2021, Vol. 29
2. 黑龙江大学现代农业与生态环境学院 哈尔滨 150080;
3. 黑龙江省农业科学院园艺分院 哈尔滨 150069
2. College of Modern Agriculture and Eco-environment, Heilongjiang University, Harbin 150080, China;
3. Institute of Horticulture, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150069, China
磷素是地球上所有生命体的组成元素之一, 在生态系统中具有不可或缺的作用[1]。土壤中储存的磷在陆地生态系统中最多, 供应着植物生长所必需的大部分磷素[2], 在维持农田生态系统生产力中具有重要的作用。蔬菜生产是我国粮食安全中不可替代的部分, 据FAO统计[3], 中国人均年蔬菜消费量达321 kg, 是欧美人均年消费量的2.6倍左右。蔬菜种植过程中, 农民往往施入大量的有机肥和化肥, 磷素的投入量远超蔬菜收获所带走的磷量[4-6]。
理论上讲, 施入土壤的磷肥可以与土壤中铁、铝等离子结合被固持在土壤中, 也能通过土壤胶体电荷被吸附在土壤中, 并且各层土壤都具有一定的磷吸附能力[7]。因此, 目前关于磷素经下层土壤淋溶损失的研究较少, 关于土壤磷损失的研究大部分集中于随地表或近地表径流的损失上[8-9]。但磷肥及其他肥料大量投入后会导致土壤溶液中磷浓度激增, 结合位点不足会使一部分磷处于游离状态, 增加磷素的淋失风险。近年来有机物料的投入逐年增加, 有机物料矿化中释放的有机基团不仅抢占磷的吸附结合位点[10], 还能络合土壤中铁、铝等离子[11], 导致磷素的淋失风险增大; 此外有机物料分解也会释放小分子可溶于水的有机磷[12], 进一步增加了磷素的淋失风险。与普通种植不同, 设施菜田为一个封闭的体系, 几乎不产生地表径流, 因此通过淋溶损失的磷素受到愈来愈多的关注。
在东北地区, 为在寒冷气候条件下延长蔬菜种植时间, 设施菜田的面积急剧增加, 在2020年达267 000 hm2[13]。该区域设施菜田中磷素淋溶对环境造成的潜在影响不可忽视。此外, 由于设施菜田内蒸腾作用强, 需要大量灌溉来满足蔬菜的生长需求[14], 这也会加剧设施菜田中磷素的流失。虽然黑土保水保肥能力很强, 但Zhou等[15]研究指出, 设施黑土菜田中的磷素淋失量已不可忽视。减少肥料施用量、减少灌溉量是常用的养分淋失阻控技术[16-17], 但这两种措施能否削减设施黑土菜田磷素的淋失尚不明确。因此, 本文以典型设施黑土菜田为研究对象, 分别对减少施肥量、减少灌溉量条件下土壤磷库特征和土壤磷素淋失量进行研究, 以期探明减少施肥量和减少灌溉量对土壤磷素淋溶的影响, 合理评估设施黑土菜田的磷素淋失风险, 为设施黑土菜田磷肥的合理利用和磷素淋溶阻控技术的研发提供参考。
1 材料与方法 1.1 试验区域概况试验地位于黑龙江省农业科学院园艺分院的蔬菜大棚(45.63°N, 126.65°E), 海拔173.1 m。该区属于中温带大陆性季风气候, 年均降水量为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。土壤类型为草甸黑土, 试验前测得耕层土壤基本理化性质为有机碳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。每栋设施大棚面积为324 m2 (27 m×12 m)。大棚内种植茄子(Solanum melongena L.), 每年4月末移栽定植, 10月中旬最后一次采摘。4月中旬将有机肥均匀撒在地表, 随翻地均匀混入土壤中, 4月下旬起垄后采用条施方式施入化肥, 覆膜封垄; 茄子生长季内追肥两次, 均采用穴施方式。化肥施用深度为0~20 cm。灌溉采用滴管, 用水表控制灌水量。
1.2 试验设计试验始于2016年, 共设3个处理, 分别为: 1)常规灌溉量与施肥量(WF); 2)常规灌溉量+80%常规化肥量(W80%F); 3)80%常规灌溉量+常规肥处理(80%WF)。灌溉方式为滴灌。不同处理的具体施肥量、追肥量、灌溉量情况如表 1所示。其中氮肥为尿素, 磷肥为过磷酸钙, 钾肥为硫酸钾, 有机肥为颗粒有机肥(有机质含量为40%)。不同处理均设置3个小区作为3次重复, 每个小区面积为18 m2 (6 m长×3 m宽), 设施菜田种植方式为茄子连作, 茄子品种为‘龙杂201’, 栽种技术为大垄双行。试验地基肥为条施, 追肥采用穴施方式, 灌溉方式为滴灌, 人工进行田间管理[17-18]。
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表 1 不同处理设施茄子生育期内具体施肥及灌溉量 Table 1 Fertilization rates and irrigation amounts of different treatments during the growth period of eggplants |
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)采集土壤样品, 在每个试验小区随机选取3个点, 用土钻采集0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm和80~100 cm土壤, 将每个层次的样品经充分混合后装于自封袋, 带回实验室后于阴凉处风干, 用于土壤全磷与速效磷含量的测定。
采用淋溶液采集装置收集土壤淋溶液。在土壤90 cm深处埋设淋溶液采集桶, 监测面积为1.2 m2, 通气管与抽水管引出地面, 方便淋溶液采集。每次灌溉之前, 用真空泵收集淋溶液采集装置中的淋溶液样品, 测定淋溶液体积后用100 mL塑料瓶取部分样品带回实验室, 于-20 ℃下保存, 用于淋溶液中全磷、无机磷、有机磷的分析。
1.4 测定与计算方法土壤容重的测定采用环刀法; 土壤全磷的测定采用酸溶-钼锑抗比色法, 速效磷的测定采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法; 淋溶液中全磷测定采用硫酸-高氯酸氧化-钼蓝比色法, 无机磷的测定采用直接钼蓝比色法, 有机磷采用差减法计算[19]。并计算土壤磷储量和磷淋失量。
| $土壤磷储量 \left(\mathrm{t} \cdot \mathrm{hm}^{-2}\right)=\sum C_{i} \times \rho_{i} \times D_{i} \times 10$ | (1) |
式中: Ci为i土层全磷含量(g∙kg-1), ρi为i土层容重(g∙cm-3), Di为i土层厚度(m)。
| $土壤磷淋失量 \left(\mathrm{kg} \cdot \mathrm{hm}^{-2}\right)=\sum\left(M_{n} \times V_{n} / 10^{6}\right) /\left(S / 10^{4}\right)$ | (2) |
式中: Mn为第n次采集的淋溶液中磷浓度(mg∙L-1), Vn为第n次采集的淋溶液体积(L), S为淋溶液采集装置监测面积(m2)。
| ${\rm{土壤磷储量变化量}}\left( {{\rm{t \times h}}{{\rm{m}}^{{\rm{ - 2}}}}} \right){\rm{ = }}最后一次收获后磷储量 - 移栽前磷储量$ | (3) |
原始数据采用Excel 2019进行整理, 使用SPSS 20.0软件进行统计分析和差异显著性(α=0.05)检验, 使用Excel 2019进行绘图。
2 结果与分析 2.1 不同水肥处理下土壤全磷含量与总磷储量不同水肥处理全磷(TP)在0~100 cm土体内的分布特征如图 1所示。无论在种植前还是最后一次收获后, TP含量随土层加深而降低。种植前, 3个水肥处理中TP含量为0.29~1.65 g∙kg-1, 在0~20 cm和20~40 cm土层内, W80%F处理TP含量分别比WF高13.7%和15.2%, 80%WF处理TP分别比WF高43.9%和9.1%;但在40~100 cm土层内, 减少化肥施用量和减少灌溉量均降低了TP含量, 减低幅度分别为1.6%~32.9%和9.2%~28.9%。茄子最后一次收获后, 3个水肥处理中TP含量变化范围为0.37~1.57 g∙kg-1, 仅在20~40 cm土层中W80%F和80%WF处理TP含量比WF高57.7%和16.6%;在其他土层中, 减少化肥施用量TP含量降低0.1%~35.7%, 减少灌溉量使TP含量降低0.8%~31.9%。经历1个种植季后, WF和W80%F各土层中TP含量均升高, 分别比种植前升高10.5%~43.7%和6.0%~57.0%, 以60~80 cm土层升高幅度最大; 80%WF处理0~20 cm土层内TP较种植前降低7.2%, 但在20~40 cm、60~80 cm和80~100 cm土层内, TP较种植前分别升高19.3%、37.7%和26.8%。
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图 1 不同水肥处理0~100 cm土体全磷含量 Fig. 1 Total phosphorus contents in 0-100 cm soil profiles of different irrigation or fertilization treatments 各处理表述见表 1。The description of treatments is shown in the table 1. |
土体磷储量变化特征见图 2, 种植前3个水肥处理中0~100 cm土体磷储量为7.34~8.25 t·hm-2, 以80%WF最高, W80%F最低; 茄子最后一次收获后, 0~100 cm土体磷储量为8.84~9.69 t·hm-2, 以WF最高, 80%WF最低。与种植前相比, 茄子最后一次收获后WF、W80%F和80%WF处理0~100 cm土体磷储量分别增加26.5%、27.5%和7.1%。减少灌溉量后0~100 cm土体中磷储量增加幅度明显小于常规水肥处理, 而W80%F处理与WF处理中磷储量增加幅度基本一致。
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图 2 不同水肥处理0~100 cm土体磷储量 Fig. 2 Phosphorus storage in 0-100 cm soil profile of different irrigation or fertilization treatments 各处理表述见表 1。The description of treatments is shown in the table 1. |
根据茄子根系分布情况[20], 进一步对根系分布较多的0~40 cm土层和根系较少的40~100 cm土层中磷储量分别进行分析(图 2)。各水肥处理中, 0~40 cm土层磷储量占0~100 cm土体磷储量的50%以上, 种植前0~40 cm土层磷储量为4.12~5.27 t∙hm-2, 3个水肥处理排序为80%WF>W80%F>WF; 茄子最后一次收获后0~40 cm土层磷储量为5.18~5.77 t∙hm-2, 3个水肥处理排序为W80%F>80%WF>WF。经历1个种植季后, WF和W80%F处理0~40 cm土层磷储量分别增加25.7%和26.1%, 而80%WF处理仅增加2.0%。种植前40~100 cm土层磷储量为2.76~3.54 t∙hm-2, 3个水肥处理排序为WF>80%WF>W80%F; 茄子最后一次收获后40~100 cm土层磷储量为3.47~4.51 t∙hm-2, 3个水肥处理排序为WF>80%WF>W80%F。经历1个种植季后, WF和W80%F处理40~100 cm土层磷储量分别增加27.5%和29.9%, 而80%WF处理仅增加16.3%。减少灌溉量后无论是根系较多层次还是根系较少层次, 磷储量增加幅度均明显小于常规水肥处理和减少化肥施用量处理。
2.2 不同水肥处理茄子生育期速效磷动态变化由于速效养分含量与作物根系分布密切相关, 故本研究只关注茄子根系较多的0~40 cm土层[20]速效磷的动态变化。在茄子整个生育期, 各水肥处理0~20 cm土层中速效磷(AP)均随生长季延长呈先升高、后降低的趋势(图 3)。WF处理, AP含量变化范围为134.78~203.89 mg∙kg-1, 在苗期达最高, 之后下降, 在初果期与盛果期保持平稳, 拉秧期再次下降; W80%F处理, AP含量为126.91~220.91 mg∙kg-1, 在初果期达最高, 在盛果期急剧降低, 拉秧期略有升高趋势; 80%WF处理, AP含量为145.17~224.55 mg∙kg-1, 在初果期达最高, 之后逐渐下降。移栽前、苗期和拉秧期, 3个水肥处理中AP含量无显著差异; 在初果期, W80%F和80%WF处理AP含量无显著差异, 但均显著高于WF(P < 0.05);在盛果期, AP含量为80%WF>WF>W80%F, 各处理间AP含量差异达显著水平(P < 0.05)。
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图 3 茄子生育期内不同水肥处理0~20 cm和20~40 cm土层速效磷含量动态变化 Fig. 3 Dynamics of available phosphorus contents in 0–20 cm and 20–40 cm soil layers during eggplant growth period of different irrigation or fertilization treatments 各处理表述见表 1。The description of treatments is shown in the table 1. |
整个茄子生长季20~40 cm土层内, WF处理AP含量变化幅度不大, 为90.43~96.14 mg∙kg-1; W80%F处理AP含量为99.23~205.64 mg∙kg-1, 与0~20 cm土层中变化规律一致, 均随着生长季的延长先升高, 在初果期达最高, 在盛果期骤降, 拉秧期又有所升高的变化趋势; 80%WF处理AP随生长季的延长不断升高, 在盛果期达最高, 拉秧期略有下降, 变幅为75.40~114.54 mg∙kg-1。80%WF处理AP含量在移栽前、苗期显著低于WF, 在初果期与WF基本一致, 在盛果期和拉秧期显著高于WF(P < 0.05)。
2.3 不同水肥处理磷素淋失量不同水肥处理整个茄子生育期磷素淋失量如表 2所示。与WF处理相比, W80%F处理磷素淋失总量无显著降低, 但80%WF处理磷素淋失总量显著降低, 降低幅度为49.4%。对淋溶液中的有机磷和无机磷分析发现, 各水肥处理磷素淋失以有机磷为主, 有机磷淋失量占磷素淋失总量的92%以上, 减少灌溉量显著降低了有机磷的淋失, 但减少化肥施用量对有机磷淋失的影响不显著。无机磷的淋失量所占比例虽较小, 但这部分磷是可直接被植物吸收利用的磷, 对农业生产的影响较大。W80%F处理无机磷的淋失量显著高于WF和80%WF处理, 而减少灌溉量不能降低无机磷的淋失。
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表 2 不同水肥处理土壤磷素淋失量 Table 2 Soil phosphorus leaching amounts of different irrigation or fertilization treatments |
相关分析表明, 磷素淋失总量与磷储量变化量、苗期20~40 cm土层AP含量呈显著正相关(P < 0.05), 与盛果期0~20 cm和20~40 cm土层AP含量、拉秧期0~20 cm土层AP含量呈显著负相关(P < 0.05);有机磷淋失量与磷储量变化量呈极显著正相关(P < 0.01), 与盛果期0~20 cm和20~40 cm土层AP含量、拉秧期0~20 cm土层AP含量呈显著的负相关(P < 0.05);无机磷淋失量与磷储量变化量和速效磷含量之间无显著相关性(表 3)。结果表明, 磷储量变化、盛果期0~20 cm和20~40 cm土层AP含量、拉秧期0~20 cm土层AP含量等指标可用来大致预测设施黑土菜田磷素淋失总量和有机磷淋失量。
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表 3 磷素淋失量与磷储量变化及茄子不同生育期不同土层速效磷含量的相关分析 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 |
本研究对种植前后土壤磷储量及茄子生育期土壤速效磷含量动态变化进行了研究, 发现各水肥处理经1季种植后土壤磷储量都呈增加的趋势, 减少化肥施用量20%处理与常规水肥处理磷储量增加比例基本一致, 但减少灌水量20%处理磷储量增加幅度减小, 这可能是减少灌溉量促进了蔬菜对磷素的吸收造成的[21]。设施黑土菜田中磷储量的增加量与磷素淋失量呈极显著正相关, 说明土壤磷储量增长直接导致磷素淋失风险增加, 且在不具淋溶监测条件下, 可通过土壤磷储量增加量来粗略了解磷素淋失量的大小。速效磷含量是评估土壤磷素淋失风险的重要指标, 黑土磷素淋失的速效磷临界值为78.82 mg∙kg-1[22]。本研究各水肥处理土壤速效磷含量虽因茄子不同生育期而动态变化, 但均远高于临界值, 茄子生长周期内设施黑土均存在磷素淋失风险。磷素淋失量与盛果期0~40 cm速效磷含量、拉秧期0~20 cm速效磷含量之间存在显著的相关, 这说明根据茄子某一生育期表层速效磷含量也可预测磷素淋失量, 但在不同年份速效磷与磷素淋失量之间的相关性是否稳定仍需进一步验证。
设施黑土菜田磷素淋溶现象明显, 不同水肥处理中磷素淋失量达9.02~17.84 kg∙hm-2, 并且有机磷的淋失量占磷素淋失总量的92%~96%。黑土阳离子交换量较高[23], 对以阴离子形态存在的无机磷的吸附较强, 减少了无机磷的淋失; 黑土中Ca2+、Al3+、Fe3+含量丰富[24], 与无机磷结合后能将无机磷固持在土壤中, 减少无机磷的损失。设施黑土菜田中有机磷大量淋失主要是由于黑土有机磷本底值高和大量施用有机肥所引起的。宋佳明等[25]研究指出在不施肥情况下黑土中活性有机磷和中等活性有机磷(可利用性介于活性有机磷与稳定有机磷之间的磷)占有机磷的50%左右, 施用有机肥后活性有机磷和中等活性有机磷所占比例大幅增加, 但中等稳定性有机磷和稳定性有机磷提升幅度不大。本研究中有机肥的施用会导致设施黑土菜田中活性有机磷和中等活性有机磷大幅度提高, 这一部分有机磷的可溶性要高于中等稳定性有机磷和稳定性有机磷, 容易随水分向下运移而淋失。
减少化肥施用量20%后磷素淋失量与常规水肥处理均无显著差异, 可能是由于试验中大量施用有机肥。设施菜田中高温高湿的环境有利于有机肥分解[26], 有机肥中的磷素可通过矿化被释放来供植物吸收利用, 故减少化肥施用量20%处理0~40 cm速效磷含量在茄子各生育期都较高, 甚至高于常规水肥, 导致无机磷淋失量增加; 有机肥矿化释放的一些有机基团能抢占磷的吸附结合位点、络合土壤中铁和铝等离子[10-11], 降低了土壤对无机磷的吸附, 增加无机磷的淋失。有机肥中活性有机磷的含量较高[27], 这一部分磷水溶性较强, 可能会随土壤水分下渗而淋失, 有机磷的矿化过程中小分子有机磷中间产物可溶性也较强[12], 进一步增加了有机磷的淋失风险。Chen等[17]在依托该试验探究不同水肥管理对氮素淋溶的影响时指出仅减少化肥使用量不能减少设施黑土氮素的淋失, 本研究的结果说明减少化肥施用量不能减少磷素淋失量, 这进一步说明了仅减少化肥施用量不是降低设施黑土菜田磷素淋失的有效途径。但减少化肥施用量能减少设施黑土菜田蔬菜生产成本, 同时对蔬菜产量几乎无影响, 因此减少化肥施用量可作为节本增效的手段之一。同时, 由于大部分磷肥均源于含磷矿石[28], 减施磷肥能降低不可再生的磷矿石消耗, 促进磷肥源的可持续利用。
减少灌溉量20%后显著降低了设施黑土菜田中磷素淋失。灌溉量减少, 首先可促进植物根系的生长[29], 增加植物对水分的吸收, 减少土壤中水分向下运移, 降低磷素的淋溶损失; 其次随灌溉量减少, 土壤溶液中养分浓度升高, 作物水分吸收能力增强的同时对养分的吸收量也增大[20], 作物吸收磷素增多也能减少磷素的淋失; 最后, 水分缺乏会导致土壤微生物量、微生物多样性和酶活性降低[30], 进而降低有机磷的矿化速率, 降低有机磷的淋失。减少灌溉量虽然显著降低设施黑土菜田磷素淋失, 但也会降低蔬菜产量[17-18], 在保持相同灌溉频次基础上, 简单地减少灌溉量阻控磷素淋失能否大范围应用仍需进一步深入探讨。有研究[15]表明, 生物炭添加能缓解因灌溉量减少对茄子产量的影响, 并且对磷素的淋失阻控效果也较好。但因生物炭成本过高无法大面积推广, 未来需侧重研究低成本添加物(如秸秆)来缓解减少灌溉对产量的不利影响; 同时, 还应研究增加灌溉频次的基础上减少灌溉量对磷素淋失和蔬菜产量的影响, 寻求灌溉-施肥-产量之间的平衡点。
综上所述, 与常规种植条件相比, 减少化肥施用量不能降低设施黑土菜田磷素淋失量和磷素淋失风险, 而减少灌溉量能显著降低设施黑土菜田磷素淋失量和磷素淋失风险。减少化肥施用量20%后土壤磷素储量仍远高于蔬菜需求量, 因此, 在保持产量的前提下进一步缩减肥料施用量在未来仍需进一步研究。减少灌溉量导致产量略减, 如何在减少灌溉量的同时保证产量也需要深入探讨。寻求施肥-灌溉-淋溶-产量之间的平衡仍将是设施黑土菜田磷素淋失阻控研究的核心。
4 结论经栽培1季茄子后, 各水肥处理下黑土设施土壤磷储量均呈增加趋势; 除减少灌溉量处理0~20 cm土壤全磷外, 其余土壤全磷均呈增加趋势。与常规水肥处理相比, 减少化肥施用量对土壤磷储量增加量无显著影响; 但减少灌溉量后, 磷储量增加量明显减少。单独减少化肥施用量不会降低设施黑土菜田磷素淋失风险, 但减少灌溉量可大幅降低磷素的淋失风险。茄子生育期内, 土壤速效磷含量随生育期延长呈先升高后降低的趋势, 并且各水肥处理中茄子生育期土壤速效磷含量都远高于黑土速效磷淋溶阈值, 存在较大的淋失风险。
与常规水肥处理相比, 减少化肥施用量对设施黑土菜田磷素淋失量基本无影响, 而减少灌溉量能显著降低设施黑土菜田磷素淋失量。设施黑土菜田中, 磷素淋失量与磷储量增加量呈显著正相关, 磷素增加量是指示磷素淋失量的重要指标; 虽磷素淋失量与某一生育期土壤速效磷含量也呈明显相关性, 但速效磷含量能否准确指示磷素淋失量还需要进一步深入研究。本研究结果为设施黑土菜田磷素淋溶阻控提供了重要的理论支撑和技术方案。
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