不同兩熟輪作模式下土壤-作物系統(tǒng)的Fe、Mn周年變化

李曉波，邵 云，馬守臣，李春喜，劉 晴，翁正鵬

(1.河南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007；2.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

作物是生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，是將微量元素從非生物環(huán)境轉(zhuǎn)移到生物環(huán)境的主要載體[1-2]。而土壤是作物地上部分微量元素的主要來(lái)源，土壤中的微量元素直接影響作物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)[3]。Fe和Mn是較重要的微量元素，F(xiàn)e不僅參與葉綠素的合成，還是某些酶和蛋白質(zhì)的組成部分[4-6]；Mn不僅對(duì)種子的發(fā)芽、幼苗的生長(zhǎng)、植株的結(jié)實(shí)等起到較好的作用，還是多種酶的活化劑，對(duì)植物的呼吸、蛋白質(zhì)的水解均起著重要作用[6-8]。但目前石灰性土壤缺Fe、Mn已成為世界范圍內(nèi)普遍存在并嚴(yán)重危害糧食生產(chǎn)的重要問(wèn)題[9-10]。

左元梅等[11]研究表明，間作對(duì)花生的Fe營(yíng)養(yǎng)狀況有較大的影響；魯耀等[12]通過(guò)蠶豆和小麥間作以及何春娥等[10]通過(guò)燕麥和小麥間作研究均表明，不同間作組合能促進(jìn)小麥對(duì)Mn的吸收。而對(duì)于作物輪作，目前大多研究集中在土壤養(yǎng)分、有機(jī)碳等方面，例如STEVEN等[13]與GULAB等[14]的研究表明，在半干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，不同作物輪作種植在增加土壤碳含量和微生物數(shù)量的同時(shí)有明顯的增產(chǎn)效果；STEVEN等[15]發(fā)現(xiàn)，與休耕相比，連續(xù)輪作不僅可以增加土壤中總氮、可礦化氮含量以及植株中的磷含量，還可以減少除草劑的用量。本研究則側(cè)重不同輪作模式對(duì)土壤-作物系統(tǒng)內(nèi)微量元素Fe和Mn含量的影響，選擇了小麥-玉米(W-M)、小麥-大豆(W-B)、小麥-花生(W-P)和小麥-甘薯(W-S)4種主要的一年兩熟輪作模式，分別取每季作物的土壤與植株，采用ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜)法，測(cè)定其Fe、Mn含量，探討這2種元素在土壤-作物系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)變化，以期為輪作中合理施用微肥、維持土壤微量元素平衡提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

輪作試驗(yàn)2017年9月在河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院網(wǎng)室進(jìn)行，試驗(yàn)采用根箱(長(zhǎng)100 cm×寬50 cm×高100 cm)培養(yǎng)方法，箱內(nèi)土壤采自新鄉(xiāng)市牧野鄉(xiāng)東牧村農(nóng)田(0～100 cm)，按原土層分層移入。試驗(yàn)采用隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，輪作模式設(shè)置小麥-玉米(W-M)、小麥-大豆(W-B)、小麥-花生(W-P)和小麥-甘薯(W-S)4種種植模式。供試品種選用當(dāng)?shù)刂髟云贩N：小麥(TriticumaestivumL.)為豫農(nóng)4023，玉米(ZeamaysL.)為洛單248，大豆[Glycinemax(L.) Merr.]為駐豆11，花生(ArachishypogaeaL.)為魯花10，甘薯(IpomoeabatatasL.)為商薯19。

播前土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。具體播種密度、播種時(shí)間與收獲時(shí)間見(jiàn)表2。每季作物播前均底施(按照當(dāng)?shù)靥镩g正常施肥量折算)復(fù)合肥(純N 22.4 g/m2，P2O54.8 g/m2，K2O 4.8 g/m2)于0～30 cm土壤中，小麥于拔節(jié)期追肥(純N 18 g/m2)、夏季作物(玉米、大豆、花生和甘薯)于播后25 d追肥(純N 45 g/m2)；作物生長(zhǎng)期間，定期進(jìn)行澆水、除草、除蟲(chóng)等管理措施，維持作物的正常生長(zhǎng)。

1.2 取樣與測(cè)定

小麥于拔節(jié)期(2018年3月26日)、開(kāi)花期(2018年4月17日)、成熟期(2018年5月23日)，夏季作物于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期(2018年7月21日)、開(kāi)花期(2018年8月6日)、成熟期(玉米、花生、大豆為2018年9月11日，甘薯為2018年10月2日)取植株地上部分，105 ℃殺青0.5 h，85 ℃烘干至恒質(zhì)量，粉碎后過(guò)0.25 mm孔徑篩；同時(shí)于每季作物的成熟期取土壤樣品(分3層，即0～20、20～50、50～80 cm)，自然風(fēng)干，粉碎過(guò)0.15 mm孔徑篩。3次重復(fù)。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of soil

表2 播種密度、播種時(shí)間與收獲時(shí)間Tab.2 Sowing density,sowing date and harvesting date

植株和土壤樣品均經(jīng)微波消解儀(Mars6 classic，美國(guó)CEM)消解后，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，Optima 2100 DV，美國(guó)Perkin Elmer)測(cè)定其Fe、Mn含量。

1.3 作物地上部元素累積量以及土壤富集系數(shù)

作物地上部元素累積量為地上部干物質(zhì)量與元素含量的乘積，即

元素累積量(mg/m2)=干物質(zhì)量(g/m2)×元素含量(g/kg)。

富集系數(shù)指植物地上部元素含量與土壤中元素含量的比值；反映植物對(duì)土壤中元素的吸收能力。具體計(jì)算公式如下[16]：

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

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析，SigmaPlot 12.5制圖，SPSS 17.0進(jìn)行單因素方差分析以及Duncan’s法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式下不同生育時(shí)期作物地上部分Fe、Mn含量的動(dòng)態(tài)變化

2.1.1 Fe含量的變化 不同輪作模式下不同生育時(shí)期作物地上部分Fe含量的動(dòng)態(tài)變化如圖1。隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，W-M、W-B、W-S模式中小麥地上部分Fe含量逐漸增加，W-P模式中小麥地上部分Fe含量則遞減。不同輪作模式間，拔節(jié)期W-P模式Fe含量最高，顯著高于其他3種模式，而W-B模式Fe含量最低；開(kāi)花期各模式呈現(xiàn)出與拔節(jié)期相似的規(guī)律，但僅W-P與W-B模式間Fe含量差異達(dá)到顯著；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則為最低，且W-B、W-M與W-P模式間Fe含量差異達(dá)到顯著。

對(duì)于夏季作物，除W-P模式Fe含量隨生育時(shí)期的推進(jìn)先增加后減少外，其他3種模式Fe含量均隨生育時(shí)期的推進(jìn)而逐漸增加。在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、開(kāi)花期和成熟期，各模式間Fe含量均表現(xiàn)為W-P>W-M>W-B>W-S，其中W-P模式的Fe含量均顯著高于其他3種模式。

不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments (P<0.05),the same below圖1 不同輪作模式下不同生育時(shí)期作物體內(nèi)的Fe含量Fig.1 Fe content of crops in different growth stages in different rotation patterns

2.1.2 Mn含量的變化 不同輪作模式下不同生育時(shí)期作物地上部分Mn含量的動(dòng)態(tài)變化如圖2。隨生育時(shí)期的推進(jìn)，W-M、W-B、W-P模式中小麥地上部分Mn含量逐漸增加，W-S模式中小麥地上部分Mn含量則表現(xiàn)為先增加后減少。不同輪作模式間，拔節(jié)期W-P模式Mn含量最高，顯著高于其他3種模式；開(kāi)花期，W-S模式Mn含量升至最高，W-M模式次之，W-S模式顯著高于W-B和W-P模式；成熟期，W-M、W-B、W-P、W-S模式間Mn的含量呈階梯狀遞減。

對(duì)于夏季作物，W-S模式Mn含量隨生育時(shí)期的推進(jìn)先升高后降低，其他3種模式Mn含量均隨時(shí)期的推進(jìn)而逐漸增加。在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、開(kāi)花期和成熟期，均為W-S模式Mn含量最低；營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，W-B模式Mn含量最高，與W-P、W-S模式間差異顯著；開(kāi)花期，W-M、W-B、W-P模式間Mn含量均顯著高于W-S模式；成熟期，W-M模式Mn含量顯著高于其他3種模式。

圖2 不同輪作模式下不同生育時(shí)期作物體內(nèi)的Mn含量

2.2 不同輪作模式下不同生育時(shí)期作物地上部分Fe、Mn累積量的動(dòng)態(tài)變化

2.2.1 Fe累積量的變化 圖3為不同輪作模式下不同生育時(shí)期單位面積作物地上部分Fe累積量。從拔節(jié)期到開(kāi)花期再到成熟期，4種模式中小麥Fe累積量均逐漸增加，W-B模式的增加速率最大，W-P模式增加速率最小。從不同生育時(shí)期看，拔節(jié)期，W-P模式的小麥Fe累積量顯著高于其他3種模式，W-M與W-S模式間Fe累積量差異不顯著，但均顯著高于W-B模式；開(kāi)花期，4種模式間差別較小，僅W-M模式顯著高于W-S模式；成熟期，W-B模式Fe累積量顯著高于其他3種模式，W-M、W-S模式間Fe累積量差異不顯著。

相對(duì)于小麥，夏季作物在不同生育時(shí)期的Fe累積量差異較為顯著。在作物的整個(gè)生長(zhǎng)周期，W-M和W-B模式中Fe累積量呈逐漸增加的趨勢(shì)，其中，W-M模式增加極其明顯，而W-B模式增幅較小;W-P和W-S模式中Fe累積量卻表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期各模式間Fe累積量表現(xiàn)為W-M>W-P>W-B>W-S，且兩兩差異均達(dá)顯著；開(kāi)花期各模式間Fe累積量表現(xiàn)為W-P>W-M>W-S>W-B，同樣是兩兩差異均達(dá)顯著；成熟期W-M的Fe累積量顯著高于W-P、W-B和W-S，W-P模式顯著高于W-B和W-S模式。

圖3 不同輪作模式下不同生育時(shí)期作物地上部分的Fe累積量

2.2.2 Mn累積量的變化 圖4為不同輪作模式下不同生育時(shí)期單位面積作物地上部分Mn累積量。在整個(gè)生長(zhǎng)周期，4種模式中小麥Mn累積量均逐漸增加，但增加量低于Fe增加量；拔節(jié)期，W-P模式Mn累積量最高，W-S模式Mn累積量最低；開(kāi)花期，W-M模式Mn累積量最高，W-S模式Mn累積量依舊最低；成熟期，W-B模式Mn累積量升至最高，W-P模式Mn累積量降至最低。

夏季作物Mn、Fe累積量變化趨勢(shì)一致，均為W-M和W-B模式逐漸增加，W-P和W-S模式先增加后減少；除W-M模式的Mn累積量隨生育時(shí)期的推進(jìn)增幅較大外，其他各模式均變幅較小，在各生育時(shí)期中均為W-M模式Mn累積量最高，W-S模式Mn累積量最低。營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，W-M模式Mn累積量顯著高于其他3種模式；開(kāi)花期和成熟期，均為W-M模式Mn累積量最高，W-S模式Mn累積量最低。

2.3 不同輪作模式下土壤中Fe、Mn含量的變化

2.3.1 不同土層深度Fe含量的變化 不同輪作模式下不同土層深度Fe含量的變化如圖5。0～20、20～50、50～80 cm土層中，各模式Fe含量均降低。0～20 cm土層中，4種模式Fe含量在2018年5月(小麥?zhǔn)斋@后)差別較小，除W-B模式顯著高于W-M模式外，其他模式兩兩間差異均未達(dá)顯著水平；在2018年10月(夏季作物收獲后)，W-M模式Fe含量顯著高于其他3種模式。

相對(duì)于0～20 cm土層，20～50、50～80 cm土層各模式間Fe含量較高且差別較大。20～50 cm土層，W-M模式在2018年5月和2018年10月Fe含量均顯著高于其他3種模式，而W-P模式均顯著低于其他3種模式；2018年10月，各模式間Fe含量差異均達(dá)到顯著水平，表現(xiàn)為W-M>W-B>W-S>W-P。

50～80 cm土層，2018年5月，W-S模式的Fe含量最高，顯著高于W-B、W-P模式，但與W-M模式間差異不顯著；2018年10月，各模式間Fe含量的差異均達(dá)到顯著水平，表現(xiàn)為W-S>W-B>W-M>W-P。

圖4 不同輪作模式下不同生育時(shí)期作物地上部分的Mn累積量Fig.4 Mn accumulation amount in above-ground parts of crops at different grouth stages in different rotation patterns

圖5 不同輪作模式下不同土層深度Fe含量的變化

2.3.2 不同土層深度Mn含量的變化 由圖6可見(jiàn)，在0～20、20～50、50～80 cm土層中，Mn含量變化同F(xiàn)e的趨勢(shì)一致，均出現(xiàn)降低趨勢(shì)，除此之外，每個(gè)土層深度各模式間的差異也同F(xiàn)e較相似，表明土壤中Fe、Mn含量可能存在協(xié)同作用[17]；20～50 cm與50～80 cm土層中2018年5月Mn含量均高于全國(guó)平均值600 mg/kg[18]；在0～20 cm土層深度，2018年5月和2018年10月均為W-M模式Fe含量均較高，W-B模式Fe含量最低；2018年10月，各模式間Fe含量差異均達(dá)到顯著水平，表現(xiàn)為W-M>W-P>W-S>W-B。

20～50 cm土層，2018年5月，W-P模式顯著低于其他3種模式；2018年10月，W-M、W-B、W-P和W-S模式間Mn的含量均達(dá)到顯著水平，且呈階梯遞減趨勢(shì)。

50～80 cm土層，2018年5月，Mn的含量變化表現(xiàn)為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。

圖6 不同輪作模式下不同土層深度Mn含量變化

2.4 成熟期不同輪作模式下不同作物表層土壤中Fe、Mn富集系數(shù)

表3為成熟期不同輪作模式下作物Fe、Mn富集系數(shù)，小麥的Fe、Mn富集系數(shù)均明顯低于夏季作物。4種模式中小麥Fe富集系數(shù)表現(xiàn)為W-S>W-P>W-B>W-M，且W-S模式顯著高于其他3種模式。而夏季作物W-S模式中Fe富集系數(shù)較低，W-M模式Fe富集系數(shù)最高。

不同輪作模式下表層土壤中Mn富集系數(shù)均高于Fe。W-S模式小麥Mn富集系數(shù)最高，W-P模式Mn富集系數(shù)最低。夏季作物，4種模式間Mn富集系數(shù)表現(xiàn)為W-B>W-P>W-S>W-M，且各模式間差異均達(dá)到顯著水平。

表3 不同輪作模式下不同作物表層土壤中Fe、Mn富集系數(shù)

3 結(jié)論與討論

在本研究中，不同輪作模式的小麥與夏季作物體內(nèi)Fe、Mn含量的變化存在顯著差別。對(duì)于Fe，除W-P模式外，其他3種輪作模式的作物體內(nèi)Fe含量在小麥和夏季作物中均隨著生育時(shí)期的進(jìn)行而逐漸遞增；對(duì)于Mn，除W-S模式，其他模式在小麥和夏季作物中Mn含量也隨著生育時(shí)期的推進(jìn)而逐漸遞增。分析其原因，元素的含量與植株的生長(zhǎng)特性以及環(huán)境條件密切，在作物生育過(guò)程中，隨著植株體不斷長(zhǎng)大，作物從土壤中源源不斷吸收營(yíng)養(yǎng)元素并參與到各種生理過(guò)程中，至成熟期地上部分蓄積了大量的營(yíng)養(yǎng)元素；這種趨勢(shì)同李娟等[19]所得結(jié)果相同。除此之外，夏季作物中，W-P模式地上部分Fe含量與W-S模式地上部分Mn含量均表現(xiàn)為先增加后減少，同時(shí)W-P、W-S模式Fe、Mn累積量也隨生育時(shí)期的推進(jìn)而先增加后減少，這與符鮮等[20]研究結(jié)果一致，可能由于花生的果實(shí)和甘薯的塊根生長(zhǎng)在地下部，在生長(zhǎng)的前期，營(yíng)養(yǎng)元素主要集中在莖、葉等地上部各器官中，后期逐漸向地下轉(zhuǎn)移，所以莖、葉中的元素累積量逐漸下降。

元素累積量取決于作物的干物質(zhì)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較大，因此在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和成熟期Fe累積量明顯高于其他模式；有文獻(xiàn)顯示，輪作可以明顯促進(jìn)Fe向花生地上部的轉(zhuǎn)移[22-23]。當(dāng)花生與玉米、小麥等禾本科作物輪作時(shí)，花生新葉葉色正常，而花生單作時(shí)則表現(xiàn)出嚴(yán)重的缺Fe黃化現(xiàn)象。經(jīng)檢測(cè)，輪作花生新葉活性Fe、葉綠素含量明顯高于單作，輪作花生各部位Fe含量和吸收量也明顯高于單作[24-26]。在本研究中，夏季作物Fe累積量除了W-M模式較高外，W-P模式也較高。

不同種植模式下，小麥和夏季作物土壤中Fe、Mn含量從2018年5月至2018年10月均逐漸減少，且4種模式在2018年5月差別較小，在2018年10月差別較顯著；這可能由于夏季作物根系分泌物不同，使土壤中Fe、Mn含量有所差異[27]，但由于沒(méi)有外源Fe、Mn施入，在小麥種植過(guò)后，2018年5月土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。另外，在2018年5月的4種模式以及2018年10月的W-B模式下，由于在植株的生長(zhǎng)過(guò)程中，表層根系的分布量較多[28-30]，對(duì)表層土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素利用較多，因此，F(xiàn)e、Mn含量在0～20 cm土層深度均低于20～50、50～80 cm。

富集系數(shù)可以反映不同作物對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的富集能力[31-35]。在不同輪作模式下，W-S模式小麥Fe、Mn富集系數(shù)均最高，W-B模式在夏季作物中Mn富集系數(shù)較高；4種模式對(duì)土壤中Fe、Mn富集系數(shù)均有顯著影響，這與霍穎等[32]的研究結(jié)果一致。0～20、20～50 cm土層深度，W-M模式在2018年10月Fe、Mn含量均最高；50～80 cm土層深度，W-B、W-S模式在2018年10月Fe、Mn含量較高。

綜上所述，在不同輪作模式下，土壤中Fe、Mn含量逐漸減少；W-M、W-B模式作物地上部分Fe、Mn含量在小麥和夏季作物中均隨生育時(shí)期的推進(jìn)而逐漸增加，W-P模式小麥地上部分Fe含量隨生育時(shí)期的推進(jìn)而逐漸減少；W-P模式夏季作物地上部分Fe、Mn累積量均隨生育時(shí)期的推進(jìn)先增加后減少，W-S模式小麥地上部分Fe、Mn累積量均隨生育時(shí)期的推進(jìn)而逐漸增加，但是夏季作物地上部分Fe、Mn累積量均隨生育時(shí)期的推進(jìn)先增加后減少；相對(duì)于2018年5月，2018年10月不同土層深度Fe、Mn含量的差別較大；在2018年5月，4種模式0～20 cm土層深度的Fe、Mn含量均低于20～50、50～80 cm。小麥W-S模式Fe、Mn富集系數(shù)均最高；夏季作物W-M模式Fe富集系數(shù)最高，W-B模式Mn富集系數(shù)最高。土壤中元素含量受到諸多因素的影響，元素之間的相互作用也錯(cuò)綜復(fù)雜，即使相同幾種元素在土壤和植物中相互作用也有可能不同，因此對(duì)于不同作物與土壤中元素的變化有待進(jìn)一步的研究。