稻作煙區土壤電導率和陽離子交換量的垂直分布特征與養分有效性的關系

田祥珅，鄭重誼，劉勇軍，周清明，陳 燾， 曹志輝，謝鵬飛，彭曙光，周啟運，黎 娟*

(1.湖南農業大學農學院，湖南 長沙 410128； 2.湖南省煙草科學研究所，湖南 長沙 410004； 3.湖南省煙草公司郴州市公司，湖南 郴州 423000； 4.湖南省煙草公司長沙市公司，湖南 長沙 410007)

【研究意義】稻作煙區指在一年之中連續種植一季煙草和一季晚稻的煙稻輪作區。煙稻輪作模式既是一種水旱輪作，也是茄科作物和禾本科作物的輪作，既能有效抑制水稻和煙草病害的發生，又可以提高土壤理化性狀，平衡土壤養分[1]。土壤是煙草生長的基質，特別是對于耕作層淺的煙區，土壤條件對煙草的生長發育至關重要[2]。測定土壤電導率可以直接反映土壤含鹽量，而含鹽量是土壤中一個非常重要的綜合性指標；對于非鹽漬化土壤，土壤電導率可以直接作為一個綜合性指標來體現土壤的肥力[3-4]。土壤陽離子交換量可作為評價土壤肥力的指標，能代表土壤可能保持的養分數量。一方面，陽離子交換量可以體現土壤質量的提升和肥料施用的合理性；另一方面，土壤緩沖性能的主要來源也離不開陽離子交換量[5-8]。【前人研究進展】近幾年，學者們對電導率和土壤陽離子交換量進行了單一研究[9-12]，主要集中在不同的土地類型、土地利用方式及土層深度等方面，而綜合考慮兩者的研究較少。湖南煙區以煙稻輪作為主，由于傳統耕作方式的長期使用，土壤受到破壞，耕作層變淺；此外，由于大量施用化肥，土壤養分失調，嚴重影響耕層土壤肥力狀況，從而影響了優質煙葉的生產[13]。【本研究切入點】關于煙稻輪區土壤化學性質的特征已有大量報道，而關注其在土壤中的垂直分布特征的研究極少。關于稻作煙區養分的研究，一般集中在有效養分方面[14]，極少關注其與電導率和陽離子交換量的相關性。【擬解決的關鍵問題】本研究在分析了不同土層、不同地區稻作煙區土壤電導率和陽離子交換量的垂直分布特征的基礎上，對其二者與養分有效性的關系進行探討，以期為湖南稻作煙區改良土壤、合理施肥和農田土壤的長期科學發展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

研究區位于中國湖南郴州、衡陽和長沙等地。研究區地處亞熱帶季風性濕潤氣候區，四季分明，光照充足，夏季高溫多雨，年均溫16～19 ℃。光、溫、水資源的季節分布適宜煙草和水稻的生長發育。地貌類型多樣，以丘陵和山地為主。

1.2 土壤樣品采集

根據湖南稻作煙區的種植特點，于2017年11月晚稻收獲后，在郴州、衡陽和長沙3個稻作煙區中各挑選出10塊典型田塊，具體田塊信息如表1所示。要求至少擁有10年以上的煙稻種植史。在每個典型田塊內按“S”型布點法隨機確定3個采樣點，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5個土層：0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm，共10×3×5=150個土樣。每個土樣用四分法保留1 kg左右的土壤，帶回實驗室陰干、粉碎、過篩、收集，供后續的理化分析。在取樣的同時對試驗田的耕作層深度進行觀察測量，得到長沙、衡陽和郴州稻作煙區耕作層深度分別為9.5～16.4、10.6～16.4、8.2～13.4 cm。

1.3 土壤檢測指標及方法

參照文獻[15-16]測定土壤全氮、磷、鉀；堿解氮、有效磷、速效鉀；交換性鈣、鎂和有效銅、鋅、鐵、錳、銅、鉬的含量。湖南稻作煙區土壤電導率和陽離子交換量的等級劃分如表2所示[17-18]。

1.4 數據統計分析

本研究數據處理在IBM Statistics SPSS 23.0平臺進行，方差分析采用DMRT法，相關性分析采用皮爾遜相關系數，制圖采用Microsoft Excel 2019。為了更清楚地觀察20～30 cm土層特征，將0～50 cm土層分為0～20 cm(表土層)、20～30 cm(亞表土層)和30～50 cm(中土層)三個土層，0～20 cm土層的數據由0～10和10～20 cm土層的數據平均后得出，30～50 cm土層的數據由30～40和40～50 cm土層的數據平均后得出。

表1 取樣田塊具體地點

表2 土壤電導率和陽離子交換量等級標準

2 結果與分析

2.1 土壤電導率和陽離子交換量垂直分布特征

由圖1可知，湖南稻作煙區土壤電導率為0.10～0.17 mS/cm，均值為0.15 mS/cm，隨土層深度的增加而下降；土壤陽離子交換量為10.55～14.35 cmol/kg，均值為13.08 cmol/kg，隨土層深度的增加先下降再上升。

土壤電導率最高的是0～20 cm土層，為0.17 mS/cm，極顯著高于30～50 cm土層，顯著高于20～30 cm土層。從土壤陽離子交換量(CEC)來看，最高的是30～50 cm土層，為14.35 cmol/kg;20～30 cm土層最低，極顯著低于0～20 和30～50 cm土層。對照表1可知，湖南典型稻作煙區土壤在0～50 cm土層均未出現鹽漬化現象，對作物的影響忽略不計。對照表2可知，湖南稻作煙區土壤在0～50 cm土層保肥性中等，但20～30 cm土層保肥性顯著低于其他土層。

2.2 土壤電導率和陽離子交換量不同地區分布特征

將土壤電導率和陽離子交換量的垂直分布分地區進行比較，結果見圖2。不同地區不同土層的土壤電導率有所差異。0～20 cm土層，郴州的土壤電導率最高，長沙最低，前者較后者高37.98%(P<0.01)；20～30 cm土層電導率以衡陽最高，長沙最低，但3個煙區之間無顯著性差異；30～50 cm土層電導率以郴州最高，長沙最低，前者較后者高49.98%(P<0.01)。3個地區鹽漬化等級均為非鹽漬化。

不同地區不同土層的陽離子交換量分析發現，0～20 cm土層以郴州最高，長沙最低，前者較后者高47.80%(P<0.01)；20～30 cm土層以衡陽最高，長沙最低，衡陽較郴州和長沙分別高18.69%(P<0.05)和28.81%(P<0.01)；30～50 cm土層以郴州最高，長沙最低，郴州較衡陽和長沙分別高14.19%和21.04%(P<0.01)。長沙煙區0～30 cm土層保肥性較弱，30～50 cm土層保肥性中等；衡陽煙區0～50 cm土層保肥性中等；郴州煙區0～20 cm土層保肥性中等，20～30 cm土層保肥性較弱，30～50 cm土層保肥性較強。綜合來看，在3個煙區中，郴州煙區土壤保肥性最好，衡陽煙區土壤保肥性中等，長沙煙區土壤保肥性最差。

2.3 土壤電導率與養分有效性的關系

測定湖南稻作煙區土壤主要的養分含量，并將其與電導率進行相關性分析(表3)，發現土壤電導率與堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效硼、有效鉬含量呈極顯著正相關，與交換性鎂含量呈極顯著負相關，與交換性鈣、有效錳含量相關性不顯著。對與土壤電導率有顯著相關的養分指標進行回歸分析(圖3)。在湖南典型稻作煙區，0～50 cm土層電導率與堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效硼和有效鉬含量均呈線性正相關，電導率隨著這些養分含量的提高而上升；電導率與交換性鎂呈線性負相關，隨交換性鎂含量的上升而下降。

2.4 土壤陽離子交換量與養分有效性的關系

3 討 論

在農業生產中，土壤鹽分對作物的影響十分顯著，是判斷土壤肥力豐缺的重要指標[19]。根據湖南稻作煙區土壤電導率垂直分布特征來看，土壤電導率在0～50 cm土層均在0～2 mS/cm之間，未出現鹽漬化現象，隨著土層深度的增加，電導率呈現下降的趨勢。這與石麗紅等[20]、韓霽昌等[21]研究結果一致，是因為土壤鹽分在強蒸發作用下會隨水逐漸向上運移，從而導致上層土壤電導率增大。8—9月份，隨著高溫和土壤水分的蒸發量增大，并且長期在植煙田塊中施用化肥，使得地下水位上升，土壤中的鹽分在表層累積得越來越多。土壤緩沖性能的強弱可以通過陽離子交換量的大小來體現，不僅如此，還可以根據土壤陽離子交換量來進行合理施肥和土壤改良[22-23]。在湖南典型稻作煙區，土壤陽離子交換量0～50 cm土層在10.5～15.4 cmol/kg之間，土壤保肥性中等。20～30 cm土層陽離子交換量顯著低于0～20 和30～50 cm土層，這與張翠麗[24]等研究結果一致。0～20 cm土層受人工耕作和施肥因素影響較大，陽離子交換量高于20～30 cm土層。在多年的常規耕作后，湖南的稻作煙區20～30 cm土層多為片狀和層狀結構，有機質和腐殖質流失嚴重，而有機質含量是影響陽離子交換量的重要因素[6,12,25]，因此，20～30 cm土層陽離子交換量下降，土壤保肥性降低。30～50 cm土層是由表土淋溶下來的物質形成的，稻作煙區的30～50 cm土層具有塊狀結構，起著托水托肥的作用，所以陽離子交換量上升，土壤保肥性提高。

表3 土壤電導率與土壤養分的相關系數

表4 土壤陽離子交換量與土壤養分的相關系數

不同煙稻輪作區土壤電導率和陽離子交換量差異的顯著性，與不同地區氣候條件、海拔、施肥措施、成土母質有關[11,14,25]。本研究比較研究了湖南3個主要煙區的土壤電導率和陽離子交換量，發現在3個煙區中均未出現鹽漬化現象；保肥性上，郴州煙區土壤保肥性最好，衡陽煙區土壤保肥性中等，長沙煙區土壤保肥性最差。

本試驗結果可以發現，湖南稻作煙區土壤電導率與大部分養分含量之間具有密切的相關性，電導率與堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效硼、有效鉬含量呈極顯著正相關，與交換性鎂含量呈極顯著負相關。本文僅探討了湖南稻作煙區0～50 cm土層電導率和養分含量的關系，在不同土層相對電導率和土壤養分含量的關系還有待進一步探索，可以根據許逸林[9]的方法嘗試建立湖南稻作煙區土壤養分和電導參數預測模型，為通過電導率快速預測土壤的養分含量的可能性提供科學依據。湖南稻作煙區土壤陽離子交換量與堿解氮、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效硼、有效鉬含量呈極顯著正相關，這與陳忠柳[6]、姜林等[25]人的研究結果一致，顯示出湖南稻作煙區土壤對不同養分的保肥效果不同，對氮、鉀、鈣、鎂、硼、鉬養分的吸持和保存能力較強，為今后合理施肥提供了科學的理論依據。

根據貢璐等[26]、解雪峰等[27]研究發現土壤電導率與土壤含水率存在正相關、與土壤容重存在負相關，根據王小艷[28]團隊發現土壤陽離子交換量與土壤孔隙度、土壤含水率、土壤容重存在顯著相關性，所以可在湖南稻作煙區采取粉壟深耕技術[29]加深耕作層，提高土壤耕層蓄水力，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，從而提高土壤電導率和陽離子交換量，進而提高土壤中速效養分含量和土壤的保肥性，有利于湖南稻作煙區農田土壤的可持續性發展。

4 結 論

湖南稻作煙區土壤電導率在土層之間存在顯著差異，表現為0～20 cm>20～30 cm>30～50 cm；陽離子交換量在土層之間有顯著差異，表現為30～50 cm>0～20 cm>20～30 cm。長沙、衡陽和郴州煙區不同土層的土壤電導率和陽離子交換量存在顯著差異，均無鹽漬化現象；保肥性上，郴州煙區土壤保肥性最好，衡陽煙區土壤保肥性中等，長沙煙區土壤保肥性最差，具有一定的空間變異性，需要因地制宜地進行不同的管理。電導率與堿解氮、有效磷、速效鉀、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效硼、有效鉬含量之間呈極顯著正相關，與交換性鎂含量之間呈極顯著負相關；土壤陽離子交換量與堿解氮、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂、有效硼和有效鉬含量呈極顯著正相關，與有效錳含量呈顯著負相關。可以嘗試建立湖南稻作煙區土壤養分與電導率、陽離子交換量的預測模型，為通過快速檢測電導率和陽離子交換量從而預測土壤養分含量提供參考。在湖南稻作煙區的生產中，可依照電導率和陽離子交換量在土層中的垂直分布特征和地區差異，構建合理的耕作層并增施有機肥，根據電導率和陽離子交換量與養分的關系，針對性地設計施肥方案，從而提高耕層土壤質量和土壤保肥性，促進湖南稻作煙區土壤的可持續發展。