烟稻复种连作年限对紫色水稻土团聚体稳定性的影响

陆 峰，廖超林，刘峰峰，肖志鹏，龙 飞，向鹏华，唐剑宁，肖孟宇，张永革，单雪华

（1. 湖北中烟工业有限责任公司，湖北 武汉 430051；2. 湖南农业大学，湖南 长沙 410128；3. 湖南烟草公司衡阳市公司，湖南 衡阳 421000）

烟稻复种连作是我国南方烟区主要种植模式之一，在促进耕地集约利用和农业持续发展及农村脱贫攻坚中发挥了重要作用[1]。烟草是我国重要的经济作物。烟草忌连作[2]，长期连作造成土壤耕层变浅和结构破坏、土壤退化、土壤养分失调和土传病害常发等土壤障碍问题，影响烟草正常生长发育，降低烤烟产量和品质[3]。研究表明，烟草连作障碍主要来自土壤[4]。其中，植烟土壤连作障碍的研究主要集中于土壤养分失调、土壤酶活性下降及根系分泌物的自毒作用、土壤环境及微生物区系发生变化等[5‑6]。有研究显示，河湖相沉积物发育的水稻土在烟稻复种连作9 a 内，大团聚体含量随年限而增加[7]，而河潮土在烟稻复种连作5～25 a 内，土壤大团聚体含量及稳定性随年限增加而升高[8]。土壤团聚体是土壤结构的重要组成部分和形成良好土壤结构的物质基础[9]。但因土壤有机质、机械组成及铁氧化物等组成不同，土壤团聚体的形成及破坏机制和影响因素也存在差异[10]。开展特定类型植烟土壤的团聚体研究，对差异化制定植烟土壤保育途径和改良措施具有现实意义。鉴于此，以耒阳市烟区紫色水稻土为对象，分析不同烟稻复种连作年限土壤团聚体分布及稳定性的变化及其与土壤理化性质的关系，以明确烟稻复种连作对紫色水稻土团聚体及其稳定性变化的影响，探究其关键影响因素，为植烟土壤保育提供参考。

1 材料和方法

1.1 土壤样品采集

研究区位于湖南省耒阳市马水镇（26°45′23″N、113°5′2″E），属中亚热带大陆季风湿润气候区，年平均气温17.4 ℃，年日照时数1 593 h，无霜期280 d，年降雨量1 355 mm；土壤类型为紫色砂页岩发育的紫色土。区内烟田耕作制度为烟稻轮作，肥料由当地烟草公司提供，烟农均通过了当地的烟草公司技术员培训，能够按照当地优质烟叶生产技术对烟草进行栽培管理。

烟稻连作年限的确定：在集中连片的烟草种植单元，查阅烟叶合作社烟草种植记录并入户调查，确定研究区农田烟稻连作年限，将其分为0 a、0～5 a、5～10 a、10～15 a、15～20 a、>20 a 共6 组。将研究区未植烟且稻稻连作5 a 及以上的稻田土样设为对照（0 a）。

于烟田翻耕前，根据地形特点、田块形状及土壤环境一致的原则，按照时空替代法，分别对以上6组田块，按梅花形五点法取耕作层（0～20 cm）混合土样测定土壤机械组成及肥力指标，取原状土样测定团聚体组成。共采集0 a（11个）、0～5 a（15个）、5～10 a（16 个）、10～15 a（15 个）、15～20 a（14个）、>20 a（9个）6组烟稻连作年限土样80个。

田间混合土样编号后，带回实验室经自然风干，挑去细根、碎石及杂物，捣碎、碾磨，过筛备用。原状土样（质量约1 kg）编号后，保持原状带回实验室自然风干。原状土样自然风干至土壤含水量达到土壤塑限（含水量22%～25%）时，沿着自然缝隙将其掰成1 cm3左右的土块，并挑出砾石及植物残体等备用。

1.2 指标测定

土壤团聚体分级采用参考文献[11]的方法：使用干筛法得到各粒级团聚体，按比例配成湿筛法所需土样质量，将配制好的土样放置于团聚体分析仪套 筒 内（孔 径 自 上 而 下 依 次 为5、3、2、1、0.5、0.25 mm），缓缓向套筒内加入蒸馏水至没过土壤（振动频率为30 次/min、振荡时间为5 min）。然后用烘干法测得每个粒级土壤质量。

土壤pH 值采用水土比1∶2.5 酸度计法测定；土壤有机质含量采用高温外热重铬酸钾-外加热法测定；全氮含量采用半微量开氏法测定；全磷含量采用NaHCO3浸提-钼锑抗吸光度法测定；全钾含量采用NH4Ac 浸提-火焰光度法测定；机械组成采用吸管法测定。上述测定方法详见参考文献[12]。

1.3 数据处理与分析

土壤团聚体稳定性指标计算公式[10]：

式中，MWD为团聚体质量平均直径；GMD为团聚体几何平均直径；Wi为各粒级团聚体质量百分数；Xi为某粒级团聚体的平均直径；n为团聚体粒级数。

土壤团聚体分形维数（D）采用杨培岭等[13]的土壤颗粒分形模型获取：

采用Excel 2016 和SPSS 19.0 处理数据并进行统计分析。其中，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）比较处理间差异；采用Duncan’s 法检验差异显著性（P<0.05）；采用Pearson 法进行相关性分析。运用Canaco 5 软件进行土壤团聚体稳定性与土壤理化性质的冗余分析（RDA）。

2 结果与分析

2.1 烟稻复种连作年限对土壤团聚体分布的影响

不同烟稻复种连作年限土壤团聚体分布如表1。相较稻稻连作（0 a）土壤，烟稻复种连作0～5 a，土壤>5 mm团聚体含量显著降低26.71%，<2 mm的各粒级团聚体含量显著升高；烟稻复种连作5～10 a 则导致>5 mm 团聚体含量降低24.35%，0.25～0.5 mm 和<0.25 mm 团聚体含量分别显著升高51.63%和61.37%；烟稻复种连作10～15 a 和15～20 a，仅导致<0.25 mm的微团聚体含量显著降低；烟稻复种连作>20 a则导致1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm 团聚体含量显著升高，而其他粒级团聚体含量变化不明显。说明烟稻复种连作0～5 a 和5～10 a导致紫色水稻土>5 mm 的大团聚体破坏，而烟稻复种连作>10 a对其影响不明显。

表1 不同烟稻复种连作年限土壤团聚体分布Tab.1 Distribution of soil aggregates in different years of tobacco-rice continuous cropping %

2.2 烟稻复种连作年限对土壤团聚体稳定性的影响

由图1 可知，不同烟稻复种连作年限的土壤团聚体MWD 和GMD 表现出相同的变化特征。烟稻复种连作0～5 a 和5～10 a，土壤团聚体的MWD 和GMD 均显著低于稻稻连作及其他复种连作年限的土壤。其中，相较于稻稻连作，烟稻复种连作0～5 a的土壤团聚体MWD、GMD 分别显著降低19.33%和30.64%，烟稻复种连作5～10 a MWD、GMD 则分别显著降低20.17%和34.04%；其他处理间MWD、GMD差异不显著。D 值（图2）则表现出相反的变化特征，烟稻复种连作0～5 a 和5～10 a 相较于稻稻连作，土壤团聚体的D值分别显著升高了7.98%和8.40%；烟稻复种连作10～15 a 的D值显著降低；其他处理间D值差异不显著。说明烟稻复种连作0～5 a和5～10 a会显著降低紫色水稻土团聚体稳定性。

图1 不同烟稻复种连作年限土壤团聚体大小Fig.1 Size of soil aggregates in different years of tobaccorice continuous cropping

图2 不同烟稻复种连作年限土壤团聚体D值Fig.2 D value of soil aggregates in different years of tobacco-rice continuous cropping

2.3 烟稻复种连作年限对土壤机械组成的影响

烟稻复种连作对土壤机械组成的影响见表2。相较于稻稻连作，烟稻复种连作0～5 a，土壤0.5～1 mm的粗砂粒和0.05～0.25 mm的细砂粒含量显著降低，0.002～0.02 mm 的细粉粒含量显著升高；烟稻复种连作5～10 a，土壤0.5～1 mm 粗砂粒、0.25～0.5 mm 的中砂粒和0.05～0.25 mm 的细砂粒含量显著降低，而0.02～0.05 mm 的粗粉粒、0.002～0.02 mm 的细粉粒及<0.002 mm 的黏粒含量显著升高；烟稻复种连作10～15 a，土壤1～2 mm 石砾、粗砂粒、细砂粒含量显著降低，而粗粉粒及黏粒含量显著升高；烟稻复种连作15～20 a 和>20 a，>0.05 mm 4个粒径的土壤颗粒含量均显著降低，而<0.05 mm 3个粒径的土壤粉、黏粒含量则变化趋势相反。说明相较于稻稻连作，烟稻复种连作导致紫色水稻土砂粒含量降低，而粉、黏粒含量增加。不同烟稻复种连作年限间土壤机械组成表现为，烟稻复种连作15～20 a 和>20 a 相较于其他年限，土壤石砾和细砂粒含量显著降低，而粉粒与黏粒含量升高。整体上来看，烟稻复种连作年限>10 a的土壤砂粒含量低于烟稻复种连作<10 a的土壤，而粉、黏粒含量相反。

表2 不同烟稻复种连作年限土壤机械组成Tab.2 Soil particle composition in different years of tobacco-rice continuous cropping %

2.4 烟稻复种连作年限对土壤主要肥力指标的影响

不同烟稻复种连作年限的土壤主要肥力指标见表3。不同烟稻复种连作年限的土壤pH 值、全钾含量变化规律不明显；相较于稻稻连作，烟稻复种连作0～5 a 和5～10 a 的土壤有机质含量显著降低，烟稻复种连作年限>10 a 的3 个连作年限段土壤有机质含量显著高于其他烟稻复种连作年限段；烟稻复种连作0～5 a 和5～10 a 的土壤全氮、全磷含量与稻稻连作相比，变化不明显，但烟稻复种连作年限>10 a后明显升高。说明烟稻复种连作0～5 a和5～10 a导致紫色水稻土有机质含量降低，但对pH 值、全钾、全氮和全磷含量影响不明显；烟稻复种连作>10 a后，土壤有机质、全氮和全磷含量显著升高。

表3 不同烟稻复种连作年限土壤主要肥力指标Tab.3 Soil fertility indexes in different years of tobacco-rice continuous cropping

2.5 团聚体及其稳定性与土壤理化性质的关系

2.5.1 团聚体与土壤理化性质的相关分析 土壤团聚体及其稳定性指标与土壤理化性质相关性如表4 所示。>5 mm 团聚体含量分别与土壤有机质、全氮、全磷和<0.002 mm 的黏粒含量呈极显著或显著正相关，与1～2 mm 的石砾含量呈显著负相关；1～2 mm 和0.5～1 mm 团聚体含量分别与土壤有机质含量呈显著和极显著负相关。团聚体稳定性指标中，MWD 和GMD 均分别与土壤有机质、全氮、全磷及<0.002 mm 的黏粒含量呈极显著正相关，与1～2 mm 的石砾含量呈极显著负相关；D 值则与土壤有机质、全氮、全磷及<0.002 mm 的黏粒含量呈极显著负相关，与1～2 mm的石砾含量呈极显著正相关。

表4 土壤稳定性指标与烟稻复种土壤理化性质的Pearson相关分析Tab.4 Pearson correlation between indexes of soil aggregates stability and soil physicochemical properties

2.5.2 团聚体与土壤理化性质的RDA 土壤团聚体分布与团聚体稳定性间的RDA 分析结果如图3a所示。2 个排序轴解释了总变异的99.85%，可反映土壤团聚体分布对团聚体稳定性影响的绝大部分信息。其中，>5 mm（95.0%，F=302.0，P=0.002）、<0.25 mm（93.7%，F=237.0，P=0.002）、0.25～0.5 mm（58.3%，F=22.4，P=0.002）、0.5～1 mm（36.2%，F=9.1，P=0.008）及1～2 mm（25.7%，F=5.5，P=0.042）团聚体的向量权重较大，是引起团聚体稳定性变化的主导团聚体粒径。土壤理化性质（机械组成、土壤养分含量）对团聚体分布的影响结果（图3b）表明，RDA的2 个排序轴解释了团聚体分布总变异的80.68%，可反映土壤机械组成、土壤养分含量对团聚体分布影响的绝大部分信息。其中，有机质（47.6%，F=13.6，P=0.002）、全氮（34.1%，F=6.6，P=0.006）、全磷（28.2%，F=4.6，P=0.024）、1～2 mm 的石砾（26.5%，F=4.2，P=0.048）以及<0.002 mm 的黏粒（25.9%，F=4.0，P=0.048）的向量权重较大，是引起团聚体分布变化的主导理化指标。

图3 土壤团聚体分布与团聚体稳定性（a）及土壤理化性质（b）的RDA分析Fig.3 RDA of soil aggregate distribution with soil aggregate stability（a）and soil physicochemical properties（b）

3 结论与讨论

3.1 烟稻复种连作年限对土壤团聚体分布及稳定性的影响

土壤团聚体MWD、GMD 和D 常被作为反映土壤团聚体大小分布和评价土壤团聚体稳定性的重要指标，土壤MWD 和GMD 值越大，表明土壤结构稳定性和抗分散能力越强；土壤D值越小，表明其土壤结构稳定性越好[14‑15]。耕作模式、施肥、土地利用方式等影响土壤有机质含量、机械组成和养分循环等土壤理化性质，从而影响土壤团聚体分布及其稳定性[16‑17]。本研究结果表明，相对稻稻连作，烟稻复种连作0～5 a和5～10 a，紫色水稻土大团聚体含量显著减少，<0.25 mm 的微团聚体含量显著升高，同时，团聚体稳定性指标MWD 和GMD 均显著低于稻稻连作及其他复种连作年限的土壤，而D 值则显著升高；烟稻复种连作年限>10 a，对土壤大团聚体及团聚体稳定性指标影响不明显。说明烟稻复种连作对紫色水稻土植烟0～5 a 和5～10 a 的土壤团聚体分布和稳定性影响较为显著，导致大团聚体破坏而微团聚体含量增加，土壤结构稳定性降低。

3.2 烟稻复种连作土壤团聚体特征与理化指标的关系

土壤团聚体分布及稳定性和机械组成、养分特征等有密不可分的关系。本研究结果表明，土壤有机质、全氮、全磷和<0.002 mm 的黏粒含量分别与>5 mm 团聚体含量、MWD 和GMD 呈极显著或显著正相关，D值则与其呈极显著负相关。说明烟稻复种连作的紫色水稻土有机质、全氮、全磷及<0.002 mm的黏粒促进了大团聚体的形成，提高了团聚体稳定性，这与徐艳丽等[18]的研究结果一致。这是因为土壤有机质是土壤团聚体的主要胶结剂，而土壤氮主要来自有机质的分解，氮在团聚体中含量的变化与粒级的关系与有机质类似，因此，土壤有机质的增加可促进团粒结构形成及增加团聚体稳定性[19]；土壤黏粒则具有胶体性质，往往通过内聚力等作用成为微团聚体，为大团聚的形成提供了条件[20]；土壤磷可促进植物根系及部分微生物对无机氮的同化与吸收，增加植物根系生物量及根系分泌物，作为土壤有机质组成，同样能促进团粒结构的形成，提高团聚体稳定性[21]。此外，1～2 mm 石砾含量分别与>5 mm 团聚体含量、MWD、GMD 呈极显著负相关，与D 值呈极显著正相关。说明由于烟稻复种连作的紫色水稻土中1～2 mm 石砾的增加，黏粒含量相应减少，不利于较大粒径团聚体的形成，土壤结构稳定性降低。进一步运用RDA 解析烟稻复种连作紫色水稻土中引起团聚体分布及其稳定性变化的主导理化因子。土壤氮主要来源于土壤有机质的分解，因此认为，本研究中土壤有机质、全磷、石砾和黏粒含量是引起团聚体分布变化的关键指标，且土壤团聚体分布中仅>5 mm团聚体含量与土壤有机质、全磷和<0.002 mm 的黏粒含量呈显著正相关，与1～2 mm 的石砾含量呈显著负相关。说明土壤有机质、全磷、黏粒和石砾含量变化主导了>5 mm大团聚体含量的变化。>5 mm、<0.25 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm及1～2 mm的团聚体是引起团聚体稳定性变化的关键指标。其中，>5 mm 的团聚体对团聚体稳定性指标解释量最大（95.0%，F=302.0，P=0.002）。说明烟稻复种连作的紫色水稻土中>5 mm土壤团聚体含量的变化主导了团聚体稳定性变化。因此，烟稻连作引起了紫色水稻土有机质、全磷、黏粒和石砾含量变化，并主要导致>5 mm 团聚体的形成或破坏，进而导致土壤团聚体分布及稳定性变化。

综上，烟稻复种连作的紫色水稻土结构和质量保育工作，在复种连作0～5 a 和5～10 a 年限段时应受到关注。可采取秸秆还田、增施有机肥等措施，提高有机质含量，同时适当施用磷肥并防止土壤过砂，以促进土壤大团聚体的形成和提高团聚体稳定性，保持和提高紫色水稻土质量。

3.3 结论

烟稻复种连作对紫色水稻土团聚体分布及稳定性影响主要集中在复种连作0～5 a和5～10 a；紫色水稻土烟稻复种连作0～5 a和5～10 a，土壤大团聚体含量显著减少，MWD 和GMD显著降低，而D值显著升高，土壤团聚体稳定性降低。烟稻复种连作的紫色水稻土有机质、全氮、全磷、石砾和黏粒含量是引起团聚体分布变化的关键指标，>5 mm 土壤团聚体含量主导了团聚体稳定性变化。烟稻复种连作的紫色水稻土有机质、全磷、1～2 mm 的石砾及<0.002 mm 黏粒含量的变化，引起了>5 mm 团聚体的形成或破坏，从而导致土壤团聚体稳定性变化。