摘要：以四川省廣元市昭化區(qū)不同連作年限（0、8、10、27、33年）植煙土壤為研究對象，采用濕篩法、有機碳物理分組、紅外光譜技術分析長期烤煙連作對土壤團聚體有機碳結構與穩(wěn)定性的影響。結果表明，隨連作年限的增長，gt;2.000 mm 粒級團聚體的比例先減后增，連作27 年達到最低值，≤0.053 mm粒級呈相反趨勢；團聚體穩(wěn)定性指標GMD、MWD、R_0.25均在連作0年時出現(xiàn)最大值，連作27年時出現(xiàn)最小值；SOC含量在連作8年時最低，連作33年時最高，總體表現(xiàn)為連作33年gt;0年gt;10年gt;27年gt;8年；各連作年限土壤均表現(xiàn)為gt;2.000 mm、gt;0.250～2.000 mm團聚體的有機碳對總有機碳的貢獻率最高，≤0.053 mm粒級貢獻率在不同連作年限間存在顯著差異；不同連作年限對顆粒有機碳（POC）影響顯著，對礦物結合態(tài)有機碳（MOC）影響不顯著；0～27年間，隨連作年限的增加，脂肪類官能團相對吸收峰的強度增加，脂肪類與芳香類吸收峰相對強度的比值增大。綜上，烤煙長期連作會導致土壤中大團聚體的比例減少，團聚體穩(wěn)定性下降，≤0.053 mm粒級有機碳含量與對總有機碳的貢獻率發(fā)生顯著變化，有機質結構趨于簡單化。

關鍵詞：烤煙；長期連作；團聚體有機碳；紅外光譜；有機碳穩(wěn)定性

中圖分類號：S344.4；S572.061 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）21-0260-06

收稿日期：2023-11-14

基金項目：中國煙草總公司四川省公司科技項目（編號：SCYC202106）；四川省重點開發(fā)項目（編號：2021YFN0125）。

作者簡介：陳玉冰（1999—），女，廣西賀州人，碩士研究生，主要從事土壤環(huán)境與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究。E-mail：maizechen292@163.com。

通信作者：俞世康，碩士，農(nóng)藝師，主要從事煙草科學與工程技術研究。E-mail：ysk_scycgy@163.com。

土壤團聚體穩(wěn)定性是影響土壤活力和作物生產(chǎn)的重要土壤性質，同時受土壤自身性質（顆粒組成、交換性陽離子組成、有機無機膠結物等）與外界因素（植被類型、環(huán)境變化、人類生產(chǎn)活動等）影響^［1-2］。常用的評價指標包括幾何平均直徑（GMD）、平均重量直徑（MWD）、gt;0.250 mm水穩(wěn)性團聚體百分比（R_0.25）等。土壤團聚體與有機碳之間存在緊密的聯(lián)系。以往研究表明，土壤團聚體的退化可能與長期耕作導致有機質流失有關，有機物的輸入相對較快地與礦物結合，轉化為大團聚體中的微團聚體，因此受到物理保護，減緩了分解速率^［3］。土壤中有機質的結構同樣影響團聚體形成和有機碳固存?，F(xiàn)代團聚體模型指出，后進入土壤的富碳植物殘體形成并穩(wěn)定了大團聚體，而先進入土壤的有機碳則封閉在微團聚體中；最終黏土礦物與腐殖質化合物互相作用，決定了微團聚體中有機碳的周轉和停留時間^［4］。Blanco等研究指出，輸入土壤的植物殘體重量和數(shù)量決定有機碳的總量，植物殘體的性質（碳氮比、木質素含量、酚類化合物含量）影響有機碳的固存速率^［5］。

全球環(huán)境研究中，土地利用的變化和不可持續(xù)的農(nóng)業(yè)管理是造成水土流失、土壤退化的主要原因^［6］。不同的土地利用方式或種植模式都可能使土壤團聚體、有機碳含量及其化學成分發(fā)生變化^［7］。連作已成為現(xiàn)代集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最常見的制度；然而連作模式在應用幾年之后，往往會出現(xiàn)連作障礙^［8］。烤煙為典型的忌連作作物，長期烤煙連作會改變土壤性狀、微生物區(qū)系，導致煙株的產(chǎn)質量降低^［9］。張世祺等研究表明，涼攀地區(qū)土壤植煙0～5年，水穩(wěn)性團聚體被顯著破壞；隨著植煙年限增加，各粒級團聚體的有機碳含量顯著降低，且呈現(xiàn)均質化^［10］。王珊等指出，煙草種植初期，土壤團聚體穩(wěn)定性最好；隨著連作年限增加，團聚體穩(wěn)定性指標平均重量直徑、幾何平均直徑降低，分形維數(shù)、破壞率增大^［11］。黃容等通過對四川涼攀區(qū)不同植煙年限下土壤酚酸類物質含量分布研究發(fā)現(xiàn)，植煙土壤的酚酸類物質含量明顯高于未植煙土壤，且酚酸類物質在土壤中的累積隨植煙年限的增加而增加^［12］。

四川省廣元市為長期種植煙區(qū)，其連作障礙嚴重影響土壤的活力與經(jīng)濟效益。該區(qū)域現(xiàn)有的研究多集中于團聚體有機碳含量，鮮見化學結構表征方面的研究。本研究以四川省廣元市昭化區(qū)煙草不同連作年限土壤為研究對象，利用物理分組與紅外光譜技術，探究煙草不同連作年限對土壤團聚體穩(wěn)定性、有機碳含量及組分、有機質化學結構特征的影響，以期為解決該區(qū)域煙草連作障礙提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地概況

試驗樣地位于四川省廣元市昭華區(qū)內(nèi)，地理坐標為31°53′41″～32°23′27″N、105°33′59″～106°07′20″E，屬亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，常年日照時數(shù)為1 389.1 h，晝夜溫差極大，降水空間分布不均，南多北少，季節(jié)性降水明顯，集中在夏秋2季。該區(qū)域屬盆地丘陵向山區(qū)過渡地帶，地形地貌以中低山為主，平均海拔900 m。境內(nèi)大部分地區(qū)屬白堊系地質層，由礫巖、砂巖、泥巖互層組成，巖性變化較大。樣地每年施煙草專用復合肥（總養(yǎng)分含量≥50%，硝態(tài)氮含量占總氮含量百分率≥40%）600 kg/hm²，有機肥（有機質含量≥45%，N+P₂O₅+K₂O含量≥5%）300 kg/hm²，煙草專用追施肥料（總養(yǎng)分含量≥42%）510 kg/hm²。按照當?shù)責熑~生產(chǎn)技術規(guī)范進行栽培管理。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集與制備

于2021年4月，選擇烤煙連作年限分別為0、8、10、27、33年的耕地數(shù)塊，采用梅花狀混樣方式采集0～20 cm耕層土樣。采集的土壤樣品置于硬質塑料盒內(nèi)，帶回實驗室后，沿土壤自然裂縫掰成直徑8 cm左右的土塊。樣品自然風干后，用于土壤基本理化性質及團聚體有機碳的測定。不同連作年限下土壤基本理化性質如表1所示。

1.2.2 樣品分析方法

土壤團聚體采用濕篩法進行分離，粒級分為gt;2.000 mm、gt;0.250～2.000 mm、gt;0.053～0.250 mm、≤0.053 mm；顆粒有機碳（POC）、礦物結合態(tài)有機碳（MOC）含量采用六偏磷酸鈉進行提取分離，土壤總有機碳含量與顆粒有機碳（SOC）含量的差值即為礦物有機碳含量^［13］。土壤總有機碳含量與團聚體有機碳含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定，土壤基本理化性質參照《土壤農(nóng)化分析》^［14］ 測定。

土壤有機碳結構采用傅里葉紅外光譜儀進行分析測定。土壤樣品烘干后按1∶100的稀釋比例與KBr在瑪瑙研缽中充分研磨混勻，壓制成片后進行儀器分析。儀器光譜掃描范圍設置為4 000～500 cm^-1，分辨率為4，掃描次數(shù)為32次。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

gt;0.250 mm水穩(wěn)性團聚體占比R_0.25、平均重量直徑MWD、幾何平均直徑GMD計算公式分別為：

R_0.25=m/M；（1）

MWD=∑n/i=1x_iw_i；（2）

GMD=e^∑n/i=1x_i^lnw_i^/∑n/i=1w_i。（3）

式中：m為gt;0.25 mm粒級團聚體重量，g；M為團聚體總重量，g；w_i表示第i級團聚體所占的重量百分比；x_i表示第i級團聚體的平均直徑，mm；n表示有n級團聚體。

各粒級團聚體有機碳對土壤總有機碳的貢獻率計算公式如下：

Con_i=W_SAOCi×W_Ai/W_SOC×100%。（4）

式中：Con_i為第i級團聚體有機碳貢獻率；W_SAOCi 為第i級團聚體有機碳含量，g/kg；W_Ai為第i級團聚體百分含量；W_SOC為土壤總有機碳含量，g/kg。

所得數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析應用IBM SPSS Statistics軟件，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）比較不同處理間的差異，LSD法檢驗差異顯著性（α=0.05），Pearson法進行相關性分析。應用Origin 軟件進行作圖分析。

2 結果與分析

2.1 不同連作年限下土壤團聚體穩(wěn)定性

不同植煙年限對土壤團聚體的分布具有顯著影響（圖1）。未植煙土壤＞2.000 mm粒級團聚體含量最高，為37.43%。與之相比，連作8、10、27年的土壤＞2.000 mm粒級團聚體含量依次降低，其中連作27年的土壤達到最低水平（21.07%），降幅為43.7%。除連作33年外，隨著烤煙連作年限的增加，＞2.000 mm粒級團聚體含量呈現(xiàn)降低趨勢，而gt;0.250～2.000 mm、gt;0.053～0.250 mm粒級團聚體含量無顯著變化，≤0.053 mm粒級團聚體含量在連作27年時顯著升高。

不同植煙年限對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響以GMD、MWD、R_0.25為指標進行分析，結果如表2所示。3個穩(wěn)定性指標均在連作0年時出現(xiàn)最大值；連作27年時出現(xiàn)最小值。連作8、10年時，穩(wěn)定性指標依次下降，但與連作0年土壤差異不顯著。連作27年時，GMD、MWD、R_0.25值相較未種植土壤大幅下降，降幅分別為51.82%、34.62%、22.08%，土壤團聚體穩(wěn)定性顯著減弱。除連作33年外，種植年限的增加對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響與對gt;2.000 mm粒級團聚體含量的影響相同，都呈下降趨勢。

2.2 不同連作年限下土壤團聚體有機碳分布

不同連作年限土壤SOC含量總體表現(xiàn)為33年gt;0年gt;10年gt;27年gt;8年（表3）?？緹煼N植8年后，SOC含量較未種植土壤下降25%，達最低值5.88 g/kg，兩者之間差異顯著。連作年限為10、27年時，SOC含量相較連作8年只略微升高；但連作33年后，SOC含量恢復至未植煙水平。各連作年限土壤gt;2.000 mm、gt;0.250～2.000 mm、gt;0.053～0.250 mm、≤0.053 mm團聚體的有機碳含量變化范圍分別為5.98～7.69、6.83～8.27、5.19～7.14、5.14～8.19 g/kg。除≤0.053 mm粒級外，其他粒級有機碳含量在各連作年限間無顯著差異。≤0.053 mm 粒級有機碳含量的變化趨勢與SOC變化趨勢相似，在連作8年時達到最低水平，顯著低于未植煙土壤；連作10、27年時該指標無顯著變化。

不同連作年限土壤團聚體對總有機碳的貢獻率如表4所示。除連作33年外，其余連作年限的土壤均以gt;0.250～2.000 mm粒級團聚體有機碳對總有機碳的貢獻率最高，為38.06%～42.78%；其次為gt;2.000 mm粒級團聚體，說明植煙土壤有機碳主要儲存于gt;2.000 mm、gt;0.250～2.000 mm粒級團聚體中。gt;2.000 mm、gt;0.250～2.000 mm、gt;0.053～0.250 mm粒級團聚體有機碳對SOC的貢獻率對連作年限變化的響應不敏感，各連作年限間均無顯著差異。各土壤≤0.053 mm團聚體有機碳對SOC的貢獻率大小為27年gt;8年gt;10年gt;0年gt;33年，其中連作0、33年與連作8、27年之間差異顯著，連作10年與其余4個年限均無顯著差異。

如圖2所示，連作8年植煙土壤的POC含量下降28.72%；隨著連作年限增長，POC含量波動上升，連作33年時顯著高于連作8年。不同連作年限植煙土壤的MOC含量雖無顯著差異，但隨連作年限的增長呈先降后升的趨勢；與POC含量相同，在連作8年時達到最低值，相較未植煙土壤下降28.17%。

2.3 不同連作年限土壤有機碳結構特征

由圖3可知，不同連作年限土壤的紅外光譜吸收峰位置基本一致，主要的峰出現(xiàn)在3 626、3 413、2 950、1 637、1 027 cm^-1。3 705～3 125 cm^-1為羧酸、酚醇類化合物—OH的伸縮振動，2 950～2 870 cm^-1 為脂肪族化合物—CH₂、—CH₃的伸縮振動，1 650～1 430 cm^-1為芳香族化合物—CC以及部分酰胺—NH、—CO的伸縮振動，1 170～1 000 cm^-1 為纖維素、糖類等碳水化合物—C—O及少部分硅酸鹽礦物—Si—O—Si的伸縮振動^［15］。波數(shù)1 000～500 cm^-1區(qū)域內(nèi)的吸收峰為各種有機-礦物特征峰相互重疊干擾，不作實際參考^［16］。

根據(jù)紅外光譜各吸收峰相對強度（表5），可判斷不同連作年限土壤有機質中各物質含量為多糖類（1 027 cm^-1）gt;酚醇類（3 626、3 413 cm^-1）gt;芳香類（1 637 cm^-1）gt;脂肪類（2 950 cm^-1）。脂肪類化合物吸收峰相對強度隨連作年限的增加呈先增后降的趨勢，連作8、10、27年土壤相比非連作土壤分別增長4.35%、8.70%、23.91%。芳香類吸收峰相對強度在不同連作年限間變化較小。脂肪類與芳香類吸收峰相對強度的比值可反映物質的脂肪化程度，其值越高，表明物質相對存在越多的脂肪族側鏈和越少的芳香核結構，即物質結構越簡單，相對較易分解。脂肪類與芳香類吸收峰相對強度的比值隨連作年限增加的變化趨勢與脂肪類化合物相同，連作8、10、27年土壤相比未連作土壤分別增長1.62%、9.67%、25.42%。

3 討論

土壤的物理結構在土壤實現(xiàn)糧食生產(chǎn)、水分保

持、有機碳固存等功能的過程中起著至關重要的作用。 集約化的土地使用和不恰當?shù)霓r(nóng)業(yè)管理方式，導致土壤結構的穩(wěn)定性下降^［17］。在本研究中，隨著烤煙連作年限的增加，土壤中大團聚體（gt;2.000 mm）所占比例逐年減少，連作27年達到最低值，在連作33年恢復至未植煙水平。連作0～27年間，團聚體穩(wěn)定性指標GMD、MWD、R_0.25逐年減小，團聚體穩(wěn)定性下降，連作33年相較27年有所回升，團聚體穩(wěn)定性有恢復趨勢，這與張世祺等研究中不同植煙年限對紫色土團聚體穩(wěn)定性的影響結果^［10］一致。長期連續(xù)的煙草種植使得土地的耕作強度較高，人為擾動較為劇烈，導致土壤大團聚體受到破壞，所占比例減少^［18］。當土地種植物種變得單一時，土壤生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性可能會趨于簡單，地表有機質的種類與重量下降，不利于團聚體膠結物質（根系和微生物分解物、菌絲體等）的形成^［19］。Novelli等的研究也指出，當土壤種植模式由單種大豆連作變?yōu)楣任?、豆類雙作時，進入土壤的作物殘茬種類與數(shù)量增加，從而增加了土壤大團聚體和有機碳儲量^［20］?？緹熯B作33年的土壤大團聚體比例與團聚體穩(wěn)定性提升，可能與近年來煙田施用有機肥比例升高有關。施用有機肥可使土壤理化性質得到改善，微生物多樣性提高，微生物生命活動過程加劇，分泌更多的膠結物質，最終大團聚體數(shù)量得到提升^［21］。

隨烤煙連作年限的延長，SOC含量總體呈先減后增的趨勢，這與劉楚祺等的研究結果^［22］相似。種植煙草氮肥量需求較大，在煙草種植初期，大量外源氮的輸入改變了土壤中微生物的可獲得性養(yǎng)分，微生物為了維持其生命代謝過程中碳、氮、磷化學計量的平衡，可能會增強對土壤有機質的降解，進而對有機質的礦化產(chǎn)生正激發(fā)效應，最終導致有機碳含量下降^［23］。當連作年限持續(xù)增長，可能會引起煙株生長發(fā)育不良而吸收養(yǎng)分減少，施入的碳源在土壤中積累，最終有機碳含量增多^［24］。≤0.053 mm團聚體中的有機碳雖不是對SOC起主要貢獻作用的粒級，但其含量變化趨勢與SOC含量變化基本相同，且對連作年限變化的響應最敏感。儲小院等研究表明，微團聚體團聚度質量分數(shù)與有機質質量分數(shù)、物理性黏粒質量分數(shù)存在正相關關系^［25］。連作導致的大團聚體破壞、SOC含量變化，可能間接影響了微團聚體中有機碳的變化。

土壤中的碳主要儲存在2個庫中：主要來源于植物殘留物的顆粒有機碳、黏附在礦物表面的礦物結合態(tài)有機碳。顆粒有機物的表面不僅是微生物活動的熱點，也是礦物結合態(tài)有機物形成和封閉的場所，并最終調節(jié)土壤有機質的持久性^［26-27］。土壤有機碳組分更多與施肥相關^［28］。本研究中，MOC含量在不同連作年限處理間無顯著差異，這可能與所采集煙田在長期連作過程中的施肥種類與方式并未發(fā)生較大變動有關。何偉等通過對不同施肥處理下耕層有機碳組分進行研究發(fā)現(xiàn)，施用氮磷鉀平衡有機肥能顯著提高POC、MOC含量，增加的總有機碳可以平均進入POC、MOC組分^［29］。

土地利用方式影響土壤有機碳的儲量、結構和功能^［7］。一些學者的研究指出，在作物生長過程中，微生物會優(yōu)先分解簡單組分，保留頑固組分，導致芳香類有機質累積^［30］。而本研究得出了相反的結論，煙草在長期連作過程中土壤有機碳中的脂肪類基團增加，芳香類基團減少，這與張福韜等關于長期玉米連作下土壤有機質結構變化的研究結果^［31］類似。原因可能是，長期煙草連作中始終保持充足的碳源，微生物分解過程中的選擇性可能被削弱^［32］。且煙草復合肥的使用可降低土壤有機質的縮合程度與氧化程度，有機質結構趨于簡單，可在一定程度上促進有機質的周轉^［33］。

4 結論

在連作27年內(nèi)，隨烤煙連作年限的增加，植煙土壤中gt;2.000 mm團聚體比例逐漸減少，穩(wěn)定性指標GMD、MWD、R_0.25逐漸降低。植煙土壤團聚體有機碳主要儲存于 gt;2.000 mm、gt;0.250～2.000 mm粒級中，但 ≤0.053 mm 團聚體的有機碳含量對連作年限變化的響應最敏感?？緹熯B作年限的變化對土壤顆粒態(tài)有機碳與礦物結合態(tài)有機碳的影響不顯著?？緹熯B作基本不改變土壤有機質的結構種類，但使土壤中脂肪類與芳香類物質的吸收峰相對強度比值升高，有機質結構趨于簡單。綜上，長期烤煙連作使得土壤團聚體與有機碳穩(wěn)定性下降。

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