全 文 ：中国生态农业学报 2009年 11月 第 17卷 第 6期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Nov. 2009, 17(6): 1063−1068


* 中国科学院知识创新项目(KZCX2-YW-407, KZCX2-YW-405)、国家科技支撑计划课题(2006BAD05B05)和沈阳环境工程重点实验室基
金(ERCERR08014)资助
** 通讯作者: 宇万太(1964~), 男, 硕士, 研究员, 主要从事农田养分循环研究。E-mail: wtyu@iae.ac.cn
朱先进(1985~), 男, 在读硕士, 主要从事农业生态学研究。E-mail: xianjin1985@163.com
收稿日期: 2009-04-02 接受日期: 2009-07-03
DOI: 10. 3724/SP.J.1011.2009.01063
不同施肥模式下作物收获物中微量元素
含量及其分配研究*
朱先进 1,2 宇万太 1** 马 强 1 姜子绍 1 周 桦 1
(1. 中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 110016; 2. 中国科学院研究生院 北京 100049)
摘 要 以下辽河平原一组 18年的定位试验为平台, 研究长期不同施肥处理作物收获物中 Fe、Mn、Zn、Cu
含量及其分布。结果表明: 作物收获物中微量元素含量表现为 Fe>Mn、Zn>Cu, 且玉米收获物各元素含量远高
于大豆; 处理间微量元素含量差异显著, 表现为 NPK+M>NPK>M>CK; 作物收获物中微量元素含量与作物籽
实或秸秆产量间有显著相关性, 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。不同施肥处理间微量元素分配存在变异, 但总体仍表现为玉
米收获物中微量元素主要分配在秸秆中, 而大豆籽实富集了大量的微量元素。采用秸秆还田等养分循环再利
用措施, 可实现农田微量元素可持续发展, 因而应在农村加强秸秆还田等养分循环再利用措施的应用。
关键词 施肥模式 微量元素 养分循环 玉米 大豆
中图分类号: S181 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2009)06-1063-06
Effect of varying fertilization treatment on the content and
distribution of trace elements in harvested crops
ZHU Xian-Jin1,2, YU Wan-Tai1, MA Qiang1, JIANG Zi-Shao1, ZHOU Hua1
(1. Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract The content and distribution of Fe, Mn, Zn and Cu in harvested crops under different long-term fertilization schemes
were analyzed. Data from 18 years of continuous field trials in aquic-brown soils in a suburb of Shenyang, Northeast China were
used in the study. Based on the study, the order of the trace elements in the harvested crops in relation to content is as follows: Fe>
Mn, Zn>Cu. The content of the trace elements in maize is higher than that in soybean. There are extreme differences in the content of
trace elements among different fertilization treatments, generally occurring in the order of NPK+M>NPK>M>CK. There is a signifi-
cant correlation between trace element content and grain yield/stalk yield. R2 regression trends of Fe, Mn, Zn and Cu contents in
maize harvests and stalks yield are 0.99, 0.94, 0.92 and 0.87 respectively. R2 regression trends of Fe and Mn content in soybean har-
vests and stalks yield are all 0.97, while that of Zn and Cu content in soybean harvests and grain yield are 1.00 and 0.97 respectively.
The distribution of trace elements varies with fertilization treatment. In maize, trace elements are mainly concentrated in stalks,
whereas they are concentrated in grains for soybean. Nutrient cycling like straw re-use is therefore an effective strategy for sustain-
able agro-ecosystem. Extensive and intensive application of nutrients recycling like plowing straw into the soil should therefore be
supported.
Key words Fertilization scheme, Trace element, Nutrient cycling, Maize, Soybean
(Received April 2, 2009; accepted July 3, 2009)
1064 中国生态农业学报 2009 第 17卷


作物中的微量元素是人类获取微量元素的直接
途径, 而作物体内的微量元素受作物品种、气候、
地域、水分和施肥等因素的影响[1−4], 因此前人对不
同环境条件下作物体内微量元素含量的变化进行了
细致研究[3,5,6]。然而, 随着人们生活水平的提高, 营
养不良问题日益凸显 [7], 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 [8−10], 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 [11,12], 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 材料与方法
1.1 研究区概况
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 3 300~3 400 ℃, 太阳总辐射量 5 409.9~5 599.8
kJ·cm−2, 无霜期 147~168 d。年均降雨量 600~700
mm, 年蒸发量 1 480~1 756 mm。
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 26 458.7
mg·kg−1, 全锰 569.41 mg·kg−1, 全锌 49.48 mg·kg−1,
全铜 24.83 mg·kg−1, 全铅 22.53 mg·kg−1。
1.2 试验设计
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 N 150 kg·hm−2, 用尿素折算, 磷肥用量为
纯 P 25.0 kg·hm−2, 用重过磷酸钙折算, 钾肥用量为
纯 K 60.0 kg·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[13]。
试验设 3 次重复, 小区面积 162 m2, 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 样品采集与分析
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(Optima 3000)测定, 土壤全氮与全碳用
元素分析仪 (Vario EL Ⅲ )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 0.5 mol·L−1
NaHCO3−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[14]。
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 不同施肥处理作物收获物中微量元素含量的
变化
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。

表 1 试验地土壤的基本理化性质
Tab. 1 Main prosperities of the tested soil
有机质
Organic matter
(g·kg−1)
全氮
Total N
(g·kg−1)
全磷
Total P
(g·kg−1)
全钾
Total K
(g·kg−1)
有效磷
Available P
(mg·kg−1)
速效钾
Available K
(mg·kg−1)
pH
20.9 1.13 0.44 16.4 10.6 88.0 6.5
第 6期 朱先进等: 不同施肥模式下作物收获物中微量元素含量及其分配研究 1065


表 2 2007年不同施肥处理下玉米和大豆收获物中微量元素的含量
Tab. 2 Quantities of trace elements removed by maize and soybean under different fertilization treatments in 2007 g·hm−2
玉米 Maize 大豆 Soybean 处理
Treatment Fe Mn Zn Cu Fe Mn Zn Cu
CK 1 033.51c 136.75c 218.21c 27.23c 223.71d 71.76d 98.65d 26.88c
M 1 368.84b 174.89b 273.85a 38.06b 322.14c 98.76c 123.81c 35.88b
NPK 1 386.30b 252.35a 289.68a 49.40a 333.09b 110.83b 140.31b 39.26b
NPK+M 1 540.54a 280.36a 300.17a 54.04a 426.42a 142.43a 173.18a 48.03a
平均 Average 1 332.30 211.09 270.48 42.18 326.34 105.94 133.99 37.51
同列不同小写字母表示同一元素在不同处理间存在显著差异(P<0.05), 下同。Different letters in the same column mean significant difference
among different treatments(P<0.05), the same below.

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 不同施肥处理作物收获物中微量元素含量与
产量间的相互关系
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 不同施肥处理作物收获物中微量元素的分配
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


图 1 玉米收获物中微量元素含量与秸秆产量间的关系
Fig. 1 Relationship between contents of trace elements in maize harvests and the yields of maize stalks
1066 中国生态农业学报 2009 第 17卷



图 2 大豆收获物中微量元素含量与产量间的关系
Fig. 2 Relationships between contents of trace elements in soybean harvests and the yields of soybean

表 3 2007年不同施肥处理下微量元素在作物秸秆与籽实中的分配比
Tab. 3 Ratios of trace elements in stalks to those in grains under different fertilization treatments in 2007
玉米 Maize 大豆 Soybean
处理 Treatment
Fe Mn Zn Cu Fe Mn Zn Cu
CK 10.73a 11.06a 1.23a 2.60a 0.78a 0.72b 0.30b 0.29b
M 9.35b 9.31b 0.97b 2.51a 1.04a 0.87a 0.39a 0.37a
NPK 5.94d 6.97c 0.51c 2.03b 0.72a 0.67c 0.34b 0.26b
NPK+M 6.77c 7.75c 0.51c 2.38a 0.77a 0.76b 0.38a 0.28b

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 讨论
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[15]。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[1,2]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 [4,19], 但施肥亦
影响作物产量[20], 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 [21],
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[22], 在微量元素上也会因移
出量较低而具有肥田效果。
第 6期 朱先进等: 不同施肥模式下作物收获物中微量元素含量及其分配研究 1067



图 3 作物收获物中微量元素分配比与作物产量间的关系
Fig. 3 Relationships between ratios of trace elements in stalks and grains and yields of crops

表 4 玉米收获物中微量元素含量范围
Tab. 4 Range of trace elements in maize harvests g·hm−2
元素 Element 编号
Identity Fe Mn Zn Cu
土壤类型
Type of soil
文献来源
Source of reference
1 1 033~2 327 180~500 218~370 27~76 潮棕壤 Aquic brown soil 本文 This article
2 − 166~517 290~640 44~247 棕壤 Brown soil 沈蕴石, 等[16] Shen, et al
3 − 240~323 125~177 45~56 土 Lou soil 李辉桃, 等[17] Li, et al
4 1 940~4 298 181~400 124~275 79~175 土 Lou soil 同延安, 等[18] Tong, et al
“−” 表示原文献中未测定该指标。“− ” represents that it was not detected by the author in the reference.

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 [23], 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[24,25], 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 结论
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。
1068 中国生态农业学报 2009 第 17卷


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, 因此在玉米
种植区或大豆−玉米轮作区实行秸秆还田等养分循
环再利用措施 , 可使农田微量元素得到更有效利
用。但自 20 世纪中叶以来, 随化肥引入我国, 养分
循环利用这一我国农业传统养分管理模式已逐渐被
人们忽视, 以化肥为基础的“石油农业”的推广, 造
成有机养分的浪费, 给环境带来了巨大压力。因而
在我国未来农业发展中, 应重视以秸秆还田等措施
为代表的养分循环方式的推广和利用, 辅以秸秆快
速腐解等相关技术, 对于解决农业发展的不可持续
问题、实现资源的合理利用具有重要意义。
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