長期施用磷肥和有機肥對菜地土壤磷素有效性的影響

郭玉冰，劉建玲，郭巨秋，廖文華，吳 晶，謝 嬌

（河北農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院，河北 保定 071000）

土壤磷素中的全磷和有效磷分別反映土壤磷庫的大小和可供作物當季吸收利用的磷素水平，其中有效磷是評價土壤供磷能力的重要指標［1-2］，其受土壤理化、生物性質(zhì)及施肥狀況［2-3］等的影響。有機磷的礦化過程是土壤有效磷素的主要來源，不同形態(tài)有機磷的有效性存在著一定的差異［4］，并且受施肥條件影響會發(fā)生變化。馮躍華等研究發(fā)現(xiàn)，施用磷肥對活性有機磷影響較?。?］，而高天一等研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭后活性有機磷對有效磷的貢獻率顯著增高［6］。土壤磷酸酶是有機磷轉(zhuǎn)化為有效磷的關(guān)鍵酶，其活性高低直接影響著土壤有機磷的礦化、水解作用［7］。楊艷菊等研究表明，長期施用化肥或有機肥后土壤堿性磷酸酶活性的增加可促進有機磷（尤其是中等活性有機磷）的轉(zhuǎn)化，進而提高了土壤磷的有效性［4］。耿玉清等研究也表明，磷酸酶可通過活化有機磷來提高有效磷含量［7］。另外當土壤中微生物活性較高時，不僅能提高土壤微生物量磷含量，還能更有效的活化土壤中難溶的有機或無機磷酸鹽，提高土壤磷素的有效性［8］。王會等研究表明，施用化肥會降低微生物量磷含量，施用有機肥則相反［9］。陳桂芳等研究也表明，施用有機肥更能增加土壤微生物量磷含量，并且與有效磷顯著相關(guān)［10］。由此可見土壤磷素有效性與有機磷、磷酸酶、微生物量磷存在著密切的相關(guān)性，尤其是不同施肥條件下這些關(guān)系會發(fā)生重要的改變。

我國蔬菜生產(chǎn)中盲目大量施用磷肥的現(xiàn)象十分嚴重，其用量遠高于蔬菜需求量［11］。資料顯示，磷肥過量施用造成其當季利用率只有10%～20%［12-13］，且過量施用的磷肥使土壤中的磷素趨向盈余［14-15］。針對化肥過量施用問題國家提出化肥施用零增長，擴大果菜茶有機肥替代化肥的指導方針。有機肥不僅可以直接提供磷素營養(yǎng)，還可以通過增加土壤有益微生物的數(shù)量、誘導磷酸酶的產(chǎn)生，進而提高土壤有效磷含量［7］。同時，有機肥在分解過程中產(chǎn)生的有機酸有螯合增溶作用，從而提高難溶性磷酸鹽的有效性［16］。林誠等和王瓊等研究結(jié)果表明，有機無機肥配施比單施化肥能顯著提高土壤全磷、有效磷含量，同時土壤磷活化系數(shù)也顯著提高［17-18］。在栗褐土上長期有機肥與化肥配施，土壤堿性磷酸酶活性提高，并且其與土壤有效磷、有機磷等相關(guān)性達到極顯著水平［4］。許多研究都表明施用有機肥能提高土壤有效磷含量，并且對磷素活化有促進作用，但長期化肥有機肥配施條件下，對于土壤有效磷與有機磷、微生物量磷和堿性磷酸酶的變化及相關(guān)關(guān)系研究較少。由此，本研究采用長期田間定位試驗，分析菜地土壤中有機肥與磷肥配施對土壤不同形態(tài)磷素的影響，探討土壤活性有機磷、微生物量磷和堿性磷酸酶與有效磷的關(guān)系，為菜地有機肥的合理施用及土壤磷素的高效管理提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

試驗于2003—2018 年在河北省保定市蓮池區(qū)河北農(nóng)業(yè)大學教學基地（38°37′N，115°21′E）進行。該地屬暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，年均溫度12.2 ℃，年均日照2 710 h，無霜期165 ～210 d，年均降雨量575.4 mm，蒸發(fā)量1 758 mm。

1.2 供試材料

供試土壤為潮褐土，質(zhì)地為中壤偏重，2003 年試驗開始前0 ～20 cm 土壤的基本性狀列于表1。

表1 土壤基本理化性狀Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

供試植物：2003—2018 年采用露地蔬菜栽培方式，每年種植春秋兩茬蔬菜，上半年種植情況如下：2004 年種植‘中椒7 號’青椒，2005 年為‘夏陽’伏白菜，2006 年為‘牛角椒一號’青椒，2007—2018 年為菜豆（2007 年為‘陸鋒’地豆角，2008—2012 年為‘地豆王二號’，2013—2018 年為‘美國冠軍’地豆）。下半年種植情況如下：2003—2012年種植‘秋綠75’大白菜，2013—2018 年種植‘神農(nóng)綠幫’大白菜。

2012 年春因城市規(guī)劃問題對小區(qū)進行了平移，平移前后2 塊試驗地距離約為5 km，土壤類型結(jié)構(gòu)基本無差異；根據(jù)前期試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)各試驗處理僅0 ～20 cm 土層磷素養(yǎng)分發(fā)生顯著變化，故只平移了0 ～20 cm 土層的土壤；為去掉原小區(qū)邊界部分的干擾將平移面積縮減為4 m2；預先已挖好并用磚和ABS 防水卷材隔成2.0 m×2.0 m×0.2 m 的空間，將各處理土壤充分混勻后進行裝填，形成新的小區(qū)。

1.3 試驗設(shè)計

單茬蔬菜磷肥（P2O5）用量分別為0（P0）、180（P1）、360（P2）kg/hm2，有機肥用量（鮮重）分別為0（M0）、75（M1）、150（M2）t/hm2，完全試驗設(shè)計，分別為P0M0、P0M1、P0M2、P1M0、P1M1、P1M2、P2M0、P2M1 和P2M2，共9 個處理，3 次重復，隨機區(qū)組排列。其中，有機肥從2003 年開始隔年施用，有機肥為腐熟的牛糞，其平均水分含量65.0%，養(yǎng)分含量（干重）平均為N 1.40%、P2O50.65%、K2O 0.80%，化肥品種：尿素（N 46%），硫酸鉀（K2O 51%），過磷酸鈣（P2O516%）。

春茬辣椒氮肥（N）、鉀肥（K2O）用量均為450 kg/hm2，全部的鉀肥和1/3 氮肥作底肥，2/3 氮肥作追肥施入；伏白菜種植中氮肥（N）、鉀肥（K2O）用量分別為450 kg/hm2、300 kg/hm2，全部磷、鉀肥和2/3 氮肥做底肥，1/3 氮肥在團棵期作追肥施入；豆角氮肥（N）、鉀肥（K2O）用量分別為75、 450 kg/hm2，作底肥施入。秋茬的大白菜氮肥（N）、鉀肥（K2O）用量分別為450 kg/hm2、300 kg/hm2，有機肥和磷鉀肥作底肥，2/3 氮肥作底肥，1/3 氮肥在團棵期作追肥施入。

1.4 樣品采集與分析

土壤樣品的采集：2018 年11 月秋季白菜收獲后取土測定，按“S”形曲線在每個小區(qū)0 ～20 cm的土層選擇6 個點（壟和溝各3 個點），混合為一個樣品。

土壤全磷（TP）、有效磷（Olsen-P）、有機質(zhì)采用常規(guī)農(nóng)化分析方法測定［19］，活性有機磷（LOP） 采用Bowman-Cole 法測定［20］，堿性磷酸酶（AP）采用磷酸苯二鈉比色法測定［21］，微生物量磷（MBP） 采用氯仿熏蒸，0.5 mol/L NaHCO3溶液（水土比1∶20） 浸提鉬銻抗比色法測定［22］。土壤磷活化系數(shù)(%) =［有效磷含量(mg/kg)］/［全磷含量(g/kg)×1 000］×100。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 與SPSS 21 進行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同磷肥和有機肥用量下土壤全磷、有效磷的變化

如表2 所示，連續(xù)16 年不施肥，土壤全磷和有效磷呈下降趨勢，與試驗前土壤相比，土壤全磷和有效磷含量分別降低了0.12 g/kg 和12.3 mg/kg，下降了20.00%和61.19%。與P0M0 相比，施用磷肥和有機肥顯著增加土壤全磷和有效磷含量分別為0.24 ～0.80 g/kg 和7.27 ～24.06 mg/kg。有機肥用量相同條件下，施用磷肥的土壤全磷和有效磷含量均顯著增加，且磷肥用量間差異顯著。如與P0M2相比，P1M2、P2M2 處理土壤全磷和有效磷含量分別 增 加 了28.74%、72.41% 和35.69%、77.18%。同樣在磷肥用量相同時，施用有機肥土壤全磷、有效磷含量也顯著增加。如與P2M0 相比， P2M1、P2M2 處理土壤全磷和有效磷含量增加了5.47%、17.19%和75.51%、110.71%。

表3 所示，與對照處理相比，施用磷肥和有機肥均能顯著提高土壤磷活化系數(shù)，約增加了0.23 ～2.03 個百分點。有機肥用量相同條件下，施用磷肥土壤磷活化系數(shù)顯著增加，但磷肥不同用量間無顯著差異。如與P0M1 相比，P1M1、P2M1 處理土壤磷活化系數(shù)增加了0.20 個百分點和0.23 個百分點。同樣在磷肥用量相同時，施用有機肥土壤磷活化系數(shù)顯著增加，且不同有機肥用量間差異顯著。如與P2M0 相比，P2M1 和P2M2 增加了1.39 個百分點和1.67 個百分點。

表2 各處理土壤全磷、有效磷含量Table 2 Content of total phosphorus and available phosphorus in different treatments

表3 各處理土壤磷活化系數(shù)Table 3 Phosphorus activity coefficient in different treatments

2.2 長期不同磷肥和有機肥用量下土壤活性有機磷、有機質(zhì)的變化

如表4 所示，與P0M0 相比，施用有機肥能顯著增加土壤活性有機磷和有機質(zhì)含量，分別增加1.90 ～4.10 mg/kg 和7.25 ～11.77 g/kg。僅施用磷肥對土壤活性有機磷和有機質(zhì)含量無顯著影響。磷肥用量相同條件下，施用有機肥能顯著增加土壤活性有機磷和有機質(zhì)含量，且不同有機肥用量間差異顯著。如與P2M0 相比，P2M1、P2M2 處理土壤活性有機磷和有機質(zhì)分別增加了84.58%、165.61%和47.43%、75.23%。

表4 各處理土壤活性有機磷、有機質(zhì)含量Table4 Content of organic matter and labile organic phosphorus in different treatments

2.3 長期不同磷肥和有機肥用量下土壤堿性磷酸酶、微生物量磷的變化

磷肥和有機肥施用對土壤堿性磷酸酶和微生物量磷的影響如表5 所示，與P0M0 處理相比，施用磷肥和有機肥均能顯著增加土壤堿性磷酸酶和微生物量磷含量，分別增加了0.41 ～4.75 ［P mg/(100 g·2 h)］ 和3.91 ～12.00 mg/kg。有機肥用量相同條件下，施用磷肥能顯著增加土壤堿性磷酸酶和微生物量磷含量，但磷肥不同用量間無顯著差異。如與P0M1 相比，P1M1、P2M1 處理土壤堿性磷酸酶和微生物量磷分別增加13.70%、16.91%和34.72%、46.63%。磷肥用量相同的條件下，施用有機肥土壤堿性磷酸酶、微生物量磷均顯著提高，且隨有機肥用量增加而顯著增加。與P2M0 相比， P2M1、P2M2 處理土壤堿性磷酸酶和微生物量磷分別增加了68.21%、101.78%和21.28%、100.19%。

表5 各處理土壤堿性磷酸酶、微生物量磷含量Table 5 Content of alkaline phosphatase and microbial phosphorus in different treatments

2.4 不同形態(tài)磷素之間的相關(guān)性分析

對5 個磷素相關(guān)指標與有效磷進行逐步回歸分析得到相關(guān)系數(shù)（見表6），長期施用磷肥有機肥下土壤有效磷與有機質(zhì)、全磷、堿性磷酸酶、活性有機磷和微生物量磷之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，各指標與有效磷的相關(guān)系數(shù)依次為堿性磷酸酶（0.875）＞全磷（0.863）＞微生物量磷（0.860）＞活性有機磷（0.803）＞有機質(zhì)（0.797），這說明增加土壤有機質(zhì)、全磷、堿性磷酸酶、活性有機磷和微生物量磷在一定程度上可提高土壤有效磷含量。并且發(fā)現(xiàn)5 個磷素相關(guān)指標并非獨立作用于土壤有效磷，它們之間也存在著一定的相關(guān)性。由此進行逐步回歸分析得出方程：y = -27.777+ 4.292x1+ 27.418x2-0.321 x3(R2= 0.979)，式中，x1、x2、x3、y分別代表堿性磷酸酶、全磷、微生物量磷和有效磷含量，結(jié)果表明土壤中堿性磷酸酶和全磷含量的增加更能促進有效磷的積累。

表6 有效磷與有機質(zhì)、全磷、活性有機磷、微生物量磷、堿性磷酸酶的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficients of available phosphorus with organic matter, total phosphorus, labile organic phosphorus, microbial biomass phosphorus and alkaline phosphatase

為進一步明確各相關(guān)指標對土壤有效磷的影響進行通徑分析（見表7）。全磷、堿性磷酸酶和活性有機磷對土壤有效磷的直接通徑系數(shù)分別是0.590、0.703 和0.131，表明全磷、堿性磷酸酶和活性有機磷對有效磷的直接影響為正效應(yīng)，即全磷、堿性磷酸酶和活性有機磷含量增加促進有效磷增加。有機質(zhì)和微生物量磷對有效磷的直接通徑系數(shù)分別是-0.143 和-0.156，表明有機質(zhì)和微生物量磷對有效磷的直接影響為負效應(yīng)。由于有機質(zhì)與有效磷的相關(guān)系數(shù)（0.797）等于其直接通徑系數(shù)（-0.143）與間接通徑系數(shù)（0.261、0.684、0.128、-0.132）的總和，所以有機質(zhì)主要通過影響堿性磷酸酶（0.684）、全磷（0.261）及活性有機磷（0.128）而間接作用于有效磷；另外微生物量磷與有效磷的相關(guān)系數(shù)（0.860）等于其直接通徑系數(shù)（-0.156）與間接通徑系數(shù)（-0.121、0.406、0.613、0.118）的總和，同樣得出微生物量磷主要通過影響堿性磷酸酶（0.613）、全磷（0.406）及活性有機磷（0.118）而間接作用于有效磷。由此得出，有機質(zhì)和微生物量磷主要是通過堿性磷酸酶、全磷和活性有機磷而與有效磷產(chǎn)生間接影響，其分解有利于有機磷、全磷向有效磷的轉(zhuǎn)化過程，從而表征出其對有效磷含量變化的貢獻程度。

表7 土壤有機質(zhì)、全磷、活性有機磷、微生物量磷和堿性磷酸酶對有效磷的通徑分析Table 7 Path analysis of soil organic matter, total phosphorus, labile organic phosphorus, microbial biomass phosphorus, and alkaline phosphatase to available phosphorus

3 討論與結(jié)論

土壤有效磷直接反映磷素被植物當季吸收的能力，能反映土壤磷素平衡狀況。本研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)16年不施磷肥有機肥（P0M0 處理）土壤磷素平衡處于虧缺狀態(tài)，年均虧缺79.39 kg/hm2［23］，有效磷含量也呈耗竭狀態(tài)，與試驗前土壤相比，有效磷含量降低了12.30 mg/kg，年均降低量為0.77 mg/kg，土壤全磷年均降低了7.50 mg/kg，差異均達到顯著水平。僅施用有機肥75 t/hm2（P0M1 處理）土壤磷素基本處于持平狀態(tài)，土壤有效磷與試驗前土壤無顯著差異。施用磷肥＞180 kg/hm2、有機肥150 t/hm2及磷肥有機肥配施土壤磷素均處于盈余狀態(tài)，與試驗前土壤相比，有效磷含量增加了6.69 ～ 36.35 mg/kg，年均增加0.42 ～2.27 mg/kg。本試驗的前期結(jié)果也表明，表觀磷素盈余每增加100 kg/hm2可提高土壤有效磷1.07 mg/kg［23］，也就是說提高土壤有效磷1 mg/kg 需要磷素（P2O5）盈余量為214.02 kg/hm2。磷素積累提高了土壤有效磷及全磷含量，對于磷活化系數(shù)不同肥料的影響卻表現(xiàn)不一。單施化學磷肥，土壤磷活化系數(shù)顯著增加，但不同磷肥用量間無顯著差異，分析其原因，一方面施用磷肥直接補充土壤全磷和有效磷；另一方面，土壤通過化學固定、吸附固定等降低磷肥的有效性。當磷肥用量過大時，土壤吸附位點處于飽和狀態(tài)，土壤固磷能力減弱，可能造成磷素向下淋失［11］。本研究發(fā)現(xiàn)無論單施有機肥還是磷肥基礎(chǔ)上增施有機肥，土壤磷活化系數(shù)均隨有機肥用量的增加而顯著提高。一方面施用有機肥產(chǎn)生的有機酸促進了土壤中磷酸鈣、磷酸鋁（鐵）中的磷酸根離子的釋放，另外有機酸與磷酸根的競爭也減少土壤固磷量，從而增加了土壤有效磷含量及磷活化系數(shù)［24］。戚瑞生等［25］在黃土上的試驗結(jié)果也表明，有機肥在分解過程中產(chǎn)生的有機酸能活化土壤中的磷素，而有機肥中的碳水化合物可掩蔽土壤對磷素的吸附位。李娜［14］等在棕壤上的研究也表明，有機肥中的有機酸可在鐵鋁氧化物表面形成保護膜，減少對磷酸根的吸附。

有效磷作為土壤供磷能力的重要指標，其包括無機態(tài)磷和有機態(tài)磷，普遍認為Ca2-P、Ca8-P 和Al-P 是無機態(tài)有效磷源，活性有機磷、中等活性有機磷是有機態(tài)有效磷源［25］。有研究表明，土壤有效磷與各種磷素指標間存在著相關(guān)關(guān)系［4,26-27］。高天一等研究表明，中等活性有機磷、Ca2-P、Ca8-P 通過影響活性有機磷和Al-P 的含量進而影響有效磷含量［6］。本研究結(jié)果也表明，有效磷與活性有機磷和微生物量磷等指標間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，這與張亞麗等在潮土上獲得的有效磷與活性有機磷的相關(guān)性［26］及費超等在設(shè)施蔬菜中獲得的有效磷與微生物量磷的相關(guān)性［27］一致。本文經(jīng)通徑分析得出土壤全磷、堿性磷酸酶和活性有機磷含量直接影響有效磷含量，且堿性磷酸酶對有效磷的影響較大。機理可能為：石灰性土壤上堿性磷酸酶是催化土壤磷酸脂類或磷酸酐水解的酶，一方面它能將有機磷礦化為活性較高的無機磷（Ca2-P、Ca8-P）；另一方面它能促進難溶性有機磷向活性有機磷的轉(zhuǎn)化，特別是中活性有機磷和中穩(wěn)性有機磷向活性有機磷的轉(zhuǎn)化，從而提高了土壤磷的有效性［4］，本研究中堿性磷酸酶與活性有機磷的相關(guān)系數(shù)（0.964）大于其與有效磷的相關(guān)系數(shù)（0.875）也證實了以上的結(jié)論。而土壤有機質(zhì)和微生物量磷間接影響有效磷含量也與堿性磷酸酶存在著重要的關(guān)系，一方面有機質(zhì)含量的高低可影響土壤C/N，C/N 較高時土壤微生物迅速繁殖，能更有效的活化土壤中難溶的磷酸鹽，同時分泌堿性磷酸酶催化有機磷的水解［28］。本研究初步發(fā)現(xiàn)施用不同肥料種類對堿性磷酸酶及活性有機磷的影響有所不同。單施磷肥，土壤堿性磷酸酶含量顯著增加但活性有機磷的增幅未達到顯著水平，提高磷肥用量，堿性磷酸酶和活性有機磷含量均未顯著變化，經(jīng)分析土壤堿性磷酸酶對有效磷的直接通徑系數(shù)為-0.208。單施有機肥，土壤堿性磷酸酶和活性有機磷含量均顯著提高，且隨有機肥用量增加差異達到顯著水平，土壤堿性磷酸酶對有效磷的直接通徑系數(shù)為3.589。比較發(fā)現(xiàn)同樣提供100 kg/hm2P2O5施用有機肥或化肥，土壤堿性磷酸酶、活性有機磷和有效磷分別增加0.7 ［P mg/（100 g·2 h）］或 0.07［P mg/（100 g·2 h）］，0.6 mg/kg或0.03 mg/kg， 3.53 mg/kg 或2.64 mg/kg。表明與單施磷肥相比，施用有機肥更能增加土壤堿性磷酸酶、活性有機磷及有效磷含量，提高磷素有效性。除此以外，本文發(fā)現(xiàn)隔年施用有機肥75 t/hm2和150 t/hm2時，土壤有機質(zhì)年均增加量分別為0.69 g/kg 和1.26 g/kg，即提高土壤有機質(zhì)1 g/kg 需要施用54.4 ～59.5 t/hm2有機肥（腐熟牛糞）1 年。在長期輪作露天菜地中，土壤有效磷與全磷、活性有機磷、堿性磷酸酶、有機質(zhì)、微生物量磷存在顯著正相關(guān)關(guān)系，其中全磷、堿性磷酸酶和活性有機磷對有效磷產(chǎn)生直接影響。施用磷肥能顯著增加土壤全磷、有效磷、堿性磷酸酶和微生物量磷含量；施用有機肥及磷肥有機肥配施還能顯著增加土壤有機質(zhì)、活性有機磷的含量，且隨有機肥用量的增加各項土壤磷素指標均顯著提高。由此得出，增施有機肥更有益于增加土壤有效磷、活性有機磷、堿性磷酸酶、微生物量磷和磷活化系數(shù)，提高了土壤磷素有效性。