湖南煙稻輪作區微量元素分布和有效性評價及與容重的關系

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，長沙市勞動東路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 湖南農業大學農學院，長沙市芙蓉區農大路1號 410128

土壤有效態Cu、Zn、Fe和Mn等微量元素是土壤質量的重要組成部分[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參與作物體內的氧化還原反應，是眾多氧化酶的組成成分之一[2]，也是作物體內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濟作物和糧食作物，煙稻輪作是湖南烤煙區的主要種植模式之一。微量元素的有效性受土壤成土母質、pH、有機質、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長期人工和小型機械的耕作活動，土層物理結構的變差[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，探討了4種微量元素與容重的關系，目的是為湖南煙稻輪作區的土壤微量元素精準調控及合理耕作層構建提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域為中國中部湖南省的煙稻輪作區，主要集中在湘東和湘南地區，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濕潤氣候。地貌類型多樣，東、南、西三面環山，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；容重測定采用環刀法，稱量環刀及環刀和土樣，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準、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（Ei），并采用均根方法計算綜合有效性指數（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 數據處理

采用SPSS 24和Excel軟件處理數據并進行多重比較、Pearson相關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準及臨界值Tab. 1 Classification standard and critical value of trace elements in tobacco planting soil of Hunan Province

2 結果

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（Ei）和綜合有效性指數（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（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指數略高于30～40 cm土層。從綜合有效性指數（Et）來看，0～10 cm土層Et指數最高，且呈現逐層遞減的趨勢；Et指數在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（Et）提高74.24%。

表2 不同土層微量元素有效性指數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系

2.3.1 Pearson相關分析

通過對不同土層微量元素與容重的相關分析可知（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）相關性，有效鐵與容重無顯著相關性。其中，20～50 cm土層有效銅和有效錳與容重的相關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度（R2）隨著土層的加深逐漸升高，有效鋅的線性擬合優度以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境有利于改善土壤理化特性[16]，對土壤健康與作物優質高產均具有積極意義。微量元素是煙草、水稻、小麥和油菜等作物生產中所必需的營養元素，其豐缺狀況對作物的品質和產量也有一定的影響。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，提高水稻產量。在本研究中，湖南煙稻輪作區0～50 cm土層有效態微量元素Cu含量豐富，Fe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中，應注重控制使用含硫酸銅的肥料和農藥，防止Cu對作物生長出現致毒效應。

以往對土壤微量元素有效性評價的研究[21]多數關注土壤表層，這適用于評價長期以旋耕為主的耕作層較淺的農田，其作物根系分布淺層化，無法深下扎吸收水分與養分。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量的同時也需關注土壤深層養分的有效性。本研究評價了0～50 cm土層微量元素的有效性，發現從0～20 cm土層往下，20～30 cm土層微量元素綜合有效性指數出現驟減，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構時，應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合物，提高微量元素有效性[23]。

合理的耕層結構是保障作物良好生長和優質高產的根基，土壤容重是土壤重要的物理性質之一，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]，低容重有機質含量高的土壤有更強的生產力。本研究發現，在0～20 cm土層，容重與有效態微量元素含量無顯著相關性；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。容重與土壤養分元素呈顯著負相關這與張曉龍等[27]研究結果有相似之處，其原因可能是旋耕等常規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分循環[29]，且有機質含量隨容重升高而下降[30]，致使養分的有效性隨之降低。

4 結論

湖南煙稻輪作區有效態微量元素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較高，而20～30 cm土層綜合有效性指數驟降；相關分析和回歸分析結果表明，微量元素Cu、Zn和Mn與容重在20～50 cm土層負顯著相關，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農田土壤可持續利用和作物的優質適產，建議嚴格控制微肥的施用，減少或禁止使用含銅的農藥，適度加深耕作層，同時也需重視提升20～30 cm土層的養分有效性。