长期施肥对褐土有效铜、有效锌时空分布特征的影响

郭 晋，周怀平，杨振兴，解文艳，刘志平，高佳妮，吕倩倩

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

土壤微量元素在作物生长过程中起着不可或缺的作用，其含量、形态分布和有效性不仅与成土过程及成土母质等自然因素有关，同时还受到施用肥料、耕作制度以及种植作物等人为因素的影响[1-3]。李志军等[4]研究表明，长期施用氮、磷化肥后，关中土壤有效锌、有效铜含量接近亏缺；刘恩科等[5]对褐潮土研究也表明，长期施用氮、磷化肥可明显降低0～20 cm 土壤中的有效铜、有效锌的含量，而有机肥与化肥配施可明显提高0～20 cm 土壤中各微量元素的有效态含量。但针对长期不同施肥对微量元素有效性影响在褐土中的相关研究还比较少。

本研究以27 a 长期定位试验为基础，探讨长期不同施肥对褐土微量元素有效性的影响，旨在为调控土壤微量元素养分以及作物高产优质提供指导性意见。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验地选择在山西省寿阳县宗艾村国家旱作农业科技攻关试验区。该试验区年平均气温7.6 ℃，大于10 ℃积温3 400 ℃，海拔1 130 m，干燥度1.3，无霜期135～140 d，多年平均降雨量501.1 mm，且年际变化率较大，属于半湿润偏旱区。试验土壤为褐土性土壤，土层较厚、地势平坦，且质地为轻壤。1992 年春试验前基础土样0～20，20～40 cm 土层理化性质列于表1。

表1 基础土样的理化性质

1.2 试验设计

1992 年春开始进行长期施肥试验，到2018 年历时27 a。试验采用磷、氮、有机肥3 因素4 水平正交设计，共设9 个处理：不施肥对照（N0P0M0）、4 个不同氮磷化肥配施处理（N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0）、3 个 有 机 肥 无 机 肥 配 施 处 理（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2）和单施高量有机肥处理（N0P0M6）。小区面积为66.7 m2，试验均采取随机排列，不设重复。本次试验所用肥料包括氮肥、磷肥与农家肥3 类，其中，氮肥为尿素（含N 46%），磷肥为普通过磷酸钙（含P2O514%），农家肥为腐熟厩肥（有机质90.5～127.3 g/kg、有效Cu 36.01 mg/kg、有效Zn 176.19 mg/kg）。每年秋季，在耕翻时将肥料一次性施入，不同施肥处理的施肥量列于表2。

表2 不同施肥处理施肥量 kg/hm2

田间管理按大田丰产要求进行，一年一季玉米，4 月15—28 日播种，9 月20 日至10 月10 日收获。1992—1995 年种植品种为烟单14 号、1996—2002 年种植品种为晋单34 号、2003—2011 年种植品种为强盛31 号，密度为5.20 万～5.25 万株/hm2；2012—2017 年种植品种为晋单81 号、2018 年品种为大丰30，密度为6.60 万株/hm2。

1.3 测定项目及方法

测定项目包括1992 年基础土样以及1996，2001，2006，2011，2016，2018 年0 ～40 cm 土 层 和2018 年秋收后0～100 cm 土层中有效Cu、Zn 的含量。有效Cu、Zn 含量测定采用DTPA- AAS 法。称取2 g 土样于50 mL 塑料瓶中，用20 mL DTPA 浸提，过滤；过滤后的滤液用原子吸收分光光度计直接进行测定。

1.4 数据分析

数据的统计分析采用Excel 2007 软件进行。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下有效Cu、 有效Zn 含量年际变化特征

2.1.1 0～20 cm 土层有效Cu 含量年际变化 与1992 年基础土样相比，2018 年0～20 cm 土层有效Cu 含量不施肥及氮磷化肥配施处理均有所降低，N0P0M0、N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0处 理 分 别 降低27.69%，32.05%，32.82%，30.18%，30.62%；有机无机肥配施处理N2P1M1、N4P2M2分别下降5.59%，15.46%，N3P2M3处理上升5.31%；单施高量有机肥处理上升幅度最大，达27.13%，且随着有机肥施入量的增加，土壤中有效Cu 含量由降低转为升高。

在长期施肥试验进行10 a 以后，即2001 年后0～20 cm 土层有效Cu 含量在不同施肥处理间差异性变大，与不施肥及氮磷化肥配施处理相比，施有机肥处理开始有大幅度提升；在2011 年以后，不同施肥处理有效Cu 含量均呈现大幅度下降趋势。与不施肥处理相比，氮磷化肥配施处理有效Cu 含量在不同处理间差异性较小，整体呈下降趋势；有机无机肥配施及单施高量有机肥处理有效Cu 含量均有所提高，且随有机肥施入量的增加有效Cu 含量逐渐增加（表3）。

表3 1992—2018 年0～20 cm 土层有效Cu 含量年际变化 mg/kg

2.1.2 0～20 cm 土层有效Zn 含量年际变化 与1992 年基础土样相比，2018 年0～20 cm 土层有效Zn 含量不施肥及氮磷化肥配施处理中，N3P3M0处理下降4.07%，N0P0M0、N1P1M0、N2P2M0、N4P4M0处理分别提升64.40%，0.20%，57.73%，11.60%；有机无机肥配施及单施高量有机肥处理有效Zn 含量均有所提升，N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2、N0P0M6处理分别提升205.47%，542.20%，268.60%，882.73%，且随着有机肥施入量的增加，0～20 cm 土层有效Zn 含量呈现上升趋势（表4）。

表4 1992—2018 年0～20 cm 土层有效Zn 含量年际变化 mg/kg

2.2 不同施肥处理对有效Cu、有效Zn 剖面的影响

2.2.1 0～100 cm 有效Cu 含量剖面分布 2018 年有效Cu 含量在0～100 cm 土层剖面上，各不同施肥处理均表现为0～20 cm 土层有效Cu 含量较高，20～60 cm 土层有所降低，60～100 cm 土层含量变化幅度较小，不同施肥对0～60 cm 土层的影响相对较大，对60～100 cm 土层的影响相对不明显。与不施肥处理相比，氮磷化肥配施处理有效Cu 含量在不同土层中分布规律均相似；有机无机肥配施和单施高量有机肥处理中有效Cu 含量在0～60 cm土层的上升幅度加大，且有效Cu 含量随着有机肥施入量的增加呈现增加的趋势，60～100 cm 土层有效Cu 含量与N0P0M0相比差异性较小。施用有机肥可以提高有效Cu 含量，而氮磷肥对其影响较小（图1，2）。

2.2.2 0～100 cm 有效Zn 含量剖面分布 2018 年有效Zn 含量在0～100 cm 土层剖面上，不同施肥仅对0～20 cm 土层有效Zn 含量影响较大，对20～100 cm 深层土壤影响较小，在20～100 cm 土层有效Zn 含量及变化幅度均较小。在0～20 cm 土层，与不施肥处理相比，氮磷化肥配施处理差异性较小，有降低的趋势；有机无机肥配施及单施高量有机肥处理有大幅度的提升，其增加趋势与有机肥施入量呈正相关（图3，4）。施用有机肥可以大幅度提高0～20 cm 土层有效Zn 含量，而对较深层土壤影响较小；氮磷化肥配施对各土层有效Zn 含量影响均较小。

3 结论与讨论

3.1 有效Cu、有效Zn 含量的变化

本研究表明，与1992 年基础土样相比，2018 年0～20 cm 土层有效Cu 含量不施肥及氮磷化肥配施处理有所降低，长期氮磷化肥配施对土壤有效Cu 的消耗较明显[6-8]。有机无机肥配施处理，随着有机肥施入量的增加，土壤中有效Cu 含量由降低转为升高，这与宇万太等[9]的研究结果相一致，与不施肥处理相比，有机肥的施入向土壤中带去了大量的Cu。参照国内外分级标准[10-13]，按照极低、低、中、高、极高的等级划定对土壤有效态微量元素含量进行分等定级，目前土壤中有效Cu 含量仍处于较高水平，其中高量有机肥与无机肥配施及单施高量有机肥已经达到很高水平。

与不施肥处理相比，0～20 cm 土层由于施用有机肥而提高了有效Cu 含量，而氮磷化肥配施变化幅度较小，在长期施肥试验进行10 a 以后，0～20 cm土层有效Cu 含量在不同施肥处理间差异性变大，施有机肥处理提升幅度较大；在2011 年以后，不同施肥处理有效Cu 含量均呈现大幅度下降趋势。主要原因可能是由于自2012 年开始更换玉米品种，且种植密度有所增加，氮磷化肥配施处理作物携出量增加和投入量不足的综合结果。

与1992 年基础土样相比，2018 年0～20 cm 土层有效Zn 含量不施肥及氮磷化肥配施处理中，N3P3M0处理略有降低，其他处理均有不同程度的提高；有机无机肥配施及单施高量有机肥处理有效Zn 含量均有较大幅度提升，随着有机肥施入量的增加，0～20 cm 土层有效Zn 含量上升幅度增大，这与任顺荣等[14]的研究结果相一致，主要是由于有机肥中有效Zn 含量较多。

在长期施肥试验进行10 a 以后，施有机肥处理有效Zn 含量提升幅度较大。与不施肥处理相比，氮磷化肥配施处理不同处理间差异性较小，整体呈下降趋势，有机无机肥配施及单施高量有机肥处理有效Zn 含量均有所提高。主要是由于有机肥中有效Zn 的含量较高，而氮磷化肥配施处理土壤中摄入的有效Zn 含量较少，从而促进植物生长，并且增加了植物能够携出的微量元素含量[15-16]。参照国内外分级标准，目前土壤中氮、磷化肥配施处理有效Zn含量处于较低水平，而有机无机肥配施处理有效Zn 含量均属于较高水平。

3.2 0～100 cm 有效Cu、 有效Zn 含量剖面分布特征

2018 年有效Cu 含量在0～100 cm 土层剖面上，对于0～60 cm 土层而言，不同施肥处理的影响较大，但60～100 cm 土层影响不明显。与不施肥处理相比，氮磷化肥配施处理有效Cu 含量在不同土层中分布规律均相似；有机无机配施和单施高量有机肥处理有效Cu 含量在0～60 cm 土层提升幅度较大，且随着有机肥施入量的增加，有效Cu 含量也逐渐增加。韩晓日等[17]在棕壤上进行长期定位试验，结果表明，不同施肥处理土壤pH 和有机质含量变化对土壤有效铜含量无明显作用，这与本研究结果不同。其原因可能是由于近年来饲料添加剂的应用使工厂化养殖场的畜禽排泄物中Cu 的含量增高。

2018 年有效Zn 含量在0～100 cm 土层剖面上，不同施肥处理仅对0～20 cm 土层有效Zn 含量影响较大，与不施肥处理相比，氮磷化肥配施处理有效Zn 含量有降低的趋势，不同处理间差异性较小，目前0～20 cm 土层有效Zn 含量处于较低水平；有机无机肥配施及单施高量有机肥处理有效Zn 含量上升幅度较大，0～20 cm 土层有效Zn 含量处于较高水平。而不同施肥处理对20～100 cm 深层土壤影响较小，在20～100 cm 土层有效Zn 含量变化幅度较小，这与孙继坤等[18]、金星耀等[19]的研究结果相同，可能是由于0～20 cm 土层有效Zn 含量受作物及施肥的影响较大，而深层土壤有效Zn 含量可能与耕作方式及土壤本身有关。而合理的微量元素施入则有利于玉米产量的提高，这与张中星等[20]的田间试验研究结果一致。