冬種紫云英對石灰性水稻土紫潮泥鋅形態的影響

褚 飛，謝 堅，李海露，饒中秀，李萬明，董春華，楊曾平

（湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125）

鋅（Zn）是人體必需元素之一，在肉類和海產品中含量較高[1]，而作物中的鋅含量會受土壤供鋅能力的限制[2-4]。有研究發現，土壤鋅同時以多種形態存在，連續浸提法可將石灰性土壤鋅依次分為交換態、松結有機結合態、碳酸鹽結合態、氧化錳結合態、緊結有機結合態和殘渣態6 個組分[5]。而作物只能以Zn2+形態吸收鋅[6-7]。了解作物種植條件下土壤不同形態鋅的轉化過程對保持土壤養分平衡、充分發揮微量元素在農業生產中的作用具有重要意義。

紫潮泥是從河湖沉積物發育而來的，湖南省耕地中紫潮泥面積共有1.64 萬hm2，占水稻土的5.9%，集中分布在洞庭湖西北部的常德、岳陽和益陽三地區。紫潮泥的顏色為紫棕色，全土層堿性，pH 值7.5～8.5，有中到強度的石灰反應，有效鋅含量較低[8]。

豆科作物自古以來被作為綠肥廣泛種植。有研究發現，C/N 較低的豆科綠肥其鋅殘留率也較低，植株內貯藏的鋅能較快地釋放而進入土壤，且生長和腐解時也更易釋放草酸、蘋果酸和檸檬酸等可溶性有機酸，使土壤pH 值降低，提升土壤溶解性有機碳含量，這些有機物質可以通過絡合作用使土壤顆粒中被固定的鋅解離，從而增加土壤溶液的鋅含量，有利于后茬作物對鋅元素的吸收利用，并增加后茬作物中鋅的含量[9-13]。

關于土壤中鋅形態及其相互轉化的研究較多集中在長期施肥或不同鋅肥形式、不同施用方法和模式以及不同養分管理條件對土壤和作物中鋅形態的影響等方面[14-24]，有關作物品種對土壤鋅形態影響的研究相對較少，尤其是對紫潮泥土壤鋅形態變化的研究更少。因此，筆者以南縣的水稻土紫潮泥為研究對象，探討了冬種紫云英對紫潮泥鋅形態以及各形態之間相互轉化的影響，以期揭示冬種紫云英對紫潮泥中鋅形態轉化的驅動作用及其機理。

1 材料與方法

1.1 試驗作物和土壤

供試綠肥為紫云英“湘紫一號”。供試土壤為湖南省具有代表性的石灰性水稻土紫潮泥，采集于益陽南縣南州鎮荷花村國家級耕地質量監測點（編號430269，東經112°35′05″，北緯29°03′30″）附近的水稻田（東經112°20′17″，北緯29°20′11″），供試土壤的主要理化性質和養分狀況見表1。

表1 供試土壤的基本情況和基本性質

1.2 試驗設計

用30 cm×23.5 cm×23.8 cm 的塑料桶作為試驗盆缽，每盆裝風干土10.0 kg（≤2 mm）。設置2 個處理，分別為冬閑（對照，P1）和冬種紫云英（P2）處理，每處理3 次重復。2019 年10 月21 日播種紫云英，不施任何肥料，播種量為30 kg/hm2（按盆缽的面積0.07 m2計算每盆種子用量0.21 g，約60 粒種子），隨機區組排列。

1.3 樣品采集及測定指標

于2019 年11 月22 日 第1 次 取 樣，以 后 每 隔30 d 采集耕層土壤（共取樣7 次，分別為2019 年11月22 日、12 月20 日 和2020 年1 月20 日、2 月19日、3 月20 日、4 月20 日、5 月20 日），風干后測定土壤pH 值，并檢測全鋅、交換態鋅（Ex-Zn）、碳酸鹽結合態鋅（Carb-Zn）、松結有機結合態鋅（Wbo-Zn）、緊結有機結合態鋅（Sbo-Zn）、氧化錳結合態鋅（OxMn-Zn）及礦物殘渣態鋅（Min-Zn）和DTPA-Zn含量。

1.4 指標測定方法

土壤pH 值采用水浸提、電位法測定。全鋅含量參考鮑士旦的方法[25]，稱取0.15 g 土壤，加入混酸HCl-HNO3-HClO4-HF 電熱板加熱消解，再采用原子吸收法測定。不同形態鋅含量參考Tisser 連續浸提法進行，試驗操作溫度為25℃，液土比為10 ∶1[26-27]；其中，礦物殘渣態=全鋅-交換態-松結有機態-碳酸鹽結合態-氧化錳結合態-緊結有機態。DTPA-Zn 含量：稱取15 g 過篩土壤，加入30 mL DTPA 溶液，25℃浸提2 h，過濾后使用原子吸收分光光度計測試。

1.5 數據處理

用Excel 2016 和SPSS 20.0 進行數據分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 冬種紫云英對土壤pH 值變化的影響

土壤pH值對土壤中鋅的形態轉化有較大影響[28]。研究表明，鋅對植物的有效性隨土壤pH 值的降低而升高[29]；土壤pH 值降低將改變鋅的羥基化形態或吸附環境，進而削弱土壤對鋅的親和力，從而提高土壤鋅的有效性[30-31]。由圖1 可以看出，前5 次取樣，冬種紫云英處理的土壤pH 值顯著高于冬閑處理；而6～7 次取樣，冬種紫云英處理的土壤pH 值低于冬閑處理，其中第6 次取樣處理間存在差異顯著。2 個處理最終均提高了土壤pH 值，冬種紫云英處理pH 值的提高幅度較冬閑處理略小。冬種紫云英的后期，隨著紫云英生物量的增加，紫云英根系分泌的有機酸增加，這可能是最后冬種紫云英處理土壤pH 值低于冬閑處理的原因。

圖1 冬種紫云英下土壤pH 值的動態變化

2.2 冬種紫云英對土壤全鋅含量變化的影響

由圖2 可以看出， 7 次取樣，冬種紫云英處理的全鋅含量均高于冬閑處理，其中第1 次取樣結果差異顯著，其他幾次取樣結果差異均不顯著。與冬閑處理相比，冬種紫云英處理紫潮泥的全鋅含量起伏較小。最終，2 個處理的土壤全鋅含量均有所降低，但降低幅度都不大，冬種紫云英處理的降低幅度低于冬閑處理。

圖2 冬種紫云英下土壤全鋅含量的動態變化

2.3 冬種紫云英對土壤不同形態鋅含量變化的影響

2.3.1 土壤交換態鋅由圖3 可以看出，第1、3、7次取樣，冬種紫云英處理的交換態鋅含量低于冬閑處理，其中第7 次取樣結果差異不顯著。第2、4、5、6次取樣，冬種紫云英處理的交換態鋅含量高于冬閑處理，除第6 次取樣外，其他3 次取樣結果差異均顯著。與冬閑處理相比，冬種紫云英處理前期紫潮泥的交換態鋅含量有較大的起伏，但到了種植后期，紫潮泥的交換態鋅含量和冬閑處理沒有太大差別。最終，2 個處理的土壤交換態鋅含量均提高了，冬種紫云英處理的提高幅度略低于冬閑處理。

圖3 冬種紫云英下土壤交換態鋅含量的動態變化

2.3.2 土壤松結有機結合態鋅由圖4 可以看出，第1、4、5、6、7 次取樣，冬種紫云英處理土壤的松結有機結合態鋅含量低于冬閑處理，其中第4、5、6 次取樣結果差異不顯著。第2、3 次取樣，冬種紫云英處理土壤的松結有機結合態鋅含量顯著高于冬閑處理。與冬閑處理相比，在紫云英種植的早期和后期紫潮泥的松結有機結合態鋅含量有較大的起伏，但在紫云英種植的中期，紫潮泥的松結有機結合態鋅含量和冬閑處理沒有太大差別。最終，2 個處理的土壤松結有機結合態鋅含量均降低了，其中冬種紫云英處理的降低幅度更大。

圖4 冬種紫云英下土壤松結有機結合態鋅含量的動態變化

2.3.3 土壤碳酸鹽結合態鋅由圖5 可以看出，第2、3、4 次取樣，冬種紫云英處理的碳酸鹽結合態鋅含量顯著低于冬閑處理。第5、6、7 次取樣，冬種紫云英處理的碳酸鹽結合態鋅含量高于冬閑處理。第1 次取樣，冬種紫云英處理的碳酸鹽結合態鋅含量高于冬閑處理，但差異不顯著。與冬閑處理相比，紫云英種植初期紫潮泥的碳酸鹽結合態鋅含量差別不大。隨著時間的遷移，2 個處理紫潮泥碳酸鹽結合態鋅含量均逐漸降低。但在紫云英種植后期，冬種紫云英處理的碳酸鹽結合態鋅含量有一個明顯的“升高—下降”過程，冬閑處理雖然也有一定起伏，但變化幅度較小。最終，2 個處理的土壤碳酸鹽結合態鋅含量均降低了，其中冬種紫云英處理的降低幅度較小。

圖5 冬種紫云英下土壤碳酸鹽結合態鋅含量的動態變化

2.3.4 土壤氧化錳結合態鋅由圖6可以看出，第1、2、5、6、7 次取樣，冬種紫云英處理的氧化錳結合態鋅含量顯著低于冬閑處理。第3、4 次取樣，冬種紫云英處理的氧化錳結合態鋅含量顯著高于冬閑處理。與冬閑處理相比，在紫云英種植的中期，冬種紫云英處理的土壤氧化錳結合態鋅含量起伏較大，紫云英種植的早期和后期，冬種紫云英處理的氧化錳結合態鋅含量起伏小于冬閑處理。最終，冬閑處理的土壤氧化錳結合態鋅含量提高了，其中冬種紫云英處理土壤的氧化錳結合態鋅含量降低了。

圖6 冬種紫云英下土壤氧化錳結合態鋅含量的動態變化

2.3.5 土壤緊結有機結合態鋅由圖7 可以看出，第4 次取樣，冬種紫云英處理的緊結有機結合態鋅含量顯著低于冬閑處理。第3 次取樣，冬種紫云英處理的緊結有機結合態鋅含量略低于冬閑處理，處理間差異不顯著。其余5 次取樣，冬種紫云英處理的緊結有機結合態鋅含量均顯著高于冬閑處理。在紫云英種植期間，2 個處理紫潮泥的緊結有機結合態鋅含量均呈現出先降低然后升高再降低的趨勢，冬種紫云英處理的起伏較冬閑處理小。最終，2 個處理的土壤緊結有機結合態鋅含量均提高了，其中冬種紫云英處理的提高幅度更大。

圖7 冬種紫云英下土壤緊結有機結合態鋅含量的動態變化

2.3.6 土壤礦物殘渣態鋅由圖8 可以看出，第1 次取樣，冬種紫云英處理的殘渣態鋅含量顯著高于冬閑處理。第5 次取樣，冬種紫云英處理的殘渣態鋅含量略低于冬閑處理，處理間差異不顯著。其他5 次取樣，均為冬種紫云英處理的殘渣態鋅含量高于冬閑處理，但處理間差異不顯著。在紫云英種植期間，冬閑處理殘渣態鋅含量先升高再降低之后再升高，冬種紫云英處理殘渣態鋅含量先降低再升高又降低再升高。最終，2 個處理土壤礦物殘渣態鋅含量均降低了，其中冬種紫云英處理的降低幅度較小。

圖8 冬種紫云英下土壤礦物殘渣態鋅含量的動態變化

2.3.7 土壤DTPA-Zn土壤有效鋅是能夠被作物吸收利用的形態。由圖9 可以看出，第1、2、4、7 次取樣，冬種紫云英處理的DTPA-Zn 含量低于冬閑處理，其中第2 和7 次取樣結果處理間差異顯著。第3、5、6 次取樣，冬種紫云英處理的DTPA-Zn 含量高于冬閑處理，但差異均不顯著。2 個處理最終均降低了DTPA-Zn 含量，冬種紫云英處理DTPA-Zn 含量的降低幅度更大。冬種紫云英在整個生長期內并不能明顯增加紫潮泥的DTPA-Zn 含量。

圖9 冬種紫云英下土壤DTPA-Zn 含量的動態變化

2.4 不同處理土壤各形態鋅與DTPA-Zn、pH 值與全鋅的相關關系

由表2 可以看出，冬閑處理下，DTPA-Zn 與交換態鋅、碳酸鹽結合態鋅和氧化錳結合態鋅呈正相關關系，與松結有機結合態鋅和緊結有機結合態鋅呈負相關關系，但相關性均不顯著；在各形態鋅中，交換態鋅與氧化錳結合態鋅和緊結有機結合態鋅呈正相關關系；松結有機結合態鋅與緊結有機結合態鋅呈正相關關系；碳酸鹽結合態鋅與氧化錳結合態鋅呈正相關關系，相關性也均不顯著。可見，冬閑處理下，交換態鋅、碳酸鹽結合態鋅和氧化錳結合態鋅對土壤DTPA-Zn 最為重要，其中氧化錳結合態鋅和碳酸鹽結合態鋅分別直接或間接影響交換態鋅含量而成為DTPA-Zn 的儲存庫。

表2 冬閑和冬種紫云英的土壤各形態鋅與DTPA-Zn、pH 值與全鋅的相關關系

冬種紫云英處理下，DTPA-Zn 僅與碳酸鹽結合態鋅呈正相關關系，與交換態鋅、松結有機結合態鋅、氧化錳結合態鋅和緊結有機結合態鋅呈負相關關系，但相關性均不顯著；在各形態鋅中，交換態鋅與碳酸鹽結合態鋅呈正相關關系；松結有機結合態鋅與碳酸鹽結合態鋅、氧化錳結合態鋅和緊結有機結合態鋅呈正相關關系；碳酸鹽結合態鋅與緊結有機結合態鋅呈正相關關系，相關性也均不顯著。可見，冬種紫云英處理下，碳酸鹽結合態鋅對土壤DTPA-Zn 最為重要，碳酸鹽結合態鋅直接影響交換態鋅含量而成為DTPAZn 的儲存庫。

冬閑處理下，交換態鋅含量與土壤pH 值呈顯著正相關關系（r=0.712 2*），松結有機結合態鋅與礦物殘渣態鋅和全鋅含量呈極顯著負相關關系（相關系數分別為r=-0.850 0**和r=-0.840 7**），碳酸鹽結合態鋅與pH 值呈顯著負相關關系（r=-0.712 4*），礦物殘渣態鋅與全鋅含量呈極顯著正相關關系（r=0.999 0**），其他指標間沒有明顯的相關性。

冬種紫云英處理下，礦物殘渣態鋅與全鋅含量呈極顯著正相關關系（r=0.997 0**），其他指標間沒有明顯的相關性。

2.5 不同處理下土壤中各形態鋅占全鋅含量的比例

從表3 可以看出，土壤中的鋅主要以殘渣態存在，其他5 種形態鋅占全鋅的比例均很小。各形態鋅含量相對大小：殘渣態鋅（98.66%～99.43%，算術平均值99.04%）＞松結有機結合態鋅（0.08%～0.68%，算術平均值0.39%）＞碳酸鹽結合態鋅＞（0.02%～0.51%，算術平均值0.18%）＞緊結有機結合態鋅（0.08%～0.24%，算術平均值0.16%）＞氧化錳結合態鋅（0.01%～0.45%，算術平均值0.13%）＞交換態鋅（0.02%～0.22%，算術平均值0.11%）

表3 不同處理下土壤各形態鋅占全鋅含量的比例 （%）

冬閑處理下，各形態鋅含量相對大小：殘渣態鋅（98.85%～99.31%，算術平均值99.06%）＞松結有機結合態鋅（0.08%～0.68%，算術平均值0.43%）＞緊結有機結合態鋅（0.08%～0.23%，算術平均值0.14%）＞氧化錳結合態鋅（0.02%～0.37%，算術平均值0.13%）＞碳酸鹽結合態鋅（0.02%～0.26%，算術平均值0.12%）＞交換態鋅（0.02%～0.22%，算術平均值0.12%）

冬種紫云英處理下，各形態鋅含量相對大小：殘渣態鋅（98.66%～99.43%，算術平均值99.01%）＞松結有機結合態鋅（0.09%～0.59%，算術平均值0.35%）＞碳酸鹽結合態鋅（0.05%～0.51%，算術平均值0.23%）＞緊結有機結合態鋅（0.14%～0.24%，算術平均值0.17%）＞氧化錳結合態鋅（0.01%～0.45%，算術平均值0.13%）＞交換態鋅（0.02%～0.21%，算術平均值0.11%）

3 結論與討論

根據劉錚[32]的研究，土壤有效態鋅低于0.5 mg/kg為嚴重缺鋅，其種植的農作物常表現出缺鋅癥狀，施用鋅肥后癥狀改善效果顯著；當土壤有效鋅含量在0.5～1.0 mg/kg 范圍內時為潛在性缺鋅，其種植的作物雖不會表現出明顯缺鋅癥狀，但施鋅肥對于改善作物長勢，提高產質量有一定的效果。周衛軍等[33]于2008年測定了湖南省南縣由湖積物發育的紫潮泥土壤的有效鋅含量，其有效鋅含量范圍為0.005～0.277 mg/kg，均值為0.138 mg/kg，筆者試驗用土壤采集于益陽南縣南州鎮荷花村，位于該研究土壤采樣點的附近，土壤有效鋅含量為0.68 mg/kg（DTPA-Zn），稍高于缺鋅臨界值，處在潛在性缺鋅范圍[5]。可見通過多年來的耕作，紫潮泥缺鋅狀況有所緩解，但問題仍很嚴峻。

土壤鋅是植物鋅吸收的最基本來源，土壤全鋅含量可以有效地反映土壤的供鋅能力。土壤有效鋅含量是衡量土壤鋅豐缺程度的重要指標。石灰性土壤通常用DTPA-Zn 來表征土壤鋅有效性的大小[13,18]。陸欣春等[5]的研究表明，交換態鋅和松結有機結合態鋅為土壤有效態，易被植物吸收利用；碳酸鹽結合態鋅和緊結有機結合態鋅為潛在有效態，在一定條件下可通過轉化而被植物吸收；氧化錳結合態鋅和殘渣態鋅屬無效態，難被植物吸收利用。Singh 等[34]認為，土壤中鋅的植物有效性依賴于可交換態鋅、碳酸鹽結合態鋅和有機物結合態鋅。交換態鋅及松結有機結合態鋅對土壤有效鋅貢獻最大，而碳酸鹽結合態鋅及氧化錳結合態鋅也會影響DTPA-Zn，碳酸鹽結合態鋅和氧化錳結合態鋅主要通過轉化為交換態鋅和松結有機結合態鋅而間接供給有效鋅，是有效鋅的儲存庫，而緊結有機結合態鋅則與DTPA-Zn 呈負相關關系，可見緊結有機結合態鋅的增加是鋅肥無效化的表現形式之一[27]。

土壤中的鋅有多種形態，雖然在不同地區、不同土壤、不同耕作栽培條件下，土壤鋅形態分布差異較大，但交換態、松結有機結合態、碳酸鹽結合態仍然是有效鋅的主要來源，只是在不同條件下各形態鋅發生了轉化，從而導致了土壤有效鋅含量的增加或減少[35]。楊振興等[17]研究發現，土壤中可還原態鋅是土壤有效鋅的主要來源，水溶性鋅、弱酸溶態鋅與有效鋅之間的顯著正相關是間接效應造成的。有針對性地促進鋅素向水溶態鋅、弱酸溶態鋅和可還原態鋅轉化，可以提高土壤中有效鋅的含量，促進鋅素的高效利用。

萬紅友等[36]研究發現，土壤各形態鋅含量相對大小為：殘渣態＞有機質結合態＞鐵錳氧化物結合態＞碳酸鹽結合態＞可交換態，殘渣態含量明顯高于其他形態。這和研究中的冬閑處理結果一致。根據算術平均值，冬種紫云英處理下，碳酸鹽結合態鋅＞緊結有機結合態鋅＞氧化錳結合態鋅，其他幾種形態鋅含量相對大小趨勢與冬閑處理一致。該研究中2 個處理間土壤松結有機結合態鋅、碳酸鹽結合態鋅和緊結有機結合態鋅含量的差別較大，其他形態差別較小。試驗結束時2 個處理土壤各形態鋅含量占比表現為：交換態鋅和緊結有機結合態鋅，冬種紫云英處理明顯高于冬閑處理；松結有機結合態鋅，冬種紫云英處理略高于冬閑處理；碳酸鹽結合態鋅和氧化錳結合態鋅，冬種紫云英處理明顯低于冬閑處理；殘渣態鋅，2 個處理差別不大。這說明冬種紫云英降低了碳酸鹽結合態鋅和氧化錳結合態鋅含量，提高了交換態鋅和緊結有機結合態鋅含量。在整個試驗生長期間，土壤中的殘渣態鋅占到土壤全鋅含量的98%以上，其他5 種形態鋅占全鋅的比例僅約1%，這與土壤本身有效鋅含量（0.68 mg/kg）占全鋅（94.98 mg/kg）的比例極低（0.71%）直接相關。魏孝榮等[26]研究發現，土壤中的鋅主要以礦物態鋅存在，其次為松結態鋅，其他形態鋅占全鋅的比例很小。在土壤各形態鋅中，交換態、松結有機結合態和碳酸鹽結合態鋅均能不同程度地反映土壤鋅的有效性。DTPA-Zn 與松結有機結合態鋅之間呈顯著正相關關系，與交換態、殘渣態和全鋅含量呈極顯著正相關關系，而與其他形態鋅無顯著相關性。交換態和松結有機結合態鋅是土壤有效鋅的來源。Dhaliwal 等[37]也認為殘渣態鋅是土壤總鋅的主要部分。殘渣態鋅在土壤中的釋放是一個極其緩慢而復雜的過程[14]，筆者的研究直到種植期結束殘渣態鋅仍為土壤鋅的主要存在形態。松結有機結合態鋅和碳酸鹽結合態鋅較其他幾種形態鋅含量要高。交換態、松結有機結合態和碳酸鹽結合態均能不同程度反映土壤鋅的有效性，石灰性土壤中碳酸鹽結合態鋅和有機結合態鋅含量占有較為可觀的比例。因此，增加這2 種形態儲備容量是調節和控制土壤鋅營養狀況的重要措施[5]。減少土壤鋅轉化為殘渣態，并增加交換態、碳酸鹽結合態和有機結合態的儲備容量是調節和控制土壤鋅營養狀況的重要措施。

商和平等[38]研究指出，土壤pH 值與交換態鋅含量呈負相關關系。張楠等[28]也研究發現，種稻使蘇打鹽堿土交換態鋅含量與土壤pH 值呈極顯著負相關關系。土壤pH 值是驅動土壤不同形態鋅轉化的最為重要的因素。經種稻改良后，鹽堿土的pH 值顯著降低，從而驅動非生物有效態鋅向生物有效態鋅轉化。筆者的研究中，2 個處理土壤交換態鋅含量與土壤pH 值均呈正相關關系，冬閑處理交換態鋅含量與土壤pH 值呈顯著正相關關系，冬種紫云英處理下交換態鋅含量與土壤pH 值相關性不顯著。冬閑處理下，與土壤pH 值呈負相關關系的鋅形態有松結有機結合態鋅和碳酸鹽結合態鋅；冬種紫云英處理下，與土壤pH 值呈負相關關系的鋅形態有殘渣態鋅和DTPA-Zn。冬閑處理下，與土壤全鋅呈負相關關系的鋅形態有松結有機結合態鋅、緊結有機結合態鋅和DTPA-Zn，其他均呈正相關關系；冬種紫云英處理下，與土壤全鋅呈正相關關系的鋅形態有殘渣態鋅和DTPA-Zn，其他均呈負相關關系。冬閑處理下，與土壤DTPA-Zn 呈負相關關系的鋅形態有松結有機結合態鋅、緊結有機結合態鋅和殘渣態鋅，其他均呈正相關關系；冬種紫云英處理下，與土壤DTPA-Zn 呈正相關關系的鋅形態有碳酸鹽結合態鋅和殘渣態鋅，其他均呈負相關關系。有研究表明，種植三葉草后，土壤碳酸鹽結合態鋅轉化為可交換態鋅和有機結合態鋅的效果最好。而該研究在石灰性土壤紫潮泥上種植紫云英，提高了緊結有機結合態鋅含量，降低了松結有機結合態鋅和氧化錳結合態鋅含量。