全 文 ： * ?通讯作者
收稿日期 : 2004-10-07 改回日期 : 2004-12-25
耕作改制对砂姜黑土中锰的影响
陈冬峰 丁维新 *
(中国科学院南京土壤研究所 南京 210008)
摘 要 研究砂姜黑土旱改水对土壤中 Mn含量、赋存形态和有效性的影响结果表明 ,砂姜黑土中 Mn存在于粘土
矿物、晶形氧化铁、无定性氧化铁、氧化锰态、有机物和碳酸盐中比例分别为 27.19% ～46. 26%、10. 48% ～
21. 65%、2. 76%～12.28%、17. 39%～26.53%、10. 61%～24.57%和 0.16%～8.35%。旱改水实施水旱轮作后砂
姜黑土中全 Mn含量极显著降低 ,平均降幅为 8. 77% ,但伴随土壤 pH 值的趋中性 ,土壤中 Mn由植物有效性较低
的晶形铁结合态逐渐向植物有效性较高的氧化锰态、无定形铁态和有机态转化 ,活化了土壤中的 Mn, 提高了 Mn
的有效性和可移动性。
关键词 耕作改制 锰 赋存形态 有效性 水旱轮作
Effect of cropping system on the manganese in lime concretion fluvo-aquaic soils . CHEN Dong-Feng, DING Wei-Xin
( Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China) , CJ EA , 2006, 14(1) :149～151
Abstract The influences of cropping system changing from upland farming to the rotation of riceand upland farming on
the total content, morphology and availability of manganese in lime concretion fluvo-aquic soils were studied . The results
show that the contents of manganese in the residual , crystalline iron oxide bound, amorphous iron oxide bound,
manganese oxide, organically bound and carbonate bound account for 27.19% ～ 46. 26% , 10.48% ～ 21.65% ,
2.76%～12.28% , 17.39% ～26.53% , 10.61% ～24. 57% and 0.16% ～8. 35% of the total manganese content in
soils, respectively . With thechange of cropping system from upland farming to the rotation of rice and upland farming,
manganese is released fromcrystalline iron oxide, and further transferred into organic matter and amorphous iron oxide or
existssolely as manganese oxide . These result in the increase of the movability and availability of manganese for crops,
leading to the decrease of the total content of manganeseand the decreasing range that is 8.77% in the tilled layer of soils
for rotation of rice and upland crops .
Key words Cropping system, Manganese, Morphology , Availability, Rotation of riceand upland crops
(Received Oct . 7, 2004; revised Dec . 25, 2004)
1 试验材料与方法
试验在江苏省泗洪县中国科学院砂姜黑土综合改良试验区进行 , 该区地势平坦 , 旱作和水旱轮作田呈
穿插状分布 , 土壤质量尚未受到
现代工业的污染 , 完全受耕种方
式、施肥和管理等控制。按照均
匀布点原则 , 在试验区采集多点
混合耕层 (0～20cm)土壤样品 30
个 ,所有土壤均由古河湖相沉积
物发育而成。典型砂姜黑土剖面
位于车门乡洪桥村姚庄同一试验
区内 , 剖面间距 < 300m, 成土母
质间差异较小。剖面 1 为旱地 ,
剖面 2亦为旱地但有 8年水旱轮
表 1 土壤中 Mn形态的连续分级方法
Tab.1 Sequential fractionation method of Mn in soils
步 骤 形 态 提取液 操作条件
Step Fraction Extracting solution Operational conditions
1 b代 换 态 (Ex-) 1 ?mol/ L NH4Ac( pH7 . 0) 振 荡 2h
2 b碳酸盐结合态 (Carb-) 1 ?mol/ L NaAc-HAc( pH5.0) 振 荡 5h
3 b氧 化 锰 态 (MnO-) 0 ?.1mol/ LNH2OH .HCl(pH2.0) 振 荡 30 hmin
4 b有机质结合态 (OM-) A .300 ?g/ kg H2O2(pH2. 0) 用A在沸水浴上提取30min
B .1 bmol/ L NH4Ac( pH7 ?.0) 重复1次 ,再用B振荡2h
5 b

无定形铁结合态(AFeO-)

0 ?. 2mol/ L ( NH4 )2C2O4 -
0 ?.2mol/ L H2C2O4(pH3.0)
黑暗条 件下振 荡4h

6 b

晶形铁结合态 (CFeO-)

在 步 骤 5 >提 取 液 中 加
0 ?. 1mol/ L 抗 坏 血 酸
沸水浴上提取 30 omin

7 b残 留 态 (Res-) HClO4 ?-HF
第 14 ?卷第 1期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .14 No .1
2 0 0 6 ?年 1 月 Chinese Journal of Eco-Agriculture Jan ., 2006
作史 , 剖面 3为水旱轮作田 , 已有 40多年的植稻历史。分别用高氯酸-氢氟酸消化法和二乙烯三胺五乙酸
(DTPA)溶液提取、原子吸收分光光度法测定土壤中全 Mn和有效态锰含量 ,用等离子发射光谱法测定全 Ti
含量。用连续分级浸提法区分土壤中 Mn的形态 (见表 1) [ 1] , 操作温度为 25℃ , 液土比为 10∶1, 直接用原子
吸收分光光度法测定待测液。每级形态浸提完毕后用称重法测出残留液体积 ,并在计算结果时扣除残留液带
入的 Mn量。
2 结果与分析
旱改水对砂姜黑土 Mn含量的影响。由表 2 可知砂姜黑土中全 Mn含量为 198. 60～514. 00μg/ g, 平均
值 353. 04μg/ g,明显低于世界和我国土壤平均含量 , 但与黄河冲积物发育的潮土相近[ 2] , 属低 Mn 含量土
壤。砂姜黑土旱改水种植水稻后 ,与旱作土壤相比土壤中 Mn含量发生了明显变化 , 其含量范围缩小 , 平均
表 2 耕作制度对砂姜黑土 Mn含量的影响 *
Tab.2 InfluenceofcroppingsystemontheMncontentinlimeconcretionfluvo-aquicsoils
耕种方式 样本数 含量/ μg·g - 1 ?均值/μg·g - 1 标准差/μg·g - 1 增加/ % 变异系数
Cropping system No . Range Average Standarddeviation Increasing Coefficientofvariation
旱 作 11 8198 W. 60～514 ?. 00 373 !.80B 94 .70 - 0 ?.25
水旱轮作 19 8233 W. 80～472 ?. 10 341 !.02A 73 .92 - 8 .77 0 ?.22
合 计 30 8198 W. 60～514 ?. 00 353 !.04 81 .51 0 ?.23
* 表中 A 和 B 分别表示差异达极显著水平 ( P = 0 .01)。
含量降低 , 降幅 8. 77% , 达极显著
水平 ,即淹水种稻加速了土壤耕层
Mn向下层淋溶。Mn 是土壤中十
分活跃的元素 , 淹水后土壤还原性
增强 ,使氧化锰被还原成二价锰进
入溶液 ,而砂姜黑土含有丰富的蒙
脱石 , 土壤胀缩性大 , 干时收缩开
裂 ,因此溶于水中的 Mn极易随水下渗转移
到下层 ,且生物富集作用也未能弥补这一亏
缺。由表 3可知旱作土壤耕层中 Mn 的迁
移累积率为 0. 26, 呈富集特征 , 水旱轮作土
壤则相反 , Mn 的迁移累积率为 - 0. 39, 呈
强烈淋溶损失态势 ,并在下层积聚。
旱改水对砂姜黑土 Mn有效性的影响。
土壤全 Mn 含量仅可作为土壤潜在供 Mn
能力指标 ,而有效态锰则更有效评价土壤供
给当季作物 Mn的能力。表 4 表明砂姜黑
土有效态锰含量为 0. 70～21. 70μg/ g, 平均
7. 05μg/ g, 略 高 于 二 乙 烯 三 胺 五 乙 酸
表 3 典型砂姜黑土剖面中 Mn 的分布特征 *
Tab.3 DistributionofMnintheprofileof limeconcretionfluvo-aquicsoils
剖 面 土层/ cm 含量/ μg·g - 1 ?增加/ % 迁移系数 迁移累积率
Profile Soil layer Content Increasing Transportcoefficient Transport rate
旱 作 土 0 V～15 274 4.75 - 1 ?. 26 0 }.26
15 V～40 291 4.85 6 ?.22 1. 11 0 }.11
> 40 ?242 4.07 - 11 .98 1. 00 -
水旱轮作土 0 V～12 410 4.08 - 0 ?. 61 - 0 }.39
12 V～21 511 4.10 24 ?.63 0. 72 - 0 }.28
21 V～54 748 4.23 82 ?.46 1. 11 0 }.11
> 54 ?640 4.63 56 .22 1. 00 -
* 表中迁移系数 = [ (土层中 Mn 含量/ 土层中 Ti 含量 )/ ( 母质中 Mn 含量/ 母
质中 Ti 含量 ) ] ; 迁移累积率 = 迁移系数 - 1 , + 为累积 , - 为输出。
表 4 旱改水对砂姜黑土有效态锰含量的影响 *
Tab.4 Influenceof croppingsystemontheavailableMncontentsinlimeconcretionfluvo-aquicsoils
耕种方式 样本数 含量/ μg·g - 1 ?均值/ μg·g - 1 增加/ % 标准差/ μg·g - 1 {变异系数
Croppingsystem No . Range Average Increasing Standarddeviation Coefficientofvariation
旱 作 11 ?0 . 70～ 9 . 50 4 . 24a - 3 D. 17 0 Y. 75
水旱轮作 19 ?3 . 00～21 . 70 8 . 67b 104 .48 5 D. 09 0 Y. 59
总 计 30 ?0 . 70～21 . 70 7 . 05 66 .27 4 D. 93 0 Y. 70
* 表中 a 和 b 分别表示差异达显著水平 ( P = 0. 05) 。
(DTPA )浸提液的缺 Mn 临界值
0. 70μg/ g, 但明显低于 1980年的
测定平均值 10. 44μg/ g。按分级
标准对土壤进行分类统计 , 该区
57%土壤处于缺 Mn状态。旱改
水后土壤中有效态锰含量增加 ,
显 著 高 于 旱 作 土 壤 , 增 幅 达
104. 48% ,表明水旱轮作有益于土壤中
Mn 活化。若用 Mn 活化 率 ( 有效 态
锰/ 全Mn)表示 Mn的有效度 ,则旱作土
壤 Mn活化率为 1. 34% , 而水旱轮作土
壤达 2. 50%。分类统计表明 81. 82%的
旱作土壤处于缺 Mn 状态 , 而水旱轮作
后缺 Mn 土壤降至 42.11% , 水旱轮作
显著降低了砂姜黑土缺 Mn 发生频率
(见表 5)。
表 5 砂姜黑土中有效态锰的分布频率
Tab.5 Distributionfrequencyof availableMninlimeconcretionfluvo-aquicsoils
项 目
I tems
等级 Grade 缺Mn土壤比例
很低 低 中等 高 很高 Proportion of
Very low Low Medium High Very high Mn deficiency
分级标准/ μg·g - 1 ?Grading standard
< 5 ?.00 5.00～7.00 7 T.01～10 -.00 10.01～15.00 > 15 #.00
全 部 土 壤 / % 36 ?.67 20 ,. 00 16 . 66 20 `. 00 6 . 67 56. 67
旱 作 土 / % 54 ?.55 27 ,. 27 9 . 09 9 `. 09 0 . 00 81. 82
水旱轮作土/ % 15 ?.80 26 ,. 31 21 . 05 26 `. 31 10 . 53 42. 11
旱改水对砂姜黑土 Mn赋存形态的影响。砂姜黑土中 Mn几乎存在于所有形态 , 以进入原生或次生粘
150 中 国 生 态 农 业 学 报 第 14 ?卷
土矿物晶格或专性吸附于粘土矿物表面的 Mn最多 , 约占土壤全 Mn含量的 27.19%～46. 67% ,极显著高于
其他形态 ( 见表 6) ;其次为存在于土壤生物体或有机质中的 Mn,约占全 Mn含量的 17.39%～26. 53% ,再者
表 6 耕作制度对土壤中 Mn 形态的影响 *
Tab.6 Effect of cropping system on the distribution of Mn fractions in the soils
耕种方式 土层/ cm 含量/ μg·g - 1 ?Content 比例/ % Proportion
Cropping system Soil layer Ex- Carb- MnO- OM - AFeO- CFeO- Res- Ex- Carb- MnO- OM - AFeO CFeO- Res-
旱 作 0 ?～17 1 B.30 22 v. 94 31 . 98 65 .76 7 ?. 83 59 L. 48 85 . 46 0 .47 8 . 35 11 . 64 23 .93 2 .85 21 .65 31 . 10
(剖面 1 ?) 17～30 0 B.70 6 v. 57 38 . 92 65 .92 10 ?. 79 50 L. 36 118 . 59 0 .24 2 . 25 13 . 33 22 .59 3 .70 17 .26 40 . 63
30 ?～40 0 B.10 1 v. 05 25 . 68 56 .75 6 ?. 68 39 L. 83 111 . 98 0 .04 0 . 43 10 . 61 23 .44 2 .76 16 .45 46 . 26
40 ?～ 0 B.10 1 v. 15 105 . 15 145 .83 24 ?. 42 39 L. 83 296 . 51 0 .02 0 . 17 15 . 98 22 .16 3 .71 12 .89 45 . 07
旱 作 0 ?～15 0 B.30 13 v. 92 129 . 80 124 .22 28 ?. 84 55 L. 38 175 . 85 0 .06 2 . 63 24 . 57 23 .51 5 .46 10 .48 33 . 28
(剖面 2 ?) 15～40 nd 1 v. 69 187 . 63 142 .50 100 ?. 61 64 L. 11 210 . 14 0 .00 0 . 21 22 . 90 17 .39 12 .28 20 .03 27 . 19
40 ?～ 0 B.10 1 v. 15 127 . 65 155 .05 26 ?. 59 83 L. 72 345 . 00 0 .01 0 . 16 17 . 27 20 .97 3 .59 11 .33 46 . 67
水旱轮作 0 ?～12 1 B.40 19 v. 18 62 . 71 108 .79 21 ?. 41 52 L. 63 143 . 96 0 .34 4 . 68 15 . 29 26 .53 5 .22 12 .83 35 . 11
(剖面 3 ?) 12～21 1 B.20 29 v. 00 88 . 94 97 .88 24 ?. 77 60 L. 17 209 . 14 0 .23 5 . 67 17 . 40 19 .15 4 .85 11 .77 40 . 92
21 ?～54 0 B.30 2 v. 93 124 . 90 155 .74 36 ?. 99 107 L. 09 320 . 28 0 .04 0 . 39 16 . 69 20 .81 4 .94 14 .31 42 . 81
54 ?～ 0 B.20 2 v. 52 137 . 27 164 .83 31 ?. 96 76 L. 18 227 . 67 0 .03 0 . 39 21 . 42 25 .73 4 .99 11 .89 35 . 54
平均含量 0 B.52a 9 v. 28a 96 ?. 42b 116 .66c 29 ?. 17a 62 L.67b 204.05d
* nd 为未测出 ; a, b, c, d 分别表示差异达显著水平 ( P = 0. 05) 。
是以氧化态存在和赋存于晶形铁晶格中的 Mn, 分别占全 Mn 含量的 10. 61% ～24. 57% 和 10. 48% ～
21.65% ,碳酸盐结合态锰、无定形铁结合态锰和交换态锰含量很低 , 相对含量一般小于土壤全 Mn含量的
10% ,极显著低于其他形态。各形态 Mn含量因土壤耕作方式不同而有一定差异。砂姜黑土耕层中各形态
Mn含量依次为残留态 > 有机态 > 氧化锰态 > 晶形铁态 > 碳酸盐态 > 无定形铁态 > 代换态。各形态 Mn剖
面分布特征记载了成土过程与外界条件如耕种熟化和水旱轮作等对土壤的影响。由表 6可知 Mn在剖面中
的总体分布特性是代换态和碳酸盐结合态锰随剖面深度增加而降低 ; 残留态和氧化锰态则相反 , 随剖面深
度增加而增加 ;晶形铁结合态锰变化不一 , 因耕作方式而异 ; 有机态和无定形铁结合态锰呈均匀分布 , 该分
布特性是砂姜黑土有别于其他土壤的独特之处 , 可能与砂姜黑土强淋溶作用有关。旱改水后砂姜黑土中
Mn形态发生明显变化 ,旱作土壤代换态、碳酸盐结合态、氧化锰态、有机质结合态、无定形铁结合态、晶形铁
结合态和残留态锰相对含量分别为 0. 47%、8.35%、11. 64%、23. 93%、2. 85%、21.65%、31. 10% , 水旱轮作
土壤分别为 0. 34%、4.68%、15.29%、26.53%、5. 22%、12. 83%、35. 11% , 晶形铁结合态和碳酸盐结合态锰
含量明显减少 ,降幅分别为 40. 74%和 43. 95% ;有机结合态、无定形铁结合态锰和氧化锰则呈增加态势 , 增
幅分别为 10.87%、83.16%和 31.36% , 即晶形铁结合态锰和碳酸盐结合态锰向活性较高的其他形态锰转
化 ,但代换态锰未发生明显变化。故旱改水后各形态锰含量排序发生变化 , 由旱作土的残留态 > 有机态 >
晶形铁态 > 氧化锰态 > 碳酸盐态 > 无定形铁态 > 代换态变为水旱轮作土的残留态 > 有机态 > 氧化锰态 >
晶形铁态 > 无定形铁态 > 碳酸盐态 > 代换态。研究表明土壤中各形态锰的有效性呈代换态 > 氧化锰态 >
无定形铁态和有机态 > 碳酸盐态 > 晶形铁态 > 残留态 , 晶形铁态和残留态锰通常为植物无效态锰 , 很难为
植物吸收利用 ;而代换态锰是土壤中最有效形态 , 极易被植物吸收利用 ,是土壤中 Mn的强度因子 ; 氧化锰、
无定形铁态、有机态和碳酸盐态既是强度因子更是容量因子 , 在调控土壤有效态锰的储备方面起着重要作
用。故旱改水后砂姜黑土中可供作物吸收利用的 Mn量由旱作土的 47. 25%升至水旱轮作土的 52. 06% , 增
幅达 10.18% ,并提高了土壤中 Mn尤其是与有机质结合 Mn的活性和可移动性。砂姜黑土具有较大的胀缩
性 ,耕层中 Mn极易随水淋溶迁移至下层 ,此即为砂姜黑土旱改水后耕层土壤中有效态锰含量提高而全 Mn含
量反而降低的缘由。因未能显著增加土壤中代换态锰含量 ,砂姜黑土旱改水后土壤依然存在缺 Mn的可能性。
3 小 结
旱改水后砂姜黑土中全 Mn含量显著降低 , 而有效态锰极显著增加 ,其原因是砂姜黑土中 Mn形态发生
了变化 ,晶形铁结合态锰和碳酸盐结合态锰含量降低 , 有机态、无定形铁态和氧化锰态锰含量提高 , 即 Mn从
晶形铁态和碳酸盐态向有机态、无定形铁态和氧化锰态转化 , 提高了土壤中 Mn的活性和可移动性。
参 考 文 献 h
1 丁维新 .土壤和污泥中微量元素形态的分级研究法 .国外农业环境保护 , 1989 (4) : 22～24
2 刘 铮等 .中国土壤微量元素 .南京 :江苏科技出版社 , 1996
第 1 ?期 陈冬峰等 :耕作改制对砂姜黑土中锰的影响 151