长期施肥对作物收获物中微量元素含量的影响

长期施肥对作物收获物中微量元素含量的影响

收获中的养分是人类获得养分的直接途径。作物体内的养分受品种、气候、地区、水分、施肥等因素的影响。因此，在不同的环境条件下，植物体内营养物质的含量变化。然而,随着人们生活水平的提高,营养不良问题日益凸显,前人对作物微量元素的研究多集中在各种因素对作物品质的影响上,忽视了各种因素对作物收获物中微量元素含量、进而对整个农田生态系统的影响,且多以小麦、水稻等作物为研究对象,对世界三大粮食产物之一的玉米及农田最主要固氮作物大豆的研究较少。下辽河平原地区是我国主要的商品粮基地,该地粮食丰欠将关乎国家粮食安全。本文以一组在下辽河平原进行18年的长期定位试验为平台,研究了长期不同施肥处理玉米和大豆收获物中的微量元素含量及其分配,以期为保持农业可持续发展、有效利用农田生态系统中的微量元素提供理论依据。1材料和方法1.1苏集南果梨酒的生产概况田间试验在中国科学院沈阳生态实验站(41°32′N,122°23′E)进行,该站位于下辽河平原中部偏东,属暖温带湿润半湿润大陆性季风气候,四季分明,雨热同季,夏季炎热,冬季寒冷。年均气温7~8℃,夏季平均气温24℃。年均≥10℃活动积温3300~3400℃,太阳总辐射量5409.9~5599.8kJ·cm-2,无霜期147~168d。年均降雨量600~700mm,年蒸发量1480~1756mm。试验地土壤为草甸棕壤,试验开始时土壤主要理化性质见表1,部分微量元素含量全铁26458.7mg·kg-1,全锰569.41mg·kg-1,全锌49.48mg·kg-1,全铜24.83mg·kg-1,全铅22.53mg·kg-1。1.2化肥、循环肥料配施。根据其规定,有机肥料可分为7.田间试验开始于1990年,共设12个处理,根据本研究需要,选取其中4个典型处理:Ⅰ.不施肥(CK);Ⅱ.循环猪圈肥(M),每年收获籽实的80%喂猪,全部大豆秸秆和1/2玉米秸秆经粉碎后垫圈,翌年春猪圈肥循环返回原小区;Ⅲ.化肥(NPK),氮肥用量为纯N150kg·hm-2,用尿素折算,磷肥用量为纯P25.0kg·hm-2,用重过磷酸钙折算,钾肥用量为纯K60.0kg·hm-2,用硫酸钾折算;Ⅳ.化肥+循环猪圈肥(NPK+M),NPK用量同Ⅲ,循环操作同Ⅱ。需要说明的是,本试验不同于一般的有机无机肥料配施试验,其有机肥料量来源于作物的生物学产量循环回田的有机养分量与本处理作物吸收的养分量密切相关。确切地说,是完成了“施肥-作物吸收-喂饲、堆腐-制成堆肥-回田”这一循环过程。试验设3次重复,小区面积162m2,轮作方式为大豆-玉米-玉米,其中大豆不施氮肥,玉米每年追施尿素。各小区产量均单打单收,籽实和秸秆产量分别计重,由于大豆收获时叶片均已凋落,故大豆秸秆产量中未包括落叶部分。1.3微量元素含量测定2007年作物收获季节,采用S形布点于每个小区随机采集玉米6株或大豆20株作为一个样品,将样品分为籽实和秸秆(除籽实以外的所有地上收获部分)两部分,经烘干粉碎后,分别混匀取样,以测定植物中微量元素含量。作物全量Fe、Mn、Zn、Cu用HNO3-HClO4消解、ICP-AES(Optima3000)测定,土壤全氮与全碳用元素分析仪(VarioELⅢ)测定,全磷采用无水Na2CO3熔融法-钼锑抗比色法测定,全钾采用NaOH熔融-火焰光度计法测定,速效磷采用0.5mol·L-1NaHCO3-钼锑抗比色法测定,pH用pH计、水∶土=2.5∶1测定,其他测定项目均采用常规方法。1.4数据分析试验结果中所有数据处理均由EXCEL2003完成,方差分析、均值比较、相关分析及回归分析由SAS8.2完成。2结果与分析2.1不同施肥处理下玉米中微量元素的含量作物收获物中微量元素含量受栽培方式、施肥水平等影响。本文所述微量元素含量是指单位面积作物收获物中微量元素的总量,用作物体内微量元素浓度与作物产量计算而得。该值仅包括作物秸秆和籽实部分的微量元素,未将作物根系计算在内虽不能如实反映微量元素在作物亚系统中的真实含量,但对计算农田中微量元素的收支,评价农田微量元素的循环利用具有更为重要的意义。不同施肥处理下2007年作物收获物中微量元素含量见表2。由表2可知,不管是玉米还是大豆,不同微量元素含量间均表现为Fe含量最高,Mn和Zn次之,Cu最低;而不同作物间Fe、Mn、Zn含量也表现出显著差异,玉米收获物显著高于大豆,这主要与作物产量有关。不同处理间,各微量元素含量也表现为NPK+M处理最高,NPK处理次之,CK处理最低。多重比较表明,在玉米收获物中,施肥处理微量元素含量显著高于CK处理(P<0.05);在大豆收获物中,NPK+M处理各元素含量均显著高于其他3个处理(P<0.05),NPK和M处理各微量元素含量亦显著高于CK处理(P<0.05),除Cu外,NPK处理和M处理间微量元素含量也存在显著差异(P<0.05)。2.2对作物收获物中微量元素含量的影响玉米和大豆收获物中微量元素含量与作物产量间均有极显著线性相关关系,两者间的回归关系如图1和图2所示。从图中可以看出,作物收获物中微量元素含量随产量的升高而增加,外界环境变化对作物产量的影响可以反馈到对作物收获物中微量元素含量的影响上。玉米收获物中Fe、Mn、Zn、Cu含量与秸秆产量的线性回归关系中R2分别为0.99、0.94、0.92、0.87,大豆收获物中Fe、Mn含量与秸秆产量的线性回归关系中R2均为0.97,Zn、Cu与籽实产量的线性回归关系中R2分别为1.00和0.97。2.3不同处理玉米和大豆中微量元素的含量作物收获物中微量元素的分配用其分配比来表示,此处所述分配比是指秸秆与籽实中微量元素含量之间的比值。作物收获物中的微量元素在秸秆和籽实间的分配因作物及元素的不同而有所差异,不同施肥处理玉米和大豆收获物中微量元素的分配比如表3所示。微量元素分配比在玉米和大豆中均表现为Fe、Mn>Zn、Cu;而同一元素在玉米和大豆收获物中的分配有所不同。玉米收获物中,微量元素(除Zn外)主要集中在秸秆中,而大豆却相反,主要集中在籽实中;不同处理间,作物收获物中微量元素的分配比大都表现为CK处理最大,而NPK+M和M处理次之,NPK处理最小。作物产量对收获物中微量元素的分配比也有一定影响。玉米收获物中Zn的分配比与籽实产量有显著相关关系(r=-0.84,P<0.01),而Cu的分配比与秸秆产量间也有显著相关关系(r=0.82,P<0.05);大豆收获物中Zn的分配比与籽实产量和秸秆产量间均有显著相关性(r=0.77,r=0.90,P<0.05)。作物收获物中微量元素的分配比与作物产量间的拟合关系如图3所示。3施肥对作物产量和作物中微量元素的影响作物收获物中各微量元素含量间存在显著差异,这主要是由于作物体内各微量元素浓度差异大所致。不同地区作物收获物中微量元素含量也不同,表4列出了本文及之前相关学者研究所得出的玉米收获物中微量元素的含量范围。由表4可知,不同地区作物收获物中微量元素含量存在差异,这与各地土壤条件、作物生长习性和养分吸收能力有关。孙勇等研究发现,全国各地玉米植株内微量元素的浓度变异很大,而同一地区作物收获物中微量元素含量的变化范围也很广这主要因施肥管理差异导致作物产量变化所致。相对于玉米的研究结果,目前对于大豆收获物中微量元素含量的研究还较少。不同处理间作物收获物中微量元素含量表现为NPK+M>NPK>M>CK,这与不同处理间作物产量的高低变化相一致,其原因在于,施肥虽然一定程度上对作物微量元素的浓度产生影响,但施肥亦影响作物产量,而作物收获物中微量元素含量受作物产量和作物中微量元素浓度的共同影响。相对于作物中微量元素浓度随施肥水平发生的变化,施肥对作物产量的影响更大,作物收获物中微量元素含量与作物产量间的相关关系就很好地阐明了这一点。同时,该试验前期研究表明,当试验进行到2007年时,土壤有效态微量元素仍维持在较高水平不会对作物吸收微量元素形成障碍。大豆收获物中微量元素含量远小于玉米,这与大豆产量较低有关,同时也表明,大豆茬不仅在大量元素上有肥田的效用,在微量元素上也会因移出量较低而具有肥田效果。作物收获物中微量元素含量与作物籽实产量(或秸秆产量)间存在着极显著相关关系(P<0.01),这对于研究大范围或长时间尺度上作物收获物中微量元素的含量具有重要意义。通过作物产量和这些线性关系,即可估算农田微量元素的支出状况并对微量元素的循环利用进行计算,从而得出农田微量元素有序利用的合理依据。不同作物收获物中微量元素的分配比存在差异,因而在提出微量元素循环再利用的合理建议时应具体问题具体分析。玉米收获物中微量元素含量高于大豆,且玉米收获物中微量元素主要集中在秸秆中,而大豆收获物中含量较低,且主要集中于籽实中,因而,玉米秸秆还田具有更重要的生态学和营养学意义,符合循环经济的要求,能够满足可持续的目的。当前我国微量元素肥料的使用尚处于起步阶段,在广大农村,农田土壤中微量元素的变化尚无法通过施加微量元素肥料进行补充,如果将玉米秸秆还田,在玉米-大豆轮作系统中,可以将作物系统带走的Fe、Mn、Zn、Cu的74%、61%、33%、42%返回农田;对于本试验所采取的玉米-玉米-大豆的轮作方式,该比例可以达到86%、82%、44%、60%;而对于东北地区长期采用的玉米连作系统,该比例更是可以达到90%、90%、50%、75%。虽然Zn的返还率较低,但大气沉降是农田Zn的主要来源,对于农田中Zn的移出具有补充作用。可见,实行农田微量元素的循环利用,哪怕仅是简单的秸秆还田,对于维持农田的可持续发展仍具有重要意义。4农作物养分循环利用与作物籽实或秸秆产量间的关系作物收获物中Fe含量最高,Mn和Zn次之,Cu最低,且玉米收获物中微量元素含量远大于大豆。不同施肥处理间作物收获物中微量元素含量差异显著,表现为NPK+M>NPK>M>CK,与不同施肥处理间作物的产量变化相似。作物收获物中微量元素含量与作物籽实或秸秆产量间有极显著相关关系。不同作物收获物中微量元素的分配各不相同玉米收获物中微量元素主要分配在秸秆中,而大豆收获物中籽实富集了大量的微量元素,