烟-稻复种连作对红壤性水稻土团聚体组成及稳定性的影响

陆 峰，廖超林，肖志鹏，石 刚，向鹏华，禹保成，单雪华，夏 凡

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

0 引言

中国南方红壤丘陵区面临巨大的资源-环境-人口压力，中低产田比例大，耕地质量退化严重，制约了区域农业的可持续发展[1]。红壤丘陵区广布的红壤性水稻土面临土壤养分失衡、土壤结构退化、酸化等土壤质量问题[2]。人为管理措施诸如耕作措施、种植模式及施肥等直接地决定和影响着耕地土壤的肥力特征、土壤结构状况及作物生长发育[3]。土壤团聚体是土壤养分的“储藏库”，其数量的多少一定程度上反映了土壤供储养分能力和肥力水平的高低[4]；同时，土壤团聚体亦是土壤结构的基本单元，在土壤中发挥着调节“水、肥、气、热”、改善生物活性和保持疏松土层的重要作用，是评价土壤肥力的重要指标之一[5]。因此，研究种植模式对土壤团聚体特征的影响，对红壤性水稻土退化防治及农业健康发展具有重要意义。

烟-稻复种连作是中国红壤丘陵区主要的种植模式之一，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长期而重要的作用[6]。然而，任何一项单一的耕作措施都是“双刃剑”，对土壤均具有有利和有弊的作用，长期地采用单一耕作措施对土壤及作物的生长发育并不是十分有利[7]。诸多研究表明，烟草是一种忌连作作物[8]，长期烟-稻复种连作造成土壤结构退化、土壤养分失调和土传病害常发等土壤障碍问题，影响烟草正常的生长发育，降低烤烟产量和品质[9]。烤烟连作障碍主要来自土壤[10]，土壤连作障碍的研究主要集中于土壤养分失调、自毒作用、土壤环境及微生物区系发生变化[11-12]等，但连作植烟对土壤团聚体分布及其稳定性的影响研究少见。本研究采用时空替代法、相关及冗余分析等技术方法，在耒阳市烟区采集不同烟-稻复种连作年限的红壤性水稻土，分析土壤团聚体分布及稳定性的变化特征及其与土壤理化性状的关系，明确烟-稻复种连作对红壤性水稻土团聚体及其稳定变化的影响及其关键影响因素，以期为红壤性水稻土质量保育和退化防治提供资料。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集

研究区位于湖南典型红壤丘陵区的耒阳市烟区(26°39′33″N，113°2′59″E)。区内烟田耕作制度为烟-稻轮作，肥料由当地烟草公司提供，烟农均通过当地烟草公司技术员培训，按照当地优质烟叶生产技术进行栽培管理。在集中连片的烤烟种植单元，经查阅烟叶合作社烤烟种植记录及入户调查基础上，确定研究区农田烟-稻连作年限后；于烟田翻耕前，根据地形特点及田块形状及土壤环境一致的原则，按照时空替代法，分别选取1～20年及以上烟-稻复种连作(YDLZ)田块，按梅花形五点法取耕作层(0～20 cm)原状土样，对照0年(0a)为研究区未植烟且稻-稻连作(DDLZ)5年及以上的稻田土样。将采集的土样按YDLZ年限0、(0～5)、(5～10)、(10～15)、(15～20)、＞20年分为6组（下同，不再加范围符号），各组土样数量分别为13、16、14、13、12、8个；共采集土样76个。将采集好的原状土样（重约1 kg）装入方铝盒编号后，保持原状结构带回实验室自然风干。自然风干至土壤含水量到达土壤塑限（约为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、侵入体及植物残体等。

1.2 分析方法

土壤团聚体测定采用萨维诺夫法[13]，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的质量，将配置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淹没过土壤，震动频率为30次/min，振荡时间5 min，然后用烘干法测得每个粒径等级土壤的重量。

部分原状土样碾磨过筛，用于土壤有机质等理化指标分析，依据文献[14]采用常规分析方法测定土壤理化指标。

1.3 数据处理与分析方法

土壤团聚体稳定性指标计算公式如式(1)～(2)所示[15]。

式中：MWD为团聚体重量平均直径；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为某级团聚体的平均直径(mm)。

土壤分形维数(D)采用杨培岭等土壤颗粒分形模型[16]，如式(3)所示。

式中：W0是全部粒级土粒质量之和(g)；Wi是直径小于di土粒的累积质量(g)；为最大粒级团聚体的平均直径(mm)；为两筛分粒之间粒径的平均值(mm)。

采用Excel 2021和SPSS 20.0软件进行数据处理和统计分析；单因素方差分析，Duncan’s法显著性检验(P＜0.05)，比较处理间差异；以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状的冗余分析(RDA)。

2 结果与分析

2.1 烟-稻复种连作对土壤团聚体组成的影响

不同YDLZ年限土壤团聚体组成如表1。相较于DDLZ土壤，YDLZ的红壤性水稻土＞5 mm团聚体含量显著降低；其中烟-稻复种连作5～10年(YDLZ5～10)的土壤＞5 mm团聚体含量降幅最大，达到28.48%，烟-稻复种连作＞20年(YDLZ＞20)的土壤降幅最少，为14.33%。相较于DDLZ土壤，YDLZ的红壤性水稻土＜0.25 mm团聚体含量则显著升高，其中YDLZ5～10的土壤＜0.25 mm团聚体含量升高幅度最大，达到165.75%，烟-稻复种连作 15～20 年(YDLZ15～20)的土壤升高幅度最少，为44.41%；其他粒径团聚体的含量中，除烟-稻复种连作0～5年(YDLZ0～5)的土壤 5～3 mm团聚体、YDLZ15～20的土壤2～1 mm团聚体及烟-稻复种连作 10～15 年(YDLZ10～15)的土壤 0.5～0.25 mm 团聚体含量显著升高外，不同烟-稻复种连作年限的土壤团聚体含量差异不显著。说明YDLZ导致红壤性水稻土＞5 mm大团聚体破坏而减少，＜0.25 mm团聚体含量升高。

表1 不同烟-稻复种连作年限土壤团聚体组成 %

2.2 烟-稻复种连作对土壤团聚体稳定性指标的影响

不同YDLZ年限红壤性水稻土团聚体大小如图1。可以看出，不同YDLZ年限的红壤性水稻土团聚体MWD和GMD表现出相同的变化特征；相较于DDLZ土壤，YDLZ的红壤性水稻土团聚体MWD和GMD均显著降低，其中YDLZ5～10土壤的团聚体MWD和GMD降幅最大，分别显著降低了21.92%和40.19%；其他复种连作年限间土壤的MWD和GMD差异不显著。相较于DDLZ土壤，分形维数(D)则显著增加（图2），其中YDLZ5～10土壤D显著增加11.02%，其他复种连作年限土壤D增加幅度在4.24%和7.62%之间。说明烟-稻复种连作显著降低红壤性水稻土团聚体MWD和GMD，提高分形维数。

图1 不同烟-稻复种连作年限团聚体大小

图2 不同烟-稻复种连作年限团聚体分形维数

2.3 烟-稻复种连作对土壤颗粒组成的影响

烟-稻复种连作土壤机械组成如表2。YDLZ对红壤性水稻土的影响主要集中于0.25～0.05 mm的细砂粒、0.02～0.002 mm的细粉粒及＜0.002 mm的粘粒；相对于DDLZ土壤，YDLZ年限＞10年的土壤细砂粒显著降低；细粉粒含量则在YDLZ年限＞10年的土壤中显著升高，而粘粒含量除在YDLZ年限为5～10年阶显著降低外，其他在YDLZ年限的土壤间差异不明显。

表2 不同烟-稻复种连作年限土壤机械组成 %

2.4 烟-稻复种连作年限对土壤主要肥力指标的影响

土壤主要肥力指标如表3。相较于DDLZ，YDLZ年限＞5年的红壤性水稻土pH显著降低，降低比率为2.55%～20.86%，而全磷和全钾含量显著升高，升高比率分别为14.77%～48.46%和36.85%～99.61%；同时YDLZ导致有机质及全氮显著降低，降低比率分别为7.76%～18.13%和6.35%～24.08%。说明YDLZ对红壤性水稻土主要肥力指标产生差异性影响。

表3 不同烟-稻复种连作年限土壤主要肥力指标

2.5 团聚体及其稳定性与土壤理化性状的关系

2.5.1 团聚体与土壤理化性状的相关性分析 土壤团聚体及其稳定性指标与土壤理化性状相关关系表明（表4），不同粒径团聚体中，＞5 mm团聚体含量分别与土壤有机质和＜0.002 mm的粘粒含量呈显著正相关关系，＜0.25 mm团聚体含量则相反；同时1～0.5 mm和0.5～0.25 mm团聚体含量均分别与粘粒呈显著负相关关系。团聚体稳定性指标中，MWD和GMD均分别与土壤有机质、全氮＜0.002 mm的粘粒含量呈显著正相关关系；分形维数D则与前述指标呈显著负相关。

表4 土壤稳定性指标与土壤理化性状的Pearson相关

2.5.2 团聚体与土壤理化性状的冗余分析 土壤团聚体稳定性与团聚体分布冗余分析(RDA)结果如图3(a)，2个排序轴解释了总变异的99.81%，反映了土壤团聚体分布对团聚稳定性的绝大部分信息，其中＞5 mm(98.1%，F=131，P=0.002)、＜0.25 mm(83.7%，F=82.5，P=0.002)团聚体的向量权重最大，是引起团聚体稳定性变化的主导团聚体粒径。图3(b)的土壤机械组成及养分对团聚体稳分布影响显示，RDA 2个排序轴解释了团聚体分布总变异的87.04%，能反映土壤机械组成、土壤养分对团聚体稳分布影响的绝大部分信息，其中 ＜0.002 粘 粒 (68.6% ，F=36.4，P=0.002)、有机质(65.3%，F=32.8，P=0.002)的向量权重最大，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)及土壤理化性状与团聚体分布(b)的冗余分析

3 结论

烟-稻复种连作导致红壤性水稻土＞5 mm团聚体含量显著减少，而＜0.25 mm团聚体含量显著增加，且MWD和GMD显著降低，而分形维数D显著升高，土壤团聚体稳定性降低；对团聚体粒径分布及团聚体稳定性影响较大的烟-稻复种连作年限段为5～10年。烟-稻复种连作的红壤性水稻土有机质和粘粒含量是引起团聚体分布变化的关键指标，＞5 mm和＜0.25 mm土壤团聚体含量主导了团聚体稳定性变化；烟-稻复种连作引起红壤性水稻土有机质和粘粒含量变化，主要导致＞5 mm团聚体含量的减少，＜0.25 mm团聚体含量增加，从而土壤团聚体稳定性降低。

4 讨论

4.1 烟-稻复种连作对土壤团聚体组成及稳定性的影响

土壤团聚体MWD、GMD和D是评价团聚体粒径分布及稳定性的重要参数，MWD和GMD越大，D值越小，表明其大团聚体含量越高，土壤结构稳定性越好[17-18]。种植模式、施肥及耕作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状，从而影响土壤团聚体分布及其稳定性[19-20]。本研究表明，相对DDLZ，YDLZ的红壤性水稻土＞5 mm的团聚体含量显著减少，而＜0.25 mm的微团聚体含量显著升高；且以YDLZ5～10的土壤＞5 mm和＜0.25 mm团聚体含量分别降低和升高幅度最大；同时，YDLZ的红壤性水稻土团聚体稳定性指标MWD和GMD均显著低于DDLZ的土壤，而分形维数D则显著升高，且以YDLZ5～10土壤的MWD和GMD降低幅度最大，而其D值增加幅度最高。说明YDLZ显著降低红壤性水稻土团聚体粒径分布及团聚体稳定性，且以YDLZ5～10对土壤团聚体粒径分布及稳定性影响最大。

4.2 烟-稻复种连作土壤团聚体特征与理化指标的关系

土壤机械组成、有机质等基本属性影响土壤团聚体分布及稳定性。本研究表明，土壤有机质和＜0.002 mm的粘粒含量分别与＞5 mm团聚体含量、MWD和GMD呈显著正相关关系，与分形维数D则呈显著负相关。说明YDLZ的红壤性水稻土有机质及＜0.002 mm的粘粒促进大团聚体的形成，提高团聚体稳定性。结果与廖超林等[21]一致。这是因为土壤有机质是土壤团聚体主要胶结剂，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[22]；土壤粘粒则具有胶体性质，往往通过内聚力等作用团聚为微团聚体，为大团聚的形成提供了条件[23]。进一步运用冗余分析解析YDLZ的红壤性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。土壤有机质和粘粒含量分别是引起团聚体分布变化的关键指标；且土壤＞5 mm团聚体含量与土壤有机质和＜0.002 mm的粘粒含量呈显著正相关，而＜0.25 mm团聚体含量相反；说明土壤有机质和粘粒含量变化，主导了＞5 mm及＜0.25 mm团聚体含量的变化。同时冗余分析显示，＞5 mm和＜0.25 mm的团聚体分别是引起团聚体稳定变化的关键指标，说明YDLZ的红壤性水稻土中＞5 mm和＜0.25 mm土壤团聚体含量的变化，主导了团聚体稳定性变化。因此，可以认为YDLZ引起红壤性水稻土土壤有机质和粘粒含量变化，主要导致＞5 mm团聚体含量的减少，＜0.25 mm团聚体含量增加，进而导致土壤团聚体稳定性降低。