魏 歡，姜長(zhǎng)松，馮 煊，張小雪，張 惠，劉月涵，劉 猛，楊志新，李博文

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000）

當(dāng)前設(shè)施蔬菜大棚種植過(guò)程中傳統(tǒng)灌溉用水量大，當(dāng)土壤對(duì)磷的固定能力達(dá)到飽和后，水溶性磷和吸附磷就會(huì)隨大量水流通過(guò)土壤空隙下移，造成土壤磷素嚴(yán)重的淋失現(xiàn)象［1］。土壤中過(guò)量磷的遷移和流失對(duì)地下水體和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅。面對(duì)這一環(huán)境問(wèn)題，微潤(rùn)灌溉水肥一體化是目前國(guó)際上公認(rèn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，其用水量約為滴灌的20%～30%，節(jié)水達(dá)到 70%以上，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外節(jié)水技術(shù)發(fā)展的重要方向［2］。微潤(rùn)灌溉是利用功能性半透膜作為灌溉輸水管，以膜內(nèi)外水勢(shì)差和土壤吸力作為水分滲出和擴(kuò)散動(dòng)力，并根據(jù)作物需水要求，以緩慢出流的方式為作物根區(qū)輸送水分的地下微灌技術(shù)，可以達(dá)到自動(dòng)實(shí)時(shí)供水的目的［3］。目前已有的微潤(rùn)灌溉研究主要集中在微潤(rùn)管埋深、間距、壓力水頭、交替周期等參數(shù)的變化對(duì)作物生長(zhǎng)指標(biāo)的影響、土壤水分分布以及硝態(tài)氮淋失等方面［4-7］。 研究已表明，微潤(rùn)灌溉條件下，適量減施氮肥可以有效促進(jìn)大棚辣椒、空心菜的生長(zhǎng)和提高土壤水分利用效率［8-9］；微潤(rùn)灌溉能顯著提高蘋果樹的生長(zhǎng)，其中根系增加最明顯［10］；微潤(rùn)灌溉番茄的根系均勻分布于微潤(rùn)管周圍且集中于土壤表層（0 ～ 30 cm），并且根系吸水能力增強(qiáng)，耗水量降低，水分利用效率提高［11］；微潤(rùn)灌溉條件下，0 ～30 cm土層的硝態(tài)氮累積量是30 ～60 cm 土層的3 倍左右，可降低硝態(tài)氮向下淋失的風(fēng)險(xiǎn)［12］。然而，目前有關(guān)微潤(rùn)灌溉條件下減量施肥對(duì)設(shè)施番茄土壤中有效磷的阻控影響尚不清楚，值得深入研究。因此，本研究針對(duì)河北設(shè)施蔬菜主產(chǎn)區(qū)傳統(tǒng)種植模式大水大肥造成的有效磷淋溶問(wèn)題，以設(shè)施番茄為主要研究對(duì)象，通過(guò)控制影響土壤有效磷含量變化的水分和養(yǎng)分因素，研究微潤(rùn)灌溉結(jié)合減量化肥阻控設(shè)施番茄土壤有效磷淋失的作用效果，為設(shè)施蔬菜安全生產(chǎn)提供科學(xué)的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于河北省廊坊市永清縣瓦屋辛莊村，該地區(qū)為北溫帶半干旱，半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，春秋短，冬夏長(zhǎng)，四季分明。日平均氣溫13.1 ℃，最高氣溫42.8 ℃，最低氣溫-26.5 ℃。平均年降水量534 mm。大棚為2010 年建設(shè)的日光溫室，采取半下沉式設(shè)計(jì)，低于地面50 cm，實(shí)際面積為666.7 m2，溫室常年覆蓋乙烯多功能復(fù)合膜。溫室共有上風(fēng)口和下風(fēng)口2 個(gè)通風(fēng)口用以調(diào)節(jié)棚內(nèi)微氣候，冬季使用保溫被及草簾子保溫。日照：年平均日照時(shí)數(shù)2 527 h。其土壤的基本理化性質(zhì)如表1。

表1 供試土壤的基本理化性狀Table 1 Basic physicochemical properties of soil samples

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

番茄大棚試驗(yàn)共設(shè)置6 個(gè)處理，傳統(tǒng)灌溉+傳統(tǒng)施肥（CT）、傳統(tǒng)灌溉+減量施肥（CY）、微潤(rùn)灌溉+減量施肥（WY）、微潤(rùn)灌溉+減量施肥+微生物菌劑（WYJ）、微潤(rùn)灌溉+不施肥（CK）。傳統(tǒng)灌溉：即為傳統(tǒng)水分處理，主要依據(jù)農(nóng)戶習(xí)慣確定每次的灌溉時(shí)間和灌溉量，全生育期總用水量約為323 mm；微潤(rùn)灌溉采用微潤(rùn)灌溉設(shè)備調(diào)節(jié)土壤含水量，控制灌溉時(shí)間和灌溉量，全生育期總用水量約為130 mm；傳統(tǒng)施肥（農(nóng)戶傳統(tǒng)習(xí)慣施肥）的氮、磷、鉀用量分別為200 kg/hm2，70 kg/hm2，313 kg/hm2；減量施肥的氮、磷、鉀用量分別為118 kg/hm2，54 kg/hm2，18 kg/hm2；微生物菌劑用量為15 L/hm2，每個(gè)處理3 次重復(fù)，共18 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積30 m2，采用隨機(jī)區(qū)組布置。生物有機(jī)肥以底肥形式施入，并于2018 年10 月28 日定植番茄。供試番茄品種為‘普羅旺斯’，供試肥料為生物有機(jī)肥（有機(jī)質(zhì)含量≥40%，有效活菌數(shù)≥0.2 億/g，N、P、K 含量可忽略不記）、沖利豐肥料（N-P2O5-K2O，20-20-20）、沖利豐肥料（N-P2O5-K2O，15-5-30）、微生物菌劑由河北潤(rùn)沃生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)。設(shè)施番茄不同施肥處理及其用量詳見表2，各處理灌水情況見表3。為了確保定植期番茄幼苗的正常保苗及生長(zhǎng)，定植期均采用農(nóng)戶傳統(tǒng)的灌溉和底肥統(tǒng)一的管理模式，在此基礎(chǔ)上，再利用各處理方案提供的灌溉和施肥用量進(jìn)行。

表2 設(shè)施番茄不同施肥處理及其用量Table 2 Different fertilization treatments and dosages of facility tomatoes

表3 灌水量表Table 3 Irrigation

1.3 土壤淋溶桶和溶液提取器的安裝

1.3.1 原位淋溶桶的安裝 在番茄種植前，每個(gè)處理中間小區(qū)布設(shè)1 套淋溶桶，可接受土壤淋溶液面積為1.2 m2。淋溶桶內(nèi)安裝通氣管和抽液管，分別延伸到地表，抽液管一端連接取樣瓶，另一端連接真空泵。設(shè)備安裝完畢后按土層回填操作坑，以盡快恢復(fù)土壤原狀。

1.3.2 土壤溶液提取器的安裝 每個(gè)小區(qū)安裝3 套土壤溶液提取器，間隔15 cm。距地表垂直距離分別為30、60、90 cm。安裝前將土壤溶液提取器浸水2 h，放入指定位置時(shí)灌入土漿，使土壤溶液提取器與土壤充分接觸。

1.4 樣品采集與制備

本研究重點(diǎn)在番茄開花期和果實(shí)期2 個(gè)時(shí)期采用五點(diǎn)取樣法進(jìn)行土壤采集，每個(gè)小區(qū)采集的土壤深度80 cm，每20 cm 采集一個(gè)土壤樣品，并用無(wú)菌的密封袋保存，在實(shí)驗(yàn)室中剔除雜物，自然風(fēng)干磨碎，過(guò)1 mm 篩子，用于檢測(cè)土壤有效磷含量。

土壤溶液和土壤淋溶液的收集：利用真空泵和負(fù)壓瓶將收集器中的液體樣品抽吸到膠卷盒中冷藏保存，在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)液體樣品有效磷含量。

1.5 品測(cè)定指標(biāo)和方法

土壤樣品、土壤溶液以及土壤淋溶液中磷的測(cè)定均采用NaHCO3浸提—鉬銻抗分光光度法。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS20 統(tǒng)計(jì)軟件、Microsoft Excel 2016 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)施番茄不同處理土壤有效磷含量的差異特征

圖1 反映了設(shè)施番茄2 個(gè)關(guān)鍵生育期不同處理土壤有效磷含量的差異特征。結(jié)果表明，在番茄開花期0 ～20 cm 的表層土壤，CT 處理土壤有效磷均顯著高于其他各處理。CY、WY、WYJ 處理土壤有效磷含量分別比CT 處理下降了22.5%、17.0%、26.5%。同時(shí)，WYJ 處理較WY 處理土壤有效磷含量降低了11.3%，這一結(jié)果反映出在土壤有效磷含量較高的條件下添加溶磷菌株不僅不能提高溶磷效果，反而使溶磷效果有所降低，可能與菌體對(duì)磷的吸附固定有關(guān)。在20 ～40 cm 土層CY、WY、WYJ 處理土壤有效磷含量同樣比CT 處理有顯著降低，分別下降了29.1%、25.5%、25.8%。說(shuō)明了減量施肥比節(jié)水灌溉（微潤(rùn)灌溉）對(duì)0 ～40 cm 土層有效磷的降低效果表現(xiàn)更加突出。40 ～60 cm 土層CT 與CY 處理之間差異不顯著，但微潤(rùn)灌WY、WYJ 處理較CT 處理分別降低了23.8%、22.7%；WY、WYJ 處理也比CY 處理降低了24.6%，該結(jié)果發(fā)現(xiàn)盡管土壤磷的移動(dòng)性較差，但傳統(tǒng)灌溉比微潤(rùn)灌明顯增強(qiáng)了淋溶深度，有效磷含量在40 ～60 cm 顯著增加。在60 ～80 cm 土層時(shí)，土壤有效磷含量在各處理間差異不顯著，說(shuō)明在開花期傳統(tǒng)灌溉尚未使有效磷淋溶至80 cm 的深度。

番茄膨果期WY、WYJ、CY 處理在0 ～20 cm 土壤有效磷含量分別比CT 處理降低了13.0%、19.5%、13.7%。20 ～40 cm 土層CY、WY、WYJ 處理土壤有效磷含量比CT 處理顯著降低了27.4%、38.2%、29.4%；40 ～60 cm 土層與0 ～20 cm 土層各處理表現(xiàn)出了相似的規(guī)律，CY、WY、WYJ 處理比CT 處理分別降低了28.7%、25.2%、24.6%，60 ～80 cm 土層各處理間土壤有效磷含量差異均不顯著。

綜上可以看出，在番茄開花期和膨果期微潤(rùn)灌溉處理的節(jié)水減肥措施（WY 和WYJ）可將土壤有效磷控制在0 ～40 cm 的根層土壤深度范圍內(nèi)，有效阻控了土壤有效磷向深層遷移。而傳統(tǒng)灌溉的CT與CY 處理則使土壤有效磷淋溶至60 cm 土壤深層，淋溶顯著。同時(shí)，減量施肥處理均顯著降低了0 ～ 60 cm 深度土層的有效磷含量，有效控制了土壤中有效磷的流失?？梢姡谒刑幚碇?，以微潤(rùn)灌配合減量施肥的模式更有利于阻控土壤磷向深度淋溶。

圖1 設(shè)施番茄各生育期土壤有效磷含量Fig.1 Contents of available phosphorus in tomato soil

2.2 設(shè)施番茄不同深度土層及其溶液有效磷含量變化特征

2.2.1 設(shè)施番茄不同深度土層有效磷含量變化特征 設(shè)施番茄土壤有效磷含量隨不同深度的變化如圖1 所示?？梢钥闯?，所有處理土壤有效磷含量均隨著土層深度的加深呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。番茄開花期CT、CY、WY、WYJ 處理0 ～20 cm 土層有效磷含量較60 ～80 cm 土層升高了53.3%、45.6%、52.9%、51.7%，20 ～40 cm 土層較60 ～80 cm 土層升高了41.9%、26.2%、34.9%、40.5%，40 ～60 cm 土 層較60 ～80 cm 分別升高了21.8%、12.2%、14.4%、23.2%、14.9%。番茄膨果期CT、CY、WY、WYJ 處理0 ～20 cm 土層有效磷含量較60 ～80 cm 土層升高了60.3%、65.2%、61.8%、57.3%，20 ～40 cm 土層較60 ～80 cm 土層分別升高了57.1%、58.7%、51.0%、49.5%，40 ～60 cm 土層分別升高了31.5%、27.3%、23.2%、21.2%。由此可見，各處理土壤有效磷主要富集在表層（0 ～40 cm），尤其以傳統(tǒng)灌溉+ 傳統(tǒng)施肥處理表現(xiàn)突出，40 cm 以下土層其含量急劇下降，土壤剖面各層土壤有效磷含量受人為施肥和灌溉方式影響較為明顯。

2.2.2 設(shè)施番茄不同深度土壤溶液有效磷含量變化特征 番茄土壤溶液有效磷含量如表3 所示，在設(shè)施番茄開花期，使用傳統(tǒng)灌溉的CT、CY 處理在30、60 和90 cm 深度土層均收集到了土壤溶液，但兩處理之間溶液中磷的含量差異不顯著，而微潤(rùn)灌處理WY、WYJ 沒(méi)有收集到溶液。番茄膨果期，CT、CY兩個(gè)處理也同樣在3 個(gè)土壤深度采集到了土壤溶液；在30 cm 深度土層CY 處理比CT 處理土壤溶液有效磷含量降低了15.3%；60 cm 深度土層CY 處理比CT處理土壤有效磷含量降低了4.1%，但差異并不顯著；90 cm 深度CY 與CT 處理差異不顯著。綜上所知，微潤(rùn)灌溉處理在30 cm 以下已經(jīng)采集不到土壤溶液，說(shuō)明微潤(rùn)灌溉將水分保持在了0 ～30 cm 土層，并未向下淋溶，有效阻控了土壤中有效磷向深層淋溶。

表3 施番茄不同生育期土壤溶液有效磷含量Table 3 Available phosphorus content in soil solutions of tomato plants at different growth stages

2.3 設(shè)施番茄全生育期土體磷淋失量的動(dòng)態(tài)變化

通過(guò)計(jì)算設(shè)施番茄0 ～100 cm 土體土壤有效磷養(yǎng)分淋失量，結(jié)果表明，只有傳統(tǒng)灌溉的CT、CY 2 個(gè)處理收集了淋溶液，番茄全生育期土體磷淋失量分別為5.1、3.7 kg/hm2，其中減量施肥比傳統(tǒng)施肥的磷淋失量降低了27.4 %。土壤中的磷素雖然易被固定，但超過(guò)環(huán)境閾值的磷素依然會(huì)隨水淋溶至下層土壤，所以60 ～80 cm 土層土壤速效磷含量差異并不顯著，但表層土壤施入的未被土壤固定的磷肥依然會(huì)隨土壤徑流向下層淋溶，但土壤中有效磷的積累卻并沒(méi)有明顯增加，這與土壤速效磷的移動(dòng)性有關(guān)。而微潤(rùn)灌溉處理在整個(gè)生育期均未收集到土壤淋溶液。進(jìn)一步證實(shí)了微潤(rùn)灌可以阻控土壤有效磷向深層淋溶的結(jié)果。

2.4 設(shè)施番茄產(chǎn)量分析

設(shè)施番茄全生育期產(chǎn)量如圖2 所示。番茄全生育期平均產(chǎn)量為108.4 t/hm2，各處理產(chǎn)量之間差異并不顯著。說(shuō)明微潤(rùn)灌溉在在阻控土壤磷淋溶的同時(shí)不影響番茄產(chǎn)量。

圖2 番茄產(chǎn)量 Fig. 2 Tomato yield

3 討論

磷是作物必需的大量元素之一，對(duì)作物產(chǎn)量構(gòu)成有重要作用［13］，磷素在土壤中易固定，移動(dòng)性很小［14-15］，淋溶總量相對(duì)較低。然而設(shè)施蔬菜與一般農(nóng)田系統(tǒng)不同，其有機(jī)肥、磷肥、灌水的投入量均較高，表層土壤有效磷富集嚴(yán)重［16-17］。本研究也證實(shí)了這樣的結(jié)果，設(shè)施番茄土壤有效磷主要富集在表層（0 ～40 cm），遠(yuǎn)高于深層60 ～80 cm 的土壤，且40 cm 以下土層其含量急劇下降，各處理間差距逐漸縮小。

大量研究證實(shí)，菜田土壤有效磷含量超過(guò)環(huán)境閾值（P 80 mg/kg），磷素在土壤剖面發(fā)生明顯的淋失現(xiàn)象，尤其在大量肥水模式下淋失更加強(qiáng)烈。如長(zhǎng)期大量施用磷肥和有機(jī)肥，加上土壤對(duì)磷素的吸附能力是有限的，就會(huì)降低土壤對(duì)磷的吸附量，從而增加土壤的滲漏率［18］?；视袡C(jī)肥的高投入使設(shè)施菜地土壤磷素不斷積累，但是不當(dāng)?shù)墓嗨胧?huì)加劇土壤中磷的淋溶損失風(fēng)險(xiǎn)［19］。在傳統(tǒng)水肥模式下，施入土壤的大量磷素在大水漫灌下逐漸淋溶出耕層土壤，嚴(yán)重污染環(huán)境［20］。面對(duì)土壤中過(guò)量磷素淋失的問(wèn)題，前人的解決思路包括種植需磷量大的作物［21］，土壤中添加生物炭改良土壤性質(zhì)［22］，減少種植過(guò)程中的施肥量［23］，采用不同灌溉模式［24］等各種方式。而本研究采用微潤(rùn)灌結(jié)合減量施肥模式探究土壤有效磷淋溶的阻控，效果顯著。開花期0 ～40 cm 土壤有效磷含量比CT 處理下降了22.7%～29.3%，番茄膨果期下降了7.4%～26.3%。同時(shí)，在番茄整個(gè)生育期土體100 cm 深度未收集到土壤淋溶液，說(shuō)明了土壤上層水分未淋失至深層。

本研究發(fā)現(xiàn)，在番茄生長(zhǎng)初期需水肥量少，隨著番茄生長(zhǎng)，追肥及灌水次數(shù)增多，微潤(rùn)灌溉處理耕層土壤有效磷含量增加，而深層土壤有效磷含量增幅緩慢，這一結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了微潤(rùn)灌溉措施直接切斷了磷素向深層土壤隨水淋失的途徑。減量施肥顯著減少了土壤剖面磷素的累積，微潤(rùn)灌溉阻控了磷素向土壤深層淋溶。微潤(rùn)灌結(jié)合減量施肥這一模式在設(shè)施番茄上的應(yīng)用有效防控了因長(zhǎng)期大量肥水帶來(lái)土壤磷素淋失的安全風(fēng)險(xiǎn)，具有較強(qiáng)的生產(chǎn)應(yīng)用和理論價(jià)值。

4 結(jié)論

（1）在開花期和膨果期，微潤(rùn)灌溉配合減量施肥處理均顯著降低了設(shè)施番茄土壤有效磷含量。與傳統(tǒng)水肥處理相比，在0 ～20 cm、20 ～40 cm、 40 ～60 cm 土層微潤(rùn)灌溉配合減量施肥處理土壤有效磷含量分別降低了13.04%～16.98%、25.51%～ 38.23%、23.81%～25.23%。

（2）設(shè)施番茄土壤有效磷含量隨著土層深度加深呈逐漸降低的趨勢(shì)。各處理土壤有效磷主要富集在表層，尤以傳統(tǒng)水肥處理積累最明顯，40 cm 以下土層其含量急劇下降，土壤剖面各層土壤有效磷含量受人為施肥和灌溉方式影響較為明顯。

（3）番茄全生育期傳統(tǒng)灌溉0 ～100 cm 土體有效磷淋失量為373.76 ～505.69 kg/hm2，其中，CY 處理比CT 土體磷淋失量降低了26.08%，而微潤(rùn)灌溉配合減量施肥處理未產(chǎn)生淋溶液，可有效阻控設(shè)施番茄土壤有效磷的縱向淋溶。