功能微生物菌劑防控設施菜田土壤磷素面源污染的效果

崔佳萌 劉蕾 李博文 張國印 趙歐亞 郜靜 李玭 劉輝 馬麗敏 王凌

摘要：針對設施菜田累積磷含量過高易產生的農業(yè)面源污染問題，通過田間試驗，探究在減量施肥的背景下，增施功能微生物制劑在降低磷素淋溶風險、提升磷肥利用效率、防控農業(yè)面源污染、增加作物產量等方面的潛能。試驗設置常規(guī)施肥量（T1）、單純減量25%施肥（T2）、減量25%施肥并施入功能微生物菌劑（T3）、不施磷（CK）4個處理。結果表明，T3土壤重單季磷素盈余量、耕層速效磷含量、耕層氯化鈣磷含量較T1分別顯著降低了38.24%、15.59%、35.22%;并且處理T3提高了作物地上部總磷吸收量，較T1、T2處理分別增長了8.81%和20.69%;在提高了肥料利用效率方面，與T1、T2處理相比，T3的肥料偏生產力、農學效率和肥料貢獻率分別顯著提升了40.13%和6.43%、98.41%和67.02%、41.83%和57.12%;此外，T3還可提高番茄產量和增加單位面積土地產值，較處理T1、T2分別增產5.22%、6.43%，產值分別增加18 467.17、20 923.70元/hm2。與常規(guī)施肥和單純減量25%施肥相比，減量25%施磷并增施功能菌劑不僅可以有效降低土壤累積磷含量和淋溶風險，防控農業(yè)面源污染，節(jié)約肥料投入，顯著提升磷肥利用率，而且能促進作物增產，增加農民收入，是推動農業(yè)綠色高質量、可持續(xù)發(fā)展的尚佳選擇。

關鍵詞：功能微生物菌劑;土壤累積磷;磷肥利用率;農業(yè)面源污染防控;設施菜田

中圖分類號： S182;X592? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）23-0232-06

收稿日期：2021-04-07

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2016YFD0801005）;河北省重點研發(fā)計劃（編號：18223613D）;河北省自然科學基金（編號：C2020301007）;河北省農林科學院創(chuàng)新工程（編號：2019-1-4-3）。

作者簡介：崔佳萌（1998—），女，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事農業(yè)環(huán)境相關研究。E-mail：1947676240@qq.com。

通信作者：馬麗敏，高級經濟師，主要從事農業(yè)經濟研究，E-mail：497681823@qq.com;王凌，博士，副研究員，主要從事農業(yè)環(huán)境和土壤微生物生態(tài)學相關研究，E-mail：nkywangling@163.com。

近年來，我國設施蔬菜產業(yè)高速發(fā)展，截至2017年我國設施蔬菜種植面積約為350萬hm2，并以每年10%的速度增長，設施蔬菜產值突破7 000億元[1-2];設施蔬菜產量為2.52 億t，占蔬菜總產量的30.5%。磷是蔬菜生長必需的大量元素之一，為保證經濟效益，過量施肥特別是有機肥的現(xiàn)象普遍存在。張懷志等調查河北、天津7個典型縣域的156個農戶設施蔬菜的施肥情況，發(fā)現(xiàn)磷肥平均投入量超過了推薦量的10.4倍[3]。李茹等對陜西省6個代表縣主要設施蔬菜的施肥情況調查分析發(fā)現(xiàn)，磷素過量投入了65.2%;投入的這些肥料只有小部分被當季作物吸收，當投入的肥料超過了作物吸收利用限度時，就會以淋溶形式損失[4]。嚴正娟分析匯總數(shù)據(jù)得出，我國87%的設施菜田超過了環(huán)境閥值（磷含量80 mg/kg），51%露地菜田0～20 cm土層處于淋溶風險之中[5]。這些淋溶出的磷素一部分會通過地表徑流進入地表水環(huán)境，加劇了水的富營養(yǎng)化，破壞水體生態(tài)系統(tǒng)[6-8];另一部分隨著種植年限增長逐年向地下遷移，威脅地下水質量[9]。更重要的是，過量施肥對作物不僅沒有顯著增產作用[10-11]，還導致了土壤酸化、次生鹽漬化、養(yǎng)分失衡、氮磷等元素過量積累等土壤快速退化現(xiàn)象的普遍產生，破壞土壤健康，影響作物品質，降低經濟效益，威脅生態(tài)環(huán)境，制約著設施產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[12]。此外，磷是不可再生資源，而作為肥料的磷肥開采自磷酸巖，若按目前開采速度持續(xù)下去，全球磷酸巖儲量將在50～100年內耗盡[13]。為了緩解、降低這些問題帶來的不良影響，首先須要控制磷肥投入量，同時提高作物對磷素的利用效率，進而從根本上降低磷素在土壤中的累積水平，從源頭上防控農業(yè)面源污染的產生，實現(xiàn)蔬菜產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，已成為當前綠色農業(yè)發(fā)展的重要課題。

當前農業(yè)面源污染加劇，而功能微生物菌劑可守護農業(yè)健康，給綠色農業(yè)的高質量發(fā)展帶來了希望，是產出優(yōu)質、高效、安全、綠色農產品的必然選擇。在提升磷素有效性方面，土壤溶磷微生物由于能夠利用其代謝產物或通過與其他生物的協(xié)同作用，將土壤中難以利用的難溶性磷轉化為植物生長可直接利用的形態(tài)，進而提高養(yǎng)分有效性，降低土壤累積磷含量而備受關注[14]。1958年，俄羅斯首次將具有解磷能力的芽孢桿菌應用于農業(yè)生產，使得大田產量增產了10%～70%，自在農業(yè)中的試驗獲得成功后，研究進一步深入，科學工作者發(fā)現(xiàn)溶磷微生物除了能將土壤中難溶性的礦化態(tài)磷轉化成可溶性的磷酸根離子，改善土壤結構，促進植物對磷的吸收利用外，還可以分泌生長素等植物激素促進作物生長，某些溶磷菌還具有固氮、分泌抗生素等功能，研制環(huán)境友好的功能微生物菌肥提升土壤磷素利用效率，減少肥料總投入量，必將對減少土壤磷素累積、防控農業(yè)面源污染、提升土壤質量等方面具有積極意義，具有一定的應用價值和前景[15-18]。近年來關于微生物制劑對設施蔬菜產量及設施土壤質量的影響研究較多[19-21]，但鮮見關于減少土壤磷素累積和淋溶及防控農業(yè)面源污染影響的研究報道。因此，為了綜合評估微生物制劑的應用價值，本研究以北方設施番茄菜田為例，探討在不同施肥控制條件下，功能微生物制劑配合磷肥減量投入對菜田土壤磷素面源污染防控、番茄吸磷量、磷肥利用效率和產量產值的影響，對比分析功能微生物菌劑對設施番茄產生的環(huán)境和社會經濟效益影響，以期為設施農業(yè)的綠色高質量、可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地在河北省衡水市饒陽縣國家農業(yè)科技園區(qū)（設施蔬菜種植面積22 667 hm2 ） 的大尹村鎮(zhèn)南北巖村。該基地屬冀中平原黑龍港流域，土壤類型為石灰性沙質潮土，年均溫度12.2 ℃，年降水量552.6 mm。種植時間2018年9月至2019年1月，種植類型為番茄單季，日光溫室大棚棚齡25年。土壤基本理化性質見表1。

1.2 試驗材料與設置

試驗所用底肥有機肥為牛糞，干基 N、P2O5、K2O含量分別為2.22%、1.64%、0.83%，底肥一次性施入;化肥為尿素（N含量46%）、過磷酸鈣（P2O5含量12%）、硫酸鉀（K2SO4含量50%），分底肥和追肥分別施入;功能微生物菌劑為筆者所在項目組與河北閏沃生物技術有限公司共同研發(fā)的自有膠質芽孢桿菌T7，并對該菌株進行了全基因組測序（de novo sequencing），采用Illumina測序平臺，結果顯示：基因組大小為8.66 bp，含質粒，鳥嘌呤和胞嘧啶含量（G+C，%）為58.51%，該基因總長度7.43 bp，并且已找到其全基因組水平上啟動子（TTAGAACAATTTTTTTAAAAAATAGTGTATAAATTGTTAATTGATATTGTATAATTATTCATGTGAGAAATCATTACATTAGTCAATAGAAGGTTGTAAGACCTTAATCTAGGTCTTGTT）。

試驗共設置常規(guī)施肥量（T1）、減量25%施肥（T2）、減量25%施肥并增施功能微生物菌劑（T3）、不施磷（CK）4個處理（表2）。功能微生物菌劑在花期、坐果期和盛果期分別施入，每次施入量 75 L/hm2。每個處理重復3次，采用完全隨機排列，小區(qū)面積為21.25 m2。采用的番茄品種為燕趙明珠。田間管理同常規(guī)，灌水方式采用畦灌，用土壤時域反射儀（time domain reflectometry，簡稱TDR）進行土壤水分的監(jiān)測，保持田間持水量 70%，全生育期總灌溉量為 3 375 m3/hm2。作物生長周期為 160 d。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤樣品采集與測定

分別于試驗前及番茄采收后采集土樣，用作土壤化學性質的測定。每小區(qū)采用“S”形采樣法，用土鉆（內徑為5 cm）采集土壤深度為0～20、20～4、40～60、60～80、80～100 cm 的土壤樣品，每個土層選取有代表性的樣點5個，均勻混合為1個樣品，留出部分鮮樣用作測定硝態(tài)氮含量，余下土壤在室內條件下風干，剔除石塊和樹枝等雜物后磨碎，過2 mm篩，室內風干，裝瓶保存，放于15 ℃冰箱待測。土壤速效磷（Olsen-P）是判斷土體磷素殘留量的重要指標，用0.5 mol/L NaHCO3（pH值8.5）溶液浸提（水土比20 mL ∶1 g）鉬銻抗比色法（Olsen法）測定[22];土壤氯化鈣磷（CaCl2-P）是判斷磷素向下垂直移動的重要指標，用0.01 mol/L CaCl2 溶液浸提（水土比5 mL ∶1 g）鉬銻抗比色法測定[23]。土壤容重采用環(huán)刀法測定，有機質含量采用重鉻酸鉀-外加熱氧化、硫酸亞鐵溶液滴定法測定，土壤全磷含量用H2SO4-HClO4消煮鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量用1 mol/L乙酸銨提取-火焰光度法測定，硝態(tài)氮含量用KCl浸提（水土比 1 mL ∶10 g）連續(xù)流動分析儀測定，pH值（水土比 1 mL ∶5 g）采用玻璃電極法測定[24]。

1.3.2 植物樣品采集與測定

在番茄收獲期，每小區(qū)采集5株代表性植株，將植株的葉、莖、根、果實分開，然后用去離子水沖洗，將植株鮮樣放在烘箱中105 ℃殺青 30 min，80? ℃烘干72 h，稱質量，記錄干質量。干樣粉碎過篩后，采取H2SO4-H2O2消煮后用流動注射分析儀測定植物全磷含量[24]。番茄產量用電子秤記錄各小區(qū)整個生長周期的果實產量，核算單位面積產量。

1.4 計算方法

磷素表觀盈虧量（kg/hm2）=施磷量-番茄磷素吸收量[25]。

肥料利用效率各參數(shù)來源于Cassman等的方法[26-28]，相關指標及計算公式如下：

磷肥偏生產力（簡稱PFPP，kg/kg）指投入的磷肥所能生產的單位作物產量，反映當?shù)赝寥阑A養(yǎng)分水平和磷肥施用量的綜合效應，對施肥的宏觀決策有一定指導意義。計算公式為PFPP=Y/F。式中，Y為施磷后所獲得的作物產量;F代表施磷肥量。

磷肥農學效率（簡稱AEP，kg/kg）指單位施磷量所增加的作物產量，是評價氮肥增產效應較為準確的指標，也是農業(yè)生產中最關心的經濟指標之一。公式為AEP=（Y-Y0）/F。式中，Y為施磷后所獲得的作物產量;Y0為不施磷條件下作物的產量。

磷肥表觀利用率（簡稱REP，%）是單位投入的肥料磷所獲得的作物磷積累量的增加量，能很好地反映作物對化肥養(yǎng)分的吸收狀況。公式為REP=（U-U0）/F×100%。式中，U為施磷后作物收獲時地上部的吸磷總量;U0為未施磷時作物收獲期地上部的吸磷總量。

磷肥生理利用率（簡稱PEP，kg/kg）作物地上部每吸收單位肥料中的磷所獲得的作物產量的增加量，反應了植物體內磷素的利用效率。公式為 PEP=（Y-Y0）/（U-U0）。

磷肥貢獻率（簡稱FCR），公式為FCR=（施肥區(qū)產量-不施肥區(qū)產量）/施肥區(qū)產量×100%。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 26.0 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，LSD法比較處理間的差異顯著性，Origin 9.0 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 減量施肥和功能微生物菌劑對土壤有效磷含量的影響

2.1.1 減量施肥和功能微生物菌劑對土壤速效磷含量的影響

由圖1可知，減量施肥處理（T2、T3） 0～60 cm土壤中Olsen-P含量低于常規(guī)施肥（T1）處理。在0～20 cm土層，各處理的速效磷含量由大到小依次為T1（371.83 mg/kg）>T3（313.87 mg/kg）>T2（310.42 mg/kg）>CK（219.10 mg/kg）;其中，處理T2、T3較T1分別減少16.52%、15.59%，且差異顯著;在20～100 cm 土層，處理間速效磷含量差異不顯著。各處理速效磷累積總量依次為T1（621.83 mg/kg）>T3（548.43 mg/kg）>T2（525.22 mg/kg）>CK（445.03 mg/kg），與處理T1相比，處理T2、T3在 0～100 cm土層速效磷累積總量降幅分別達15.54%和11.80%。

2.1.2 減量施肥和功能微生物菌劑對土壤氯化鈣磷含量的影響

由圖2可知，總體上隨著肥料減量的增加，土壤CaCl2-P含量呈現(xiàn)下降趨勢，特別是在耕層（0～20 cm）土壤中。在0～20 cm土層，各處理氯化鈣磷含量由大到小依次為T1（19.65 mg/kg）>T2（15.04 mg/kg）>T3（12.73 mg/kg）>CK（8.29 mg/kg），除不施肥的CK處理以外，在減量25%施肥的基礎上增施功能微生物菌劑（T3）較常規(guī)施肥（T1）下降最為明顯，CaCl2-P含量下降35.22%。在60 cm以下土層，處理間氯化鈣磷含量沒有明顯差異。在0～100 cm土層中，各處理氯化鈣磷累積總量由大到小依次為T1（27.38 mg/kg）>T3（24.99 mg/kg）>T2（21.91 mg/kg）>CK（13.69 mg/kg），T2、T3處理的氯化鈣磷總量分別比T1減少19.98%、8.73%。

2.2 功能微生物菌劑對設施番茄磷素吸收量的影響

如表3所示，與CK相比，T3番茄果實和葉片部位對磷素的吸收顯著增加，并且各處理組與CK間地上部吸收總量均有顯著差異。在減量25%施肥的基礎上增施功能微生物菌劑（處理T3）的磷素地上部吸收總量高于常規(guī)施肥（處理T1）和單純減量25%施肥（處理T2），漲幅分別為8.81%和20.69%。在番茄葉片中，磷素吸收量最高的為T3（17.35 kg/hm2），較處理T1與T2分別增加了11.43%和13.03%;在番茄果實中，磷素吸收量最高的同樣是T3（13.54 kg/hm2），分別較處理T1、T2增加了21.65%和38.30%。在各處理間，番茄莖和根部中的磷素吸收量差異不顯著。

2.3 功能微生物菌劑對磷素盈虧量的影響

由表4可以看出，除CK土壤磷素表觀平衡量處于虧缺狀態(tài)外， T1、 T2、T3處理均呈現(xiàn)盈余狀態(tài)，然而，隨著肥料施用量的減少，磷素盈余量隨之降低;并且由于增施功能微生物菌劑（處理T3）增加了作物地上部對磷素的吸收，因而，處理T3的土壤中單季磷素盈余量最小，與常規(guī)施肥處理T1相比，盈余量顯著減少了100.24 mg/kg;比處理T2磷素盈余量減少了 8.80 mg/kg。

2.4 功能微生物菌劑對設施番茄磷肥利用效率的影響

由表5可知，在減量25%施肥的基礎上增施功能微生物菌劑（T3）可顯著提升設施番茄磷肥利用效率，各項表征指標均高于常規(guī)施肥（T1）和單純減量25%施肥（T2），且差異顯著（表觀利用率除外）。磷肥偏生產力最高的是處理T3（415.2 kg/kg），與處理T1、T2相比分別提高了40.13%和6.43%;農學效率最高的是處理T3（62.3 kg/kg），比處理TI、T2分別提高了98.41%和67.02%;表觀利用率最高的是處理T3（16.62%），較T1、T2分別提高了232.40%和134.75%;生理利用率最高的是處理T3（7.39%），比處理T1、T2分別提高了135.35%和98.12%;磷肥貢獻率最高的是處理T3（15.02%），比處理T1、T2分別提高了41.83%和57.12%。

2.5 功能微生物菌劑對設施番茄產量及產值的影響

由圖3可知，在減量25%施肥的基礎上增施功能微生物菌劑（處理T3）的番茄產量與常規(guī)施肥（處理T1）和單純減量25%施肥（處理T2）相比，分別增產5.22%和6.43%，差異不顯著。各處理之間產量由高到低順序依次為T3（122.06 t/hm2）>T1（116.01 t/hm2）>T2（114.69 t/hm2）>CK（103.72 t/hm2）。雖然處理組間產量差異不顯著，但按照番茄3 000元/t，并且節(jié)約的肥料成本 1 500元/hm2，微生物制劑1 200元/hm2來計算，處理T3較處理T1、T2的單位土地面積產值分別增加了18 467.17元/hm2和20 923.70元/hm2。

3 結論與討論

3.1 結論

減量施肥并增施功能微生物菌劑的管理措施有效防控農業(yè)面源污染，產生了積極的環(huán)境效益：減量25%施肥并增施功能微生物菌劑（處理T3）有效降低了土壤耕層Olsen-P含量，處理T3較常規(guī)施肥（處理T1）降低了15.59%;明顯降低了耕層氯化鈣磷含量，與常規(guī)施肥（處理T1）和單純減量25%施肥（處理T2）相比，分別降低了35.22%和18.22%;并且較常規(guī)施肥（處理T1）土壤中單季磷素盈余量顯著降低;說明在減量施肥的基礎上增施功能微生物菌劑，可有效緩解磷素向深層的遷移，降低淋溶風險;并同時提高了番茄磷素總的吸收量，處理T3較處理T1和處理T2分別增長了8.81%和20.69%，提升了磷素的吸收利用率。

減量施肥并增施功能微生物菌劑的管理措施可顯著提高磷肥利用效率，節(jié)約肥料資源和用肥成本：處理T3與處理T1、T2相比，磷肥偏生產力提升了40.13%和6.43%，農學效率提高了98.41%和67.02%，表觀利用率提高了232.4%和134.75%，生理利用率提高了135.35%和98.12%，磷肥貢獻率提高了41.83%和57.12%。

此外，減量施肥并增施功能微生物菌劑（處理T3）可提高番茄產量和單位土地面積產值，較T1、T2增產5.22%和6.43%，產值增加18 467.17元/hm2、20 923.70元/hm2，增加了農民收入，推動農業(yè)產業(yè)提質增效，促進農業(yè)綠色高質量、可持續(xù)發(fā)展。

3.2 討論

磷素是造成水體富營養(yǎng)化的限制性因子，因水體對磷素輸入的敏感性強，農田磷素向水體的淋出遷移引起的水污染問題日益突出[29]。本試驗研究結果顯示，在基礎土壤速效磷含量較高（0～20 cm土層為225 mg/kg）的背景下，減量施肥基礎上增施微生物制劑的管理措施可顯著降低土壤表層磷素累積，進而降低淋溶風險。由于微生物提高了土壤養(yǎng)分庫中磷素的生物有效性，然而與單純的減量施肥相比，土壤速效磷含量并未產生顯著變化，該結果與吳旭等的研究結果[30]一致，推測可能是由于土壤本底養(yǎng)分本身已偏高，且0～20 cm土層pH值已較深層土壤降低，微生物菌劑活性收到抑制所致，有待進一步研究。此外，據(jù)劉蕾等的研究結果，華北地區(qū)石灰性土壤的速效磷磷肥投入的控制閾值為260 mg/kg，當土壤中速效磷含量超過這個臨界點時，氯化鈣磷含量就開始迅速增加，氯化鈣磷含量是土壤磷素淋溶的重要指標之一，即土壤磷素的淋溶風險將大大增加[31]。本試驗中，盡管與常規(guī)施肥（處理T1）相比顯著降低了表層速效磷含量，但減量25%施肥后的處理T2、T3的表層土壤中速效磷含量仍高于260 mg/kg的臨界值，因此有待觀察長棚齡、高養(yǎng)分設施菜田隨著持續(xù)年份減量施肥措施的進行，土壤中累積磷素的變化。

土壤磷素表觀平衡反映了當季種植后土壤磷素的盈余或虧缺狀態(tài)，因磷肥施入土壤后揮發(fā)和損失基本可忽略不計，非沙質土壤或灌水量有限的土體中淋失量也相對較少，所以土壤磷素在長時間里的盈余或虧缺就決定了土壤磷素的消長趨勢[32]。若土壤中的磷素長期處于盈余狀態(tài)，就會增加土壤磷素向水體遷移的風險，進而威脅環(huán)境[33]。河北省11年菜地的試驗結果表明，每100 kg/hm2的磷素盈余將導致土壤有效磷含量上升1.13 mg/kg[34]。本試驗結果表明，減量施肥基礎上增施微生物制劑（處理T3）較常規(guī)施肥（處理T1）總磷素盈余量顯著下降，可有效降低土壤磷素盈余量，本試驗提出的防控設施菜田農業(yè)面源污染的農田管理措施行之有效。

解決當前菜田磷素盈余問題的關鍵是降低農田磷素輸入對環(huán)境的影響的同時，提高土壤磷庫有效利用率[29-30，35-36]。本試驗結果表明，減量施肥并增施功能微生物菌劑的管理措施可顯著提高磷肥利用效率，提高作物的產量和農民收入。減量施肥并增施微生物制劑，不同程度地提高了番茄的產量和果實品質，增產范圍4 755～12 949.5 kg/hm2，提高經濟收益4 569～13 879.5元/hm2等[37-39]。本試驗研究結果與此前報道趨勢相同，而經濟效益更為顯著。

此外，隨著土壤質地、土體構型以及土壤肥力水平和土壤健康程度的不同，番茄的最佳施磷量和微生物制劑的最佳用量并不統(tǒng)一，本試驗推薦在該類型土壤肥力水平下，采用比常規(guī)施肥量減施25%并增施功能微生物菌劑的管理方式，與不同土壤質地和土體構型的磷素減量供應推薦減施30%和60%不同[39-40]，要想實現(xiàn)生態(tài)效益、社會效益和經濟效益各方面的最大化還需綜合考慮各種因素，需要進一步分類詳細探究。

綜上所述，減量施肥并增施功能微生物菌劑的管理措施不僅可以有效降低華北地區(qū)石灰性菜田土壤中磷素的累積，減少磷素淋失風險，有效防控農業(yè)面源污染的發(fā)生，提高肥料利用效率，還可以促進農民增收，具有良好的生態(tài)環(huán)境效益和經濟社會效益，對保護農田生態(tài)環(huán)境安全，推動設施蔬菜產業(yè)綠色安全、高質量發(fā)展具有重要且積極的意義。

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