長期施肥對作物收獲物中微量元素含量的影響

長期施肥對作物收獲物中微量元素含量的影響

收獲中的養(yǎng)分是人類獲得養(yǎng)分的直接途徑。作物體內(nèi)的養(yǎng)分受品種、氣候、地區(qū)、水分、施肥等因素的影響。因此，在不同的環(huán)境條件下，植物體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的含量變化。然而,隨著人們生活水平的提高,營養(yǎng)不良問題日益凸顯,前人對作物微量元素的研究多集中在各種因素對作物品質(zhì)的影響上,忽視了各種因素對作物收獲物中微量元素含量、進(jìn)而對整個農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響,且多以小麥、水稻等作物為研究對象,對世界三大糧食產(chǎn)物之一的玉米及農(nóng)田最主要固氮作物大豆的研究較少。下遼河平原地區(qū)是我國主要的商品糧基地,該地糧食豐欠將關(guān)乎國家糧食安全。本文以一組在下遼河平原進(jìn)行18年的長期定位試驗為平臺,研究了長期不同施肥處理玉米和大豆收獲物中的微量元素含量及其分配,以期為保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、有效利用農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的微量元素提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1蘇集南果梨酒的生產(chǎn)概況田間試驗在中國科學(xué)院沈陽生態(tài)實驗站(41°32′N,122°23′E)進(jìn)行,該站位于下遼河平原中部偏東,屬暖溫帶濕潤半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,雨熱同季,夏季炎熱,冬季寒冷。年均氣溫7~8℃,夏季平均氣溫24℃。年均≥10℃活動積溫3300~3400℃,太陽總輻射量5409.9~5599.8kJ·cm-2,無霜期147~168d。年均降雨量600~700mm,年蒸發(fā)量1480~1756mm。試驗地土壤為草甸棕壤,試驗開始時土壤主要理化性質(zhì)見表1,部分微量元素含量全鐵26458.7mg·kg-1,全錳569.41mg·kg-1,全鋅49.48mg·kg-1,全銅24.83mg·kg-1,全鉛22.53mg·kg-1。1.2化肥、循環(huán)肥料配施。根據(jù)其規(guī)定,有機(jī)肥料可分為7.田間試驗開始于1990年,共設(shè)12個處理,根據(jù)本研究需要,選取其中4個典型處理:Ⅰ.不施肥(CK);Ⅱ.循環(huán)豬圈肥(M),每年收獲籽實的80%喂豬,全部大豆秸稈和1/2玉米秸稈經(jīng)粉碎后墊圈,翌年春豬圈肥循環(huán)返回原小區(qū);Ⅲ.化肥(NPK),氮肥用量為純N150kg·hm-2,用尿素折算,磷肥用量為純P25.0kg·hm-2,用重過磷酸鈣折算,鉀肥用量為純K60.0kg·hm-2,用硫酸鉀折算;Ⅳ.化肥+循環(huán)豬圈肥(NPK+M),NPK用量同Ⅲ,循環(huán)操作同Ⅱ。需要說明的是,本試驗不同于一般的有機(jī)無機(jī)肥料配施試驗,其有機(jī)肥料量來源于作物的生物學(xué)產(chǎn)量循環(huán)回田的有機(jī)養(yǎng)分量與本處理作物吸收的養(yǎng)分量密切相關(guān)。確切地說,是完成了“施肥-作物吸收-喂飼、堆腐-制成堆肥-回田”這一循環(huán)過程。試驗設(shè)3次重復(fù),小區(qū)面積162m2,輪作方式為大豆-玉米-玉米,其中大豆不施氮肥,玉米每年追施尿素。各小區(qū)產(chǎn)量均單打單收,籽實和秸稈產(chǎn)量分別計重,由于大豆收獲時葉片均已凋落,故大豆秸稈產(chǎn)量中未包括落葉部分。1.3微量元素含量測定2007年作物收獲季節(jié),采用S形布點(diǎn)于每個小區(qū)隨機(jī)采集玉米6株或大豆20株作為一個樣品,將樣品分為籽實和秸稈(除籽實以外的所有地上收獲部分)兩部分,經(jīng)烘干粉碎后,分別混勻取樣,以測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)測定,土壤全氮與全碳用元素分析儀(VarioELⅢ)測定,全磷采用無水Na2CO3熔融法-鉬銻抗比色法測定,全鉀采用NaOH熔融-火焰光度計法測定,速效磷采用0.5mol·L-1NaHCO3-鉬銻抗比色法測定,pH用pH計、水∶土=2.5∶1測定,其他測定項目均采用常規(guī)方法。1.4數(shù)據(jù)分析試驗結(jié)果中所有數(shù)據(jù)處理均由EXCEL2003完成,方差分析、均值比較、相關(guān)分析及回歸分析由SAS8.2完成。2結(jié)果與分析2.1不同施肥處理下玉米中微量元素的含量作物收獲物中微量元素含量受栽培方式、施肥水平等影響。本文所述微量元素含量是指單位面積作物收獲物中微量元素的總量,用作物體內(nèi)微量元素濃度與作物產(chǎn)量計算而得。該值僅包括作物秸稈和籽實部分的微量元素,未將作物根系計算在內(nèi)雖不能如實反映微量元素在作物亞系統(tǒng)中的真實含量,但對計算農(nóng)田中微量元素的收支,評價農(nóng)田微量元素的循環(huán)利用具有更為重要的意義。不同施肥處理下2007年作物收獲物中微量元素含量見表2。由表2可知,不管是玉米還是大豆,不同微量元素含量間均表現(xiàn)為Fe含量最高,Mn和Zn次之,Cu最低;而不同作物間Fe、Mn、Zn含量也表現(xiàn)出顯著差異,玉米收獲物顯著高于大豆,這主要與作物產(chǎn)量有關(guān)。不同處理間,各微量元素含量也表現(xiàn)為NPK+M處理最高,NPK處理次之,CK處理最低。多重比較表明,在玉米收獲物中,施肥處理微量元素含量顯著高于CK處理(P<0.05);在大豆收獲物中,NPK+M處理各元素含量均顯著高于其他3個處理(P<0.05),NPK和M處理各微量元素含量亦顯著高于CK處理(P<0.05),除Cu外,NPK處理和M處理間微量元素含量也存在顯著差異(P<0.05)。2.2對作物收獲物中微量元素含量的影響玉米和大豆收獲物中微量元素含量與作物產(chǎn)量間均有極顯著線性相關(guān)關(guān)系,兩者間的回歸關(guān)系如圖1和圖2所示。從圖中可以看出,作物收獲物中微量元素含量隨產(chǎn)量的升高而增加,外界環(huán)境變化對作物產(chǎn)量的影響可以反饋到對作物收獲物中微量元素含量的影響上。玉米收獲物中Fe、Mn、Zn、Cu含量與秸稈產(chǎn)量的線性回歸關(guān)系中R2分別為0.99、0.94、0.92、0.87,大豆收獲物中Fe、Mn含量與秸稈產(chǎn)量的線性回歸關(guān)系中R2均為0.97,Zn、Cu與籽實產(chǎn)量的線性回歸關(guān)系中R2分別為1.00和0.97。2.3不同處理玉米和大豆中微量元素的含量作物收獲物中微量元素的分配用其分配比來表示,此處所述分配比是指秸稈與籽實中微量元素含量之間的比值。作物收獲物中的微量元素在秸稈和籽實間的分配因作物及元素的不同而有所差異,不同施肥處理玉米和大豆收獲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現(xiàn)為Fe、Mn>Zn、Cu;而同一元素在玉米和大豆收獲物中的分配有所不同。玉米收獲物中,微量元素(除Zn外)主要集中在秸稈中,而大豆卻相反,主要集中在籽實中;不同處理間,作物收獲物中微量元素的分配比大都表現(xiàn)為CK處理最大,而NPK+M和M處理次之,NPK處理最小。作物產(chǎn)量對收獲物中微量元素的分配比也有一定影響。玉米收獲物中Zn的分配比與籽實產(chǎn)量有顯著相關(guān)關(guān)系(r=-0.84,P<0.01),而Cu的分配比與秸稈產(chǎn)量間也有顯著相關(guān)關(guān)系(r=0.82,P<0.05);大豆收獲物中Zn的分配比與籽實產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量間均有顯著相關(guān)性(r=0.77,r=0.90,P<0.05)。作物收獲物中微量元素的分配比與作物產(chǎn)量間的擬合關(guān)系如圖3所示。3施肥對作物產(chǎn)量和作物中微量元素的影響作物收獲物中各微量元素含量間存在顯著差異,這主要是由于作物體內(nèi)各微量元素濃度差異大所致。不同地區(qū)作物收獲物中微量元素含量也不同,表4列出了本文及之前相關(guān)學(xué)者研究所得出的玉米收獲物中微量元素的含量范圍。由表4可知,不同地區(qū)作物收獲物中微量元素含量存在差異,這與各地土壤條件、作物生長習(xí)性和養(yǎng)分吸收能力有關(guān)。孫勇等研究發(fā)現(xiàn),全國各地玉米植株內(nèi)微量元素的濃度變異很大,而同一地區(qū)作物收獲物中微量元素含量的變化范圍也很廣這主要因施肥管理差異導(dǎo)致作物產(chǎn)量變化所致。相對于玉米的研究結(jié)果,目前對于大豆收獲物中微量元素含量的研究還較少。不同處理間作物收獲物中微量元素含量表現(xiàn)為NPK+M>NPK>M>CK,這與不同處理間作物產(chǎn)量的高低變化相一致,其原因在于,施肥雖然一定程度上對作物微量元素的濃度產(chǎn)生影響,但施肥亦影響作物產(chǎn)量,而作物收獲物中微量元素含量受作物產(chǎn)量和作物中微量元素濃度的共同影響。相對于作物中微量元素濃度隨施肥水平發(fā)生的變化,施肥對作物產(chǎn)量的影響更大,作物收獲物中微量元素含量與作物產(chǎn)量間的相關(guān)關(guān)系就很好地闡明了這一點(diǎn)。同時,該試驗前期研究表明,當(dāng)試驗進(jìn)行到2007年時,土壤有效態(tài)微量元素仍維持在較高水平不會對作物吸收微量元素形成障礙。大豆收獲物中微量元素含量遠(yuǎn)小于玉米,這與大豆產(chǎn)量較低有關(guān),同時也表明,大豆茬不僅在大量元素上有肥田的效用,在微量元素上也會因移出量較低而具有肥田效果。作物收獲物中微量元素含量與作物籽實產(chǎn)量(或秸稈產(chǎn)量)間存在著極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01),這對于研究大范圍或長時間尺度上作物收獲物中微量元素的含量具有重要意義。通過作物產(chǎn)量和這些線性關(guān)系,即可估算農(nóng)田微量元素的支出狀況并對微量元素的循環(huán)利用進(jìn)行計算,從而得出農(nóng)田微量元素有序利用的合理依據(jù)。不同作物收獲物中微量元素的分配比存在差異,因而在提出微量元素循環(huán)再利用的合理建議時應(yīng)具體問題具體分析。玉米收獲物中微量元素含量高于大豆,且玉米收獲物中微量元素主要集中在秸稈中,而大豆收獲物中含量較低,且主要集中于籽實中,因而,玉米秸稈還田具有更重要的生態(tài)學(xué)和營養(yǎng)學(xué)意義,符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求,能夠滿足可持續(xù)的目的。當(dāng)前我國微量元素肥料的使用尚處于起步階段,在廣大農(nóng)村,農(nóng)田土壤中微量元素的變化尚無法通過施加微量元素肥料進(jìn)行補(bǔ)充,如果將玉米秸稈還田,在玉米-大豆輪作系統(tǒng)中,可以將作物系統(tǒng)帶走的Fe、Mn、Zn、Cu的74%、61%、33%、42%返回農(nóng)田;對于本試驗所采取的玉米-玉米-大豆的輪作方式,該比例可以達(dá)到86%、82%、44%、60%;而對于東北地區(qū)長期采用的玉米連作系統(tǒng),該比例更是可以達(dá)到90%、90%、50%、75%。雖然Zn的返還率較低,但大氣沉降是農(nóng)田Zn的主要來源,對于農(nóng)田中Zn的移出具有補(bǔ)充作用?？梢?實行農(nóng)田微量元素的循環(huán)利用,哪怕僅是簡單的秸稈還田,對于維持農(nóng)田的可持續(xù)發(fā)展仍具有重要意義。4農(nóng)作物養(yǎng)分循環(huán)利用與作物籽實或秸稈產(chǎn)量間的關(guān)系作物收獲物中Fe含量最高,Mn和Zn次之,Cu最低,且玉米收獲物中微量元素含量遠(yuǎn)大于大豆。不同施肥處理間作物收獲物中微量元素含量差異顯著,表現(xiàn)為NPK+M>NPK>M>CK,與不同施肥處理間作物的產(chǎn)量變化相似。作物收獲物中微量元素含量與作物籽實或秸稈產(chǎn)量間有極顯著相關(guān)關(guān)系。不同作物收獲物中微量元素的分配各不相同玉米收獲物中微量元素主要分配在秸稈中,而大豆收獲物中籽實富集了大量的微量元素,