湘西北烤烟和玉米连作田土壤团聚体碳特征比较

龙世平 廖超林 陈山 彭斯文 宁尚辉 杨红武 祝利 梅光军 曹明锋

摘 要：选择湘西北烤烟和玉米连作两种典型耕地，分析不同粒径团聚体的有机碳差异及与土壤总有机碳及其活性组分的关系。结果表明，玉米及烤烟连作的土壤，较大的团聚体具有较高的有机碳含量;玉米田土壤有机碳主要储存于粒径>2 mm团聚体中，而烟田土壤有机碳主要储存于粒径>2 mm和2～0.25 mm的团聚体中;相较于烟田，玉米田土壤大团聚体具有较高的有机碳含量、固碳能力及有机碳贡献率;两种土壤均以粒径>2 mm团聚体有机碳对土壤总有机碳的响应最敏感;土壤易氧化有机碳（EOC）及颗粒有机碳（POC）均与粒径>2 mm和2～0.25 mm团聚体有机碳贡献率呈显著或极显著正相关。因此，山地烟区烤烟和玉米连作田土壤质量保育和退化修复工作均需提升大团聚体比例以提高其固碳能力。

关键词：烟区;耕地;团聚体;有机碳

Abstract： The soils in maize and tobacco succession cropping fields in northwestern Hunan were sampled to analyze the differences of organic carbon in soil aggregates and their relationship with soil organic carbon and its active components. The results showed that， organic carbon contents in soil aggregates of maize and tobacco succession cropping fields increased with the increase of soil aggregate size. Soil organic carbon was mainly stored in >2 mm aggregates in corn succession cropping field （CSCF） and in >2 mm and 2-0.25 mm aggregates in tobacco succession cropping field （TSCF）. Compared to TSCF， the soil aggregates of CSCF had higher organic carbon content， carbon sequestration capacity and contribution rates to soil organic carbon by 0.25-0.053 mm aggregates. In both soils， organic carbon of >2 mm soil aggregates were the most relevant to soil total organic carbon， meanwhile soil labile organic carbon （EOC） and particulate organic carbon （POC） showed significant or extremely significant positive correlation with the contribution rates to soil organic carbon by > 2 mm and 2-0.25 mm aggregates carbon. The results suggested that increasing the proportion of macro-aggregates and their carbon sequestration capacity favor to repair and improve soil quality in CSCF and TSCF in northwestern Hunan.

Keywords： tobacco-growing area; cultivated land; aggregates; organic carbon

土壤團聚体作为土壤结构的基本单元，是形成良好土壤结构的物质基础，是反映土壤质量的重要指标，在调节土壤肥力、维持土地生产力方面具有重要作用[1]。有机碳作为有机胶结物在提高土壤团聚能力及团聚体稳定性等方面发挥着重要作用[2]。因此，研究土壤团聚体有机碳特征有助于了解土壤团聚体形成和稳定机理及土壤质量的调节机制。

表层土壤中90%有机碳位于土壤团聚体内[3]。然而，不同种植模式土壤的团聚体有机碳含量及分布存在差异[4]。向蕊等[5]指出，相对于玉米和马铃薯单作，玉米马铃薯间作增加了土壤大颗粒团聚体（>2mm）有机碳含量;石岩松等[6]认为，在棉田土壤中，各粒径水稳定性团聚体有机碳含量随着连作年限的增加而降低;魏艳春等[7]的研究则表明，粮-草长周期轮作系统团聚体有机碳含量显著高于粮-豆轮作、玉米连作和小麦连作。因此，种植模式是影响土壤团聚体及其有机碳分布的重要因素之一。湘西山区是湖南集中连片贫困区，玉米和烤烟是当地主要农作物，但迄今尚缺乏玉米及烤烟连作对土壤团聚体有机碳影响的报道。另外，关于团聚体有机碳对土壤总有机碳的贡献及相关性已有较多的报道[8-9]，但团聚体有机碳与土壤有机碳活性成分之间的关系尚有待进一步明确。为此，本文选择湘西北典型玉米及烤烟连作耕地，分析其耕层土壤团聚体及团聚体有机碳分布特征，明确团聚体有机碳与土壤总有机碳及其活性组分之间的关系，以期为耕地土壤肥力调控及碳素管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区位于湖南省常德市石门县三圣乡山羊冲村境内，地理坐标范围为东经112?29′59.58″～ 112?30′4.94″，北纬26?6′28.76″～28?6′39.30″，总面积20.18 km2左右。该区属于亚热带湿润季风气候，多年平均气温15～16.9 ℃，年降雨量1300～1500 mm，无霜期250～280 d。海拔范围在200～600 m之间，土壤类型以石灰岩红壤为主;区内光、热、水资源基本同步，与优质烟叶生长发育规律较吻合，有利于优质烟叶生长;在当地，农民具有较好的植烟传统，除此外，主要种植模式还包括玉米连作。

1.2 土样采集与分析方法

1.2.1 样品采集与制备 在随机调查农户耕作历史及习惯的基础上，于2019年2月中旬，选择不同农户长期烤烟连作和玉米连作的耕地，采集0～20 cm耕层土样。每一代表样由同一农户同一种植模式下的3～5个田块土样组成，在同一田块内S形随机采集5～8点土样均匀混合。分别采集到12个烟田土样和玉米土样。

采集的混合土样轻放于硬质塑料盒，保持原状带回实验室，经自然风干至土壤含水量达土壤塑限（约为22%～25%）时，沿自然缝隙将其掰成10 mm左右的土块，并挑出砾石、植物残体等杂质，待自然风干后用于土壤团聚体及基本理化性状分析。

1.2.2 分析方法 土壤团聚体分离方法在SIX[10]的基础上稍作修改，采用湿筛法进行土壤团聚体分组测定，结果取5次测定的平均值。土壤总有机碳（TOC）含量采用重铬酸钾-外加热法[11]测定，易氧化有机碳（EOC）测定采用333 mmol/L KMnO4氧化，可见分光光度计565 nm比色[12]，颗粒有机碳（POC）组分提取和测定参考周萍等[13]的方法。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 团聚体有机碳贡献率 某粒级团聚体有机碳对土壤有机碳贡献率（%）计算公式如下[14]：

式中：为第i级团聚体有机碳贡献率，%;为第i级团聚体有机碳含量，g/kg;为第i级团聚体百分含量，%;土壤有机碳含量，g/kg。

1.3.2 数据分析 所有数据应用Microsoft Excel 2016和IBM Statistics SPSS 22.0软件进行统计分析，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）比较处理间差异，LSD法检验差异显著性（p<0.05），Pearson法进行相关性分析。

2 结 果

2.1 团聚体及团聚体有机碳分布

玉米和烤烟连作下土壤团聚体粒径分布见表1。两类耕地均以粒径>2 mm团聚体为主，含量分别介于47.63%～49.27%和32.09%～40.13%，平均分别为48.81%和37.14%;其中玉米田>2 mm和2～0.25 mm的大团聚体含量均高于烟田相应粒级团聚体，而0.25～0.053 mm及<0.053 mm的微团聚体含量低于烟田。

两种种植模式下团聚体有机碳含量显示（表2），玉米田不同粒径团聚体有机碳含量由高到低依次为>2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm、<0.053 mm，且各粒径团聚体间差异显著。烟田土壤团聚体有机碳含量除粒径2～0.25 mm和0.25～0.053 mm团聚体间差异不明显外，粒径>2 mm团聚体的有机碳含量显著高于其他3个粒径团聚体，且2～0.25 mm和0.25～0.053 mm团聚体显著高于<0.053 mm团聚体。两种种植模式整体表现出较大的团聚体具有较高的有机碳含量。两种模式间同一粒级团聚体，玉米田>2 mm、2～0.25 mm和0.25～0.053 mm团聚体有机碳含量均显著高于烟田相应粒级团聚体。从变异系数看，玉米田>2 mm和2～0.25 mm大团聚体有机碳的变异系数高于烟田，而0.25～0.053 mm和<0.053 mm微团聚体有机碳则相反。

2.2 团聚体有机碳对土壤总有机碳的贡献率

由表3可以看出，玉米田>2 mm团聚体有机碳对TOC贡献率最高，为51.28%～56.27%，平均为53.67%，显著高于其他粒径团聚体，说明玉米田土壤有机碳主要储存于>2 mm团聚体中。烟田>2 mm及2～0.25 mm团聚体有机碳对TOC的贡献率分别为42.43%～48.64%和14.88%～24.08%，平均分别为45.90%和21.55%，两者共计占67.45%，表明烟田土壤有机碳主要储存于>0.25 mm团聚体中。比较两种模式间同一粒级团聚体有机碳贡献率，玉米田>0.25 mm团聚体有机碳贡献率均显著高于烟田相应粒级团聚体的有机碳贡献率。从变异系数看，玉米田>0.25 mm的团聚体有机碳贡献率的变異系数低于烟田，而0.25～0.053 mm和<0.053 mm微团聚体有机碳贡献率相反。

2.3 土壤总有机碳和活性有机碳组分含量

玉米田和烟田土壤总有机碳及活性有机碳组分含量存在差异（表4），玉米田TOC及POC含量分别介于18.40～35.29和6.89～10.54 g/kg之间，均值分别为26.39和8.33 g/kg，均显著高于烟田，但EOC含量与烟田差异不显著。

2.4 土壤总有机碳和活性组分与团聚体有机碳及其贡献率的关系

从图1来看。玉米田和烟田的土壤总有机碳含量与各级团聚体有机碳含量均呈显著正相关关系。土壤总有机碳含量与不同粒径团聚体有机碳含量的相关系数由大到小排序均表现为：>2 mm，2～0.25 mm，0.25～0.053 mm，<0.053 mm。说明两种种植模式中，大粒径团聚体（>2 mm）有机碳含量是决定土壤总有碳的部分。此外，玉米田和烟田土壤TOC、EOC、POC均与粒径>2 mm和2～0.25 mm团聚体有机碳贡献率呈显著或极显著正相关关系（表5），而与0.25～0.053 mm及<0.053 mm团聚体有机碳贡献率的相关性均未达到显著水平。

3 讨 论

3.1 两种种植模式土壤团聚体分布

土壤团聚体是土壤中各种养分的贮藏库和微生物的生存场所，是评价土壤肥力的重要指标[15]。粒径>0.25 mm团聚体数量通常可以用来判别土壤结构的好坏，其含量越高，表明土壤抗分散能力越好，土壤结构越稳定[16]。湘西北烟区玉米田粒径>0.25 mm土壤团聚体含量高于烟田，说明玉米田土壤结构稳定性好于烟田。其原因可能是烟田翻耕以机耕为主，且化肥常过量施用，导致土壤团粒结构破坏，而玉米地以人力翻耕和施用农家肥为主，对团聚体破坏性较弱。

3.2 两种种植模式土壤团聚体有机碳比较

从团聚体有机碳分布来看，本研究中不同粒径团聚体有机碳含量之间存在差异，且较大粒径团聚体具有相对更高的有机碳含量，这与谭文峰[17]的研究结果一致。由于不同有机物料在土壤中的分解速率和残留量存在差异及碳输入水平不同，导致不同粒级团聚体中有机碳的储量存在差异[18]。大团聚体由新鲜植物残体、细颗粒态有机质和微团聚体组成[19]，因此较大的团聚体含有较高的有机碳量。在本研究中，相比烟田土壤，在相应粒径团聚体中，玉米田团聚体具有更高的有机碳含量，且玉米田中>2 mm和2～0.25 mm土壤大团聚体有机碳贡献率也高于烟田，而大粒径团聚体有机碳是贡献土壤总有机碳的主要部分（图1），综合以上，说明玉米田土壤较烟田具有更高的固碳能力。此外，玉米田>2 mm和2～0.25 mm土壤团聚体有机碳的变异系数高于烟田，而0.25～0.053 mm和<0.053 mm团聚体有机碳相反，这种差异暗示湘西北玉米田及烟田土壤有机碳在不同粒级团聚体中转化过程以及土壤团聚体对有机碳保护能力存在差异，其机制有待深入研究。

3.3 两种种植模式土壤有机碳组分的差异

湘西北烟区玉米田因具有较高的大团聚体含量，输入的有机碳受团聚体物理保护作用的有机碳比例较高，矿化分解的比例相对较低;同时，团聚体物理保护的有机碳以颗粒有机碳为主，因此玉米田的TOC和POC含量显著高于烟田。而EOC主要为输入的新鲜有机物、植物根系及分泌物、微生物有机碳等易分解氧化部分，具有对环境反映敏感、易矿化分解和周转速度快等特征[20]，虽然玉米及烟田土壤中新输入的有机碳量存在差异，但EOC因易矿化分解而消耗，因而EOC差异不明显。

3.4 团聚体有机碳含量及贡献率与土壤总有机碳及其组分的关系

土壤有机碳作为团聚体的主要胶结物质促进团聚体的团聚和形成，同时团聚体对土壤有机碳具有物理保护作用[21]。依据土壤总有机碳含量与团聚体有机碳的相关系数，两种土壤均以>2 mm团聚体有机碳对土壤总有机碳的响应最敏感，其次为2～0.25 mm;0.25～0.053 mm和<0.053 mm粒径团聚体有机碳贡献率与土壤TOC没有显著相关关系。其结果与李景等[22]、王浩等[23]结果一致。ELLIOTT等[24]和PUGET等[25]认为，新鲜有机碳主要向大团聚体富集，更容易矿化，而微团聚体中的有机碳则大多是高度腐殖化的惰性组分，因此>2 mm团聚体有机碳对土壤总有机碳响应敏感，而<0.053 mm团聚体有机碳最不敏感。两种土壤>2 mm和2～0.25 mm团聚体有机碳贡献率均与EOC及POC呈显著或极显著正相关关系，表明EOC和POC随>0.25 mm大团聚体形成和破坏而增减。有机碳活性组分主要为易分解矿化的有机碳，是新输入有机碳的重要组成部分，主要被>0.25 mm的大团聚体所固定而受物理保护[2]，从而与>0.25 mm大团聚体含量正相关。其结果一定程度上也印证了团聚体物理保护理论和>0.25 mm大团聚体保护的主要为易分解矿化有机碳的说法[26]。

4 结 论

本研究结果表明，湘西北烟田与玉米田均表现出较大粒径团聚体具有较高的有机碳含量，但玉米田具有相對较高的固碳能力;烟田和玉米田均以粒径>2 mm土壤团聚体有机碳对土壤总有机碳的响应最敏感;两种种植模式的土壤EOC及POC均与粒径>2 mm和2～0.25 mm团聚体有机碳贡献率呈显著或极显著正相关关系，粒径>0.25 mm大团聚体与土壤有机碳活性关系密切。提升大团聚体比例及其固碳能力对湘西山地烟区土壤质量保育和退化修复具有积极作用。

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