植煙紅壤粒徑組分對連作年限響應的差異分析

關鍵詞：連作；紅壤；粒徑組分；養分含量；酶活性

中圖分類號：S151.9 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2024）11-0127-06

土壤粒徑組分的變化可以表征土壤質量的穩定性及土地退化程度與過程。作為土壤重要的理化性質，土壤顆粒組分對土壤持水力、通氣性、土壤礦物組成、肥力等理化特性，以及土壤酶活性和微生物群落結構等生物特性具有塑造作用。近年來由于糧煙爭地矛盾突出，煙葉種植多分布于山區、半山區，連作現象普遍存在，嚴重制約了植煙土壤的可持續利用。連作障礙產生的原因主要包括：連作導致土壤養分狀態呈現出特定養分偏向性消耗和其余養分過度富集的趨勢，引發土壤養分失衡。連作導致植株凋落物和根系分泌物種類單一且長期不變，這樣一方面使根系分泌物逐年積累引發自毒效應；另一方面，鹽分、有機酸等在土壤耕層富集，形成較為特殊的生態環境，引起土壤胞外酶活性和根際微生物群落平衡發生明顯改變。目前，關于植煙連作相關研究多集中在連作對土壤養分、酶活性、土壤微生物、煙株根系分泌物和產質量影響等方面，但在典型紅壤區中長期煙草單一種植對土壤粒徑組分的影響，以及粒徑組分與生化特性相互關系的研究較少。據此，于2014年開始，本課題組在云南省典型紅壤區建立長期定位試驗點，設置了輪作、植煙連作3年和8年三種耕作模式，研究植煙連作對土壤粒徑組分及生化指標的影響規律，試圖從植煙連作對土壤粒徑組分占比影響的角度，為土壤質量穩定性以及連作障礙機理研究等方面提供新的視角。

1材料與方法

1.1土樣采集

試驗地位于云南省玉溪市紅塔區高倉街道干海子（E：102°17′32″～102041'37”，N：24°08′30″～24°32′18″），隸屬云貴高原典型紅壤區，海拔1855 m，屬中亞熱帶濕潤冷冬高原季風氣候，年平均氣溫16.7℃，年降水量700～900 mm，年均日照時數2300～2700h，無霜期300d左右。

長期定位試驗設計如下：2013年，將一整塊典型的紅壤農田劃分為3個地塊，并采用不同耕作模式，具體為（1）輪作地塊（CK）：采用“烤煙一小麥_÷玉米一小麥”隔年輪作模式；（2）連作3年地塊（T3）：2013-2018年采用與輪作地塊相同的耕作模式，2019—2021年采用“烤煙—小麥”復種連作模式；（3）連作8年地塊（T8）：2013年開始采用“烤煙—小麥”復種連作模式。

2021年9月烤煙收獲后，按五點取樣法采集植煙土壤0～20cm土層土壤1 kg，去除殘根和地表凋落物后裝入自封袋，帶回實驗室后自然風干，用于測定土壤粒徑組分、養分含量和酶活性。

1.2測定項目及方法

1.2.1土壤粒徑組分測定 土壤粒徑組分采用比重計法測定。

1.2.2土壤pH值及養分含量測定 土壤pH值采用土壤pH測定儀測定。全氮含量采用凱氏定氮法測定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用火焰光度計法測定，水解性氮含量采用堿解擴散法測定，有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量采用原子吸收分光光度計法測定，陽離子交換總量采用乙酸銨交換法測定。

1.2.3 土壤酶活性測定 過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，脲酶活性采用苯甲酸-次氯酸鈉比色法測定。

1.3數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2021和SPSS 26.0軟件對試驗數據進行整理、統計分析及圖表制作，采用Duncan’s法進行單因素差異顯著性分析。

2結果與分析

2.1不同連作年限對土壤粒徑組分的影響

由表1可知，與CK相比，連作植煙土壤中黏粒（粒徑lt;0.002 mm）、粉砂粒（粒徑0.002～0.02mm）和砂粒（粒徑0.02～2 mm）占比隨連作年限不同而發生變化。

T3、T8處理土壤的黏粒占比較CK分別升高6.12%、19.21%，粉砂粒分別降低10.38%、21.71%，砂粒分別降低3.41%、14.87%，且均表現為T3與CK差異不顯著而T8與CK差異顯著。

根據土壤粒徑成分變異強度三級評價法標準：CVlt;10%為弱變異，10%≤CV≤300/0為中等變異，CVgt;30%為強變異。T3處理土壤的粒徑組分處于弱變異狀態，T8處理土壤則達到中等變異狀態。

2.2不同連作年限對土壤化學特性的影響

由表2可以看出，植煙紅壤pH值為4.90～5.95，整體均在酸性范圍內，且隨著連作年限延長pH值呈下降趨勢。相較于CK，T8處理土壤的pH值顯著下降，降幅達17.65%。連作導致土壤養分整體呈下降趨勢，相較CK，T3處理土壤有機質、全氮、水解性氮、全磷、有效磷及速效鉀含量均顯著下降：而隨著連作年限延長，除T8處理土壤速效鉀含量較T3處理顯著下降外，其余指標變化均未達顯著水平：土壤全鉀含量各處理間無顯著性差異，其含量變化范圍為6.44～7.63g/kg。T3處理土壤的陽離子交換總量與CK差異不顯著.T8處理則較CK顯著下降，降幅達38.84%。

2.3不同連作年限對土壤酶活性的影響

由表3可知，隨連作年限延長，土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性呈下降趨勢。其中，蔗糖酶活性降幅較大，處理間差異顯著，T3、T8處理較CK分別降低33.93%、68.01%;T8處理土壤過氧化氫酶活性較CK顯著降低，降幅達10.87%，T3處理與CK差異不顯著。T3、T8處理土壤脲酶活性均顯著高于CK，分別高出69.91%、61.36%。

2.4不同連作年限下土壤粒徑組分與化學指標、酶活性的相關性分析

由表4可知，土壤黏粒占比與土壤pH值、全氮、全鉀、速效鉀含量、陽離子交換總量呈極顯著負相關，與土壤全磷、有效磷含量呈顯著負相關，與有機質含量呈負相關，但未達顯著水平；粉砂粒占比與土壤速效鉀含量、陽離子交換總量呈極顯著正相關，與水解性氮含量呈正相關，但未達顯著水平，與其余6項化學指標均呈顯著正相關；土壤砂粒占比與土壤全氮、全磷、全鉀、速效鉀含量、pH值、陽離子交換總量呈顯著正相關，與土壤有機質、水解性氮、有效磷含量呈正相關，但均未達顯著水平。

土壤黏粒占比與土壤過氧化氫酶、蔗糖酶活性呈極顯著負相關，與土壤脲酶活性呈正相關，但未達顯著水平；土壤粉砂粒占比與土壤過氧化氫酶、蔗糖酶活性呈極顯著正相關，與脲酶活性呈顯著負相關；土壤砂粒占比與土壤蔗糖酶活性呈顯著正相關，與土壤過氧化氫酶活性呈正相關，與土壤蔗糖酶活性呈負相關，但均未達顯著水平。

2.5不同連作年限下土壤化學指標與酶活性的相關性分析

由表5可知，土壤過氧化氫酶活性與土壤全鉀、速效鉀含量、陽離子交換總量呈極顯著正相關，與土壤pH值和全氮、全磷含量呈顯著正相關；土壤脲酶活性與土壤有機質、全氮、水解性氮、全磷、速效磷含量呈極顯著負相關；土壤蔗糖酶活性與土壤有機質、全氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀含量及pH值、陽離子交換總量呈極顯著正相關。其余指標間的相關性均未達顯著水平。

2.6不同連作年限下土壤粒徑組分與生化指標的逐步回歸分析

以土壤化學特性為因變量，土壤粒徑占比為自變量，進行逐步回歸分析，排除無關變量后，得到關于土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、速效鉀含量及土壤pH值、陽離子交換總量和土壤過氧化氫酶、蔗糖酶活性的偏回歸方程（表6）。

土壤pH值及全氮、全磷、全鉀含量的變化主要受到黏粒占比的影響，標準化系數分別為-0.855、-0.815、-0.797、-0.865，表明黏粒占比對這四個土壤性狀均有顯著抑制作用；土壤有機質、速效鉀含量和過氧化氫酶活性則主要受到粉砂粒占比的影響，標準化系數分別為0.763、0.859和0.850，表明粉砂粒占比對此三個土壤性狀有顯著促進作用：土壤陽離子交換總量與土壤蔗糖酶活性主要受到黏粒和粉砂粒的共同影響，黏粒、粉砂粒對陽離子交換總量及蔗糖酶活性的標準化系數分別為-0.520、0.503和0.339、0.760，決定系數分別為0.880、0.937，表明粉砂粒和黏粒含量占比可以解釋陽離子交換總量變化的88.0、蔗糖酶活性變化的93.7%。

3討論

土壤粒徑組分的變化是土地質量變化過程中最常見且較具有代表性的現象。根據土壤粒徑組分的變化和差異特征，可以判斷土地質量退化的強弱和發展強度。本研究結果表明，隨著連作年限增加，黏粒占比明顯增加，而粉砂粒和砂粒占比明顯下降。其原因可能是，長期連作下的單一肥料施用會加速黏粒礦物的風化速度，長期定位試驗用肥為煙草專用復合肥，每年投入的養分種類、比例和數量一致，從而加速黏土礦物的風化：長期施用化肥還會改變土壤黏粒級復合體表面性質，致使土壤酸化趨勢加快，土壤陽離子交換總量降低。本研究結果顯示，土壤pH值、陽離子交換總量與黏粒占比呈極顯著負相關，但與砂粒和粉砂粒占比呈顯著或極顯著正相關，這與前人研究結果一致。表明施肥導致的土壤粒徑占比改變可能是土壤酸化加劇、肥力降低的一個重要原因。

連作土壤養分雖在輪作處理間存在顯著差異，但其整體并未隨連作年限延長而顯著下降，說明短期連作（8年內）對土壤養分的改變效應有限。可能原因為：連作對土壤養分的影響效應存在閾值，當連作超過一定年限打破土壤養分閾值時才會導致養分明顯失衡；另一方面，隨著連作年限延長，煙株吸收能力下降，也會引起養分在土壤中的滯留。

土壤養分含量與土壤酶活性存在相關性。本研究結果表明，土壤蔗糖酶、過氧化氫酶活性與土壤全鉀、速效鉀含量及陽離子交換總量呈極顯著正相關，而與土壤黏粒占比呈極顯著負相關。該結果與Busto等得出的土壤中的黏粒能與土壤酶結合形成土壤復合體提高酶活性的結論不一致，這可能是由于紅壤本身質地偏黏，因而透水透氣性相對較差，導致土壤微生物呼吸強度減弱，從而降低土壤酶活性。脲酶活性與粉砂粒占比呈顯著負相關，可能與程昊等提出的粉砂粒與土壤可蝕性呈顯著正相關有關，且有研究表明，土壤侵蝕將導致土壤生物活性降低和結構退化，并制約土地肥力提升、農業生產發展和環境質量改善。

4結論

連作導致土壤的不同粒徑組分占比發生變化，隨著連作年限延長，砂粒、粉砂粒占比逐漸下降，黏粒占比逐漸增加，即整體呈現向更小粒徑占比增加的變異趨勢。連作導致植煙紅壤呈酸化趨勢，土壤養分含量以及蔗糖酶、過氧化氫酶活性隨連作年限延長及不同粒徑占比的改變均呈現出一定程度的下降，而脲酶活性則有所上升。逐步回歸分析結果顯示，黏粒占比對土壤pH值及全氮、全磷、全鉀含量有極顯著抑制作用；粉砂粒占比對土壤有機質、速效鉀含量及陽離子交換總量和過氧化氫酶、蔗糖酶活性有顯著或極顯著促進作用。與輪作（CK）相比，連作導致植煙紅壤的黏粒占比上升，降低了土壤的通透性，從而影響土壤養分礦化和酶活性。