張大庚， 栗 杰， 董 越

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院, 遼寧 沈陽 100866)

我國自20世紀(jì)70年代中期開始發(fā)展設(shè)施栽培，近年來設(shè)施農(nóng)業(yè)在中國得到了快速發(fā)展，已成為世界設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，面積和產(chǎn)量均居世界第一[1]，其中蔬菜生產(chǎn)所占的比重最大[2]。設(shè)施蔬菜種植具有受季節(jié)影響小、復(fù)種指數(shù)高等優(yōu)點，不僅提高了土壤利用率和生產(chǎn)效率，也大幅度提高了農(nóng)民的收入[3]。但由于長期處于“高溫、高濕、高度連作、無降水淋洗、持續(xù)高量施肥”等條件下，設(shè)施土壤往往出現(xiàn)養(yǎng)分富集、酸化和鹽漬化等土壤退化問題[4]，其中磷素過量累積已成為設(shè)施土壤養(yǎng)分不平衡的顯著特征[5]。磷是作物的“糧食”，是支撐作物生產(chǎn)、保障糧食安全的基本物質(zhì)基礎(chǔ)[6]，作為作物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，參與光合作用、碳水化合物的代謝與運輸、能量的轉(zhuǎn)移與儲存等過程[7]。但磷肥施入后易被土壤吸持，導(dǎo)致當(dāng)季利用率相對較低，僅為10%～25%[8]。蔬菜對氮磷鉀的需求量一般高于小麥、水稻等大田作物，因此為追求高效生產(chǎn)，農(nóng)民常常會過量投入磷肥，造成生產(chǎn)投入—支出的不平衡，加劇了磷在菜田土壤中的累積[9]。特別是在設(shè)施栽培高復(fù)種指數(shù)、高產(chǎn)出的生產(chǎn)模式下，磷肥施用量達(dá)蔬菜吸收量的6～23倍[10]，磷肥的利用率更低，僅為8.7%左右[11]。很多研究表明設(shè)施土壤磷素含量已遠(yuǎn)高于露地[12-13]。對山東泰安種植2～7 a的設(shè)施土壤研究發(fā)現(xiàn)，土壤全磷含量由1.2 g/kg增加到2.5 g/kg，是相鄰露地土壤的1.5～3.1倍[14]。對山西省山陰縣種植2～6 a的設(shè)施土壤研究發(fā)現(xiàn)，土壤有效磷含量由32.9 mg/kg增長到175.5 mg/kg，增長了433.4%，是相鄰露地土壤的1.2～6.5倍[15]。大量磷素滯留在土壤中，不僅造成磷素資源的浪費，也加大了淋洗損失帶來的污染風(fēng)險[16]。因此，如何合理施用磷肥，提高磷肥利用率一直是研究的熱點。與農(nóng)田土壤施肥以化肥為主不同，中國設(shè)施菜田平均每季磷素投入總量中有機肥投入的磷量占了54.3%[17]。但在蔬菜生產(chǎn)中，農(nóng)民往往忽略了有機肥對土壤磷素供應(yīng)和轉(zhuǎn)化方面的作用。有研究發(fā)現(xiàn)，施入有機肥不僅能夠提高土壤中磷素含量，并可促進(jìn)磷素的循環(huán)[18]，導(dǎo)致Olsen-P的含量顯著增加[19]，連續(xù)施用有機肥料可能會導(dǎo)致土壤中磷的淋失[20]。但有關(guān)針對設(shè)施環(huán)境條件，特別是種植超過20 a土壤磷素的釋放特性的研究還相對較少。因此，本文以遼寧省鐵嶺縣(2～28 a)和海城市(2～33 a)兩個地區(qū)不同種植年限設(shè)施土壤全磷、有效磷、無機磷組分含量的變化及磷素釋放曲線為切入點，研究設(shè)施栽培條件下土壤磷素隨種植年限的變化規(guī)律，揭示溫室土壤無機磷積累和淋溶損失的主體成分，以期為設(shè)施農(nóng)業(yè)合理施用磷肥和可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣品采集

于2018年10月，分別在鐵嶺縣新臺子鎮(zhèn)和海城市東四鎮(zhèn)選取當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理條件下的設(shè)施菜田大棚作為采樣點。為保證采樣點的代表性，對當(dāng)?shù)卦O(shè)施蔬菜設(shè)施種植年限、施肥方式、施肥量、作物類型等基本信息進(jìn)行調(diào)查。在本次調(diào)查范圍內(nèi)，鐵嶺和海城采樣點的原始土壤類型分別為棕壤和草甸土。施肥包括有機肥和化肥，有機肥一般在種植前作為底肥施入，施入量300～375 m3/hm2左右，其中海城地區(qū)以牛糞、豬糞為主，鐵嶺地區(qū)以豬糞為主?；室话阋缘租洀?fù)合肥為主，隨水施入，施入量在750～1 050 kg/hm2左右，有些農(nóng)戶會配施一定量的磷酸二銨。海城地區(qū)以種植黃瓜、菜豆為主，鐵嶺地區(qū)以黃瓜、番茄為主。

按照種植年限采集了鐵嶺縣新臺子鎮(zhèn)種植2，6，14，18，23，28 a和在海城市東四鎮(zhèn)種植2，12，18，22，27，33 a的溫室土壤為研究對象。根據(jù)每個大棚的具體種植面積，按S形隨機五點取樣法采集0—20 cm土層土壤，土樣置室內(nèi)風(fēng)干后，剔除石塊、植物根莖等雜物，過0.85 mm孔徑篩備用。

1.2 土壤磷素釋放動力學(xué)試驗設(shè)計

土壤磷素釋放動力學(xué)試驗采用恒溫平衡法，溫度控制為25 ℃。稱取兩個地區(qū)不同種植年限設(shè)施菜田土樣，每個土樣均各取11份，每份1.00 g，三次重復(fù)。土樣分別放入33個100 ml離心管中，加入50 ml 0.02 mol/L的KCl溶液，震蕩(150 r/min)，充分混合后開始計時，在分別震蕩1，2，3，4，5，7，10，20，30，40和50 h時，依次取出離心管離心15 min(3 000 r)，上清液0.45 μm微孔濾膜，測定濾液中磷的釋放量，磷的測定采用鉬銻抗比色法。

1.3 測定項目

土壤全磷采用高氯酸—硫酸消煮，鉬銻抗比色法測定；有效磷(Olsen-P)采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定。

無機磷組分采用分級浸提法測定，采用Ca2-P 0.25 mol/L NaHCO3浸提，Ca8-P采用0.5 mol/L NH4OAc浸提，Al-P采用0.5 mol/L NH4F浸提，F(xiàn)e-P采用0.1 mol/L NaOH-0.1 mol/L Na2CO3浸提，O-P采用0.3 mol/L檸檬酸鈉-0.5 mol/L氫氧化鈉溶液浸提，Ca10-P采用0.5 mol/L H2SO4浸提，浸提液消煮后均用鉬銻抗比色法測定[28]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，差異顯著性以及相關(guān)性分析分別采用單因素方差分析(One-way ANVOA)和Pearson相關(guān)分析，并采用Duncan法進(jìn)行多重比較，以T檢驗，判斷測定指標(biāo)差異是否顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限設(shè)施菜田土壤全磷、無機磷總量和有效磷含量的變化

由圖1可知，海城市東四鎮(zhèn)不同種植年限設(shè)施菜田耕層(0—20 cm)土壤全磷、無機磷總量和有效磷含量均高于鐵嶺縣新臺子鎮(zhèn)，但變化的趨勢相似，均為先增加后降低(圖1)，分別在種植的第23年(鐵嶺縣)和22 a(海城市)達(dá)到峰值。且與種植前15 a左右相比，在達(dá)到峰值前后的種植時間范圍內(nèi)，3種磷素含量的變化幅度相對較大。以鐵嶺地區(qū)為例，在種植的2～14 a三者增加幅度較慢，其中土壤全磷平均每年增加的幅度約為0.23 g/kg、無機磷總量為0.093 g/kg、有效磷為7.65 mg/kg。在14～23 a每年增幅相對較快，其中全磷約為0.47 g/kg，無機磷總量為0.17 g/kg，有效磷為9.11 mg/kg。在達(dá)到峰值后，降低的幅度也較快，全磷的年均降幅為0.39 g/kg，無機磷總量為0.10 g/kg，有效磷為14.75 mg/kg。

圖1 不同種植年限設(shè)施菜田耕層土壤(0-20 cm)全磷、無機磷、有效磷含量

2.2 不同種植年限設(shè)施菜田土壤無機磷組分特征

有機磷和無機磷是土壤中磷素的兩種存在形態(tài)，有機磷礦化為無機磷后才能被植物吸收利用，因此無機磷的存在形態(tài)和比例決定了土壤磷素的供應(yīng)能力[21]。由圖2可知，隨種植年限的增加，海城和鐵嶺地區(qū)的設(shè)施菜田土壤不同形態(tài)無機磷的變化趨勢不完全一致。在鐵嶺地區(qū)Ca2-P，Ca8-P，F(xiàn)e-P和Ca10-P含量呈先增加后降低的趨勢，在第23 a達(dá)到了峰值，而Al-P和O-P則隨種植年限一直呈增加的趨勢。土壤各形態(tài)磷隨種植年限變化的速率也不同。在種植2～14 a間土壤Ca8-P和Fe-P含量增加速率較快，平均每年增幅約為24.47和24.83 mg/kg；在14～23 a間Ca8-P增幅較大為76.35 mg/kg，F(xiàn)e-P僅為27.60 mg/kg；在達(dá)到峰值后大幅降低，在23～28 a間，降幅分別為40.73和69.79 mg/kg，F(xiàn)e-P的降幅更大。而Ca2-P和Ca10-P的含量較低，隨種植年限的變化幅度也相對較小。

圖2 不同種植年限設(shè)施菜田土壤各形態(tài)無機磷含量

在海城地區(qū)各形態(tài)無機磷則隨種植年限的增加呈先增加后降低的趨勢，但達(dá)到峰值的年限和變化的趨勢不同。其中Ca2-P，Ca8-P在種植第27 a，達(dá)到峰值，而Fe-P，Al-P，O-P和Ca10-P則在種植的第23 a就達(dá)到了峰值。

從變化趨勢來看，Ca8-P和Fe-P含量較高，變化趨勢較明顯。其中Ca8-P的變化趨勢最顯著，2～12 a間年均增幅約為76.76 mg/kg，18～22 a間達(dá)到187.27 mg/kg，22～27 a間增幅最低為51.21 mg/kg。達(dá)到峰值后出現(xiàn)降低趨勢，27～33 a間下降幅度約為143.07 mg/kg。

不同形態(tài)無機磷含量占無機磷總量的比例也不同(圖3)。由圖3可知，海城市和鐵嶺縣設(shè)施菜田土壤無機磷中均以Ca8-P，F(xiàn)e-P與Al-P含量相對較高，約占無機磷總量的70%～80%左右。但鐵嶺縣和海城市所占的比例不同。

圖3 設(shè)施菜田土壤不同形態(tài)磷占無機磷總量的比例

鐵嶺縣以Ca8-P和Fe-P為主，占了50%左右。且二者之間互有消長，其中Ca8-P隨種植年限的增加呈增加的趨勢，由Fe-P則隨種植年限的增加呈降低的趨勢。而海城市則以Ca8-P為主，且隨種植年限的增加呈增加的趨勢，最高占近60%。海城市和鐵嶺縣不同種植年限設(shè)施菜田土壤中Ca2-P，O-P和Ca10-P的含量均相對較小，其中Ca2-P所占比值隨種植年限增加呈逐漸降低趨勢。O-P和Ca10-P則呈先降低后增加的趨勢。

2.3 土壤無機磷組分與有效磷的關(guān)系

由表1可知，土壤速效磷與Ca2-P，Ca8-P和Fe-P之間呈極顯著的正相關(guān)，與Al-P呈顯著的正相關(guān)，與O-P和Ca10-P之間的相關(guān)性不顯著。說明在設(shè)施栽培的條件下，Ca2-P，Ca8-P和Fe-P這3種磷的有效性相對較高。Ca2-P是無機磷組成中有效性最高的形態(tài)，Ca2-P與Ca8-P 、Fe-P和Al-P的相關(guān)性達(dá)到了極顯著的正相關(guān)，與O-P和Ca10-P之間的相關(guān)性不顯著。

表1 土壤無機磷組分與有效磷含量的相關(guān)性

2.4 不同種植年限設(shè)施菜田土壤磷素釋放特征

2.4.1 土壤磷素累積釋放量 由于長期過量施肥，設(shè)施土壤對磷素吸附量達(dá)到飽和，因此研究設(shè)施菜田土壤磷的釋放過程具有更重要意義。圖4為鐵嶺和海城兩個地區(qū)不同種植年限設(shè)施菜田土壤磷素累積釋放量隨時間的變化曲線。由圖4可知，隨振蕩時間的增加，各年限土壤磷素累積釋放量也逐漸增加，且土壤磷素的釋放過程，開始是快速反應(yīng)，隨后是一個緩慢反應(yīng)。在本試驗的條件下，約在前10 h完成快速釋放過程，其中海城地區(qū)設(shè)施土壤前10 h內(nèi)磷素釋放量占整個釋放過程的65%左右(59.91%～71.35%)，鐵嶺地區(qū)約為75%左右(66.28%～82.04%)。在10 h以后隨著釋放時間的增加，雖然釋放速率相對較低，但在釋放50 h后并未達(dá)到最大釋放量。以振蕩50 h不同種植年限土壤磷素釋放量進(jìn)行比較可知，對于鐵嶺和海城地區(qū)，均是磷素累積量最高的土壤磷的釋放量最高，分別是種植23 a和種植22 a。兩地種植2 a的土壤磷素含量最低，釋放量也最低。

圖4 不同種植年限設(shè)施菜田土壤磷釋放量與釋放時間曲線

將不同年限設(shè)施菜田土壤的最大釋放量(t=50 h)與不同形態(tài)磷素進(jìn)行相關(guān)分析可知，最大釋放量與Ca2-P，F(xiàn)e-P和有效磷之間呈極顯著的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)分別是0.820**，0.944**和0.783**)，與Al-P和全磷呈顯著的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)為0.676*)。其中Ca8-P雖然與有效磷有較高的相關(guān)性，但與最大釋放量之間的相關(guān)性并不顯著。

2.4.2 設(shè)施菜田土壤磷素釋放率 由于不同種植年限土壤的全磷含量不同，磷素初始釋放量(t=0.25 h)和最大釋放量(t=50 h)占全磷的百分比也存在著一定的差異。由圖5可知，溫室土壤的初始釋放率和最大釋放量隨種植年限的變化趨勢基本一致，在溫室種植2～15 a左右磷素的釋放率相對較大，從種植約15 a后磷的釋放率則顯著降低。雖然在種植的22，23 a磷素的累積釋放量較高，但釋放率并不高。在海城地區(qū)在種植2～14 a，土壤磷素的初始和最大釋放率均較高，分別高于5%和13%。隨年限增加則明顯降低，分別在3%和10%以下。鐵嶺地區(qū)在種植的2～12 a初始和最大釋放率相對較高，分別高于4%和14%。種植年限18～33 a則均在4%和10%以下。

圖5 不同種植年限設(shè)施菜田土壤磷素釋放率

3 討 論

3.1 設(shè)施蔬菜栽培的年限不同顯著影響了土壤中磷素的累積狀況

海城和鐵嶺兩個地區(qū)土壤磷素的累積量隨種植年限的變化趨勢相似，分別在2～22 a，2～23 a土壤全磷、無機磷總量和有效磷素顯著增加，但達(dá)到峰值后均呈降低的趨勢。這與徐曉峰等[22]研究認(rèn)為隨種植年限增加，設(shè)施土壤磷素含量呈增加的趨勢的結(jié)論并不一致。分析其原因可能是研究對象的種植時間范圍不同，徐曉峰等研究對象設(shè)施栽培5～17 a，在研究的時間范圍內(nèi)，土壤中磷素的累積可能還未達(dá)到峰值。但本研究結(jié)果與高妍等[23]的研究結(jié)果趨勢相似，即隨種植年限的增加，設(shè)施土壤磷素含量存在峰值。表明長期的設(shè)施栽培過程會造成土壤中磷素的大量積累，但并未保持峰值狀態(tài)，而是呈顯著降低的趨勢。說明達(dá)到土壤的磷飽和后土壤中磷的淋失量增加[24]。分析認(rèn)為與設(shè)施栽培的施肥特點有關(guān)，在設(shè)施栽培條件下，大量有機肥施入促進(jìn)了土壤中磷素的淋失。Pizzeghello等[25]的研究證實，與礦物肥料相比，農(nóng)家肥的施用增加了P-CaCl2和熱水可提取性P (HWP)，從而促進(jìn)了土壤中P的淋溶。

有研究[24]表明施用家禽糞便等有機肥可使固液磷酸分配系數(shù)降低，從而降低土壤對磷的吸附強度。這就意味著更少的磷被土壤保留，更多的磷被溶解，其結(jié)果是潛在的更高的磷淋失。這些研究中還推測有機肥分解產(chǎn)生的有機酸降低了磷在土壤礦物顆粒表面的吸附，主要是因為有機酸和磷酸鹽競爭在氧化鋁或氧化鐵表面的吸附點位，另外有機酸對氧化鋁或氧化鐵的螯合和溶解作用減少了吸附點位[26]。這些因素均可引起土壤中磷素的淋失，但在典型設(shè)施環(huán)境條件下，以哪種影響因素為主還需進(jìn)一步的分析和研究。

3.2 設(shè)施菜田土壤不同無機磷組分的有效性和累積特性不同

無機磷是土壤中磷素的主要形態(tài)，海城和鐵嶺兩個地區(qū)設(shè)施菜田土壤各形態(tài)無機磷大部分隨種植年限也呈先增加后降低的趨勢，但達(dá)到峰值的年限不同，說明不同無機磷的有效性和累積特性不同。有關(guān)蔬菜保護(hù)地?zé)o機磷積累的研究報道較多，但受原始土壤類型、種植蔬菜品種、肥料種類和施肥方式等的影響，結(jié)果存在較大的差異。余群英等認(rèn)為無機磷組分以Ca-P為主，其次為O-P，F(xiàn)e-P和Al-P含量較少[27]。而本研究的結(jié)果中無機磷以Ca8-P為主，其次為Fe-P和Al-P。3種形態(tài)無機磷含量較高，且隨種植年限的變化幅度也較大。隨種植年限的增加，Ca8-P占無機磷總量的百分比呈逐漸增加的趨勢，鐵嶺地區(qū)從21%增加到34%，海城地區(qū)從36%增加到57%。從而說明Ca8-P是土壤無機磷主要的累積形態(tài)。Fe-P的含量也較高，但其占無機磷總量的百分比則隨種植年限的增加呈降低的趨勢，鐵嶺地區(qū)由32%降低到15%，海城地區(qū)由22%降低到11%，說明其活性相對較高，在設(shè)施栽培的條件下易向其他形態(tài)轉(zhuǎn)化。Ca2-P是土壤中活性最大的磷，但隨種植年限的增加，呈逐漸降低的趨勢，其中鐵嶺地區(qū)由13%降低到5%，海城地區(qū)由11%降低到6%，說明在設(shè)施條件下易造成活性磷素的淋失。由此可見，在設(shè)施栽培條件下，種植年限不僅影響了土壤各形態(tài)無機磷的含量，也影響了其在無機磷總量中所占的百分比。這一方面與設(shè)施栽培時間長短不同、施入的磷肥不同和有機質(zhì)轉(zhuǎn)化釋放的磷素不同有關(guān)，也與設(shè)施條件下，長期施肥影響了土壤的理化性質(zhì)，進(jìn)而影響了土壤中不同形態(tài)磷素的轉(zhuǎn)化有關(guān)。

3.3 土壤中磷素的釋放特性，在一定程度上也反應(yīng)了磷素的活性

從釋放曲線可知，土壤中磷素累積量高，則磷素的釋放量也相對較高，但釋放率并不高，從另一個角度說明了土壤中不同形態(tài)磷素活性的差異。從相關(guān)分析可知，磷的釋放量與有效磷、Ca2-P和Fe-P的相關(guān)性達(dá)到了極顯著的相關(guān)性，這與不同形態(tài)無機磷與有效磷的相關(guān)性相似，從而進(jìn)一步說明了土壤中Ca2-P和Fe-P的活性較高，是土壤中磷素淋失的主要因子。Al-P與磷的釋放量和有效磷均達(dá)到了顯著性相關(guān)，說明Al-P也具有一定的活性。O-P和Ca10-P則與二者之間均無相關(guān)性，且隨種植年限無顯著的變化規(guī)律，兩種磷素的有效性最低，占全磷含量也相對較低，兩個地區(qū)基本都低于15%。但不同的是無機磷中的Ca8-P與有效磷的活性也達(dá)到了極顯著相關(guān)，但與磷的最大釋放量之間的相關(guān)性卻不顯著，且隨種植年限的增加呈逐漸增加的趨勢，最高分別達(dá)到無機磷總量的57.32%和34.2%，因此Ca8-P相對更易于積累，提高這部分磷源的生物有效性，是溫室土壤磷素養(yǎng)分管理的關(guān)鍵。

4 結(jié) 論

(1) 鐵嶺縣和海城市兩個地區(qū)設(shè)施菜田耕層土壤全磷、無機磷和有效磷含量隨種植年限的增加，呈先增加后降低的趨勢，在種植20 a左右達(dá)到磷素積累的峰值，全磷含量最高分別達(dá)到了5.76±0.61 g/kg和7.08±0.72 g/kg。

(2) 兩地設(shè)施菜田土壤無機磷以Ca8-P含量為主，最高分別是無機磷總量的34.2%和59.9%，其次為Fe-P和Al-P，Ca8-P隨種植年限的增加而增加，而Fe-P則隨種植年限的增加而降低。速效磷與Ca2-P，Ca8-P和Fe-P之間呈極顯著的正相關(guān)，與Al-P呈顯著的正相關(guān)。

(3) 設(shè)施菜田種植2～15 a左右與15 a后對比磷素的釋放率相對較高，釋放量與Ca2-P，F(xiàn)e-P之間的相關(guān)性達(dá)到顯著水平。

綜合分析設(shè)施菜田土壤磷素積累以Ca8-P形態(tài)為主， Ca2-P和Fe-P是磷素淋失的主要形態(tài)。