陸 峰，廖超林，肖志鵬，石 剛，向鵬華，禹保成，單雪華，夏 凡

（1湖北中煙工業(yè)有限責任公司，武漢 430051；2湖南農業(yè)大學，長沙 410128；3衡陽市煙草公司，湖南衡陽 421000）

0 引言

中國南方紅壤丘陵區(qū)面臨巨大的資源-環(huán)境-人口壓力，中低產田比例大，耕地質量退化嚴重，制約了區(qū)域農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。紅壤丘陵區(qū)廣布的紅壤性水稻土面臨土壤養(yǎng)分失衡、土壤結構退化、酸化等土壤質量問題[2]。人為管理措施諸如耕作措施、種植模式及施肥等直接地決定和影響著耕地土壤的肥力特征、土壤結構狀況及作物生長發(fā)育[3]。土壤團聚體是土壤養(yǎng)分的“儲藏庫”，其數(shù)量的多少一定程度上反映了土壤供儲養(yǎng)分能力和肥力水平的高低[4]；同時，土壤團聚體亦是土壤結構的基本單元，在土壤中發(fā)揮著調節(jié)“水、肥、氣、熱”、改善生物活性和保持疏松土層的重要作用，是評價土壤肥力的重要指標之一[5]。因此，研究種植模式對土壤團聚體特征的影響，對紅壤性水稻土退化防治及農業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。

煙-稻復種連作是中國紅壤丘陵區(qū)主要的種植模式之一，在促進耕地集約利用和農業(yè)持續(xù)發(fā)展及農村脫貧攻堅中發(fā)揮了長期而重要的作用[6]。然而，任何一項單一的耕作措施都是“雙刃劍”，對土壤均具有有利和有弊的作用，長期地采用單一耕作措施對土壤及作物的生長發(fā)育并不是十分有利[7]。諸多研究表明，煙草是一種忌連作作物[8]，長期煙-稻復種連作造成土壤結構退化、土壤養(yǎng)分失調和土傳病害常發(fā)等土壤障礙問題，影響煙草正常的生長發(fā)育，降低烤煙產量和品質[9]?？緹熯B作障礙主要來自土壤[10]，土壤連作障礙的研究主要集中于土壤養(yǎng)分失調、自毒作用、土壤環(huán)境及微生物區(qū)系發(fā)生變化[11-12]等，但連作植煙對土壤團聚體分布及其穩(wěn)定性的影響研究少見。本研究采用時空替代法、相關及冗余分析等技術方法，在耒陽市煙區(qū)采集不同煙-稻復種連作年限的紅壤性水稻土，分析土壤團聚體分布及穩(wěn)定性的變化特征及其與土壤理化性狀的關系，明確煙-稻復種連作對紅壤性水稻土團聚體及其穩(wěn)定變化的影響及其關鍵影響因素，以期為紅壤性水稻土質量保育和退化防治提供資料。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

研究區(qū)位于湖南典型紅壤丘陵區(qū)的耒陽市煙區(qū)(26°39′33″N，113°2′59″E)。區(qū)內煙田耕作制度為煙-稻輪作，肥料由當?shù)責煵莨咎峁?，煙農均通過當?shù)責煵莨炯夹g員培訓，按照當?shù)貎?yōu)質煙葉生產技術進行栽培管理。在集中連片的烤煙種植單元，經查閱煙葉合作社烤煙種植記錄及入戶調查基礎上，確定研究區(qū)農田煙-稻連作年限后；于煙田翻耕前，根據地形特點及田塊形狀及土壤環(huán)境一致的原則，按照時空替代法，分別選取1～20年及以上煙-稻復種連作(YDLZ)田塊，按梅花形五點法取耕作層(0～20 cm)原狀土樣，對照0年(0a)為研究區(qū)未植煙且稻-稻連作(DDLZ)5年及以上的稻田土樣。將采集的土樣按YDLZ年限0、(0～5)、(5～10)、(10～15)、(15～20)、＞20年分為6組（下同，不再加范圍符號），各組土樣數(shù)量分別為13、16、14、13、12、8個；共采集土樣76個。將采集好的原狀土樣（重約1 kg）裝入方鋁盒編號后，保持原狀結構帶回實驗室自然風干。自然風干至土壤含水量到達土壤塑限（約為22%～25%）時，沿著自然縫隙將其掰成1 cm3左右的土塊，并挑出礫石、侵入體及植物殘體等。

1.2 分析方法

土壤團聚體測定采用薩維諾夫法[13]，使用干篩法得到各粒級團聚體，按比例配成濕篩法所需土樣的質量，將配置好的土樣放置于團聚體分析儀套筒內（孔徑自上而下依次為 5、3、2、1、0.5、0.25 mm），緩緩向套筒內加入蒸餾水至淹沒過土壤，震動頻率為30次/min，振蕩時間5 min，然后用烘干法測得每個粒徑等級土壤的重量。

部分原狀土樣碾磨過篩，用于土壤有機質等理化指標分析，依據文獻[14]采用常規(guī)分析方法測定土壤理化指標。

1.3 數(shù)據處理與分析方法

土壤團聚體穩(wěn)定性指標計算公式如式(1)～(2)所示[15]。

式中：MWD為團聚體重量平均直徑；GMD為團聚體幾何平均直徑；Wi為各粒級團聚體質量百分數(shù)(%)；Xi為某級團聚體的平均直徑(mm)。

土壤分形維數(shù)(D)采用楊培嶺等土壤顆粒分形模型[16]，如式(3)所示。

式中：W0是全部粒級土粒質量之和(g)；Wi是直徑小于di土粒的累積質量(g)；為最大粒級團聚體的平均直徑(mm)；為兩篩分粒之間粒徑的平均值(mm)。

采用Excel 2021和SPSS 20.0軟件進行數(shù)據處理和統(tǒng)計分析；單因素方差分析，Duncan’s法顯著性檢驗(P＜0.05)，比較處理間差異；以Pearson法進行相關性分析。運用Canaco 5軟件進行土壤團聚體穩(wěn)定性與土壤理化性狀的冗余分析(RDA)。

2 結果與分析

2.1 煙-稻復種連作對土壤團聚體組成的影響

不同YDLZ年限土壤團聚體組成如表1。相較于DDLZ土壤，YDLZ的紅壤性水稻土＞5 mm團聚體含量顯著降低；其中煙-稻復種連作5～10年(YDLZ5～10)的土壤＞5 mm團聚體含量降幅最大，達到28.48%，煙-稻復種連作＞20年(YDLZ＞20)的土壤降幅最少，為14.33%。相較于DDLZ土壤，YDLZ的紅壤性水稻土＜0.25 mm團聚體含量則顯著升高，其中YDLZ5～10的土壤＜0.25 mm團聚體含量升高幅度最大，達到165.75%，煙-稻復種連作 15～20 年(YDLZ15～20)的土壤升高幅度最少，為44.41%；其他粒徑團聚體的含量中，除煙-稻復種連作0～5年(YDLZ0～5)的土壤 5～3 mm團聚體、YDLZ15～20的土壤2～1 mm團聚體及煙-稻復種連作 10～15 年(YDLZ10～15)的土壤 0.5～0.25 mm 團聚體含量顯著升高外，不同煙-稻復種連作年限的土壤團聚體含量差異不顯著。說明YDLZ導致紅壤性水稻土＞5 mm大團聚體破壞而減少，＜0.25 mm團聚體含量升高。

表1 不同煙-稻復種連作年限土壤團聚體組成 %

2.2 煙-稻復種連作對土壤團聚體穩(wěn)定性指標的影響

不同YDLZ年限紅壤性水稻土團聚體大小如圖1?？梢钥闯?，不同YDLZ年限的紅壤性水稻土團聚體MWD和GMD表現(xiàn)出相同的變化特征；相較于DDLZ土壤，YDLZ的紅壤性水稻土團聚體MWD和GMD均顯著降低，其中YDLZ5～10土壤的團聚體MWD和GMD降幅最大，分別顯著降低了21.92%和40.19%；其他復種連作年限間土壤的MWD和GMD差異不顯著。相較于DDLZ土壤，分形維數(shù)(D)則顯著增加（圖2），其中YDLZ5～10土壤D顯著增加11.02%，其他復種連作年限土壤D增加幅度在4.24%和7.62%之間。說明煙-稻復種連作顯著降低紅壤性水稻土團聚體MWD和GMD，提高分形維數(shù)。

圖1 不同煙-稻復種連作年限團聚體大小

圖2 不同煙-稻復種連作年限團聚體分形維數(shù)

2.3 煙-稻復種連作對土壤顆粒組成的影響

煙-稻復種連作土壤機械組成如表2。YDLZ對紅壤性水稻土的影響主要集中于0.25～0.05 mm的細砂粒、0.02～0.002 mm的細粉粒及＜0.002 mm的粘粒；相對于DDLZ土壤，YDLZ年限＞10年的土壤細砂粒顯著降低；細粉粒含量則在YDLZ年限＞10年的土壤中顯著升高，而粘粒含量除在YDLZ年限為5～10年階顯著降低外，其他在YDLZ年限的土壤間差異不明顯。

表2 不同煙-稻復種連作年限土壤機械組成 %

2.4 煙-稻復種連作年限對土壤主要肥力指標的影響

土壤主要肥力指標如表3。相較于DDLZ，YDLZ年限＞5年的紅壤性水稻土pH顯著降低，降低比率為2.55%～20.86%，而全磷和全鉀含量顯著升高，升高比率分別為14.77%～48.46%和36.85%～99.61%；同時YDLZ導致有機質及全氮顯著降低，降低比率分別為7.76%～18.13%和6.35%～24.08%。說明YDLZ對紅壤性水稻土主要肥力指標產生差異性影響。

表3 不同煙-稻復種連作年限土壤主要肥力指標

2.5 團聚體及其穩(wěn)定性與土壤理化性狀的關系

2.5.1 團聚體與土壤理化性狀的相關性分析 土壤團聚體及其穩(wěn)定性指標與土壤理化性狀相關關系表明（表4），不同粒徑團聚體中，＞5 mm團聚體含量分別與土壤有機質和＜0.002 mm的粘粒含量呈顯著正相關關系，＜0.25 mm團聚體含量則相反；同時1～0.5 mm和0.5～0.25 mm團聚體含量均分別與粘粒呈顯著負相關關系。團聚體穩(wěn)定性指標中，MWD和GMD均分別與土壤有機質、全氮＜0.002 mm的粘粒含量呈顯著正相關關系；分形維數(shù)D則與前述指標呈顯著負相關。

表4 土壤穩(wěn)定性指標與土壤理化性狀的Pearson相關

2.5.2 團聚體與土壤理化性狀的冗余分析 土壤團聚體穩(wěn)定性與團聚體分布冗余分析(RDA)結果如圖3(a)，2個排序軸解釋了總變異的99.81%，反映了土壤團聚體分布對團聚穩(wěn)定性的絕大部分信息，其中＞5 mm(98.1%，F(xiàn)=131，P=0.002)、＜0.25 mm(83.7%，F(xiàn)=82.5，P=0.002)團聚體的向量權重最大，是引起團聚體穩(wěn)定性變化的主導團聚體粒徑。圖3(b)的土壤機械組成及養(yǎng)分對團聚體穩(wěn)分布影響顯示，RDA 2個排序軸解釋了團聚體分布總變異的87.04%，能反映土壤機械組成、土壤養(yǎng)分對團聚體穩(wěn)分布影響的絕大部分信息，其中 ＜0.002 粘 粒 (68.6% ，F(xiàn)=36.4，P=0.002)、有機質(65.3%，F(xiàn)=32.8，P=0.002)的向量權重最大，是引起團聚體分布變化的主導理化指標。

圖3 土壤團聚體分布與團聚體穩(wěn)定性(a)及土壤理化性狀與團聚體分布(b)的冗余分析

3 結論

煙-稻復種連作導致紅壤性水稻土＞5 mm團聚體含量顯著減少，而＜0.25 mm團聚體含量顯著增加，且MWD和GMD顯著降低，而分形維數(shù)D顯著升高，土壤團聚體穩(wěn)定性降低；對團聚體粒徑分布及團聚體穩(wěn)定性影響較大的煙-稻復種連作年限段為5～10年。煙-稻復種連作的紅壤性水稻土有機質和粘粒含量是引起團聚體分布變化的關鍵指標，＞5 mm和＜0.25 mm土壤團聚體含量主導了團聚體穩(wěn)定性變化；煙-稻復種連作引起紅壤性水稻土有機質和粘粒含量變化，主要導致＞5 mm團聚體含量的減少，＜0.25 mm團聚體含量增加，從而土壤團聚體穩(wěn)定性降低。

4 討論

4.1 煙-稻復種連作對土壤團聚體組成及穩(wěn)定性的影響

土壤團聚體MWD、GMD和D是評價團聚體粒徑分布及穩(wěn)定性的重要參數(shù)，MWD和GMD越大，D值越小，表明其大團聚體含量越高，土壤結構穩(wěn)定性越好[17-18]。種植模式、施肥及耕作方式等影響土壤有機質含量、機械組成和養(yǎng)分循環(huán)等土壤理化性狀，從而影響土壤團聚體分布及其穩(wěn)定性[19-20]。本研究表明，相對DDLZ，YDLZ的紅壤性水稻土＞5 mm的團聚體含量顯著減少，而＜0.25 mm的微團聚體含量顯著升高；且以YDLZ5～10的土壤＞5 mm和＜0.25 mm團聚體含量分別降低和升高幅度最大；同時，YDLZ的紅壤性水稻土團聚體穩(wěn)定性指標MWD和GMD均顯著低于DDLZ的土壤，而分形維數(shù)D則顯著升高，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。說明YDLZ顯著降低紅壤性水稻土團聚體粒徑分布及團聚體穩(wěn)定性，且以YDLZ5～10對土壤團聚體粒徑分布及穩(wěn)定性影響最大。

4.2 煙-稻復種連作土壤團聚體特征與理化指標的關系

土壤機械組成、有機質等基本屬性影響土壤團聚體分布及穩(wěn)定性。本研究表明，土壤有機質和＜0.002 mm的粘粒含量分別與＞5 mm團聚體含量、MWD和GMD呈顯著正相關關系，與分形維數(shù)D則呈顯著負相關。說明YDLZ的紅壤性水稻土有機質及＜0.002 mm的粘粒促進大團聚體的形成，提高團聚體穩(wěn)定性。結果與廖超林等[21]一致。這是因為土壤有機質是土壤團聚體主要膠結劑，土壤有機質的增加可促進團粒結構形成及增加團聚體穩(wěn)定性[22]；土壤粘粒則具有膠體性質，往往通過內聚力等作用團聚為微團聚體，為大團聚的形成提供了條件[23]。進一步運用冗余分析解析YDLZ的紅壤性水稻土中引起團聚體分布及其穩(wěn)定性變化的主導理化因子。土壤有機質和粘粒含量分別是引起團聚體分布變化的關鍵指標；且土壤＞5 mm團聚體含量與土壤有機質和＜0.002 mm的粘粒含量呈顯著正相關，而＜0.25 mm團聚體含量相反；說明土壤有機質和粘粒含量變化，主導了＞5 mm及＜0.25 mm團聚體含量的變化。同時冗余分析顯示，＞5 mm和＜0.25 mm的團聚體分別是引起團聚體穩(wěn)定變化的關鍵指標，說明YDLZ的紅壤性水稻土中＞5 mm和＜0.25 mm土壤團聚體含量的變化，主導了團聚體穩(wěn)定性變化。因此，可以認為YDLZ引起紅壤性水稻土土壤有機質和粘粒含量變化，主要導致＞5 mm團聚體含量的減少，＜0.25 mm團聚體含量增加，進而導致土壤團聚體穩(wěn)定性降低。