干熱河谷石漠化區(qū)火龍果地不同耕作方式的土壤礦質元素特征

鐘欣平　喻陽華　楊丹麗　侯堂春

摘要：? 為探討不同耕作方式的土壤礦質元素含量變化特征，促進火龍果生長發(fā)育和品質改良，該研究采用套種紫花苜蓿（Medicago sativa）、施用有機肥和化肥與農(nóng)藥、地膜覆蓋和無措施五種耕作方式，以每種方式土壤的22種礦質元素為評價指標，比較不同耕作方式的礦質元素含量差異，闡明土壤礦質元素之間的相關關系。結果表明：（1）與無措施相比，其他耕作方式的Ca、Si、Mn等元素含量呈增加趨勢，F(xiàn)e、Mg、Al等元素含量則降低，Na含量無顯著差異。（2）施用有機肥的礦質元素含量最豐富，地膜覆蓋次之，套種紫花苜蓿最低。（3）相關性分析表明，火龍果地土壤礦質元素間多存在顯著相關性，Al、Si、S、Ni與其他元素的相關性較密切，其次為Fe、Mg、Na、Mn、Cu和Co，均達到顯著或極顯著水平。（4）Ca、Fe、Mg、Mn、Cu、Zn和B之間多呈負相關，存在拮抗效應。干熱河谷石漠化區(qū)在火龍果栽培時，應首選有機肥作為養(yǎng)分添加方式，并及時補充不同耕作方式造成的土壤礦質養(yǎng)分虧缺，尤其是Fe、Mg、Al、Na、Cu、Zn等元素。

關鍵詞： 耕作方式， 土壤礦質元素， 火龍果， 干熱河谷石漠化區(qū)

中圖分類號：? Q948.11， S158.3文獻標識碼：? A文章編號：? 1000-3142（2019）08-1050-09

Abstract：? Changing characteristics of soil mineral elements in different tillage methods were discussed in order to promote growth， development and quality improvement of pitaya. The evaluating indicator was conducted on 22 soil mineral elements in five tillage methods of pitaya land， the methods include interplant alfalfa （Medicago sativa）， application of organic fertilizer， chemical fertilizer and pesticides， film mulching and no measures in study area， to compare the content differences of soil mineral elements in different tillage methods， correlation analysis was also performed to clarify the correlation between mineral elements in soil. The results were as follows： （1） Compared with no measures， the content of Ca， Si， Mn et al. showed an increasing trend， while the content of Fe， Mg， Al et al. decreased， and that the content of Na showed no significant difference. （2） About the supplement of mineral elements， the organic fertilizers applied were the most abundant， the second was plastic mulching， alfalfa is the worst. （3） According to the correlation analysis， there were correlations among soil mineral elements. Al， Si， S and Ni were closely related to other elements， while Fe， Mg， Na， Mn， Cu and Co had significant or extremely significant correlation between elements. （4） Besides， there was an extremely significantly or significantly negative correlation between Ca， Fe， Mg， Mn， Cu， Zn and B， antagonistic effect. When cultivated of pitaya in dry-hot valley rocky desertification region， the tillage method of applying organic fertilizer is the first choice for nutrient supplement. The deficiency of mineral elements caused by different farming methods should be timely supplemented， especially for Fe， Mg， Al， Na， Cu， Zn et al.

Key words： tillage methods， soil mineral element， pitaya， dry-hot valley rocky desertification region

火龍果具有防癌、抗氧化、增強免疫力等功效（Tenore et al.， 2012）。它對高溫干旱、貧瘠土壤的適應能力強（Lyman， 1982），且生長發(fā)育過程中對氮（N）、磷（P）、鉀（K）等礦質元素需求差異大（王彬等， 2015）。礦質元素影響果實的生長發(fā)育（潘海發(fā)等， 2011），其含量水平?jīng)Q定了果實風味品質的形成（曹永慶等， 2015）。礦質元素供應平衡被打破，即N、P、K、鈣（Ca）、鎂（Mg）甚至微量元素等供應失衡，對植物體的生長產(chǎn)生影響（毛慶功等， 2015）。宋少華等（2016）研究甜柿果實礦質元素與品質指標，表明適宜的礦質元素含量與計量比可顯著提高甜柿的品質和產(chǎn)量。楊道富等（2012）研究白肉火龍果果實生長中礦質元素的動態(tài)變化，表明火龍果在不同生長時期對礦質元素的需求量各異。不同的耕作方式在一定程度上改變了礦質元素的含量，劉群龍等（2015）研究葉面噴硒（Se）對梨果實礦質元素的影響，表明施用外源硒可顯著提高果實硒、鐵（Fe）和銅（Cu）的含量，但Cu的增加將抑制植物生長（Xiong et al.， 2006）。秦紅靈等（2007）和李玉潔等（2015）研究耕作方式對土壤理化性狀的影響，表明覆蓋牛糞及免耕提高了根部土壤營養(yǎng)元素含量，且覆蓋處理有助于營養(yǎng)物質的分解和轉化（Brennan et al.， 2011）。孫萌等（2017）研究地面覆蓋的土壤微域生態(tài)效應，表明核桃園地面覆蓋牛糞可顯著提高土壤礦質元素含量，而覆蓋苜蓿效果較差。綜上所述，礦質元素可影響作物的品質和產(chǎn)量，研究耕作方式對土壤礦質元素的影響規(guī)律，有利于作物生長發(fā)育和品質形成。

目前，關于干熱河谷石漠化區(qū)礦質元素的研究主要集中在土壤養(yǎng)分（岳學文等， 2016;閆幫國等， 2016）、植物葉片元素含量（李艷梅等， 2016）等方面，而對中量、微量等土壤礦質元素的報道較為鮮見（喻陽華等， 2018）。因此，本研究以干熱河谷石漠化區(qū)為背景，通過測定火龍果地不同耕作方式的土壤礦質元素含量，闡明火龍果地土壤礦質元素含量隨耕作方式的變化特征，以期為改善該區(qū)土壤礦質元素含量，提高火龍果產(chǎn)量與品質提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于關嶺縣花江鎮(zhèn)峽谷村（105°38′48.48″ E，25°39′35.64″ N），生境具有明顯的獨特性。氣候類型主要為中亞熱帶季風濕潤氣候，光熱資源豐富，冬春溫暖干旱，夏秋濕熱。年均溫為18.4 ℃，年均極端最高溫為32.4 ℃，年均極端最低溫為6.6 ℃，年均降水量為1 100 mm，降雨量集中分布在5—10月。區(qū)域內(nèi)河谷深切，地下水深埋，最高海拔為1 473 m（胡家灣坡頂），最低海拔為370 m（三叉河）。森林覆蓋率較低，基巖裸露率在50%～80%之間，碳酸鹽巖類巖石占78.45%，土壤以石灰?guī)r為成土母質的石灰土為主，地表破碎，多處于中度、重度石漠化等級。

1.2 樣品采集和處理

研究區(qū)之前以種植玉米為主，2007年從中國的臺灣引入大紅1號火龍果?；瘕埞磕昕刹墒?～7次，需肥量大，受當?shù)匦笄蒺B(yǎng)殖數(shù)量減少、農(nóng)村勞動力外出、石山區(qū)耕作成本較高等因素影響，向土壤施用的有機肥逐年降低。伴隨土壤礦質化過程，火龍果地土壤養(yǎng)分呈衰退趨勢，加之使用化肥與農(nóng)藥，導致火龍果產(chǎn)量和品質降低。鑒于此，課題組于2015年5月開始，在火龍果栽培基地設置了套種紫花苜蓿（alfalfa，AF）、施用有機肥（organic fertilizer，OF）、地膜覆蓋保墑（film mulching，F(xiàn)M）等水肥控制性試驗，并于2017年火龍果采摘完畢后（11月）采樣測定。其中，套種紫花苜蓿是在距離火龍果母株40～50 cm周圍分四穴播種，深度為2～3 cm，株高40～50 cm時進行采收，留茬約5 cm，持續(xù)時間為2.5 a;有機肥由腐熟豬糞和油枯共同發(fā)酵制得，每株用量2～3 kg，施于火龍果母株0～60 cm周圍，持續(xù)時間為2.5 a;地膜覆蓋保墑是使用塑料薄膜將地面全部覆蓋，防止土壤水分蒸發(fā)，抑制雜草，持續(xù)時間為2.5 a;使用化肥與農(nóng)藥（chemical fertilizer and pesticides，CFP）是較為粗放的經(jīng)營方式，持續(xù)時間約10 a，農(nóng)戶自行根據(jù)火龍果長勢和病蟲害發(fā)生情況，補充復合肥和噴灑農(nóng)藥;無措施（no measures，NM）的持續(xù)時間約10 a，火龍果長勢差，產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收效率低。

樣地地理坐標、海拔、坡度、坡向較為近似，降低了礦質元素的空間異質性。各樣地大小為10 m×10 m，每種方式設置3個平行。采樣時，去除土體表面枯枝落葉后，使用鐵鏟挖掘土壤剖面后，采集表層0～20 cm的土樣，采用“S”形5點混合采樣，四分法取出1 kg左右土樣，挑出雜物，裝入塑料密封袋帶回實驗室，自然風干，研磨，過篩備用。

1.3 測定方法

硼（B）、砷（As）、Se按照《區(qū)域地球化學勘查規(guī)范》（DZ/T0167-2006）（任天祥等，2006）進行測定，硅（Si）、Ca、Mg、鈉（Na）、鋁（Al）、Fe、Cu、Zn、鉛（Pb）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、鈦（Ti）、鎳（Ni）、鈷（Co）、鍶（Sr）、鉬（Mo）、氯（Cl）、硫（S）依據(jù)《多目標區(qū)域地球化學調(diào)查規(guī)范（1：250 000）》（DZ/T0258-2014）（奚小環(huán)等，2014）進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)初步分析與整理，利用Origin 8.6軟件制圖，使用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析;采用單因素方差分析（one-way ANOVA）對土壤礦質元素含量進行差異性檢驗，使用最小顯著性差數(shù)法（LSD法）進行多重比較，采用Pearson相關性分析法檢驗不同耕作方式的土壤礦質元素之間的相關性。

2結果與分析

2.1 不同耕作方式對礦質元素Fe、Ca、Mg、Na、Al、Si含量的影響

由表1可知，與NM相比，不同耕作方式的Si含量增加了2.7%～17.5%，且差異顯著（P<0.05，下同）;不同耕作方式的Fe、Mg、Al含量分別較NM顯著降低了12.9%～25.9%、17.2%～42.8%、6.0%～25.8%;除FM處理的Ca含量較NM降低了47.1%，不同耕作方式的Ca含量均增加，均達顯著水平，其中AF的Ca含量增加了100.9%;對于Na而言，不同耕作方式對其含量影響不顯著。由此可見，施肥及覆蓋處理促進了Si和Ca的積累，抑制了Fe、Mg和Al的積累。

2.2 不同耕作方式對礦質元素Mn、Cu、Zn、Cd、Cr、Pb含量的影響

由表2可知，與NM相比，AF的Mn、Pb分別降低了10%、7.3%，且達到顯著水平，其他三種方式的Mn、Pb含量均增加，其中Mn含量達到顯著差異;不同耕作方式均不同程度降低了土壤Cu、Zn、Cr含量;除CFP處理的Cd含量較NM顯著增加7.7%外，其他三種方式的Cd含量分別降低了28.6%、5%和41.8%。由此可見，施肥及覆蓋處理促進了Mn和Pb的積累，抑制了Cu、Zn和Cr，且CFP增加了重金屬Cd的含量。

2.3 不同耕作方式對礦質元素S、Cl、As、Se、B含量的影響

由圖1可知，與NM相比，不同耕作方式的S和B含量均達顯著差異，其中OF的S和B含量最高，分別增加了2.16%和72.7%;FM和OF的Cl、Se含量與NM差異顯著，F(xiàn)M的Cl含量降低，其他三種耕作方式的Cl含量增加，其中OF的Cl含量最高;Se含量受耕作方式影響的變化趨勢與Cl則相反;不同耕作方式的As含量與NM差異不顯著。上述結果表明，OF的輸入顯著提高了S、Cl和B的含量，但抑制了Se的積累。

2.4 不同耕作方式對礦質元素Ti、Mo、Ni、Co、Sr含量的影響

由圖2可知，與NM相比，OF的Ti含量增加，其他三種耕作方式的Ti含量降低，均達到顯著差異;Mo、Sr的變化趨勢相似，與NM比較，除OF的Mo、Sr含量未達顯著水平外，其他三種方式的Mo、Sr含量差異顯著;不同耕作方式的Ni含量與NM相比均顯著降低;Co含量差異不顯著。上述結果表明，Co含量受到不同耕作方式的影響不顯著，Ti、Mo、Ni和Sr的含量均不同程度受影響。

2.5 土壤礦質元素間的相關性

由表3可知，各礦質元素間的相關關系各異。Al、Si、S和Ni與其他元素的相關性較密切，其次是Fe、Mg、Na、Mn、Cu和Co。Fe與Al、Ni、Cr呈極顯著正相關（P<0.01，下同），與As呈顯著正相關（P<0.05，下同），表現(xiàn)為協(xié)同作用，與Si、B呈顯著負相關，表現(xiàn)為抑制作用;Si與Mo呈極顯著正相關，與Co呈顯著正相關，與Al、Ni、Cr呈極顯著負相關，與Cu、Mg呈顯著負相關;Al與Ni、Cr、Fe呈極顯著正相關，與As呈顯著正相關，與Si、B呈極顯著負相關，與Mn、S、Co呈顯著負相關;Mg與Na、Cu、Zn、Ni呈極顯著正相關，與 Cd呈顯著正相關;Na與Ti呈極顯著正相關，與S、Cu、Zn呈顯著正相關，與Se呈顯著負相關;Mn與Co、Pb呈極顯著正相關，且與Pb的相關系數(shù)達0.914，與S、B呈顯著正相關;S與B呈極顯著正相關，與Ti、Cl呈顯著正相關，與Se呈極顯著負相關關系;Cu與Zn、Cd呈極顯著正相關，與Ni呈顯著正相關;另外，Zn與Cd，Ni與Cr，Co與Pb間有較好的協(xié)同作用;B與Cr、Se間有較強的抑制作用。

3討論

3.1 不同耕作方式的礦質元素變化特征

礦質元素作為作物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)成分，與生物分子蛋白、維生素、核酸、生理代謝活動等息息相關，其含量受到海拔（喻陽華等， 2018）、成土母質（楊霖等， 2017）、石漠化發(fā)育程度（李艷瓊等， 2016）等諸多因素的影響。此外，土壤礦質元素含量還受到人為施加影響（周新斌等， 2010），耕作方式直接作用于土壤，影響土壤結構和養(yǎng)分的轉化、運輸與循環(huán)（Camara et al.， 2003）。本研究中，大部分土壤礦質元素含量多隨耕作方式而改變，與無措施相比，不同耕作方式的Ca、Si和Mn等含量增加，F(xiàn)e、Mg、Al、Cu和Zn含量降低。推測火龍果成熟后期對Fe、Mg、Al、Cu和Zn的需求量大，因此在栽培過程中應及時添加。

合理的施肥方式亦影響作物產(chǎn)量和品質（魏彬萌等， 2015），施用有機肥促進土壤生化反應，通過影響生物的有效性提高作物對土壤微量元素的吸收、運輸和積累（高明等， 2000）。長期施用有機肥可以增加土壤供肥容量，加快腐殖酸對土壤養(yǎng)分的活化速度，從而提高土壤養(yǎng)分含量，保持供應平衡（Huang et al.， 2010）。劉赫等（2009）研究表明施用有機肥增加了土壤中Cu、Zn、Pb和Cd的含量，本研究結果與之不完全一致，Pb含量增加，但差異不顯著，Cu、Zn和Cd含量均降低，其中Cu差異顯著，這可能是作物對土壤礦質元素吸收方式不同所致，也可能與不同植物的選擇性吸收有關。付威等（2017）研究施肥對小麥產(chǎn)量的影響，表明施用氮磷化肥可增加土壤養(yǎng)分的含量;王飛等（2012）研究發(fā)現(xiàn)單施化肥降低土壤有效態(tài)B、Fe、Zn、Cu 的含量，本研究結果與之不完全一致，B含量顯著增加，可能是由于火龍果果肉B含量降低并向土壤中轉移的原因（王彬等， 2015）。但宋先進等（2010）研究表明，有機肥輸入的微量元素的數(shù)量遠大于化肥，這表明在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中有機肥優(yōu)于化肥，且有機肥對土壤的污染較低，而本研究中化肥與農(nóng)藥配施，在對土壤生態(tài)效益造成影響的同時，也制約了火龍果的品質提升。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中施用有機肥更有利于作物生長以及品質形成，這為土壤礦質元素管理提供了理論依據(jù)和科學支撐。

干熱河谷石漠化區(qū)高溫干旱、土壤養(yǎng)分貧瘠，地膜覆蓋處理可減少地表裸露，降低土壤蒸發(fā)，提高水分利用率（付威等， 2017;鄧妍等， 2014），促進土壤動物和微生物的活動，利于有機質礦化和分解（毛紅玲等， 2010）。覆蓋能夠調(diào)節(jié)耕層土壤溫度（Awe et al.， 2015），且地膜覆蓋總體上為增溫效果（常磊等， 2018），江肖潔等（2016）研究表明增溫能影響土壤Al、Fe、Mn、Zn的含量。本研究中，地膜覆蓋處理的土壤Al、Fe、Zn的含量降低，Mn含量升高，可能是由于增溫效果與處理方式不同，導致土壤水、熱狀況，區(qū)域微生物數(shù)量，有機質礦化及損失率存在差異。

綠肥本身含有微量元素，當其翻壓腐解后，由于自身的營養(yǎng)元素歸還到土壤，使得土壤表層的礦物養(yǎng)分含量提高。其根系釋放大量的有機酸和酶能活化根際微生物的活性，微生物不斷吸收利用礦物中的P、K、Mg等，利于礦物營養(yǎng)物質釋放和有效化（Mclaren， 1984）?；舴f等（2011）研究表明梨園多年種植綠肥可提高土壤的Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu的含量。研究區(qū)套種紫花苜蓿，除Ca外，Mg、Fe、Mn、Zn、Cu的含量均降低，這是因為紫花苜蓿與火龍果之間存在養(yǎng)分競爭，也可能是綠肥種類不同，且種植年限較短，導致腐解速率和養(yǎng)分累積效果的差異。

3.2 土壤礦質元素之間的相關性

探討土壤礦質元素間的相關關系，可防止由單一元素作為營養(yǎng)指標而帶來的誤判。徐慧等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，各種礦質元素之間通過協(xié)同調(diào)控作用，影響果實的生長發(fā)育和品質形成。陳春宏等（1992）研究Fe、Mn相互作用及其對植物生理生化的影響表明，F(xiàn)e與Mn之間存在拮抗作用，本研究結果與之一致。研究區(qū)Fe與Al、Ni、Cr呈極顯著正相關，且相關系數(shù)均為0.907以上，表明土壤中Fe能有效活化其他元素。Zn、Mg、Cu兩兩之間呈極顯著正相關，且相關系數(shù)大于0.875，說明元素間協(xié)同性大，彼此間存在增效作用。土壤Ca與Fe、Mn，Mn與Fe、Mg、Cu、Zn，B與Fe、Mg、Cu均呈負相關關系，表明礦質元素間存在此消彼長的特征。

4結論

（1）五種耕作方式相比，施有機肥的礦質元素補給最為豐富，施用化肥與農(nóng)藥次之，地膜覆蓋居中，套種紫花苜蓿最次。（2）與無措施相比，其他耕作方式的Ca、Si、Mn等含量均不同程度增加，F(xiàn)e、Mg、Al等含量降低，Na含量無顯著差異。在火龍果栽培時，應向土壤添加Fe、Mg、Al、Na等礦質元素，促進其生長發(fā)育，提高產(chǎn)量和品質。（3）礦質元素之間表現(xiàn)出一定程度的相關性，存在增強或抑制效應，尤以Al、Si、S、Ni等元素與其他元素的關系較密切。

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