稻作烟区土壤电导率和阳离子交换量的垂直分布特征与养分有效性的关系

田祥珅，郑重谊，刘勇军，周清明，陈 焘， 曹志辉，谢鹏飞，彭曙光，周启运，黎 娟*

(1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128； 2.湖南省烟草科学研究所，湖南 长沙 410004； 3.湖南省烟草公司郴州市公司，湖南 郴州 423000； 4.湖南省烟草公司长沙市公司，湖南 长沙 410007)

【研究意义】稻作烟区指在一年之中连续种植一季烟草和一季晚稻的烟稻轮作区。烟稻轮作模式既是一种水旱轮作，也是茄科作物和禾本科作物的轮作，既能有效抑制水稻和烟草病害的发生，又可以提高土壤理化性状，平衡土壤养分[1]。土壤是烟草生长的基质，特别是对于耕作层浅的烟区，土壤条件对烟草的生长发育至关重要[2]。测定土壤电导率可以直接反映土壤含盐量，而含盐量是土壤中一个非常重要的综合性指标；对于非盐渍化土壤，土壤电导率可以直接作为一个综合性指标来体现土壤的肥力[3-4]。土壤阳离子交换量可作为评价土壤肥力的指标，能代表土壤可能保持的养分数量。一方面，阳离子交换量可以体现土壤质量的提升和肥料施用的合理性；另一方面，土壤缓冲性能的主要来源也离不开阳离子交换量[5-8]。【前人研究进展】近几年，学者们对电导率和土壤阳离子交换量进行了单一研究[9-12]，主要集中在不同的土地类型、土地利用方式及土层深度等方面，而综合考虑两者的研究较少。湖南烟区以烟稻轮作为主，由于传统耕作方式的长期使用，土壤受到破坏，耕作层变浅；此外，由于大量施用化肥，土壤养分失调，严重影响耕层土壤肥力状况，从而影响了优质烟叶的生产[13]。【本研究切入点】关于烟稻轮区土壤化学性质的特征已有大量报道，而关注其在土壤中的垂直分布特征的研究极少。关于稻作烟区养分的研究，一般集中在有效养分方面[14]，极少关注其与电导率和阳离子交换量的相关性。【拟解决的关键问题】本研究在分析了不同土层、不同地区稻作烟区土壤电导率和阳离子交换量的垂直分布特征的基础上，对其二者与养分有效性的关系进行探讨，以期为湖南稻作烟区改良土壤、合理施肥和农田土壤的长期科学发展提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区位于中国湖南郴州、衡阳和长沙等地。研究区地处亚热带季风性湿润气候区，四季分明，光照充足，夏季高温多雨，年均温16～19 ℃。光、温、水资源的季节分布适宜烟草和水稻的生长发育。地貌类型多样，以丘陵和山地为主。

1.2 土壤样品采集

根据湖南稻作烟区的种植特点，于2017年11月晚稻收获后，在郴州、衡阳和长沙3个稻作烟区中各挑选出10块典型田块，具体田块信息如表1所示。要求至少拥有10年以上的烟稻种植史。在每个典型田块内按“S”型布点法随机确定3个采样点，利用50 cm土柱取样器(型号：QTZ-1，直径7.5 cm)采集土柱，将采集的每个土柱分成5个土层：0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm，共10×3×5=150个土样。每个土样用四分法保留1 kg左右的土壤，带回实验室阴干、粉碎、过筛、收集，供后续的理化分析。在取样的同时对试验田的耕作层深度进行观察测量，得到长沙、衡阳和郴州稻作烟区耕作层深度分别为9.5～16.4、10.6～16.4、8.2～13.4 cm。

1.3 土壤检测指标及方法

参照文献[15-16]测定土壤全氮、磷、钾；碱解氮、有效磷、速效钾；交换性钙、镁和有效铜、锌、铁、锰、铜、钼的含量。湖南稻作烟区土壤电导率和阳离子交换量的等级划分如表2所示[17-18]。

1.4 数据统计分析

本研究数据处理在IBM Statistics SPSS 23.0平台进行，方差分析采用DMRT法，相关性分析采用皮尔逊相关系数，制图采用Microsoft Excel 2019。为了更清楚地观察20～30 cm土层特征，将0～50 cm土层分为0～20 cm(表土层)、20～30 cm(亚表土层)和30～50 cm(中土层)三个土层，0～20 cm土层的数据由0～10和10～20 cm土层的数据平均后得出，30～50 cm土层的数据由30～40和40～50 cm土层的数据平均后得出。

表1 取样田块具体地点

表2 土壤电导率和阳离子交换量等级标准

2 结果与分析

2.1 土壤电导率和阳离子交换量垂直分布特征

由图1可知，湖南稻作烟区土壤电导率为0.10～0.17 mS/cm，均值为0.15 mS/cm，随土层深度的增加而下降；土壤阳离子交换量为10.55～14.35 cmol/kg，均值为13.08 cmol/kg，随土层深度的增加先下降再上升。

土壤电导率最高的是0～20 cm土层，为0.17 mS/cm，极显著高于30～50 cm土层，显著高于20～30 cm土层。从土壤阳离子交换量(CEC)来看，最高的是30～50 cm土层，为14.35 cmol/kg;20～30 cm土层最低，极显著低于0～20 和30～50 cm土层。对照表1可知，湖南典型稻作烟区土壤在0～50 cm土层均未出现盐渍化现象，对作物的影响忽略不计。对照表2可知，湖南稻作烟区土壤在0～50 cm土层保肥性中等，但20～30 cm土层保肥性显著低于其他土层。

2.2 土壤电导率和阳离子交换量不同地区分布特征

将土壤电导率和阳离子交换量的垂直分布分地区进行比较，结果见图2。不同地区不同土层的土壤电导率有所差异。0～20 cm土层，郴州的土壤电导率最高，长沙最低，前者较后者高37.98%(P<0.01)；20～30 cm土层电导率以衡阳最高，长沙最低，但3个烟区之间无显著性差异；30～50 cm土层电导率以郴州最高，长沙最低，前者较后者高49.98%(P<0.01)。3个地区盐渍化等级均为非盐渍化。

不同地区不同土层的阳离子交换量分析发现，0～20 cm土层以郴州最高，长沙最低，前者较后者高47.80%(P<0.01)；20～30 cm土层以衡阳最高，长沙最低，衡阳较郴州和长沙分别高18.69%(P<0.05)和28.81%(P<0.01)；30～50 cm土层以郴州最高，长沙最低，郴州较衡阳和长沙分别高14.19%和21.04%(P<0.01)。长沙烟区0～30 cm土层保肥性较弱，30～50 cm土层保肥性中等；衡阳烟区0～50 cm土层保肥性中等；郴州烟区0～20 cm土层保肥性中等，20～30 cm土层保肥性较弱，30～50 cm土层保肥性较强。综合来看，在3个烟区中，郴州烟区土壤保肥性最好，衡阳烟区土壤保肥性中等，长沙烟区土壤保肥性最差。

2.3 土壤电导率与养分有效性的关系

测定湖南稻作烟区土壤主要的养分含量，并将其与电导率进行相关性分析(表3)，发现土壤电导率与碱解氮、有效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效铁、有效硼、有效钼含量呈极显著正相关，与交换性镁含量呈极显著负相关，与交换性钙、有效锰含量相关性不显著。对与土壤电导率有显著相关的养分指标进行回归分析(图3)。在湖南典型稻作烟区，0～50 cm土层电导率与碱解氮、有效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效铁、有效硼和有效钼含量均呈线性正相关，电导率随着这些养分含量的提高而上升；电导率与交换性镁呈线性负相关，随交换性镁含量的上升而下降。

2.4 土壤阳离子交换量与养分有效性的关系

3 讨 论

在农业生产中，土壤盐分对作物的影响十分显著，是判断土壤肥力丰缺的重要指标[19]。根据湖南稻作烟区土壤电导率垂直分布特征来看，土壤电导率在0～50 cm土层均在0～2 mS/cm之间，未出现盐渍化现象，随着土层深度的增加，电导率呈现下降的趋势。这与石丽红等[20]、韩霁昌等[21]研究结果一致，是因为土壤盐分在强蒸发作用下会随水逐渐向上运移，从而导致上层土壤电导率增大。8—9月份，随着高温和土壤水分的蒸发量增大，并且长期在植烟田块中施用化肥，使得地下水位上升，土壤中的盐分在表层累积得越来越多。土壤缓冲性能的强弱可以通过阳离子交换量的大小来体现，不仅如此，还可以根据土壤阳离子交换量来进行合理施肥和土壤改良[22-23]。在湖南典型稻作烟区，土壤阳离子交换量0～50 cm土层在10.5～15.4 cmol/kg之间，土壤保肥性中等。20～30 cm土层阳离子交换量显著低于0～20 和30～50 cm土层，这与张翠丽[24]等研究结果一致。0～20 cm土层受人工耕作和施肥因素影响较大，阳离子交换量高于20～30 cm土层。在多年的常规耕作后，湖南的稻作烟区20～30 cm土层多为片状和层状结构，有机质和腐殖质流失严重，而有机质含量是影响阳离子交换量的重要因素[6,12,25]，因此，20～30 cm土层阳离子交换量下降，土壤保肥性降低。30～50 cm土层是由表土淋溶下来的物质形成的，稻作烟区的30～50 cm土层具有块状结构，起着托水托肥的作用，所以阳离子交换量上升，土壤保肥性提高。

表3 土壤电导率与土壤养分的相关系数

表4 土壤阳离子交换量与土壤养分的相关系数

不同烟稻轮作区土壤电导率和阳离子交换量差异的显著性，与不同地区气候条件、海拔、施肥措施、成土母质有关[11,14,25]。本研究比较研究了湖南3个主要烟区的土壤电导率和阳离子交换量，发现在3个烟区中均未出现盐渍化现象；保肥性上，郴州烟区土壤保肥性最好，衡阳烟区土壤保肥性中等，长沙烟区土壤保肥性最差。

本试验结果可以发现，湖南稻作烟区土壤电导率与大部分养分含量之间具有密切的相关性，电导率与碱解氮、有效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效铁、有效硼、有效钼含量呈极显著正相关，与交换性镁含量呈极显著负相关。本文仅探讨了湖南稻作烟区0～50 cm土层电导率和养分含量的关系，在不同土层相对电导率和土壤养分含量的关系还有待进一步探索，可以根据许逸林[9]的方法尝试建立湖南稻作烟区土壤养分和电导参数预测模型，为通过电导率快速预测土壤的养分含量的可能性提供科学依据。湖南稻作烟区土壤阳离子交换量与碱解氮、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效硼、有效钼含量呈极显著正相关，这与陈忠柳[6]、姜林等[25]人的研究结果一致，显示出湖南稻作烟区土壤对不同养分的保肥效果不同，对氮、钾、钙、镁、硼、钼养分的吸持和保存能力较强，为今后合理施肥提供了科学的理论依据。

根据贡璐等[26]、解雪峰等[27]研究发现土壤电导率与土壤含水率存在正相关、与土壤容重存在负相关，根据王小艳[28]团队发现土壤阳离子交换量与土壤孔隙度、土壤含水率、土壤容重存在显著相关性，所以可在湖南稻作烟区采取粉垄深耕技术[29]加深耕作层，提高土壤耕层蓄水力，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，从而提高土壤电导率和阳离子交换量，进而提高土壤中速效养分含量和土壤的保肥性，有利于湖南稻作烟区农田土壤的可持续性发展。

4 结 论

湖南稻作烟区土壤电导率在土层之间存在显著差异，表现为0～20 cm>20～30 cm>30～50 cm；阳离子交换量在土层之间有显著差异，表现为30～50 cm>0～20 cm>20～30 cm。长沙、衡阳和郴州烟区不同土层的土壤电导率和阳离子交换量存在显著差异，均无盐渍化现象；保肥性上，郴州烟区土壤保肥性最好，衡阳烟区土壤保肥性中等，长沙烟区土壤保肥性最差，具有一定的空间变异性，需要因地制宜地进行不同的管理。电导率与碱解氮、有效磷、速效钾、有效铜、有效锌、有效铁、有效硼、有效钼含量之间呈极显著正相关，与交换性镁含量之间呈极显著负相关；土壤阳离子交换量与碱解氮、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效硼和有效钼含量呈极显著正相关，与有效锰含量呈显著负相关。可以尝试建立湖南稻作烟区土壤养分与电导率、阳离子交换量的预测模型，为通过快速检测电导率和阳离子交换量从而预测土壤养分含量提供参考。在湖南稻作烟区的生产中，可依照电导率和阳离子交换量在土层中的垂直分布特征和地区差异，构建合理的耕作层并增施有机肥，根据电导率和阳离子交换量与养分的关系，针对性地设计施肥方案，从而提高耕层土壤质量和土壤保肥性，促进湖南稻作烟区土壤的可持续发展。