长期施肥条件下土壤微量元素化学特性及有效性研究

Abstract

土壤中微量元素的有效性研究已成为农业和环境科学领域关注的焦点。施肥是微量 元素进入土壤的一个重要途径，明确和揭示施肥与土壤微量元素有效性之间的关系可为 农业生产实践提供科学参考依据。本文研究了长期施肥条件下土壤微量元素含量、形态、 分布特征及其变化情况，分析了影响土壤微量元素有效性的因素，探讨了土壤微量元素 有效性变化产生的机制，所取得的主要结论如下： （1）长期种植作物和施肥均降低了土壤 pH 值和碳酸钙含量，增加了土壤有机质含 量。2015 年苜蓿连作耕层土壤 pH 值降低最多，较裸地相比降低了 0.44 个 pH 单位。粮 豆轮作系统中耕层土壤碳酸钙含量较 2002 年相比降低了 48%。苜蓿连作耕层土壤有机 质积累显著，与裸地相比增加了 134.9%。施肥增加了土壤有效磷含量，粮豆轮作系统 中氮磷有机肥配施 0-15cm 和 15-30cm 土壤有效磷含量和不施肥相比分别提高了 34.3 倍 和 11.69 倍。连续施肥条件下土壤胡敏酸与富里酸比值均大于 1。施用有机肥增加了土 壤还原性物质总量，其中粮豆轮作系统中氮磷有机肥配施耕层土壤增加较多，较不施肥 相比增加了 107.14%。 （2）作物种植和施肥均增加了土壤有效铜、铁含量。施肥可提高土壤有效锰含量。 苜蓿、小麦连作以及施用有机肥可显著提高土壤有效锌含量。与 2002 年相比，2015 年 耕层土壤有效铜、锰含量增加量最大的分别是小麦连作系统中单施有机肥 0.69 mg kg -1 、 粮豆轮作系统中氮磷有机肥配施 58.91%。苜蓿连作耕层土壤有效锌、铁含量较 2002 年 相比分别增加了 1.95 倍和 2.05 倍。 （3）土壤中微量元素的主要存在形态是矿物态，锰的氧化物结合态所占比例也较 大。2015 年和 2002 年相比，铜、锌、铁的形态分布变化不大，而锰的形态分布变化较 大，表现为矿物态和交换态锰的占比有所提高，碳酸盐结合态、氧化物结合态、有机结 合态锰的占比有所降低。 （4）长期种植作物和施肥对土壤锌、铜的活化作用很小，但交换态锰和铁的含量 都有所增加。2015 年苜蓿连作耕层土壤交换态锰增加最显著，较裸地相比增加了 8.03 倍。粮豆轮作系统中氮磷有机肥配施耕层土壤交换态铁增加较多，较不施肥相比增加了84.36%。各形态铜、锌含量随作物种植和施肥年限的增加而增加，但矿物态铜仅在施用 化肥时有所增加。小麦连作系统中单施有机肥耕层土壤碳酸盐结合态、氧化物结合态、 有机结合态铜增加较多，较 2002 年相比分别增加了 2.01 mg kg -1 、1.7 mg kg -1 、3.54 mg kg -1 。苜蓿连作耕层土壤氧化物结合态锌增加较多，较 2002 年相比增加了 94.26%。作 物种植仅降低了碳酸盐结合态锰含量。苜蓿连作 0-15cm 和 15-30cm 土壤碳酸盐结合态 锰含量降低较多，较 2002 年相比分别降低了 59.95 mg kg -1 和 35.65 mg kg -1 。小麦连作 系统中 15-30cm 土壤有机结合态锰增加显著，较裸地相比增加了 2.63 倍。小麦连作系 统土壤各形态铁都有所增加。不施肥情况下，小麦连作系统中 0-15cm 和 15-30cm 土壤 碳酸盐结合态铁较 2002 年相比分别增加了 114.52%和 183.69%、有机结合态铁分别增加 了 1.08 倍和 3.3 倍。施肥大都降低了土壤各形态锰和铁的含量。粮豆轮作系统中单施磷 肥耕层土壤有机结合态锰增加显著，较不施肥相比增加了 8.2 倍。 （5）长期作物种植和施肥条件下土壤 pH 值与有效铜、锰、锌、铁之间显著负相关， 有效磷、胡敏酸、富里酸与之相反；土壤有机质、还原性物质总量与有效铜显著负相关， 与有效锰、锌、铁则相反；土壤水分与有效铜、锌呈正相关，而与有效锰、铁呈负相关。 与 DTPA-Cu、Mn、Zn、Fe 含量之间直接通径系数最高的分别为土壤水分 0.781、胡敏 酸 0.652、有机质 0.895、有机质 0.83。与 DTPA-Cu、Mn、Fe 含量之间直接负作用较高 的分别为还原性物质总量-0.509、富里酸-0.595、碳酸钙-0.501。 （6）长期作物种植和施肥条件下交换态铜、锰、铁与有效量间呈正相关，且对有 效量的直接通径系数也最高，分别为 0.829、0.445 和 0.122，故交换态是土壤有效量的 直接和主要来源。碳酸盐结合态铜与有效铜呈正相关，且与交换态铜间接通径系数最大 0.479，表明它可以通过向交换态铜的转化而增加土壤中有效铜的含量。矿物态铜与有效 铜直接通径系数较高 0.571，可视矿物态铜为土壤有效铜来源的储备库。碳酸盐结合态、 有机结合态与有效锰、锌、铁的相关系数、直接通径系数均为正值，表明这两种形态是 土壤有效量的来源。氧化物结合态锌与有效锌显著正相关，也是土壤锌的有效来源。 （7）长期施用微肥增加了土壤有机质、还原性物质总量。2015 年施用铜肥表层土 壤有机质和还原性物质总量增加最多，较对照相比分别增加了 25%和 24.74%。施用微 肥后土壤碳酸钙、有效磷、胡敏酸、富里酸含量大都有所降低。施用铜肥 0-15cm、15-30cm 土壤碳酸钙含量降低最显著，较对照相比分别降低了 32.35%、41.25%。施用锌肥表层 土壤有效磷含量降低最多，降低了 55%。施用微肥后胡敏酸和富里酸比值均小于 1。施 用锰肥表层土壤胡敏酸含量降低最多，降幅为 77.87%。施用锌肥亚表层土壤富里酸含 量增幅最大，增加了 2.27 倍。 长期施用微肥后，土壤铜、锌的全量及有效量增加显著，表层积聚现象明显。2015 年表层土壤全铜、全锌含量较对照相比分别增加了 131.82%和 108.71%；有效铜、锌含 量较对照相比分别增加了 6.03 倍和 6.97 倍。全锰、有效锰含量并没有明显增加。2015 年和 2001 年相比，全锰含量增加幅度小于 12%；2015 年 30-45cm 土层有效锰含量和对照相比增幅最大 26.54%，其它土层增幅均小于 6%。施用微肥后土壤交换态铜、锌占全 量的比例增加显著，不同形态锰占全量的比例变化不明显。土壤各形态铜、锰、锌含量 随施肥年限增加而增加，尤其是表层土壤，矿物态锰则相反。表层土壤氧化物结合态、 碳酸盐结合态铜增幅较大，较对照相比分别增加了 23.46 倍和 16.35 倍。各土壤性质与 有效铜、锰、锌间相关性不显著，但对微量元素形态有所影响：胡敏酸与除交换态铜之 外的其它形态铜以及有机结合态锰都显著负相关；富里酸与氧化物结合态锌显著正相 关。有效铜与碳酸盐结合态、氧化物结合态、有机结合态铜显著正相关；交换态铜载荷 在第二主成分里最大，这四种形态是土壤有效铜的来源。有效锰与交换态锰显著正相关； 第一主成分里氧化物结合态、有机结合态锰的载荷较大，这三种形态与土壤有效锰关系 密切。有效锌与交换态、氧化物结合态、有机结合态锌显著正相关，对有效锌贡献较大。 （8）施用微肥与土壤微量元素有效量之间存在以下相互作用关系：锌抑制铜，但 铜不抑制锌；锰利于铜，而铜抑制锰；锌抑制锰，但锰不抑制锌；锰肥有利于土壤中有 效铁含量的增加。 关键词：微量元素；有效性；施肥；轮作；土壤性质；黄土高原</p