種植年限對植煙土壤團聚體組成與穩(wěn)定性的影響

王 珊，毛 玲，廖 浩，蔡 華，孫文攀，陳良丹

(1.內江師范學院地理與資源科學學院，四川 內江 641199；2重慶師范大學 地理與旅游學院，重慶 400047)

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種植年限對植煙土壤團聚體組成與穩(wěn)定性的影響

王 珊1，毛 玲2，廖 浩1，蔡 華1，孫文攀1，陳良丹1

(1.內江師范學院地理與資源科學學院，四川 內江 641199；2重慶師范大學 地理與旅游學院，重慶 400047)

【目的】揭示不同植煙年限土壤團聚體的分布特征和穩(wěn)定性，探明煙草種植對土壤結構變化的影響?！痉椒ā恳悦釋幙h長期植煙區(qū)域土壤為研究對象，研究種植年限在3年以下、4～6年及7年以上土壤團聚體的粒級組成、機械穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、分行維數(shù)和結構破壞率的變化?！窘Y果】①植煙土壤機械穩(wěn)定性團聚體以>0.25 mm的土壤大團聚體含量最高，所占比例在75.85 %～83.56 %。隨植煙年限的延長，土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成逐漸呈均質化態(tài)勢，這種變化主要影響到5～2和2～1 mm 2個粒級。②植煙土壤水穩(wěn)性團聚體組成均以<0.25 mm的微團聚體為優(yōu)勢級別，隨植煙年限的延長，土壤水穩(wěn)性團聚體變化較非水穩(wěn)性團聚體變化更快，尤其以>5 mm的粒徑變化最為顯著。③在種植初期(<3年)，土壤水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)最大，分形維數(shù)(D)、結構破壞率(PAD)最小，土壤團聚體穩(wěn)定性最好，隨種植年限的增加，MWD、GMD降低，D、PAD增大。【結論】種植年限對土壤團聚體的組成影響不大，但影響其穩(wěn)定性。長期種植煙草會使土壤團聚體的水力學穩(wěn)定性變差，減弱土壤的抗蝕性。

煙草；種植年限；土壤團聚體狀況； 團聚體穩(wěn)定性

安寧河谷位于長江上游，北通成都、南接云貴、連接成渝經(jīng)濟區(qū)和東盟自由貿(mào)易區(qū)的安寧河谷是四川省內僅次于成都的第二大平原，區(qū)域內自然條件優(yōu)越、人口和城鎮(zhèn)分布密集，形成了以烤煙、蠶桑、花卉、蔬菜、畜禽等為代表的特色農(nóng)業(yè)，是國家和省農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)的重點地區(qū)。區(qū)域內擁有良好的生態(tài)氣候環(huán)境，所產(chǎn)煙葉可與世界最好的津巴布韋煙葉媲美，是國家優(yōu)質煙葉、儲備煙葉和出口煙葉的重要基地[1]。從2013年,該區(qū)域著手規(guī)劃特色煙葉的開發(fā),計劃用5年的時間打造“山地原生態(tài)知名品牌”，并建成全國最大的打葉復烤加工基地和膨脹煙絲出口基地。受傳統(tǒng)種植習慣、土地資源稀缺等因素的影響，煙草種植大多采用連作的方式，一則煙草對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境適應快,二來具有較高經(jīng)濟效益，同時這種種植方式又充分利用了土地、氣候等自然資源，短期內即能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟和社會效益，因此十分普遍。但長期連作也會出現(xiàn)多種弊端，如煙葉病害加重、中上等級煙葉減產(chǎn)、土壤營養(yǎng)元素流失、土壤菌落發(fā)生變化等，既而對煙葉品質及土壤生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響?？s短連作時間及減輕連作帶來的危害，對保護該地區(qū)土壤的生態(tài)環(huán)境及“全面建成山地原生態(tài)特色煙區(qū)”具有重要意義。

土壤團聚體指土壤中大小、形狀不一、具有不同孔隙度和機械穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性的結構單位，是土壤結構的基本單元和土壤物質、能量轉化的場所，影響著土壤的水、肥、氣、熱等狀況，是評價土壤肥力的重要指標。土壤團聚體的組成和性質是決定土壤侵蝕、壓實、板結等物理過程的關鍵指標之一，其穩(wěn)定性可以表征土壤生態(tài)的變化[2-8]。目前關于植煙土壤的研究主要集中在養(yǎng)分、微生物、酶活性、重金屬等方面[9-11]，而對于連作下土壤團聚體的研究較少。本研究以不同種植年限植煙土壤為研究對象，分析土壤團聚體的組成和穩(wěn)定性，探討種植年限對土壤團聚體特征的影響，以期為植煙區(qū)土壤的生態(tài)保護與可持續(xù)利用、防止土壤質量退化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

冕寧縣位于安寧河谷地區(qū)北部，也是安寧河的發(fā)源地，地理坐標為東經(jīng)101°39＇44＇，北緯28°25＇5″～29°4＇42″，海拔1200～1900 m，多年平均降水量1015 mm，年平均溫度13.8 ℃，年日照時數(shù)2008 h，無霜期235 d，>10 ℃的積溫為3800 ℃，屬于亞熱帶季風氣候。該區(qū)域具有低緯度、高海拔、氣候溫和、雨熱同期、雨量充沛、日照充足等明顯等特點，地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，地勢以低山平壩為主，成土母質以壤質沖積物、礫質洪積物為主。煙草種植品種主要為紅花大金元。

1.2 土樣的采集

根據(jù)前期調查結果，選擇了自然生態(tài)條件相同、施肥情況較為一致、種植年限在3年以下、4～6年以及7年以上的煙田進行采樣，于2013年8月，按0～20 cm在每個年限范圍內煙田采集原狀土樣。土樣運回室內，在陰涼處自然風干，風干過程中沿團聚體間自然裂隙掰分成直徑1cm左右的小土塊，剔除植物殘體，待充分風干后一部分用于土壤團聚體測定，另一部分磨細備用。

1.3 研究方法

土壤團聚體分為機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性2種，其中機械穩(wěn)定性團聚體組成用干篩法測定[12]，水穩(wěn)定性團聚體組成用濕篩法測定[12]。

1.4 指標計算及數(shù)據(jù)處理

土壤團聚體平均質量直徑：

式中：MWD為團聚體平均質量直徑(mm)，Xi為任一級別范圍內團聚體的平均直徑(mm),Wi為對應Xi的團聚體百分含量。

幾何平均直徑：

GMD=exp[∑XiWi/m]

式中：GMD為團聚體幾何平均直徑(mm),Xi為任一級別范圍內團聚體的平均直徑(mm)，Wi為對應于Xi的團聚體百分含量，m為樣品總重量。

土壤團聚體分散度(PAD)：

PAD=(Md-Mw)/Md×100 %

式中：Md和Mw分別為大于0.25 mm干篩和濕篩團聚體質量分數(shù)。

土壤質量分形模型

式中：Di為相鄰兩篩分粒級的粒徑平均值(mm)；Dmax為最大土粒的粒徑(mm);Mi為粒徑小于Di的累積土粒質量(kg)；Mmax為各粒級質量的總和(kg)；D為分形維數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

全部數(shù)據(jù)使用Excel2003和SPSS17.0軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同種植年限植煙土壤中團聚體的粒徑分布

2.1.1 機械穩(wěn)定性團聚體的粒徑分布特征 通過干篩法得到不同種植年限植煙土壤機械穩(wěn)定性團聚體分布特征。由表1可知，植煙土壤以>0.25 mm粒徑的團聚體含量最高，所占比例在75.85 %～83.56 %，大團聚體組成以5～1 mm粒徑為主，其次是1～0.25 mm和>5 mm。不同種植年限下，土壤團聚體變化不一致，種植年限在3年以下和4～6年的土壤中，團聚體組成總體上隨粒徑的減小呈W型分布特點；在種植年限超過7年的土壤中，則表現(xiàn)為N型。

表1 植煙土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成

注：不同小寫字母表示相同種植年限下不同級別團聚體含量差異顯著，上標字母表示不同種植年限下相同級別團聚體含量差異顯著(P<0.05)。 Note: Different lowercase letters and superscript letters indicate significant difference at 5 % level in content of mechanically-stable soil aggregates between different fractions of soil aggregates in the same planting year and between different planting years of the same fraction, respectively.

隨植煙年限的延長，土壤中>5 mm的團聚體含量明顯下降，5～2、2～1和1～0.5 mm粒級團聚體表現(xiàn)為先下降再增加，0.5～0.25和<0.25 mm粒級恰好相反，表現(xiàn)為先增加再下降。方差分析表明，種植年限在3年以下的土壤微團聚體(<0.25 mm)與大團聚體中>5、5～2和0.5～0.25 mm 3個粒徑差異顯著；種植年限在4～6年土壤微團聚體(<0.25 mm)與5～2和0.5～0.25 mm 2個粒徑差異顯著；而種植年限7年以上的土壤微團聚體(<0.25 mm)與2～1和0.5～0.25 mm 2個粒徑差異顯著，且該時間段5～2和2～1 mm 2個粒級與<3年和4～6年差異顯著。說明隨著植煙年限的增加，土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成逐漸呈均質化態(tài)勢，這種變化主要影響到5～2和2～1 mm 2個粒級。

2.1.2 水穩(wěn)定性團聚體的粒徑分布特征 通過濕篩法得到不同種植年限植煙土壤水穩(wěn)性團聚體分布特征，該指標對于保持土壤穩(wěn)定狀態(tài)更具重要價值。分析表2，植煙土壤水穩(wěn)性團聚體組成均以<0.25 mm的微團聚體為優(yōu)勢級別，變化范圍在34.15 %～39.83 %，土壤大團聚體含量組成表現(xiàn)為1～0.25 mm>5～1 mm>>5 mm>。與土壤機械穩(wěn)定性團聚體變化相比，土壤水穩(wěn)性團聚體變化更快，在種植3年以下土壤中水穩(wěn)性團聚體組成隨粒徑的減小呈V型分布；在種植4～6年和超過7年的土壤中，則表現(xiàn)為N型特點。

隨植煙年限的延長，土壤中>5 mm的水穩(wěn)性團聚體含量也明顯下降，在種植初期和中后期差異明顯。5～2、1～0.5 mm粒級土壤團聚體含量隨種植年限表現(xiàn)為持續(xù)增加，2～1 mm和<0.25 mm粒級呈先增加再下降的趨勢，但這種變化都不顯著。方差分析表明，土壤中<0.25 mm水穩(wěn)性團聚體與各粒徑差異顯著，且不受種植年限的影響。說明種植年限對植煙土壤水穩(wěn)性團聚體的影響主要是大團聚體，尤其是>5 mm粒級。

2.2 不同種植年限對植煙土壤團聚體的穩(wěn)定性

土壤團聚體的穩(wěn)定性關系到土壤對環(huán)境的適應和協(xié)調，可以衡量土壤抗蝕型和土壤質量，常用的指標包括平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團粒結構分形維數(shù)(D)、團聚體破壞率(PAD)等[13-14]。一般認為MWD和GMD值越大表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，土壤穩(wěn)定性越好，抗侵蝕能力強[15]。分析土壤團聚體的穩(wěn)定性特征(表3)，MWD、GMD值都較小，隨種植年限的增加，土壤機械穩(wěn)定性團聚體MWD表現(xiàn)為先降低后增加，GMD變化不大；土壤水穩(wěn)性團聚體的MWD、GMD較機械穩(wěn)定性團聚體低，隨種植年限增加呈持續(xù)下降趨勢。方差分析表明種植年限對MWD、GMD影響并不明顯。

土壤團粒結構粒徑分布的分形維數(shù)(D)是反映土壤結構幾何形狀的參數(shù)，該值越高，表明土壤水穩(wěn)性團聚體及水穩(wěn)性大團聚體含量越低，土壤結構越緊實；反之，土壤水穩(wěn)性團聚體及水穩(wěn)性大團聚含量較高，土壤結構相對松散、通透性好[16]。本研究中干篩和濕篩下下土壤分形維數(shù)分別在2.24～2.55、2.63～2.75，不同種植年限下分型維數(shù)為<3年<4～6年<7年以上，種植初期與長期種植后差異顯著。土壤團聚體破壞率(PAD)表征團聚體在水力作用下的分散程度，該值越大表明土壤團聚體的穩(wěn)定性越差[17]。與分形維數(shù)變化相同，植煙年限越長，土壤團聚體破壞率也越大，且在各種植年限間差異顯著。說明種植年限對土壤團聚體穩(wěn)定性有影響，長期種植煙草會使土壤團聚體的水力學穩(wěn)定性變差。

表2 植煙土壤水穩(wěn)性團聚體組成

注：不同小寫字母表示相同種植年限下不同級別團聚體含量差異顯著，上標字母表示不同種植年限下相同級別團聚體含量差異顯著(P<0.05)。 Note: Different lowercase letters and superscript letters indicate significant difference at 5 % level in content of water-stable soil aggregates between different fractions of soil aggregates in the same planting year and between different planting years of the same fraction, respectively.

表3 土壤團聚體穩(wěn)定性特征

注：不同小寫字母表示不同種植年限下差異顯著(P<0.05)。

Note： Different lowercase letters indicate significant difference at 5 % level in different planting years.

3 討 論

土壤結構的好壞通常受土壤團聚體的含量、分布及穩(wěn)定性影響，>10 mm 團聚體在改善土壤孔性、增強土壤通透性、增強抗風蝕能力等方面具有重要價值，尤其是表層土壤，但該粒徑的團聚體含量過多會因結構體過大而影響土壤保墑和作物出苗；10～0.25 mm 的團聚體決定土壤物理、化學和生物性質，是最理想的粒徑；而<0.25 mm 的微團聚體含量過多則會影響土壤通氣透水性和微生物活性[13,18]。Шеин認為，干篩法下土壤10～0.25 mm 含量>60 %為優(yōu)良團聚狀態(tài)，60 %～40 %為良好狀態(tài)，<40 %則為差等狀態(tài)；而濕篩法以>0.25 mm 團聚體為指標，<30 %為不良團聚狀態(tài)，30 %～40 %屬較差，40 %～75 %為良好狀態(tài)，>75 %屬相當優(yōu)良狀態(tài)。本研究中，無論是采用干篩還是濕篩法，土壤團聚體組成均以>0.25 mm粒徑為主，達到了60 %以上，根據(jù)這兩個指標可以得出目前研究區(qū)土壤機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團聚體分別為優(yōu)良和良好級團聚狀態(tài)，有利于土壤保水、保肥，也說明種植年限對土壤團聚體的組成影響不大。但是濕篩下數(shù)量上優(yōu)勢級別的水穩(wěn)性團聚體主要為<0.25 mm，且水穩(wěn)性大團聚體多由直徑小的粒徑組成，這種結構在在浸水條件下抵抗破壞能力較小。

隨種植年限的延長，土壤團聚體的穩(wěn)定性發(fā)生變化，在種植初期(<3年)，土壤團聚體組成中>5 mm 大團聚體含量較高，MWD、GMD最大，D、PAD最小，土壤團聚體穩(wěn)定性最好；隨后土壤中大團聚體逐漸破碎成微團聚體，水穩(wěn)性團聚體MWD、GMD降低，而D、PAD增加，此時植煙土壤結構開始變差，抗蝕性、通透性下降，增加了土壤侵蝕與流失的可能。究其原因，一方面植煙土壤大量施用化學肥料、輕施有機肥；另一方面長期種植煙草，土壤中微生物群落單一，不利于土壤中有機質的分解，形成土壤大團聚體的膠結劑減少[19]。

4 結 論

(1)植煙土壤機械穩(wěn)定性團聚體以>0.25 mm的土壤大團聚體含量最高，所占比例在75.85 %～83.56 %。不同種植年限下，土壤團聚體變化不一致。隨植煙年限的延長，土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成逐漸呈均質化態(tài)勢，這種變化主要影響到5～2和2～1 mm 2個粒級。

(2)植煙土壤水穩(wěn)性團聚體組成均以<0.25 mm的微團聚體為優(yōu)勢級別，隨植煙年限的延長，土壤水穩(wěn)性團聚體變化較非水穩(wěn)性團聚體變化更快，尤其以>5 mm的粒徑變化最為顯著。

(3)種植年限對土壤團聚體的組成影響不大，但影響其穩(wěn)定性。在種植初期(<3年)，土壤水穩(wěn)性團聚體MWD、GMD最大，D、PAD最小，土壤團聚體穩(wěn)定性最好，隨種植年限的增加， MWD、GMD降低，D、PAD增大。長期種植煙草會使土壤團聚體的水力學穩(wěn)定性變差，減弱土壤的抗蝕性。

[1]四川省人民政府網(wǎng)站.四川省人民政府關于印發(fā)《安寧河谷地區(qū)跨越式發(fā)展規(guī)劃(2010—2020年)》的通知[EB/OL].(2010-12-22) http://125.64.4.186/t.aspx?i=20101227092530-859860-00-000.

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(責任編輯 李 潔)

Effects of Soil Aggregates Composition and Stability with Different Planting Years in Tobacco

WANG Shan1, MAO Ling2, LIAO Hao1, CAI Hua1, SUN Wen-pan1, CHEN Liang-dan1

(1.College of Geography and Resources Science, Neijiang Normal University, Sichuan Neijiang 641199,China;2.College of Geography and Tourism, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China)

【Objective】Revealed The distribution and stability of soil aggregates in different tobacco planting years were revealed,and the effects of tobacco planting on soil structure were discussed. 【Method】Soil with different planting years(<3 years,4-6 years,>7 years) were selected in the long-term tobacco planting area in Mianning County as the research object. Analysed the soil aggregate composition, mechanical stability, water stability, fractal dimension and structural damage rate. 【Result】(i) The soil mechanical aggregates with >0.25 mm had the highest content of soil aggregates, and the proportion was 75.85 %-83.56 %.With the extension of tobacco planting years, the mechanical stability of soil aggregate showed a homogeneous trend. This change mainly affected 5-2 and 2-1 mm. (ii) Soil water stable aggregates were composed by < 0.25 mm. With increasing years of tobacco planting, soil water stable aggregates changed faster than non water stable aggregate, especially significant to >5 mm particle size. (iii) In the early planting year (<3 years), the MWD, GMD of soil water stable aggregate had the maximum value, while the D, PAD the minimum. The stability of soil aggregates was best. With the increase of planting year, MWD, GMD decreased, while D,PAD increased.【Conclusion】The planting year had little effect on the composition of soil aggregates, but affected the stability of soil aggregates. After long term cultivation of tobacco,the soil aggregate water stability became worse. It would weak the soil corrosion resistance.

Tobacco; Planting year; Soil aggregates status; Soil aggregate stability

1001-4829(2017)6-1421-05

10.16213/j.cnki.scjas.2017.6.031

2016-10-17

四川省教育廳項目(15ZB0273)；四川省農(nóng)村發(fā)展研究中心項目(CR1628)；內江師范學院大學生項目(13NSD-1)

王 珊(1983-)，女，四川崇州人，碩士，主要從事土地利用與生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)與農(nóng)村方向的研究，E-mail:wangsh1983@qq.com。

S152.4

A