黄土高原不同轮作次序对土壤有机质和有效态微量元素分布的影响

李　龙，魏孝荣，郝明德,3

(1.西北农林科技大学资源环境学院， 陕西 杨凌 712100；

2.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 陕西 杨凌 712100；

3.西北农林科技大学水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100)



黄土高原不同轮作次序对土壤有机质和有效态微量元素分布的影响

李龙1，魏孝荣2，郝明德1,3

(1.西北农林科技大学资源环境学院， 陕西 杨凌 712100；

2.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 陕西 杨凌 712100；

3.西北农林科技大学水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100)

摘要：对长武县十里铺村长期定位试验旱地土壤，用重铬酸钾容量法对土壤有机质进行测定，用DTPA浸提-原子吸收法对有效态微量元素进行测定，研究不同轮作次序对土壤有机质和有效态微量元素分布的影响。结果表明，土壤有效态微量元素的分布除受微量元素总量的影响外，还与作物的轮作次序有关。不同轮作次序土壤有机质均呈现先减小后增大的趋势，有效铁由上到下持续增加，有效锰和有效锌呈现上高下低的趋势，有效铜的分布趋势是由上到下先增加后缓慢减少。粮草轮作体系80～100 cm土层有机质含量在11.08～11.89 g·kg(-1)之间，粮豆轮作体系该土层含量为11.04～11.72 g·kg(-1)之间。粮草轮作系统中3年小麦的土壤有效铁和有效锰含量较低，种植苜蓿和马铃薯可以提高土壤有效锰含量，连续种植小麦和连续种植苜蓿土壤有效锌和有效铜含量出现下降的趋势。粮豆轮作系统中小麦+糜子茬口土壤有效铁含量较高，小麦茬口的土壤有效锰含量最低，比小麦+糜子茬口和豌豆茬口的含量平均低7.73%～30.55%。粮草轮作系统中土壤有效态微量元素的含量高于粮豆轮作系统，在80 cm以上土层，两个轮作系统中土壤有效态微量元素的含量差异较大，在该土层以下，两个系统间的差异减小。

关键词：黄土高原；轮作；有机质；有效态微量元素

微量元素主要来源于土壤，是植物生长发育必需的微量元素，对植物生长有重要意义，它们在土壤中的含量、形态分布和有效性受自然因素和人为因素双重影响，其中耕作制度是影响土壤微量元素有效性的重要人为因素[1-5]。据报道，在2000多年前就有了关于黄土高原作物轮作制度的记载，并指出了作物轮作的必要性。轮作是用地养地相结合的一种生物学措施，它是指在同一块田地上，有顺序地在季节间或年季间轮换种植不同的作物或复种组合的一种种植方式。科学合理的轮作措施具有良好的生态环境效益和经济效益，具有防治农田三害、均衡利用土壤养分和调节土壤肥力等优点[6-9]。长期轮作使土壤中微量元素的含量和分布发生了很大的变化，其最大特征就是耕层土壤的淋溶和深层土壤的相对富集[10]。长期种植作物的土壤表层有机质得到富集[11]，土壤有机质对已知的以各种稳定络合物存在于土壤和水中的Fe、Mn、Zn、Cu离子的积累和运输及其对植物根系供应有重要影响[12-16]。不同种植系统中由于作物生物量、根系活动以及对微量元素的吸收量不同，土壤中微量元素的含量和有效性会存在差异[17-19]。为此，在18年长期定位试验的基础上，研究了不同轮作次序对土壤有效态微量元素含量分布的影响，以期为定量评价土壤微量元素肥力变化和充分发挥微量元素在农业生产中的作用提供依据。

1材料与方法

1.1试验区概况

该长期定位试验开始于1984年，试验布设在黄土高原中南部陕西省长武县十里铺村旱地上。该地区属暖温带半湿润大陆型季风气候，海拔1 200 m，日照时数2 226 h，>10℃积温3 029℃，年均气温9.1℃，无霜期171 d，年均降雨578.5 mm，地下水埋深60 m以下，是典型的旱作雨养农业区。供试土壤为粘质黑垆土，母质是中壤质马兰黄土，全剖面土质均匀疏松，通透性好，试验开始时土壤耕层有机碳含量为6.09 g·kg-1，全氮含量0.779 g·kg-1，有效N含量37.0 mg·kg-1，有效磷含量3.0 mg·kg-1，速效钾含量129.3 mg·kg-1，有效锌含量0.084 mg·kg-1，有效锰含量2.884 mg·kg-1，有效铜含量1.008 mg·kg-1，有效硼含量0.148 mg·kg-1，土壤肥力水平在该地区具有典型代表性。

1.2试验设计

试验设计粮草轮作(CFR)和粮豆轮作(CLR)两个种植系统，2002年粮草轮作系统分别为1年小麦、2年小麦、3年小麦、1年苜蓿、2年苜蓿、3年苜蓿、4年苜蓿和马铃薯八个处理，该系统为连续种植3年小麦，然后种植4年苜蓿，再种植1年马铃薯，隔年再重新开始种植小麦，8年为一轮作周期；粮豆轮作系统设小麦、豌豆和小麦+糜子三个处理，小麦+糜子处理为小麦6月份收获后种植糜子，9月份糜子收获后再种植小麦，3年为一轮作周期。不同处理种植的作物因1984年试验开始时种植作物不同而不同，每个处理均设3个重复，试验小区随机排列，试验小区面积为10.26 m×6.5 m，试验管理同大田。

1.3样品采集及分析

在2002年9月小麦种植前对各处理0～100 cm土壤样品进行采集和分析，0～20 cm耕层土壤每隔10 cm采集一次土壤样品，20～100 cm土层每隔20 cm采集一次土壤样品，自然风干后，分别过1 mm和0.25 mm筛，供养分分析使用。

土壤有机质用重铬酸钾外加热法测定，土壤有效态Fe、Mn、Zn、Cu采用DTPA浸提-原子吸收法进行测定，采用Excel2013进行数据分析处理。

2结果与分析

2.1不同轮作次序对土壤有机质含量剖面分布的影响

2.1.1粮草轮作和粮豆轮作对土壤有机质分布的影响由粮草轮作系统有机质在土壤剖面上的分布(图1)可以看出，4年苜蓿0～20 cm土层有机质含量较高，20～60 cm土层含量迅速下降，60～100 cm土层出现小幅上升，但含量低于0～20 cm土层。其他处理土壤剖面有机质含量分布趋势与4年苜蓿相似。与其他处理相比，3年小麦的各层有机质含量较低，其中0～10 cm土层仅为12.25 g·kg-1，明显低于其他处理。在8年的粮草轮作体系中，轮作次序会影响土壤有机质含量，不同处理土壤有机质剖面分布趋势与种植作物有关，小麦种植年限越久，各土层有机质含量越低，苜蓿种植年限越久，有机质含量越高，种植马铃薯也可以提高土壤的有机质含量。

图1粮草轮作中有机质剖面分布

Fig.1Distribution of soil available organic matter in CFR

粮豆轮作体系中小麦+糜子处理各土层有机质含量高于其他处理(图2)。粮豆轮作体系有机质剖面分布呈现先减小后增大的趋势，在20～40 cm土层出现各处理有机质含量的最小值，其中小麦处理的有机质含量最低，仅为8.37 g·kg-1。在豌豆→小麦→小麦+糜子这样的3年轮作体系中种植小麦+糜子的年份有利于土壤有机质的积累，各土层有机质含量最高。

图2粮豆轮作中有机质剖面分布

Fig.2Distribution of soil aorganic matter in CLR

2.1.2粮草轮作和粮豆轮作土壤有机质分布差异比较粮草轮作系统中耕层有机质含量较粮豆轮作系统有略微提高，这可能是由于粮草轮作系统中苜蓿的生物量较大，根茬和枝叶在土表的残存比较多。粮草轮作系统土壤剖面有机质含量的最小值出现在40～60 cm处，粮豆轮作系统有机质含量的最小值出现在20～40 cm处，可见粮草轮作对20～40 cm土层有机质也有一定的补给作用。粮草轮作体系80～100 cm土层有机质含量在11.08～11.89 g·kg-1之间，粮豆轮作体系该土层含量为11.04～11.72 g·kg-1之间，两个轮作体系之间差异不明显，表明不同轮作体系对深层土壤有机质含量不会产生影响。

2.2粮草轮作对土壤有效态微量元素分布的影响

2.2.1粮草轮作对土壤铁分布的影响土壤有效铁的剖面分布呈现上低下高的趋势，并受粮草轮作次序的影响(图3)。0～10 cm土层土壤有效铁含量较低，其中3年小麦的含量最低，仅为3.494 mg·kg-1。随着小麦种植年限的增加，0～10 cm土层有效铁含量逐渐降低，1年小麦比3年小麦高22.44%，这主要是由于该土层小麦根系活动旺盛，对土壤有效铁有很强的吸收能力。40～100 cm土层有效铁含量逐渐增大，20～40 cm土层有效铁的含量平均为3.756 mg·kg-1，80～100 cm土层有效铁的含量平均为4.561 mg·kg-1，增长了21.43%，其中3年小麦增长幅度最大，增长36.46%。1年苜蓿和4年苜蓿土壤有效铁的剖面分布差别不大，可见种植苜蓿对各层土壤有效铁的含量影响不显著。

图3粮草轮作中有效铁剖面分布

Fig.3Distribution of soil available iron in CFR

2.2.2粮草轮作对土壤锰分布的影响有效锰在土壤剖面上的分布趋势是上高下低，表层(0～20 cm)土壤有效锰含量最高，底层(80～100 cm)土壤含量最低，而且不同茬口土壤有效锰含量也存在很大的差异(图4)。在0～10 cm土层，土壤有效锰的分布趋势是1年小麦>2年小麦>3年小麦，在10～20 cm土层其含量接近，在20～100 cm土层与0～10 cm土层的分布趋势一致，但是各茬口土壤有效锰含量之间的差异没有0～10 cm土层那么大，由此可见，连续种植小麦会使土壤有效锰的含量降低，但是10～20 cm土层由于小麦根系活动旺盛，促进了土壤部分难溶态锰的溶解，对小麦吸收的锰有所补偿，因而使其含量相差不大。苜蓿和马铃薯在0～20 cm土层有效锰的平均含量为8.563 mg·kg-1，较小麦平均高出10.21%，在20～100 cm土层平均高出3.97%，由此可见，种植马铃薯和苜蓿可以提高表层土壤有效锰的含量，但是对深层有效锰含量影响不明显，这主要是由于苜蓿和马铃薯的地上部分生物量比较大，其凋落物在土表大量聚集，腐殖化作用增加了土壤有效锰的补给。

图4粮草轮作中有效锰剖面分布

Fig.4Distribution of soil available manganese in CFR

2.2.3粮草轮作对土壤锌分布的影响土壤有效锌的分布呈现上高下低的趋势，在0～20 cm土层各茬口作物有效锌的平均含量为0.428 mg·kg-1，在20 cm以下土层有效锌含量较稳定，其平均为0.358 mg·kg-1，下降了16.36%。3年小麦和1年苜蓿中土壤有效锌的剖面分布波动比较大，但总体上仍然呈现上高下低的趋势，由于3年小麦是1年苜蓿的前茬作物，所以它们的土壤有效锌剖面分布走向相同。作物枯枝落叶的腐殖化作用可以补充表层土壤由于根系的吸收而减少的土壤有效锌，而深层土壤的有效锌难以补充，所以有效锌的分布呈现上高下低的趋势。有效锌的剖面分布趋势与种植作物类型有关。在0～20 cm土层苜蓿有效锌平均含量为0.406 mg·kg-1，小麦的平均含量为0.446 mg·kg-1，马铃薯的平均含量为0.459 mg·kg-1，由此可见，连续种植苜蓿会明显降低土壤有效锌含量。苜蓿的生物量比较大，需要大量吸收土壤中的有效元素，加之连续种植苜蓿会降低其根系活动能力，对土壤难溶态锌的溶解较少，不足以弥补作物对锌的吸收，所以土壤有效锌含量会降低。

图5粮草轮作中有效锌剖面分布

Fig.5Distribution of soil available zinc in CFR

2.2.4粮草轮作对土壤铜分布的影响由有效铜在土壤剖面上的分布可以看出(图6)，在0～40 cm土层，土壤有效铜的含量持续增加，在40～80 cm土层有效铜的含量较稳定，在80 cm以下土层，有效铜的含量出现下降。在40～80 cm土层，各茬口作物土壤有效铜的含量平均为0.910 mg·kg-1，比0～10 cm土层高35.01%，比80～100 cm土层高29.45%。表层土壤根系活动旺盛，对有效铜的吸收比较大，作物的残留物经过腐殖化作用进入土壤后，有效铜向下迁移至40～80 cm土层富集，深层土壤的有效铜被吸收后无法得到补充，所以有效铜的剖面分布呈现先增加后减少的趋势。连续种植小麦和连续种植苜蓿后土壤有效铜的含量均出现略微下降的趋势，这可能是由于根系的活动逐渐减弱，土壤难溶态铜的溶解不足以弥补作物对有效铜的吸收造成的。

图6粮草轮作中有效铜剖面分布

Fig.6Distribution of soil available copper in CFR

2.3粮豆轮作对土壤有效态微量元素分布的影响

2.3.1粮豆轮作对土壤有效铁分布的影响 粮豆轮作体系中土壤有效铁的分布呈现上低下高的趋势(图7)，在0～20 cm土层各茬口土壤有效铁的平均含量为3.842 mg·kg-1，比80～100 cm土层低18.69%。在耕层土壤(0～20 cm)，作物根系活动较旺盛，对土壤中有效铁吸收比较多，土壤中难溶态铁的溶解不能补给根系对有效铁的吸收，在深层土壤中对有效铁的吸收量较小，所以有效铁的分布呈现上低下高的趋势。在0～20 cm土层小麦茬口有效铁的含量最高，豌豆茬口有效铁含量最低，豌豆的生物量较大，其根系活动旺盛，对有效铁的吸收量较大，因此豌豆茬口的耕层土壤有效铁含量最低。在20～80 cm土层，小麦+糜子茬口土壤有效铁含量较高，小麦和豌豆的土壤有效铁含量较低，在80～100 cm土层，小麦+糜子茬口土壤有效铁含量较低。小麦+糜子茬口是小麦收获后种植糜子，糜子根系对深层土壤有效铁具有吸附作用，但其根系分布较浅，因此其耕层土壤中有效铁含量比小麦茬口低，深层土壤中的有效铁在20～80 cm土层富集，80 cm以下土层分布较少。

图7粮豆轮作中有效铁剖面分布

Fig.7Distribution of soil available iron in CLR

2.3.2粮豆轮作对土壤有效锰分布的影响土壤有效锰的分布呈现上高下低的趋势(图8)，小麦茬口的土壤有效锰在各土层含量均最低，豌豆茬口比小麦+糜子茬口各土层土壤有效锰的含量略有提高，小麦茬口的有效锰含量在各土层的含量比其他两个茬口的含量平均低7.73%～30.55%。由此可见，种植小麦会降低土壤有效锰的含量，小麦收获后再种植一茬糜子可以对土壤有效锰有所补充，种植豆科作物可以提高土壤中的有效锰含量。长期种植豆科作物可以显著地改善土壤锰素状况，这是因为豌豆在生长过程中酸化了土壤，降低了土壤pH值，促进了土壤中难溶态锰的溶解释放。

2.3.3粮豆轮作对土壤有效锌分布的影响土壤有效锌的分布趋势是从耕层土壤到深层土壤波动降低(图9)，其中豌豆茬口的波动最剧烈，其相邻土层含量差异最大可达0.173 mg·kg-1。在0～10 cm土层，梁豆轮作各茬口的土壤有效锌含量出现最大值，其中小麦茬口含量最高，有效锌含量为0.512 mg·kg-1，比豌豆茬口高23.97%，比小麦+糜子茬口高30.28%，这可能与作物的枯枝落叶在土壤表层的腐殖化作用比较强烈、作物的吸收量比较小以及底层土壤的有效锌向该层富集有关。小麦+糜子茬口土壤有效锌的含量波动比较小可能是由于其种植作物种类多样，不同作物之间可以互相协调土壤中有效锌的分布；豌豆茬口的波动小可能与豆科作物的根系分布和其固氮作用有关。

图8　粮豆轮作中有效锰剖面分布

图9粮豆轮作中有效锌剖面分布

Fig.9Distribution of soil available zinc in CLR

2.3.4粮豆轮作对土壤有效铜分布的影响粮豆轮作的土壤有效铜的分布趋势是先逐步减少，60 cm以下土层其含量保持不变(图10)，维持在0.878～0.892 mg·kg-1之间。在0～20 cm土层，土壤有效铜平均含量为0.598 mg·kg-1，比稳定土层低32.43%左右。耕层土壤的根系活动必较旺盛，对有效铜的吸收量比较大，难溶态铜虽然有部分受根系活动和其他因素的影响会有部分溶解于土壤溶液中，但是其含量较小，无法补充作物的吸收对有效铜的损耗，所以耕层土壤的有效铜含量较低，随着土层加深，根系活动逐渐减弱，作物吸收量的减小速率大于难溶态铜溶解减小速率，所以有效铜的含量逐渐增多，到了60 cm以下土层，作物的吸收速率与难溶态铜的溶解速率之间达到平衡，所以土壤中的有效铜含量保持不变。3个茬口的土壤有效铜含量在各层的分布差异比较小，由此可见，轮作次序对有效铜含量与分布影响比较小。

图10粮豆轮作中有效铜剖面分布

Fig.10Distribution of soil available copper in CLR

2.4粮草轮作和粮豆轮作土壤有效态微量元素分布差异比较

粮草轮作系统和粮豆轮作系统的土壤中四种有效态微量元素的剖面分布趋势基本相同，但是两个系统的各土层有效态微量元素含量存在差异。在0～60 cm土层，粮草轮作系统中土壤有效铁含量高于粮豆轮作系统，在60 cm以下土层两者的差异逐渐减小。这主要是由于粮草轮作的苜蓿根系扎的比较深，对于60 cm以上土层中难溶态铁的溶解量比较大；在60 cm以下土层根系活动减弱，对难溶态铁的活化量减少，两个系统间没有差异。对于土壤有效锰而言，粮草轮作系统中小麦茬口的含量高于粮豆轮作系统的小麦茬口。粮草轮作系统中种植的苜蓿可以促进土壤难溶态锰的溶解，有助于土壤中有效锰的积累，所以粮草轮作系统中小麦茬口的有效锰含量较高。粮草轮作系统中各土层土壤有效锌的含量比粮豆轮作系统的含量有所提高，种植苜蓿和豌豆等豆科作物有助于土壤难溶态锌的溶解，但是粮草轮作系统种植苜蓿的年数较多，粮豆轮作系统只种植一年豌豆，两个系统中其他作物对土壤有效锌消耗有限，特别是粮草轮作系统的消耗量较少，所以粮草轮作比粮豆轮作更有利于土壤有效锌的积累。在0～80 cm土层，粮草轮作系统的各茬口土壤有效铜含量高于粮豆轮作系统各茬口的含量，在80 cm以下土层，粮草轮作系统的土壤有效铜低于粮豆轮作系统。两个轮作种植的作物不同，不同作物的根系分布具有差异，特别是苜蓿根系分布比较深，对土壤难溶态铜的活化作用比较强，加之深层土壤中有效铜向该层富集，可以有效补充有效铜的吸收损耗；在较深土层，活化作用逐渐减弱，所以两个轮作系统的土壤有效铜的分布会产生差异。

3结论

1) 因种植系统和轮作次序的不同，土壤有机质和有效态微量元素在土壤剖面分布会产生差异，有机质呈现先减少后增加的趋势，有效铁的分布趋势是由上到下持续增加，有效锰和有效锌呈现上高下低的趋势，有效铜的分布趋势是由上到下先增加后缓慢减少。

2) 粮草轮作系统中3年小麦的土壤有效铁和有效锰的含量较低，种植苜蓿和马铃薯可以提高土壤有效锰的含量，连续种植小麦和连续种植苜蓿的土壤中有效锌和有效铜含量出现下降的趋势。粮豆轮作系统中小麦+糜子茬口土壤有效铁的含量较高，小麦茬口的土壤有效锰含量最低，轮作次序对土壤有效锌和有效铜的影响较小。

3) 粮草轮作系统中耕层(0～20 cm)有机质含量较粮豆轮作系统有略微提高，不同的轮作体系对于深层土壤有机质含量影响较小。粮草轮作系统中土壤有效态微量元素的含量高于粮豆轮作系统，在60～80 cm以上土层，两个轮作系统中土壤有效态微量元素的含量差异较大，在该土层以下，两个系统间的差异减小。

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Effects of different rotation sequences in cultivation on the distribution of soil organic matter and available micronutrients on loess plateau

LI Long1, WEI Xiao-rong2, HAO Ming-de1,3

(1.CollegeofResourceandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDryLandFarmingontheLoessPlateau,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract：Effects of different rotation sequences on the distribution of soil organic matter and available micronutrients were studied using potassium dichromate volumetric method and DTPA extraction-atomic absorption method on the basis of long-term experiment of Shilipu village of Changwu county. The results showed that the distribution of soil available micronutrients not only effected by the total amount of soil micronutrients, but also related with the crop rotation sequences. From surface soil to deep soil of different rotation sequences, the content of soil organic matter decreased first and then increased slowly, it continuously increased of the content of soil available Fe, the content of soil available Mn and Zn decreased gradually, the content of soil available Cu increased first and then decreased slowly. In the 80～100 cm soil layer, the content of organic matter of the cereal-forage rotation (CFR) was 11.08～11.89 g·kg(-1) and the clover-legumes rotation(CLR) was 11.04～11.72 g·kg(-1). The content of soil available Fe and Mn were lower than other crops of the CFR in the third years of wheat, planting alfalfa and potato could effectively increase the content of soil available Mn in CFR, continuous wheat cropping and alfalfa cropping could decrease the content of soil available Zn and Mn. The content of soil available Fe was higher than that of the CLR in the crops of wheat with broomcorn millet and the content of soil available Mn was the lowest of the CLR in the crops of wheat, and it average lower 7.73%～30.55% the crops of wheat with broomcorn millet and the crops of legumes. It was higher than CLR of the soil available micronutrients of CFR, there were great difference of the soil available micronutrients in CFR and CLR above 80cm soil layers, but the difference between CFR and CLR was reduced below 80 cm soil profiles.

Keywords:loess plateau; rotation; organic matter; available micronutrients

中图分类号：S158.3

文献标志码：A

作者简介：李龙(1989—)，男，陕西咸阳人，在读硕士，主要从事农田水土保持研究。 E-mail: lilong8580@163.com通信作者：郝明德(1957—)，男，陕西华县人，研究员，博士生导师，主要从事农田生态系统生产力研究。 E-mail: mdhao@msiswc.ac.cn

基金项目：国家科技支撑计划重大项目“农田水土保持关键技术研究与示范农田水土保持工程与耕作关键技术研究(2011BAD31B01)；宁夏农业综合开发科技推广项目(NTKJ-2013-03-1)

收稿日期：2015-03-26

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.15

文章编号：1000-7601(2016)02-0096-06