基于長期淺耕模式的煙稻輪作區土壤速效養分垂直分布特征

劉智炫 劉勇軍 彭曙光 單雪華 謝鵬飛 李宏光 李強 穰中文 周清明 黎娟

摘 ?要：為明確長期淺耕模式下湖南煙稻輪作區土壤速效養分的垂直分布特征，分析了30個典型煙田不同土層堿解氮、有效磷和速效鉀的分布特征，探討了其層化比率及與耕層深度的關系。結果表明，湖南煙稻輪作區耕層深度變幅為8.2～16.4 cm，均值為12.6 cm。堿解氮、有效磷和速效鉀總體上呈現隨土層深度的增加而下降的趨勢。各地區不同土層速效養分含量均以0～10 cm土層最高，20～30 cm土層下降幅度最大，30～50 cm土層虧缺嚴重。堿解氮、有效磷和速效鉀均表現出顯著的層化性和表聚性，以有效磷表現最為突出。有效磷和速效鉀與耕層深度呈顯著負相關，關系式分別為yP=97.04-4.42x（p<0.05）和yK=977.12-58.80x（p<0.01）。湖南煙稻輪作區耕層深度較淺，土壤速效養分具有明顯的表聚現象，需加深耕層、因地制宜控制化肥投入和增施有機肥。

關鍵詞：淺耕;煙稻輪作區;土壤;速效養分;垂直分布

Abstract： In order to clarify the vertical distribution characteristics of soil available nutrients in Hunan tobacco-rice rotation area under long-term shallow tillage， the distribution characteristics of alkaline nitrogen （available nitrogen）， phosphorus and potassium in different soil layers， the stratification ratios of soil available nutrients and their relationship with the depth of plough layer were analyzed based on 30 typical tobacco fields in this study. The results showed that the depth of plough layer in Hunan tobacco-rice rotation area was 8.2-16.4 cm， with a mean value of 12.6 cm. Soil available nitrogen， phosphorus and potassium contents were all decreased with the increase of soil depth. The contents of soil available nutrients in different areas were highest in 0-10 cm layers， decreased mostly in 20-30 cm layers， and serious deficit in 30-50 cm layers. The soil available nitrogen， phosphorus and potassium all showed significant stratification and surface aggregation， particularly for the soil available phosphorus. Soil available phosphorus and potassium were both significantly correlated with the depth of plough layer （yP=97.04-4.42x， p<0.05; yK=977.12-58.80x， p<0.01）. In conclusion， the depth of plough layer in Hunan tobacco-rice rotation area was very shallow. And soil available nutrients had obvious surface aggregation phenomenon. So， it was necessary to deepen the plough layer， control the chemical fertilizer input and increase the organic fertilizer application according to local soil nutrient conditions.

Keywords： shallow tillage; tobacco-rice rotation area; soil; available nutrients; vertical distribution

土壤速效養分是評價土壤肥力的重要指標，是植物所需三大基本元素的直接來源，對作物的產量和品質具有重要影響[1-2]。近幾十年來，由于長期采用傳統耕作方式（主要是旋耕）進行淺耕耕作，導致土壤犁底層增厚，耕作層變淺[3];加之化學肥料大量施用，導致土壤養分比例發生變化，嚴重影響耕層土壤質量[4]。因此，深入了解耕層土壤速效養分現狀，對區域平衡或精準施肥以及優質煙葉生產具有重要的現實意義。

對土壤速效養分的研究已有較多報道，并取得了一定的成果。鄧小華等[5]分析了武陵山地植煙土壤養分和酸度的垂直分布特征，表明長期種植烤煙會導致土壤酸化和養分表聚化。向德明等[6]指出湘西植煙土壤養分15年來以有效磷增幅最大，速效鉀次之，堿解氮較低。龍文靖等[7]研究表明土壤速效養分隨土層深度的增加而降低，具有明顯的規律性。不同的種植模式[8]、施肥方式[9]、地形地貌[10]和成土母質[11]等因素會對土壤速效養分含量產生顯著影響。

湖南煙區以煙稻輪作為主，土壤耕作層淺薄，阻礙了煙草根系深扎，影響了當地優質煙葉生產[12]。目前，煙田土壤速效養分的研究報道多集中在耕層，而關注其土體中垂直分布特征的較少，特別是關于長期淺耕模式下土壤速效養分的垂直分布特征更鮮有報道。為此本研究以湖南煙稻輪作區為研究對象，以耕層深度作為切入點，選擇具有代表性的煙田，分析了不同土層速效養分的垂直分布特征，探討了速效養分的層化比率及其與耕層深度的關系，旨在為湖南煙稻輪作區土壤合理利用和精準施肥提供參考。

1 ?材料與方法

1.1 ?典型煙田選擇

湖南煙稻輪作區主要位于湘南和湘東地區，包括郴州、衡陽和長沙等地，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，光照充足，熱量豐富，無霜期長，溫、光、水資源的季節分布與烤煙和水稻生長發育的需求規律吻合，多為煙稻水旱輪作種植區，約占植煙區總面積的70%～80%。該區域烤煙采收完畢后，立即整地種植一季晚稻，充分利用其土地資源，實現煙、糧雙豐收。

根據湖南煙稻輪作區種植特點，2017年在郴州、衡陽和長沙3個煙稻輪作區各選取10個有10年以上煙稻種植史的典型田塊，其中，郴州市嘉禾縣普滿鄉1個，和平鎮、仁義鎮和雷坪鎮各4、3和2個;衡陽市耒陽縣導子鎮和馬水鎮各3個，竹市鎮、東湖圩鎮、哲橋鎮和壇下鄉各1個;長沙市瀏陽市永安鎮3個，北盛鎮、沙市鎮和官渡鎮各2個，淳口鎮1個。

在每個典型田塊內的3個隨機位置，利用50 cm土柱取樣器（型號：QTZ-1，直徑：7.5 cm）采集土柱，將采集的每個土柱分成0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm共5個土層，共采集10×3×5=150個土樣。分層前仔細觀察采集的土柱，測量其耕層深度。

1.2 ?測定項目及方法

參照文獻[13]測定土壤堿解氮（有效氮）、有效磷和速效鉀含量。參考前人[14-15]研究，對湖南煙稻輪作區速效養分進行5級劃分，見表1。

1.3 ?層化比率計算方法

為量化研究湖南煙稻輪作區土壤速效養分的層化和表聚程度，參照前人[16-17]研究引入土壤速效養分層化比率（Stratification ratio，SR）的概念，該定義指土壤表層與某一底層某速效養分的比值，其中SR1、SR2、SR3和SR4分別為0～10 cm土層某速效養分含量與10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層某速效養分含量的比值。

1.4 ?數據處理

數據處理采用Microsoft Excel 2016和IBM Statistics SPSS 24.0進行，方差分析采用鄧肯氏新復極差法。制圖采用Origin 2018進行。

2 ?結 ?果

2.1 ?湖南煙稻輪作區土壤耕層深度狀況

湖南煙稻輪作區煙田耕層深度統計結果見圖1，其變幅為8.2～16.4 cm，均值為（12.6±1.93）cm。其中81.11%的煙田耕層深度分布在10～15 cm;耕層深度<10 cm和>15 cm的煙田分別占6.67%和12.22%。從不同地區來看，衡陽和長沙的耕層深度分別比郴州高出20.70%和20.34%，且達顯著差異（p<0.01）。郴州位于湖南南部，由于其降雨量多、地貌復雜和土壤抗蝕能力較弱等因素，導致煙區水土流失較為嚴重[18]，從而使耕層深度相對較淺。

2.2 ?湖南煙稻輪作區土壤速效養分垂直分布特征

2.2.1 ?土壤堿解氮垂直分布特征 ?由圖2可知，湖南煙稻輪作區土壤堿解氮總體上呈現出隨土層深度的增加而下降的趨勢。從不同土層看，郴州、衡陽和長沙均以0～20 cm土層堿解氮含量較高，以20～50 cm土層較低;且以20～30 cm土層較10～20 cm土層下降幅度最大;郴州、衡陽和長沙煙區10～20 cm土層堿解氮含量比20～30 cm土層分別高出54.74%（p<0.05）、42.77%（p<0.01）和67.09%（p<0.01）。從不同地區看，0～20 cm土層堿解氮在不同地區間呈顯著差異，以郴州和衡陽較高、長沙較低;20～50 cm土層堿解氮在各地區間無顯著差異。從圖2（d）中可知，0～50 cm土層堿解氮含量變幅為216.26～26.79 mg/kg，不同土層堿解氮含量呈離散分布，10～20 cm土層堿解氮含量比20～30 cm土層高出53.09%，且達顯著差異（p<0.01）。

2.2.2 ?土壤有效磷垂直分布特征 ?由圖3可知，湖南煙稻輪作區土壤有效磷總體上呈現隨土層深度增加而下降的趨勢。從不同土層看，郴州、衡陽和長沙均以0～20 cm土層有效磷含量較高，20～50 cm土層較低;且以20～30 cm土層較10～20 cm土層下降幅度最大;郴州、衡陽和長沙煙區10～20 cm土層有效磷含量比20～30 cm土層分別高出199.32%（p<0.05）、162.40%（p<0.01）和92.31%（p<0.01）。從不同地區看，0～20 cm土層有效磷在不同地區間呈顯著差異，以郴州和長沙較高，衡陽較低;20～30 cm土層有效磷以長沙較高，郴州和衡陽較低;30～40 cm土層有效磷在各地區間無顯著差異;40～50 cm土層有效磷以衡陽較高，郴州和長沙較低。從圖3（d）中可知，0～50 cm土層有效磷含量變幅為95.44～4.59 mg/kg，0～30 cm土層有效磷含量呈離散分布，30～50 cm土層有效磷含量呈集中分布，10～20 cm土層有效磷含量比20～30 cm土層高出142.31%，達顯著差異（p<0.01）。

2.2.3 ?土壤速效鉀垂直分布特征 ?由圖4可知，湖南煙稻輪作區土壤速效鉀總體上呈現出隨土層深度的增加而下降的趨勢。從不同土層看，郴州煙區以0～20 cm土層速效鉀含量較高，以20～50 cm土層較低;10～20 cm土層速效鉀含量比20～30 cm土層高出65.49%，達顯著差異（p<0.01）;衡陽煙區不同土層速效鉀含量呈顯著差異，以0～20 cm土層較高，20～50 cm土層較低;長沙煙區速效鉀含量呈現出隨土層深度的增加而下降的趨勢，但差異不顯著。從不同地區看，0～20 cm土層速效鉀在不同地區間呈顯著差異，以郴州最高，衡陽次之，長沙較低;20～50 cm土層速效鉀在不同地區無顯著差異。從圖4（d）中可知，0～50 cm土層速效鉀含量變幅為486.67～42.00 mg/kg，0～30 cm土層速效鉀含量呈離散分布，30～50 cm土層速效鉀含量呈集中分布，10～20 cm土層速效鉀含量比20～30 cm土層高出43.00%，達顯著差異（p<0.01）。

2.3 ?湖南煙稻輪作區土壤速效養分層化比率

為了表征和量化長期淺耕模式下湖南煙稻輪作區土壤速效養分的層化特征和表聚程度，分別計算了3個地區土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的層化比率。由表2可知，堿解氮層化比率介于1.13～3.15，在各地區間差異不顯著;SR1的均值接近1，表明10～20 cm土層層化和表聚化不明顯，但SR2、SR3和SR4的均值大于2，說明土壤堿解氮具 有明顯的表聚化和層化特征。有效磷層化比率介于1.30～9.66，SR3和SR4的均值大于7，不同地區間以郴州和長沙的較高，衡陽較低;SR2的均值是SR1 的3.06倍，說明土壤有效磷從20～30 cm土層開始出現明顯的層化性和表聚性，且在3種速效養分中表現最為突出。速效鉀層化比率介于1.15～3.96，SR3和SR4的均值大于2，說明土壤速效鉀具有明顯的表聚化和層化特征;且不同地區間呈顯著差異，以郴州最高，衡陽次之，長沙最低。

2.4 ?湖南煙稻輪作區土壤速效養分豐缺評價

由表3可知，湖南煙稻輪作區土壤堿解氮、有效磷和速效鉀在0～20 cm土層處于適宜以上水平，有效磷含量較為豐富。堿解氮在20～30、30～40和40～50 cm土層分別有66.67%、80.00%和90.00%的樣本處于缺乏或極缺乏水平，有效磷在30～40和40～50 cm土層分別有76.66%和86.66%的樣本處于缺乏或極缺乏水平，速效鉀在30～40和40～50 cm土層分別有76.67%和86.67%的樣本處于缺乏或極缺乏水平。綜上，說明湖南煙稻輪作區表層土壤速效養分符合煙草生長的基本要求，但30～50 cm土層土壤速效養分虧缺嚴重。

2.5 ?湖南煙稻輪作區土壤速效養分與耕層深度的關系

為明確土壤速效養分與耕層深度之間的關系，選取耕層深度與所對應土層速效養分的均值進行線性回歸分析，結果見圖5。堿解氮與耕層深度沒有顯著的相關性，有效磷和速效鉀與耕層深度的線性關系式分別為yP=97.04-4.42x（p<0.05）和yK=977.12-58.80x（p<0.01），說明土壤有效磷和速效鉀隨耕層深度的增加呈顯著下降的趨勢。

3 ?討 ?論

湖南煙稻輪作區由于長期采用單一的種植模式和淺耕耕作為主，導致耕層深度變淺（平均為12.6 cm），明顯低于全國平均水平16.5 cm[19]。長期淺耕易造成有效土壤數量減少，影響耕層土壤質量[20];不僅如此，長期淺耕還易導致土壤犁底層增厚，影響降水滲入土壤深層，阻礙煙草根系下扎，不利于根系對深層土壤水分的吸收利用[12]。因此，湖南煙稻輪作區需在平時耕作中加大翻耕力度，促使土壤養分均勻化;并且，可通過逐年加大深耕深度來進一步改善土壤質量。

湖南煙稻輪作區土壤堿解氮、有效磷和速效鉀總體上呈現出隨土層深度的增加而下降的趨勢，這與鄧小華等[5]、李曉紅等[21]、劉曉涵等[22]、李大明等[23]的研究結果相一致。土壤速效養分具有明顯的表聚性和層化性，以表層（0～20 cm）土壤速效養分含量最高，從20～30 cm土層開始明顯下降，30～50 cm土層土壤速效養分出現嚴重的虧缺。養分垂直分布的這一現狀，一方面是由于人為耕作的影響，長期的培肥措施補充了表層土壤的養分，且表層土壤具有良好的吸附條件，有利于速效態養分的保蓄[5，7];另一方面可能是由于作物生長發育的需求，下層土壤速效養分在作物生長發育過程中被根系大量的吸收利用[16]。湖南煙稻輪作區表層土壤速效養分受到大量補充，而下層土壤補給少消耗多，是造成土壤速效養分表聚與層化的重要原因。另外，本研究還發現土壤有效磷的表聚程度明顯高于堿解氮和速效鉀，這可能是由于土壤中的磷移動性小，相對其他養分更容易被固定在表層[24];此外，由于磷肥利用率低、下部土層磷一直處于耗竭狀態而難以得到補充[25]，導致土壤表層有效磷富集，出現顯著的表聚特征。

本研究表明，長沙煙區表層土壤堿解氮含量低于其他煙區，因此，該煙區在煙草種植過程中可通過增施速效氮肥和有機肥來增加土壤的養分來源。湖南煙稻輪作區表層土壤速效磷含量豐富，研究表明適量的磷素有利于作物的生長，但磷素過量會導致富營養化，存在磷從農田轉移到水體中造成環境污染的風險[26]。為此建議適當下調磷肥用量或改進磷肥品種以減少土壤磷素累積。從土壤速效鉀的垂直分布特征來看，雖然湖南煙稻輪作區表層土壤速效鉀含量總體上處于豐富或適宜水平，但長沙煙區表層土壤速效鉀含量相對較低，可通過秸稈還田、秸稈覆蓋并配合深松、翻耕等保護性耕作措施來補充土壤的速效鉀含量[16，27]。從土壤速效養分與耕層深度的回歸分析可知，土壤有效磷和速效鉀與耕層深度呈顯著負相關，說明適當的增加耕層深度有利于降低表層土壤速效養分的表聚現象。湖南煙稻輪作區不同土層土壤速效養分具有顯著差異，應根據不同的垂直分布特征因地制宜采取有效措施，改善土壤質量。

4 ?結 ?論

湖南煙稻輪作區土壤耕層深度均值為12.6 cm，土壤有效磷和速效鉀與耕層深度呈顯著負相關;堿解氮、有效磷和速效鉀總體上呈現出隨土層深度的增加而下降的趨勢，且表現出顯著的層化性和表聚性，以有效磷表現最為突出;土壤速效養分含量在0～20 cm土層處于適宜以上水平，在30～50 cm土層虧缺嚴重。需進一步加深耕作，因地制宜控制化肥投入和增施有機肥，從而提高耕層土壤質量，促進優質煙葉生產。

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