土壤团聚体组分中碳钾分配对芋头-水稻轮作年限的响应

宋惠洁，朱莉英，杨延安，胡丹丹，胡惠文，柳开楼

(1.江西省红壤研究所，江西 南昌 331717；2.铅山县农业技术推广服务中心，江西 上饶 334500； 3.进贤县钟陵乡人民政府，江西 南昌 331717)

0 引 言

钾作为植物生长必需的营养元素之一，对植物新陈代谢、作物产量和品质的提高都起着关键作用[1-2]。作物对钾的吸收主要来源于土壤，而研究表明我国南方土壤钾素长期处于亏缺状态[3]。施肥特别是施用有机肥可直接提升土壤钾素肥力和植物的吸钾能力[4-5]，也可通过增加土壤有机碳而间接改善土壤钾素供应能力[6]。因此，研究土壤中碳钾分配机制对提高我国南方丘陵区的土壤钾的生物有效性意义重大。

柳开楼[7]研究发现，提升土壤有机碳含量可以显著增加>2 mm团聚体组分中交换性钾和非交换性钾的储量及比例。Liao等[8]发现，去除土壤有机碳会显著降低红壤水稻土钾的吸附量，不利于土壤钾素的保持。土壤团聚体是土壤水分和养分的重要储存场所，但其结构容易受种植方式、耕作制度及施肥等因素的影响发生崩解或分散，不利于土壤水肥的保蓄，进而阻碍作物的生长和发育[9]。

合理的土地利用方式和作物种植制度，能够改善土壤团聚体的稳定性。李春越等[10]发现，小麦玉米轮作相比小麦连作更能增加微团聚体质量分数及其内部的全碳和有机碳的含量。王浩田等[11]通过研究不同年限下烟-稻轮作土壤中团聚体的组成发现，宣城地区土壤中2～5 mm团聚体的比例随轮作年限的增加呈显著降低的趋势。芋头-水稻轮作是典型的高产高效种植模式，不仅可以有效缓解芋头连作产生的芋头品质变差、病虫害加重的问题，还能通过改善土壤理化性状而进一步提高作物产量和经济效益，有研究表明，水稻与芋头轮作的年产值是双季稻的3倍[12-13]。

目前，赣东北地区的芋头-水稻轮作模式发展迅速，以该地区的铅山县为例，2019年铅山县的红芽芋种植面积14.6万hm2，产量24万t，产值7.6亿元以上，已成为该区的主要种植模式。同时，随着市场需求量的加大，该模式在赣东北的面积逐年增加。然而，随着轮作年限的延长，有机肥和秸秆还田量不断增加，对土壤团聚体碳钾的影响尚不明确，因此，亟需开展系统研究，研究不同年限芋头-水稻轮作下土壤肥力、土壤团聚体组分、团聚体中有机碳、钾素的变化及碳钾的相关关系，以明确土壤团聚体碳钾分配对芋头-水稻轮作年限的响应机制，为我国南方低山丘陵区土壤改良提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 材料

试验在江西省上饶市铅山县湖坊镇(117°42′23″E，28°18′19″N)进行，地形为典型低山丘陵，属中亚热带温湿型气候，年均气温17.2～19.6 ℃，年均降雨量1 700～2 100 mm，年均蒸发量1 100～1 200 mm，无霜期251～274 d，平均年日照时数1 792 h，干湿季节明显，3～6月为雨季，7～9月为旱季。

供试土壤为水稻田，成土母质为第四纪红黏土。当地是红芽芋的主产区，芋头-水稻轮作是当地的主要种植模式。供试芋头为当地主栽红芽芋品种(脱毒芋)，2月播种，7月采收，采用单畦双行密植，株距30～35 cm，种植密度4.5～5.25万株·hm-2；供试水稻品种为五优308，6月下旬播种，7月下旬移栽，11月上中旬收获移栽密度为27～30万株·hm-2，株距22 cm。

1.2 试验设计

本试验设置5个处理，于2020年在当地分别选取芋头-水稻轮作年限为1年、3年、5年、10年的田块展开调查，以只种植一季水稻的田块(CK)为对照，每个处理选择3个田块，田块面积在300～2 000 m2之间。芋头种植季基肥施用腐熟的猪粪，年施用量为1.50×104kg·hm-2，其中氮、磷、钾含量分别为20.9 g·kg-1、8.96 g·kg-1、11.2 g·kg-1，含水量60%，氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥年施用量分别为158.0 kg·hm-2。水稻季的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥年施用量分别为63.0 kg·hm-2，水稻收割后秸秆全部粉碎还田。

1.3 样品采集和测定指标

于11月晚稻收获后利用铁锹采集耕层土壤原状样品，每个田块采集5个点，混匀风干后分成2份，一份用于测定土壤肥力指标，一份采用干筛湿筛相结合的方法进行团聚体分级：即先将风干土分别过5 mm、2 mm和0.25 mm筛子，获得>5 mm、2～5 mm、0.25～2 mm和<0.25 mm组分的样品，然后根据各组分的比例配置成200 g的混合样品。进一步将200 g混合样品利用团聚体分析仪进行湿筛，竖直上下震荡50次，获得>2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm的团聚体组分样品。

土壤pH采用电位法测定，土壤有机碳采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法测定，土壤全氮采用重铬酸钾-硫酸消化法测定，土壤碱解氮采用碱解扩散法测定，土壤全磷采用高氯酸-硫酸酸溶-钼锑抗比色法测定，土壤有效磷采用碳酸氢钠法测定，土壤全钾和速效钾采用原子吸收分光光度法测定[14]。

所有数据采用Excel 2010进行整理，统计分析采用SAS 9.1进行，利用最小因子法进行方差比较。团聚体组分内有机碳与速效钾的相关关系采用线性方程进行拟合，所有图件均用Origin 8.5进行制作。

2 结果分析

2.1 不同芋头-水稻轮作年限下土壤肥力变化

研究表明，芋头-水稻轮作可以改善土壤酸化现象，提高土壤肥力，且随着轮作年限的延长，土壤肥力呈上升趋势。不同轮作年限的土壤pH在4.97～5.55之间(表1)，较CK高出3.3%～15.4%，轮作1～3年变化不明显，轮作5年后达到显著差异；随着轮作年限的延长，土壤有机质含量显著增加，轮作1～10年较CK显著增加了13.3%～36.2%(P<0.05)；随着轮作年限的延长，除了全磷外，土壤全氮和全钾含量都不断增加，其中土壤全氮含量在轮作3年时显著增加，土壤全钾含量在轮作1年时就达到了显著差异。土壤速效养分中，碱解氮和速效钾含量在轮作1年时就显著增加，有效磷含量增加相对缓慢，在轮作5年时达到了显著差异。

2.2 不同芋头-水稻轮作年限下团聚体组分变化

不同芋头-水稻轮作年限能改变土壤中各团聚体组分的比例，各轮作年限均呈现出0.053～0.25 mm团聚体比例最高(图1)。>2 mm团聚体比例随轮作年限的延长呈不断增加的趋势，在轮作5年时达到显著差异；0.053～0.25 mm团聚体比例随轮作年限的延长呈先增加后降低的趋势，轮作1年时达到最高；与CK相比，<0.053 mm团聚体比例在轮作1～5年差异不显著，轮作10年时，显著降低。

2.3 不同芋头-水稻轮作年限下土壤团聚体组分中有机碳浓度变化

各团聚体组分中有机碳浓度随轮作年限的延长而不断变化(表2)。其中，>2 mm，0.25～2 mm，0.053～0.25 mm团聚体中有机碳浓度随轮作年限的延长呈上升趋势，在轮作10年时均显著高于CK处理，较CK分别提高了18.6%、40.9%、29.9%(P<0.05)；<0.053 mm团聚体中有机碳浓度随轮作年限的延长呈下降趋势，在轮作5年时显著低于CK处理，轮作5年和10年较CK处理分别降低了9.5%、32.1%(P<0.05)。

表2 芋头-水稻轮作不同年限下土壤团聚体组分中有机碳浓度变化Table 2 Organic carbon contents in soil aggregate components under different years of taro-rice rotation

2.4 不同芋头-水稻轮作年限下团聚体组分中钾素含量变化

土壤各团聚体组分全钾含量随轮作年限的延长变化趋势有所不同(表3)。与CK处理相比，>2 mm团聚体中全钾含量在轮作1～3年时变化不大，轮作5年时明显增加，较CK处理显著增加了13.6%(P<0.05)，随着轮作年限的延长持续增加，但增加幅度较小；0.25～2 mm、0.053～0.25 mm、<0.053 mm团聚体中全钾含量随轮作年限的延长均表现为先增加后降低的趋势。

表3 芋头-水稻轮作不同年限下土壤团聚体组分钾素含量变化Table 3 Potassium contents in soil aggregate components under different years of taro-rice rotation

土壤各团聚体组分中速效钾含量随轮作年限的延长呈增加趋势。与CK处理相比，>2 mm、0.053～0.25 mm、<0.053 mm团聚体速效钾含量均在轮作3年时显著增加，至轮作10年时，分别较CK增加了2.24倍、1.95倍、0.93倍；0.25～2 mm团聚体速效钾含量均在轮作1年时显著增加，至轮作10年时，较CK增加了1.45倍。

2.5 不同芋头-水稻轮作年限下团聚体组分中有机碳与速效钾的相关关系

土壤各团聚体组分速效钾含量与有机碳含量相关关系表现不同(图2)。在>2 mm、0.053～0.25 mm团聚体中，有机碳与速效钾均呈显著的正相关关系(R2分别为0.934 2和0.812 2，P<0.05)；在0.25～2 mm、<0.053 mm团聚体中，有机碳与速效钾关系均不显著。

图2 团聚体组分中有机碳与速效钾的关系Fig.2 Correlation between organic carbon contents and potassium contents in soil aggregates

结合线性方程的斜率发现，当>2 mm团聚体中的有机碳增加0.10 g·kg-1，速效钾含量提高3.30 mg·kg-1；而当0.053～0.25 mm团聚体中的有机碳增加0.10 g·kg-1，速效钾含量可以增加1.36 mg·kg-1。

3 讨论

长期作物连作是造成土壤养分不均衡、作物生育障碍的重要因素，合理轮作是缓解土壤养分失衡、调节作物营养吸收的重要手段。本研究表明，芋头-水稻轮作可以缓解土壤酸化程度，提升土壤肥力，且随着轮作年限的延长，土壤pH不断增加，土壤肥力也呈上升趋势。这与很多人的研究结果相似，但是与不轮作相比，芋头-水稻长期轮作导致的土壤有机碳等肥力指标的增加幅度与其他的轮作试验研究有所差异。杨琼会[15]研究发现，秸秆还田下，稻-油轮作和稻-麦轮作14年土壤有机碳含量分别较开始时增加了3.42倍和1.89倍，而罗茜[16]通过对凉山烤烟-荞麦轮作模式的研究发现，随着轮作年限的延长，土壤有机碳含量没有明显变化。本试验中，轮作1-10年土壤有机碳含量较CK增加了13.3%～36.2%，各轮作试验土壤有机碳含量增加幅度各不相同，可能与有机肥和秸秆还田量、气候条件和土壤性质等存在差异有关。

土壤团聚体作为土壤储存养分的主要场所，其养分保持、供应能力直接反映了土壤质量的好坏[17-18]。不同粒级的团聚体中营养元素的含量及分布状况不同，有研究表明，相比于微团聚体，大团聚体含有更多的有机碳且其有机碳更容易矿化[19-20]。Puget等[21]研究发现，随着外源新碳施用量的增加，团聚体粒径越大，团聚体中新碳的比例越高。在本研究中，随着轮作年限的延长，>2 mm团聚体组分比例不断增加，且团聚体中有机碳含量也表现为上升趋势，原因主要是芋头-水稻轮作每年都会施用有机肥和秸秆还田。因此，随着轮作年限的延长，土壤中有机碳投入和秸秆钾归还量越来越大，进而影响土壤团聚体结构和养分。长期定位试验也表明，有机肥和秸秆还田是提高土壤团聚体有机碳[22]和钾素[23]的重要措施。此外，长期芋头-水稻轮作导致的土壤pH变化也可能是团聚体组分中钾素变化的原因之一[24]。同时，土壤有机碳含量与钾素供应能力密切相关，有机碳可以调控土壤钾素形态和含量[25-27]。本研究发现，>2 mm、0.053～0.25 mm团聚体组分中，有机碳与速效钾含量均呈现显著的正相关关系，尤其是>2 mm团聚体，其有机碳增加0.10 g·kg-1时，速效钾含量增幅最大，原因一方面可能是>2 mm、0.053～0.25 mm团聚体比例较高，对养分的周转速率较快[28]，这说明，轮作年限可以通过改变土壤团聚体结构进而影响团聚体中养分的含量和分布。另一方面，不同团聚体组分中微生物群落的差异也可能导致团聚体碳钾关系发生变化[29]，但具体原因还有待进一步分析。另外，本研究发现，轮作1-3年时，大团聚体中土壤全钾含量相对较低，因此，生产上可以考虑在轮作初期，适当增加外源钾肥的投入，以保证作物的吸钾量。

4 结论

在我国赣东北地区，芋头-水稻轮作可以改善土壤酸化程度，提升土壤肥力，且随着轮作年限的延长，土壤肥力呈上升趋势。随着轮作年限的延长，大团聚体(>2 mm)比例及其有机碳浓度、钾素含量也不断增加，而当轮作年限较短时，则建议适当增加外源钾肥投入，进而满足作物钾素吸收。>2 mm团聚体中钾素含量和有机碳浓度表现为显著的正相关关系，当有机碳浓度增加0.10 g·kg-1时，速效钾含量可提高3.30 mg·kg-1，从而有效供应作物钾素吸收。