周啟運(yùn) 鄭重誼 荊永鋒 劉勇軍 彭曙光陳 燾 劉智炫 胡瑞文 周清明 黎 娟

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，410128，湖南長(zhǎng)沙；2湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)開發(fā)中心，410109，湖南長(zhǎng)沙；3湖南省煙草科學(xué)研究所，410004，湖南長(zhǎng)沙）

煙稻輪作是湖南省一種常見的種植模式，該模式對(duì)協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分、減少病蟲害發(fā)生以及提高煙草和水稻的產(chǎn)質(zhì)量具有明顯的促進(jìn)作用[1]。土壤中有機(jī)質(zhì)是反映土壤肥力，特別是土壤供氮能力的重要指標(biāo)，其含量的高低對(duì)煙草的生長(zhǎng)發(fā)育、經(jīng)濟(jì)性狀和質(zhì)量有直接的影響[2-3]。劉遜等[4]對(duì)湘西植煙土壤有機(jī)質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，不同植煙土壤類型、海拔以及pH的植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量差異達(dá)顯著水平。黃新杰等[1]研究發(fā)現(xiàn)，湖南有機(jī)質(zhì)含量空間變異較為明顯，主要表現(xiàn)為湘南>湘東>湘北>湘中>湘西。向世鵬等[5]、唐春閨等[6]、鄧小華等[7]和張一揚(yáng)等[8]分別研究了湘西、長(zhǎng)沙、邵陽和靖西地區(qū)有機(jī)質(zhì)與其他養(yǎng)分的時(shí)空變異特征，發(fā)現(xiàn)植煙土壤表層有機(jī)質(zhì)含量近年來呈上升趨勢(shì)。

土壤中堿解氮、有效磷和速效鉀的豐缺狀況直接關(guān)系到烤煙質(zhì)量、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[9-10]，因此了解有機(jī)質(zhì)與速效養(yǎng)分的相互關(guān)系對(duì)烤煙生產(chǎn)和科學(xué)合理施肥具有重要的意義。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的研究主要集中在耕作層（0～20cm），關(guān)于剖面土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化及其與主要養(yǎng)分關(guān)系的研究較少。鑒于此，本研究分析比較了湘南煙區(qū)植煙土壤有機(jī)質(zhì)的垂直分布特征，并比較不同土層深度和有機(jī)質(zhì)含量下的堿解氮、有效磷和速效鉀含量，同時(shí)分析了不同土壤深度下有機(jī)質(zhì)含量與土壤堿解氮、有效磷及速效鉀含量的相關(guān)關(guān)系，旨在為湘南煙區(qū)的精準(zhǔn)施肥以及植煙土壤養(yǎng)分平衡管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

于2017年底進(jìn)行樣品采集，要求在翻耕前，同時(shí)避開雨季，選擇湘南3個(gè)主要稻作煙區(qū)，即長(zhǎng)沙、衡陽和郴州，選擇具有代表性的田塊各10個(gè)，使用50cm鉆土器（型號(hào)：QTZ-1，直徑7.5cm），按照多點(diǎn)取樣法鉆取0.0～50.0cm的土柱，將采集的每個(gè)土柱分成 0.0～10.0、10.1～20.0、20.1～30.0、30.1～40.0和40.1～50.0cm共5個(gè)土層，共采集150個(gè)土樣。

將0.0～50.0cm土層分為0.0～20.0（表土層）、20.1～30.0（亞表土層）和30.1～50.0cm（中土層），其中，表土層的數(shù)據(jù)由0.0～10.0和10.1～20.0cm土層的數(shù)據(jù)平均后得出，中土層的數(shù)據(jù)由30.1～40.0和40.1～50.0cm土層的數(shù)據(jù)平均后得出。

1.2 土壤有機(jī)質(zhì)等級(jí)劃分

參照陳江華等[11]建立的土壤主要養(yǎng)分狀況豐缺體系等級(jí)劃分，將植煙土壤有機(jī)質(zhì)的豐缺程度劃分為缺乏（＜15.00g/kg）、偏低（15.00～25.00g/kg）、適宜（25.01～35.00g/kg）、偏高（35.01～45.00g/kg）和豐富（＞45.00g/kg）5個(gè)等級(jí)。

1.3 土壤樣品前處理及指標(biāo)測(cè)定

將土壤樣品自然風(fēng)干，研磨后過50和100目篩，混勻裝瓶備用。采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量；采用擴(kuò)散吸收法測(cè)定堿解氮含量；采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷含量；采用醋酸銨浸提—火焰光度法測(cè)定速效鉀含量。測(cè)定方法參考《土壤農(nóng)化分析》[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和Origin 2018軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，采用IBM SPSS Statistics 24軟件進(jìn)行顯著性分析和線性相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 湘南土壤有機(jī)質(zhì)含量分布特征

由表1可知，湘南稻作煙區(qū)0.0～50.0cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量均值為25.80g/kg，處于適宜水平，變異系數(shù)為 58.98%，屬于中等程度變異。其中28.67%的樣本處于缺乏水平，26.00%的樣本處于偏低水平，20.67%的樣本處于適宜水平，8.67%的樣本處于偏高水平，16.00%的樣本處于豐富水平。從不同土層來看，表土層（0～20cm）有機(jī)質(zhì)含量均值為35.49g/kg，其中73.33%的樣本處于適宜及以上水平；亞表土層（20～30cm）有機(jī)質(zhì)含量均值為22.84g/kg，屬于偏低水平，變異系數(shù)為60.00%，其中 36.66%的樣本處于適宜及以上水平；中土層（30～50cm）有機(jī)質(zhì)含量均值為17.65g/kg，屬于偏低水平，變異系數(shù)為74.44%，僅有21.67%的樣本處于適宜及以上水平。以上說明，湘南煙區(qū)有機(jī)質(zhì)含量整體處于適宜水平，表土層有機(jī)質(zhì)富集化現(xiàn)象明顯，亞表土層及中土層土壤有機(jī)質(zhì)虧缺嚴(yán)重，分別有63.34%和78.33%樣本處于缺乏和偏低水平，隨著土壤加深，有機(jī)質(zhì)虧缺程度加深。

表1 湘南煙區(qū)植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量分布特征Table 1 Distribution characteristics of organic matter content in tobacco-growing soils in southern Hunan

2.2 湘南稻作煙區(qū)有機(jī)質(zhì)分區(qū)比較

由圖1可知，將長(zhǎng)沙、衡陽和郴州3個(gè)稻作煙區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量和垂直分布進(jìn)行比較，不同煙區(qū)表土層有機(jī)質(zhì)含量以郴州最高，長(zhǎng)沙最低，且郴州和衡陽的有機(jī)質(zhì)含量極顯著高于長(zhǎng)沙，分別較長(zhǎng)沙高出86.40%和62.97%；亞表土層有機(jī)質(zhì)含量以衡陽最高，長(zhǎng)沙最低，且郴州和衡陽的有機(jī)質(zhì)含量極顯著高于長(zhǎng)沙，分別較長(zhǎng)沙高出124.43%和145.26%；中土層有機(jī)質(zhì)含量以衡陽最高，長(zhǎng)沙最低，且衡陽和郴州的有機(jī)質(zhì)含量極顯著高于長(zhǎng)沙，分別較長(zhǎng)沙高出132.52%和145.12%。

圖1 不同土層有機(jī)質(zhì)含量的分區(qū)比較Fig.1 Zoning comparison of organic matter content from different soil layers

2.3 不同土層有機(jī)質(zhì)含量下的堿解氮、有效磷和速效鉀含量比較

2.3.1 表土層不同等級(jí)有機(jī)質(zhì)條件下堿解氮、有效磷和速效鉀含量的比較 由圖2可知，隨著有機(jī)質(zhì)水平的提升，堿解氮含量也隨之上升，堿解氮在不同有機(jī)質(zhì)水平下存在著極顯著性差異，其含量在有機(jī)質(zhì)含量處于25.01～35.00g/kg、35.01～45.00g/kg和＞45.00g/kg水平下分別較有機(jī)質(zhì)含量處于 15.00～25.00g/kg、25.01～35.00g/kg和 35.01～45.00g/kg水平下高出22.18、22.37和12.44個(gè)百分點(diǎn)。隨著有機(jī)質(zhì)水平的上升，有效磷含量并沒有出現(xiàn)較大幅度提升，而是維持在一個(gè)水平。隨著有機(jī)質(zhì)水平的上升，速效鉀含量表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)表土層有機(jī)質(zhì)為35.01～45.00g/kg時(shí)，速效鉀含量最高。

2.3.2 亞表土層不同等級(jí)有機(jī)質(zhì)條件下堿解氮、有效磷和速效鉀含量的比較 由圖3可知，亞表土層中，隨著有機(jī)質(zhì)水平的提升，堿解氮含量也隨之上升，且有機(jī)質(zhì)含量＞45.00g/kg和 35.01～45.00g/kg水平下存在極顯著差異，在＜15.00g/kg、15.00～25.00g/kg和25.01～35.00g/kg水平下存在顯著差異，堿解氮含量在有機(jī)質(zhì)含量處于 15.00～25.00g/kg、25.01～35.00g/kg、35.01～45.00g/kg和＞45.00g/kg水平下分別較有機(jī)質(zhì)含量＜15.00g/kg、15.00～25.00g/kg、25.01～35.00g/kg和 35.01～45.00g/kg水平下提高65.28%、30.22%、9.82%和30.60%。隨著有機(jī)質(zhì)水平的上升，有效磷含量并沒有出現(xiàn)較大幅度的變化，而是維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。隨著有機(jī)質(zhì)水平的上升，在有機(jī)質(zhì)含量＞45.00g/kg水平下速效鉀含量高于有機(jī)質(zhì)15.01～25.00g/kg和＜15.00g/kg水平，且存在著顯著性差異。在有機(jī)質(zhì)含量＞45.00g/kg水平時(shí)，速效鉀和堿解氮的含量最高。

圖3 亞表土層不同等級(jí)有機(jī)質(zhì)條件下堿解氮、有效磷和速效鉀含量的比較Fig.3 Comparison of the contents of alkali hydrolysis N, available P and available K in different grades of organic matter in sub-topsoil

2.3.3 中土層不同等級(jí)有機(jī)質(zhì)條件下堿解氮、有效磷和速效鉀含量的比較 由圖4可知，將中土層不同等級(jí)有機(jī)質(zhì)條件下堿解氮、有效磷和速效鉀的含量進(jìn)行比較，在中土層中，隨有機(jī)質(zhì)水平的提升，堿解氮含量也會(huì)隨之上升，在有機(jī)質(zhì)＞45.00g/kg水平下堿解氮含量顯著高于其他有機(jī)質(zhì)水平下的氮含量；有效磷含量并沒有出現(xiàn)較大幅度的變化，而是維持在一個(gè)水平上；速效鉀含量平穩(wěn)上升，在不同有機(jī)質(zhì)水平下存在極顯著性差異。

圖4 中土層不同等級(jí)有機(jī)質(zhì)條件下堿解氮、有效磷和速效鉀含量的比較Fig.4 Comparison of the contents of alkali hydrolysis N, available P and available K in different grades of organic matter in middle soil layer

2.4 不同土層有機(jī)質(zhì)含量與堿解氮、有效磷、速效鉀含量的相關(guān)性

2.4.1 不同土層有機(jī)質(zhì)與堿解氮的相關(guān)性 由圖5可知，不同土層中堿解氮含量隨有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加，且存在極強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.9280、0.9106和0.8815。有機(jī)質(zhì)含量與堿解氮含量在不同土層都存在極強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，且擬合優(yōu)度隨著土層深度而降低，擬合優(yōu)度最高的是表土層，R2值達(dá)到0.8612，回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度較好，符合線性加平臺(tái)模型。

圖5 不同土層土壤有機(jī)質(zhì)含量與堿解氮含量的線性相關(guān)分析Fig.5 Linear correlation analysis of soil organic matter content and alkali hydrolysis N content in different soil layers

2.4.2 不同土層有機(jī)質(zhì)含量與有效磷含量的相關(guān)性 由圖6可知，土壤有機(jī)質(zhì)與有效磷在表土層、亞表土層以及中土層中的相關(guān)系數(shù)分別為0.0529、0.3240和0.1005，P值分別為0.780、0.081和0.597，說明兩者間無顯著相關(guān)關(guān)系。

圖6 不同土層土壤有機(jī)質(zhì)含量與有效磷含量的線性相關(guān)分析Fig.6 Analysis of linear correlation between soil organic matter content and available P content in different soil layers

2.4.3 不同土層有機(jī)質(zhì)含量與速效鉀含量的相關(guān)性 由圖7可知，不同土層中速效鉀含量隨有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加，在表土層、亞表土層以及中土層中相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.4129、0.4902、0.5136。在表土層中有機(jī)質(zhì)含量與速效鉀含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，在亞表土層和中土層土壤有機(jī)質(zhì)含量與速效鉀含量呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系，隨著土壤深度增加，相關(guān)性有增強(qiáng)的趨勢(shì)。

圖7 不同土層土壤有機(jī)質(zhì)含量與速效鉀含量的線性相關(guān)分析Fig.7 Analysis of linear correlation between soil organic matter content and available K content in different soil layers

3 討論

煙稻輪作模式能夠合理協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分，減少病蟲害的發(fā)生，有利于作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)及促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。楊賢海等[13]發(fā)現(xiàn)煙稻輪作能在一定程度上阻止旱旱輪作帶來的土壤肥力下降趨勢(shì)，并且能降低煙草土傳真菌病害的傳播速度以及促進(jìn)植煙土壤的可持續(xù)利用。

生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)烤煙的植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量以中等為宜。美國植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量一般在 20～25g/kg之間，巴西和津巴布韋等國植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量一般不高于20g/kg[14]。本研究結(jié)果表明，湘南稻作煙區(qū)耕作層土壤有機(jī)質(zhì)含量處于偏高水平，其中表土層中有73.33%的樣本有機(jī)質(zhì)含量處于適宜及以上的水平，湘南植煙土壤有機(jī)質(zhì)存在著表面富集化現(xiàn)象。這可能是由于施用的有機(jī)肥、根系和留茬、秸稈等留在了耕作層，增加了耕作層的有機(jī)質(zhì)含量[15]。再者，秸稈還田等外源有機(jī)物質(zhì)的輸入對(duì)增加表層土壤有機(jī)質(zhì)含量起到了顯著作用，而底層由于受人為耕作影響較小，外源有機(jī)物質(zhì)很難進(jìn)一步往下遷移，導(dǎo)致底層有機(jī)質(zhì)不斷礦化減少[16]。本研究結(jié)果表明，在亞表土層和中土層中分別僅有 36.66%和21.67%的樣本有機(jī)質(zhì)含量處于適宜及以上水平，亞表土層和中土層土壤有機(jī)質(zhì)含量分別較表土層下降了35.64%和22.72%，可見土壤有機(jī)質(zhì)在亞表土層發(fā)生了較大幅度的下降。有研究[17-18]指出，有機(jī)質(zhì)含量過高或者過低對(duì)煙草的生長(zhǎng)發(fā)育都會(huì)產(chǎn)生不良的影響，土壤只有在有機(jī)質(zhì)含量適宜的條件下，才能生產(chǎn)出高質(zhì)量的煙葉。近些年來，湖南省耕作層土壤有機(jī)質(zhì)含量呈增加的趨勢(shì)，而表層以下有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，劉智炫等[19]研究發(fā)現(xiàn)，近年來湘南稻作煙區(qū)耕作層深度為12.6cm，明顯低于全國平均水平的 16.5cm[20]。張一揚(yáng)等[8]研究發(fā)現(xiàn)，可以通過深耕、曬垡、高起壟、降低地下水位等技術(shù)措施，加速土壤有機(jī)質(zhì)礦化。本研究通過對(duì)比3個(gè)稻作煙區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量分布特征，發(fā)現(xiàn)其在湘南3個(gè)植煙土壤之間存在顯著差異，長(zhǎng)沙煙區(qū)在不同土層的有機(jī)質(zhì)含量均為最低。唐春閨等[6]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)沙植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量在2000-2014年之間下降了8.89%，而高旭等[21]研究發(fā)現(xiàn)郴州植煙土壤有機(jī)質(zhì)在2000-2015年增加了2.59g/kg。因此，不同煙區(qū)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥婪柿顩r制定適宜烤煙生長(zhǎng)的施肥體系和管理措施。

土壤速效養(yǎng)分是不經(jīng)轉(zhuǎn)化能迅速被作物直接吸收利用的土壤營(yíng)養(yǎng)元素[22]。本研究結(jié)果表明，湘南植煙土壤有機(jī)質(zhì)與堿解氮在不同土層下均表現(xiàn)出極強(qiáng)的線性關(guān)系，這與王艷杰等[23]研究結(jié)果基本一致。煙草是喜鉀作物，鉀素的充足供應(yīng)對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)以及卷煙制品的安全性均具有重要作用，土壤速效鉀雖然只占土壤全鉀含量的2%，但被看作是反映植煙土壤鉀素豐缺的重要指標(biāo)[24-26]。有機(jī)質(zhì)含量與速效鉀含量存在著極顯著的相關(guān)關(guān)系[26-27]，土壤堿解氮隨著土壤有機(jī)質(zhì)增加而增加，且關(guān)聯(lián)系數(shù)以堿解氮最高，速效鉀次之，有效磷最低[15]，這與本研究結(jié)果較為相似。

4 結(jié)論

湘南稻作煙區(qū)植煙土壤有機(jī)質(zhì)含量均值為25.80g/kg，處于適宜水平，亞表土層有機(jī)質(zhì)含量較表土層下降了35.64%。不同地區(qū)之間，長(zhǎng)沙煙區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量在不同土層表現(xiàn)均為最低，應(yīng)當(dāng)增施有機(jī)肥來提高土壤的供肥能力，同時(shí)要通過深耕等措施來促進(jìn)表土層有機(jī)質(zhì)礦化；衡陽和郴州表土層有機(jī)質(zhì)含量偏高，要通過深耕、高起壟等措施加速有機(jī)質(zhì)礦化。土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮、速效鉀含量之間在不同土層均存在極顯著的線性關(guān)系。有機(jī)質(zhì)與速效養(yǎng)分在各土層之間的相關(guān)性均表現(xiàn)為堿解氮最強(qiáng)，速效鉀次之，有效磷最弱。在同一土層，土壤堿解氮和速效鉀隨著有機(jī)質(zhì)水平升高而升高，有效磷則受有機(jī)質(zhì)水平影響較小。