2023, Vol. 60
表1(Table 1)
2. 农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站, 贵阳 550006;
3. 贵州省农业科学院, 贵阳 550006
2. Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation and Agriculture Environment (Guizhou), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Guiyang 550006, China;
3. Guizhou Academy of Agricultural Sciences, Guiyang 550006, China
锌是植物和人体生长发育必需的微量营养元素。据估计，目前全世界约有27亿人口正面临锌缺乏问题[1]，而土壤缺锌是造成植物缺锌和人体缺锌的重要原因[2]。施肥是影响土壤锌含量及有效性的重要农艺措施，不同施肥方式通过改变土壤理化性质进而影响土壤锌有效性。锌的生物有效性常采用土壤有效锌（DTPA-Zn）来表征，土壤有效锌含量与锌形态组分密切相关。Alvarez和Gonzalez[3]认为交换态锌和碳酸盐结合态锌含量与锌肥生物有效性的关系最为密切；白玲玉等[4]研究发现，水溶态锌和交换态锌的生物有效性最高，有机结合态锌则是锌总量的重要部分；刘娟花等[5]指出交换态锌及松结有机态锌对土壤有效锌贡献最大；杨振兴等[6]认为可还原态锌是影响土壤有效锌的主要来源。施肥是提高作物产量和维持养分平衡的重要措施，通过元素间相互作用或改变土壤环境而影响土壤锌有效性[7]。大多研究均表明施用有机肥可提高土壤有效锌含量，提高活性态锌含量及其占比[8-9]。施用化肥对土壤有效锌含量及锌形态转化的影响较复杂，大多研究认为施用磷肥会因沉淀反应降低了有效锌含量及活性态锌含量，增加无效态锌含量[10-11]，但也有研究认为土壤有效锌含量随磷肥施用量增加呈先增加后降低的趋势[12]，施用磷肥可增加活性态锌含量，提高有效锌含量[13]。部分研究认为施用氮肥会降低土壤pH、提高土壤锌有效性[14]，施用氮肥可提高交换态和松结有机态等有效态锌含量[15]，也有研究认为施用氮肥对土壤有效锌及锌形态无显著影响[16]，甚至有研究认为增施氮肥会加重土壤缺锌的程度[17]。可见，不同研究中有效态锌形态及施肥对锌有效性的影响结果不尽一致，了解土壤有效锌与不同形态锌的相互关系及其施肥对土壤锌形态转化的影响对提高土壤锌有效性具有重要意义。
水稻是贵州主要粮食作物，2018年以来种植面积常年保持在67万hm2左右，约占全省粮食作物总面积的1/4，水稻产量420万t，占粮食总产的2/5以上[18]。通过合理施肥提高土壤锌有效性对实现水稻锌营养强化具有重要意义。长期定位试验能科学准确地反映施肥对土壤质量及生态环境的影响，是短期试验无法代替的。目前关于长期施肥对黄壤碳、氮、磷等大量元素养分转化开展了较多研究[19-20]，但关于长期施肥对土壤微量元素的研究较缺乏，土壤有效锌与不同锌形态相关性如何以及长期不同施肥如何影响土壤锌形态转化进而影响土壤锌有效性尚不清楚。为此，本文以进行了25年的黄壤（水田）长期定位试验为平台，开展长期施肥条件下土壤有效锌时序演变规律、不同形态锌变化特征及其与土壤有效锌相互关系研究，旨在为黄壤区合理施肥及作物高产优质提供参考。
1 材料与方法 1.1 试验概况本研究依托于农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站下设的黄壤（水田）肥力与肥效长期定位试验。试验地位于贵州省贵阳市花溪区贵州省农业科学院内（26°29′49′′N，106°39′52′′E），地处黔中丘陵区，属亚热带季风气候，平均海拔1 071 m，年均气温15.3℃，年均日照时数1 354 h左右，相对湿度75.5%，全年无霜期270 d左右，年降水量1 100~1 200 mm。试验地土壤类型为铁聚水耕人为土，成土母质为三叠系灰岩与砂页岩风化物。基础土壤理化性质为pH 6.75，有机质44.5 g·kg–1，全氮1.96 g·kg–1，碱解氮158.9 mg·kg–1，有效磷13.4 mg·kg–1，速效钾293.7mg·kg–1，有效锌2.53 mg·kg–1。
1.2 试验设计试验采用大区对比试验设计，小区面积201 m2，本研究选取其中能代表不同施磷量及不同磷肥类型的6个施肥处理作为研究对象：不施肥（CK）、氮钾肥配施（NK）、氮磷钾肥配施（NPK）、单施有机肥（M）、1/2有机肥替代1/2化学氮磷肥及全部化学钾肥（0.5MNP）和全量有机肥化肥配施（MNPK）。供试化肥为尿素（N 46.0%）、过磷酸钙（P2O5 12.0%）和氯化钾（K2O 60%），有机肥为牛厩肥，鲜基养分多年测试平均含N 2.7 g·kg–1、P2O5 1.3 g·kg–1、K2O 6.0 g·kg–1、Zn 21.6 mg·kg–1，其全量用量根据等氮量替代全量化学氮肥用量进行计算。本研究中锌为有机肥带入，并未施用化学锌肥，不同处理施肥量见表 1。化学氮肥按照返青肥：分蘖肥40%：60%的比例分两次追施，有机肥及化学磷钾肥做基肥一次性施用。水稻生长期间采用前期淹水、中期烤田和后期干湿交替的水分管理模式，冬季翻耕炕田，不种植任何农作物。试验过程中不使用除草剂和杀虫剂等化学农药，所有处理除施肥差异外，其他农事活动均一致。
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表 1 不同施肥模式施肥量 Table 1 Nutrient application rates of different fertilization patterns |
黄壤长期定位试验于1994年开始基础设施建设和匀地，1995年开始试验，至2019年历时25年，每年于水稻收获后采集0~20 cm耕层土壤样品风干后保存，遗憾的是由于历史原因1997—2006年土壤样品尚未保存。由于黄壤长期定位试验建于90年代，小区面积较大（201 m2）并未设置重复，故而部分研究年份研究过程采用假重复进行研究，将试验地延长边三等分，设置3个调查取样重复小区。本研究根据现有历史土样，间隔一定年份选取土壤样品分析土壤有效锌、全锌、锌形态。按照二乙三胺五乙酸（DTPA）浸提—原子吸收分光光度法测定有效锌含量（DTPA-Zn），HF-HNO3-HClO4消煮—原子吸收分光光度法测定全锌含量，具体测定方法参考《土壤农化分析》[21]，锌形态采用修正的欧洲共同体标准物质局的三步提取法（BCR）进行测定[22]，将土壤锌分为弱酸可溶态（weak acid soluble Zn，F1）、可还原态（reducible Zn，F2）、可氧化态（oxidizable Zn，F3）和残渣态（residual Zn，F4）四种形态，详见表 2。
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表 2 土壤锌形态分级方法 Table 2 The sequential fractionation method for zinc in soils |
土壤锌活化系数（activation coefficient of Zn，AC）/%=土壤有效锌含量（mg·kg–1）/土壤全锌含量（total Zn，T-Zn，mg·kg–1）×100。
试验数据均采用Excel 2010软件进行计算处理，利用SPSS 20.0软件进行统计分析和相关分析，差异显著分析用邓肯（Duncan）新复极差法，显著性水平设定为α=0.05。
2 结果 2.1 长期施肥对土壤有效锌和全锌的影响长期不同施肥可显著影响土壤有效锌年际变化特征（表 3和表 4）。2019年CK处理土壤有效锌含量较试验前提高了13.1%，NK处理土壤有效锌较试验前降低了2.7%，NPK处理土壤有效锌含量较试验前提高了44.4%，但土壤有效锌与试验年限线性拟合方程决定系数均未达显著水平；施用有机肥各处理土壤有效锌含量较试验前提高了73.0%~99.4%，土壤有效锌随试验年限增加呈显著线性增长趋势，年增长速率为0.074~0.124 4 mg·kg–1，以MNPK处理增速最快，0.5MNP处理增速较慢。各施肥处理自2007年以后土壤有效锌规律基本一致，表现为施用有机肥的各处理最高，NPK处理其次，CK处理最低。2019年，NK处理土壤有效锌较CK处理显著降低了13.9%，NPK处理较NK处理显著提高了44.1%，施用有机肥各处理较NPK处理提高了6.3%~22.6%。
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表 3 长期不同施肥下土壤有效锌、全锌及锌活化系数 Table 3 Soil available Zn, total Zn and activation coefficient of Zn under long-term different fertilization |
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表 4 不同施肥处理土壤有效锌、全锌、锌活化系数随时间变化趋势 Table 4 Variation trend of soil available Zn, total Zn and activation coefficient of Zn with time under different fertilization treatments |
2019年各处理土壤全锌含量较试验前提高了24.3%~58.7%。各处理土壤全锌含量随试验年限增加不断增加，年增长速率为0.82~1.82 mg·kg–1，处理间大小表现为：MNPK > CK > NK > NPK > 0.5MNP > M，但仅CK、NK、MNPK处理线性拟合方程达显著水平。2007年后不同施肥处理土壤全锌含量均以M和0.5MNP处理最低，2019年较其他处理降低了6.5%~21.7%。
2019年CK和NK处理土壤锌活化系数较试验前分别降低了0.91个百分点和1.29个百分点，土壤锌活化系数随试验年限增加呈显著下降趋势，年下降速率分别为0.04和0.05个百分点；NPK处理土壤锌活化系数较试验前增加了0.21个百分点，但随试验年限增加土壤锌活化系数基本持平；施用有机肥各处理土壤锌活化系数较试验前增加了0.89~1.67个百分点，年增长速率表现为：M（0.06） > MNPK（0.05） > 0.5MNP（0.03），但仅M处理线性拟合方程达显著水平。自2007年起土壤锌活化系数均以施用有机肥的各处理较高，NK处理最低。2019年NPK处理土壤锌活化系数较NK处理显著提高了1.49个百分点，施用有机肥的各处理较NPK处理显著提高了0.68~1.47个百分点。
2.2 长期施肥对土壤锌形态的影响弱酸可溶态锌（F1）含量随着试验年限增加不断增加（表 5），2007年各处理较试验前提高了6.3%~293.8%，2019年各处理F1为试验前的7. 1倍~15.1倍；可还原态锌（F2）含量除施用有机肥的处理2019年较试验前提高了29.3%~43.9%外，其他处理与试验前基本持平；可氧化态锌（F3）含量随试验年限增加不断增加，2007年各处理较试验前提高了18.4%~44.8%，2019年各处理为试验前的9.6倍~13.1倍；残渣态锌（F4）含量表现为M和0.5MNP处理随试验年限增加基本维持不变，其他处理在2007年较试验前提高了24.9%~56.3%，2019年与2007年相当。不同施肥处理各形态锌含量在2007年和2019年规律基本一致。NK处理较CK处理显著降低了弱酸可溶态锌含量，2019年降幅为15.7%；NPK处理较NK处理弱酸可溶态锌和可还原态锌含量有小幅提升，2019年增幅分别为15.9%和5.3%；施用有机肥各处理弱酸可溶态锌、可还原态锌、可氧化态锌含量较NPK处理显著增加，2019年增幅分别为33.6%~84.0%、32.5%~47.4%、25.5%~36.3%；M和0.5MNP处理残渣态锌含量显著低于其他各处理，2019年降幅为20.1%~33.7%。
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表 5 长期不同施肥下土壤各形态锌含量 Table 5 Contents of various forms of Zn in soil under long-term different fertilization |
试验前（1994年）弱酸可溶态锌（F1）、可还原态锌（F2）、可氧化态锌（F3）、残渣态锌（F4）占全锌比例分别为0.2%、9.1%、2.2%、87.6%；2007年各处理不同形态锌占全锌比例分别为0.2%~0.9%、6.0%~9.1%、1.9%~3.2%、86.8%~91.9%；2019年各处理不同形态锌占全锌比例分别为1.0%~2.6%、5.4%~10.0%、13.8%~23.1%、64.4%~79.8%（图 1）。可见，随试验年限增加，F1和F3占比呈不断增加趋势，F4在连续施肥25年后占比明显降低。NK处理各组分占比与CK处理差异不显著；NPK处理2019年F1、F2、F3占比分别较NK处理显著提高了0.3个百分点、1.1个百分点、2.0个百分点，F4占比无显著变化；施用有机肥的处理2007年和2019年F1、F2、F3占比均高于NPK处理，F4则显著低于NPK处理。2019年，与NPK处理相比，施用有机肥的处理F1、F2、F3占比分别增加了0.6~1.3个百分点、1.7~3.4个百分点、1.2~7.3个百分点，F4降低了3.6~12.0个百分点。
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图 1 长期不同施肥下土壤锌形态占全锌比例 Fig. 1 Proportion of soil Zn forms to total Zn under long-term different fertilization |
相关分析表明，土壤有效锌与弱酸可溶态锌、可还原态锌、可氧化态锌呈极显著正相关，与残渣态锌呈极显著负相关，其中与可还原态锌和弱酸可溶态锌相关系数较高（表 6）。通径分析表明，弱酸可溶态锌、可氧化态锌、残渣态锌对土壤有效锌的直接影响达显著水平，其中弱酸可溶态锌直接通径系数最大为1.090。弱酸可溶态锌对土壤有效锌含量具有正向直接影响，可还原态锌主要通过间接影响弱酸可溶态锌来影响土壤有效锌含量。可氧化态锌和残渣态锌对土壤有效锌含量具有负向直接影响，但可氧化态锌通过间接影响弱酸可溶态锌，对土壤有效锌有较大的正向间接效应，因此，其与有效锌之间的显著正相关是由间接效应造成的。为了验证通径分析结果，再进行逐步回归分析，结果表明，不同锌形态对土壤有效锌的逐步回归方程为：y=3.839+1.650x1–0.077x3–0.017x4，弱酸可溶态锌、可氧化态锌、残渣态锌对土壤有效锌含量有显著直接影响，与通径分析结果一致。
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表 6 土壤中各形态锌与有效锌之间的相关系数和通径系数 Table 6 Correlation coefficient and path coefficient between different forms of Zn and available Zn in soil |
土壤各形态锌是影响有效锌含量的重要因素，褐土[6]和棕壤[23]上相关分析和通径分析结果表明，可还原态锌与有效锌相关系数最大，是土壤有效锌的直接来源。本研究与上述研究结果一致，土壤有效锌与弱酸可溶态锌、可还原态锌、可氧化态锌均呈极显著正相关，与残渣态锌呈极显著负相关，其中与可还原态锌的相关系数最大（表 6）。通径分析表明弱酸可溶态锌是有效锌的直接来源，可还原态锌和可氧化态锌是有效锌的缓存库（表 6），可通过转化为弱酸可溶态锌提高土壤锌有效性，残渣态锌的形成可降低有效锌含量。因此，促进锌素向弱酸可溶态锌、可还原态锌及可氧化态锌转化，可提高土壤中有效锌的含量及其有效性。
3.1 施用氮磷肥对土壤锌有效性的影响本研究中偏施氮钾肥处理土壤有效锌和锌活化系数均低于不施肥处理（表 3），其原因可能是施用氮肥增加了地上部生物量，增加了作物对锌的吸收，进而降低了土壤有效锌含量，加重了土壤缺锌程度，与黄德明等[24]研究一致。在氮钾肥基础上施用磷肥显著提高了土壤有效锌含量和锌活化系数（表 3），施用化学磷肥可小幅提高土壤锌有效性。其原因可能是施用磷肥促进了作物根系的生长发育，增加了作物的根系活力，提高了土壤微生物的活性，使土壤中难溶态锌向有效态锌转化，从而增加锌的生物有效性[25]。另一方面，施用一定量磷肥可降低土壤对锌的吸附能力[26]，促进锌解吸，增加土壤锌有效性。这与本研究中施用磷肥可提高土壤弱酸可溶态锌和可还原态锌等活性较高锌形态含量结果（表 5）相吻合，与王美等[27]在红壤上的研究结果相似。
3.2 施用有机肥对土壤锌有效性的影响本研究中长期施用有机肥处理土壤有效锌含量和锌活化系数显著高于施用化肥处理，土壤有效锌及锌活化系数随试验年限增加呈显著增加趋势（表 4），与郭晋[28]在褐土上研究一致。其原因是有机肥自身含有锌，其自身释放的锌可提升土壤锌有效性[29]。另一方面，施用有机肥改变了土壤养分及环境[30]，促进土壤锌向活性较高的形态转化，本研究中施用有机肥的处理显著提高了土壤弱酸可溶态锌、可还原态锌及可氧化态锌含量及其占全锌的比例，降低了残渣态锌占全锌的比例（表 5，图 1），进而提高了土壤锌有效性。此外，M与0.5MNP处理土壤残渣态锌含量与试验前持平，土壤全锌增加的锌主要分配在活性较高的弱酸可溶态锌、可还原态锌及可氧化态锌中（表 5），说明合理施用有机肥可促进作物生长，增加作物锌吸收，促进锌向有效态转化和移动，避免其向无效态转化和累积[31]。
3.3 土壤锌有效性的施肥调控与前人结果[32-33]一致，黄壤稻田上水稻植株磷锌之间也呈现一定拮抗作用，施用磷肥可降低水稻秸秆和籽粒锌含量，以高量施磷的MNPK处理降幅最大，水稻茎叶和籽粒锌含量主要受磷肥施用量影响[34]。而本研究中施用化学磷肥和有机肥均可不同程度提高土壤锌有效性（表 3），说明施用磷肥降低了作物对锌的吸收，使土壤中残留的有效锌增加。黄婷苗等[35]研究表明，土壤有效锌水平、施磷量、土壤有效磷水平是调控黄淮麦区小麦籽粒锌含量差异的重要原因，在缺锌土壤上应首先解决土壤缺锌问题，在不缺锌土壤上应适当减少磷肥施用和降低土壤有效磷水平以提高小麦锌含量。由于本研究中各处理土壤有效锌含量均高于2 mg·kg–1，土壤有效锌处于高水平，从而导致土施锌肥（即施用有机肥）对植株和籽粒锌含量的提升较小。与大多研究结果[36]一致，课题组取长期定位试验土壤进行叶面喷施锌肥盆栽试验，结果表明叶面喷施锌肥可显著提高水稻籽粒锌含量。可见，农业生产中应避免长期过量施用磷肥，并可结合叶面喷施锌肥提高稻米锌含量。在有效锌缺乏的土壤中，可通过合理施肥促进锌向有效态锌转化，提高土壤锌有效性，促进作物对土壤锌的吸收[37]。常规施磷量下，合理配施有机肥可提高作物产量[38]，同时还可增加弱酸可溶态锌、可还原态锌和可氧化态锌含量及其占全锌比例，促进锌向活性较强的方向移动，减少残渣态锌的累积，提高土壤锌生物有效性。
4 结论长期缺磷降低了土壤有效锌含量及锌活化系数，长期施用化学磷肥可小幅提升土壤有效锌含量和锌活化系数。长期施用有机肥可大幅提高黄壤稻田有效锌含量和锌活化系数，提高弱酸可溶态锌、可还原态锌、可氧化态锌含量及其占全锌比例，降低残渣态锌占比。土壤各形态锌与有效锌之间具有较好的相关性，弱酸可溶态锌是有效锌的直接来源，可还原态锌和可氧化态锌是有效锌的缓存库，残渣态锌含量增加可降低土壤有效锌含量。
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