牛君仿, 馮俊霞, 張喜英**

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不同磷源對(duì)設(shè)施菜田土壤速效磷及其淋溶閾值的影響*

牛君仿1, 馮俊霞2, 張喜英1**

(1. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 2. 石家莊學(xué)院化工學(xué)院 石家莊 050035)

土壤中磷的移動(dòng)性不僅取決于磷的數(shù)量且與磷肥形態(tài)有關(guān)。了解不同磷源(有機(jī)肥和化肥)對(duì)設(shè)施菜田土壤磷素的影響對(duì)于指導(dǎo)科學(xué)施肥和面源污染防治至關(guān)重要。本文選取河北省饒陽(yáng)縣3種不同磷含量的農(nóng)田土壤(未種植過(guò)蔬菜的土壤、種植蔬菜30年的塑料大棚土壤和種植蔬菜4年的日光溫室土壤)為研究對(duì)象, 采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型模擬方法研究有機(jī)無(wú)機(jī)磷源對(duì)設(shè)施菜田土壤磷素的影響, 確定無(wú)機(jī)肥和有機(jī)肥源土壤磷素淋溶的環(huán)境閾值。結(jié)果表明添加有機(jī)肥和無(wú)機(jī)磷肥都會(huì)顯著增加3種不同種植年限設(shè)施菜田土壤速效磷(Olsen-P)和氯化鈣磷(CaCl2-P)含量, 但增加速度不同。對(duì)于未種植過(guò)蔬菜的低磷對(duì)照土壤, 磷投入量高于50 mg?kg-1(干土)后, 無(wú)機(jī)肥比有機(jī)肥顯著提高了土壤Olsen-P含量。對(duì)于已種植蔬菜30年的塑料大棚土壤, 高磷投入時(shí)[300 mg?kg-1(干土)和600 mg?kg-1(干土)], 無(wú)機(jī)肥比有機(jī)肥顯著提高了土壤Olsen-P含量, 低于此磷投入量時(shí)有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥處理之間沒(méi)有顯著差異。3種不同農(nóng)田土壤CaCl2-P的含量所有處理均表現(xiàn)出無(wú)機(jī)肥顯著高于有機(jī)肥處理, 尤其是在高磷量[>300 mg?kg-1(干土)]投入時(shí)表現(xiàn)更加明顯。兩段式線性模擬結(jié)果表明, 設(shè)施菜田土壤有機(jī)肥源磷素和無(wú)機(jī)肥源磷素淋溶閾值分別為87.8 mg?kg-1和198.7 mg?kg-1。隨著土壤Olsen-P的增加, 添加無(wú)機(jī)肥源磷對(duì)設(shè)施菜田土壤CaCl2-P含量的增加速率是有機(jī)肥源磷的兩倍。因此, 建議在河北省高磷設(shè)施菜田應(yīng)減少無(wú)機(jī)磷肥的投入, 特別是土壤速效磷高于198.7 mg?kg-1的設(shè)施菜田應(yīng)禁止使用化學(xué)磷肥和有機(jī)肥, 在土壤速效磷低于198.7 mg?kg-1的設(shè)施菜田應(yīng)加大有機(jī)肥適度替代無(wú)機(jī)肥技術(shù)的推廣。

設(shè)施蔬菜;有機(jī)肥; 無(wú)機(jī)肥; 速效磷; CaCl2-P; 淋溶閾值

高肥水投入是我國(guó)設(shè)施蔬菜種植體系的重要特征。近年來(lái)中國(guó)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)快速增長(zhǎng), 估計(jì)每年超過(guò)50%的畜牧業(yè)廢棄物被循環(huán)利用到約占全國(guó)12%耕地的蔬菜生產(chǎn)中[1]?？焖僭鲩L(zhǎng)的畜牧業(yè)和大量的糞便廢棄物在耕地中的施用導(dǎo)致農(nóng)田土壤磷素的大量累積[2]。在蔬菜生產(chǎn)中, 農(nóng)民往往忽略了糞肥在養(yǎng)分供應(yīng)方面的作用, 在大量施用糞肥的基礎(chǔ)上, 仍然施用大量化肥, 同時(shí)設(shè)施菜田灌溉具有灌水量大和頻率高的特點(diǎn), 導(dǎo)致該體系下磷素盈余和累積更高, 環(huán)境和可持續(xù)問(wèn)題更加嚴(yán)重。在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)體系中連續(xù)的磷素盈余導(dǎo)致高的土壤磷素含量, 日光溫室0~20 cm表層土壤有效磷(Olsen-P)含量平均為179 mg?kg-1, 有些地方40~60 cm土層Olsen-P和土壤氯化鈣提取磷(CaCl2-P)含量增加并出現(xiàn)磷淋溶現(xiàn)象[2]。

關(guān)于土壤磷素淋溶的研究主要集中在淋溶損失特征及影響因素、土壤磷素淋溶閾值及影響因素等方面, 研究方法主要分為兩類(lèi): 一方面通過(guò)室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)或田間試驗(yàn), 測(cè)定土壤淋洗液中不同形態(tài)磷含量的方法研究土壤磷素淋溶損失特征。另一方面通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn), 測(cè)定土壤Olsen-P和CaCl2-P含量, 確定土壤CaCl2-P隨土壤Olsen-P含量的增加存在的“突變點(diǎn)”, 即土壤磷素淋溶閾值表征土壤磷素的淋溶風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。土壤Olsen-P、CaCl2-P是表征土壤供磷能力和確定磷肥用量及流失風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)。在中國(guó), 以表層土Olsen-P為指標(biāo), 約92%和87%的設(shè)施菜田土壤超過(guò)農(nóng)學(xué)閾值58 mg?kg-1和環(huán)境閾值80 mg?kg-1(以P計(jì))[2]。因此, 設(shè)施菜田過(guò)量施肥造成的土壤磷素淋溶問(wèn)題不容忽視。

施用化學(xué)磷肥和有機(jī)肥是提高土壤磷素含量的有效途徑?；示哂蟹市Э?、易被作物吸收等特點(diǎn), 而有機(jī)肥肥效緩慢[5-6]。磷的有效性與土壤類(lèi)型有關(guān)[7]。土壤中磷的移動(dòng)性不僅取決于磷的數(shù)量, 而且與施用的磷肥形態(tài)有關(guān)[8-14]。有機(jī)肥的施用可以促進(jìn)磷素移動(dòng)性的增加, 有機(jī)肥磷比化肥磷更容易淋洗到深層土壤[8]。因此了解無(wú)機(jī)有機(jī)磷肥對(duì)不同設(shè)施菜田土壤磷素的影響對(duì)于指導(dǎo)科學(xué)施肥和面源污染防治至關(guān)重要。土壤磷淋溶閾值因區(qū)域、土壤類(lèi)型和種植模式的變化而差異較大[15-17]。近年來(lái)我國(guó)研究者針對(duì)農(nóng)田土壤磷素環(huán)境閾值做了很多研究, 其中我國(guó)菜田土壤Olsen-P的淋溶閾值集中在50~80 mg?kg-1(以P計(jì))[2,18], 但很多文獻(xiàn)中均是采用無(wú)機(jī)磷肥作為磷源測(cè)定的結(jié)果, 并沒(méi)有區(qū)分有機(jī)肥源磷和無(wú)機(jī)肥源磷。本文通過(guò)研究添加有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥源磷對(duì)河北省典型設(shè)施菜田土壤Olsen-P和CaCl2-P含量的影響, 提出河北省設(shè)施菜田的土壤磷素淋溶閾值, 為河北省設(shè)施菜田土壤磷素淋溶風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)、有機(jī)肥的合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤培養(yǎng)試驗(yàn)

本試驗(yàn)選用3種不同種植年限的設(shè)施菜田土壤為試驗(yàn)材料, 采樣地點(diǎn)為河北省設(shè)施蔬菜大縣衡水市饒陽(yáng)縣。包括①對(duì)照土壤: 未種植蔬菜的溫室旁土壤, 速效磷含量較低(4.8 mg?kg-1), 取自饒陽(yáng)縣尹村鎮(zhèn)南北巖村, 以S1表示; ②塑料大棚土壤: 已種植蔬菜30年的塑料大棚土壤, 土壤速效磷含量很高(187.7 mg?kg-1), 取自饒陽(yáng)縣大尹村鎮(zhèn)北流滿村, 以S2表示; ③日光溫室土壤: 已種植蔬菜4年的日光溫室土壤, 速效磷含量較高(159.4 mg?kg-1), 取自饒陽(yáng)縣綠科示范園區(qū), 以S3表示。3種土壤全部取自0~20 cm的表層土壤。土壤樣品風(fēng)干后過(guò)1 mm篩, 稱(chēng)取260 g, 加入不同量的有機(jī)肥和無(wú)機(jī)磷肥并混合均勻, 放入直徑5 cm、高8 cm的塑料瓶中。不同種植年限的設(shè)施土壤性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 3種供試土壤的基本物理化學(xué)性質(zhì)

S1: 對(duì)照土壤; S2: 種植蔬菜30年的塑料大棚土壤; S3: 種植蔬菜4年的日光溫室土壤。S1: soil next to the greenhousewithout planting vegetables; S2: plastic greenhouse soil with 30 years vegetables planting; S3: solar greenhouse soil with 4 years vegetables planting.

有機(jī)肥以M表示, 無(wú)機(jī)肥以F表示。設(shè)置6個(gè)磷水平(以P計(jì)): ①對(duì)照(不施肥, CK); ②50 mg?kg-1(干土)(M50和F50); ③100 mg?kg-1(干土)(M100和F100); ④150 mg?kg-1(干土)(M150和F150); ⑤300 mg?kg-1(干土)(M300和F300); ⑥600 mg?kg-1(干土)(M600和F600)。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。有機(jī)肥采用風(fēng)干腐熟豬糞, 全氮、全磷、全鉀含量分別為17.1 g?kg-1、16.8 g?kg-1、13.7 g?kg-1, 碳含量為181.9 g?kg-1, C∶N和C∶P分別為10.0和10.8。無(wú)機(jī)磷肥采用KH2PO4。每個(gè)塑料瓶瓶口覆蓋膜, 膜上有兩個(gè)孔保障空氣流通, 然后將塑料瓶放置培養(yǎng)箱中(25±1) ℃恒溫培養(yǎng)。水分控制在土壤飽和含水量的50%, 4 d后風(fēng)干再加水至約50%的飽和持水量, 同上培養(yǎng)4 d后再風(fēng)干, 如此進(jìn)行4次干濕交替, 使得磷在土壤中的吸附解析達(dá)到平衡, 試驗(yàn)持續(xù)28 d后土壤風(fēng)干待測(cè)。在試驗(yàn)進(jìn)行之前測(cè)定3種土壤的飽和土壤含水量。將風(fēng)干土裝在100 cm3的環(huán)刀中, 按照1.3 g?cm-3的容重裝土, 環(huán)刀底部有孔的一端放一張濾紙, 放在一盆水中過(guò)夜, 然后拿出放置半天后, 稱(chēng)重, 接著烘干稱(chēng)重, 測(cè)定3種土壤S1、S2和S3的土壤飽和含水量()分別為38.0%、39.4%和40.7%。所以本試驗(yàn)培養(yǎng)3種土壤保持的土壤含水量()分別為19.0%、19.7%和20.4%。試驗(yàn)結(jié)束后風(fēng)干土壤過(guò)2 mm篩, 測(cè)定土壤Olsen-P和CaCl2-P含量。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤基本物理化學(xué)性質(zhì)中各項(xiàng)指標(biāo)如pH、電導(dǎo)率、全氮、全磷、全鉀和土壤硝態(tài)氮含量按照土壤常規(guī)分析方法進(jìn)行測(cè)定[19]。土壤質(zhì)地采用比重計(jì)法測(cè)定。有機(jī)肥全碳和全氮釆用碳氮分析儀測(cè)定。有機(jī)肥全磷全鉀用濃硫酸-H2O2消煮后分別采用釩鉬磺比色法和原子吸收光譜法測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)釆用重鉻酸鉀氧化法。土壤Olsen-P和CaCl2-P含量分別用0.5 mol?L-1NaHCO3(pH8.5, 土水比1∶20)和0.01 mol?L-1CaCl2(土水比為1∶5)浸提后鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

利用WPS 2016和Sigma Plot (12.5, Systat Software Inc.)進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖表處理。數(shù)據(jù)方差分析采用SAS(8.0, SAS Institute)進(jìn)行。土壤磷素閾值采用Sigma Plot 12.5軟件兩段式直線模型進(jìn)行模擬分析, 確定土壤磷素淋溶閾值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷源對(duì)設(shè)施菜田土壤速效磷(Olsen-P)含量的影響

從整體來(lái)看, 由于速效磷基礎(chǔ)值的差異, 無(wú)論加入有機(jī)肥還是無(wú)機(jī)肥, 對(duì)土壤速效磷都呈現(xiàn)出塑料大棚土壤>日光溫室土壤>對(duì)照土壤的趨勢(shì)。日光溫室土壤除添加50 mg?kg-1有機(jī)肥源磷處理外, 其他處理增施磷肥都顯著提高了土壤Olsen-P含量; 同一磷水平處理中, 土壤Olsen-P含量施無(wú)機(jī)肥處理顯著高于施有機(jī)肥處理(圖1)。對(duì)于低磷對(duì)照土壤, 投入低量磷時(shí)(50 mg?kg-1), 有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥處理土壤Olsen-P含量沒(méi)有顯著差異。磷投入量高于50 mg?kg-1后, 與有機(jī)肥處理相比, 無(wú)機(jī)肥處理顯著提高了土壤Olsen-P含量。對(duì)于塑料大棚土壤, 磷投入量低于150 mg?kg-1時(shí), 有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥對(duì)土壤Olsen-P含量沒(méi)有顯著差異; 高磷投入時(shí)(300 mg?kg-1和600 mg?kg-1), 與施有機(jī)肥相比, 無(wú)機(jī)肥施用顯著提高了土壤Olsen-P含量。對(duì)于日光溫室土壤, 所有磷投入量處理無(wú)機(jī)肥顯著高于有機(jī)肥處理。

圖1 施用有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥對(duì)不同設(shè)施菜田土壤速效磷的影響

CK、M和F分別代表不施肥、有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥處理, 其后面的數(shù)字代表施肥量[mg(P)?kg-1(干土)]; S1、S2和S3分別代表對(duì)照土壤、已種植30年蔬菜的塑料大棚土壤和種植4年蔬菜的日光溫室土壤。每個(gè)數(shù)值為3個(gè)重復(fù)的平均值±SD。不同字母表示同一土壤類(lèi)型不同施肥處理之間差異顯著(≤0.05)。CK, M and F denote no fertilizer, manure and inorganic fertilizer treatments, respectively. Numbers following M and F indicate fertilization levels [mg(P)?kg-1(dry soil)]. S1, S2 and S3 indicate the control soil next to the greenhouse without planting vegetables, plastic greenhouse soil with 30 years vegetables planting and solar greenhouse soil with 4 years vegetables planting. Bars represent the standard deviation of three replicates. Means of different fertilization treatments of the same soil type with different letters are significantly different at≤ 0.05.

2.2 不同磷源對(duì)設(shè)施菜田土壤氯化鈣提取磷(CaCl2-P)含量的影響

不同處理土壤CaCl2-P含量為0~60 mg?kg-1, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于土壤Olsen-P含量。從整體來(lái)看, 3種不同設(shè)施菜田土壤CaCl2-P的含量均表現(xiàn)為同一施肥量無(wú)機(jī)肥處理顯著高于有機(jī)肥處理, 尤其是在高磷投入量(>300 mg?kg-1)時(shí)表現(xiàn)更加明顯(圖2)。3種不同設(shè)施土壤添加無(wú)機(jī)肥源磷各處理較對(duì)照均顯著增加了土壤CaCl2-P(圖2)。對(duì)于低磷對(duì)照土壤, 磷投入量≤150 mg?kg-1時(shí), 添加有機(jī)肥對(duì)土壤CaCl2-P含量沒(méi)有顯著影響, 高于此值時(shí)土壤CaCl2-P含量顯著升高。對(duì)于塑料大棚土壤, 有機(jī)肥源磷投入量高于100 mg?kg-1時(shí)土壤CaCl2-P磷顯著增加。對(duì)于日光溫室土壤而言, 添加有機(jī)肥源磷所有處理CaCl2-P含量較對(duì)照均顯著增加。

2.3 不同磷源下設(shè)施菜田土壤磷素增速及其模擬

分別以土壤Olsen-P和CaCl2-P的增加量為縱坐標(biāo), 磷添加量為橫坐標(biāo)作圖來(lái)模擬磷投入量與土壤速效磷和CaCl2-P含量增加速率的關(guān)系, 如圖3所示。對(duì)于3種不同磷含量的設(shè)施菜田土壤, 無(wú)論施用有機(jī)肥還是無(wú)機(jī)肥土壤Olsen-P含量都呈線性增加的趨勢(shì), 且都達(dá)顯著相關(guān)水平(圖3a和表2)。有機(jī)肥源磷對(duì)土壤Olsen-P的增加速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無(wú)機(jī)肥處理(圖3a)。但是不同設(shè)施菜田土壤Olsen-P增速不同。從模擬線性回歸方程的斜率來(lái)看, 斜率越小土壤Olsen-P的增速越慢。對(duì)于添加有機(jī)肥源磷來(lái)說(shuō), 磷投入量低于300 mg?kg-1時(shí), 土壤Olsen-P的增加量表現(xiàn)為塑料大棚土壤>對(duì)照土壤>日光溫室土壤; 當(dāng)磷添加量為600 mg?kg-1時(shí), 對(duì)照土壤Olsen-P增加量最大。對(duì)于添加無(wú)機(jī)磷肥來(lái)說(shuō), 土壤Olsen-P的增加速率表現(xiàn)為塑料大棚土壤>日光溫室土壤>對(duì)照土壤(圖3a和表2)。

圖2 施用有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥對(duì)不同設(shè)施菜田土壤氯化鈣磷的影響

CK、M和F分別代表不施肥、有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥處理, 其后面的數(shù)字代表施肥量[mg(P)?kg-1(干土)]; S1、S2和S3分別代表對(duì)照土壤、種植30年蔬菜的塑料大棚土壤和種植4年蔬菜的日光溫室土壤。每個(gè)數(shù)值為3個(gè)重復(fù)的平均值±SD。不同字母表示同一土壤類(lèi)型不同施肥處理之間差異顯著(≤0.05)。CK, M and F denote no fertilizer, manure and inorganic fertilizer treatments, respectively. Numbers following M and F indicate fertilization levels [mg(P)?kg-1(dry soil)]. S1, S2 and S3 indicate the control soil next to the greenhouse without planting vegetables, plastic greenhouse soil with 30 years vegetablesplanting and solar greenhouse soil with 4 years vegetables planting. Bars represent the standard deviation of three replicates. Means of different fertilization treatments of the same soil type with different letters are significantly different at≤0.05.

添加不同磷源后設(shè)施菜田土壤CaCl2-P的增加量表現(xiàn)趨勢(shì)與土壤Olsen-P表現(xiàn)不同。整體來(lái)看添加無(wú)機(jī)肥源磷后CaCl2-P的增加量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有機(jī)肥源磷處理(圖3b)。添加有機(jī)肥源磷后3種不同設(shè)施菜田土壤CaCl2-P均表現(xiàn)出線性增加的趨勢(shì), 塑料大棚土壤和日光溫室土壤CaCl2-P增加速率相近, 且均高于對(duì)照土壤(圖3b和表2)。添加無(wú)機(jī)肥源磷土壤CaCl2-P的變化與Olsen-P的變化不同: 日光溫室土壤和塑料大棚土壤添加無(wú)機(jī)肥源磷后CaCl2-P增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)照土壤, 在磷添加量小于300 mg?kg-1時(shí), 土壤CaCl2-P含量隨著土壤無(wú)機(jī)肥源磷量的增大呈快速增加的趨勢(shì), 當(dāng)無(wú)機(jī)肥源添加量高于300 mg?kg-1時(shí), 土壤CaCl2-P含量隨著無(wú)機(jī)肥源磷的增加增速變緩, 呈拋物線模式(圖3b和表2)。無(wú)機(jī)肥源磷對(duì)3種設(shè)施菜田土壤CaCl2-P的差異高于有機(jī)肥源磷處理(圖3b和表2)。

圖3 施用有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥對(duì)不同設(shè)施菜田土壤Olsen-P(a)和氯化鈣提取磷(CaCl2-P)(b)增加量的影響

S1、S2和S3分別代表對(duì)照土壤、種植30年蔬菜的塑料大棚土壤和種植4年蔬菜的日光溫室土壤, M和F分別代表有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥處理。S1, S2 and S3 indicate the control soil next to the greenhouse without planting vegetables, plastic greenhouse soil with 30 years vegetablesplanting and solar greenhouse soil with 4 years vegetables planting. M and F denote manure and inorganic fertilizer treatments, respectively.

表2 添加有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥對(duì)不同設(shè)施菜田土壤Olsen-P和氯化鈣提取磷(CaCl2-P)增量的模擬

S1、S2和S3分別代表對(duì)照土壤、種植30年蔬菜的塑料大棚土壤和種植4年蔬菜的日光溫室土壤。S1, S2 and S3 indicate the control soil next to the greenhouse without planting vegetables, plastic greenhouse soil with 30 years vegetablesplanting and solar greenhouse soil with 4 years vegetables planting.

2.4 不同磷源對(duì)設(shè)施菜田土壤磷素淋溶閾值的影響

由于所取3種土壤屬于同種土壤類(lèi)型, 以所有添加有機(jī)肥源磷處理的土壤Olsen-P作為橫坐標(biāo), 土壤CaCl2-P為縱坐標(biāo), 利用Sigmaplot軟件兩段式直線模型進(jìn)行模擬分析, 找出拐點(diǎn)確定土壤磷素淋溶閾值, 如圖4a所示。按照同樣的方法將所有添加無(wú)機(jī)肥源磷處理數(shù)據(jù)作圖如圖4b所示。從圖4a可知, 添加有機(jī)肥源, 當(dāng)土壤Olsen-P小于87.8 mg?kg-1時(shí), 土壤CaCl2-P增加緩慢, 土壤Olsen-P每增加1個(gè)濃度單位, 土壤CaCl2-P增加0.028 mg?kg-1; 當(dāng)土壤Olsen-P大于87.8 mg?kg-1時(shí), 土壤CaCl2-P快速增加, 土壤Olsen-P每增加1個(gè)濃度單位, 土壤CaCl2-P增加0.056 mg?kg-1, 即饒陽(yáng)縣設(shè)施菜田有機(jī)肥源磷土壤淋溶閾值為87.8 mg?kg-1。從圖4b可知, 添加無(wú)機(jī)肥源磷與有機(jī)肥源磷處理不同, 隨著土壤Olsen-P的增加, 土壤CaCl2-P的增加速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有機(jī)肥源磷處理。當(dāng)土壤Olsen-P小于198.7 mg?kg-1時(shí), 隨著土壤Olsen-P含量的增加土壤CaCl2-P增速較慢, 土壤Olsen-P每增加1個(gè)濃度單位, 土壤CaCl2-P增加0.06 mg?kg-1, 當(dāng)土壤Olsen-P大于198.7 mg?kg-1時(shí), 土壤Olsen-P每增加1個(gè)濃度單位, 土壤CaCl2-P增加0.11 mg?kg-1, 其增速是有機(jī)肥源磷處理的2.0倍。

圖4 添加有機(jī)肥磷(a)和無(wú)機(jī)肥磷(b)條件下設(shè)施菜田土壤Olsen-P含量和CaCl2-P含量的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

3.1 不同磷源對(duì)不同設(shè)施菜田土壤Olsen-P和CaCl2-P的影響

施用化學(xué)磷肥和有機(jī)肥是提高了土壤Olsen-P含量的有效途徑?；示哂蟹市Э?、易被作物吸收等特點(diǎn), 而有機(jī)肥肥效緩慢, 不能及時(shí)滿足作物關(guān)鍵生育時(shí)期對(duì)養(yǎng)分的需求[5]。許多研究表明有機(jī)肥磷的有效性低于KH2PO4-P[6-7], 且磷的有效性與土壤類(lèi)型有關(guān)[7]。本試驗(yàn)中無(wú)論施用無(wú)機(jī)肥還是有機(jī)肥都顯著增加了3種設(shè)施菜田土壤Olsen-P含量, 且有機(jī)肥源磷對(duì)土壤Olsen-P的增加速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無(wú)機(jī)肥。添加有機(jī)肥后對(duì)不同設(shè)施菜田土壤上Olsen-P增速不同。當(dāng)投入量低于300 mg?kg-1時(shí), 添加有機(jī)肥源磷土壤Olsen-P的增加量表現(xiàn)為塑料大棚土壤>對(duì)照土壤>日光溫室土壤。在石灰性設(shè)施菜田土壤上連續(xù)4年的研究結(jié)果表明, 連續(xù)施用有機(jī)肥和化肥造成土壤表層土壤磷的累積, 養(yǎng)分投入量相同的情況下, 施用有機(jī)肥蔬菜產(chǎn)量低于施用化肥, 作物磷帶走量少, 造成土壤磷素累積比施用化肥嚴(yán)重[20]。也有研究結(jié)果不同, 注射液體有機(jī)肥到土壤中磷的有效性高于KH2PO4-P[21]。本文中有機(jī)肥磷的有效性低于化肥與選用的風(fēng)干腐熟豬糞作為有機(jī)肥有關(guān)。

有機(jī)肥磷的相對(duì)有效性隨著土壤pH和砂粒含量的增加而增加[6]。曹文超等[22]對(duì)壽光地區(qū)設(shè)施菜田土壤的研究結(jié)果表明, 各土層土壤pH隨著種植年限的增加而下降。本文中種植30年蔬菜的塑料大棚土壤pH低于種植4年蔬菜的日光溫室土壤, 溫室旁未種植蔬菜的土壤pH最高。低pH是已種植30年蔬菜的塑料大棚土壤施用有機(jī)肥后土壤Olsen-P增速快的原因之一。

土壤有機(jī)質(zhì)或者添加秸稈, 腐殖酸等有機(jī)物質(zhì)可以提升肥料磷的有效性[23-26]。30年塑料大棚土壤有機(jī)質(zhì)含量大大高于日光溫室土壤和對(duì)照土壤, 高有機(jī)質(zhì)含量也是已種植30年蔬菜的塑料大棚土壤施用有機(jī)肥后土壤Olsen-P增速快的原因之一。

3.2 設(shè)施菜田土壤磷素淋溶閾值

土壤磷水平是決定農(nóng)田磷素流失的首要因素, 在一定程度上可以反映出土壤磷素流失的潛能。采用水或0.01 mol?L-1CaCl2-P溶液提取的水溶性磷與磷素流失具有顯著的正相關(guān)關(guān)系, 是評(píng)價(jià)磷素?fù)p失的有效指標(biāo)[27-28]。已有研究表明, 土壤中有效磷含量與CaCl2-P之間存在一個(gè)迅速增加的拐點(diǎn)值, 此拐點(diǎn)值則為土壤磷的環(huán)境閾值, 可用于預(yù)測(cè)土壤磷素的淋失風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。土壤磷環(huán)境閾值因區(qū)域、土壤類(lèi)型和種植模式的變化而差異較大[15-17]。Olsen-P是我國(guó)廣泛運(yùn)用的土壤有效磷測(cè)定方法。近年來(lái)我國(guó)研究者針對(duì)農(nóng)田土壤磷素環(huán)境閾值做了很多研究, 其中我國(guó)菜田土壤Olsen-P的環(huán)境閾值集中在50~80 mg?kg-1(以P計(jì)){王新軍, 2006 #2094;Yan, 2013 #1888}[2,18], 但很多文獻(xiàn)中均采用無(wú)機(jī)磷肥作為磷源測(cè)定的結(jié)果, 并沒(méi)有區(qū)分有機(jī)肥磷源和無(wú)機(jī)肥源磷。本文結(jié)果表明河北省典型設(shè)施菜田土壤有機(jī)肥源磷素淋溶閾值為87.8 mg?kg-1, 與已報(bào)到的文獻(xiàn)結(jié)果基本一致, 但是無(wú)機(jī)肥源磷素淋溶閾值為198.7 mg?kg-1, 其結(jié)果高于其他已發(fā)表的淋溶閾值。土壤中磷素的移動(dòng)性取決于土壤中磷素的數(shù)量和形態(tài), 且有機(jī)肥的施用可以促進(jìn)磷素移動(dòng)性的增加, 有機(jī)肥磷比化肥磷更容易淋洗到深層土壤[8]。與無(wú)機(jī)肥和復(fù)合肥相比, 高的有機(jī)肥投入顯著增加了磷飽和度[10,12-14], 磷的吸附強(qiáng)度降低[9,14]。一般而言, 與無(wú)機(jī)磷相比, 水溶性或膠體態(tài)有機(jī)磷不易被土壤固定, 是低磷飽和度土壤中磷素在剖面移動(dòng)的主要形態(tài), 但是在高磷飽和度土壤上兩者的移動(dòng)性差異下降[29]。而在本試驗(yàn)中涉及的設(shè)施菜田土壤是磷素含量很高的石灰性土壤, 屬于磷高飽和土壤, 投入相同量磷的條件下, 施用無(wú)機(jī)肥對(duì)土壤CaCl2-P的提升速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有機(jī)肥處理。雖然無(wú)機(jī)肥源磷淋溶閾值大大高于無(wú)機(jī)肥源磷處理, 但無(wú)機(jī)肥源磷帶來(lái)的淋溶風(fēng)險(xiǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有機(jī)肥。因此筆者認(rèn)為在河北省高磷設(shè)施土壤應(yīng)減少無(wú)機(jī)磷肥的投入, 特別是在速效磷高于198.7 mg?kg-1設(shè)施菜田土壤上應(yīng)禁止施用化學(xué)磷肥和有機(jī)肥, 在土壤速效磷低于198.7 mg?kg-1的設(shè)施菜田中加大有機(jī)肥適度替代無(wú)機(jī)肥的推廣更能實(shí)現(xiàn)磷的面源污染防控。

許多肥料推薦和研究運(yùn)用養(yǎng)分平衡技術(shù)和肥料效應(yīng)回歸函數(shù)來(lái)計(jì)算合適的磷投入量, 從而達(dá)到最大的作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。但是該方法不能正確評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中磷肥施用的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。有機(jī)肥推薦施肥既要基于產(chǎn)量又要考慮到有效性和潛在面源污染風(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)施菜田磷肥管理滿足植物需求并不是唯一的必備條件, 必須考慮肥料種類(lèi), 特別是有機(jī)磷可能加重負(fù)面的環(huán)境效應(yīng)[13]。土壤磷素淋溶閾值低只是說(shuō)明其淋失的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高, 實(shí)際的淋溶量還受環(huán)境條件特別是水分條件等影響, 需要綜合考慮土壤所在區(qū)域的氣候和水文條件等[30]。大量資料證明, 高有機(jī)質(zhì)含量、粗質(zhì)地、頻繁耕作、高有效磷水平和高灌溉量都是引起土壤磷素大量淋失的主要原因[1,28]。由于設(shè)施菜田的灌溉比較勤, 特別是大水漫灌, 溝灌沒(méi)有實(shí)現(xiàn)水肥一體化的設(shè)施菜田土壤磷淋失風(fēng)險(xiǎn)更高。必須要區(qū)分種植較長(zhǎng)時(shí)間的棚室和新棚室的管理模式, 老棚由于常年大水大肥的高度集約化管理模式造成土壤酸化, 有機(jī)質(zhì)含量提升, 土壤速效磷含量超高, 有利于土壤磷素活化, 施肥后土壤速效磷和CaCl2-P提升速度快, 加大了土壤磷素的淋溶風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)該重視區(qū)分有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥在不同土壤上對(duì)土壤磷素的增加規(guī)律, 明確增施有機(jī)肥的利弊, 切勿盲目地推進(jìn)有機(jī)肥替代化肥計(jì)劃, 特別是在高磷累積的設(shè)施菜田上, 應(yīng)該增施如秸稈及微生物肥料、腐殖酸肥料等低磷含量有機(jī)肥, 增加有機(jī)質(zhì)含量, 從而提升地力和土壤中磷的活性, 更好地指導(dǎo)設(shè)施菜田土壤磷素科學(xué)管理, 制定和優(yōu)化管理措施, 實(shí)現(xiàn)設(shè)施菜田土壤面源污染防控。

本文通過(guò)土壤培養(yǎng)和數(shù)學(xué)模型模擬的方法確定了河北省典型設(shè)施菜田土壤有機(jī)肥源磷和無(wú)機(jī)肥源磷磷素淋溶閾值分別為87.8 mg?kg-1和198.7 mg?kg-1。添加有機(jī)肥和無(wú)機(jī)磷肥都會(huì)顯著增加3種不同種植年限設(shè)施菜田Olsen-P和CaCl2-P含量, 但增加速度不同。隨著土壤Olsen-P的增加, 添加無(wú)機(jī)肥源磷對(duì)設(shè)施菜田土壤CaCl2-P的增加速率是施有機(jī)肥源磷處理的兩倍。因此, 建議在河北省高磷設(shè)施菜田應(yīng)減少無(wú)機(jī)磷肥的投入, 特別是土壤速效磷高于198.7 mg?kg-1的設(shè)施菜田應(yīng)禁止使用化學(xué)磷肥和有機(jī)肥, 在土壤速效磷低于198.7 mg?kg-1的設(shè)施菜田中加大有機(jī)肥適度替代無(wú)機(jī)肥的推廣, 必須區(qū)分新老棚室的管理模式, 有助于實(shí)現(xiàn)磷的面源污染防控。由于本試驗(yàn)為室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗(yàn)的結(jié)果, 結(jié)論仍需在大田試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Available phosphorus status and critical threshold for leaching in greenhouse soils influenced by different fertilizer sources*

NIU Junfang1, FENG Junxia2, ZHANG Xiying1**

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Water-Saving Agriculture, Shijiazhuang 050022, China; 2. School of Chemical Engineering, Shijiazhuang University, Shijiazhuang 050035, China)

It is significant to study soil phosphorus (P) leaching resulted from excessive inputs of manure or chemical fertilizer in greenhouse soils. Soil P movement not only depends on content but also on forms of P supplied by fertilizers. Therefore, research on soil P status influenced by manure and chemical fertilizers is important for scientific fertilization and preventing non-point source pollution. In this paper, laboratory soil incubation experiment was conducted to investigate soil available P (Olsen-P) and calcium chloride extracts P (CaCl2-P) contents influenced by manure and inorganic P sources at different rates [0, 50, 100, 150, 300, 600 mg(P)?kg-1(dry soil)] in three soils with different planting years in Raoyang County, Hebei Province. The three soils included soil next to the greenhouse without planting vegetables (control), plastic greenhouse soil with 30 years of planting vegetables (plastic greenhouse soil) and solar greenhouse soil with 4 years of planting vegetables (solar greenhouse soil). The main purpose was to study the effects on available P content in greenhouse soils and determine the threshold of P leaching under manure and inorganic fertilizers application by mathematical stimulation. The results showed that both organic and inorganic P input increased soil Olsen-P and CaCl2-P contents significantly in three soils. For the control soil with low Olsen-P content, inorganic fertilizer improved Olsen-P content more greatly compared to manure when the fertilizer rate was more than 50 mg(P)?kg-1(dry soil). But for the plastic greenhouse soils, only under higher P input [300 and 600 mg(P)?kg-1(dry soil)], inorganic fertilizer showed more significantly Olsen-P-increasing effect than manure. And there was no significant difference between inorganic and organic fertilizers at low P supply. In general, soil CaCl2-P content was higher under inorganic fertilizer treatments than organic fertilizer treatments in three types of soil, especially under high P input rate [>300 mg(P)?kg-1(dry soil)]. Two segment linear regression analyses results showed that the critical soil P leaching thresholds under organic and inorganic P addition in greenhouse soils were 87.8 mg?kg-1and 198.7 mg?kg-1, respectively. With the increase of soil Olsen-P, the increment rate of soil CaCl2-P with inorganic P addition was twice as much as that with organic P addition. Therefore, in the high P greenhouse soils in Hebei Province, the input of inorganic P fertilizer should be reduced. All P input from manure and inorganic fertilizers should be prohibited in greenhouses soil with Olsen-P content exceeding 198.7 mg?kg-1. In vegetable greenhouses with soil Olsen-P below 198.7 mg?kg-1, manure replacement of inorganic fertilizer should be intensified.

Greenhouse vegetable; Organic fertilizer; Inorganic fertilizer; Olsen-P; CaCl2-P; Critical leaching threshold

, E-mail: xyzhang@sjziam.ac.cn

Oct. 12, 2018;

Dec. 25, 2018

S14; S19

A

2096-6237(2019)05-0686-08

10.13930/j.cnki.cjea.180909

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* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0801005)資助

張喜英, 主要從事農(nóng)田節(jié)水技術(shù)與機(jī)理研究。E-mail: xyzhang@sjziam.ac.cn

牛君仿, 主要從事農(nóng)田水肥高效利用方面研究。E-mail: niujf@sjziam.ac.cn

2018-10-12

2018-12-25

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0801005).