植烟红壤粒径组分对连作年限响应的差异分析

关键词：连作；红壤；粒径组分；养分含量；酶活性

中图分类号：S151.9 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024）11-0127-06

土壤粒径组分的变化可以表征土壤质量的稳定性及土地退化程度与过程。作为土壤重要的理化性质，土壤颗粒组分对土壤持水力、通气性、土壤矿物组成、肥力等理化特性，以及土壤酶活性和微生物群落结构等生物特性具有塑造作用。近年来由于粮烟争地矛盾突出，烟叶种植多分布于山区、半山区，连作现象普遍存在，严重制约了植烟土壤的可持续利用。连作障碍产生的原因主要包括：连作导致土壤养分状态呈现出特定养分偏向性消耗和其余养分过度富集的趋势，引发土壤养分失衡。连作导致植株凋落物和根系分泌物种类单一且长期不变，这样一方面使根系分泌物逐年积累引发自毒效应；另一方面，盐分、有机酸等在土壤耕层富集，形成较为特殊的生态环境，引起土壤胞外酶活性和根际微生物群落平衡发生明显改变。目前，关于植烟连作相关研究多集中在连作对土壤养分、酶活性、土壤微生物、烟株根系分泌物和产质量影响等方面，但在典型红壤区中长期烟草单一种植对土壤粒径组分的影响，以及粒径组分与生化特性相互关系的研究较少。据此，于2014年开始，本课题组在云南省典型红壤区建立长期定位试验点，设置了轮作、植烟连作3年和8年三种耕作模式，研究植烟连作对土壤粒径组分及生化指标的影响规律，试图从植烟连作对土壤粒径组分占比影响的角度，为土壤质量稳定性以及连作障碍机理研究等方面提供新的视角。

1材料与方法

1.1土样采集

试验地位于云南省玉溪市红塔区高仓街道干海子（E：102°17′32″～102041'37”，N：24°08′30″～24°32′18″），隶属云贵高原典型红壤区，海拔1855 m，属中亚热带湿润冷冬高原季风气候，年平均气温16.7℃，年降水量700～900 mm，年均日照时数2300～2700h，无霜期300d左右。

长期定位试验设计如下：2013年，将一整块典型的红壤农田划分为3个地块，并采用不同耕作模式，具体为（1）轮作地块（CK）：采用“烤烟一小麦_÷玉米一小麦”隔年轮作模式；（2）连作3年地块（T3）：2013-2018年采用与轮作地块相同的耕作模式，2019—2021年采用“烤烟—小麦”复种连作模式；（3）连作8年地块（T8）：2013年开始采用“烤烟—小麦”复种连作模式。

2021年9月烤烟收获后，按五点取样法采集植烟土壤0～20cm土层土壤1 kg，去除残根和地表凋落物后装入自封袋，带回实验室后自然风干，用于测定土壤粒径组分、养分含量和酶活性。

1.2测定项目及方法

1.2.1土壤粒径组分测定 土壤粒径组分采用比重计法测定。

1.2.2土壤pH值及养分含量测定 土壤pH值采用土壤pH测定仪测定。全氮含量采用凯氏定氮法测定，全磷含量采用钼锑抗比色法测定，全钾含量采用火焰光度计法测定，水解性氮含量采用碱解扩散法测定，有效磷含量采用钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用原子吸收分光光度计法测定，阳离子交换总量采用乙酸铵交换法测定。

1.2.3 土壤酶活性测定 过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，脲酶活性采用苯甲酸-次氯酸钠比色法测定。

1.3数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2021和SPSS 26.0软件对试验数据进行整理、统计分析及图表制作，采用Duncan’s法进行单因素差异显著性分析。

2结果与分析

2.1不同连作年限对土壤粒径组分的影响

由表1可知，与CK相比，连作植烟土壤中黏粒（粒径lt;0.002 mm）、粉砂粒（粒径0.002～0.02mm）和砂粒（粒径0.02～2 mm）占比随连作年限不同而发生变化。

T3、T8处理土壤的黏粒占比较CK分别升高6.12%、19.21%，粉砂粒分别降低10.38%、21.71%，砂粒分别降低3.41%、14.87%，且均表现为T3与CK差异不显著而T8与CK差异显著。

根据土壤粒径成分变异强度三级评价法标准：CVlt;10%为弱变异，10%≤CV≤300/0为中等变异，CVgt;30%为强变异。T3处理土壤的粒径组分处于弱变异状态，T8处理土壤则达到中等变异状态。

2.2不同连作年限对土壤化学特性的影响

由表2可以看出，植烟红壤pH值为4.90～5.95，整体均在酸性范围内，且随着连作年限延长pH值呈下降趋势。相较于CK，T8处理土壤的pH值显著下降，降幅达17.65%。连作导致土壤养分整体呈下降趋势，相较CK，T3处理土壤有机质、全氮、水解性氮、全磷、有效磷及速效钾含量均显著下降：而随着连作年限延长，除T8处理土壤速效钾含量较T3处理显著下降外，其余指标变化均未达显著水平：土壤全钾含量各处理间无显著性差异，其含量变化范围为6.44～7.63g/kg。T3处理土壤的阳离子交换总量与CK差异不显著.T8处理则较CK显著下降，降幅达38.84%。

2.3不同连作年限对土壤酶活性的影响

由表3可知，随连作年限延长，土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性呈下降趋势。其中，蔗糖酶活性降幅较大，处理间差异显著，T3、T8处理较CK分别降低33.93%、68.01%;T8处理土壤过氧化氢酶活性较CK显著降低，降幅达10.87%，T3处理与CK差异不显著。T3、T8处理土壤脲酶活性均显著高于CK，分别高出69.91%、61.36%。

2.4不同连作年限下土壤粒径组分与化学指标、酶活性的相关性分析

由表4可知，土壤黏粒占比与土壤pH值、全氮、全钾、速效钾含量、阳离子交换总量呈极显著负相关，与土壤全磷、有效磷含量呈显著负相关，与有机质含量呈负相关，但未达显著水平；粉砂粒占比与土壤速效钾含量、阳离子交换总量呈极显著正相关，与水解性氮含量呈正相关，但未达显著水平，与其余6项化学指标均呈显著正相关；土壤砂粒占比与土壤全氮、全磷、全钾、速效钾含量、pH值、阳离子交换总量呈显著正相关，与土壤有机质、水解性氮、有效磷含量呈正相关，但均未达显著水平。

土壤黏粒占比与土壤过氧化氢酶、蔗糖酶活性呈极显著负相关，与土壤脲酶活性呈正相关，但未达显著水平；土壤粉砂粒占比与土壤过氧化氢酶、蔗糖酶活性呈极显著正相关，与脲酶活性呈显著负相关；土壤砂粒占比与土壤蔗糖酶活性呈显著正相关，与土壤过氧化氢酶活性呈正相关，与土壤蔗糖酶活性呈负相关，但均未达显著水平。

2.5不同连作年限下土壤化学指标与酶活性的相关性分析

由表5可知，土壤过氧化氢酶活性与土壤全钾、速效钾含量、阳离子交换总量呈极显著正相关，与土壤pH值和全氮、全磷含量呈显著正相关；土壤脲酶活性与土壤有机质、全氮、水解性氮、全磷、速效磷含量呈极显著负相关；土壤蔗糖酶活性与土壤有机质、全氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾含量及pH值、阳离子交换总量呈极显著正相关。其余指标间的相关性均未达显著水平。

2.6不同连作年限下土壤粒径组分与生化指标的逐步回归分析

以土壤化学特性为因变量，土壤粒径占比为自变量，进行逐步回归分析，排除无关变量后，得到关于土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效钾含量及土壤pH值、阳离子交换总量和土壤过氧化氢酶、蔗糖酶活性的偏回归方程（表6）。

土壤pH值及全氮、全磷、全钾含量的变化主要受到黏粒占比的影响，标准化系数分别为-0.855、-0.815、-0.797、-0.865，表明黏粒占比对这四个土壤性状均有显著抑制作用；土壤有机质、速效钾含量和过氧化氢酶活性则主要受到粉砂粒占比的影响，标准化系数分别为0.763、0.859和0.850，表明粉砂粒占比对此三个土壤性状有显著促进作用：土壤阳离子交换总量与土壤蔗糖酶活性主要受到黏粒和粉砂粒的共同影响，黏粒、粉砂粒对阳离子交换总量及蔗糖酶活性的标准化系数分别为-0.520、0.503和0.339、0.760，决定系数分别为0.880、0.937，表明粉砂粒和黏粒含量占比可以解释阳离子交换总量变化的88.0、蔗糖酶活性变化的93.7%。

3讨论

土壤粒径组分的变化是土地质量变化过程中最常见且较具有代表性的现象。根据土壤粒径组分的变化和差异特征，可以判断土地质量退化的强弱和发展强度。本研究结果表明，随着连作年限增加，黏粒占比明显增加，而粉砂粒和砂粒占比明显下降。其原因可能是，长期连作下的单一肥料施用会加速黏粒矿物的风化速度，长期定位试验用肥为烟草专用复合肥，每年投入的养分种类、比例和数量一致，从而加速黏土矿物的风化：长期施用化肥还会改变土壤黏粒级复合体表面性质，致使土壤酸化趋势加快，土壤阳离子交换总量降低。本研究结果显示，土壤pH值、阳离子交换总量与黏粒占比呈极显著负相关，但与砂粒和粉砂粒占比呈显著或极显著正相关，这与前人研究结果一致。表明施肥导致的土壤粒径占比改变可能是土壤酸化加剧、肥力降低的一个重要原因。

连作土壤养分虽在轮作处理间存在显著差异，但其整体并未随连作年限延长而显著下降，说明短期连作（8年内）对土壤养分的改变效应有限。可能原因为：连作对土壤养分的影响效应存在阈值，当连作超过一定年限打破土壤养分阈值时才会导致养分明显失衡；另一方面，随着连作年限延长，烟株吸收能力下降，也会引起养分在土壤中的滞留。

土壤养分含量与土壤酶活性存在相关性。本研究结果表明，土壤蔗糖酶、过氧化氢酶活性与土壤全钾、速效钾含量及阳离子交换总量呈极显著正相关，而与土壤黏粒占比呈极显著负相关。该结果与Busto等得出的土壤中的黏粒能与土壤酶结合形成土壤复合体提高酶活性的结论不一致，这可能是由于红壤本身质地偏黏，因而透水透气性相对较差，导致土壤微生物呼吸强度减弱，从而降低土壤酶活性。脲酶活性与粉砂粒占比呈显著负相关，可能与程昊等提出的粉砂粒与土壤可蚀性呈显著正相关有关，且有研究表明，土壤侵蚀将导致土壤生物活性降低和结构退化，并制约土地肥力提升、农业生产发展和环境质量改善。

4结论

连作导致土壤的不同粒径组分占比发生变化，随着连作年限延长，砂粒、粉砂粒占比逐渐下降，黏粒占比逐渐增加，即整体呈现向更小粒径占比增加的变异趋势。连作导致植烟红壤呈酸化趋势，土壤养分含量以及蔗糖酶、过氧化氢酶活性随连作年限延长及不同粒径占比的改变均呈现出一定程度的下降，而脲酶活性则有所上升。逐步回归分析结果显示，黏粒占比对土壤pH值及全氮、全磷、全钾含量有极显著抑制作用；粉砂粒占比对土壤有机质、速效钾含量及阳离子交换总量和过氧化氢酶、蔗糖酶活性有显著或极显著促进作用。与轮作（CK）相比，连作导致植烟红壤的黏粒占比上升，降低了土壤的通透性，从而影响土壤养分矿化和酶活性。