烤烟是云南省主要经济作物之一，在全省区域内烤烟栽培面积约为39.4×10⁴ hm²，占全国种植面积的43.8%^[1]。近年来，因长期连作或化肥的不恰当应用而造成的土壤板结、土壤碳库下降、土壤营养减少等问题对烟叶品质产生了极大影响^[2]。而增加土壤有机碳含量对提高土壤碳汇能力、土壤肥力及固定CO₂延缓全球气候变暖有重要意义^[3]。

土壤改良剂可通过提高土壤有机碳及各组分含量，改良农田土壤质量，从而达到增产的目的。土壤改良剂可分为天然改良剂(生物质炭、木质素和秸秆等)和人工改良剂(聚丙烯酰胺等)，其均可通过改善土壤结构，提高土壤质量。生物质炭由于富含有机碳，可通过增加土壤的C/N，改善土壤质量，常被用作土壤改良剂和固碳剂^[4]。杜倩等^[5]通过田间试验发现，生物质炭处理土壤有机碳组分含量较不添加生物质炭处理明显增加(6.9% ~ 51.3%)。木质素能够吸收水分和营养物质，并延缓养分的释放，从而提高土壤有机质存贮率，达到改善土壤质地的效果^[6]。宋彬等^[7]通过土柱淋溶和土壤静态吸收的方法，研究了不同添加剂量的木质素对土壤氮磷养分、水分的影响，结果表明对减少土壤氮、磷养分和水分损失效果最好的是木质素质量为全土质量的2%。聚丙烯酰胺(PAM)能够使土壤中的细小粒子聚集生成大的团聚体，使土壤结构更加稳定，可提高土地生产力和作物产量^[8]。杨明金等^[9]认为，当土壤中PAM添加量为0.75 ~ 1.25 g/cm²时，玉米产量增加。农作物秸秆施用到农田中腐熟分解可产生大量养分，增加外源碳的输入，提升土壤有机碳及其活性组分含量，达到改善土壤理化性质的效果^[10]。王毅等^[11]以2年田间定位试验结果为基础，得出添加秸秆处理可以有效提高土壤有机碳组分含量，秸秆持续性还田能够提升植烟土壤活性有机碳含量。

总之，大量学者对土壤改良剂的效果进行了研究，但目前对于土壤改良剂的研究大多集中于酸化、盐碱化和重金属污染等存在较严重问题的土壤在施用土壤改良剂后土壤肥力、理化性质等的变化特征上，且大多研究单一改良剂的效果，而根据某一区域大量种植的作物筛选出适宜改良剂的研究较少。为此，本研究选取滇中二龙潭小流域坡耕地烤烟土壤为研究对象，通过田间试验，研究不同添加量的生物质炭、木质素、聚丙烯酰胺和秸秆对土壤有机碳及其组分(可溶性有机碳、易氧化有机碳、颗粒态有机碳)的影响，并分析其与土壤理化性质的之间的关系，为筛选出适宜该地区烤烟种植，并改良烤烟地土壤性质以及提高烤烟产量的土壤改良剂提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

试验区位于云南省玉溪市红塔区高仓镇龙树村，24°17′11″N，102°34′47″E，海拔1 884.99 m，属滇中二龙潭小流域。该地区多年平均降水量909.1 mm，平均降水日达130 ~ 150 d，干湿季分明，汛期多年平均降水量为701.4 mm，占全年总降水量的85%，降水量符合优质烟生长发育的需水特性(550 ~ 750 mm)。小流域地处低纬度高原，光谱的季节变化规律也与优质烟区的光照条件相匹配，有利于优良烟叶生长发育。该地区土壤为山地红壤，土壤肥力低，氮磷钾养分含量较低，表层土壤(0 ~ 20 cm)的初始基本理化性质如表 1所示。

1.2 试验设计

本研究以滇中红壤丘陵区玉溪市红塔区高仓镇龙树村烤烟土壤为研究对象，其种植的烤烟品种为K326。2020年4月在烤烟样地中布设1 m×1 m样方27个，各样方间距不小于2 m，每个样方为1个处理小区。在各样方内的土壤中加入不同土壤改良剂，土壤改良剂生物质炭、木质素、聚丙烯酰胺、秸秆施用量分别参考叶协峰等^[2]、宋彬等^[7]、张海鸥和孙小梅^[8]、王虎等^[10]的研究。试验共设置9个处理，每个处理3个重复，随机排列。土壤改良剂于2020年5月5日施入土壤中，其他常规化肥施用量按照本地农户的栽培习惯，在定植当日(2020年4月18日)施用基肥(N︰P₂O₅︰K₂O=12︰6︰24)，7 d后施用提苗肥(N︰P₂O₅︰K=12︰6︰24)，20 d后进行追肥(氮磷钾比例28︰0︰5)。具体的试验处理和肥料施用量如表 2所示。样方的田间管理措施同当地农民的管理保持一致。

1.3 样品采集与测定

在烤烟定植后的各生长期(定植后65、80、95 d的旺长期、现蕾期和成熟期)于各样方内用土钻采取对角线法分别采集0 ~ 5、5 ~ 10和10 ~ 20 cm土壤样品，放入密封袋中送回实验室，去除动物残体和植株根系，经自然风干后碾碎分别过2 mm和0.25 mm筛，室温储存待测。

土壤有机碳(SOC)含量采用重铬酸钾–浓硫酸外加热法测定^[12]；可溶性有机碳(DOC)含量采用硫酸钾浸提法测定^[13]；易氧化有机碳(EOC)含量采用333 mmol/L高锰酸钾氧化–比色法测定^[13]；颗粒态有机碳(POC)含量采用六偏磷酸钠分散法测定^[13]；土壤pH采用电极法测定^[12]；土壤全氮(TN)采用半微量凯氏法测定^[12]；土壤全磷(TP)采用高氯酸–硫酸法测定^[12]。

1.4 数据处理

图表绘制采用Excel 2010，数据方差分析使用SPSS 22.0，通过最小显著性差异(LDS)法进行方差分析，以检验在施用不同土壤改良剂条件下土壤养分、有机碳及其组分含量的差异性。

2 结果与分析 2.1 不同土壤改良剂下土壤有机碳变化特征

由图 1可知，各改良剂处理下烤烟不同生育期SOC含量均高于对照处理，SOC含量随着生育期的推进大多呈明显下降趋势。各土层SOC含量表现为：10 ~ 20 cm < 0 ~ 5 cm < 5 ~ 10 cm。与对照处理相比，添加生物质炭、木质素和秸秆处理下各生长期0 ~ 20 cm土层SOC含量均值增幅高于聚丙烯酰胺处理；且添加高量和低量的生物质炭和木质素对SOC含量的提高差异不显著(P > 0.05)，而添加高量秸秆处理(12.1 ~ 36.2%)显著高于低量秸秆处理(P < 0.05)。在旺长期和成熟期，添加高量秸秆处理较其他处理SOC含量增加最为显著，分别增加15.2 ~ 34.6% 和22.0 ~ 38.2%(P < 0.05)；在现蕾期，添加高量生物质炭处理较其他处理SOC含量增加最为显著，增幅为17.6 ~ 31.4% (P < 0.05)。由此可见，添加生物质炭、木质素、聚丙烯酰胺和秸秆均可增加SOC含量，其中以添加高量秸秆和高量生物质炭效果最佳。

2.2 不同土壤改良剂下土壤有机碳组分变化特征

如图 2所示，施用不同土壤改良剂均可提高各土层土壤DOC含量，各改良剂处理在不同生育期各土层土壤DOC含量均高于对照处理。在现蕾期添加高量和低量生物质炭、木质素、聚丙烯酰胺和秸秆对0 ~20 cm土壤DOC含量均值提高差异并不显著(P > 0.05)，而添加高量秸秆处理下0 ~ 20 cm土壤DOC含量均值增幅(3.8% ~ 13.1%)高于低量秸秆处理。在各土层各生育期土壤DOC含量最高的均为添加高量秸秆处理，其中在0 ~ 5 cm土层含量相较于其它处理在旺长期、现蕾期和成熟期分别增加了8.84% ~ 25.09%、6.57% ~ 27.27%和4.81% ~ 27.62%；在5 ~ 10 cm土层分别增加了6.50% ~ 21.94%、1.32% ~ 19.38%和0.12% ~ 19.66%；在10 ~ 20 cm土层分别增加了4.62% ~ 12.91%、0.62% ~ 6.75%和0.02% ~ 7.15%。

由图 3可知，施用不同土壤改良剂均可提高各土层土壤EOC含量，各改良剂处理在不同生育期各土层土壤EOC含量均高于对照处理。添加生物质炭和秸秆处理下0 ~ 20 cm土壤EOC含量均值增幅高于添加木质素和聚丙烯酰胺处理，其增幅比木质素和聚丙烯酰胺处理高4.6% ~ 34.4%，且高量添加下土壤EOC含量(2.3% ~ 30.7%)高于低量添加。在不同时期各土层及0 ~ 20 cm均值土壤EOC含量最高的处理为添加高量生物质炭处理，其中在0 ~ 5 cm土层含量相较于其他处理在旺长期、现蕾期和成熟期分别增加了4.86% ~ 30.28%、1.24% ~ 33.89%和8.34% ~ 38.45%；在5 ~ 10 cm土层分别增加了2.71% ~ 26.60%、1.72% ~ 24.92%和1.95% ~ 39.29%；在10 ~ 20 cm土层分别增加了5.58% ~ 34.21%、0.59% ~ 32.10%和1.69% ~ 35.63%。

由图 4可知，土壤中0 ~ 20 cm POC含量均值在旺长期添加低量聚丙烯酰胺处理和现蕾期、成熟期添加低量木质素处理较对照处理降低，而其他各处理在不同生育期的0 ~ 20 cm土壤POC含量均值均高于对照处理；且在现蕾期各处理下0 ~ 20 cm土壤POC含量均值增幅差异并不明显(P > 0.05)，而高量添加生物质炭、秸秆处理下0 ~ 20 cm土壤POC含量均值增幅(8.8% ~ 53.2%)高于低量添加处理。在不同时期各土层及0 ~ 20 cm均值土壤POC含量最高的处理为添加高量生物质炭处理，其中在0 ~ 5 cm土层其含量相较于其他处理在旺长期、现蕾期和成熟期分别增加了2.38% ~ 62.09%、2.16% ~ 63.67%和6.49% ~ 89.69%；在5 ~ 10 cm土层分别增加了22.49% ~ 47.29%、33.63% ~ 88.63%和30.68% ~ 82.12%；在10 ~ 20 cm分别增加了6.94% ~ 33.72%、1.30% ~ 34.00%和4.83% ~ 44.07%。

综上，坡耕地烤烟土壤施加生物质炭、木质素、聚丙烯酰胺和秸秆不同土壤改良剂均可在一定程度上提高土壤有机碳组分含量，其中土壤DOC含量以添加高量秸秆处理效果最佳，土壤EOC和POC以添加高量生物质炭处理效果最佳，各土层土壤有机碳各组分含量均表现为：5 ~ 10 cm > 0 ~ 5 cm > 10 ~ 20 cm，且在烤烟旺长期时高于其他生育期。

2.3 不同土壤改良剂下土壤养分含量特征

不同处理下烤烟成熟期土壤养分含量如表 3所示。与对照处理相比，土壤pH在添加生物质炭、木质素、聚丙烯酰胺、秸秆处理下增加0.03 ~ 0.56个单位；土壤全氮含量在添加生物质炭、聚丙烯酰胺和秸秆处理下增加4.6% ~ 35.9%，在添加木质素处理下降低2.0% ~ 25.5%；土壤全磷含量在添加生物质炭、木质素、聚丙烯酰胺和秸秆处理下增加1.7% ~ 63.3%。土壤全氮含量表现为添加高量改良剂处理(1.7% ~ 31.6%)高于低量改良剂处理，土壤全磷含量在添加生物质炭、木质素、聚丙烯酰胺处理下表现为低量添加处理(12.9% ~ 29.4%)高于高量添加处理，在添加秸秆处理下表现为高量添加处理(16.2%)高于低量添加处理。其中，添加高量秸秆处理下土壤全氮、全磷含量增幅高于其他处理，相较于其他处理全氮含量增加了19.5% ~ 82.5%，全磷含量增加了6.8% ~ 63.3%。各处理的C︰N在5.07 ~ 8.67，相较于对照，添加生物质炭、聚丙烯酰胺处理(14.2% ~ 49.7%)显著提高土壤的C︰N(P < 0.05)；各处理的C︰P在3.91 ~ 6.12，相较于对照，添加高量生物质炭和高量聚丙烯酰胺处理(35.5% ~ 47.1%)显著提高土壤的C︰P(P < 0.05)；各处理的N︰P在0.34 ~ 1.00，添加低量生物质炭和低量木质素处理(46.6% ~ 114.4%)显著降低土壤的N︰P(P < 0.05)。

2.4 土壤有机碳及其组分与理化性质的相关性

从表 4得知，在不同土壤改良剂处理下，土壤TN含量与TP、POC含量呈显著正相关关系(P < 0.05)，与土壤SOC含量呈极显著正相关关系(P < 0.01)，但与土壤TK含量呈极显著负相关关系(P < 0.01)；土壤TP含量与土壤TK含量呈显著正相关关系(P < 0.05)；土壤TK含量与土壤SOC含量呈显著负相关关系(P < 0.01)。土壤SOC含量与土壤DOC、EOC、POC含量呈极显著正相关关系(P < 0.01)，土壤DOC含量与土壤EOC、POC含量呈极显著正相关关系(P < 0.05)，土壤EOC含量与土壤POC极显著正相关关系(P < 0.05)。

双因素方差分析结果如表 5所示，土层深度、烤烟生育期和土壤改良剂种类对土壤有机碳组分的影响均极显著(P < 0.05)，其中烤烟生育期的影响高于土层深度和土壤改良剂的影响。各有机碳组分中，烤烟生育期影响最大的为EOC，其次是SOC和DOC，最小的是POC。同时，土层深度、生育期、土壤改良剂种类两两间的交互作用对土壤有机碳组分的影响不显著(P > 0.05)。

3 讨论

土壤有机碳含量的增加对提高土壤肥力和粮食作物产量，改善土壤理化性质产生了显著的影响^[14]。本研究中施用不同土壤改良剂均不同程度影响土壤有机碳含量，可以明显看出在施用土壤改良剂后SOC含量相较于对照处理有明显增加。这可能与各改良剂处理条件下外源输入物质的碳有关，农田中加入生物质炭中能够促进作物对CO₂的吸收，提高根系的固碳能力，从而达到SOC含量增加的效果^[15]；添加秸秆能够增加农田土壤中微生物的活性和增加腐殖质含量，提高SOC含量^[16]；同时，由于生物质炭和秸秆属于含碳物质，分解过程中直接提高SOC及其各组分含量^[17]。但木质素和聚丙烯酰胺对SOC含量提高作用不显著，这可能是由于木质素和聚丙烯酰胺改良土壤减缓土壤的水分和养分流失，主要是通过改善土壤结构起作用的^[18]，其本身不属于含碳材料，无法分解产生有机碳，因此对SOC含量的增加不显著。在烤烟不同生育期中，SOC含量表现为成熟期 < 现蕾期 < 旺长期，这与杜倩等^[5]在四川凉山州所得试验结果一致，这可能是由于烤烟生长过程中不断吸收土壤中的养分，随着时间延长土壤中的有机碳含量有一定损耗导致的。不同土层土壤有机碳表现为10 ~ 20 cm < 0 ~ 5 cm < 5 ~ 10 cm，深层土壤的有机碳含量较浅层低，这可能是由于土壤有机碳具有典型的表聚性，作物根系大部分分布于表层土壤中，分解后形成的有机质主要积累在土壤表层中所导致的^[19]。但本研究中存在5 ~ 10 cm土层的SOC含量比0 ~ 5 cm高的现象，这可能是由于研究样地为烤烟地，耕作过程中受到翻耕等农业措施的影响，使得土壤原有的结构层次遭到破坏，出现SOC含量5 ~ 10 cm土层含量更高的现象^[20]。

土壤中活性有机碳对土地管理措施的反应和对土壤碳库的改变反应敏感，因此活性有机碳可用作反映土壤肥力和土壤理化性质变化的指标^[3]。在本研究中，不同生育期和不同土层的土壤活性有机碳含量的表现与SOC一致，不同土壤改良剂均可提高土壤活性有机碳含量，总体上表现为生物质炭 > 秸秆 > 木质素 > 聚丙烯酰胺。本研究中，4种不同土壤改良剂中对DOC含量增加最为显著的是秸秆(4.9% ~ 22.0%)，这与张杰等^[21]的研究结果一致，这可能是由于相较于其他添加物质，秸秆在腐熟过程中会释放大量的DOC的结果。本研究中，对EOC含量提高最为显著的改良剂是生物质炭(3.4% ~ 28.2%)，这可能是由于生物质炭进入农田可以使作物的生物量特别是根系生物量增加，这使得土壤新鲜有机碳的输入量上升^[22]。土壤POC是长期施肥后SOC的主要存在形式，其占比是SOC中除惰性有机碳外最高的部分，本研究中对POC含量提高最明显的改良剂同样是生物质炭(18.4% ~ 47.0%)，SOC的损失主要是来源于原土的POC分解，生物质炭腐解过程中产生的POC可以减少原土POC的损失^[23]。

土壤氮、磷是植物生长发育所必需的元素，也是衡量土壤肥力的指标^[24]。本研究中，施用生物质炭、木质素、聚丙烯酰胺和秸秆在一定程度上可提高土壤氮、磷含量，其中以添加高量秸秆对土壤全氮、全磷含量的提高最为显著(增幅分别为15.0% ~ 32.8%、37.6% ~ 40.2%)，这与前人研究结果一致^[25]。这可能是由于添加秸秆使得土壤孔隙度增加，为微生物的生存提供了良好的环境，进一步加快了秸秆腐化程度，从而增加了土壤的氮、磷含量。本研究区坡耕地烤烟土壤C︰N在5.07 ~ 8.67，C︰P在3.91 ~ 6.12，N︰P在0.34 ~ 1.00，相较于全国平均值(C︰N为11.90、C︰P为52.76和N︰P为4.20)^[26]均较低，这可能是由于研究样地属连作农田，常年耕作导致土壤养分减少，碳、氮、磷元素积累较慢，造成其生态化学计量比值较低。本研究中，SOC与TN含量呈极显著正相关，这与张春来等^[27]的研究结果一致，这可能是由于土壤氮、磷含量的提高，可以促进作物根系的生长，从而提高SOC含量。SOC与EOC、DOC含量呈极显著正相关关系，这也与胡坤等^[28]的研究结果相符，这也说明了活性有机碳含量在较大程度上取决于SOC含量^[29]。DOC、EOC、POC两两之间也呈极显著正相关关系，这与尚旭冉等^[30]的结果相同，这表明SOC各组分之间密切相关，而土壤中的活性有机碳是直接介入土壤生物化学转化过程中的重要成分，土壤活性有机碳和SOC在特定条件下也能够相互转化，最终达到动态平衡。根据土层深度、烤烟生育期和土壤改良剂的方差分析结果，当将土层深度、烤烟生育期和土壤改良剂分别作为主因素考虑时，其对SOC、DOC、EOC、POC含量的影响均较高，但其两两交互作用对SOC、DOC、EOC、POC含量的影响不显著。这说明土层深度、烤烟生育期和土壤改良剂分别对土壤有机碳含量有影响，但两两因子间无交互作用，各因素相互独立，不协同也不拮抗。这可能是由于土壤改良剂对土壤有机碳含量的影响不随土层深度或生育期变化而变化导致的，同理亦然。综上，不同改良剂对SOC及其组分的影响存在一定差异，添加高量生物质炭和高量秸秆对SOC及其各组分含量的提高效果最为显著。但因我国以烤烟为经济作物的地区自然条件各异，不同自然条件地区的改良剂施用量有待进一步研究。今后研究可集中于不同自然条件下生物质炭和秸秆对植烟土壤SOC的影响，以为我国烟草行业的进一步发展提供理论依据。

4 结论

相较于聚丙烯酰胺和木质素，添加生物质炭和秸秆对滇中红壤丘陵区植烟土壤SOC及其各组分含量、土壤养分的生态化学计量特征的提升效果更佳，尤其以添加0.06 kg/m²生物质炭和0.5 kg/m²秸秆效果较佳。