土和水稻土团聚体水稳性随植烟年限增加显著降低的直接原因是有机碳作为土壤团聚体的主要胶结剂，其含量降低导致土壤团聚体崩解速度加快以及胶结速度减缓[26]。通过相关性分析可知，有机碳含量和紫色土、水稻土团聚体水稳性存在极显著相关[27]；而随植烟年限的增加，红壤粒径＞5 mm团聚体和＜0.25 mm团聚体有机碳含量未出现显著下降，其他多数粒径团聚体下降趋势也不明显，即在植烟过程中红壤团聚体的有机碳对团粒结构的保护效果并没有显著下降。通过相关性分析可知，虽然有机碳含量与红壤团聚体水稳性无显著相关性，但粒径1～2 mm团聚体有机碳含量与水稳性呈极显著相关，其他粒径团聚体有机碳含量与水稳定性未出现显著相关性，这可能与各粒径团聚体有机碳组分的含量及作用有关[28]。随植烟年限的增加紫色土和水稻土粒径＞5 mm团聚体有机碳含量降低幅度较其他粒径大，即在粒径＞5 mm团聚体中，土壤团聚体的胶结剂被破坏较多，胶结能力下降较快，说明植烟对土壤团聚体的破坏主要集中在粒径较大的团聚体上[29]。3种土壤团聚体有机碳也大多集中分布在粒径＞5 mm和＜0.25 mm 2个团聚体中，和其他利用方式土壤有机碳分布情况相似，其原因是微团聚体中的有机碳不易被耕作的机械力和微生物活动破坏，而大直径团聚体更有利于碳的截留[30]；再者，团聚体分布也表现为＞5 mm和＜0.25 mm两个粒径较多，这进一步证明有机碳在团聚体的保护下充当胶结剂连接团聚体的作用。另外，随着植烟年限的增加，有机碳在各粒径团聚体的分布趋于平均[31]。3种土壤团聚体之间，红壤发育程度深，土壤矿化作用强，导致有机碳分解较快，所以红壤各个粒径团聚体有机碳含量明显低于紫色土和水稻土。

4 结论

凉攀地区植烟土壤在连作过程中，水稳性团聚体的破坏集中在植烟0～5 a期间，非水稳性团聚体被破坏集中在植烟3～5 a期间。有机碳含量是影响团聚体水稳性的重要因素，且在水稻土和紫色土团聚体中表现显著。植烟会破坏土壤团聚体中的有机碳，其中水稻土和紫色土中达到显著水平，这种破坏作用主要集中在植烟5 a内，未植烟土壤团聚体有机碳以粒径＞5 mm和＜0.25 mm 2个团聚体含量较多，经植烟破坏后，各粒径团聚体有机碳含量趋于平均。烤烟不宜连作，长年植烟的紫色土和水稻土可以增大有机肥施用比例，保护土壤团聚体。

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