廣元市漢陽鎮植煙土壤碳庫及顆粒組成評價

王 鵬，陳炬廷，楊 杰，吳 勇，石 剛，殷如婷，張 波，龍 飛，王 晶

（1.湖北中煙工業有限責任公司武漢卷煙廠，武漢 430040；2.河南農業大學煙草學院/國家煙草栽培生理生化研究基地/煙草行業煙草栽培重點實驗室，鄭州 450002；3.四川省煙草公司廣元市公司劍閣縣公司，四川 廣元 628300）

土壤碳庫是評價土壤質量和肥力的重要指標［1］，土壤碳庫包括無機碳和有機碳。植煙土壤中有機碳的保護、固定對提高土壤生產力及其穩定性有重要意義［2］，對土壤有機碳的研究主要在全國尺度范圍上進行，研究對象多集中于森林、草原等自然植被土壤［3］，農田土壤碳庫比自然土壤碳庫更活躍，由于其受人為活動的影響更多，所以比自然土壤碳庫更能在較短時間內進行自我調節［4，5］。

本研究在湖北中煙工業有限責任公司廣元基地單元（廣元市漢陽鎮）內采集植煙土壤樣品，綜合評價其碳庫水平，明確該地區植煙土壤碳庫營養水平，確定該地區植煙土壤顆粒粒徑分布，為該地區烤煙施肥策略調整提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

根據種植規模、土壤類型、種植制度（撂荒、玉米、小麥、大豆輪作和煙草連作）、施肥制度和海拔高度等因素確定25 個采樣點，在預整地前采集耕層（0～20 cm）土壤樣品，采樣時遵循“隨機、等量、多點混合”的原則，采用S 形布點取樣，取樣點的選擇采用GPS 定位技術，并標記采樣時間、地點、前作、土壤類型、土壤深度、施肥概況及地形情況等。

1.2 測定指標

分析測定土壤全碳、總有機碳、活性有機碳（可溶性有機碳、易氧化有機碳等）及土壤顆粒結構等指標。土壤總有機碳（TOC）含量測定采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱氧化法［6］，土壤易氧化活性有機碳（EOC）含量測定采用333 mmol/L KMnO4氧化法［7］，土壤水溶性有機碳（DOC）含量測定采用水提取過濾的方法［8］。

1.2.1 土壤碳庫管理指數 以周邊森林土壤為參照，計算土壤碳庫管理指數及碳素有效率［9］，具體計算式如下。

1.2.2 土壤顆粒體積分形維數 采用土壤顆粒體積分形維數模型計算分形維數（D），計算式如下［10］。

對式（5）兩邊取對數可得：

式中，λV為土壤顆粒分級中最大的粒徑值，μm；R為某一特定粒徑值，μm；VR為土壤粒徑小于D的顆粒總體積；VT為土壤顆粒總體積；D為土壤顆粒體積分形維數。

將式（6）轉換成散點圖，通過添加趨勢線，并運用最小二乘法可得線性擬合方程、擬合系數（R2）以及該直線的斜率，通過計算可知，直線斜率為式（6）中3-D，最終可得土壤顆粒體積分形維數（D）［11］。

1.3 數據分析與處理

采用Excel 2013 軟件進行數據處理，借助IBM SPSS Statistics 22.0軟件進行方差分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 廣元市漢陽鎮植煙土壤碳庫

2.1.1 廣元市漢陽鎮植煙土壤描述性特征 土壤全氮含量在0.95～2.41 g/kg，全碳含量為9.36～20.09 g/kg，水溶性有機碳含量為45.03～236.10 mg/kg，易氧化有機碳含量為1.04～3.89 g/kg，高活性有機碳含量為1.29～2.71 mg/kg，中活性有機碳含量和碳氮比分別在1.56～26.72 mg/kg、7.28～13.31，中活性有機碳的變異系數最高，為129.59%，其他指標的變異系數均小于50.00%（表1）。由此可知，廣元市漢陽鎮植煙土壤碳庫各項指標均處于正常范圍。

表1 廣元市漢陽鎮植煙土壤描述性特征數據

2.1.2 廣元市漢陽鎮植煙土壤碳庫特征 由表2 可知，前茬撂荒田地各種有機碳的含量較高，前茬作物不同也會影響植煙土壤的碳庫含量，通過試驗數據可得前茬撂荒的植煙土壤大部分有機碳含量較高。前茬為小麥的土壤全碳含量最高，比撂荒土壤高12.00%，比煙草前茬土壤高71.08%。撂荒土壤的水溶性有機碳比小麥前茬土壤高7.89%，比煙草前茬土壤高51.00%；撂荒土壤的易氧化有機碳比小麥前茬土壤高35.22%，比煙草前茬土壤高143.71%；撂荒土壤的高活性有機碳比大豆前茬土壤高3.90%，比煙草前茬土壤高18.99%；小麥前茬土壤的中活性有機碳含量比撂荒土壤高66.89%，比煙草前茬土壤高710.85%。

表2 廣元市漢陽鎮植煙土壤碳庫特征數據

2.1.3 廣元市漢陽鎮植煙土壤碳庫管理指數 土壤碳庫管理指數（CPMI）是評價土壤有機碳質量的指標。以前茬撂荒的植煙土壤為參考，由表3 可知，前茬為其他作物的土壤CPMI均有所降低，其中煙草前茬土壤的CPMI最低，比撂荒的土壤減少了47.31%，其他前茬作物的CPMI從高到低依次為小麥、大豆、玉米。只有小麥前茬土壤的碳庫指數（CPI）高于撂荒土壤，但其碳庫活度（A）與碳庫活度指數（AI）均小于撂荒土壤。

表3 廣元市漢陽鎮植煙土壤碳庫管理指數

2.1.4 廣元市漢陽鎮植煙土壤碳庫指標的相關系數矩陣 根據25 個對比觀測樣本，計算每個土壤數據水溶性有機碳、易氧化有機碳以及中、高活性有機碳含量的相關系數。由表4 可知，全碳與全氮、易氧化有機碳、中活性有機碳呈極顯著正相關（P＜0.01），與水溶性有機碳、高活性有機碳呈顯著正相關（P＜0.05）；水溶性有機碳與全氮、易氧化有機碳、高活性有機碳、中活性有機碳呈極顯著正相關（P＜0.01）；易氧化有機碳與全氮、高活性有機碳、中活性有機碳呈極顯著正相關（P＜0.01）；高活性有機碳與全氮呈顯著正相關（P＜0.05）；中活性有機碳與全氮呈極顯著正相關（P＜0.01）。

表4 廣元市漢陽鎮植煙土壤碳庫相關系數

2.2 廣元市漢陽鎮植煙土壤顆粒

2.2.1 廣元市漢陽鎮植煙土壤顆粒分布 廣元市漢陽鎮土壤顆粒粒徑分布及土壤顆粒分形維數D的統計結果見表5。廣元市漢陽鎮植煙土壤顆粒集中在2～50 μm 的粒徑范圍。如圖1 所示，土壤粒徑以粉粒為主，黏粒和砂粒占比較小。前茬撂荒、玉米、小麥、大豆和煙草的植煙土壤粉粒占比分別為63.58%、64.78%、66.60%、63.49%、65.77%，砂粒占比分別為15.30%、15.96%、10.11%、12.02%、11.87%，黏粒占比分別為21.12%、19.26%、26.65%、24.48%、22.36%。通過對比發現，土壤粉粒占比大小表現為小麥＞煙草＞玉米＞撂荒＞大豆，黏粒占比大小表現為小麥＞大豆＞煙草＞撂荒＞玉米；而砂粒占比大小表現為玉米＞撂荒＞大豆＞煙草＞小麥。

表5 廣元市漢陽鎮植煙土壤顆粒粒徑分布及分形維數

2.2.2 廣元市漢陽鎮植煙土壤顆粒分形維數 根據土壤顆粒體積分形維數模型，計算得到研究區土壤顆粒分形維數（D）在2.766 4～2.812 9。從前茬類型上看，土壤顆粒分形維數（D）表現為小麥＞大豆＞煙草＞撂荒＞玉米。分析結果可知，不同前茬類型的土壤顆粒組成存在差異，分形維數隨著土壤粒徑組成不同而呈現差異。根據式（5）和式（6）計算出分形維數（D）的擬合方程相關系數R2全部大于0.700 0，表明擬合效果良好，分形維數（D）較準確。

3 小結與討論

研究表明，廣元市植煙土壤肥沃，土壤碳庫營養水平良好，完全符合煙草種植土壤的標準。輪作能影響植煙土壤的碳庫水平，煙草連作土壤的碳庫水平不如輪作土壤。其中，土壤碳庫管理指數從高到低的前茬依次為小麥、大豆、玉米。四川省廣元市漢陽鎮植煙土壤顆粒大部分為粉粒。

苑廣源等［12］研究得出，土壤易氧化有機碳含量是決定土壤碳庫活度指數和土壤碳庫管理指數變化的主要原因。本試驗易氧化有機碳含量從高到低的前茬依次為撂荒、小麥、大豆、玉米、煙草，而土壤碳庫管理指數從高到低的前茬依次也是撂荒、小麥、大豆、玉米、煙草。

輪作制度是影響有機碳含量的重要因素。由于輪作改變了作物殘體的種類、數量，從而影響到土壤有機碳的固存和土壤有機碳的含量［13］。廣元市漢陽鎮不同前茬作物的植煙土壤全碳含量、易氧化有機碳含量從高到低依次為小麥、大豆、玉米、煙草；水溶性有機碳含量為小麥＞大豆＞煙草＞玉米；高活性有機碳含量為大豆＞小麥＞玉米＞煙草；中活性有機碳含量為小麥＞玉米＞大豆＞煙草。前茬為煙草的植煙土壤中大部分有機碳含量明顯低于其他作物，表明要保持植煙土壤良好的碳庫水平，采用輪作的種植方式優于連作。

廣元市漢陽鎮植煙土壤活性有機碳含量比周邊森林土壤多，土壤肥力優秀，土壤碳庫營養水平較好，但是長期的連作會降低土壤質量和碳庫水平，輪作則可以有效提高煙葉的品質性狀和經濟質量。