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        煙—稻復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

        2021-12-21 09:27:34母婷婷廖超林肖孟宇張石磊
        湖南農(nóng)業(yè)科學 2021年11期
        關(guān)鍵詞:紅壤金屬元素微量

        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,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)有限責任公司,河北 石家莊 050000)

        煙—稻復種連作是我國紅壤丘陵區(qū)主要的種植模式之一,在促進耕地集約利用和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展及農(nóng)村脫貧攻堅中發(fā)揮了長期而重要的作用[1]。然而,長期煙—稻復種連作會導致土壤結(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)也有較大負面影響[2]。研究證實,煙—稻復種連作障礙主要來自土壤[3],土壤連作障礙的研究報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、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—稻復種連作(YDLZ)1~20 a及以上田塊,于煙田翻耕前按梅花形五點法取耕作層(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76個土樣。土壤類型為第四紀紅土發(fā)育的紅壤性水稻土;將土樣裝袋編號后,帶回實驗室自然風干、碾磨、過篩備用。

        1.2 土壤微量元素及理化指標測定

        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、有機質(zhì)等理化指標依據(jù)文獻[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準與方法

        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)微量元素的評價標準和臨界值,如表1所示。

        表1 土壤有效態(tài)微量元素評價標準 (mg/kg)

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

        式中,Ci為實際測定的第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軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析;采用Duncan′s法顯著性檢驗(P<0.05)進行單因素方差分析,比較處理間的差異;以 Pearson法進行相關(guān)性分析。運用Canaco 5 軟件進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)微量元素的評價標準,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,達到45.96%。這說明YDLZ導致土壤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導致紅壤性水稻土Fe、Mn、Cu、Zn有效性等級水平降低,同時導致土壤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—稻復種連作年限的延長,Et變小;說明YDLZ導致土壤微量元素有效性整體降低,且隨著煙—稻復種連作年限的延長,效果越明顯。

        2.3 煙—稻復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%,差異均達顯著水平。這說明煙—稻復種連作15 a后導致土壤容重增加和土壤質(zhì)地趨細。從表4中還可以看出,相較于DDLZ土壤,紅壤性水稻土不同YDLZ年限的土壤有機質(zhì)、全量氮、磷及鉀含量差異變化顯著,這表明煙—稻復種連作對紅壤性水稻土主要肥力指標影響明顯。

        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極顯著或顯著負相關(guān);粘粒與有效Cu、有效Zn及Et顯著或極顯著負相關(guān),全磷與有效Fe、有效Mn及Et極顯著負相關(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;同時,上述指標中的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)變化的主導指標。

        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—稻復種連作不同年限的土壤進行測定,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—稻復種連作導致土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量顯著降低,且以煙—稻復種連作年限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致土壤結(jié)構(gòu)破壞,有機質(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—稻復種連作導致土壤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,導致可被作物吸收利用和參與元素地球化學循環(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。有機質(zhì)中富含多種有機酸,可以溶解相當一部分微量元素,同時,有機質(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,容重與土壤有機質(zhì)呈負相關(guān)關(guān)系,與土壤粉粒、粘粒呈正相關(guān)關(guān)系。煙—稻復種連作導致紅壤性水稻土容重增大,土壤有機質(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[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)含量及有效性呈負相關(guān)關(guān)系,其原因在于煙—稻復種連作導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[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—稻復種連作導致土壤全磷累積,磷酸根離子相應增加,與Fe、Mn等微量元素共沉定量增加[18],從而導致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相關(guān)關(guān)系。

        進一步運用冗余分析解析煙—稻復種連作引起土壤微量金屬元素含量及有效性的主導理化因子,發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)和容重是影響煙—稻復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—稻復種連作導致土壤有機質(zhì)含量降低、容重增加,減少了土壤有機酸和有機膠體數(shù)量,增強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—稻復種連作導致土壤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—稻復種連作導致土壤微量金屬元素有效性整體降低,且隨著煙—稻復種連作年限的延長,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,其中土壤有機質(zhì)和容重是影響煙—稻復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)控土壤有機質(zhì)及容重等理化性狀入手。

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