減水減肥對設(shè)施黑土菜田磷素累積與淋溶的影響*

陳一民，徐 欣，焦曉光，曲紅云，侯 萌，隋躍宇**

(1.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室 哈爾濱 150081； 2.黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院 哈爾濱 150080； 3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝分院 哈爾濱 150069)

磷素是地球上所有生命體的組成元素之一，在生態(tài)系統(tǒng)中具有不可或缺的作用[1]。土壤中儲存的磷在陸地生態(tài)系統(tǒng)中最多，供應(yīng)著植物生長所必需的大部分磷素[2]，在維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力中具有重要的作用。蔬菜生產(chǎn)是我國糧食安全中不可替代的部分，據(jù)FAO 統(tǒng)計[3]，中國人均年蔬菜消費量達321 kg，是歐美人均年消費量的2.6 倍左右。蔬菜種植過程中，農(nóng)民往往施入大量的有機肥和化肥，磷素的投入量遠(yuǎn)超蔬菜收獲所帶走的磷量[4-6]。

理論上講，施入土壤的磷肥可以與土壤中鐵、鋁等離子結(jié)合被固持在土壤中，也能通過土壤膠體電荷被吸附在土壤中，并且各層土壤都具有一定的磷吸附能力[7]。因此，目前關(guān)于磷素經(jīng)下層土壤淋溶損失的研究較少，關(guān)于土壤磷損失的研究大部分集中于隨地表或近地表徑流的損失上[8-9]。但磷肥及其他肥料大量投入后會導(dǎo)致土壤溶液中磷濃度激增，結(jié)合位點不足會使一部分磷處于游離狀態(tài)，增加磷素的淋失風(fēng)險。近年來有機物料的投入逐年增加，有機物料礦化中釋放的有機基團不僅搶占磷的吸附結(jié)合位點[10]，還能絡(luò)合土壤中鐵、鋁等離子[11]，導(dǎo)致磷素的淋失風(fēng)險增大； 此外有機物料分解也會釋放小分子可溶于水的有機磷[12]，進一步增加了磷素的淋失風(fēng)險。與普通種植不同，設(shè)施菜田為一個封閉的體系，幾乎不產(chǎn)生地表徑流，因此通過淋溶損失的磷素受到愈來愈多的關(guān)注。

在東北地區(qū)，為在寒冷氣候條件下延長蔬菜種植時間，設(shè)施菜田的面積急劇增加，在2020年達267 000 hm2[13]。該區(qū)域設(shè)施菜田中磷素淋溶對環(huán)境造成的潛在影響不可忽視。此外，由于設(shè)施菜田內(nèi)蒸騰作用強，需要大量灌溉來滿足蔬菜的生長需求[14]，這也會加劇設(shè)施菜田中磷素的流失。雖然黑土保水保肥能力很強，但Zhou 等[15]研究指出，設(shè)施黑土菜田中的磷素淋失量已不可忽視。減少肥料施用量、減少灌溉量是常用的養(yǎng)分淋失阻控技術(shù)[16-17]，但這兩種措施能否削減設(shè)施黑土菜田磷素的淋失尚不明確。因此，本文以典型設(shè)施黑土菜田為研究對象，分別對減少施肥量、減少灌溉量條件下土壤磷庫特征和土壤磷素淋失量進行研究，以期探明減少施肥量和減少灌溉量對土壤磷素淋溶的影響，合理評估設(shè)施黑土菜田的磷素淋失風(fēng)險，為設(shè)施黑土菜田磷肥的合理利用和磷素淋溶阻控技術(shù)的研發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域概況

試驗地位于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝分院的蔬菜大棚(45.63°N，126.65°E)，海拔173.1 m。該區(qū)屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量為569.1 mm，降水集中在6—9月，占全年降水量的60%以上； 降雪集中在11月至次年1月。土壤類型為草甸黑土，試驗前測得耕層土壤基本理化性質(zhì)為有機碳20.0 g·kg?1，全氮1.83 g·kg?1，全磷1.27 g·kg?1，pH 6.73，容重1.20 g·cm?3。每棟設(shè)施大棚面積為324 m2(27 m×12 m)。大棚內(nèi)種植茄子(Solanum melongena L.)，每年4月末移栽定植，10月中旬最后一次采摘。4月中旬將有機肥均勻撒在地表，隨翻地均勻混入土壤中，4月下旬起壟后采用條施方式施入化肥，覆膜封壟； 茄子生長季內(nèi)追肥兩次，均采用穴施方式?；适┯蒙疃葹?～20 cm。灌溉采用滴管，用水表控制灌水量。

1.2 試驗設(shè)計

試驗始于2016年，共設(shè)3 個處理，分別為： 1)常規(guī)灌溉量與施肥量(WF)； 2)常規(guī)灌溉量+80%常規(guī)化肥量(W80%F)； 3)80%常規(guī)灌溉量+常規(guī)肥處理(80%WF)。灌溉方式為滴灌。不同處理的具體施肥量、追肥量、灌溉量情況如表1 所示。其中氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀，有機肥為顆粒有機肥(有機質(zhì)含量為40%)。不同處理均設(shè)置3個小區(qū)作為3 次重復(fù)，每個小區(qū)面積為18 m2(6 m長×3 m 寬)，設(shè)施菜田種植方式為茄子連作，茄子品種為‘龍雜201’，栽種技術(shù)為大壟雙行。試驗地基肥為條施，追肥采用穴施方式，灌溉方式為滴灌，人工進行田間管理[17-18]。

表1 不同處理設(shè)施茄子生育期內(nèi)具體施肥及灌溉量Table 1 Fertilization rates and irrigation amounts of different treatments during the growth period of eggplants

1.3 土壤與淋溶液樣品采集

于2019年茄子移栽前(4月26日)、苗期(5月26日)、初果期(6月21日)、盛果期(7月19日)、拉秧期(10月17日)采集土壤樣品，在每個試驗小區(qū)隨機選取3 個點，用土鉆采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm 土壤，將每個層次的樣品經(jīng)充分混合后裝于自封袋，帶回實驗室后于陰涼處風(fēng)干，用于土壤全磷與速效磷含量的測定。

采用淋溶液采集裝置收集土壤淋溶液。在土壤90 cm 深處埋設(shè)淋溶液采集桶，監(jiān)測面積為1.2 m2，通氣管與抽水管引出地面，方便淋溶液采集。每次灌溉之前，用真空泵收集淋溶液采集裝置中的淋溶液樣品，測定淋溶液體積后用100 mL 塑料瓶取部分樣品帶回實驗室，于?20 ℃下保存，用于淋溶液中全磷、無機磷、有機磷的分析。

1.4 測定與計算方法

土壤容重的測定采用環(huán)刀法； 土壤全磷的測定采用酸溶-鉬銻抗比色法，速效磷的測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法； 淋溶液中全磷測定采用硫酸-高氯酸氧化-鉬藍比色法，無機磷的測定采用直接鉬藍比色法，有機磷采用差減法計算[19]。并計算土壤磷儲量和磷淋失量。

式中： Ci為i 土層全磷含量(g·kg?1)，ρi為i 土層容重(g·cm?3)，Di為i 土層厚度(m)。

式中： Mn為第n 次采集的淋溶液中磷濃度(mg·L?1)，Vn為第n 次采集的淋溶液體積(L)，S 為淋溶液采集裝置監(jiān)測面積(m2)。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

原始數(shù)據(jù)采用Excel 2019 進行整理，使用SPSS 20.0 軟件進行統(tǒng)計分析和差異顯著性(α=0.05)檢驗，使用Excel 2019 進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水肥處理下土壤全磷含量與總磷儲量

不同水肥處理全磷(TP)在0～100 cm 土體內(nèi)的分布特征如圖1 所示。無論在種植前還是最后一次收獲后，TP 含量隨土層加深而降低。種植前，3 個水肥處理中TP 含量為0.29～1.65 g·kg?1，在0～20 cm 和20～40 cm 土層內(nèi)，W80%F 處理TP 含量分別比WF高13.7%和15.2%，80%WF 處理TP 分別比WF 高43.9%和9.1%； 但在40～100 cm 土層內(nèi)，減少化肥施用量和減少灌溉量均降低了TP 含量，減低幅度分別為1.6%～32.9%和9.2%～28.9%。茄子最后一次收獲后，3 個水肥處理中TP 含量變化范圍為0.37～1.57 g·kg?1，僅在20～40 cm 土層中W80%F 和80%WF 處理TP 含量比WF 高57.7%和16.6%； 在其他土層中，減少化肥施用量TP 含量降低0.1%～35.7%，減少灌溉量使TP 含量降低0.8%～31.9%。經(jīng)歷1 個種植季后，WF 和W80%F 各土層中TP 含量均升高，分別比種植前升高10.5%～43.7%和6.0%～57.0%，以60～80 cm 土層升高幅度最大； 80%WF 處理0～20 cm 土層內(nèi)TP 較種植前降低7.2%，但在20～40 cm、60～80 cm和80～100 cm 土層內(nèi)，TP 較種植前分別升高19.3%、37.7%和26.8%。

土體磷儲量變化特征見圖2，種植前3 個水肥處理中0～100 cm 土體磷儲量為7.34～8.25 t·hm?2，以80%WF 最高，W80%F 最低； 茄子最后一次收獲后，0～100 cm 土體磷儲量為8.84～9.69 t·hm?2，以WF 最高，80%WF 最低。與種植前相比，茄子最后一次收獲后WF、W80%F 和80%WF 處理0～100 cm 土體磷儲量分別增加26.5%、27.5%和7.1%。減少灌溉量后0～100 cm 土體中磷儲量增加幅度明顯小于常規(guī)水肥處理，而W80%F 處理與WF 處理中磷儲量增加幅度基本一致。

根據(jù)茄子根系分布情況[20]，進一步對根系分布較多的0～40 cm 土層和根系較少的40～100 cm 土層中磷儲量分別進行分析(圖2)。各水肥處理中，0～40 cm 土層磷儲量占0～100 cm 土體磷儲量的50%以上，種植前0～40 cm 土層磷儲量為4.12～5.27 t·hm?2，3 個水肥處理排序為80%WF>W80%F>WF； 茄子最后一次收獲后0～40 cm 土層磷儲量為5.18～5.77 t·hm?2，3個水肥處理排序為W80%F>80%WF>WF。經(jīng)歷1 個種植季后，WF 和W80%F 處理0～40 cm 土層磷儲量分別增加25.7%和26.1%，而80%WF 處理僅增加2.0%。種植前40～100 cm 土層磷儲量為2.76～3.54 t·hm?2，3 個水肥處理排序為WF>80%WF>W80%F；茄子最后一次收獲后 40～100 cm 土層磷儲量為3.47～4.51 t·hm?2，3個水肥處理排序為WF>80%WF>W80%F。經(jīng)歷1 個種植季后，WF 和W80%F 處理40～100 cm 土層磷儲量分別增加27.5%和29.9%，而80%WF 處理僅增加16.3%。減少灌溉量后無論是根系較多層次還是根系較少層次，磷儲量增加幅度均明顯小于常規(guī)水肥處理和減少化肥施用量處理。

2.2 不同水肥處理茄子生育期速效磷動態(tài)變化

由于速效養(yǎng)分含量與作物根系分布密切相關(guān)，故本研究只關(guān)注茄子根系較多的0～40 cm 土層[20]速效磷的動態(tài)變化。在茄子整個生育期，各水肥處理0～20 cm 土層中速效磷(AP)均隨生長季延長呈先升高、后降低的趨勢(圖3)。WF 處理，AP 含量變化范圍為134.78～203.89 mg·kg?1，在苗期達最高，之后下降，在初果期與盛果期保持平穩(wěn)，拉秧期再次下降；W80%F 處理，AP 含量為126.91～220.91 mg·kg?1，在初果期達最高，在盛果期急劇降低，拉秧期略有升高趨勢； 80%WF 處理，AP 含量為 145.17～224.55 mg·kg?1，在初果期達最高，之后逐漸下降。移栽前、苗期和拉秧期，3 個水肥處理中AP 含量無顯著差異；在初果期，W80%F 和80%WF 處理AP 含量無顯著差異，但均顯著高于WF(P<0.05)； 在盛果期，AP 含量為80%WF>WF>W80%F，各處理間AP 含量差異達顯著水平(P<0.05)。

整個茄子生長季20～40 cm 土層內(nèi)，WF 處理AP含量變化幅度不大，為 90.43～96.14 mg·kg?1；W80%F 處理AP 含量為99.23～205.64 mg·kg?1，與0～20 cm 土層中變化規(guī)律一致，均隨著生長季的延長先升高，在初果期達最高，在盛果期驟降，拉秧期又有所升高的變化趨勢； 80%WF 處理AP 隨生長季的延長不斷升高，在盛果期達最高，拉秧期略有下降，變幅為75.40～114.54 mg·kg?1。80%WF 處理AP 含量在移栽前、苗期顯著低于WF，在初果期與WF 基本一致，在盛果期和拉秧期顯著高于WF(P<0.05)。

2.3 不同水肥處理磷素淋失量

不同水肥處理整個茄子生育期磷素淋失量如表2 所示。與WF 處理相比，W80%F 處理磷素淋失總量無顯著降低，但80%WF 處理磷素淋失總量顯著降低，降低幅度為49.4%。對淋溶液中的有機磷和無機磷分析發(fā)現(xiàn)，各水肥處理磷素淋失以有機磷為主，有機磷淋失量占磷素淋失總量的92%以上，減少灌溉量顯著降低了有機磷的淋失，但減少化肥施用量對有機磷淋失的影響不顯著。無機磷的淋失量所占比例雖較小，但這部分磷是可直接被植物吸收利用的磷，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響較大。W80%F 處理無機磷的淋失量顯著高于WF 和80%WF 處理，而減少灌溉量不能降低無機磷的淋失。

表2 不同水肥處理土壤磷素淋失量Table 2 Soil phosphorus leaching amounts of different irrigation or fertilization treatments

相關(guān)分析表明，磷素淋失總量與磷儲量變化量、苗期 20～40 cm 土層 AP 含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與盛果期0～20 cm 和20～40 cm 土層AP含量、拉秧期0～20 cm 土層AP 含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)； 有機磷淋失量與磷儲量變化量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與盛果期0～20 cm 和20～40 cm 土層AP 含量、拉秧期0～20 cm 土層AP 含量呈顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.05)； 無機磷淋失量與磷儲量變化量和速效磷含量之間無顯著相關(guān)性(表3)。結(jié)果表明，磷儲量變化、盛果期0～20 cm 和20～40 cm 土層AP含量、拉秧期0～20 cm 土層AP 含量等指標(biāo)可用來大致預(yù)測設(shè)施黑土菜田磷素淋失總量和有機磷淋失量。

表3 磷素淋失量與磷儲量變化及茄子不同生育期不同土層速效磷含量的相關(guān)分析Table 3 Correlation between phosphorus leaching amounts and changes in phosphorus storage，available phosphorus content of different soil layers at different growth stages of eggplant

3 討論

本研究對種植前后土壤磷儲量及茄子生育期土壤速效磷含量動態(tài)變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)各水肥處理 經(jīng)1 季種植后土壤磷儲量都呈增加的趨勢，減少化肥施用量20%處理與常規(guī)水肥處理磷儲量增加比例基本一致，但減少灌水量20%處理磷儲量增加幅度減小，這可能是減少灌溉量促進了蔬菜對磷素的吸收造成的[21]。設(shè)施黑土菜田中磷儲量的增加量與磷素淋失量呈極顯著正相關(guān)，說明土壤磷儲量增長直接導(dǎo)致磷素淋失風(fēng)險增加，且在不具淋溶監(jiān)測條件下，可通過土壤磷儲量增加量來粗略了解磷素淋失量的大小。速效磷含量是評估土壤磷素淋失風(fēng)險的重要指標(biāo)，黑土磷素淋失的速效磷臨界值為78.82 mg·kg?1[22]。本研究各水肥處理土壤速效磷含量雖因茄子不同生育期而動態(tài)變化，但均遠(yuǎn)高于臨界值，茄子生長周期內(nèi)設(shè)施黑土均存在磷素淋失風(fēng)險。磷素淋失量與盛果期0～40 cm 速效磷含量、拉秧期0～20 cm 速效磷含量之間存在顯著的相關(guān)，這說明根據(jù)茄子某一生育期表層速效磷含量也可預(yù)測磷素淋失量，但在不同年份速效磷與磷素淋失量之間的相關(guān)性是否穩(wěn)定仍需進一步驗證。

設(shè)施黑土菜田磷素淋溶現(xiàn)象明顯，不同水肥處理中磷素淋失量達9.02～17.84 kg·hm?2，并且有機磷的淋失量占磷素淋失總量的92%～96%。黑土陽離子交換量較高[23]，對以陰離子形態(tài)存在的無機磷的吸附較強，減少了無機磷的淋失； 黑土中Ca2+、Al3+、Fe3+含量豐富[24]，與無機磷結(jié)合后能將無機磷固持在土壤中，減少無機磷的損失。設(shè)施黑土菜田中有機磷大量淋失主要是由于黑土有機磷本底值高和大量施用有機肥所引起的。宋佳明等[25]研究指出在不施肥情況下黑土中活性有機磷和中等活性有機磷(可利用性介于活性有機磷與穩(wěn)定有機磷之間的磷)占有機磷的50%左右，施用有機肥后活性有機磷和中等活性有機磷所占比例大幅增加，但中等穩(wěn)定性有機磷和穩(wěn)定性有機磷提升幅度不大。本研究中有機肥的施用會導(dǎo)致設(shè)施黑土菜田中活性有機磷和中等活性有機磷大幅度提高，這一部分有機磷的可溶性要高于中等穩(wěn)定性有機磷和穩(wěn)定性有機磷，容易隨水分向下運移而淋失。

減少化肥施用量20%后磷素淋失量與常規(guī)水肥處理均無顯著差異，可能是由于試驗中大量施用有機肥。設(shè)施菜田中高溫高濕的環(huán)境有利于有機肥分解[26]，有機肥中的磷素可通過礦化被釋放來供植物吸收利用，故減少化肥施用量20%處理0～40 cm 速效磷含量在茄子各生育期都較高，甚至高于常規(guī)水肥，導(dǎo)致無機磷淋失量增加； 有機肥礦化釋放的一些有機基團能搶占磷的吸附結(jié)合位點、絡(luò)合土壤中鐵和鋁等離子[10-11]，降低了土壤對無機磷的吸附，增加無機磷的淋失。有機肥中活性有機磷的含量較高[27]，這一部分磷水溶性較強，可能會隨土壤水分下滲而淋失，有機磷的礦化過程中小分子有機磷中間產(chǎn)物可溶性也較強[12]，進一步增加了有機磷的淋失風(fēng)險。Chen 等[17]在依托該試驗探究不同水肥管理對氮素淋溶的影響時指出僅減少化肥使用量不能減少設(shè)施黑土氮素的淋失，本研究的結(jié)果說明減少化肥施用量不能減少磷素淋失量，這進一步說明了僅減少化肥施用量不是降低設(shè)施黑土菜田磷素淋失的有效途徑。但減少化肥施用量能減少設(shè)施黑土菜田蔬菜生產(chǎn)成本，同時對蔬菜產(chǎn)量幾乎無影響，因此減少化肥施用量可作為節(jié)本增效的手段之一。同時，由于大部分磷肥均源于含磷礦石[28]，減施磷肥能降低不可再生的磷礦石消耗，促進磷肥源的可持續(xù)利用。

減少灌溉量20%后顯著降低了設(shè)施黑土菜田中磷素淋失。灌溉量減少，首先可促進植物根系的生長[29]，增加植物對水分的吸收，減少土壤中水分向下運移，降低磷素的淋溶損失； 其次隨灌溉量減少，土壤溶液中養(yǎng)分濃度升高，作物水分吸收能力增強的同時對養(yǎng)分的吸收量也增大[20]，作物吸收磷素增多也能減少磷素的淋失； 最后，水分缺乏會導(dǎo)致土壤微生物量、微生物多樣性和酶活性降低[30]，進而降低有機磷的礦化速率，降低有機磷的淋失。減少灌溉量雖然顯著降低設(shè)施黑土菜田磷素淋失，但也會降低蔬菜產(chǎn)量[17-18]，在保持相同灌溉頻次基礎(chǔ)上，簡單地減少灌溉量阻控磷素淋失能否大范圍應(yīng)用仍需進一步深入探討。有研究[15]表明，生物炭添加能緩解因灌溉量減少對茄子產(chǎn)量的影響，并且對磷素的淋失阻控效果也較好。但因生物炭成本過高無法大面積推廣，未來需側(cè)重研究低成本添加物(如秸稈)來緩解減少灌溉對產(chǎn)量的不利影響； 同時，還應(yīng)研究增加灌溉頻次的基礎(chǔ)上減少灌溉量對磷素淋失和蔬菜產(chǎn)量的影響，尋求灌溉-施肥-產(chǎn)量之間的平衡點。

綜上所述，與常規(guī)種植條件相比，減少化肥施用量不能降低設(shè)施黑土菜田磷素淋失量和磷素淋失風(fēng)險，而減少灌溉量能顯著降低設(shè)施黑土菜田磷素淋失量和磷素淋失風(fēng)險。減少化肥施用量20%后土壤磷素儲量仍遠(yuǎn)高于蔬菜需求量，因此，在保持產(chǎn)量的前提下進一步縮減肥料施用量在未來仍需進一步研究。減少灌溉量導(dǎo)致產(chǎn)量略減，如何在減少灌溉量的同時保證產(chǎn)量也需要深入探討。尋求施肥-灌溉-淋溶-產(chǎn)量之間的平衡仍將是設(shè)施黑土菜田磷素淋失阻控研究的核心。

4 結(jié)論

經(jīng)栽培1 季茄子后，各水肥處理下黑土設(shè)施土壤磷儲量均呈增加趨勢； 除減少灌溉量處理0～20 cm土壤全磷外，其余土壤全磷均呈增加趨勢。與常規(guī)水肥處理相比，減少化肥施用量對土壤磷儲量增加量無顯著影響； 但減少灌溉量后，磷儲量增加量明顯減少。單獨減少化肥施用量不會降低設(shè)施黑土菜田磷素淋失風(fēng)險，但減少灌溉量可大幅降低磷素的淋失風(fēng)險。茄子生育期內(nèi)，土壤速效磷含量隨生育期延長呈先升高后降低的趨勢，并且各水肥處理中茄子生育期土壤速效磷含量都遠(yuǎn)高于黑土速效磷淋溶閾值，存在較大的淋失風(fēng)險。

與常規(guī)水肥處理相比，減少化肥施用量對設(shè)施黑土菜田磷素淋失量基本無影響，而減少灌溉量能顯著降低設(shè)施黑土菜田磷素淋失量。設(shè)施黑土菜田中，磷素淋失量與磷儲量增加量呈顯著正相關(guān)，磷素增加量是指示磷素淋失量的重要指標(biāo)； 雖磷素淋失量與某一生育期土壤速效磷含量也呈明顯相關(guān)性，但速效磷含量能否準(zhǔn)確指示磷素淋失量還需要進一步深入研究。本研究結(jié)果為設(shè)施黑土菜田磷素淋溶阻控提供了重要的理論支撐和技術(shù)方案。