煙—稻復(fù)種連作對紅壤性水稻土微量金屬元素含量及有效性的影響

母婷婷，廖超林，周 童，肖孟宇，朱 黔，王 乾，張石磊，張 松

（1. 湖南省煙草公司衡陽市公司，湖南 衡陽 421000；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長沙410004；3.衡陽市煙草公司耒陽市分公司，湖南 耒陽 421008；4.河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050000）

煙—稻復(fù)種連作是我國紅壤丘陵區(qū)主要的種植模式之一，在促進(jìn)耕地集約利用和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展及農(nóng)村脫貧攻堅(jiān)中發(fā)揮了長期而重要的作用[1]。然而，長期煙—稻復(fù)種連作會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)退化、養(yǎng)分失調(diào)、土傳病害常發(fā)等問題，不利于煙草正常的生長發(fā)育，對烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)也有較大負(fù)面影響[2]。研究證實(shí)，煙—稻復(fù)種連作障礙主要來自土壤[3]，土壤連作障礙的研究報(bào)道主要集中于土壤養(yǎng)分失調(diào)、自毒作用及微生物區(qū)系發(fā)生變化[4-5]等方面，關(guān)于連作植煙對土壤微量元素影響的研究報(bào)道較少見。

鐵（Fe）、錳（Mn）、銅（Cu）、鋅（Zn）是土壤中最常見的微量元素，也是人體必需的微量元素，需要從食物中攝取[6]。研究采用時空替代法、相關(guān)性及冗余性分析等方法，在耒陽市煙區(qū)采集煙—稻復(fù)種連作不同年限的紅壤性水稻土，分析土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量及其有效性的變化，了解土壤理化性狀與Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量及其有效性的關(guān)系，明確煙—稻復(fù)種連作對紅壤性水稻土微量元素含量及有效性的影響及其關(guān)鍵影響因子，為紅壤性水稻田平衡施肥和煙葉的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供資料。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

在湖南典型紅壤丘陵區(qū)的耒陽市煙區(qū)（113°2′59″E，26°39′33″ N），根據(jù)地形特點(diǎn)、田塊形狀及土壤環(huán)境一致的原則，按照時空替代法，分別選取煙—稻復(fù)種連作（YDLZ）1～20 a及以上田塊，于煙田翻耕前按梅花形五點(diǎn)法取耕作層（0～20 cm）混合土樣，同時采集環(huán)刀土樣。對照為研究區(qū)未植煙且稻—稻連作（DDLZ）5 a以上的稻田土樣。將采集的土樣按YDLZ年限分為0 a、0～5 a、5～10 a、10～15 a、15～20 a、＞20 a 這6組，各組土樣數(shù)量分別為13、16、14、13、12和8個；共計(jì)76個土樣。土壤類型為第四紀(jì)紅土發(fā)育的紅壤性水稻土；將土樣裝袋編號后，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干、碾磨、過篩備用。

1.2 土壤微量元素及理化指標(biāo)測定

土壤有效Cu、有效Mn、有效Fe和有效Zn采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法測定；土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤pH值、有機(jī)質(zhì)等理化指標(biāo)依據(jù)文獻(xiàn)[7]采用常規(guī)分析方法測定。

1.3 土壤微量金屬元素有效性評價標(biāo)準(zhǔn)與方法

結(jié)合已有的研究結(jié)果[8-9]，制定了湖南植煙土壤有效態(tài)微量元素的評價標(biāo)準(zhǔn)和臨界值，如表1所示。

表1 土壤有效態(tài)微量元素評價標(biāo)準(zhǔn) （mg/kg）

采用單項(xiàng)有效性指數(shù)（Ei）和綜合有效性指數(shù)（Et）相結(jié)合的方法[10]，先計(jì)算各元素有效性指數(shù)，再采用均根方法計(jì)算綜合有效性指數(shù)，公式如下：

式中，Ci為實(shí)際測定的第i種土壤微量元素有效態(tài)含量；Si為第i種土壤微量元素有效態(tài)含量的臨界值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excell 2021和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析；采用Duncan′s法顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）進(jìn)行單因素方差分析，比較處理間的差異；以 Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析。運(yùn)用Canaco 5 軟件進(jìn)行土壤理化性狀與土壤微量元素有效性的冗余分析（RDA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙—稻復(fù)種連作對土壤微量金屬元素有效態(tài)含量的影響

表2為不同種植模式下土壤微量元素的有效態(tài)含量。整體而言，YDLZ不同年限土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量變化范圍分別為50.80～69.93、30.12～43.04、4.01～6.15和2.48～3.20 mg/kg；根據(jù)土壤有效態(tài)微量元素的評價標(biāo)準(zhǔn)，YDLZ不同年限土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量均高于臨界值，且除有效Zn以外均處于極高含量水平。

表2 不同種植模式下土壤Fe、Mn、Cu、Zn的有效態(tài)含量

相較于DDLZ土壤，YDLZ的紅壤性水稻土Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量均顯著降低；其中煙—稻復(fù)種連作0～5 a（YDLZ 0～5 a）土壤的Fe、Mn有效態(tài)含量顯著高于YDLZ年限＞5 a土壤的；而煙—稻復(fù)種連作15～20 a（YDLZ 15～20 a）土壤的Cu、Zn有效態(tài)含量顯著高于其他年限段土壤的；就含量降低幅度而言，土壤Fe、Cu、Zn有效態(tài)含量均以煙—稻復(fù)種連作＞20 a（YDLZ＞20 a）土壤的降幅最大，降幅分別為37.43%、44.77%和39.22%，而Mn有效態(tài)含量以YDLZ 15～20 a土壤的降幅最大，達(dá)到45.96%。這說明YDLZ導(dǎo)致土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量顯著降低，且以YDLZ年限15～20 a和＞20 a降低幅度最大。

2.2 煙—稻復(fù)種連作對土壤微量金屬元素有效性的影響

由表3可知，相較于DDLZ土壤，YDLZ的紅壤性水稻土的Fe、Mn、Cu、Zn有效指數(shù)顯著降低；其中煙—稻復(fù)種連作0～5 a（YDLZ 0～5 a）土壤Fe、Mn的有效指數(shù)顯著高于YDLZ年限＞5 a土壤的；而煙—稻復(fù)種連作15～20 a（YDLZ 15～20 a）土壤Cu、Zn的有效指數(shù)顯著高于其他年限段土壤的。從不同微量元素有效性指數(shù)看，DDLZ土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效指數(shù)分別為11.60、7.96、3.63和4.08，分別屬于高、中、極高和高等級水平；而YDLZ土壤Fe、Mn有效性指數(shù)分別為7.26～9.99、4.30～6.15，分別屬于中、低或極低等級水平；Cu、Zn有效性指數(shù)分別為2.01～3.08、2.48～3.20，屬于高以上等級水平。這說明YDLZ導(dǎo)致紅壤性水稻土Fe、Mn、Cu、Zn有效性等級水平降低，同時導(dǎo)致土壤Mn缺乏。從有效性綜合指數(shù)（Et）看，YDLZ土壤Et顯著低于DDLZ，且隨著煙—稻復(fù)種連作年限的延長，Et變小；說明YDLZ導(dǎo)致土壤微量元素有效性整體降低，且隨著煙—稻復(fù)種連作年限的延長，效果越明顯。

2.3 煙—稻復(fù)種連作對土壤理化性狀的影響

由表4可知，相較于DDLZ土壤，YDLZ對紅壤性水稻土容重及顆粒組成的顯著影響，主要發(fā)生在YDLZ 15～20 a和YDLZ＞20 a；其中YDLZ 15～20 a土壤容重升高了14.89%，砂粒含量降低了9.82%，差異均達(dá)顯著水平；YDLZ＞20 a土壤容重和粉粒含量分別增加18.09%和7.57%，砂粒含量降低了11.21%，差異均達(dá)顯著水平。這說明煙—稻復(fù)種連作15 a后導(dǎo)致土壤容重增加和土壤質(zhì)地趨細(xì)。從表4中還可以看出，相較于DDLZ土壤，紅壤性水稻土不同YDLZ年限的土壤有機(jī)質(zhì)、全量氮、磷及鉀含量差異變化顯著，這表明煙—稻復(fù)種連作對紅壤性水稻土主要肥力指標(biāo)影響明顯。

表4 不同種植模式下土壤的容重、顆粒組成及養(yǎng)分含量

2.4 土壤理化性狀與土壤微量金屬元素及其有效性指數(shù)的相互關(guān)系

由表5可知，土壤微量金屬元素有效態(tài)含量與多種土壤理化性質(zhì)之間相關(guān)性顯著。其中，土壤有機(jī)質(zhì)與有效態(tài)Fe、Mn、Cu、Zn及Et之間均極顯著正相關(guān)，土壤粉粒與有效Fe、有效Mn極顯著或顯著正相關(guān)，全氮與有效Fe、有效Mn及Et顯著正相關(guān)；而容重與有效態(tài)Fe、Mn、Cu、Zn及Et極顯著或顯著負(fù)相關(guān)；粘粒與有效Cu、有效Zn及Et顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，全磷與有效Fe、有效Mn及Et極顯著負(fù)相關(guān)。

表5 土壤理化性狀與土壤有效態(tài)微量金屬元素及其有效性指數(shù)的相關(guān)性

土壤理化性狀與土壤有效態(tài)微量元素及其有效性指數(shù)的冗余分析結(jié)果如圖1所示，2個排序軸解釋了總變異的99.68%，反映了土壤理化性狀對土壤有效態(tài)微量元素及其有效性指數(shù)的絕大部分信息，其中土壤有機(jī)質(zhì)（OM）（57.0%，F(xiàn)=21.2，P=0.002）、容重（BD）（42.5%，F(xiàn)=11.8，P=0.004）、全磷（TP）（26.3%，F(xiàn)=5.7，P=0.01）、粘粒（clay）（24.6%，F(xiàn)=5.2，P=0.044）、總氮（TN）（24.1%，F(xiàn)=5.1，P=0.022）及粉粒（silt）（21.7%，F(xiàn)=4.4，P=0.022）具有較高的向量權(quán)重，且均達(dá)到顯著水平，是影響土壤有效態(tài)微量元素及其有效性指數(shù)的主要理化指標(biāo)；同時，上述指標(biāo)中的OM、BD向量權(quán)重較大，是土壤有效態(tài)微量元素及其有效性指數(shù)變化的主導(dǎo)指標(biāo)。

圖1 土壤理化性狀與土壤有效態(tài)微量金屬元素及其有效性指數(shù)的冗余分析

3 討 論

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生長發(fā)育、產(chǎn)質(zhì)量起著重要的生理作用。該研究采集煙—稻復(fù)種連作不同年限的土壤進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)其Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量均處于極高含量水平，這與李衛(wèi)等[9]的研究結(jié)果一致，其含量與成土母質(zhì)、栽培技術(shù)、耕作制度及施肥等具有相關(guān)性。耕作和施肥是影響土壤微量元素有效態(tài)含量變化的因素。

該研究表明，煙—稻復(fù)種連作導(dǎo)致土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量顯著降低，且以煙—稻復(fù)種連作年限15～20 a和＞20 a的降幅最大，梁文旭等[1]的研究也獲得了類似的結(jié)果。其原因在于長期連作導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞，有機(jī)質(zhì)降低，磷素累積，極大地影響了微量元素的活性，使其有效態(tài)含量降低[11-12]。

煙—稻復(fù)種連作導(dǎo)致土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量顯著降低的同時，4種微量元素有效性單項(xiàng)和綜合指數(shù)均顯著降低，且有效性綜合指數(shù)隨著連作年限的延長降低越明顯。在土壤微量元素有效態(tài)含量降低的條件下，游離于土壤溶液中的活性微量元素含量降低，導(dǎo)致可被作物吸收利用和參與元素地球化學(xué)循環(huán)的比例降低，故其有效性降低。

土壤微量元素有效含量及有效性受土壤理化性狀的影響。該研究中，土壤有機(jī)質(zhì)與Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量及其有效性指數(shù)顯著正相關(guān)，這與向萬勝等[13]的研究結(jié)果一致。有機(jī)質(zhì)中富含多種有機(jī)酸，可以溶解相當(dāng)一部分微量元素，同時，有機(jī)質(zhì)的存在也有助于減少微量元素與土壤顆粒的接觸，降低微量元素被土壤固定的可能性；同時，微量元素可以隨著有機(jī)酸在土壤中的流動而向根部遷移，從而提高其有效性[14]。

任啟文等[15]的研究表明，容重與土壤有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤粉粒、粘粒呈正相關(guān)關(guān)系。煙—稻復(fù)種連作導(dǎo)致紅壤性水稻土容重增大，土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，質(zhì)地趨粘重，鐵錳氧化物增加，對微量元素的吸附和共沉淀作用增強(qiáng)[16]，微量元素的有效態(tài)含量及綜合有效性指數(shù)降低。土壤粉粒含量與Fe、Mn有效態(tài)含量顯著正相關(guān)，而粘粒與Cu、Zn有效態(tài)含量及有效性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其原因在于煙—稻復(fù)種連作導(dǎo)致土壤粉粒含量增加，伴隨的是粘粒含量增加及容重增大，對微量金屬元素的吸附固定和無效化作用增強(qiáng)[17]，有效態(tài)微量金屬元素及其有效性降低。

土壤全磷主要以不溶或難溶的磷酸鹽形式存在，煙—稻復(fù)種連作導(dǎo)致土壤全磷累積，磷酸根離子相應(yīng)增加，與Fe、Mn等微量元素共沉定量增加[18]，從而導(dǎo)致Fe、Mn活性和有效性降低。因此，土壤Fe、Mn有效含量及綜合有效性指數(shù)與全磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

進(jìn)一步運(yùn)用冗余分析解析煙—稻復(fù)種連作引起土壤微量金屬元素含量及有效性的主導(dǎo)理化因子，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)和容重是影響煙—稻復(fù)種連作紅壤性水稻土Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量及有效性的關(guān)鍵因子；煙—稻復(fù)種連作導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量降低、容重增加，減少了土壤有機(jī)酸和有機(jī)膠體數(shù)量，增強(qiáng)了微量金屬元素的吸附固定和共沉淀作用，因此，F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量和有效性降低。

4 結(jié) 論

煙—稻復(fù)種連作導(dǎo)致土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量顯著降低，且以連作年限15～20 a和＞20 a的降幅最大；同時，煙—稻復(fù)種連作導(dǎo)致土壤微量金屬元素有效性整體降低，且隨著煙—稻復(fù)種連作年限的延長，效果越明顯；土壤微量金屬元素有效態(tài)含量與多種土壤理化性質(zhì)之間相關(guān)性顯著，其中土壤有機(jī)質(zhì)和容重是影響煙—稻復(fù)種連作條件下紅壤性水稻土微量金屬元素有效態(tài)含量及有效性的關(guān)鍵因子。因此，合理配置植煙土壤微量營養(yǎng)元素等級及有效性，可從調(diào)控土壤有機(jī)質(zhì)及容重等理化性狀入手。