长期施肥对褐土锰形态时空变化及有效性的影响

杨振兴，周怀平，解文艳，刘志平

（山西农业大学 资源环境学院，山西 太原 030031）

微量元素是反映土壤质量的重要因素[1]，锰是一种土壤中含量较高的微量元素，同时，也是植物的必需营养素之一[2]，与作物光合作用密切相关，影响作物生长素的代谢[3]。土壤中有效态锰是作物吸收利用的主要来源，其含量高低与各形态锰变化及相互间转化息息相关。一般认为，有利于植物吸收的有效态锰主要来自于水溶态、交换态和易氧化态[4]，其中，弱酸溶性锰包括交换态锰和碳酸盐结合态锰，可还原态锰包括铁锰氧化态锰[5-6]。土壤中锰的形态变化受诸多因素的影响，比如不同的土壤类型、肥料类型、化肥施用量等[7-8]。长期施肥试验反映的不仅仅是肥料输入对土壤锰形态的影响[9]，同时也是评价农田环境效应的重要手段[10]。袁程等[11]研究表明，在棕壤上连续施肥31 a后，耕作层土壤水溶性和弱酸溶性锰含量同试验初比较均有所增加，然而可还原态和残渣态锰含量则有不同程度的下降。王书转[12]研究发现，在垆土上连续施肥32 a，土壤交换态锰与有效锰呈显著正相关，是有效锰的主要来源。

褐土是我国主要土壤类型，分布面积可达2 516万hm2，其中，山西省的褐土分布面积达724.1万hm2[13]。当前，关于长期不同施肥措施下褐土氮、磷、钾等大量营养元素的时空分布的研究较多[14-15]，而长期施肥对于土壤锰形态变化的影响，以及锰的形态变化与有效性的关系尚缺乏系统性研究。

为此，山西农业大学资源环境学院耕地质量培育课题组通过27 a（1992—2018年）的长期施肥定位试验，对长期不同施肥处理下土壤中锰的含量、形态转化和其有效性做进一步研究,以此揭示长期施肥条件下不同形态土壤锰的空间变异，这有助于了解锰在土壤中的扩散和富集过程、锰迁移的化学调控和它对植物营养、土壤理化性质的影响，对于保持土壤养分平衡、充分发挥微量元素在农业生产中的作用具有指导意义。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

长期施肥定位试验在山西寿阳旱地农业生态系统国家野外科学观测研究站进行布置。供试土壤为褐土性土。1992年试验前耕层土壤理化性质如表1所示。

表1 基础土样的理化性质Tab.1 Physicochemical properties of initial soil samples

1.2 试验设计

1992—2018年连续布置27 a氮磷化肥配施有机肥定位试验，设9个施肥处理，即不施肥处理（CK)；不同梯度氮磷配施处理（N1P1、N2P2、N3P3、N4P4）；有机肥无机肥配施处理（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2）；单施高量有机肥处理（M6）。各小区面积为66.7 m2，无重复。不同施肥处理中尿素、磷肥、有机肥的锰输入量如表2所示。

表2 1992—2018年各处理年均养分投入量Tab.2 The annual nutrient input amount of each treatment from 1992 to 2018 g/hm2

试验所用氮肥为尿素（N 46%），磷肥为普通过磷酸钙（P2O514%），农家肥为风干牛粪。表2中氮肥施用量1为60 kg/hm2，2为120 kg/hm2，3为180 kg/hm2，4为240 kg/hm2；磷 肥 施 用 量1为37.5 kg/hm2，2为75 kg/hm2，3为112.5 kg/hm2，4为150 kg/hm2；有机肥施用量1为22 500 kg/hm2，2为45 000 kg/hm2，3为67 500 kg/hm2，6为135 000 kg/hm2。

1.3 样品采集及测定

1.3.1 样品采集 由于试验设计较早，未设计重复小区，为了克服试验没有重复的缺陷，将各试验处理小区等分为3列。每个列区采用梅花形取样法，取5点制成一个混合土样。每5 a为一个采样周期，土壤样品分别在1996、2001、2006、2011、2016年玉米收获后进行采集，采集深度为0～20 cm。2018年采集0～60 cm土壤样品，同时收集了1992年的基础土样。

每年玉米成熟期将处理小区三等分为3个列区，收获单位面积籽实产量，在每处理小区的3个列区，分别取10株玉米植株估算单位面积茎、叶、穗轴的生物量。采集的植株样品按茎、叶、籽粒、穗轴分开烘干粉碎。将2016、2017、2018年的植株样品进行了连续3 a的测定分析，并以3 a的平均结果作为植株样品的值。

1.3.2 测定方法根据NY/T 890—2004标准，采用DTPA-TEA浸提法提取土壤中有效锰。各形态的锰测定采用改进的BCR连续提取法[4]，具体步骤为：准确称取土样1.000 g，加入25 mL蒸馏水（煮沸、冷却，pH=7.0），（22±5）℃振荡（80 r/min，下同）2 h，离心（3 000 r/min，下同）20 min，清液测水溶态；残渣中加40 mL 0.11 mol/L醋酸溶液，振荡、离心，清液测弱酸溶态；继续向残渣中加入40 mL 0.5 mol/L盐酸羟胺溶液（预先用2 mol/L HNO3调pH至1.5），振荡、离心，清液测可还原态；用30%H2O2氧化有机质，再加50 mL 1.0 mol/L乙酸铵溶液（用硝酸调pH至2），振荡、离心，清液测可氧化态；残渣态采用HF-HNO3-HClO4溶解。以上过程中保存的待测清液均用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）测定。

采用GB/T 14609—2008干灰化法对收获的玉米植株样（茎、叶、穗轴、籽粒）进行锰携出量测定；将尿素、过磷酸钙、腐熟牛粪（风干）首先采用HNO3-HClO4进行消煮，将其滤液采用原子荧光和火焰原子吸收分光光度计法进行锰含量测定。

1.4 数据分析

数据和图表采用Excel 2016进行处理，数据的方差分析与多重比较采用SPSS 18.0软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对锰盈亏量及土壤有效锰年际变化的影响

通过连续27 a施肥发现，各处理锰的盈亏量发生了显著的变化。由表3可知，不施肥处理从土壤中累计携出8.83 kg/hm2的锰元素，施用无机肥处理由于氮肥、磷肥本身重金属含量很低，对土壤Mn的输入很少[16]，而作物籽粒产量与生物量又均高于不施肥处理，因此，施用无机肥各处理锰的累计携出量显著高于不施肥处理，分别较不施肥处理增加了6.19、6.76、8.83、11.05 kg/hm2。有机肥中锰的含量要远远高于无机肥中锰含量，所以，随着有机肥投入量的增加，土壤中锰出现盈余，高量施用有机肥处理盈余量为各处理中最高。

表3 1992—2018年各处理产量及锰输入输出状况Tab.3 Yield，and input and output of manganese of treatments from 1992 to 2018 kg/hm2

土壤有效锰是能够被作物吸收利用的形态。从图1可以看出，不同施肥处理对土壤有效锰含量有着显著影响。在连续施肥27 a后，不施肥处理土壤有效锰含量较试验初呈显著下降趋势，年减少速率为0.39 mg/kg。4个氮磷无机肥处理（N1P1、N2P2、N3P3、N4P4）土壤有效锰含量均低于不施肥处理，较试验初分别降低了64.4%、61.4%、63.5%、63.1%。原因在于不施肥处理在连续27 a没有外源锰投入情况下，作物生长需要从土壤中吸收携带出大量的锰素，造成土壤中有效锰亏缺耗竭。同时，在长期施用无机肥处理下，适量的氮磷肥输入使得活性锰比例升高，有利于植物对锰的吸收利用[17]。施用无机肥后作物生物量大大高于不施肥处理，作物生长从土壤中带走的锰素也远高于不施肥处理，因此，土壤有效锰的下降速率高于不施肥处理。有机肥配施化肥各处理土壤有效锰含量随着有机肥投入量的增加而减缓消耗。N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2处理土壤有效锰含量年减少速率分别为0.36、0.22、0.36 mg/kg。施用大量有机肥的土壤速效锰的含量与初试相比变化不明显，定位试验连续布置27 a后，土壤有效锰含量维持在18.1 mg/kg水平。说明高量有机肥中锰素的投入能够补充土壤中锰素的亏缺，实现供给平衡。

图1 各施肥处理0～20 cm土壤有效锰变化Fig.1 Changes of available-Mn in 0-20 cm soil under different fertilization treatments

2.2 不同施肥处理对0~20 cm土壤各形态锰变化的影响

长期不同施肥措施在0～20 cm土层对土壤锰形态的转化有显著影响。由表4可知，在试验27 a后，不施肥处理土壤水溶态锰含量较试验初有所增加，增加了1.46 mg/kg，其他各形态锰较初始试验有所降低，其中，弱酸溶态锰含量降低了49.49 mg/kg、可氧化态锰含量降低了19.67 mg/kg、可还原态锰含量降低了47.06 mg/kg、残渣态锰含量降低了21.81 mg/kg。原因在于没有外源锰素的投入，作物所需锰的来源主要是由土壤中中性态和活性态锰向有效锰转化而来，随着种植年限的增加，携出锰素越来越多，造成不同形态的锰出现亏缺[18]。施用无机肥各处理与不施肥处理土壤各形态锰变化基本一致，这与作物生物量产出有较大关系，随着无机肥投入量的增加，作物生物量也随之增加，锰吸收量加大。当有效态锰供应能力不足时，土壤中稳定态锰会向活性锰转化，这种转化会造成土壤全锰含量降低[17]，N4P4处理土壤全锰含量较试验初下降了20.1%。氮磷钾及有机肥配施的处理显著增加了土壤中水溶态锰含量，N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2处理的土壤水溶态锰含量较试验开始时显著增加，分别增加了179.8%、371.3%、41.2%，其他各形态锰较试验初呈现降低趋势，有机肥投入可以减少其他形态锰的损失，并随着有机肥投入量的增加而增加。土壤水溶态锰、弱酸溶态锰、可氧化态锰和还原态锰含量均以高量施用有机肥处理最高，而残渣态锰为各施肥处理中最低，说明有机肥中的锰投入土壤后，主要以活性态和中性态存在，只有很少的锰被转化为稳定状态并固定在土壤中。

表4 不同施肥处理耕层土壤各形态锰的含量Tab.4 The content of various speciation of manganese in topsoil under different fertilization treatments mg/g

2.3 不同施肥处理对0~20 cm土壤各形态锰组成的影响

不同施肥处理0～20 cm土壤各形态锰占比如图2所示，在连续施肥27 a后，各处理土壤水溶态锰占比为0.16%～0.70%，不施肥处理占比较试验初提高了0.28百分点，施用无机肥各处理（N1P1、N2P2、N3P3、N4P4）分别较试验初占比提高了0.08～0.35百分点。配施有机肥各处理（N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2、M6）分别较试验初占比提高了0.07～0.60百分点。各处理土壤弱酸溶态锰占比为6.10%～8.44%，较试验初均有所降低，单施无机肥各处理占比平均降低了5.48百分点，施用有机肥各处理占比平均降低5.01百分点。各处理可还原态锰占比为15.63%～18.43%，较试验初均有所降低，单施无机肥各处理占比平均降低了3.07百分点，施用有机肥各处理占比平均降低了2.61百分点。各处理可氧化态锰占比为4.78%～6.63%，不施肥处理占比较试验初呈显著下降，降低了1.85百分点，施用无机肥各处理占比平均降低了1.53百分点，施用有机肥各处理占比平均降低了0.46百分点。各处理残渣态锰占比为65.80%～73.3%，较试验初占比均有所提高。由各形态锰占全锰比例变化可以看出，连续试验27 a后，各处理的活性态和中性态锰在全锰中占比均出现降低，原因在于作物吸收所带走锰素主要为活性态与中性态锰转化而来，残渣态锰作为极稳定态锰被固定在土壤中，难以转化吸收，所以，该形态锰占比出现提高[19]。施用有机肥后，可以改变土壤锰的转化形态，增加土壤中活性态锰和中性态锰在全锰中的占比，减少稳定态锰在土壤中沉积。高量施用有机肥处理水溶态锰、弱酸溶态锰、可还原态锰、可氧化态锰占全锰比例均为各处理最高，分别达到0.7%、8.44%、18.43%和6.63%，而残渣态锰占全锰比例为各施肥处理最低，为65.8%。

图2 各施肥处理土壤锰形态占总量比例Fig.2 Proportion of soil manganese speciation to total amount in different fertilization treatments

2.4 不同施肥处理对土壤各形态锰空间变化的影响

土壤各形态锰空间变化情况如图3所示。

图3 土壤各形态锰空间变化情况Fig.3 Spatial variation of soil manganese speciation

通过0～60 cm土层各形态锰空间变化可以看 出，连续施肥27 a后，各施肥处理水溶态锰随着土壤深度的增加而呈现含量下降的趋势。而弱酸溶态锰和可还原态锰均出现20～40 cm土层2种形态锰含量较耕层土壤有所增加，主要原因在于这2种形态锰更容易转化为有效态锰被作物吸收所带走，同时受水分入渗因素影响，这2种形态锰容易出现向下迁移，而M6处理施入高量有机肥后可以有效补充和增加这2种形态锰。各施肥处理可氧化态锰含量在0～40 cm土层中无明显变化，40～60 cm土壤含量较上层土壤有所增加。残渣态锰耕层含量高于20～40 cm土层，而随深度增加无明显变化。说明残渣态锰作为极稳定态锰被固定在耕层土壤中，而且很难转化为有效态锰被作物所利用。

2.5 有效态锰对各形态锰之间的响应

土壤锰的各种形态变化是影响有效锰含量的重要因素，试验土壤中5种锰形态与有效态之间有一定的内在联系（表5）[20-21]。从表5可以看出，有效态锰与弱酸态锰、可还原态锰呈极显著正相关（P＜0.01），与残渣态锰呈极显著负相关。此外，水溶态锰与可氧化态锰呈极显著负相关，弱酸态锰、可还原态锰与残渣态锰三者之间存在着非常显著的关系，说明这些形态的锰相互影响。通过分析不同形态锰之间的关系，建立了最优方程。

表5 土壤中不同形态锰的相关性Tab.5 Correlation of different speciation of mangonese in soil

式中，Y为有效态，X1、X2分别为弱酸溶态锰与可还原态锰。由方程可以看出，弱酸溶态锰对有效态锰的贡献最大，是土壤有效锰的主要形式。

3 结论与讨论

施肥是维护作物生长和土壤养分供应平衡的重要措施，它向土壤中输入的微量元素使农田环境更加复杂。本研究结果表明，连续施用氮磷化肥27 a后，土壤有效锰含量呈下降趋势，与黄德明等[22]研究结果不同，可能与土壤理化性状有关，土壤pH值是造成各形态锰变化的主要原因，它直接影响各种无机锰组成的化合物的溶解度。有研究结果表明，当土壤pH上升时，土壤中易溶态锰会向难溶态锰转化。土壤有机质的变化同样会对有效锰产生较大影响[23]，有机质会对Mn产生络合作用，进而影响土壤对Mn的吸附，使土壤锰改变其形态，累积固定到土壤中，从而影响其有效性。黄德明等[22]研究发现，土壤中有效锰含量会随着氮、磷化肥的施用量增加而升高，过量的氮、磷化肥有利于植株地上部Mn的积累。ZHANG等[24]研究表明，长期施用化肥可使石灰性土壤上有效锰贮存量增加。

有机肥施用有助于土壤锰的活化，显著影响土壤有效锰的含量。本研究结果表明，无论是单独施用有机肥还是氮、磷有机肥配合施用，在连续27 a施用粪肥后，不同施肥处理土壤有效锰含量均高于无机肥处理。杨玉爱等[25]在红壤上研究了有机肥对土壤锰有效性的影响，发现有机肥供锰速度快、强度大。原因在于有机肥不仅自身可以向土壤提供微量元素，同时，可以降低土壤酸碱度，增加土壤微量元素的可溶性，对保持和提高土壤中微量元素营养平衡起到重要作用[26]。丁少男等[27]研究发现，施用有机肥后，黄壤中微量元素有效含量显著高于施用化肥。土壤有效锰含量随有机肥投入而增加。本研究表明，只有施用135 t/hm2粪肥情况下，才能使土壤有效锰含量维持在试验初水平。

土壤中不同形态锰的含量可以表征其在土壤中的移动规律及生物有效性，这些形态相互转化是保持一种动态的平衡，转化速率决定了有效锰的库容大小[28]。长期施肥改变土壤各形态锰占全锰的比例，陈红娜[29]研究表明，长期施肥能提高土壤中游离氧化锰含量、无定形氧化锰含量和亚锰总量，且在有机肥的基础上平衡施氮肥使土壤中游离氧化锰含量、有效锰含量升高的效果最显著。本研究发现，长期施用化肥降低了土壤中的弱酸溶态锰以及可还原态锰的占比。大量研究表明，有机肥可以提高土壤中锰的有效性，同时可以提高可溶性锰占比[30]，这与粪肥投入可以改变土壤质量，有利于锰的活化有关[31]。本研究结果表明，氮磷有机肥配施与高量施用有机肥各处理土壤有效性以及与有效锰相关的弱酸溶态、可还原态锰均较施用无机肥处理有所提高。

土壤各形态锰的变化是影响有效锰含量的重要因素，通过27 a耕层土壤有效锰和不同形态锰含量数据统计分析，土壤各形态锰与有效锰之间呈线性关系，土壤有效锰对各形态锰响应顺序为：弱酸溶态锰＞可还原态锰＞水溶态锰＞可氧化态锰＞残渣态锰。比较土壤各形态锰对有效锰的相关系数，弱酸溶态锰对有效态锰的贡献最大，是土壤有效锰的主要来源。为此，可以有针对性地促使锰素向弱酸溶态和可还原态转化，促进锰素的高效利用。合理使用有机肥可以补充土壤中锰的含量，同时可以提高土壤中弱酸溶态锰和可还原态锰占土壤全锰的比例，增加作物携出的锰素含量，促进锰素向活性较强的方向移动。

施用无机肥各处理（N1P1、N2P2、N3P3、N4P4）土壤有效锰含量较试验初显著降低，连续施肥27 a土壤有效锰年降低速率分别为0.39、0.43、0.41、0.43 mg/kg。施用有机肥后可以有效维持土壤有效锰含量，N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2处理土壤有效锰含量比施无机肥各处理平均提高1.76、5.55、1.85 mg/kg。高量施用有机肥（M6处理）的土壤有效锰含量达到18.10 mg/kg，能够维持在试验初水平。

通过相关性分析表明，土壤中弱酸溶态锰和可还原态锰是褐土有效锰的主要来源，弱酸溶态锰对有效锰贡献最大。

本研究中无论是无机肥单施处理或有机无机混合施用处理，土壤有效锰含量均呈下降趋势，只有M6处理即有机肥投入135 t/hm2，在满足玉米高产对锰素需求的同时，可维持褐土农田锰的供给平衡，而过量有机肥的投入不仅造成大量元素的浪费，营养富集也会对农田环境带来更严重的危害，因此，合理施用锰肥才是实现褐土类型区域锰素的可持续高效利用的有效途径。