冬种紫云英对石灰性水稻土紫潮泥锌形态的影响

褚 飞，谢 坚，李海露，饶中秀，李万明，董春华，杨曾平

（湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125）

锌（Zn）是人体必需元素之一，在肉类和海产品中含量较高[1]，而作物中的锌含量会受土壤供锌能力的限制[2-4]。有研究发现，土壤锌同时以多种形态存在，连续浸提法可将石灰性土壤锌依次分为交换态、松结有机结合态、碳酸盐结合态、氧化锰结合态、紧结有机结合态和残渣态6 个组分[5]。而作物只能以Zn2+形态吸收锌[6-7]。了解作物种植条件下土壤不同形态锌的转化过程对保持土壤养分平衡、充分发挥微量元素在农业生产中的作用具有重要意义。

紫潮泥是从河湖沉积物发育而来的，湖南省耕地中紫潮泥面积共有1.64 万hm2，占水稻土的5.9%，集中分布在洞庭湖西北部的常德、岳阳和益阳三地区。紫潮泥的颜色为紫棕色，全土层碱性，pH 值7.5～8.5，有中到强度的石灰反应，有效锌含量较低[8]。

豆科作物自古以来被作为绿肥广泛种植。有研究发现，C/N 较低的豆科绿肥其锌残留率也较低，植株内贮藏的锌能较快地释放而进入土壤，且生长和腐解时也更易释放草酸、苹果酸和柠檬酸等可溶性有机酸，使土壤pH 值降低，提升土壤溶解性有机碳含量，这些有机物质可以通过络合作用使土壤颗粒中被固定的锌解离，从而增加土壤溶液的锌含量，有利于后茬作物对锌元素的吸收利用，并增加后茬作物中锌的含量[9-13]。

关于土壤中锌形态及其相互转化的研究较多集中在长期施肥或不同锌肥形式、不同施用方法和模式以及不同养分管理条件对土壤和作物中锌形态的影响等方面[14-24]，有关作物品种对土壤锌形态影响的研究相对较少，尤其是对紫潮泥土壤锌形态变化的研究更少。因此，笔者以南县的水稻土紫潮泥为研究对象，探讨了冬种紫云英对紫潮泥锌形态以及各形态之间相互转化的影响，以期揭示冬种紫云英对紫潮泥中锌形态转化的驱动作用及其机理。

1 材料与方法

1.1 试验作物和土壤

供试绿肥为紫云英“湘紫一号”。供试土壤为湖南省具有代表性的石灰性水稻土紫潮泥，采集于益阳南县南州镇荷花村国家级耕地质量监测点（编号430269，东经112°35′05″，北纬29°03′30″）附近的水稻田（东经112°20′17″，北纬29°20′11″），供试土壤的主要理化性质和养分状况见表1。

表1 供试土壤的基本情况和基本性质

1.2 试验设计

用30 cm×23.5 cm×23.8 cm 的塑料桶作为试验盆钵，每盆装风干土10.0 kg（≤2 mm）。设置2 个处理，分别为冬闲（对照，P1）和冬种紫云英（P2）处理，每处理3 次重复。2019 年10 月21 日播种紫云英，不施任何肥料，播种量为30 kg/hm2（按盆钵的面积0.07 m2计算每盆种子用量0.21 g，约60 粒种子），随机区组排列。

1.3 样品采集及测定指标

于2019 年11 月22 日 第1 次 取 样，以 后 每 隔30 d 采集耕层土壤（共取样7 次，分别为2019 年11月22 日、12 月20 日 和2020 年1 月20 日、2 月19日、3 月20 日、4 月20 日、5 月20 日），风干后测定土壤pH 值，并检测全锌、交换态锌（Ex-Zn）、碳酸盐结合态锌（Carb-Zn）、松结有机结合态锌（Wbo-Zn）、紧结有机结合态锌（Sbo-Zn）、氧化锰结合态锌（OxMn-Zn）及矿物残渣态锌（Min-Zn）和DTPA-Zn含量。

1.4 指标测定方法

土壤pH 值采用水浸提、电位法测定。全锌含量参考鲍士旦的方法[25]，称取0.15 g 土壤，加入混酸HCl-HNO3-HClO4-HF 电热板加热消解，再采用原子吸收法测定。不同形态锌含量参考Tisser 连续浸提法进行，试验操作温度为25℃，液土比为10 ∶1[26-27]；其中，矿物残渣态=全锌-交换态-松结有机态-碳酸盐结合态-氧化锰结合态-紧结有机态。DTPA-Zn 含量：称取15 g 过筛土壤，加入30 mL DTPA 溶液，25℃浸提2 h，过滤后使用原子吸收分光光度计测试。

1.5 数据处理

用Excel 2016 和SPSS 20.0 进行数据分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 冬种紫云英对土壤pH 值变化的影响

土壤pH值对土壤中锌的形态转化有较大影响[28]。研究表明，锌对植物的有效性随土壤pH 值的降低而升高[29]；土壤pH 值降低将改变锌的羟基化形态或吸附环境，进而削弱土壤对锌的亲和力，从而提高土壤锌的有效性[30-31]。由图1 可以看出，前5 次取样，冬种紫云英处理的土壤pH 值显著高于冬闲处理；而6～7 次取样，冬种紫云英处理的土壤pH 值低于冬闲处理，其中第6 次取样处理间存在差异显著。2 个处理最终均提高了土壤pH 值，冬种紫云英处理pH 值的提高幅度较冬闲处理略小。冬种紫云英的后期，随着紫云英生物量的增加，紫云英根系分泌的有机酸增加，这可能是最后冬种紫云英处理土壤pH 值低于冬闲处理的原因。

图1 冬种紫云英下土壤pH 值的动态变化

2.2 冬种紫云英对土壤全锌含量变化的影响

由图2 可以看出， 7 次取样，冬种紫云英处理的全锌含量均高于冬闲处理，其中第1 次取样结果差异显著，其他几次取样结果差异均不显著。与冬闲处理相比，冬种紫云英处理紫潮泥的全锌含量起伏较小。最终，2 个处理的土壤全锌含量均有所降低，但降低幅度都不大，冬种紫云英处理的降低幅度低于冬闲处理。

图2 冬种紫云英下土壤全锌含量的动态变化

2.3 冬种紫云英对土壤不同形态锌含量变化的影响

2.3.1 土壤交换态锌由图3 可以看出，第1、3、7次取样，冬种紫云英处理的交换态锌含量低于冬闲处理，其中第7 次取样结果差异不显著。第2、4、5、6次取样，冬种紫云英处理的交换态锌含量高于冬闲处理，除第6 次取样外，其他3 次取样结果差异均显著。与冬闲处理相比，冬种紫云英处理前期紫潮泥的交换态锌含量有较大的起伏，但到了种植后期，紫潮泥的交换态锌含量和冬闲处理没有太大差别。最终，2 个处理的土壤交换态锌含量均提高了，冬种紫云英处理的提高幅度略低于冬闲处理。

图3 冬种紫云英下土壤交换态锌含量的动态变化

2.3.2 土壤松结有机结合态锌由图4 可以看出，第1、4、5、6、7 次取样，冬种紫云英处理土壤的松结有机结合态锌含量低于冬闲处理，其中第4、5、6 次取样结果差异不显著。第2、3 次取样，冬种紫云英处理土壤的松结有机结合态锌含量显著高于冬闲处理。与冬闲处理相比，在紫云英种植的早期和后期紫潮泥的松结有机结合态锌含量有较大的起伏，但在紫云英种植的中期，紫潮泥的松结有机结合态锌含量和冬闲处理没有太大差别。最终，2 个处理的土壤松结有机结合态锌含量均降低了，其中冬种紫云英处理的降低幅度更大。

图4 冬种紫云英下土壤松结有机结合态锌含量的动态变化

2.3.3 土壤碳酸盐结合态锌由图5 可以看出，第2、3、4 次取样，冬种紫云英处理的碳酸盐结合态锌含量显著低于冬闲处理。第5、6、7 次取样，冬种紫云英处理的碳酸盐结合态锌含量高于冬闲处理。第1 次取样，冬种紫云英处理的碳酸盐结合态锌含量高于冬闲处理，但差异不显著。与冬闲处理相比，紫云英种植初期紫潮泥的碳酸盐结合态锌含量差别不大。随着时间的迁移，2 个处理紫潮泥碳酸盐结合态锌含量均逐渐降低。但在紫云英种植后期，冬种紫云英处理的碳酸盐结合态锌含量有一个明显的“升高—下降”过程，冬闲处理虽然也有一定起伏，但变化幅度较小。最终，2 个处理的土壤碳酸盐结合态锌含量均降低了，其中冬种紫云英处理的降低幅度较小。

图5 冬种紫云英下土壤碳酸盐结合态锌含量的动态变化

2.3.4 土壤氧化锰结合态锌由图6可以看出，第1、2、5、6、7 次取样，冬种紫云英处理的氧化锰结合态锌含量显著低于冬闲处理。第3、4 次取样，冬种紫云英处理的氧化锰结合态锌含量显著高于冬闲处理。与冬闲处理相比，在紫云英种植的中期，冬种紫云英处理的土壤氧化锰结合态锌含量起伏较大，紫云英种植的早期和后期，冬种紫云英处理的氧化锰结合态锌含量起伏小于冬闲处理。最终，冬闲处理的土壤氧化锰结合态锌含量提高了，其中冬种紫云英处理土壤的氧化锰结合态锌含量降低了。

图6 冬种紫云英下土壤氧化锰结合态锌含量的动态变化

2.3.5 土壤紧结有机结合态锌由图7 可以看出，第4 次取样，冬种紫云英处理的紧结有机结合态锌含量显著低于冬闲处理。第3 次取样，冬种紫云英处理的紧结有机结合态锌含量略低于冬闲处理，处理间差异不显著。其余5 次取样，冬种紫云英处理的紧结有机结合态锌含量均显著高于冬闲处理。在紫云英种植期间，2 个处理紫潮泥的紧结有机结合态锌含量均呈现出先降低然后升高再降低的趋势，冬种紫云英处理的起伏较冬闲处理小。最终，2 个处理的土壤紧结有机结合态锌含量均提高了，其中冬种紫云英处理的提高幅度更大。

图7 冬种紫云英下土壤紧结有机结合态锌含量的动态变化

2.3.6 土壤矿物残渣态锌由图8 可以看出，第1 次取样，冬种紫云英处理的残渣态锌含量显著高于冬闲处理。第5 次取样，冬种紫云英处理的残渣态锌含量略低于冬闲处理，处理间差异不显著。其他5 次取样，均为冬种紫云英处理的残渣态锌含量高于冬闲处理，但处理间差异不显著。在紫云英种植期间，冬闲处理残渣态锌含量先升高再降低之后再升高，冬种紫云英处理残渣态锌含量先降低再升高又降低再升高。最终，2 个处理土壤矿物残渣态锌含量均降低了，其中冬种紫云英处理的降低幅度较小。

图8 冬种紫云英下土壤矿物残渣态锌含量的动态变化

2.3.7 土壤DTPA-Zn土壤有效锌是能够被作物吸收利用的形态。由图9 可以看出，第1、2、4、7 次取样，冬种紫云英处理的DTPA-Zn 含量低于冬闲处理，其中第2 和7 次取样结果处理间差异显著。第3、5、6 次取样，冬种紫云英处理的DTPA-Zn 含量高于冬闲处理，但差异均不显著。2 个处理最终均降低了DTPA-Zn 含量，冬种紫云英处理DTPA-Zn 含量的降低幅度更大。冬种紫云英在整个生长期内并不能明显增加紫潮泥的DTPA-Zn 含量。

图9 冬种紫云英下土壤DTPA-Zn 含量的动态变化

2.4 不同处理土壤各形态锌与DTPA-Zn、pH 值与全锌的相关关系

由表2 可以看出，冬闲处理下，DTPA-Zn 与交换态锌、碳酸盐结合态锌和氧化锰结合态锌呈正相关关系，与松结有机结合态锌和紧结有机结合态锌呈负相关关系，但相关性均不显著；在各形态锌中，交换态锌与氧化锰结合态锌和紧结有机结合态锌呈正相关关系；松结有机结合态锌与紧结有机结合态锌呈正相关关系；碳酸盐结合态锌与氧化锰结合态锌呈正相关关系，相关性也均不显著。可见，冬闲处理下，交换态锌、碳酸盐结合态锌和氧化锰结合态锌对土壤DTPA-Zn 最为重要，其中氧化锰结合态锌和碳酸盐结合态锌分别直接或间接影响交换态锌含量而成为DTPA-Zn 的储存库。

表2 冬闲和冬种紫云英的土壤各形态锌与DTPA-Zn、pH 值与全锌的相关关系

冬种紫云英处理下，DTPA-Zn 仅与碳酸盐结合态锌呈正相关关系，与交换态锌、松结有机结合态锌、氧化锰结合态锌和紧结有机结合态锌呈负相关关系，但相关性均不显著；在各形态锌中，交换态锌与碳酸盐结合态锌呈正相关关系；松结有机结合态锌与碳酸盐结合态锌、氧化锰结合态锌和紧结有机结合态锌呈正相关关系；碳酸盐结合态锌与紧结有机结合态锌呈正相关关系，相关性也均不显著。可见，冬种紫云英处理下，碳酸盐结合态锌对土壤DTPA-Zn 最为重要，碳酸盐结合态锌直接影响交换态锌含量而成为DTPAZn 的储存库。

冬闲处理下，交换态锌含量与土壤pH 值呈显著正相关关系（r=0.712 2*），松结有机结合态锌与矿物残渣态锌和全锌含量呈极显著负相关关系（相关系数分别为r=-0.850 0**和r=-0.840 7**），碳酸盐结合态锌与pH 值呈显著负相关关系（r=-0.712 4*），矿物残渣态锌与全锌含量呈极显著正相关关系（r=0.999 0**），其他指标间没有明显的相关性。

冬种紫云英处理下，矿物残渣态锌与全锌含量呈极显著正相关关系（r=0.997 0**），其他指标间没有明显的相关性。

2.5 不同处理下土壤中各形态锌占全锌含量的比例

从表3 可以看出，土壤中的锌主要以残渣态存在，其他5 种形态锌占全锌的比例均很小。各形态锌含量相对大小：残渣态锌（98.66%～99.43%，算术平均值99.04%）＞松结有机结合态锌（0.08%～0.68%，算术平均值0.39%）＞碳酸盐结合态锌＞（0.02%～0.51%，算术平均值0.18%）＞紧结有机结合态锌（0.08%～0.24%，算术平均值0.16%）＞氧化锰结合态锌（0.01%～0.45%，算术平均值0.13%）＞交换态锌（0.02%～0.22%，算术平均值0.11%）

表3 不同处理下土壤各形态锌占全锌含量的比例 （%）

冬闲处理下，各形态锌含量相对大小：残渣态锌（98.85%～99.31%，算术平均值99.06%）＞松结有机结合态锌（0.08%～0.68%，算术平均值0.43%）＞紧结有机结合态锌（0.08%～0.23%，算术平均值0.14%）＞氧化锰结合态锌（0.02%～0.37%，算术平均值0.13%）＞碳酸盐结合态锌（0.02%～0.26%，算术平均值0.12%）＞交换态锌（0.02%～0.22%，算术平均值0.12%）

冬种紫云英处理下，各形态锌含量相对大小：残渣态锌（98.66%～99.43%，算术平均值99.01%）＞松结有机结合态锌（0.09%～0.59%，算术平均值0.35%）＞碳酸盐结合态锌（0.05%～0.51%，算术平均值0.23%）＞紧结有机结合态锌（0.14%～0.24%，算术平均值0.17%）＞氧化锰结合态锌（0.01%～0.45%，算术平均值0.13%）＞交换态锌（0.02%～0.21%，算术平均值0.11%）

3 结论与讨论

根据刘铮[32]的研究，土壤有效态锌低于0.5 mg/kg为严重缺锌，其种植的农作物常表现出缺锌症状，施用锌肥后症状改善效果显著；当土壤有效锌含量在0.5～1.0 mg/kg 范围内时为潜在性缺锌，其种植的作物虽不会表现出明显缺锌症状，但施锌肥对于改善作物长势，提高产质量有一定的效果。周卫军等[33]于2008年测定了湖南省南县由湖积物发育的紫潮泥土壤的有效锌含量，其有效锌含量范围为0.005～0.277 mg/kg，均值为0.138 mg/kg，笔者试验用土壤采集于益阳南县南州镇荷花村，位于该研究土壤采样点的附近，土壤有效锌含量为0.68 mg/kg（DTPA-Zn），稍高于缺锌临界值，处在潜在性缺锌范围[5]。可见通过多年来的耕作，紫潮泥缺锌状况有所缓解，但问题仍很严峻。

土壤锌是植物锌吸收的最基本来源，土壤全锌含量可以有效地反映土壤的供锌能力。土壤有效锌含量是衡量土壤锌丰缺程度的重要指标。石灰性土壤通常用DTPA-Zn 来表征土壤锌有效性的大小[13,18]。陆欣春等[5]的研究表明，交换态锌和松结有机结合态锌为土壤有效态，易被植物吸收利用；碳酸盐结合态锌和紧结有机结合态锌为潜在有效态，在一定条件下可通过转化而被植物吸收；氧化锰结合态锌和残渣态锌属无效态，难被植物吸收利用。Singh 等[34]认为，土壤中锌的植物有效性依赖于可交换态锌、碳酸盐结合态锌和有机物结合态锌。交换态锌及松结有机结合态锌对土壤有效锌贡献最大，而碳酸盐结合态锌及氧化锰结合态锌也会影响DTPA-Zn，碳酸盐结合态锌和氧化锰结合态锌主要通过转化为交换态锌和松结有机结合态锌而间接供给有效锌，是有效锌的储存库，而紧结有机结合态锌则与DTPA-Zn 呈负相关关系，可见紧结有机结合态锌的增加是锌肥无效化的表现形式之一[27]。

土壤中的锌有多种形态，虽然在不同地区、不同土壤、不同耕作栽培条件下，土壤锌形态分布差异较大，但交换态、松结有机结合态、碳酸盐结合态仍然是有效锌的主要来源，只是在不同条件下各形态锌发生了转化，从而导致了土壤有效锌含量的增加或减少[35]。杨振兴等[17]研究发现，土壤中可还原态锌是土壤有效锌的主要来源，水溶性锌、弱酸溶态锌与有效锌之间的显著正相关是间接效应造成的。有针对性地促进锌素向水溶态锌、弱酸溶态锌和可还原态锌转化，可以提高土壤中有效锌的含量，促进锌素的高效利用。

万红友等[36]研究发现，土壤各形态锌含量相对大小为：残渣态＞有机质结合态＞铁锰氧化物结合态＞碳酸盐结合态＞可交换态，残渣态含量明显高于其他形态。这和研究中的冬闲处理结果一致。根据算术平均值，冬种紫云英处理下，碳酸盐结合态锌＞紧结有机结合态锌＞氧化锰结合态锌，其他几种形态锌含量相对大小趋势与冬闲处理一致。该研究中2 个处理间土壤松结有机结合态锌、碳酸盐结合态锌和紧结有机结合态锌含量的差别较大，其他形态差别较小。试验结束时2 个处理土壤各形态锌含量占比表现为：交换态锌和紧结有机结合态锌，冬种紫云英处理明显高于冬闲处理；松结有机结合态锌，冬种紫云英处理略高于冬闲处理；碳酸盐结合态锌和氧化锰结合态锌，冬种紫云英处理明显低于冬闲处理；残渣态锌，2 个处理差别不大。这说明冬种紫云英降低了碳酸盐结合态锌和氧化锰结合态锌含量，提高了交换态锌和紧结有机结合态锌含量。在整个试验生长期间，土壤中的残渣态锌占到土壤全锌含量的98%以上，其他5 种形态锌占全锌的比例仅约1%，这与土壤本身有效锌含量（0.68 mg/kg）占全锌（94.98 mg/kg）的比例极低（0.71%）直接相关。魏孝荣等[26]研究发现，土壤中的锌主要以矿物态锌存在，其次为松结态锌，其他形态锌占全锌的比例很小。在土壤各形态锌中，交换态、松结有机结合态和碳酸盐结合态锌均能不同程度地反映土壤锌的有效性。DTPA-Zn 与松结有机结合态锌之间呈显著正相关关系，与交换态、残渣态和全锌含量呈极显著正相关关系，而与其他形态锌无显著相关性。交换态和松结有机结合态锌是土壤有效锌的来源。Dhaliwal 等[37]也认为残渣态锌是土壤总锌的主要部分。残渣态锌在土壤中的释放是一个极其缓慢而复杂的过程[14]，笔者的研究直到种植期结束残渣态锌仍为土壤锌的主要存在形态。松结有机结合态锌和碳酸盐结合态锌较其他几种形态锌含量要高。交换态、松结有机结合态和碳酸盐结合态均能不同程度反映土壤锌的有效性，石灰性土壤中碳酸盐结合态锌和有机结合态锌含量占有较为可观的比例。因此，增加这2 种形态储备容量是调节和控制土壤锌营养状况的重要措施[5]。减少土壤锌转化为残渣态，并增加交换态、碳酸盐结合态和有机结合态的储备容量是调节和控制土壤锌营养状况的重要措施。

商和平等[38]研究指出，土壤pH 值与交换态锌含量呈负相关关系。张楠等[28]也研究发现，种稻使苏打盐碱土交换态锌含量与土壤pH 值呈极显著负相关关系。土壤pH 值是驱动土壤不同形态锌转化的最为重要的因素。经种稻改良后，盐碱土的pH 值显著降低，从而驱动非生物有效态锌向生物有效态锌转化。笔者的研究中，2 个处理土壤交换态锌含量与土壤pH 值均呈正相关关系，冬闲处理交换态锌含量与土壤pH 值呈显著正相关关系，冬种紫云英处理下交换态锌含量与土壤pH 值相关性不显著。冬闲处理下，与土壤pH 值呈负相关关系的锌形态有松结有机结合态锌和碳酸盐结合态锌；冬种紫云英处理下，与土壤pH 值呈负相关关系的锌形态有残渣态锌和DTPA-Zn。冬闲处理下，与土壤全锌呈负相关关系的锌形态有松结有机结合态锌、紧结有机结合态锌和DTPA-Zn，其他均呈正相关关系；冬种紫云英处理下，与土壤全锌呈正相关关系的锌形态有残渣态锌和DTPA-Zn，其他均呈负相关关系。冬闲处理下，与土壤DTPA-Zn 呈负相关关系的锌形态有松结有机结合态锌、紧结有机结合态锌和残渣态锌，其他均呈正相关关系；冬种紫云英处理下，与土壤DTPA-Zn 呈正相关关系的锌形态有碳酸盐结合态锌和残渣态锌，其他均呈负相关关系。有研究表明，种植三叶草后，土壤碳酸盐结合态锌转化为可交换态锌和有机结合态锌的效果最好。而该研究在石灰性土壤紫潮泥上种植紫云英，提高了紧结有机结合态锌含量，降低了松结有机结合态锌和氧化锰结合态锌含量。