宋惠潔，朱莉英，楊延安，胡丹丹，胡惠文，柳開樓

(1.江西省紅壤研究所，江西 南昌 331717；2.鉛山縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，江西 上饒 334500； 3.進(jìn)賢縣鐘陵鄉(xiāng)人民政府，江西 南昌 331717)

0 引 言

鉀作為植物生長必需的營養(yǎng)元素之一，對植物新陳代謝、作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高都起著關(guān)鍵作用[1-2]。作物對鉀的吸收主要來源于土壤，而研究表明我國南方土壤鉀素長期處于虧缺狀態(tài)[3]。施肥特別是施用有機(jī)肥可直接提升土壤鉀素肥力和植物的吸鉀能力[4-5]，也可通過增加土壤有機(jī)碳而間接改善土壤鉀素供應(yīng)能力[6]。因此，研究土壤中碳鉀分配機(jī)制對提高我國南方丘陵區(qū)的土壤鉀的生物有效性意義重大。

柳開樓[7]研究發(fā)現(xiàn)，提升土壤有機(jī)碳含量可以顯著增加>2 mm團(tuán)聚體組分中交換性鉀和非交換性鉀的儲量及比例。Liao等[8]發(fā)現(xiàn)，去除土壤有機(jī)碳會顯著降低紅壤水稻土鉀的吸附量，不利于土壤鉀素的保持。土壤團(tuán)聚體是土壤水分和養(yǎng)分的重要儲存場所，但其結(jié)構(gòu)容易受種植方式、耕作制度及施肥等因素的影響發(fā)生崩解或分散，不利于土壤水肥的保蓄，進(jìn)而阻礙作物的生長和發(fā)育[9]。

合理的土地利用方式和作物種植制度，能夠改善土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。李春越等[10]發(fā)現(xiàn)，小麥玉米輪作相比小麥連作更能增加微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其內(nèi)部的全碳和有機(jī)碳的含量。王浩田等[11]通過研究不同年限下煙-稻輪作土壤中團(tuán)聚體的組成發(fā)現(xiàn)，宣城地區(qū)土壤中2～5 mm團(tuán)聚體的比例隨輪作年限的增加呈顯著降低的趨勢。芋頭-水稻輪作是典型的高產(chǎn)高效種植模式，不僅可以有效緩解芋頭連作產(chǎn)生的芋頭品質(zhì)變差、病蟲害加重的問題，還能通過改善土壤理化性狀而進(jìn)一步提高作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，有研究表明，水稻與芋頭輪作的年產(chǎn)值是雙季稻的3倍[12-13]。

目前，贛東北地區(qū)的芋頭-水稻輪作模式發(fā)展迅速，以該地區(qū)的鉛山縣為例，2019年鉛山縣的紅芽芋種植面積14.6萬hm2，產(chǎn)量24萬t，產(chǎn)值7.6億元以上，已成為該區(qū)的主要種植模式。同時(shí)，隨著市場需求量的加大，該模式在贛東北的面積逐年增加。然而，隨著輪作年限的延長，有機(jī)肥和秸稈還田量不斷增加，對土壤團(tuán)聚體碳鉀的影響尚不明確，因此，亟需開展系統(tǒng)研究，研究不同年限芋頭-水稻輪作下土壤肥力、土壤團(tuán)聚體組分、團(tuán)聚體中有機(jī)碳、鉀素的變化及碳鉀的相關(guān)關(guān)系，以明確土壤團(tuán)聚體碳鉀分配對芋頭-水稻輪作年限的響應(yīng)機(jī)制，為我國南方低山丘陵區(qū)土壤改良提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)在江西省上饒市鉛山縣湖坊鎮(zhèn)(117°42′23″E，28°18′19″N)進(jìn)行，地形為典型低山丘陵，屬中亞熱帶溫濕型氣候，年均氣溫17.2～19.6 ℃，年均降雨量1 700～2 100 mm，年均蒸發(fā)量1 100～1 200 mm，無霜期251～274 d，平均年日照時(shí)數(shù)1 792 h，干濕季節(jié)明顯，3～6月為雨季，7～9月為旱季。

供試土壤為水稻田，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土。當(dāng)?shù)厥羌t芽芋的主產(chǎn)區(qū)，芋頭-水稻輪作是當(dāng)?shù)氐闹饕N植模式。供試芋頭為當(dāng)?shù)刂髟约t芽芋品種(脫毒芋)，2月播種，7月采收，采用單畦雙行密植，株距30～35 cm，種植密度4.5～5.25萬株·hm-2；供試水稻品種為五優(yōu)308，6月下旬播種，7月下旬移栽，11月上中旬收獲移栽密度為27～30萬株·hm-2，株距22 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，于2020年在當(dāng)?shù)胤謩e選取芋頭-水稻輪作年限為1年、3年、5年、10年的田塊展開調(diào)查，以只種植一季水稻的田塊(CK)為對照，每個(gè)處理選擇3個(gè)田塊，田塊面積在300～2 000 m2之間。芋頭種植季基肥施用腐熟的豬糞，年施用量為1.50×104kg·hm-2，其中氮、磷、鉀含量分別為20.9 g·kg-1、8.96 g·kg-1、11.2 g·kg-1，含水量60%，氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥年施用量分別為158.0 kg·hm-2。水稻季的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥年施用量分別為63.0 kg·hm-2，水稻收割后秸稈全部粉碎還田。

1.3 樣品采集和測定指標(biāo)

于11月晚稻收獲后利用鐵鍬采集耕層土壤原狀樣品，每個(gè)田塊采集5個(gè)點(diǎn)，混勻風(fēng)干后分成2份，一份用于測定土壤肥力指標(biāo)，一份采用干篩濕篩相結(jié)合的方法進(jìn)行團(tuán)聚體分級：即先將風(fēng)干土分別過5 mm、2 mm和0.25 mm篩子，獲得>5 mm、2～5 mm、0.25～2 mm和<0.25 mm組分的樣品，然后根據(jù)各組分的比例配置成200 g的混合樣品。進(jìn)一步將200 g混合樣品利用團(tuán)聚體分析儀進(jìn)行濕篩，豎直上下震蕩50次，獲得>2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm的團(tuán)聚體組分樣品。

土壤pH采用電位法測定，土壤有機(jī)碳采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤全氮采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定，土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定，土壤全磷采用高氯酸-硫酸酸溶-鉬銻抗比色法測定，土壤有效磷采用碳酸氫鈉法測定，土壤全鉀和速效鉀采用原子吸收分光光度法測定[14]。

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理，統(tǒng)計(jì)分析采用SAS 9.1進(jìn)行，利用最小因子法進(jìn)行方差比較。團(tuán)聚體組分內(nèi)有機(jī)碳與速效鉀的相關(guān)關(guān)系采用線性方程進(jìn)行擬合，所有圖件均用Origin 8.5進(jìn)行制作。

2 結(jié)果分析

2.1 不同芋頭-水稻輪作年限下土壤肥力變化

研究表明，芋頭-水稻輪作可以改善土壤酸化現(xiàn)象，提高土壤肥力，且隨著輪作年限的延長，土壤肥力呈上升趨勢。不同輪作年限的土壤pH在4.97～5.55之間(表1)，較CK高出3.3%～15.4%，輪作1～3年變化不明顯，輪作5年后達(dá)到顯著差異；隨著輪作年限的延長，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，輪作1～10年較CK顯著增加了13.3%～36.2%(P<0.05)；隨著輪作年限的延長，除了全磷外，土壤全氮和全鉀含量都不斷增加，其中土壤全氮含量在輪作3年時(shí)顯著增加，土壤全鉀含量在輪作1年時(shí)就達(dá)到了顯著差異。土壤速效養(yǎng)分中，堿解氮和速效鉀含量在輪作1年時(shí)就顯著增加，有效磷含量增加相對緩慢，在輪作5年時(shí)達(dá)到了顯著差異。

2.2 不同芋頭-水稻輪作年限下團(tuán)聚體組分變化

不同芋頭-水稻輪作年限能改變土壤中各團(tuán)聚體組分的比例，各輪作年限均呈現(xiàn)出0.053～0.25 mm團(tuán)聚體比例最高(圖1)。>2 mm團(tuán)聚體比例隨輪作年限的延長呈不斷增加的趨勢，在輪作5年時(shí)達(dá)到顯著差異；0.053～0.25 mm團(tuán)聚體比例隨輪作年限的延長呈先增加后降低的趨勢，輪作1年時(shí)達(dá)到最高；與CK相比，<0.053 mm團(tuán)聚體比例在輪作1～5年差異不顯著，輪作10年時(shí)，顯著降低。

2.3 不同芋頭-水稻輪作年限下土壤團(tuán)聚體組分中有機(jī)碳濃度變化

各團(tuán)聚體組分中有機(jī)碳濃度隨輪作年限的延長而不斷變化(表2)。其中，>2 mm，0.25～2 mm，0.053～0.25 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳濃度隨輪作年限的延長呈上升趨勢，在輪作10年時(shí)均顯著高于CK處理，較CK分別提高了18.6%、40.9%、29.9%(P<0.05)；<0.053 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳濃度隨輪作年限的延長呈下降趨勢，在輪作5年時(shí)顯著低于CK處理，輪作5年和10年較CK處理分別降低了9.5%、32.1%(P<0.05)。

表2 芋頭-水稻輪作不同年限下土壤團(tuán)聚體組分中有機(jī)碳濃度變化Table 2 Organic carbon contents in soil aggregate components under different years of taro-rice rotation

2.4 不同芋頭-水稻輪作年限下團(tuán)聚體組分中鉀素含量變化

土壤各團(tuán)聚體組分全鉀含量隨輪作年限的延長變化趨勢有所不同(表3)。與CK處理相比，>2 mm團(tuán)聚體中全鉀含量在輪作1～3年時(shí)變化不大，輪作5年時(shí)明顯增加，較CK處理顯著增加了13.6%(P<0.05)，隨著輪作年限的延長持續(xù)增加，但增加幅度較??；0.25～2 mm、0.053～0.25 mm、<0.053 mm團(tuán)聚體中全鉀含量隨輪作年限的延長均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。

表3 芋頭-水稻輪作不同年限下土壤團(tuán)聚體組分鉀素含量變化Table 3 Potassium contents in soil aggregate components under different years of taro-rice rotation

土壤各團(tuán)聚體組分中速效鉀含量隨輪作年限的延長呈增加趨勢。與CK處理相比，>2 mm、0.053～0.25 mm、<0.053 mm團(tuán)聚體速效鉀含量均在輪作3年時(shí)顯著增加，至輪作10年時(shí)，分別較CK增加了2.24倍、1.95倍、0.93倍；0.25～2 mm團(tuán)聚體速效鉀含量均在輪作1年時(shí)顯著增加，至輪作10年時(shí)，較CK增加了1.45倍。

2.5 不同芋頭-水稻輪作年限下團(tuán)聚體組分中有機(jī)碳與速效鉀的相關(guān)關(guān)系

土壤各團(tuán)聚體組分速效鉀含量與有機(jī)碳含量相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)不同(圖2)。在>2 mm、0.053～0.25 mm團(tuán)聚體中，有機(jī)碳與速效鉀均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2分別為0.934 2和0.812 2，P<0.05)；在0.25～2 mm、<0.053 mm團(tuán)聚體中，有機(jī)碳與速效鉀關(guān)系均不顯著。

圖2 團(tuán)聚體組分中有機(jī)碳與速效鉀的關(guān)系Fig.2 Correlation between organic carbon contents and potassium contents in soil aggregates

結(jié)合線性方程的斜率發(fā)現(xiàn)，當(dāng)>2 mm團(tuán)聚體中的有機(jī)碳增加0.10 g·kg-1，速效鉀含量提高3.30 mg·kg-1；而當(dāng)0.053～0.25 mm團(tuán)聚體中的有機(jī)碳增加0.10 g·kg-1，速效鉀含量可以增加1.36 mg·kg-1。

3 討論

長期作物連作是造成土壤養(yǎng)分不均衡、作物生育障礙的重要因素，合理輪作是緩解土壤養(yǎng)分失衡、調(diào)節(jié)作物營養(yǎng)吸收的重要手段。本研究表明，芋頭-水稻輪作可以緩解土壤酸化程度，提升土壤肥力，且隨著輪作年限的延長，土壤pH不斷增加，土壤肥力也呈上升趨勢。這與很多人的研究結(jié)果相似，但是與不輪作相比，芋頭-水稻長期輪作導(dǎo)致的土壤有機(jī)碳等肥力指標(biāo)的增加幅度與其他的輪作試驗(yàn)研究有所差異。楊瓊會[15]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田下，稻-油輪作和稻-麥輪作14年土壤有機(jī)碳含量分別較開始時(shí)增加了3.42倍和1.89倍，而羅茜[16]通過對涼山烤煙-蕎麥輪作模式的研究發(fā)現(xiàn)，隨著輪作年限的延長，土壤有機(jī)碳含量沒有明顯變化。本試驗(yàn)中，輪作1-10年土壤有機(jī)碳含量較CK增加了13.3%～36.2%，各輪作試驗(yàn)土壤有機(jī)碳含量增加幅度各不相同，可能與有機(jī)肥和秸稈還田量、氣候條件和土壤性質(zhì)等存在差異有關(guān)。

土壤團(tuán)聚體作為土壤儲存養(yǎng)分的主要場所，其養(yǎng)分保持、供應(yīng)能力直接反映了土壤質(zhì)量的好壞[17-18]。不同粒級的團(tuán)聚體中營養(yǎng)元素的含量及分布狀況不同，有研究表明，相比于微團(tuán)聚體，大團(tuán)聚體含有更多的有機(jī)碳且其有機(jī)碳更容易礦化[19-20]。Puget等[21]研究發(fā)現(xiàn)，隨著外源新碳施用量的增加，團(tuán)聚體粒徑越大，團(tuán)聚體中新碳的比例越高。在本研究中，隨著輪作年限的延長，>2 mm團(tuán)聚體組分比例不斷增加，且團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量也表現(xiàn)為上升趨勢，原因主要是芋頭-水稻輪作每年都會施用有機(jī)肥和秸稈還田。因此，隨著輪作年限的延長，土壤中有機(jī)碳投入和秸稈鉀歸還量越來越大，進(jìn)而影響土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分。長期定位試驗(yàn)也表明，有機(jī)肥和秸稈還田是提高土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳[22]和鉀素[23]的重要措施。此外，長期芋頭-水稻輪作導(dǎo)致的土壤pH變化也可能是團(tuán)聚體組分中鉀素變化的原因之一[24]。同時(shí)，土壤有機(jī)碳含量與鉀素供應(yīng)能力密切相關(guān)，有機(jī)碳可以調(diào)控土壤鉀素形態(tài)和含量[25-27]。本研究發(fā)現(xiàn)，>2 mm、0.053～0.25 mm團(tuán)聚體組分中，有機(jī)碳與速效鉀含量均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，尤其是>2 mm團(tuán)聚體，其有機(jī)碳增加0.10 g·kg-1時(shí)，速效鉀含量增幅最大，原因一方面可能是>2 mm、0.053～0.25 mm團(tuán)聚體比例較高，對養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)速率較快[28]，這說明，輪作年限可以通過改變土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響團(tuán)聚體中養(yǎng)分的含量和分布。另一方面，不同團(tuán)聚體組分中微生物群落的差異也可能導(dǎo)致團(tuán)聚體碳鉀關(guān)系發(fā)生變化[29]，但具體原因還有待進(jìn)一步分析。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，輪作1-3年時(shí)，大團(tuán)聚體中土壤全鉀含量相對較低，因此，生產(chǎn)上可以考慮在輪作初期，適當(dāng)增加外源鉀肥的投入，以保證作物的吸鉀量。

4 結(jié)論

在我國贛東北地區(qū)，芋頭-水稻輪作可以改善土壤酸化程度，提升土壤肥力，且隨著輪作年限的延長，土壤肥力呈上升趨勢。隨著輪作年限的延長，大團(tuán)聚體(>2 mm)比例及其有機(jī)碳濃度、鉀素含量也不斷增加，而當(dāng)輪作年限較短時(shí)，則建議適當(dāng)增加外源鉀肥投入，進(jìn)而滿足作物鉀素吸收。>2 mm團(tuán)聚體中鉀素含量和有機(jī)碳濃度表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)有機(jī)碳濃度增加0.10 g·kg-1時(shí)，速效鉀含量可提高3.30 mg·kg-1，從而有效供應(yīng)作物鉀素吸收。