長期施用有機(jī)肥對(duì)設(shè)施番茄土壤有效磷含量及磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)的影響*

孫德龍,王 瑩,周 珺,付瑞桐,張玉玲,虞 娜,鄒洪濤

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/土肥資源高效利用國家工程研究中心 沈陽 110866)

近年來,我國蔬菜種植總面積已迅速增加到2420 萬hm2,占全球蔬菜生產(chǎn)面積的42%[1]。其中,設(shè)施蔬菜栽培面積超過370 萬hm2[2]。然而,在設(shè)施栽培過程中,農(nóng)戶為了追求蔬菜高產(chǎn),往往會(huì)投入大量養(yǎng)分[3],導(dǎo)致盲目過量施肥現(xiàn)象日益嚴(yán)重,突出表現(xiàn)為磷肥的過量施用,僅單季化學(xué)磷肥投入量就可達(dá)蔬菜需磷量的13 倍之多[2,4],并且還會(huì)在投入過量化學(xué)磷肥的基礎(chǔ)上施用大量有機(jī)肥[5-6]。有機(jī)肥已成為代替化學(xué)磷肥補(bǔ)充土壤磷素的重要來源[7],但是,有機(jī)肥施用量為60 t·hm-2時(shí),就容易造成設(shè)施土壤耕層磷素積累[5]。土壤磷素的過量積累將導(dǎo)致磷素利用率降低,無法持續(xù)增加作物產(chǎn)量[8-9]。長期過量施用有機(jī)肥不僅會(huì)增加土壤磷素的移動(dòng)性,而且會(huì)帶來土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)[10-11],不利于設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的健康可持續(xù)發(fā)展。因此,開展長期施用有機(jī)肥對(duì)設(shè)施土壤有效磷含量及磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)影響的研究,對(duì)于設(shè)施生產(chǎn)合理施肥具有重要意義。

土壤磷素是參與植物生長的主要營養(yǎng)元素,在作物生產(chǎn)中起著重要作用[12]。許多研究已表明,有機(jī)肥中含有大量有機(jī)質(zhì),養(yǎng)分含量綜合,肥效長,可通過施用有機(jī)肥來改善土壤結(jié)構(gòu)和肥力,降低土壤對(duì)磷素的吸附[13],增加土壤中磷酸酶活性,并通過提高微生物活性促進(jìn)磷素生物轉(zhuǎn)化[14],進(jìn)而提高土壤磷素有效性[15-16]。土壤有效磷是能夠被作物直接吸收利用的主要磷素形態(tài)[17],單獨(dú)施用化學(xué)磷肥或磷肥與有機(jī)肥、氮肥、鉀肥配施均會(huì)提高設(shè)施土壤全磷和有效磷含量,其含量隨有機(jī)肥施用量的增加而增加[18-19],但是,有機(jī)肥帶入土壤的有機(jī)態(tài)和膠體態(tài)磷更容易在土壤中發(fā)生移動(dòng)[20],過量施用有機(jī)肥容易引起磷素向土壤深層淋失,產(chǎn)生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[21-22]。土壤磷素環(huán)境閾值是預(yù)測(cè)磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo),露地土壤磷素環(huán)境閾值分布范圍為20～120 mg·kg-1[23-24],設(shè)施土壤磷素環(huán)境閾值普遍高于露地土壤[25]。黃紹敏等[26]研究發(fā)現(xiàn)露地土壤磷素環(huán)境閾值為40 mg·kg-1。牛君仿等[18]研究發(fā)現(xiàn)設(shè)施土壤中施用化學(xué)磷肥和有機(jī)肥的磷素環(huán)境閾值分別為198.7 mg·kg-1和87.8 mg·kg-1。土壤磷素農(nóng)學(xué)閾值是指當(dāng)土壤有效磷含量低于某一臨界值時(shí),作物產(chǎn)量隨有效磷含量的增加而顯著增加,當(dāng)高于該值時(shí),作物產(chǎn)量對(duì)土壤有效磷的響應(yīng)作用降低,甚至引發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),這一臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的有效磷含量就是土壤磷素農(nóng)學(xué)閾值[8,27]。在提出適當(dāng)?shù)牧追适┯媒ㄗh時(shí),確定這一臨界值對(duì)于確定適宜磷肥施用量至關(guān)重要。沈浦[28]研究表明小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)和水稻(Oryza sativa)土壤的磷素農(nóng)學(xué)閾值分別為4.3～14.9 mg·kg-1、7.5～23.5 mg·kg-1和5.7～15.2 mg·kg-1。露地土壤的磷素農(nóng)學(xué)閾值范圍為12.0～20.0 mg·kg-1,約為磷素環(huán)境閾值的1/4～1/2[29]。土壤磷素環(huán)境閾值和農(nóng)學(xué)閾值因土壤類型、種植區(qū)域、作物種類和管理水平的不同存在較大差異[30-31]。

綜上,目前關(guān)于設(shè)施土壤長期施用有機(jī)肥對(duì)土壤有效磷含量和淋失風(fēng)險(xiǎn)影響的研究多集中于研究露地以及表層土壤。然而,在設(shè)施栽培生產(chǎn)中高溫、高濕的特殊環(huán)境條件下,長期施用化肥及與不同用量有機(jī)肥配施對(duì)土壤有效磷含量及磷素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的影響,土壤磷素環(huán)境閾值和農(nóng)學(xué)閾值的關(guān)系及其剖面變化情況,還缺乏深入系統(tǒng)的研究。本文以連續(xù)8 a設(shè)施番茄(Solanum lycopersicum)栽培田間定位施肥試驗(yàn)為依托,研究長期施用化肥及與不同用量有機(jī)肥配施土壤全磷、有效磷和可溶性磷含量的剖面分布特征,確定土壤磷素環(huán)境閾值和農(nóng)學(xué)閾值,進(jìn)一步分析土壤有效磷含量與施磷量之間的相關(guān)關(guān)系,綜合考慮土壤磷素環(huán)境閾值和農(nóng)學(xué)閾值的關(guān)系,確定長期設(shè)施番茄栽培適宜的磷素投入量,以期為設(shè)施蔬菜生產(chǎn)合理施肥與環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施生產(chǎn)試驗(yàn)基地(41°49′N,123°34′E)進(jìn)行,該地區(qū)為溫帶濕潤-半濕潤季風(fēng)氣候,年平均氣溫7.0～8.1 ℃,年降雨量為730 mm。試驗(yàn)地土壤類型為棕壤。試驗(yàn)基地設(shè)施大棚于2012 年建成使用,于2012 年和2013 年連續(xù)兩年對(duì)土壤進(jìn)行基礎(chǔ)地力培肥,每年施入了等量牛糞(22 500 kg·hm-2,鮮重)和雞糞(37 500 kg·hm-2,鮮重),2012 年春季整地前土壤基本理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 2012 年試驗(yàn)前土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil before the experiment in 2012

1.2 田間定位施肥試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間定位施肥試驗(yàn)于2013 年春季開始。本研究選擇了不施肥(CK)、單施化肥(NPK)和低量(M1)、中量(M2)、高量(M3)有機(jī)肥與化肥配施(M1NPK、M2NPK、M3NPK) 5 個(gè)處理,每個(gè)處理3 次重復(fù),共計(jì)15 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。各施肥處理每年施用化學(xué)氮(N)、磷(P2O5)和鉀(K2O)用量相同,分別為375 kg·hm-2、225 kg·hm-2和 450 kg·hm-2;M1NPK、M2NPK 和M3NPK 處理中每年施用的有機(jī)肥均為腐熟雞糞,施用量分別為15 000 kg·hm-2、45 000 kg·hm-2和75 000 kg·hm-2。遼寧省設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中有機(jī)肥(雞糞)施用量在30 000～120 000 kg·hm-2[32],但是,有機(jī)肥施用量達(dá)60 t·hm-2時(shí),就容易造成設(shè)施土壤耕層磷素積累[5],所以本研究將M1、M2 和M3 處理的有機(jī)肥施用量分別作為低、中和高量。每年施用的有機(jī)肥為同一廠家生產(chǎn),有機(jī)肥的年均養(yǎng)分含量(以干基計(jì))為: 有機(jī)碳217.0 g·kg-1,全氮31.0 g·kg-1,全磷4.4 g·kg-1,無機(jī)氮9.0 mg·kg-1,有效磷448.1 mg·kg-1,可溶性磷48.9 mg·kg-1。M1NPK、M2NPK 和M3NPK處理中每年施用的P2O5總量分別為375.1 kg·hm-2、675.3 kg·hm-2和975.6 kg·hm-2。有機(jī)肥于每年春季翻地前作為基肥均勻撒施地表,然后翻地,深度15～20 cm。全部化學(xué)磷肥作為底肥施入,化學(xué)氮肥和鉀肥的1/3 作為底肥施入,2/3 分2 次進(jìn)行滴灌追施,每次追肥量相同。

每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為3.8 m2,各小區(qū)間用60 cm深塑料膜隔開,以防止水分和養(yǎng)分在各小區(qū)之間發(fā)生橫向遷移。每年種植作物為番茄,每年4 月中下旬移栽定植,8 月上旬采收結(jié)束,其余時(shí)間為土壤休閑。各試驗(yàn)小區(qū)3 條壟,行距為0.6 m,每條壟移栽8株番茄,株距為0.3 m,每個(gè)小區(qū)共定植24 株番茄,每株番茄留4 穗花,每穗花留4 個(gè)果。在番茄移栽時(shí)灌溉緩苗水,緩苗后,采用滴灌系統(tǒng)每隔3～5 d 灌水,各處理灌溉水量相同,單次灌水量約94 m3·hm-2。各處理其他田間管理措施相同,每年收獲期進(jìn)行番茄測(cè)產(chǎn),于8 月初采收結(jié)束。

1.3 土壤樣品采集與測(cè)定

本研究于2020 年9 月初在連續(xù)8 a 田間定位施肥試驗(yàn)后采集土壤樣品。各小區(qū)按“S”形隨機(jī)布設(shè)5 點(diǎn),取樣深度為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 和40～50 cm,同一土層5 點(diǎn)土樣混合為一個(gè)樣品。土壤樣品進(jìn)行風(fēng)干、研磨、過60 目和10目篩后,密封保存。

土壤全磷、有效磷和可溶性磷含量分別采用硫酸-高氯酸消煮0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提和0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提,鉬銻抗比色法測(cè)定[24,33-34];土壤pH 采用玻璃電極法測(cè)定(水土比2.5∶1)[33];有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱容量法測(cè)定[33];土壤活性鐵(Feox)和活性鋁(Alox)含量采用0.2 mol·L-1草酸銨緩沖液(pH 3.0～3.2)浸提,分別采用鄰菲羅啉比色法和鋁試劑法測(cè)定[33]。2020 年土壤基本性質(zhì)如表2所示。

表2 不同長期施肥處理土壤有機(jī)碳、活性鐵和活性鋁含量及pHTable 2 Soil organic carbon (SOC) and active Fe and Al contents,and pH under different long-term fertilization treatments

1.4 計(jì)算

1.4.1 番茄相對(duì)產(chǎn)量

各處理番茄產(chǎn)量為2019-2021 年實(shí)際產(chǎn)量。由于連續(xù)田間施肥試驗(yàn)條件下番茄產(chǎn)量受年際間的田間管理措施、番茄品種和氣候條件等因素影響,所以采用相對(duì)產(chǎn)量(Yr,%)進(jìn)行研究,由公式(1)計(jì)算番茄相對(duì)產(chǎn)量[35]。

式中:Yr為某一處理在2019-2021 年番茄平均相對(duì)產(chǎn)量(%),Yi為某一處理在2019-2021 年番茄平均產(chǎn)量(kg·hm-2),Ym為各處理中在2019-2021 年番茄平均最大產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.4.2 土壤磷素環(huán)境和農(nóng)學(xué)閾值

以土壤Olsen-P 為橫坐標(biāo)(x),CaCl2-P 含量或番茄相對(duì)產(chǎn)量為縱坐標(biāo)(y),以不偏離突變點(diǎn)為基礎(chǔ),采用兩段式線性回歸方程(2)和方程(3)進(jìn)行擬合。

式中:a1、a2、b1和b2均為線性回歸系數(shù);T為兩條直線相交時(shí)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)土壤Olsen-P 含量,當(dāng)使a1最大、a2最小,并且兩方程線性相關(guān)最高時(shí),兩條直線相交,則此時(shí)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的土壤Olsen-P 含量即為所求的土壤磷素環(huán)境閾值或農(nóng)學(xué)閾值[23]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理計(jì)算,SPSS 26.0進(jìn)行單、雙因素方差分析,使用Sigma plot 14.0 和Origin 26.0 軟件繪制圖表。土壤磷素環(huán)境閾值和農(nóng)學(xué)閾值均采用Sigma plot 14.0 的雙線性模型進(jìn)行分析擬合[31]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理的土壤全磷、有效磷和可溶性磷含量剖面分布特征

在0～50 cm 土層,各處理土壤Total-P、Olsen-P和CaCl2-P 含量均隨土層深度增加呈逐漸下降趨勢(shì),相同土層,Total-P、Olsen-P 和CaCl2-P 含量均隨有機(jī)肥施用量的增加逐漸增加;施肥處理、土層深度對(duì)Total-P、Olsen-P 和CaCl2-P 含量均有顯著影響(P＜0.01),但二者之間沒有顯著的交互作用(圖1)。

圖1 不同長期施肥處理下不同深度土壤全磷、有效磷和可溶性磷含量Fig.1 Contents of total phosphorus (Total-P),Olsen phosphorus (Olsen-P) and calcium chloride leaching phosphorus (CaCl2-P) in different soil depths under different long-term fertilization treatments

通過單因素方差分析可知,與CK 處理相比,NPK 處理土壤Total-P、Olsen-P 和CaCl2-P 含量在各土層的增加均不顯著,而M1NPK 處理在0～10 cm 土層增加顯著(P＜0.05),M2NPK 和M3NPK 處理在0～20 cm 土層增加顯著(P＜0.05)。與NPK 處理相比,M1NPK 處理土壤CaCl2-P 含量在0～10 cm 土層增加顯著(P＜0.05),M2NPK 處理土壤Total-P 含量在0～20 cm 土層增加顯著(P＜0.05)、Olsen-P 含量在10～20 cm 土層增加顯著(P＜0.05)、CaCl2-P 含量在0～10 cm土層增加顯著(P＜0.05),M3NPK 處理土壤Total-P、Olsen-P 和CaCl2-P 含量在0～20 cm 土層增加顯著(P＜0.05)。總體上,各處理0～10 cm 土層土壤Total-P、Olsen-P 和CaCl2-P 含量均顯著高于30～50 cm 土層(P＜0.05),0～20 cm 土層土壤Total-P、Olsen-P 和CaCl2-P 含量受施肥影響較大,有機(jī)肥用量越大其含量越高。從各處理土壤Olsen-P/Total-P 和CaCl2-P/Total-P 的比率來看(圖2),在0～50 cm 土層,各處理Olsen-P/Total-P 的比率明顯大于CaCl2-P/Total-P的比率。CK、NPK 和M1NPK 處理Olsen-P/Total-P的比率在0～30 cm土層顯著高于40～50 cm 土層,所有處理CaCl2-P/Total-P 的比率在0～10 cm 土層顯著高于30～50 cm 土層,表層土壤Olsen-P 和CaCl2-P 積累嚴(yán)重。CK、NPK、M1NPK、M2NPK 和M3NPK處理Olsen-P/Total-P 的比率分別為3.8%～9.4%、5.4%～12.1%、5.6%～13.8%、8.6%～13.3%和 7.0%～15.5%,CaCl2-P/Total-P 的比率分別為0.1%～0.9%、0.3%～1.1%、0.6%～2.3%、0.58%～2.2%、0.5%～2.1%。除M2NPK 和M3NPK 處理Olsen-P/Total-P 的比率隨土層深度增加呈先增加后下降趨勢(shì)外,其他處理Olsen-P/Total-P 和CaCl2-P/Total-P 的比率均隨土層深度的增加呈下降趨勢(shì)?？傮w上,單施化肥、有機(jī)肥與化肥配施均明顯提升了土壤Olsen-P/Total-P 和CaCl2-P/Total-P 的比率,且以M3NPK 處理提升最為明顯。

圖2 不同長期施肥處理下不同深度土壤有效磷、可溶性磷與全磷的比率Fig.2 Ratios of Olsen phosphorus (Olsen-P) and calcium chloride leaching phosphorus (CaCl2-P) contents to total phosphorus(Total-P) content in different soil depths under different long-term fertilization treatments

2.2 土壤磷素環(huán)境閾值的剖面變化

從土壤CaCl2-P 與Olsen-P 含量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)(圖3),在0～50 cm 土層,土壤Olsen-P 含量低于某一臨界值時(shí),土壤CaCl2-P 含量增加緩慢,土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)較低;Olsen-P 含量超過該臨界值時(shí),CaCl2-P 快速增加,土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)增加。因此利用兩段式線性方程擬合土壤CaCl2-P 與Olsen-P 之間的關(guān)系,求得0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 和40～50 cm 土層土壤磷素環(huán)境閾值依次為139.6 mg·kg-1、152.4 mg·kg-1、133.5 mg·kg-1、86.1 mg·kg-1和42.3 mg·kg-1。土壤磷素環(huán)境閾值隨土層深度增加呈先增加后逐漸降低的趨勢(shì),且在10～20 cm 土層最大?？傮w來看,M2NPK 和M3NPK 處理土壤磷素向深層遷移較大,磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖3 不同長期施肥處理下不同深度土壤可溶性磷與有效磷含量關(guān)系的擬合曲線Fig.3 Fitted curves of relationship between contents of calcium chloride leaching phosphorus (CaCl2-P) and Olsen phosphorus(Olsen-P) in different soil depths under different long-term fertilization treatments

2.3 土壤磷素的農(nóng)學(xué)閾值的剖面變化

與CK 處理相比,NPK、M1NPK、M2NPK 和M3NKP 處理番茄平均產(chǎn)量(2019-2021 年)增幅分別為17.7%、39.9%、33.0%和14.7%,其中M1NPK處理番茄產(chǎn)量增加顯著(P＜0.05) (圖4)。從番茄相對(duì)產(chǎn)量與土壤Olsen-P 含量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)(圖5),在0～40 cm 土層,當(dāng)土壤Olsen-P 含量低于某一臨界值時(shí),番茄相對(duì)產(chǎn)量隨土壤Olsen-P 含量的增加逐漸增加,當(dāng)Olsen-P 含量超過這一臨界值時(shí),番茄相對(duì)產(chǎn)量隨土壤Olsen-P 含量的增加逐漸降低,而在40～50 cm 土層則沒有臨界農(nóng)學(xué)閾值。因此利用兩段式線性方程擬合番茄相對(duì)產(chǎn)量與土壤Olsen-P 含量的關(guān)系,求得0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 和30～40 cm 土層土壤磷素農(nóng)學(xué)閾值依次為185.1 mg·kg-1、120.5 mg·kg-1、92.8 mg·kg-1和56.0 mg·kg-1,其農(nóng)學(xué)閾值隨土層深度增加呈逐漸降低趨勢(shì)。另外,0～10 cm 土壤磷素農(nóng)學(xué)閾值大于環(huán)境閾值,10～40 cm 土壤磷素農(nóng)學(xué)閾值均小于環(huán)境閾值。

圖5 不同長期施肥處理下不同深度土壤有效磷含量與番茄相對(duì)產(chǎn)量的關(guān)系擬合曲線Fig.5 Fitted curve of relationship between soil Olsen phosphorus (Olsen-P) content and tomato relative yield in different soil depths under different long-term fertilization treatments

2.4 設(shè)施番茄栽培適宜磷素投入量

為獲得既滿足供應(yīng)番茄高產(chǎn)的需求,又降低磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)的適宜磷素投入量,對(duì)土壤磷素農(nóng)學(xué)閾值所對(duì)應(yīng)的有效磷含量與磷素投入量進(jìn)行相關(guān)分析,獲得磷素投入量(P2O5)為344.9～530.3 kg·hm-2(圖6)。當(dāng)施磷量為530.3 kg·hm-2時(shí),0～50 cm 土壤有效磷含量由上至下分別為206.2 mg·kg-1、164.2 mg·kg-1、93.6 mg·kg-1、56.0 mg·kg-1和36.5 mg·kg-1,其中0～20 cm 土壤有效磷含量高于土壤磷素環(huán)境閾值(圖3),20～50 cm 土壤有效磷含量則低于土壤磷素環(huán)境閾值,這表明0～20 cm 土壤有效磷含量維持較高水平有利于番茄高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),20～50 cm 土壤有效磷含量維持較低水平則可降低磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)。因此,本研究中在施用225 kg·hm-2化學(xué)磷(P2O5)量的基礎(chǔ)上,施用有機(jī)肥供應(yīng)的磷(P2O5)量為119.9～305.3 kg·hm-2,折合本研究中有機(jī)肥用量為11 886.4～30 295.5 kg·hm-2。

圖6 不同長期施肥處理下不同深度土壤有效磷含量與施磷量的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Relationship between soil Olsen phosphorus (Olsen-P) content and P2O5 application amount in different soil depths under different long-term fertilization treatments

3 討論

3.1 長期施用有機(jī)肥對(duì)設(shè)施土壤有效磷和可溶性磷含量的影響

土壤Total-P、Olsen-P 和CaCl2-P 含量分別可以表征土壤的供磷能力、磷素有效性和磷素的淋失潛力[36-38]。本研究中連續(xù)8 a 施用化肥及與不同用量有機(jī)肥配施明顯增加了土壤Total-P 含量,增加了土壤磷庫容量以及供磷能力,且以中、高量有機(jī)肥與化肥配施處理增加顯著(圖1),這與李媛等[7]的研究結(jié)果基本一致。施用化肥及與不同用量有機(jī)肥配施也顯著增加了土壤Olsen-P 含量,且隨有機(jī)肥施入量的增加而增加;土壤磷素主要積累在0～20 cm 土層,土壤Total-P、Olsen-P 和CaCl2-P 含量均隨土層深度的增加呈下降趨勢(shì)(圖1),這一研究結(jié)果與張?zhí)锏萚39]的研究結(jié)果大致相同。這一方面是由于有機(jī)肥以基肥撒施并隨人為翻地混入地表土層(0～20 cm);另一方面是由于施入的有機(jī)肥本身的含磷量很高,并且含有較高濃度的Olsen-P,施用量越高對(duì)土壤Total-P 和Olsen-P 含量的增加幅度就越大,同時(shí)有機(jī)肥的施用可以增加土壤磷酸酶活性和微生物活性,加速有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化,進(jìn)而提高土壤磷素有效性,提高土壤供磷強(qiáng)度[40-41]。另外,本研究還發(fā)現(xiàn),有機(jī)肥施入土壤后會(huì)大幅度增加土壤有機(jī)質(zhì)(碳)含量,土壤有機(jī)質(zhì)(碳)與Olsen-P 含量具有顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.95,P＜0.01),與土壤CaCl2-P 含量也具有顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.93,P＜0.01),高有機(jī)質(zhì)(碳)含量是設(shè)施土壤施用有機(jī)肥后Olsen-P 含量快速增加的原因之一[18]。有機(jī)質(zhì)在轉(zhuǎn)化過程中會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸等物質(zhì),可減少Ca2+對(duì)有效磷酸鹽的固定,從而促進(jìn)無機(jī)磷的溶解[10,42],提高土壤有效磷含量,同時(shí)也增加了磷素淋失的風(fēng)險(xiǎn)。另外,本研究中不同用量有機(jī)肥與化肥配施對(duì)土壤CaCl2-P 和Olsen-P 含量及其占Total-P比率的影響大致相同,高量有機(jī)肥與化肥配施(M3NPK)處理顯著提高了土壤CaCl2-P 和Olsen-P 含量(圖1,圖2),這說明有機(jī)肥用量越大,土壤磷素的供應(yīng)強(qiáng)度越大,但有機(jī)肥投入量過多,土壤磷素的淋失也將隨之變大。因此,在施入一定比例化學(xué)磷肥的基礎(chǔ)上控制有機(jī)肥投入量對(duì)于增加設(shè)施土壤磷素有效性,減小磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

3.2 長期施用有機(jī)肥對(duì)設(shè)施土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)的影響

土壤可溶性磷隨有效磷含量增加而增加,當(dāng)有效磷含量超過某一臨界點(diǎn)時(shí),土壤可溶性磷含量明顯變大,該點(diǎn)的土壤有效磷含量稱為土壤磷素的環(huán)境閾值[23-24,43]。不同地區(qū)、不同類型土壤磷素環(huán)境閾值差異很大,磷肥種類及投入量、種植模式等因素通過影響土壤磷素的數(shù)量、形態(tài)以及吸附與解吸,也會(huì)影響土壤CaCl2-P 和Olsen-P 含量之間的關(guān)系。Heckrath 等[44]在英國洛桑試驗(yàn)站長期觀測(cè)發(fā)現(xiàn),土壤磷素環(huán)境閾值為60 mg·kg-1。Hesketh 等[24]對(duì)英國不同地區(qū)8 個(gè)性質(zhì)差異較大的土壤進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)磷素環(huán)境閾值為10～119 mg·kg-1。常會(huì)慶等[45]通過盆栽試驗(yàn)初步確定,石灰性土壤的環(huán)境閾值為28.57 mg·kg-1。汪玉等[46]研究表明,土壤Olsen-P 含量超過30 mg·kg-1時(shí),太湖流域水稻土磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)大大增加。劉暢等[47]研究表明,連續(xù)設(shè)施番茄栽培3 種灌溉方式下土壤磷素在0～40 cm 土層中存在環(huán)境閾值,滴灌的環(huán)境閾值(68.6～70.6 mg·kg-1)大于滲灌(65.4～66.8 mg·kg-1)和溝灌(59.4～60.6 mg·kg-1)。本研究發(fā)現(xiàn),連續(xù)8 a 番茄栽培條件下不同用量有機(jī)肥與化肥配施,土壤磷素在0～50 cm 土層中存在環(huán)境閾值,由上至下依次為139.6 mg·kg-1、152.4 mg·kg-1、133.5 mg·kg-1、86.1 mg·kg-1和42.3 mg·kg-1,以10～20 cm 土層為最大(圖3),其環(huán)境閾值高于上述前人的研究結(jié)果。這可能是因?yàn)楸狙芯恐羞B續(xù)8 a 番茄栽培采用滴灌系統(tǒng)進(jìn)行灌溉,設(shè)施內(nèi)高溫、高濕、無雨水淋洗的條件會(huì)導(dǎo)致土壤鹽漬化和板結(jié)[48],進(jìn)而會(huì)抑制CaCl2-P 向下遷移;并且當(dāng)土壤處于酸性狀態(tài)時(shí),固定磷的能力比較高,這導(dǎo)致土壤中的磷素向下遷移比較困難。另外,本研究中土壤活性鐵與Olsen-P含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.62,P＜0.01),與CaCl2-P含量也呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.93,P＜0.01),土壤活性鋁與Olsen-P 和CaCl2-P 含量無顯著相關(guān)關(guān)系,土壤中活性鐵含量的增加會(huì)增加土壤吸附磷的能力[49];但有機(jī)肥的長期施用對(duì)磷素的活化作用要強(qiáng)于活性鐵對(duì)磷的吸附作用。本研究中,中、高量有機(jī)肥與化肥配施處理土壤Olsen-P 含量在0～20 cm 土層要高于環(huán)境閾值。這主要是因?yàn)殚L期施用有機(jī)肥會(huì)增加土壤活性有機(jī)磷含量,進(jìn)而增加這部分磷在土壤中的移動(dòng)性帶來磷素的淋失風(fēng)險(xiǎn);同時(shí),有機(jī)肥分解產(chǎn)生的有機(jī)酸可以與磷酸根離子競爭吸附點(diǎn)位,取代結(jié)合力弱的磷酸根離子,減弱土壤膠體對(duì)磷素的吸附作用,間接增加了磷素的淋失風(fēng)險(xiǎn)[7];另外,中、高量有機(jī)肥的施用減緩了土壤酸化(表2),可釋放一部分土壤固定的磷素,進(jìn)而也會(huì)增加磷素的淋失風(fēng)險(xiǎn)[50]。

本研究番茄產(chǎn)量在低量有機(jī)肥與化肥配施的處理最高,隨有機(jī)肥施用量的增加逐漸降低。許俊香等[51]研究發(fā)現(xiàn),高量有機(jī)肥的施用對(duì)番茄產(chǎn)量的增加不明顯,在浪費(fèi)資源的同時(shí),也增加了土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn),這與本研究結(jié)果基本一致。土壤磷素農(nóng)學(xué)閾值既可反映作物產(chǎn)量對(duì)土壤有效磷響應(yīng)的大小,也可以反映土壤磷素的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[8,27],對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中確定適宜磷素投入量非常關(guān)鍵。有機(jī)與無機(jī)肥合理配施,既可提高番茄產(chǎn)量,也能使土壤養(yǎng)分含量更適宜作物生長,維持土壤生產(chǎn)力[52]。本研究中連續(xù)8 a番茄栽培土壤磷素在0～40 cm 土層中存在農(nóng)學(xué)閾值(56.0～185.1 mg·kg-1),且隨土層深度的增加逐漸降低(圖5),這一結(jié)果明顯高于前人通過對(duì)露地土壤(12.0～20.0 mg·kg-1)[29]和菜地土壤(40.0～76.2 mg·kg-1)[25,53]的研究結(jié)果。說明設(shè)施番茄栽培生產(chǎn)中番茄對(duì)磷素的需求比較高。本研究中0～10 cm 土壤磷素的農(nóng)學(xué)閾值大于環(huán)境閾值,這意味著表層土壤較高的磷素和Olsen-P 含量積累有利于磷素的長期供應(yīng)以及保證番茄生長發(fā)育對(duì)磷素的較高需求。在10～40 cm 土壤磷素農(nóng)學(xué)閾值低于環(huán)境閾值,說明當(dāng)蔬菜達(dá)到高產(chǎn)時(shí)土壤中Olsen-P 向深層淋失的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。因此,綜合考慮土壤磷素的充足供應(yīng)和較低的淋失環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),根據(jù)0～40 cm 土壤磷素的農(nóng)學(xué)閾值,推出設(shè)施番茄連續(xù)栽培條件下適宜的磷素投入量(P2O5)為344.9～530.3 kg·hm-2。在本試驗(yàn)條件下,在施用化學(xué)磷肥用量(P2O5) 225 kg·hm-2的基礎(chǔ)上,有機(jī)肥的磷素投入量(P2O5)為119.9～305.3 kg·hm-2,折合本研究中有機(jī)肥用量為11 886.4～30 295.5 kg·hm-2。因此本研究中在長期連續(xù)番茄栽培中化肥(NPK)與低用量有機(jī)肥(M1)配施措施對(duì)于維持番茄生產(chǎn)能力和降低土壤磷素的淋失風(fēng)險(xiǎn)具有良好效果。

4 結(jié)論

1)連續(xù)8 a 設(shè)施番茄栽培生產(chǎn)中,長期施用不同用量有機(jī)肥可增加0～50 cm 土壤全磷、有效磷和可溶性磷含量,其含量隨著有機(jī)肥施用量的增加呈逐漸增加趨勢(shì),在表層土壤以M2NPK 和M3NPK 處理增加顯著(P＜0.05)。

2)連續(xù)8 a 設(shè)施番茄栽培土壤在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm 土層存在磷素環(huán)境閾值,依次為139.6 mg·kg-1、152.4 mg·kg-1、133.5 mg·kg-1、86.1 mg·kg-1和42.3 mg·kg-1,其閾值隨土層深度增加呈先增加后逐漸降低的趨勢(shì);0～40 cm 土層存在磷素農(nóng)學(xué)閾值,依次為185.1 mg·kg-1、120.5 mg·kg-1、92.8 mg·kg-1和56.0 mg·kg-1,其閾值隨土層深度的增加呈逐漸降低趨勢(shì)。

3)綜合考慮土壤磷素的環(huán)境閾值和農(nóng)學(xué)閾值,推薦長期設(shè)施番茄栽培土壤適宜磷素投入量(P2O5)為344.9～530.3 kg·hm-2,其中施用有機(jī)肥投入量(P2O5)為119.9～305.3 kg·hm-2。本試驗(yàn)在連續(xù)8 a 設(shè)施番茄栽培條件下,在施用化學(xué)氮(N 375 kg·hm-2)、磷(P2O5225 kg·hm-2)和鉀(K2O 450 kg·hm-2)肥的基礎(chǔ)上配施低量有機(jī)肥(15 000 kg·hm-2),可較好地維持番茄可持續(xù)生產(chǎn)能力和有效控制土壤磷素的淋失風(fēng)險(xiǎn)。