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

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. 湖南農業大學，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主要的種植模式之一，在促進耕地集約利用和農業持續發展及農村脫貧攻堅中發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構退化、養分失調、土傳病害常發等問題，不利于煙草正常的生長發育，對烤煙產量和品質也有較大負面影響[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分失調、自毒作用及微生物區系發生變化[4-5]等方面，關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、相關性及冗余性分析等方法，在耒陽市煙區采集煙—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有效態含量及其有效性的關系，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鍵影響因子，為紅壤性水稻田平衡施肥和煙葉的優質生產提供資料。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

在湖南典型紅壤丘陵區的耒陽市煙區（113°2′59″E，26°39′33″ N），根據地形特點、田塊形狀及土壤環境一致的原則，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，同時采集環刀土樣。對照為研究區未植煙且稻—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；土壤容重采用環刀法測定；土壤pH值、有機質等理化指標依據文獻[7]采用常規分析方法測定。

1.3 土壤微量金屬元素有效性評價標準與方法

結合已有的研究結果[8-9]，制定了湖南植煙土壤有效態微量元素的評價標準和臨界值，如表1所示。

表1 土壤有效態微量元素評價標準 （mg/kg）

采用單項有效性指數（Ei）和綜合有效性指數（Et）相結合的方法[10]，先計算各元素有效性指數，再采用均根方法計算綜合有效性指數，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含量；Si為第i種土壤微量元素有效態含量的臨界值。

1.4 數據分析

采用Excell 2021和SPSS 20.0軟件進行數據處理和統計分析；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 結果與分析

2.1 煙—稻復種連作對土壤微量金屬元素有效態含量的影響

表2為不同種植模式下土壤微量元素的有效態含量。整體而言，YDLZ不同年限土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效態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；根據土壤有效態微量元素的評價標準，YDLZ不同年限土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效態含量均高于臨界值，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的有效態含量

相較于DDLZ土壤，YDLZ的紅壤性水稻土Fe、Mn、Cu、Zn有效態含量均顯著降低；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的有效指數顯著高于其他年限段土壤的。從不同微量元素有效性指數看，DDLZ土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效指數分別為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（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?。徽f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、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的相互關系

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

表5 土壤理化性狀與土壤有效態微量金屬元素及其有效性指數的相關性

土壤理化性狀與土壤有效態微量元素及其有效性指數的冗余分析結果如圖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微量元素及其有效性指數的絕大部分信息，其中土壤有機質（OM）（57.0%，F=21.2，P=0.002）、容重（BD）（42.5%，F=11.8，P=0.004）、全磷（TP）（26.3%，F=5.7，P=0.01）、粘粒（clay）（24.6%，F=5.2，P=0.044）、總氮（TN）（24.1%，F=5.1，P=0.022）及粉粒（silt）（21.7%，F=4.4，P=0.022）具有較高的向量權重，且均達到顯著水平，是影響土壤有效態微量元素及其有效性指數的主要理化指標；同時，上述指標中的OM、BD向量權重較大，是土壤有效態微量元素及其有效性指數變化的主導指標。

圖1 土壤理化性狀與土壤有效態微量金屬元素及其有效性指數的冗余分析

3 討 論

微量元素是煙草、水稻、小麥和油菜等作物生產中所必需的營養元素，其豐缺狀況對作物的生長發育、產質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，發現其Fe、Mn、Cu、Zn有效態含量均處于極高含量水平，這與李衛等[9]的研究結果一致，其含量與成土母質、栽培技術、耕作制度及施肥等具有相關性。耕作和施肥是影響土壤微量元素有效態含量變化的因素。

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果。其原因在于長期連作導致土壤結構破壞，有機質降低，磷素累積，極大地影響了微量元素的活性，使其有效態含量降低[11-12]。

煙—稻復種連作導致土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效態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均顯著降低，且有效性綜合指數隨著連作年限的延長降低越明顯。在土壤微量元素有效態含量降低的條件下，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，土壤有機質與Fe、Mn、Cu、Zn有效態含量及其有效性指數顯著正相關，這與向萬勝等[13]的研究結果一致。有機質中富含多種有機酸，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，容重與土壤有機質呈負相關關系，與土壤粉粒、粘粒呈正相關關系。煙—稻復種連作導致紅壤性水稻土容重增大，土壤有機質含量降低，質地趨粘重，鐵錳氧化物增加，對微量元素的吸附和共沉淀作用增強[16]，微量元素的有效態含量及綜合有效性指數降低。土壤粉粒含量與Fe、Mn有效態含量顯著正相關，而粘粒與Cu、Zn有效態含量及有效性呈負相關關系，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與全磷含量呈極顯著負相關關系。

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，發現土壤有機質和容重是影響煙—稻復種連作紅壤性水稻土Fe、Mn、Cu、Zn有效態含量及有效性的關鍵因子；煙—稻復種連作導致土壤有機質含量降低、容重增加，減少了土壤有機酸和有機膠體數量，增強了微量金屬元素的吸附固定和共沉淀作用，因此，Fe、Mn、Cu、Zn有效態含量和有效性降低。

4 結 論

煙—稻復種連作導致土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效態含量顯著降低，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含量與多種土壤理化性質之間相關性顯著，其中土壤有機質和容重是影響煙—稻復種連作條件下紅壤性水稻土微量金屬元素有效態含量及有效性的關鍵因子。因此，合理配置植煙土壤微量營養元素等級及有效性，可從調控土壤有機質及容重等理化性狀入手。