湖南煙稻輪作區(qū)微量元素分布和有效性評價及與容重的關(guān)系

唐春閨，翟爭光，鐘越峰，李建勇，彭孟祥，黎娟

1 湖南省煙草公司長沙市公司，長沙市勞動?xùn)|路359號 410011；

2 湖南省煙草公司長沙市公司瀏陽市分公司，瀏陽市金沙北路868號 410300；

3 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙市芙蓉區(qū)農(nóng)大路1號 410128

土壤有效態(tài)Cu、Zn、Fe和Mn等微量元素是土壤質(zhì)量的重要組成部分[1]，其含量的高低直接影響作物對其吸收的多少。作物對微量元素的需求量雖然不如大量元素多，但也同等重要，無法被替代。微量元素Cu、Zn、Fe和Mn參與作物體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)，是眾多氧化酶的組成成分之一[2]，也是作物體內(nèi)生長素和葉綠素合成所需的重要元素[3,4]，影響作物光合作用、呼吸作用和碳氮代謝等生理過程[5,6]。

煙草和水稻分別是我國重要的經(jīng)濟作物和糧食作物，煙稻輪作是湖南烤煙區(qū)的主要種植模式之一。微量元素的有效性受土壤成土母質(zhì)、pH、有機質(zhì)、種植模式、施肥和氣候等因素的影響[7-10]，但由于湖南煙稻輪作區(qū)長期人工和小型機械的耕作活動，土層物理結(jié)構(gòu)的變差[11]是否影響了微量元素的有效性鮮有報道。因此，本文以湖南煙稻輪作區(qū)的剖面土壤為研究對象，分析了微量元素Cu、Zn、Fe和Mn的不同土層分布、豐缺狀況與有效性指數(shù)，探討了4種微量元素與容重的關(guān)系，目的是為湖南煙稻輪作區(qū)的土壤微量元素精準(zhǔn)調(diào)控及合理耕作層構(gòu)建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為中國中部湖南省的煙稻輪作區(qū)，主要集中在湘東和湘南地區(qū)，平均氣溫一般為16～19℃，光、熱、水資源豐富，屬于大陸性亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。地貌類型多樣，東、南、西三面環(huán)山，中部丘崗起伏，北部平原為主。

1.2 土壤樣品采集

于2018年烤煙種植前，在郴州、衡陽和長沙3個典型煙稻輪作區(qū)各選取10塊田，利用50 cm土柱取樣器（型號：QTZ-1，直徑：7.5 cm）采用五點取樣法采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm剖面土壤，共150個土壤樣品，帶回實驗室風(fēng)干、研磨后過篩制成待測樣品。取0～50 cm剖面土壤時劃分耕作層與犁地層，測量耕作層厚度，測得郴州、衡陽和長沙煙稻輪作區(qū)耕作層厚度分別在8.20～13.40 cm、10.60～16.40 cm和9.50～16.40 cm。

1.3 土壤檢測指標(biāo)及方法

土壤有效銅（Available Cu）、有效鋅（Available Zn）、有效鐵（Available Fe）和有效錳（Available Mn）用DTPA浸提，采取原子吸收分光光度法測定；容重測定采用環(huán)刀法，稱量環(huán)刀及環(huán)刀和土樣，烘干后計算土壤容重，具體測定方法參照文獻[12]。

1.4 土壤微量元素含量分級標(biāo)準(zhǔn)、臨界值及有效性評價

參考前人研究[13,14]，劃分了湖南煙稻輪作區(qū)土壤微量元素含量不同等級和臨界值（表1），而后計算各種微量元素單項有效性指數(shù)（Ei），并采用均根方法計算綜合有效性指數(shù)（Et），以此評價土壤微量元素有效性。Ei和Et的計算公式如下：

式中：Ci為i微量元素的實測值；Si為i微量元素的臨界值；n為微量元素種類。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 24和Excel軟件處理數(shù)據(jù)并進行多重比較、Pearson相關(guān)分析和線性回歸分析。Origin 8.1軟件作圖。

表1 湖南省植煙土壤微量元素分級標(biāo)準(zhǔn)及臨界值Tab. 1 Classification standard and critical value of trace elements in tobacco planting soil of Hunan Province

2 結(jié)果

2.1 不同土層微量元素含量及豐缺狀況

2.1.1 有效銅

如圖1所示，0～50 cm土層有效銅含量在0.47～11.01 mg·kg-1，0～10 cm與10～20 cm土 層 有 效銅含量無顯著差異，且其均極顯著高于20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm土層（P＜0.01）。0～30 cm土層有效銅含量均值呈“極豐富”，30～50 cm土層有效銅含量均值呈“豐富”。在150個土壤樣品中，只有1.33%的樣品有效銅含量為“低”。

圖1 有效銅垂直分布特征及豐缺狀況Fig. 1 Vertical distribution and abundance and deficiency of soil available Cu

2.1.2 有效鋅

如圖2所示，0～50 cm土層有效鋅含量在0.29～5.41 mg·kg-1，0～10 cm土層有效鋅含量極顯著高于10～20 cm土層（P＜0.01），且兩者均極顯著高于20～50 cm土層（P＜0.01）。0～20 cm土層有效鋅含量“豐富”，20～30 cm土層有效鋅含量“中等”，30～50 cm土層有效鋅含量“低”。在150個土壤樣品中，有34%的樣品有效鋅含量為“低”，9.33%的樣品為“極低”。

圖2 有效鋅垂直分布特征及豐缺狀況Fig. 2 Vertical distribution and abundance and deficiency of soil available Zn

2.1.3 有效鐵

如圖3所示，0～50 cm土層有效鐵含量在0.21～66.06 mg·kg-1，0～20 cm土層有效鐵含量極顯著高于20～50 cm土層（P＜0.01），20～30 cm土層有效鐵含量與30～50 cm土層無顯著差異。0～30 cm土層有效鐵含量“豐富”，30～50 cm土層有效鐵含量“中等”。在150個土壤樣品中，有10%的樣品有效鐵含量為“低”，20.67%的樣品為“極低”。

圖3 有效鐵垂直分布特征及豐缺狀況Fig. 3 Vertical distribution and abundance and deficiency of soil available Fe

2.1.4 有效錳

如圖4所示，0～50 cm土層有效錳含量在1.56～49.03 mg·kg-1，0～10 cm土層有效錳含量極顯著高于20～50 cm土層（P＜0.01），10～20 cm土層有效錳含量與20～50 cm土層無顯著差異。0～50 cm土層有效錳含量均為“中等”。在150個土壤樣品中，有24%的樣品有效錳含量為“低”，19.33%的樣品為“極低”。

圖4 有效錳垂直分布特征及豐缺狀況Fig. 4 Vertical distribution and abundance and deficiency of soil available Mn

2.2 不同土層微量元素有效性評價

采用單項有效性指數(shù)（Ei）和綜合有效性指數(shù)（Et）評價各土層微量元素的有效性，如表2所示。由表可知，土壤有效銅和有效鋅的單項有效性指數(shù)（Ei）均隨著土層加深而變小，而有效鐵和有效錳在40～50 cm土層其Ei指數(shù)略高于30～40 cm土層。從綜合有效性指數(shù)（Et）來看，0～10 cm土層Et指數(shù)最高，且呈現(xiàn)逐層遞減的趨勢；Et指數(shù)在10～20 cm與20～30 cm之間變化幅度最大，10～20 cm比20～30 cm土層綜合有效性指數(shù)（Et）提高74.24%。

表2 不同土層微量元素有效性指數(shù)Tab. 2 The availability index of trace elements in different soil layers

2.3 不同土層微量元素與容重的關(guān)系

2.3.1 Pearson相關(guān)分析

通過對不同土層微量元素與容重的相關(guān)分析可知（表3），在0～20 cm土層4種微量元素與容重均無顯著相關(guān)性；而在20～50 cm土層，有效銅、有效鋅和有效錳均與容重存在顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）相關(guān)性，有效鐵與容重?zé)o顯著相關(guān)性。其中，20～50 cm土層有效銅和有效錳與容重的相關(guān)性隨著土層的加深而逐漸增強。

表3 不同土層微量元素與容重的Pearson相關(guān)分析Tab. 3 Pearson correlation analysis between trace elements and bulk density in different soil layers

2.3.2 線性回歸分析

不同土層有效銅、有效鋅和有效錳與容重的回歸分析分別如圖5、圖6和圖7所示。由圖可知，在20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm土層中，有效銅、有效鋅和有效錳與容重的回歸模型均符合線性模型，且有效銅、有效鋅和有效錳含量均隨著容重的增大而變小。有效銅和有效錳的線性擬合優(yōu)度（R2）隨著土層的加深逐漸升高，有效鋅的線性擬合優(yōu)度以30～40 cm土層最低，40～50 cm土層最高。

圖5 不同土層有效銅與容重的線性回歸分析Fig. 5 Linear regression analysis of available Cu and bulk density in different soil layers

圖6 不同土層有效鋅與容重的線性回歸分析Fig. 6 Linear regression analysis of available Zn and bulk density in different soil layers

圖7 不同土層有效錳與容重的線性回歸分析Fig. 7 Linear regression analysis of available Mn and bulk density in different soil layers

3 討論

煙稻輪作是一種水旱輪作的復(fù)種方式，其與煙玉輪作或煙草單作等種植制度相比，能有效降低土傳病害對作物的侵害[15]，且煙稻輪作田塊干濕交替的環(huán)境有利于改善土壤理化特性[16]，對土壤健康與作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)均具有積極意義。微量元素是煙草、水稻、小麥和油菜等作物生產(chǎn)中所必需的營養(yǎng)元素，其豐缺狀況對作物的品質(zhì)和產(chǎn)量也有一定的影響。有研究表明[17]，土施鋅肥可顯著提高水稻莖稈、葉片和籽粒中的鋅含量，增加水稻穗數(shù)，提高水稻產(chǎn)量。在本研究中，湖南煙稻輪作區(qū)0～50 cm土層有效態(tài)微量元素Cu含量豐富，F(xiàn)e含量中等偏豐富，Mn含量中等，只有Zn含量在30～50 cm土層低，微量元素Cu、Zn、Fe和Mn含量呈表層富集化，且自土壤表層向下逐層遞減，這與趙串串等[18]和胡瑞文等[19]研究結(jié)果相似。在0～50 cm土層的150個土壤樣品中，有90.67%的樣品有效銅含量達到豐富與極豐富水平，而銅在土壤中的移動性很差，外源銅元素易富集于土壤表層[20]，故在今后煙草和水稻生產(chǎn)中，應(yīng)注重控制使用含硫酸銅的肥料和農(nóng)藥，防止Cu對作物生長出現(xiàn)致毒效應(yīng)。

以往對土壤微量元素有效性評價的研究[21]多數(shù)關(guān)注土壤表層，這適用于評價長期以旋耕為主的耕作層較淺的農(nóng)田，其作物根系分布淺層化，無法深下扎吸收水分與養(yǎng)分。然而在前人研究[22]中表明，深耕深松等耕作方式可促進作物根系向土壤深層縱向分布，故在改良耕作方式以提高作物產(chǎn)量的同時也需關(guān)注土壤深層養(yǎng)分的有效性。本研究評價了0～50 cm土層微量元素的有效性，發(fā)現(xiàn)從0～20 cm土層往下，20～30 cm土層微量元素綜合有效性指數(shù)出現(xiàn)驟減，20～50 cm土層微量元素有效性遠低于0～20 cm土層。建議在深耕深松改善耕層土壤結(jié)構(gòu)時，應(yīng)重視有機肥的投入以促進20～30 cm土層微量元素與有機化合物形成可溶的絡(luò)合物，提高微量元素有效性[23]。

合理的耕層結(jié)構(gòu)是保障作物良好生長和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的根基，土壤容重是土壤重要的物理性質(zhì)之一，它直接或間接地反映了土壤的透氣性、持水能力、入滲性能和有機碳貯量[24-26]，低容重有機質(zhì)含量高的土壤有更強的生產(chǎn)力。本研究發(fā)現(xiàn)，在0～20 cm土層，容重與有效態(tài)微量元素含量無顯著相關(guān)性；而在20～50 cm土層，容重顯著影響了有效銅、有效鋅和有效錳含量，且均隨著容重的增大而減少。容重與土壤養(yǎng)分元素呈顯著負(fù)相關(guān)這與張曉龍等[27]研究結(jié)果有相似之處，其原因可能是旋耕等常規(guī)耕作方式雖然能疏松0～20 cm土層的土壤，但其機械活動會壓實20～30 cm土層，造成土壤孔隙度變小，容重增大，引起空氣和水分減少[28]，不利于微生物的活動和養(yǎng)分循環(huán)[29]，且有機質(zhì)含量隨容重升高而下降[30]，致使養(yǎng)分的有效性隨之降低。

4 結(jié)論

湖南煙稻輪作區(qū)有效態(tài)微量元素Cu、Zn、Fe和Mn含量自0～10 cm土層向下逐層遞減，呈表層富集化；0～20 cm土層有效Cu、Zn和Fe含量豐富，Mn含量中等，其微量元素綜合有效性指數(shù)較高，而20～30 cm土層綜合有效性指數(shù)驟降；相關(guān)分析和回歸分析結(jié)果表明，微量元素Cu、Zn和Mn與容重在20～50 cm土層負(fù)顯著相關(guān)，其含量均隨著容重的增大而減少，呈線性模型。為保障湖南煙稻輪作區(qū)農(nóng)田土壤可持續(xù)利用和作物的優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)，建議嚴(yán)格控制微肥的施用，減少或禁止使用含銅的農(nóng)藥，適度加深耕作層，同時也需重視提升20～30 cm土層的養(yǎng)分有效性。