不同两熟轮作模式下土壤-作物系统的Fe、Mn周年变化

李晓波，邵 云，马守臣，李春喜，刘 晴，翁正鹏

(1.河南师范大学 生命科学学院，河南 新乡 453007；2.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)

作物是生态系统中重要的组成部分，是将微量元素从非生物环境转移到生物环境的主要载体[1-2]。而土壤是作物地上部分微量元素的主要来源，土壤中的微量元素直接影响作物的生长、产量和品质[3]。Fe和Mn是较重要的微量元素，Fe不仅参与叶绿素的合成，还是某些酶和蛋白质的组成部分[4-6]；Mn不仅对种子的发芽、幼苗的生长、植株的结实等起到较好的作用，还是多种酶的活化剂，对植物的呼吸、蛋白质的水解均起着重要作用[6-8]。但目前石灰性土壤缺Fe、Mn已成为世界范围内普遍存在并严重危害粮食生产的重要问题[9-10]。

左元梅等[11]研究表明，间作对花生的Fe营养状况有较大的影响；鲁耀等[12]通过蚕豆和小麦间作以及何春娥等[10]通过燕麦和小麦间作研究均表明，不同间作组合能促进小麦对Mn的吸收。而对于作物轮作，目前大多研究集中在土壤养分、有机碳等方面，例如STEVEN等[13]与GULAB等[14]的研究表明，在半干旱农业生态系统中，不同作物轮作种植在增加土壤碳含量和微生物数量的同时有明显的增产效果；STEVEN等[15]发现，与休耕相比，连续轮作不仅可以增加土壤中总氮、可矿化氮含量以及植株中的磷含量，还可以减少除草剂的用量。本研究则侧重不同轮作模式对土壤-作物系统内微量元素Fe和Mn含量的影响，选择了小麦-玉米(W-M)、小麦-大豆(W-B)、小麦-花生(W-P)和小麦-甘薯(W-S)4种主要的一年两熟轮作模式，分别取每季作物的土壤与植株，采用ICP-MS(电感耦合等离子体质谱)法，测定其Fe、Mn含量，探讨这2种元素在土壤-作物系统中的动态变化，以期为轮作中合理施用微肥、维持土壤微量元素平衡提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验设计

轮作试验2017年9月在河南师范大学生命科学学院网室进行，试验采用根箱(长100 cm×宽50 cm×高100 cm)培养方法，箱内土壤采自新乡市牧野乡东牧村农田(0～100 cm)，按原土层分层移入。试验采用随机试验设计，轮作模式设置小麦-玉米(W-M)、小麦-大豆(W-B)、小麦-花生(W-P)和小麦-甘薯(W-S)4种种植模式。供试品种选用当地主栽品种：小麦(TriticumaestivumL.)为豫农4023，玉米(ZeamaysL.)为洛单248，大豆[Glycinemax(L.) Merr.]为驻豆11，花生(ArachishypogaeaL.)为鲁花10，甘薯(IpomoeabatatasL.)为商薯19。

播前土壤基本理化性质见表1。具体播种密度、播种时间与收获时间见表2。每季作物播前均底施(按照当地田间正常施肥量折算)复合肥(纯N 22.4 g/m2，P2O54.8 g/m2，K2O 4.8 g/m2)于0～30 cm土壤中，小麦于拔节期追肥(纯N 18 g/m2)、夏季作物(玉米、大豆、花生和甘薯)于播后25 d追肥(纯N 45 g/m2)；作物生长期间，定期进行浇水、除草、除虫等管理措施，维持作物的正常生长。

1.2 取样与测定

小麦于拔节期(2018年3月26日)、开花期(2018年4月17日)、成熟期(2018年5月23日)，夏季作物于营养生长期(2018年7月21日)、开花期(2018年8月6日)、成熟期(玉米、花生、大豆为2018年9月11日，甘薯为2018年10月2日)取植株地上部分，105 ℃杀青0.5 h，85 ℃烘干至恒质量，粉碎后过0.25 mm孔径筛；同时于每季作物的成熟期取土壤样品(分3层，即0～20、20～50、50～80 cm)，自然风干，粉碎过0.15 mm孔径筛。3次重复。

表1 土壤基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of soil

表2 播种密度、播种时间与收获时间Tab.2 Sowing density,sowing date and harvesting date

植株和土壤样品均经微波消解仪(Mars6 classic，美国CEM)消解后，使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，Optima 2100 DV，美国Perkin Elmer)测定其Fe、Mn含量。

1.3 作物地上部元素累积量以及土壤富集系数

作物地上部元素累积量为地上部干物质量与元素含量的乘积，即

元素累积量(mg/m2)=干物质量(g/m2)×元素含量(g/kg)。

富集系数指植物地上部元素含量与土壤中元素含量的比值；反映植物对土壤中元素的吸收能力。具体计算公式如下[16]：

富集系数(%)=植物地上部元素含量(g/kg)/土壤中元素含量(g/kg)。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据整理和分析，SigmaPlot 12.5制图，SPSS 17.0进行单因素方差分析以及Duncan’s法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式下不同生育时期作物地上部分Fe、Mn含量的动态变化

2.1.1 Fe含量的变化 不同轮作模式下不同生育时期作物地上部分Fe含量的动态变化如图1。随着生育时期的推进，W-M、W-B、W-S模式中小麦地上部分Fe含量逐渐增加，W-P模式中小麦地上部分Fe含量则递减。不同轮作模式间，拔节期W-P模式Fe含量最高，显著高于其他3种模式，而W-B模式Fe含量最低；开花期各模式呈现出与拔节期相似的规律，但仅W-P与W-B模式间Fe含量差异达到显著；成熟期，W-B模式的Fe含量升至最高，W-M次之，W-S再次之，W-P则为最低，且W-B、W-M与W-P模式间Fe含量差异达到显著。

对于夏季作物，除W-P模式Fe含量随生育时期的推进先增加后减少外，其他3种模式Fe含量均随生育时期的推进而逐渐增加。在营养生长期、开花期和成熟期，各模式间Fe含量均表现为W-P>W-M>W-B>W-S，其中W-P模式的Fe含量均显著高于其他3种模式。

不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P<0.05),the same below图1 不同轮作模式下不同生育时期作物体内的Fe含量Fig.1 Fe content of crops in different growth stages in different rotation patterns

2.1.2 Mn含量的变化 不同轮作模式下不同生育时期作物地上部分Mn含量的动态变化如图2。随生育时期的推进，W-M、W-B、W-P模式中小麦地上部分Mn含量逐渐增加，W-S模式中小麦地上部分Mn含量则表现为先增加后减少。不同轮作模式间，拔节期W-P模式Mn含量最高，显著高于其他3种模式；开花期，W-S模式Mn含量升至最高，W-M模式次之，W-S模式显著高于W-B和W-P模式；成熟期，W-M、W-B、W-P、W-S模式间Mn的含量呈阶梯状递减。

对于夏季作物，W-S模式Mn含量随生育时期的推进先升高后降低，其他3种模式Mn含量均随时期的推进而逐渐增加。在营养生长期、开花期和成熟期，均为W-S模式Mn含量最低；营养生长期，W-B模式Mn含量最高，与W-P、W-S模式间差异显著；开花期，W-M、W-B、W-P模式间Mn含量均显著高于W-S模式；成熟期，W-M模式Mn含量显著高于其他3种模式。

图2 不同轮作模式下不同生育时期作物体内的Mn含量

2.2 不同轮作模式下不同生育时期作物地上部分Fe、Mn累积量的动态变化

2.2.1 Fe累积量的变化 图3为不同轮作模式下不同生育时期单位面积作物地上部分Fe累积量。从拔节期到开花期再到成熟期，4种模式中小麦Fe累积量均逐渐增加，W-B模式的增加速率最大，W-P模式增加速率最小。从不同生育时期看，拔节期，W-P模式的小麦Fe累积量显著高于其他3种模式，W-M与W-S模式间Fe累积量差异不显著，但均显著高于W-B模式；开花期，4种模式间差别较小，仅W-M模式显著高于W-S模式；成熟期，W-B模式Fe累积量显著高于其他3种模式，W-M、W-S模式间Fe累积量差异不显著。

相对于小麦，夏季作物在不同生育时期的Fe累积量差异较为显著。在作物的整个生长周期，W-M和W-B模式中Fe累积量呈逐渐增加的趋势，其中，W-M模式增加极其明显，而W-B模式增幅较小;W-P和W-S模式中Fe累积量却表现出先增加后减少的趋势。营养生长期各模式间Fe累积量表现为W-M>W-P>W-B>W-S，且两两差异均达显著；开花期各模式间Fe累积量表现为W-P>W-M>W-S>W-B，同样是两两差异均达显著；成熟期W-M的Fe累积量显著高于W-P、W-B和W-S，W-P模式显著高于W-B和W-S模式。

图3 不同轮作模式下不同生育时期作物地上部分的Fe累积量

2.2.2 Mn累积量的变化 图4为不同轮作模式下不同生育时期单位面积作物地上部分Mn累积量。在整个生长周期，4种模式中小麦Mn累积量均逐渐增加，但增加量低于Fe增加量；拔节期，W-P模式Mn累积量最高，W-S模式Mn累积量最低；开花期，W-M模式Mn累积量最高，W-S模式Mn累积量依旧最低；成熟期，W-B模式Mn累积量升至最高，W-P模式Mn累积量降至最低。

夏季作物Mn、Fe累积量变化趋势一致，均为W-M和W-B模式逐渐增加，W-P和W-S模式先增加后减少；除W-M模式的Mn累积量随生育时期的推进增幅较大外，其他各模式均变幅较小，在各生育时期中均为W-M模式Mn累积量最高，W-S模式Mn累积量最低。营养生长期，W-M模式Mn累积量显著高于其他3种模式；开花期和成熟期，均为W-M模式Mn累积量最高，W-S模式Mn累积量最低。

2.3 不同轮作模式下土壤中Fe、Mn含量的变化

2.3.1 不同土层深度Fe含量的变化 不同轮作模式下不同土层深度Fe含量的变化如图5。0～20、20～50、50～80 cm土层中，各模式Fe含量均降低。0～20 cm土层中，4种模式Fe含量在2018年5月(小麦收获后)差别较小，除W-B模式显著高于W-M模式外，其他模式两两间差异均未达显著水平；在2018年10月(夏季作物收获后)，W-M模式Fe含量显著高于其他3种模式。

相对于0～20 cm土层，20～50、50～80 cm土层各模式间Fe含量较高且差别较大。20～50 cm土层，W-M模式在2018年5月和2018年10月Fe含量均显著高于其他3种模式，而W-P模式均显著低于其他3种模式；2018年10月，各模式间Fe含量差异均达到显著水平，表现为W-M>W-B>W-S>W-P。

50～80 cm土层，2018年5月，W-S模式的Fe含量最高，显著高于W-B、W-P模式，但与W-M模式间差异不显著；2018年10月，各模式间Fe含量的差异均达到显著水平，表现为W-S>W-B>W-M>W-P。

图4 不同轮作模式下不同生育时期作物地上部分的Mn累积量Fig.4 Mn accumulation amount in above-ground parts of crops at different grouth stages in different rotation patterns

图5 不同轮作模式下不同土层深度Fe含量的变化

2.3.2 不同土层深度Mn含量的变化 由图6可见，在0～20、20～50、50～80 cm土层中，Mn含量变化同Fe的趋势一致，均出现降低趋势，除此之外，每个土层深度各模式间的差异也同Fe较相似，表明土壤中Fe、Mn含量可能存在协同作用[17]；20～50 cm与50～80 cm土层中2018年5月Mn含量均高于全国平均值600 mg/kg[18]；在0～20 cm土层深度，2018年5月和2018年10月均为W-M模式Fe含量均较高，W-B模式Fe含量最低；2018年10月，各模式间Fe含量差异均达到显著水平，表现为W-M>W-P>W-S>W-B。

20～50 cm土层，2018年5月，W-P模式显著低于其他3种模式；2018年10月，W-M、W-B、W-P和W-S模式间Mn的含量均达到显著水平，且呈阶梯递减趋势。

50～80 cm土层，2018年5月，Mn的含量变化表现为W-M>W-S>W-B>W-P；2018年10月，W-B的含量最高，W-M模式含量最低。

图6 不同轮作模式下不同土层深度Mn含量变化

2.4 成熟期不同轮作模式下不同作物表层土壤中Fe、Mn富集系数

表3为成熟期不同轮作模式下作物Fe、Mn富集系数，小麦的Fe、Mn富集系数均明显低于夏季作物。4种模式中小麦Fe富集系数表现为W-S>W-P>W-B>W-M，且W-S模式显著高于其他3种模式。而夏季作物W-S模式中Fe富集系数较低，W-M模式Fe富集系数最高。

不同轮作模式下表层土壤中Mn富集系数均高于Fe。W-S模式小麦Mn富集系数最高，W-P模式Mn富集系数最低。夏季作物，4种模式间Mn富集系数表现为W-B>W-P>W-S>W-M，且各模式间差异均达到显著水平。

表3 不同轮作模式下不同作物表层土壤中Fe、Mn富集系数

3 结论与讨论

在本研究中，不同轮作模式的小麦与夏季作物体内Fe、Mn含量的变化存在显著差别。对于Fe，除W-P模式外，其他3种轮作模式的作物体内Fe含量在小麦和夏季作物中均随着生育时期的进行而逐渐递增；对于Mn，除W-S模式，其他模式在小麦和夏季作物中Mn含量也随着生育时期的推进而逐渐递增。分析其原因，元素的含量与植株的生长特性以及环境条件密切，在作物生育过程中，随着植株体不断长大，作物从土壤中源源不断吸收营养元素并参与到各种生理过程中，至成熟期地上部分蓄积了大量的营养元素；这种趋势同李娟等[19]所得结果相同。除此之外，夏季作物中，W-P模式地上部分Fe含量与W-S模式地上部分Mn含量均表现为先增加后减少，同时W-P、W-S模式Fe、Mn累积量也随生育时期的推进而先增加后减少，这与符鲜等[20]研究结果一致，可能由于花生的果实和甘薯的块根生长在地下部，在生长的前期，营养元素主要集中在茎、叶等地上部各器官中，后期逐渐向地下转移，所以茎、叶中的元素累积量逐渐下降。

元素累积量取决于作物的干物质量和元素含量[21]。在夏季作物中，W-M模式可能由于地上部分生物量较大，因此在营养生长期和成熟期Fe累积量明显高于其他模式；有文献显示，轮作可以明显促进Fe向花生地上部的转移[22-23]。当花生与玉米、小麦等禾本科作物轮作时，花生新叶叶色正常，而花生单作时则表现出严重的缺Fe黄化现象。经检测，轮作花生新叶活性Fe、叶绿素含量明显高于单作，轮作花生各部位Fe含量和吸收量也明显高于单作[24-26]。在本研究中，夏季作物Fe累积量除了W-M模式较高外，W-P模式也较高。

不同种植模式下，小麦和夏季作物土壤中Fe、Mn含量从2018年5月至2018年10月均逐渐减少，且4种模式在2018年5月差别较小，在2018年10月差别较显著；这可能由于夏季作物根系分泌物不同，使土壤中Fe、Mn含量有所差异[27]，但由于没有外源Fe、Mn施入，在小麦种植过后，2018年5月土壤中的营养元素含量呈现下降趋势。另外，在2018年5月的4种模式以及2018年10月的W-B模式下，由于在植株的生长过程中，表层根系的分布量较多[28-30]，对表层土壤中的营养元素利用较多，因此，Fe、Mn含量在0～20 cm土层深度均低于20～50、50～80 cm。

富集系数可以反映不同作物对土壤中营养元素的富集能力[31-35]。在不同轮作模式下，W-S模式小麦Fe、Mn富集系数均最高，W-B模式在夏季作物中Mn富集系数较高；4种模式对土壤中Fe、Mn富集系数均有显著影响，这与霍颖等[32]的研究结果一致。0～20、20～50 cm土层深度，W-M模式在2018年10月Fe、Mn含量均最高；50～80 cm土层深度，W-B、W-S模式在2018年10月Fe、Mn含量较高。

综上所述，在不同轮作模式下，土壤中Fe、Mn含量逐渐减少；W-M、W-B模式作物地上部分Fe、Mn含量在小麦和夏季作物中均随生育时期的推进而逐渐增加，W-P模式小麦地上部分Fe含量随生育时期的推进而逐渐减少；W-P模式夏季作物地上部分Fe、Mn累积量均随生育时期的推进先增加后减少，W-S模式小麦地上部分Fe、Mn累积量均随生育时期的推进而逐渐增加，但是夏季作物地上部分Fe、Mn累积量均随生育时期的推进先增加后减少；相对于2018年5月，2018年10月不同土层深度Fe、Mn含量的差别较大；在2018年5月，4种模式0～20 cm土层深度的Fe、Mn含量均低于20～50、50～80 cm。小麦W-S模式Fe、Mn富集系数均最高；夏季作物W-M模式Fe富集系数最高，W-B模式Mn富集系数最高。土壤中元素含量受到诸多因素的影响，元素之间的相互作用也错综复杂，即使相同几种元素在土壤和植物中相互作用也有可能不同，因此对于不同作物与土壤中元素的变化有待进一步的研究。