生态化学计量学结合了生物学、化学和物理学等基本原理，是研究生态交互作用和过程中能量平衡和多重化学元素（主要是C、N、P）平衡的学科^[1-3]。目前，生态化学计量学已广泛应用于水生生态系统^[4]和陆地植物生态系统^[5]，并取得了许多研究成果；而在土壤方面的研究多集中在森林或草原土壤^[6-7]，对耕地土壤养分元素的研究相对较少。土壤养分化学计量特征，不仅能反映土壤肥力状况，也是土壤有机构成和土壤质量状况以及养分能力的重要指标。例如，土壤C/P和N/P的含量均较高，说明C、N分解释放快，有利于土壤养分循环，改善土壤质量，但可能受到P素限制。通过对土壤养分比值变化规律的掌握，能够有效为土壤养分的管理提供理论依据，因此耕地土壤也应充分重视^[8-10]。

大量研究表明，烤烟是忌连作作物，长期连作中施肥成分及烤烟对养分吸收的相对固定性，导致土壤中某些营养元素长期亏缺或累积，土壤养分比例失衡，严重威胁土壤生态环境^[11-12]。烤烟连作虽能增加土壤N、P、K全量养分的含量，但会降低速效养分的含量，致使烤烟对N、P、K养分的吸收降低，这种趋势随着连作年限的增加愈加明显^[13-15]。苏海燕等^[15]研究发现，烤烟连作造成有机质每年以0.13%的幅度下降，速效养分也逐年降低，而全量养分均出现了不同程度的升高趋势。泸州作为四川五大烟区之一，由于烤烟连作现象严重且连年的施肥数量和种类基本一致，导致土壤养分不均衡，但其具体的变化量及不均衡程度尚不清楚。因此，本研究以四川泸州烟区正茬和连作1、3、5年的土壤为研究对象，探讨连作年限对土壤C、N、P、K及其计量比的影响，以期为烤烟生产中土壤养分管理和土壤生态环境的恢复提供科学依据。

泸州位于四川南部边陲，属亚热带湿润气候区，南部山区立体气候明显。研究区气温较高，日照充足，雨量充沛，四季分明，无霜期长，温、光、水同季，季风气候明显，年平均气温17.5~18.0 ℃。泸州主要植烟区为古蔺县和叙永县，属于盆周山地低中山地貌类型区，平均海拔800 m左右，最高海拔为1920 m，土壤类型主要有黄壤、水稻土和紫色土，烤烟连作和烟/玉米轮作是最常见的种植方式。

在野外实地调查基础上，从古蔺县合乐乡选取海拔、坡度、坡向等环境条件相近且每年施肥的数量和种类大致相同的种植区。其土壤类型为紫色土，烤烟正茬的前茬为玉米，烤烟品种为云烟85，每年N、P₂O₅、K₂O投入量分别为130、150 kg·hm^-2和268 kg·hm^-2，90%以上为无机复合肥。为避免施肥及烤烟生长过程对土壤养分带来的瞬时影响，于2017年3月，在烤烟尚未施用底肥和移栽之前采集土样，以真实反映采样地块的养分状况和供肥能力。选择烤烟正茬和连作1、3、5年的种植地，采用“S”法在同一采样单元内取8~10个点的耕层土壤（0~20 cm）构成一个混合土样。一共采集土样60个（正茬和连作1、3、5年分别为10、12、20和18个），经过风干、磨细、过筛，于2017年6月测定土壤理化性质。

土壤有机碳（SOC）用重铬酸钾-硫酸消化法测定；全氮（TN）用硒粉-硫酸铜-硫酸消化-凯氏定氮法测定；全磷（TP）用氢氟酸-高氯酸酸溶-钼锑抗比色法测定；全钾（TK）用氢氧化钠熔融-火焰光度计法测定。

土壤SOC/TN、SOC/TP、TN/TP、TN/TK均为元素质量比。所有数据均用Microsoft Excel录入并作描述性统计分析，用SPSS 20.0进行相关性分析和单因素方差分析。

随着连作时间的增加，土壤SOC含量呈下降趋势，TN、TP和TK含量均呈增加趋势（图 1）。SOC、TN、TP和TK的变化范围分别为20.72~22.77、1.67~1.91、0.63~1.07 g·kg^-1和23.10~29.47 g·kg^-1。与正茬相比，连作1年和3年土壤SOC稍有下降但未达到显著水平（P>0.05），第5年显著降低（P < 0.05），为20.72 g·kg^-1，平均每年衰减1.74%。与正茬相比，连作1年及3年土壤TN含量变化不明显（P>0.05）；但连作5年后，土壤TN含量显著上升至1.91 g·kg^-1，增加了14.37%。与正茬相比，连作1年土壤TP、TK含量无显著变化；之后随着连作年限的延长显著上升（P < 0.05），连作至第5年达到最大值，分别为1.07 g·kg^-1和29.47 g·kg^-1，分别为增加了68.84%和27.58%。随着连作年限的延长，土壤养分变幅为TP>TK>TN>SOC。

图中不同小写字母表示差异显著（P < 0.05）。正茬用连作0年表示。下同 Different small letters indicate significant difference at P < 0.05 level; The first-planting is expressed by continuous cropping for 0 year. The same below 图 1 不同连作年限下土壤SOC、TN、TP和TK含量 Figure 1 Soil organic C, total N, total P and total K contents under different continuous cropping years

土壤C/N、C/P、N/P和N/K变化范围分别为10.84~ 13.60、19.46~36.19、1.80~2.66和0.06~0.07。随着连作时间的增加，土壤C/N、C/P、N/P和N/K总体呈逐渐下降的趋势（图 2）。与正茬相比，连作1年的土壤C/N和N/K无显著变化，连作至3年时显著下降（P < 0.05）；连作至第5年时达到最小值，分别为10.84和0.06，分别下降了20.29%和14.29%。土壤C/P和N/P随连作年限延长显著下降（P < 0.05），连作至第5年均达到最小值，分别为19.46和1.80，平均每年分别下降9.25%和6.51%。随着连作年限的延长，土壤养分生态化学计量比降幅为C/P>N/P>C/N>N/K。

图 2 不同连作年限下土壤生态化学计量特征 Figure 2 Eco-stoichiometric characteristics of soil under different continuous cropping years

相关性分析结果（表 1）表明：土壤SOC与TN、C/N、C/P、N/P、N/K极显著正相关；TN与TP、TK极显著正相关，与C/N、C/P、N/P极显著负相关，与N/K显著正相关；TP与TK极显著正相关，与C/N、C/P、N/P极显著负相关；TK与C/N、C/P、N/P、N/K极显著负相关；C/N、C/P、N/P和N/K两两间都为极显著正相关。总体看，土壤养分对其生态化学计量比的贡献表现出一定差异性，SOC对C/N、C/P、N/P、N/K贡献为正，而TN、TP、TK对C/N、C/P、N/P贡献为负，TN与TK对N/K的贡献相反。

表 1 Table 1

表 1 土壤C、N、P、K及其化学计量比的相关性分析 Table 1 Correlation analysis on soil organic C, total N, total P, total N and stoichiometry

表 1 土壤C、N、P、K及其化学计量比的相关性分析 Table 1 Correlation analysis on soil organic C, total N, total P, total N and stoichiometry

烤烟连作后，土壤中TN呈上升趋势，与前人研究结果^{[14, 16]}一致，这可能与烤烟种植过程中大量施入氮肥后氮素残留有关。土壤氮素的增加可以提高土壤微生物的活性，加速土壤有机质的分解^[17]，再加上烟区有机肥施用较少，所以烤烟连作后土壤SOC显著下降^[18]。烤烟连作中，大量无机肥施用引起可溶性磷与铁、铝形成磷酸铁、磷酸铝化合物，较易在土壤中固定，从而导致土壤中磷的富集。烟区土壤全钾含量上升，可能是因为长期大量钾肥投入导致土壤对钾的特殊吸附位点增加，从而增加了土壤对K+的固定^[19]。长期连作会降低烤烟产量和氮、磷、钾的吸收量^[20]，从而引起烟株带出的氮、磷、钾养分含量降低，且不均衡^[21]，烤烟连作后土壤中氮、磷、钾的残留量总体表现为磷>钾>氮，这与苏海燕等^[15]的研究结果相同。王连君等^[22]研究表明，烤烟连作1~2年对土壤养分影响不大，甚至在连作4年^[20]及5年^[23]时，土壤有机质和全氮无明显变化，但全磷、全钾显著增加。本研究中，烤烟连作3年时土壤全磷、全钾显著增加，有机碳和全氮在连作5年时变化显著，这说明研究区土壤氮、磷、钾累积及有机碳的消耗较其他区域更快，这可能与该区域雨量充沛、气候适宜条件下土壤养分生物小循环强度大有关。

土壤C/N/P是有机质或其他成分中C素与N素、P素总质量的比值，也是判断C、N、P元素矿化作用和固持作用的重要指标。耕地土壤中C/N/P除受到气候、植被等自然成土因素影响外，受土地利用方式、耕作、施肥等人类活动的影响更强烈^[24]。我国农田土壤C/N、C/P、N/P的均值分别为11.90、61.10和5.20^[25]，而川中丘陵区旱地土壤C/N、C/P、N/P的均值分别为10.02、9.65和0.97^[26]。由于微生物活动，土壤C/N与有机质的分解速率成反比关系，当C/N大于25时，有机质的积累速率大于分解速率。本研究中，烤烟连作5年后土壤C/N由13.60降至10.84，表明土壤微生物对SOC矿化分解速率加快，有效氮供应量增加，不利于SOC积累^[27]。土壤C/P是磷有效性高低或可获得性大小的表征参数，值越小，土壤中磷的有效性越高^[28]；N/P不仅可以作为氮饱和的诊断指标，还可以用于判断土壤中的限制性养分^[29]；烤烟连作后土壤C/P和N/P值较小且均下降，表明磷素并非限制性养分。土壤养分生态化学计量比随着氮磷钾的增加而逐渐减小，说明氮磷钾养分的限制性越来越小，因而土壤有机碳可能成为烤烟连作中养分限制的主要因子。

土壤养分元素之间是密切相关、相互耦合的。有研究显示，土壤SOC含量与TN、TP含量极显著正相关^[30-31]，C/P与C/N均具有相对稳定性，但C/N稳定程度更高^[32]。本研究中，土壤SOC与TN的变化相反，但受变幅的限制，只影响了比值大小，两者间的相关性并无变化；SOC和TP无显著相关性且C/P的变化显著，说明磷的增加改变了SOC与TP间的相关性和稳定性。玛孜依热阿等^[32]和高君亮等^[33]的研究显示，土壤C计量比主要受控于土壤C含量，而土壤N计量比主要受控于N含量。本研究中，C/N、C/P、N/P、N/K与碳氮磷钾基本都有显著的相关性，说明每两个养分间的比值不仅受其直接相关养分的制约，同时还受到其他养分的影响，以致未能凸显哪种养分起主导作用，这是磷钾大量增加的结果。因而，土壤养分的变幅也是影响其化学计量比的一大因素。

研究表明，连作引起的养分比例失调是导致土壤理化性质恶化的主要原因之一^[34]，为此，烤烟连作应注意增施有机肥、降低氮磷钾等肥料的用量，从而改善土壤环境。本研究虽然尽量规避环境及农艺措施带来的误差，但无法在同一地块进行不同年限之间的对比。因此，长期定位条件下烤烟连作对土壤养分及其生态化学计量特征的影响还有待进一步研究。

（1）烤烟连作5年中，随着年限的增长，土壤SOC含量呈降低趋势，N、P、K含量呈增加趋势，总体变幅为TP>TK>TN>SOC，致使C/N、C/P、N/P和N/K持续降低，降幅为C/P>N/P>C/N>N/K。

（2）与正茬相比，土壤TP和TK在连作3年时显著提高，而SOC和TN在连作5年时才有显著变化；土壤C/N和N/K在连作3年时显著降低，而C/P和N/P在连作第1年就表现为显著降低。

（3）相关性分析结果表明，土壤SOC对C/N、C/P、N/P、N/K变化具有正效应。土壤C/N、C/P、N/P和N/K的变化受到C、N、P、K的共同影响，并与其变幅密切相关。