不同種植密度的夏季填閑作物對設(shè)施土壤磷素形態(tài)及其遷移性的影響

裴志強,盧樹昌,王 茜,王大鳳

(天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院,天津 300384)

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)賴以發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來,集約化設(shè)施農(nóng)田成為我國蔬菜生產(chǎn)的重要基地,其發(fā)展極為迅速,至2015年我國設(shè)施蔬菜種植面積達到了535萬hm2,占蔬菜種植面積的23.6%[1]。而集約化種植體系下蔬菜根系分布較淺,根系發(fā)育不發(fā)達,過量磷肥施用易導(dǎo)致大量磷素在土壤中積累[2-3]。石寧等[4]2015-2016年調(diào)查山東設(shè)施菜田207個樣點土壤有效磷含量顯示,設(shè)施菜田耕層土壤中有效磷含量達到了345 mg/kg。當(dāng)磷在土壤中的吸附累積量超過了土壤本身磷飽和程度,在大水漫灌或夏季雨季極易產(chǎn)生淋失,造成土壤磷面源污染[5-9]。有文獻表明,夏季設(shè)施菜田休閑期間種植深根系、耐高溫且生物量大的C4作物可以有效地吸收土壤中積累的磷素,阻控磷素移動[10-12],但填閑作物種植密度、生物量與磷素吸收轉(zhuǎn)化的相關(guān)研究不夠深入。

本研究通過在夏季設(shè)施菜田休閑期種植不同栽培密度的深根系填閑作物來研究土壤過多磷素吸收、轉(zhuǎn)化與阻控運移以及后茬作物生長初期土壤有效磷、水溶性磷含量和磷酸酶活性變化,篩選出設(shè)施菜田適宜的填閑作物種植密度,旨在為設(shè)施菜田控制磷素面源污染提供可靠的生物技術(shù)途徑。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

該研究在天津市武清區(qū)大孟莊鎮(zhèn)的設(shè)施蔬菜生產(chǎn)基地(E116°57′27.03″-116°57′51.87″,N39°32′8.24″-39°32′51.81″)進行?；卦O(shè)施溫室棚齡約16 a,大棚占地面積在666.7～1 333.4 m2。大棚冬春茬栽培以果菜類、秋冬茬以葉菜類為主,夏季7，8月份為休閑季,揭膜歇棚。2009-2016年武清區(qū)7，8月份平均降水量在280 mm以上,占全年平均降水量50%以上[13]。試驗大棚土壤類型為中壤質(zhì)潮土。試驗前耕層土壤養(yǎng)分狀況:土壤有效磷平均含量為527.39 mg/kg,有效磷含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了磷素環(huán)境風(fēng)險臨界值(50 mg/kg)[14],具有極大環(huán)境風(fēng)險。

1.2 供試材料

糯玉米,品種為澳早60,生育期為65～68 d,大田常規(guī)種植株行距為44 cm×50 cm,適宜夏季休閑期間種植,具有較高鮮食經(jīng)濟價值；飼用甜高粱,品種為甜雜2號,生育期在130～140 d,大田常規(guī)種植株行距為25 cm×50 cm,在夏季休閑期間種植,生物量大,具有較高飼用價值；后茬種植西蘭花。

1.3 試驗處理與管理

該試驗在2018年冬春茬番茄收獲后開展。試驗分為6個處理,每個處理3次重復(fù),小區(qū)面積約27 m2(4.2 m×6.4 m)。試驗設(shè)計在2017年填閑試驗基礎(chǔ)上進行,試驗常規(guī)密度依據(jù)大田種植條件進行,分別設(shè)計糯玉米4.95萬,7.50萬,9.90萬株/hm2和飼用甜高粱6.75萬,10.50萬,13.50萬株/hm2,試驗密度生物量和磷素吸收量結(jié)果未出現(xiàn)波峰[15],因此,2018年調(diào)高了種植密度,如表1所示。

表1 田間試驗處理Tab.1 Field experiment treatments

整個試驗過程不施用任何肥料。5月底播種,灌水除次日灌出苗水外,生長期間因揭膜,當(dāng)季降水充足,未進行灌溉,生長期間進行定期除草,8月中旬采收,測定生物量,同時采集植物樣,填閑作物種植前和采收后采集0～30 cm,30～60 cm,60～90 cm土樣,測定植物樣和土樣磷素等指標(biāo)。8月底移栽定植西蘭花,在定植半月和1個月后分別采集各處理0～30 cm土樣。

1.4 測試方法

1.4.1 生物量 收獲時分區(qū)收獲小區(qū)鮮植株實際生物量,其中根生物量為土壤0～20 cm土層根質(zhì)量,再隨機取出5株長勢一致的植株,將根和地上部分開稱質(zhì)量,計算根和地上部的鮮質(zhì)量比率,以折算小區(qū)的根和地上部總鮮質(zhì)量。同時在105 ℃下烘1 h殺青,再到75 ℃烘至恒質(zhì)量,并制備相應(yīng)樣品,測定不同部位含水量,最后計算不同部位干生物量(下文所有生物量均為干生物量質(zhì)量)。

1.4.2 植物全磷含量 采用濃硫酸-H2O2消煮-釩鉬黃比色法測定植物各部位全磷含量,并計算各部位吸磷量(吸磷量=生物量×全磷含量)。

1.4.3 土壤總磷、有效磷、水溶性磷含量和堿性磷酸酶活性 土壤總磷采用濃硫酸-高氯酸消煮-鉬藍比色法測定；土壤有效磷采用碳酸氫鈉溶液浸提-鉬藍比色法測定；土壤水溶性磷采用氯化鈣溶液浸提-鉬藍比色法測定；土壤堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013方法進行數(shù)據(jù)處理和圖表制作,采用SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理2種填閑作物生物量和設(shè)施土壤磷素吸收狀況

如表2所示,填閑糯玉米總生物量隨種植密度增大先增后減,其中NY2處理最大,為(28 811.67± 1 453.68) kg/hm2,顯著高于NY1和NY3處理,說明設(shè)施菜田種植填閑糯玉米NY2處理可以收獲較高的生物量。填閑糯玉米種植生物量主要集中在地上部,占總生物量的92%以上,其中NY2處理地上部生物量和根部生物量顯著高于NY1和NY3處理,說明適宜種植密度能同時增大地上部和根部生物量。填閑糯玉米磷素(P)總吸收量以NY2處理最大,為(128.80±15.22) kg/hm2,顯著高于NY3處理。填閑糯玉米磷素吸收量也主要集中在地上部,占總吸磷量的92%以上。從填閑糯玉米生物量和磷素吸收量來看,NY2處理對設(shè)施土壤磷素負(fù)荷降低較好。

填閑飼用甜高粱總生物量以TG2處理最大,為(28 700.63±2 450.97) kg/hm2,顯著高于TG1處理。各處理地上部占總生物量的比重均在83%以上,且TG2和TG3處理顯著高于TG1處理,說明種植密度增大可以顯著提高飼用甜高粱地上部生物量。填閑飼用甜高粱磷素吸收量趨勢同生物量變化,TG2處理總吸磷量最大,為(150.03±10.63) kg/hm2。磷素吸收也主要集中在地上部,占總吸磷量的86%以上。從填閑飼用甜高粱生物量和磷素吸收量情況看,TG2處理對設(shè)施土壤磷素負(fù)荷降低有較好的效果。

綜合2種填閑作物磷吸收量看,飼用甜高粱處理平均吸磷量高于糯玉米處理,因此,TG2處理對降低土壤磷素負(fù)荷更明顯。

表2 不同處理填閑作物生物量和磷素吸收狀況Tab.2 Biomass and phosphorus uptake of catch crops in different treatments kg/hm2

注:同列同種作物數(shù)值后不同字母表示差異達5%顯著水平。表中數(shù)值表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

Note: Different letters in the same column of the same species indicate a difference of 5% significant level.The data in the table represent the mean ± standard deviation.

2.2 不同處理2種填閑作物對設(shè)施土壤磷素含量變化的影響

2.2.1 不同處理對設(shè)施表層土壤總磷的影響 不同處理填閑作物種植對表層設(shè)施土壤總磷含量的影響如圖1所示。填閑糯玉米不同密度處理土壤總磷含量種植后與種植前比較均有顯著降低,降幅15.2%～19.7%,但各密度處理間差異未達顯著水平,說明種植填閑糯玉米有利于表層設(shè)施土壤磷素降低,但試驗范圍內(nèi)增加種植密度對設(shè)施土壤表層總磷含量沒有顯著影響。填閑飼用甜高粱TG1、TG2處理較種植前總磷含量均有顯著降低,分別降低了10.7%和10.9%,而TG3對土壤總磷降低未達顯著水平,可能是種植密度過大且根系發(fā)達,導(dǎo)致土壤表層根系殘留較多,土壤有機磷含量增加。說明合理密度種植填閑飼用糯玉米和甜高粱有利于降低土壤表層總磷含量。

圖中不同小寫字母表示差異達5%顯著水平。圖2-3同。 Different lowercase letters in the figure indicate that the difference reaches a significant level of 5%. The same as Fig.2-3.

2.2.2 不同處理對設(shè)施土壤磷素向下移動的影響 不同處理對設(shè)施土壤各土層有效磷和水溶性磷含量的影響如圖2-3所示。填閑糯玉米不同密度處理均能降低0～30 cm土層的有效磷含量,但未達顯著水平；NY1、NY2、NY3處理30～60 cm,60～90 cm土層的有效磷含量較種植前沒有顯著差異；各處理0～30 cm土層水溶性磷含量較種植前有顯著降低,分別降低了35.1%,28.4%,41.0%；30～60 cm土層水溶性磷含量各處理沒有顯著變化；60～90 cm土層NY1處理水溶性磷含量顯著增加,NY2處理沒有顯著變化,NY3處理有顯著降低。綜合各土層有效磷和水溶性磷含量看,NY3處理對控制和降低各土層磷素含量效果最好,其次是NY2處理。

填閑飼用甜高粱不同密度處理土壤有效磷含量種植后與種植前比較,TG3處理土壤各土層有效磷含量均有顯著增加,TG1、TG2處理對各土層有效磷含量均沒有顯著影響。各密度處理0～30 cm土層水溶性磷含量較種植前均有顯著降低,分別降低了26.1%,24.0%,16.2%,30～60 cm,60～90 cm土層水溶性磷含量變化趨勢與有效磷含量一致。綜合各土層有效磷和水溶性磷含量變化來看,填閑飼用甜高粱處理中TG1、TG2處理對降低設(shè)施土壤磷素風(fēng)險效果較好。

從各土層有效磷和水溶性磷含量來看,2種填閑作物在適宜種植密度內(nèi)均可以有效降低土壤磷含量。

2.3 不同處理填閑作物種植對后茬初期土壤磷素和堿性磷酸酶活性的影響

2.3.1 土壤有效磷和水溶性磷狀況 填閑糯玉米不同密度種植后,在西蘭花定植半個月時土壤有效磷較定植前有所增加,且NY2和NY3處理達到顯著水平,但各密度處理間沒有顯著差異；定植一個月后NY2、NY3處理有效磷含量顯著高于NY1處理,可能是土壤緩效態(tài)磷釋放和有機磷礦化引起的。NY1和NY2處理水溶性磷含量各時期間沒有顯著變化,NY3處理各時期較前一時期均有顯著增加,且定植一個月后水溶性磷含量NY3處理顯著高于NY1處理。填閑飼用甜高粱不同密度種植后,TG1和TG2處理各時期間有效磷和水溶性磷含量均沒有顯著變化,TG3處理土壤有效磷含量各時期較前一時期均有顯著降低,水溶性磷含量先降低后增加,說明TG3處理能降低后茬初期土壤磷素環(huán)境風(fēng)險。在定植一個月后,TG1處理水溶性磷含量顯著低于TG3處理,但TG2處理與TG3沒有顯著差異,說明TG2、TG3處理土壤水溶性磷含量相對較高,有利于西蘭花后期生長(表3)。

圖2 不同處理填閑作物種植前后各土層有效磷含量Fig.2 Effective phosphorus content of each soil layer before and after planting of different catch crops

圖3 不同處理填閑作物種植前后各土層水溶性磷含量Fig.3 Water-soluble phosphorus content of each soil layer before and after planting of different catch crops

2.3.2 土壤堿性磷酸酶活性 土壤磷酸酶主要是根系和微生物產(chǎn)生,能參與并控制土壤有機磷化合物礦化,其活性的高低直接影響土壤中有機磷的轉(zhuǎn)化和生物有效性[16-19]。目前國外對土壤磷素酶的研究一般分為酸性磷酸酶和堿性磷酸酶,土壤中磷酸酶活性高低與土壤酸堿性有關(guān),堿性土壤中堿性磷酸酶占優(yōu)勢[20-21]。我國北方土壤多為石灰性土壤,土壤呈堿性,因此,本研究只測定了堿性磷酸酶。如圖4所示,填閑糯玉米不同密度種植在后茬西蘭花定植前土壤堿性磷酸酶活性NY1、NY2處理顯著高于NY3處理,說明增加密度種植填閑糯玉米能降低土壤堿性磷酸酶活性,可以減緩設(shè)施土壤有機磷的礦化,降低設(shè)施土壤磷素潛在環(huán)境風(fēng)險；在西蘭花定植半個月時NY1、NY2處理土壤堿性磷酸酶活性較定植前沒有顯著增加,定植一個月后土壤堿性磷酸酶活性均有增加,增大了土壤有機磷礦化速率,為西蘭花后期生長提供了有效磷源,密度處理間表現(xiàn)為NY3顯著高于NY1和NY2。填閑飼用甜高粱增加種植密度對土壤堿性磷酸酶活性沒有顯著影響,但各處理在西蘭花定植半月時較定植前均有顯著增加,說明種植填閑飼用甜高粱能增加后茬作物生長初期土壤堿性磷酸酶活性。

表3 不同處理填閑作物后茬初期土壤磷素狀況Tab.3 Status of soil phosphorus in the early stage after planting different catch crops mg/kg

注:同列數(shù)值后不同小寫字母表示差異達5%顯著水平；同行同一指標(biāo)數(shù)值后不同大寫字母表示差異達5%顯著水平。

Note: Different lowercase letters after the same column value indicate a significant difference of 5%； Different uppercase letters after the same indicator value indicate a significant 5% difference.

圖中圖柱上同一時期不同字母表示各處理差異達5%顯著水平。 Different letters in the same period on the graph bar in the figure indicate that the difference in treatments is a significant level of 5%.

3 結(jié)論與討論

3.1 填閑作物生物量與吸磷量

作物合理密植是構(gòu)建良好生育群體,優(yōu)化群體結(jié)構(gòu),協(xié)調(diào)群體和個體發(fā)育,發(fā)揮群體生產(chǎn)力的基礎(chǔ)[22]。本次研究在設(shè)施菜田種植不同密度的2種填閑作物,其總生物量和總吸磷量均隨種植密度增大先增大后減小,糯玉米總生物量在密度處理間差異達到顯著水平,磷素吸收在NY1和NY2與NY3差異亦顯著；飼用甜高粱TG2和TG3處理生物量和吸磷量沒有顯著差異,但顯著高于TG1處理。本研究種植密度高于楊楠等[23]和于永靜等[24]研究,高粱在4.50萬～10.50萬株/hm2種植密度范圍內(nèi),隨種植密度增加生物量也增加。與高粱對磷素的吸收也受種植密度的影響研究結(jié)果一致[25]?？赡苁窃O(shè)施菜田肥力較高,對填閑作物生長限制范圍增大,或飼用甜高粱收獲時未成熟引起的差異。

3.2 填閑作物種植與設(shè)施土壤磷素及磷酸酶活性

試驗發(fā)現(xiàn),種植填閑糯玉米可以顯著降低土壤表層總磷含量,飼用甜高粱TG1、TG2處理也能顯著降低土壤表層總磷含量；2種填閑作物均能顯著降低土壤表層水溶性磷含量,且NY2、NY3、TG1、TG2處理對阻控下層土壤水溶性磷移動效果較好；在后茬西蘭花生長初期,填閑糯玉米處理土壤堿性磷酸酶沒有顯著增加,可以減緩?fù)寥烙袡C磷礦化,TG2處理在西蘭花定植半個月時可降低土壤水溶性磷含量,避免因后茬作物生長初期需磷較少,土壤有效磷積累,造成的設(shè)施土壤磷素環(huán)境風(fēng)險增大；NY3處理能顯著降低0～30 cm,60～90 cm土層水溶性磷含量,然而在未施任何肥料條件下,后茬西蘭花生長初期土壤表層水溶性磷含量呈增長趨勢,說明NY3處理能降低設(shè)施土壤各土層磷素含量,且西蘭花生長初期需磷量較小,土壤自身轉(zhuǎn)化的水溶性磷含量高于西蘭花生長需要的。引起設(shè)施土壤磷素各土層磷素降低的原因可能是作物對磷素吸收,因為玉米為深根作物,根長可達230 cm[12],還有可能是夏季雨量較多造成了磷素淋洗。后茬西蘭花生長初期表層土壤水溶性磷含量增大的原因可能是土壤中緩效態(tài)磷素轉(zhuǎn)化造成的,也可能與土壤堿性磷酸酶活性有明顯增加和土壤微生物活動有關(guān)[26-27]。雷學(xué)軍等[28]研究甜高粱根際溶磷菌能力試驗,結(jié)果顯示甜高粱根際溶磷菌可以增加難溶性磷溶解。本試驗中TG3處理吸磷量高于TG1處理,但土壤總磷并沒有顯著降低,各層有效磷含量和下層水溶性磷含量均有顯著增加,可能是夏季雨量較多,且TG3處理地勢較低，上層土壤中磷素向下移動或根系分泌物促使了難溶性磷溶解造成的。填閑作物種植可以吸收土壤中積累的磷素養(yǎng)分。本次試驗可以看出,種植2種填閑作物能較好地阻控下層土壤有效磷和水溶性磷含量。

綜合填閑作物吸磷量、設(shè)施土壤各土層磷素含量和后茬作物生長初期土壤磷素含量來看,設(shè)施菜田填閑糯玉米的適宜密度為10.50萬株/hm2(NY2),填閑飼用甜高粱適宜種植密度為15.00萬株/hm2(TG2),且甜高粱TG2處理對設(shè)施土壤磷素吸收有優(yōu)勢。因此,NY2和TG2處理對降低設(shè)施土壤磷素環(huán)境風(fēng)險較好,且TG2處理較有優(yōu)勢。