湖南烟稻轮作区土壤团聚体稳定性及其与碳氮比的关系

刘勇军 ，彭曙光，肖艳松，向鹏华，唐春闺，周清明，黎娟*

1 湖南农业大学农学院，长沙市芙蓉区农大路1号 410128；2 湖南省烟草科学研究所，长沙市芙蓉南路1段628号 410004；3 湖南省烟草公司郴州市公司，郴州市北湖区三元路7号 423000；4 湖南省烟草公司衡阳市公司，衡阳市延安路8号 421000；5 湖南省烟草公司长沙市公司，长沙市劳动东路359号 410011

土壤团聚体作为衡量土壤质量的重要指标，不仅决定土壤结构的稳定性，还与土壤理化性质、固碳潜力和抗蚀能力等有着直接联系[1]。团聚体的形成是土壤中生物和非生物因素共同作用的结果[2]，其中土壤有机碳在团聚体形成过程中扮演着重要角色，并且影响团聚体的稳定性[3]。同时，团聚体是土壤有机碳的储存场所，在团聚体形成后能够对有机碳起到保护作用[4]。张世祺等[5]研究发现，团聚体与土壤有机碳两者关系密切，随种植年限的增加有机碳含量呈下降的趋势，并且影响团聚体的水稳性。曹伟等[6]研究表明，土壤团聚体有机碳和全氮主要富集在小粒径团聚体中，坡地土壤团聚体的稳定性受碳、氮的共同作用，并且土壤团聚体稳定性受C/N 显著影响。土壤碳氮比是土壤质量的敏感指标，它的演变趋势对土壤碳、氮循环有重要影响[7]。研究表明[8]，过高或过低的土壤碳氮比不利于烤烟的碳氮代谢，影响烟叶的品质。因此，适宜的土壤碳氮比和稳定的团聚体对植烟土壤质量的提升，显得尤为重要。湖南烟区烤烟种植模式以烟稻轮作为主，长期犁翻土壤导致耕层土壤质量下降，严重影响土壤团聚体的稳定性[9]。前人对土壤团聚体的研究虽然较多，但针对湖南烟稻轮作区土壤碳氮比与团聚体的研究则鲜有报道。鉴于此，本研究基于田间调查取样，研究不同土层不同粒级土壤团聚体含量的分布特征和稳定性，探讨了土壤团聚体稳定性与碳氮比的关系，旨在为深入了解植烟土壤结构特征，为湖南烟稻轮作区合理耕层的构建，为指导当地烟区优质烟叶生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

于2017 年水稻收获后，在湖南郴州、衡阳和长沙3 个烟稻轮作区，每个地区选取10 块田，每块田土壤质地均为壤质砂土。每块田采用多点取样法，取样采用50 cm 土柱取样器，每个土柱分成0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 和40～50 cm共5 个土层，共计150 个土壤样品。样品分布情况为：郴州嘉禾县普满乡5 个，桂阳县和平镇20 个，桂阳县仁义镇15 个，桂阳县雷坪镇10 个，共50 个；衡阳市耒阳县导子镇15 个，耒阳县竹市镇5 个，耒阳县东湖圩镇5 个，耒阳县马水镇15 个，耒阳县哲桥镇5 个 ，耒阳县坛下乡5 个，共50 个；长沙浏阳市永安镇15 个，浏阳市北盛镇10 个，浏阳市沙市镇10 个，浏阳市淳口镇5 个，浏阳市官渡镇10 个，共50 个。

1.2 测定方法

土壤团聚体百分比含量参照文献[10]测定，采用湿筛法将团聚体分为＞1 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、0.053～0.25 mm 和＜0.053 mm 共5 个粒级。土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾法检测，全氮（TN）含量采用凯式定氮法检测[11]，碳氮比（C/N）指土壤有机碳与全氮含量的比值。

1.3 计算方法

平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、水稳性大团聚体（R0.25）和分形维数（FD）参照文献[12]计算：

式中：di为i 粒级团聚体的平均直径；Wi为di相对应的粒级团聚体占总重的百分含量；MT＞0.25为粒级＞0.25 mm 团聚体重量，MT为团聚体总重量。dmax为团聚体的最大粒径；Mw≤di为粒径小于di 的团聚体重量。

1.4 数据处理

采用SPSS 24.0 软件进行数据处理，方差分析采用邓肯氏新复极差法（SSR），相关分析采用Pearson双尾检测，运用Origin 2018 软件作图。

2 结果与分析

2.1 湖南烟稻轮作区土壤团聚体和碳氮比统计分析

由表1 可知，湖南省烟稻轮作区不同粒级土壤团聚体差异较大，其中＞1.00 mm 粒级的土壤团聚体含量最高，为64.47%，说明湖南烟稻轮作区以＞1.00 mm 粒级的土壤团聚体为主；0.25～0.50 mm 和0.053～0.25 mm 的土壤团聚体变异系数大于100%，说明样本之间离散程度较大，属重度变异。土壤团聚体稳定性指数中分形维数FD 的均值为2.70，变异系数为2.04%，说明样本之间分布较集中，属弱变异。土壤碳氮比均值为9.66，变幅在3.69～14.06之间，偏度和峰度的值在-1.00～1.00 之间，分布形态接近正态分布[13]，变异系数为22.40%，属中度变异。

2.2 湖南烟稻轮作区土壤团聚体分布情况

由表2 可知，不同土层不同粒级土壤团聚含量呈显著差异，从不同粒级土壤团聚体含量来看，各粒级土壤团聚体含量从高到低依次为＞1 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、＜0.053 mm、0.053～0.25 mm；其中＞1 mm 粒级团聚体在不同地区间分布基本相同，以0～10 cm 和10～20 cm 土层的团聚体含量较大，显著高于30～40 cm 和40～50 cm 土层；而0.5～1 mm、0.25～0.5 mm 和0.053～0.25 mm 粒级团聚体含量则以30～40 cm 和40～50 cm 土层较高，0～10 cm 和10～20 cm 土层较低；＜0.053 mm 粒级团聚体含量除衡阳地区外，均以30～40 cm 和40～50 cm 土层较高，以0～10 cm 和10～20 cm 土层较低。从不同土层深度来看，20～30 cm 土层土壤团聚体含量介于0～20 cm 和30～50 cm 土层之间，说明20～30 cm 土层在不同粒级土壤团聚体百分比含量大小转变的过程中，起到了过渡作用。

表1 湖南烟稻轮作区土壤团聚体和碳氮比描述性统计Tab. 1 Descriptive statistics of soil aggregates and C/N in rice-tobacco rotation area of Hunan province

表2 不同粒级土壤团聚体含量Tab. 2 Content of soil aggregates with different size fraction

2.3 湖南烟稻轮作区土壤团聚体稳定指数分析

土壤团聚体稳定性指数是评价土壤结构和物理性状的重要指标[14]。由表3 可知，不同土层土壤团聚体平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、水稳性大团聚体（R0.25）和分形维数（FD）呈显著差异。不同烟稻轮作区间变化趋势基本一致，表现为随着土层深度的增加，MWD、GMD 和R0.25呈下降趋势，FD 呈上升趋势。郴州、衡阳和长沙烟稻轮作 区0～10 cm 土 层MWD 比40～50 cm 土 层 分 别 高出31.68%（P＜0.01）、34.00%（P＜0.01） 和59.72%（P＜0.05）；郴州、衡阳和长沙烟稻轮作区10～20 cm 土 层GMD 比40～50 cm 土 层 分 别 高 出61.64%（P＜0.01）、40.26%（P＜0.05）和82.00%（P＜0.01）；郴州、衡阳和长沙烟稻轮作区10～20 cm 土层R0.25比40～50 cm 土 层 分 别 高 出9.30%（P＜0.01）、8.24%（P＜0.05）和25.00%（P＜0.01）；郴州、衡阳和长沙烟稻轮作区40～50 cm 土层FD 比0～10 cm 土层分别高出1.87%（P＜0.05）、2.65%（P＜0.01）和1.48%（P＜0.05）。一般来说，MWD、GMD 和R0.25越大，FD 越小，土壤团聚体越稳定[15]。从不同烟稻轮作区来看，郴州和衡阳的土壤稳定性指数较为接近，而长沙的MWD、GMD 和R0.25相对较低，FD 相对较高，表明郴州和衡阳烟稻轮作区的土壤团聚体稳定性较优于长沙烟稻轮作区。

表3 土壤团聚体稳定性指数分析Tab. 3 Stability index analysis of soil aggregates

2.4 湖南烟稻轮作区碳氮比分布特征

从图1 可以看出，湖南烟稻轮作区有机碳和全氮含量在不同土层呈显著差异，且随土层的加深，呈下降趋势。郴州、衡阳和长沙烟稻轮作区0～10 cm 土层的有机碳含量分别比40～50 cm 土层高出134.64%、93.69%和205.44%，均达显著差异（P＜0.01）；郴州、衡阳和长沙烟稻轮作区0～10 cm 土层的全氮含量分别比40～50 cm 土层高出77.69%、52.31%和149.18%，均达显著差异（P＜0.01）。湖南烟稻轮作区碳氮比在不同土层呈显著差异（图1-c），且随着土层的加深，郴州和衡阳烟稻轮作区碳氮比呈逐渐下降的趋势；长沙烟稻轮作区以0～10 cm 土层碳氮比最高，以20～30 土层最低，两者相差1.55 倍，达显著差异（P＜0.01）。湖南烟稻轮作区不同土层碳氮比均值在8.48～11.39 之间（图1-d），总体上随土层深度的增加，碳氮比呈下降的趋势。从10～20 cm 到20～30 cm 土层土壤碳氮比下降幅度最大，为21.52%；因此，提高20～30 cm 土层土壤碳氮比，可改善土层土壤结构，提高植烟土壤肥力。

图1 湖南烟稻轮作区不同土层土壤碳氮比比较Fig. 1 Comparison of C/N ratio in different soil layers in rice-tobacco rotation area of Hunan province

2.5 土壤碳氮比与土壤团聚体稳定性的相关分析

通过对不同土层土壤碳氮比与团聚体的相关分析可知（表4），不同土层土壤全氮、有机碳和碳氮比与＞1 mm 粒级团聚体呈显著正相关（P＜0.01），与＜0.053 mm 粒级土壤团聚体不呈显著相关，与其他粒级土壤团聚体呈显著负相关（P＜0.01）。0～10 cm 土层土壤全氮、有机碳和碳氮比与MWD 呈显著正相关（P＜0.05），与FD 呈显著负相关（P＜0.01）；10～20 cm 土层土壤全氮、有机碳和碳氮比与MWD 呈显著正相关（P＜0.01），与GMD 呈显著正相关（P＜0.05），与FD 呈显著负相关（P＜0.01）；20～30 cm、30～40 cm 和40～50 cm 土层土壤全氮、有机碳和碳氮比与MWD、GWD 和R0.25呈显著正相关（P＜0.01），与FD 呈显著负相关（P＜0.01）。不同土层土壤碳氮比与土壤稳定性指数的相关系数表现出相似的规律，随着土层的加深，相关系数呈先升高后下降的趋势，都在20～30 cm 土层相关系数达到最高；按照相关程度大小排序依次为FD ＞ MWD ＞ GWD ＞ R0.25，说明碳氮比与FD 相关程度最高。

对湖南烟稻轮作区150 个土壤样品的碳氮比与土壤团聚体稳定性指数进行线性回归分析可知（图2），土壤碳氮比与MWD、GMD 和R0.25的回归方程分别为y=0.16+0.01x、y=-0.07+0.01x 和y=0.59+0.03x，均呈显著正相关关系（P ＜0.01）；土壤碳氮比与分形维数FD 的回归方程为y=2.89-0.02x（r2=0.57），呈显著负相关关系（P ＜0.01）。说明土壤碳氮比与土壤团聚体具有紧密联系，土壤碳氮比值越高，土壤团聚体越稳定。因为有机质是创造团聚体的胶结剂[1]，有机碳（C）含量越高，越能形成较多地稳定性团聚体。

表4 不同土层土壤碳氮比与团聚体的相关分析Tab. 4 Correlation analysis of C/N ratio and soil aggregates in different soil layer

图2 土壤碳氮比与团聚体稳定性指数的线性回归分析Fig. 2 Linear regression analysis of C/N ratio and soil aggregate stability index

3 讨论

土壤团聚体是土壤结构的基本单元[16]，不同土层的团聚体含量具有明显差异[17]。土壤团聚体稳定性是反映土壤结构状况的重要指标，水稳性团聚体（＞0.25 mm）是土壤中最好的结构体，其值越高土壤结构则越稳定[18]。本研究表明，R0.25随土层的加深而下降，且不同土层以＞1 mm 的团聚体为主。殷文等[3]研究发现≥0.25 mm 的团聚体随土层的增加而增加，与本文结果不一致，一方面可能是所研究的土壤类型不同（水稻土和灌淤土），造成土壤供氮能力的差异[19]，从而使土壤团聚体含量发生变化[10]；另一方面可能是由于两者耕作措施的不同（传统耕作和秸秆还田），秸秆还田有利于增加土壤各土层有机质含量，陈晓芬等[20]研究表明水稳性团聚体的形成主要依靠有机质的胶结作用，增加土壤有机质含量有利于水稳性团聚体的形成，因此，这可能是造成两者水稳性团聚体分布差异的重要原因。此外，MWD 和GMD 也表现出随土层增加而下降的规律，说明湖南烟稻轮作区土层土壤越深，结构稳定性越差。Pirmoradian 等[21]指出分形维数比MWD和GMD 更适于表征土壤团聚体的稳定性。本研究表明，湖南烟稻轮作区FD 随土层的加深而增加，王国梁等[22]研究表明农田土壤随深度的增加，土壤体积分形维数也随之增加，与本研究相似。本研究发现0～10 cm 和10～20 cm 土层的FD 值相近，但与30～40 cm 和40～50 cm 土层的FD 呈显著差异，说明土层越深土壤团聚体稳定性差异越大。因此，湖南烟稻轮作区需要改善30～40 cm 土层植烟土壤的团聚体稳定性，为烟草的根系生长提供良好的环境。

土壤碳氮比影响烤烟的碳氮代谢和烟叶品质[23]。本研究表明：随着土层深度的增加，土壤有机碳和总氮含量呈下降趋势，这与前人[3]研究结果基本一致，可能是由于烟稻轮作区的土壤养分主要靠施肥来调控，而肥料对土壤碳氮的调节作用主要集中在可直接接触的0～20 cm 表层土壤[24]；另外，养分的淋溶流失也是造成不同土层土壤碳、氮含量差异的一个原因[25]。本研究发现，不同土层碳氮比均值在8.48～11.39 之间，且随着土层深度的增加，C/N 呈下降趋势，以20～30 cm 土层碳氮比下降最为严重。李雪利等[23]通过添加小麦秸秆来调节土壤碳氮比的研究指出，土壤C/N 在24～28 之间时，有利于促进烤烟碳氮代谢平衡，协调烤后烟叶化学成分。为此，一方面，可通过减少氮肥的施用来提高土壤碳氮比；因为烟叶生产对氮肥的需求较敏感，以往的生产中普遍对化肥的用量偏大，且氮肥利用率低，造成土壤中氮素较多[26]。另一方面，可通过增加土壤中的有机碳含量来提高土壤的碳氮比；前人[27,28]研究表明，减氮运筹下增加有机肥的施用，能够使有机碳增加9%～54%，因此施用有机肥是提高有机碳含量的一个重要途径。

为进一步了解土壤碳氮比与土壤团聚体稳定性指数之间的关系，对各参数进行了相关分析。研究表明，土壤碳氮比与FD 相关程度最高，说明FD 更能表征湖南烟稻轮作区土壤碳氮比与团聚体的关系。这可能是由于分形维数所表达的意义和功能较其他评价指标更为合理，不仅能反映质地均一程度，还能说明土壤结构和其它物理性质[14]。本研究表明，土壤碳氮比越高，土壤团聚体稳定性越好，且在20～30 cm 土层相关系数达到最高。可见，为改善湖南烟稻轮作区耕层土壤质量，应从提高不同土层土壤团聚体稳定性和土壤碳氮比两方面同时出发。因此，为改进烟稻轮作区耕层土壤结构，建议今后应加强对减氮增碳等综合耕作措施的研究，这为促进湖南烟稻轮作区烟叶可持续发展提供了新的思路。

4 结论

湖南烟稻轮作区不同粒级土壤团聚含量呈显著差异，不同土层以＞1.00 mm 粒级含量最高。不同土层土壤团聚体平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、水稳性大团聚体（R0.25）和分形维数（FD）呈显著差异，且不同烟稻轮作区间变化趋势基本一致，随土层深度的增加，MWD、GMD 和R0.25呈下降趋势，FD 呈上升趋势。有机碳、全氮和C/N 在不同土层呈显著差异，且随土层的加深而降低。不同土层碳氮比均值在8.48～11.39 之间，20～30 cm 土层土壤碳氮比下降幅度最大，为21.52%。相关分析表明，不同土层土壤全氮、有机碳和碳氮比与＞1 mm 粒级团聚体呈显著正相关；与＜0.053 mm 粒级土壤团聚体不呈显著相关，与其他粒级土壤团聚体呈显著负相关。土壤碳氮比与MWD、GWD 和R0.25呈显著正相关关系；与分形维数FD 的回归方程为y=2.89-0.02x（P ＜0.01）。综上，增加有机肥的比例，合理控制无机氮肥的用量，提高20～40 cm 土层土壤的碳氮比，增加该层土壤团聚体稳定性，对于合理的耕层构建、促进优质烟叶生产具有重要意义。