广元市汉阳镇植烟土壤碳库及颗粒组成评价

王 鹏，陈炬廷，杨 杰，吴 勇，石 刚，殷如婷，张 波，龙 飞，王 晶

（1.湖北中烟工业有限责任公司武汉卷烟厂，武汉 430040；2.河南农业大学烟草学院/国家烟草栽培生理生化研究基地/烟草行业烟草栽培重点实验室，郑州 450002；3.四川省烟草公司广元市公司剑阁县公司，四川 广元 628300）

土壤碳库是评价土壤质量和肥力的重要指标［1］，土壤碳库包括无机碳和有机碳。植烟土壤中有机碳的保护、固定对提高土壤生产力及其稳定性有重要意义［2］，对土壤有机碳的研究主要在全国尺度范围上进行，研究对象多集中于森林、草原等自然植被土壤［3］，农田土壤碳库比自然土壤碳库更活跃，由于其受人为活动的影响更多，所以比自然土壤碳库更能在较短时间内进行自我调节［4，5］。

本研究在湖北中烟工业有限责任公司广元基地单元（广元市汉阳镇）内采集植烟土壤样品，综合评价其碳库水平，明确该地区植烟土壤碳库营养水平，确定该地区植烟土壤颗粒粒径分布，为该地区烤烟施肥策略调整提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

根据种植规模、土壤类型、种植制度（撂荒、玉米、小麦、大豆轮作和烟草连作）、施肥制度和海拔高度等因素确定25 个采样点，在预整地前采集耕层（0～20 cm）土壤样品，采样时遵循“随机、等量、多点混合”的原则，采用S 形布点取样，取样点的选择采用GPS 定位技术，并标记采样时间、地点、前作、土壤类型、土壤深度、施肥概况及地形情况等。

1.2 测定指标

分析测定土壤全碳、总有机碳、活性有机碳（可溶性有机碳、易氧化有机碳等）及土壤颗粒结构等指标。土壤总有机碳（TOC）含量测定采用重铬酸钾-浓硫酸外加热氧化法［6］，土壤易氧化活性有机碳（EOC）含量测定采用333 mmol/L KMnO4氧化法［7］，土壤水溶性有机碳（DOC）含量测定采用水提取过滤的方法［8］。

1.2.1 土壤碳库管理指数 以周边森林土壤为参照，计算土壤碳库管理指数及碳素有效率［9］，具体计算式如下。

1.2.2 土壤颗粒体积分形维数 采用土壤颗粒体积分形维数模型计算分形维数（D），计算式如下［10］。

对式（5）两边取对数可得：

式中，λV为土壤颗粒分级中最大的粒径值，μm；R为某一特定粒径值，μm；VR为土壤粒径小于D的颗粒总体积；VT为土壤颗粒总体积；D为土壤颗粒体积分形维数。

将式（6）转换成散点图，通过添加趋势线，并运用最小二乘法可得线性拟合方程、拟合系数（R2）以及该直线的斜率，通过计算可知，直线斜率为式（6）中3-D，最终可得土壤颗粒体积分形维数（D）［11］。

1.3 数据分析与处理

采用Excel 2013 软件进行数据处理，借助IBM SPSS Statistics 22.0软件进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 广元市汉阳镇植烟土壤碳库

2.1.1 广元市汉阳镇植烟土壤描述性特征 土壤全氮含量在0.95～2.41 g/kg，全碳含量为9.36～20.09 g/kg，水溶性有机碳含量为45.03～236.10 mg/kg，易氧化有机碳含量为1.04～3.89 g/kg，高活性有机碳含量为1.29～2.71 mg/kg，中活性有机碳含量和碳氮比分别在1.56～26.72 mg/kg、7.28～13.31，中活性有机碳的变异系数最高，为129.59%，其他指标的变异系数均小于50.00%（表1）。由此可知，广元市汉阳镇植烟土壤碳库各项指标均处于正常范围。

表1 广元市汉阳镇植烟土壤描述性特征数据

2.1.2 广元市汉阳镇植烟土壤碳库特征 由表2 可知，前茬撂荒田地各种有机碳的含量较高，前茬作物不同也会影响植烟土壤的碳库含量，通过试验数据可得前茬撂荒的植烟土壤大部分有机碳含量较高。前茬为小麦的土壤全碳含量最高，比撂荒土壤高12.00%，比烟草前茬土壤高71.08%。撂荒土壤的水溶性有机碳比小麦前茬土壤高7.89%，比烟草前茬土壤高51.00%；撂荒土壤的易氧化有机碳比小麦前茬土壤高35.22%，比烟草前茬土壤高143.71%；撂荒土壤的高活性有机碳比大豆前茬土壤高3.90%，比烟草前茬土壤高18.99%；小麦前茬土壤的中活性有机碳含量比撂荒土壤高66.89%，比烟草前茬土壤高710.85%。

表2 广元市汉阳镇植烟土壤碳库特征数据

2.1.3 广元市汉阳镇植烟土壤碳库管理指数 土壤碳库管理指数（CPMI）是评价土壤有机碳质量的指标。以前茬撂荒的植烟土壤为参考，由表3 可知，前茬为其他作物的土壤CPMI均有所降低，其中烟草前茬土壤的CPMI最低，比撂荒的土壤减少了47.31%，其他前茬作物的CPMI从高到低依次为小麦、大豆、玉米。只有小麦前茬土壤的碳库指数（CPI）高于撂荒土壤，但其碳库活度（A）与碳库活度指数（AI）均小于撂荒土壤。

表3 广元市汉阳镇植烟土壤碳库管理指数

2.1.4 广元市汉阳镇植烟土壤碳库指标的相关系数矩阵 根据25 个对比观测样本，计算每个土壤数据水溶性有机碳、易氧化有机碳以及中、高活性有机碳含量的相关系数。由表4 可知，全碳与全氮、易氧化有机碳、中活性有机碳呈极显著正相关（P＜0.01），与水溶性有机碳、高活性有机碳呈显著正相关（P＜0.05）；水溶性有机碳与全氮、易氧化有机碳、高活性有机碳、中活性有机碳呈极显著正相关（P＜0.01）；易氧化有机碳与全氮、高活性有机碳、中活性有机碳呈极显著正相关（P＜0.01）；高活性有机碳与全氮呈显著正相关（P＜0.05）；中活性有机碳与全氮呈极显著正相关（P＜0.01）。

表4 广元市汉阳镇植烟土壤碳库相关系数

2.2 广元市汉阳镇植烟土壤颗粒

2.2.1 广元市汉阳镇植烟土壤颗粒分布 广元市汉阳镇土壤颗粒粒径分布及土壤颗粒分形维数D的统计结果见表5。广元市汉阳镇植烟土壤颗粒集中在2～50 μm 的粒径范围。如图1 所示，土壤粒径以粉粒为主，黏粒和砂粒占比较小。前茬撂荒、玉米、小麦、大豆和烟草的植烟土壤粉粒占比分别为63.58%、64.78%、66.60%、63.49%、65.77%，砂粒占比分别为15.30%、15.96%、10.11%、12.02%、11.87%，黏粒占比分别为21.12%、19.26%、26.65%、24.48%、22.36%。通过对比发现，土壤粉粒占比大小表现为小麦＞烟草＞玉米＞撂荒＞大豆，黏粒占比大小表现为小麦＞大豆＞烟草＞撂荒＞玉米；而砂粒占比大小表现为玉米＞撂荒＞大豆＞烟草＞小麦。

表5 广元市汉阳镇植烟土壤颗粒粒径分布及分形维数

2.2.2 广元市汉阳镇植烟土壤颗粒分形维数 根据土壤颗粒体积分形维数模型，计算得到研究区土壤颗粒分形维数（D）在2.766 4～2.812 9。从前茬类型上看，土壤颗粒分形维数（D）表现为小麦＞大豆＞烟草＞撂荒＞玉米。分析结果可知，不同前茬类型的土壤颗粒组成存在差异，分形维数随着土壤粒径组成不同而呈现差异。根据式（5）和式（6）计算出分形维数（D）的拟合方程相关系数R2全部大于0.700 0，表明拟合效果良好，分形维数（D）较准确。

3 小结与讨论

研究表明，广元市植烟土壤肥沃，土壤碳库营养水平良好，完全符合烟草种植土壤的标准。轮作能影响植烟土壤的碳库水平，烟草连作土壤的碳库水平不如轮作土壤。其中，土壤碳库管理指数从高到低的前茬依次为小麦、大豆、玉米。四川省广元市汉阳镇植烟土壤颗粒大部分为粉粒。

苑广源等［12］研究得出，土壤易氧化有机碳含量是决定土壤碳库活度指数和土壤碳库管理指数变化的主要原因。本试验易氧化有机碳含量从高到低的前茬依次为撂荒、小麦、大豆、玉米、烟草，而土壤碳库管理指数从高到低的前茬依次也是撂荒、小麦、大豆、玉米、烟草。

轮作制度是影响有机碳含量的重要因素。由于轮作改变了作物残体的种类、数量，从而影响到土壤有机碳的固存和土壤有机碳的含量［13］。广元市汉阳镇不同前茬作物的植烟土壤全碳含量、易氧化有机碳含量从高到低依次为小麦、大豆、玉米、烟草；水溶性有机碳含量为小麦＞大豆＞烟草＞玉米；高活性有机碳含量为大豆＞小麦＞玉米＞烟草；中活性有机碳含量为小麦＞玉米＞大豆＞烟草。前茬为烟草的植烟土壤中大部分有机碳含量明显低于其他作物，表明要保持植烟土壤良好的碳库水平，采用轮作的种植方式优于连作。

广元市汉阳镇植烟土壤活性有机碳含量比周边森林土壤多，土壤肥力优秀，土壤碳库营养水平较好，但是长期的连作会降低土壤质量和碳库水平，轮作则可以有效提高烟叶的品质性状和经济质量。