長期施肥對褐土有效銅、有效鋅時空分布特征的影響

郭 晉，周懷平，楊振興，解文艷，劉志平，高佳妮，呂倩倩

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031）

土壤微量元素在作物生長過程中起著不可或缺的作用，其含量、形態分布和有效性不僅與成土過程及成土母質等自然因素有關，同時還受到施用肥料、耕作制度以及種植作物等人為因素的影響[1-3]。李志軍等[4]研究表明，長期施用氮、磷化肥后，關中土壤有效鋅、有效銅含量接近虧缺；劉恩科等[5]對褐潮土研究也表明，長期施用氮、磷化肥可明顯降低0～20 cm 土壤中的有效銅、有效鋅的含量，而有機肥與化肥配施可明顯提高0～20 cm 土壤中各微量元素的有效態含量。但針對長期不同施肥對微量元素有效性影響在褐土中的相關研究還比較少。

本研究以27 a 長期定位試驗為基礎，探討長期不同施肥對褐土微量元素有效性的影響，旨在為調控土壤微量元素養分以及作物高產優質提供指導性意見。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗地選擇在山西省壽陽縣宗艾村國家旱作農業科技攻關試驗區。該試驗區年平均氣溫7.6 ℃，大于10 ℃積溫3 400 ℃，海拔1 130 m，干燥度1.3，無霜期135～140 d，多年平均降雨量501.1 mm，且年際變化率較大，屬于半濕潤偏旱區。試驗土壤為褐土性土壤，土層較厚、地勢平坦，且質地為輕壤。1992 年春試驗前基礎土樣0～20，20～40 cm 土層理化性質列于表1。

表1 基礎土樣的理化性質

1.2 試驗設計

1992 年春開始進行長期施肥試驗，到2018 年歷時27 a。試驗采用磷、氮、有機肥3 因素4 水平正交設計，共設9 個處理：不施肥對照（N0P0M0）、4 個不同氮磷化肥配施處理（N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0）、3 個 有 機 肥 無 機 肥 配 施 處 理（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2）和單施高量有機肥處理（N0P0M6）。小區面積為66.7 m2，試驗均采取隨機排列，不設重復。本次試驗所用肥料包括氮肥、磷肥與農家肥3 類，其中，氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為普通過磷酸鈣（含P2O514%），農家肥為腐熟廄肥（有機質90.5～127.3 g/kg、有效Cu 36.01 mg/kg、有效Zn 176.19 mg/kg）。每年秋季，在耕翻時將肥料一次性施入，不同施肥處理的施肥量列于表2。

表2 不同施肥處理施肥量 kg/hm2

田間管理按大田豐產要求進行，一年一季玉米，4 月15—28 日播種，9 月20 日至10 月10 日收獲。1992—1995 年種植品種為煙單14 號、1996—2002 年種植品種為晉單34 號、2003—2011 年種植品種為強盛31 號，密度為5.20 萬～5.25 萬株/hm2；2012—2017 年種植品種為晉單81 號、2018 年品種為大豐30，密度為6.60 萬株/hm2。

1.3 測定項目及方法

測定項目包括1992 年基礎土樣以及1996，2001，2006，2011，2016，2018 年0 ～40 cm 土 層 和2018 年秋收后0～100 cm 土層中有效Cu、Zn 的含量。有效Cu、Zn 含量測定采用DTPA- AAS 法。稱取2 g 土樣于50 mL 塑料瓶中，用20 mL DTPA 浸提，過濾；過濾后的濾液用原子吸收分光光度計直接進行測定。

1.4 數據分析

數據的統計分析采用Excel 2007 軟件進行。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理下有效Cu、 有效Zn 含量年際變化特征

2.1.1 0～20 cm 土層有效Cu 含量年際變化 與1992 年基礎土樣相比，2018 年0～20 cm 土層有效Cu 含量不施肥及氮磷化肥配施處理均有所降低，N0P0M0、N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0處 理 分 別 降低27.69%，32.05%，32.82%，30.18%，30.62%；有機無機肥配施處理N2P1M1、N4P2M2分別下降5.59%，15.46%，N3P2M3處理上升5.31%；單施高量有機肥處理上升幅度最大，達27.13%，且隨著有機肥施入量的增加，土壤中有效Cu 含量由降低轉為升高。

在長期施肥試驗進行10 a 以后，即2001 年后0～20 cm 土層有效Cu 含量在不同施肥處理間差異性變大，與不施肥及氮磷化肥配施處理相比，施有機肥處理開始有大幅度提升；在2011 年以后，不同施肥處理有效Cu 含量均呈現大幅度下降趨勢。與不施肥處理相比，氮磷化肥配施處理有效Cu 含量在不同處理間差異性較小，整體呈下降趨勢；有機無機肥配施及單施高量有機肥處理有效Cu 含量均有所提高，且隨有機肥施入量的增加有效Cu 含量逐漸增加（表3）。

表3 1992—2018 年0～20 cm 土層有效Cu 含量年際變化 mg/kg

2.1.2 0～20 cm 土層有效Zn 含量年際變化 與1992 年基礎土樣相比，2018 年0～20 cm 土層有效Zn 含量不施肥及氮磷化肥配施處理中，N3P3M0處理下降4.07%，N0P0M0、N1P1M0、N2P2M0、N4P4M0處理分別提升64.40%，0.20%，57.73%，11.60%；有機無機肥配施及單施高量有機肥處理有效Zn 含量均有所提升，N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2、N0P0M6處理分別提升205.47%，542.20%，268.60%，882.73%，且隨著有機肥施入量的增加，0～20 cm 土層有效Zn 含量呈現上升趨勢（表4）。

表4 1992—2018 年0～20 cm 土層有效Zn 含量年際變化 mg/kg

2.2 不同施肥處理對有效Cu、有效Zn 剖面的影響

2.2.1 0～100 cm 有效Cu 含量剖面分布 2018 年有效Cu 含量在0～100 cm 土層剖面上，各不同施肥處理均表現為0～20 cm 土層有效Cu 含量較高，20～60 cm 土層有所降低，60～100 cm 土層含量變化幅度較小，不同施肥對0～60 cm 土層的影響相對較大，對60～100 cm 土層的影響相對不明顯。與不施肥處理相比，氮磷化肥配施處理有效Cu 含量在不同土層中分布規律均相似；有機無機肥配施和單施高量有機肥處理中有效Cu 含量在0～60 cm土層的上升幅度加大，且有效Cu 含量隨著有機肥施入量的增加呈現增加的趨勢，60～100 cm 土層有效Cu 含量與N0P0M0相比差異性較小。施用有機肥可以提高有效Cu 含量，而氮磷肥對其影響較小（圖1，2）。

2.2.2 0～100 cm 有效Zn 含量剖面分布 2018 年有效Zn 含量在0～100 cm 土層剖面上，不同施肥僅對0～20 cm 土層有效Zn 含量影響較大，對20～100 cm 深層土壤影響較小，在20～100 cm 土層有效Zn 含量及變化幅度均較小。在0～20 cm 土層，與不施肥處理相比，氮磷化肥配施處理差異性較小，有降低的趨勢；有機無機肥配施及單施高量有機肥處理有大幅度的提升，其增加趨勢與有機肥施入量呈正相關（圖3，4）。施用有機肥可以大幅度提高0～20 cm 土層有效Zn 含量，而對較深層土壤影響較小；氮磷化肥配施對各土層有效Zn 含量影響均較小。

3 結論與討論

3.1 有效Cu、有效Zn 含量的變化

本研究表明，與1992 年基礎土樣相比，2018 年0～20 cm 土層有效Cu 含量不施肥及氮磷化肥配施處理有所降低，長期氮磷化肥配施對土壤有效Cu 的消耗較明顯[6-8]。有機無機肥配施處理，隨著有機肥施入量的增加，土壤中有效Cu 含量由降低轉為升高，這與宇萬太等[9]的研究結果相一致，與不施肥處理相比，有機肥的施入向土壤中帶去了大量的Cu。參照國內外分級標準[10-13]，按照極低、低、中、高、極高的等級劃定對土壤有效態微量元素含量進行分等定級，目前土壤中有效Cu 含量仍處于較高水平，其中高量有機肥與無機肥配施及單施高量有機肥已經達到很高水平。

與不施肥處理相比，0～20 cm 土層由于施用有機肥而提高了有效Cu 含量，而氮磷化肥配施變化幅度較小，在長期施肥試驗進行10 a 以后，0～20 cm土層有效Cu 含量在不同施肥處理間差異性變大，施有機肥處理提升幅度較大；在2011 年以后，不同施肥處理有效Cu 含量均呈現大幅度下降趨勢。主要原因可能是由于自2012 年開始更換玉米品種，且種植密度有所增加，氮磷化肥配施處理作物攜出量增加和投入量不足的綜合結果。

與1992 年基礎土樣相比，2018 年0～20 cm 土層有效Zn 含量不施肥及氮磷化肥配施處理中，N3P3M0處理略有降低，其他處理均有不同程度的提高；有機無機肥配施及單施高量有機肥處理有效Zn 含量均有較大幅度提升，隨著有機肥施入量的增加，0～20 cm 土層有效Zn 含量上升幅度增大，這與任順榮等[14]的研究結果相一致，主要是由于有機肥中有效Zn 含量較多。

在長期施肥試驗進行10 a 以后，施有機肥處理有效Zn 含量提升幅度較大。與不施肥處理相比，氮磷化肥配施處理不同處理間差異性較小，整體呈下降趨勢，有機無機肥配施及單施高量有機肥處理有效Zn 含量均有所提高。主要是由于有機肥中有效Zn 的含量較高，而氮磷化肥配施處理土壤中攝入的有效Zn 含量較少，從而促進植物生長，并且增加了植物能夠攜出的微量元素含量[15-16]。參照國內外分級標準，目前土壤中氮、磷化肥配施處理有效Zn含量處于較低水平，而有機無機肥配施處理有效Zn 含量均屬于較高水平。

3.2 0～100 cm 有效Cu、 有效Zn 含量剖面分布特征

2018 年有效Cu 含量在0～100 cm 土層剖面上，對于0～60 cm 土層而言，不同施肥處理的影響較大，但60～100 cm 土層影響不明顯。與不施肥處理相比，氮磷化肥配施處理有效Cu 含量在不同土層中分布規律均相似；有機無機配施和單施高量有機肥處理有效Cu 含量在0～60 cm 土層提升幅度較大，且隨著有機肥施入量的增加，有效Cu 含量也逐漸增加。韓曉日等[17]在棕壤上進行長期定位試驗，結果表明，不同施肥處理土壤pH 和有機質含量變化對土壤有效銅含量無明顯作用，這與本研究結果不同。其原因可能是由于近年來飼料添加劑的應用使工廠化養殖場的畜禽排泄物中Cu 的含量增高。

2018 年有效Zn 含量在0～100 cm 土層剖面上，不同施肥處理僅對0～20 cm 土層有效Zn 含量影響較大，與不施肥處理相比，氮磷化肥配施處理有效Zn 含量有降低的趨勢，不同處理間差異性較小，目前0～20 cm 土層有效Zn 含量處于較低水平；有機無機肥配施及單施高量有機肥處理有效Zn 含量上升幅度較大，0～20 cm 土層有效Zn 含量處于較高水平。而不同施肥處理對20～100 cm 深層土壤影響較小，在20～100 cm 土層有效Zn 含量變化幅度較小，這與孫繼坤等[18]、金星耀等[19]的研究結果相同，可能是由于0～20 cm 土層有效Zn 含量受作物及施肥的影響較大，而深層土壤有效Zn 含量可能與耕作方式及土壤本身有關。而合理的微量元素施入則有利于玉米產量的提高，這與張中星等[20]的田間試驗研究結果一致。