魏露露 平懷香 陳 碩 梁 斌 陳 清 郝祥蕊 崔建宇*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193; 2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)院,山東 青島 266000;3.上海農(nóng)樂生物制品股份有限公司,上海 201419)

設(shè)施蔬菜生產(chǎn)具有高度集約化的特點(diǎn)[1],“十三五”期間我國設(shè)施蔬菜面積基本穩(wěn)定在410萬hm2,年均增長率1%左右[2]。設(shè)施菜田由于其高溫高濕的環(huán)境特點(diǎn),加快了土壤有機(jī)質(zhì)的分解礦化從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較低,限制作物的快速生長,因此,人們往往通過投入大量糞肥補(bǔ)充設(shè)施土壤有機(jī)質(zhì),進(jìn)而提升土壤肥力。然而,在設(shè)施菜田等集約化生產(chǎn)體系中,糞肥的過量施用導(dǎo)致其投入的磷含量占總磷投入的54.3%[3]。已有研究表明,山東省壽光市不同類型蔬菜生產(chǎn)體系中每年的P投入為772～2 458 kg/hm2,蔬菜P吸收量為47.8～155.0 kg/hm2,P盈余量為711～2 303 kg/hm2[4];重慶市銅梁區(qū)蔬菜生產(chǎn)磷素平均施用量為140 kg/hm2,平均超過推薦用量的2.23倍,其中糞肥P用量為106 kg/hm2,占總磷投入的75.4%[5];黃淮海地區(qū)塑料棚黃瓜生產(chǎn)體系中單季P投入量為447 kg/hm2,其中有機(jī)肥中的P投入為271 kg/hm2,占總P投入的60.6%[6]。設(shè)施蔬菜種植過程中,往往以蔬菜氮需求作為肥料施用量的條件而導(dǎo)致大量磷素投入,不僅造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi),同時(shí)當(dāng)土壤中的磷素累積超過某一臨界值時(shí),土壤磷素淋失量就會(huì)加劇,造成水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[7-8]。

我國糧食作物資源龐大,秸稈和稻殼的年均產(chǎn)量約8.65億t[9]。研究表明,秸稈/稻殼還田可以改善土壤理化性質(zhì)、水分和熱量條件,增加土壤養(yǎng)分含量和微生物數(shù)量,在很大程度上增加有機(jī)碳輸入和固持[10-12]。土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量比(C∶N∶P)能夠反映土壤肥力和養(yǎng)分限制狀況,在一般情況下,土壤中的C∶N∶P比例越高,表明土壤有機(jī)質(zhì)含量相對較高。相反,C∶N∶P比例較低,則表明土壤通常處于碳限制狀態(tài),不利于植物的生長[13]。全球土壤C∶N∶P為286∶17∶1[14],我國農(nóng)田土壤C∶N∶P為60∶5∶1,其中表層土壤C∶N∶P為134∶9∶1[15]。部分集約化種植土壤的平均C∶N∶P比例只有25∶2∶1[16],顯著低于其它土壤體系,呈現(xiàn)出土壤碳限制狀態(tài),不利于生物活性及其對磷素等養(yǎng)分的循環(huán)和周轉(zhuǎn)。利用稻殼提高設(shè)施菜田C/P比值能夠提高土壤磷素供應(yīng)能力。施用稻殼對土壤磷轉(zhuǎn)化的生物過程主要集中在短期時(shí)間內(nèi),具體表現(xiàn)為微生物分解稻殼中易溶的淀粉、氨基酸和糖類等從而獲取碳源,并釋放出礦質(zhì)養(yǎng)分,同時(shí)微生物為保持自身碳氮磷化學(xué)計(jì)量比的平衡,通過分泌磷酸酶促進(jìn)有機(jī)磷的礦化或是促進(jìn)對無機(jī)磷的生物固持[17]。研究表明:稻殼還田不僅能夠提高土壤有機(jī)磷庫的含量,也能促進(jìn)土壤中磷素的持續(xù)供應(yīng)[17];稻殼還田通過提供豐富的易利用碳含量增加了土壤微生物的數(shù)量和活性,提高了土壤磷酸酶活性,促進(jìn)有機(jī)磷進(jìn)一步礦化為無機(jī)磷[18]。因此,在土壤有機(jī)碳為主要限制因子的土壤體系中,外源有機(jī)碳的投入可能通過刺激微生物活性提高微生物量庫和磷酸酶活性,進(jìn)而活化土壤磷素,提高磷素利用效率。

僅憑一個(gè)指標(biāo),無法準(zhǔn)確反應(yīng)任一種土壤的可用磷含量,因此有效評估土壤磷的可利用性對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力十分重要[19]。梯度擴(kuò)散薄膜技術(shù)(Diffusive gradients in thin films, DGT)和生物有效磷分組(Biologically-based phosphorus)方法都可以用來表征土壤中磷素的有效性,但它們基于不同的原理和機(jī)制。DGT是一種原位被動(dòng)采樣技術(shù),用于研究土壤中磷的生物有效性或遷移特性[20]。生物有效磷分組方法是Deluca等[21]根據(jù)生物有效性程度研究的一種磷素分級(jí)方法,主要考慮微生物分泌有機(jī)酸、酸性磷酸酶等活化的磷表征磷形態(tài),蔡觀等[22]在此基礎(chǔ)上對該方法進(jìn)行了優(yōu)化,將生物有效磷分為4個(gè)組分:1)0.01 mol/L CaCl2提取的可溶性無機(jī)磷(CaCl2-P);2)10 mmol/L 檸檬酸提取的能被有機(jī)酸活化釋放的潛在可溶性無機(jī)磷(Citrate-P);3)0.02 EU/mL 酶提取的易被酸性、堿性磷酸酶和植酸酶礦化的有機(jī)磷(Enzyme-P);4)1 mol/L 鹽酸提取的氫質(zhì)子活化的最大潛力磷庫(HCl-P)。因此,這2種方法可以在不同的方面提供對土壤磷素有效性的信息,并相互補(bǔ)充。

目前對緩解設(shè)施菜田土壤磷素累積的研究主要集中在減施磷肥上[23-24],但在碳限制相對突出的設(shè)施菜田中很少有研究考慮碳磷耦合的關(guān)系。因此,本研究擬以設(shè)施菜田中的磷素管理措施為研究對象,設(shè)置了稻殼不還田施用磷肥(S0P52)、稻殼還田配施磷肥(S20P52)、稻殼不還田且不施用磷肥(S0P0)和稻殼還田不施用磷肥(S20P0)4個(gè)處理,采用梯度擴(kuò)散薄膜技術(shù)和生物有效磷分組方法在山東壽光設(shè)施番茄定位試驗(yàn)中分析增碳控磷對設(shè)施土壤磷素有效性的影響,以期為集約化設(shè)施菜田精準(zhǔn)施用磷肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2020年8月在山東省壽光市寨里村(36°55′ N, 118°45′ E)蔬菜標(biāo)準(zhǔn)中心的溫室大棚開展,試驗(yàn)地北瀕渤海,屬暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候。全年平均日照總時(shí)數(shù)2 548.8 h,年平均氣溫12.7 ℃,年平均降水量593.8 mm,季節(jié)降水高度集中于夏季(6—8月)。土壤類型為潮土,且試驗(yàn)開展前無任何種植和施肥記錄。試驗(yàn)前(2020年8月)采集0～20 cm基礎(chǔ)土樣,測定土壤pH為8.70,有機(jī)質(zhì)為9.95 g/kg,全磷為0.60 g/kg,速效磷為13.70 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共布置4個(gè)施肥處理:1)稻殼不還田施用磷肥(S0P52);2)稻殼還田配施磷肥(S20P52);3)稻殼不還田且不施用磷肥(S0P0);4)稻殼還田不施用磷肥(S20P0)。常規(guī)糞肥和常規(guī)磷肥為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的施肥方式,常規(guī)糞肥的用量為20 t/hm2,常規(guī)施磷量為52 kg/hm2。對糞肥施用量進(jìn)行優(yōu)化,即根據(jù)番茄(LycopersicumesculentumMill.)目標(biāo)產(chǎn)量120 t/hm2(傳統(tǒng)施肥平均產(chǎn)量)的需磷量確定糞肥施用量,為3.3 t/hm2,利用稻殼(20 t/hm2)補(bǔ)充有機(jī)碳。各處理施肥量見表1,所有處理施用等量糞肥,即雞糞。供試肥料包括基肥和追肥,基肥為雞糞(N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15.4、36.4和24.5 g/kg)和稻殼(N、P、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.80、3.20和2.70 g/kg),雞糞和稻殼在作物種植前均勻撒施后翻耕,追肥為硝酸鉀、硝酸鈣、磷酸二氫鉀和硫酸鉀,在作物生長季隨灌溉水施入土壤。每個(gè)處理重復(fù)3次,采用隨機(jī)區(qū)組排列,單個(gè)小區(qū)面積31.5 m2。番茄于2021年2月份定植,8月份拉秧。番茄采用雙行種植,起小壟栽培,壟長7.5 m,壟寬50 cm,壟距40 cm,株距40 cm,采用水肥一體化覆膜滴灌。田間管理采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培管理措施,滴灌追肥,3穗果打頂。

表1 本研究4個(gè)不同處理的碳投入和施肥量Table 1 This study investigates four different treatments of carbon input and fertilization rate

1.3 樣品采集與測定

1.3.1土壤樣品采集

2021年8月番茄收獲完全后采集0～20 cm土壤樣品,每小區(qū)隨機(jī)取6點(diǎn),土壤樣品混勻后,一部分進(jìn)行風(fēng)干,另一部分置于4 ℃下鮮樣保存。

1.3.2番茄產(chǎn)量的測定

每小區(qū)選取6株典型作物,在果實(shí)成熟后分批采收、稱重并計(jì)數(shù),直至采收結(jié)束,并算出平均值,結(jié)合株數(shù),用以計(jì)算各小區(qū)的總產(chǎn)量。

1.3.3測定指標(biāo)與方法

土壤pH:土壤樣品混勻過2 mm篩后,稱取5 g土樣,加水浸提(土水質(zhì)量比1∶5)后用pH計(jì)測定。土壤有機(jī)質(zhì)(OM)采用重鉻酸鉀氧化法。土壤速效磷(Olsen-P)采用0.5 mol/L NaHCO3(pH=8.5)溶液提取(土水質(zhì)量比1∶20)并用鉬銻抗比色法測定[25]。土壤總磷(TP)利用濃H2SO4和HClO4消煮后鉬銻抗比色法測定[26]。土壤微生物量碳和磷(MBC和MBP)通過氯仿熏蒸法,其中碳含量利用重鉻酸鉀氧化法測定,磷含量利用鉬銻抗比色法測定[27-28]。土壤酸性磷酸單酯酶(ACP)和堿性磷酸單酯酶(ALP)均采用熒光微型板酶檢測技術(shù)測定[29]。

分別用0.01 mol/L的CaCl2、0.01 mol/L的檸檬酸、0.02 EU/mL的酶液和1 mol/L的HCl溶液對土樣進(jìn)行浸提,然后用孔雀石綠法和鉬銻抗比色法對磷組分進(jìn)行測定[21-22]。

1.3.4土壤磷素表觀盈余及DGT-P測定和計(jì)算方法

土壤磷素表觀盈余(Soil phosphorus apparent surplus,SPAS)是指土壤中磷素的積累量,是土壤中磷素含量與植物對磷素的需求量之間的差值[23]。土壤磷素盈余是衡量土壤磷素水平的重要指標(biāo)之一,旨在評估土壤中磷素的供應(yīng)能力,為土壤的施肥管理提供重要的參考,具體計(jì)算公式如下:

SPAS=PI-PUF-PUB

式中:PI為磷投入量,kg/hm2;PUF為果實(shí)攜出量,kg/hm2;PUB為植物攜出量,kg/hm2。植物和果實(shí)磷含量采用硫酸消解-釩鉬黃分光光度法測算[26]。

為測定土壤DGT-P含量,稱取約30 g過2 mm篩的風(fēng)干土壤樣品于準(zhǔn)備好的塑料小盒子中,加水至飽和,于室溫下放置24 h。將DGT裝置垂直小心壓入土壤中,使其和土壤充分接觸,蓋好塑料蓋。24 h后取出DGT裝置,用蒸餾水沖洗其表面泥土直至清潔,拆開DGT裝置,將吸附膠放入10 mL離心管中,加1 mL 1 mol/L HCl,靜置16 h以上將吸附膠上吸附的磷洗滌下來。待測液中的磷用鉬藍(lán)比色法測定。測量期間DGT與土壤界面的平均濃度CDGT(μg/L)的計(jì)算公式為:

式中:M為待測物質(zhì)在吸附膠上的積累量,ng;Δg為擴(kuò)散膠與濾紙的距離,cm;t為吸附時(shí)間,s;D為待測元素在擴(kuò)散膠里的擴(kuò)散系數(shù),cm2/s。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理,數(shù)據(jù)的柱狀圖用Origin 2016繪制,指標(biāo)之間的差異性檢驗(yàn)在SPSS中采用單因素方差分析(ANOVA)進(jìn)行,對于影響磷素組分的顯著相關(guān)的因子篩選通過ADONIS進(jìn)行(vegan包,R 3.5.1),其中顯著相關(guān)的因子(P<0.05)進(jìn)一步進(jìn)行冗余分析,同時(shí)排除存在多重共線性的因子(VIF>10),最后,利用ANOVA再對RDA進(jìn)行檢驗(yàn),得出其中最重要的關(guān)鍵影響因素。土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性利用Pearson通過R(Hmisc包,R 3.5.1)檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 增碳控磷對番茄產(chǎn)量和磷素盈余的影響

增碳控磷對番茄產(chǎn)量和磷素盈余影響的結(jié)果見圖1?？芍鎏伎亓讓υO(shè)施番茄產(chǎn)量影響不顯著:各個(gè)施肥處理的番茄產(chǎn)量為130～153 t/hm2,均達(dá)到120 t/hm2的目標(biāo)產(chǎn)量;土壤磷素表觀盈余量為47.3～153.0 kg/hm2,且不同處理間均存在顯著差異,其中S20P52>S20P0>S0P52>S0P0。

柱形圖上方不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters indicate significant difference in different treatments (P<0.05). The same below.圖1 增碳控磷對番茄產(chǎn)量(a)和磷素盈余(b)的影響Fig.1 Effects of increasing C with P reduction on tomato yield (a) and P surplus (b)

2.2 增碳控磷對土壤基本理化性質(zhì)的影響

表2為增碳控磷措施對土壤基本理化性質(zhì)的影響?？芍?不同處理土壤pH為8.25～8.45,其中施磷處理(S0P52和S20P52)顯著高于稻殼不還田且不施用磷肥處理S0P0;不同處理有機(jī)質(zhì)含量變化范圍為8.47～14.60 g/kg,其中施用稻殼(S20P52、S20P0)顯著提高表層土壤有機(jī)質(zhì)含量;全磷含量變化與速效磷相似,范圍分別為0.31～0.68 g/kg、29.5～49.0 mg/kg,其中稻殼不還田施用磷肥處理S0P52磷水平顯著低于其它處理;不同施肥處理土壤C/P范圍為8.85～15.60,其中稻殼不還田施用磷肥S0P52和稻殼還田不施用磷肥S20P0處理顯著高于稻殼不還田且不施用磷肥處理S0P0。

表2 增碳控磷對土壤基本理化性質(zhì)的影響Table 2 Effects of increasing C with P reduction on soil basic nutrient characteristics

2.3 增碳控磷對土壤DGT-P和生物有效磷組分的影響

增碳控磷處理對土壤DGT-P影響的結(jié)果見圖2。可知:增碳控磷措施對土壤DGT-P和各生物有效磷組分的影響各不相同。不同施肥處理土壤DGT-P含量變化范圍為46.7～200.0 μg/L,其中S20P52>S20P0>S0P52>S0P0。與稻殼不還田施用磷肥處理S0P52相比,增碳顯著提高土壤DGT-P含量;與稻殼還田配施磷肥處理S20P52相比,減磷(S20P0)對DGT-P沒有顯著影響。增碳控磷對土壤各生物有效磷組分的影響各不相同(圖3)。不同施肥處理土壤CaCl2-P含量較低,且處理間差異不顯著;不同施肥處理土壤Enzyme-P含量為13.0～23.1 mg/kg,其中S20P52>S20P0>S0P0>S0P52,施用磷肥條件下,稻殼還田與不還田處理(S20P52、S0P52)的土壤Enzyme-P含量差異顯著;不同施肥處理土壤Citrate-P含量為60.0～109.0 mg/kg,其中S20P52>S0P52>S0P0>S20P0,稻殼還田條件下,施磷肥與不施磷肥處理(S20P52、S20P0)的土壤Citrate-P含量差異顯著;不同施肥處理土壤HCl-P含量為449～629 mg/kg,其中S20P0>S20P52>S0P0>S0P52,稻殼還田不施用磷肥處理S20P0與無論是否施用磷肥,稻殼不還田處理(S0P52、S0P0)的土壤HCl-P含量差異顯著。不同稻殼和磷肥投入對土壤中的磷素組成和含量產(chǎn)生了一定影響(除了CaCl2-P)。在不增碳條件下,與施用磷肥相比,減施磷肥對各生物有效磷組分的影響均不顯著;在增碳條件下,與施用磷肥相比,減施磷肥使土壤Citrate-P含量顯著降低了45.0%而對其它生物有效磷組分無顯著影響。

圖2 增碳控磷對土壤DGT-P的影響Fig.2 Effects of increasing C with P reduction on soil DGT-P

圖3 增碳控磷對土壤生物有效磷含量的影響Fig.3 Effects of increasing C with P reduction on soil biologically-based phosphorus

2.4 增碳控磷對土壤微生物量和酶活性的影響

增碳控磷處理對土壤微生物量碳磷及微生物量碳磷比影響的結(jié)果見圖4?？芍?不同處理土壤微生物量碳含量為25.1～80.0 mg/kg,其中S20P52>S20P0>S0P0>S0P52,其中稻殼還田配施磷肥處理S20P52顯著高于其它處理,稻殼還田不施用磷肥處理S20P0顯著高于減碳處理(S0P52和S0P0);土壤微生物量磷含量為2.96～14.80 mg/kg,其中S20P0>S20P52>S0P52>S0P0,其中稻殼還田不施用磷肥處理S20P0顯著高于減碳處理(S0P52和S0P0)。不同施肥處理土壤MBC/MBP變化范圍為2.20～14.40,其中稻殼還田不施用磷肥處理S20P0是4種處理中最低的。

不同小寫字母代表不同處理間土壤微生物量碳差異顯著,不同大寫字母代表不同處理間微生物量磷差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference of MBC and MBC/MBP in different treatments, different capital letters indicate significant difference of MBP in different treatments (P<0.05).圖4 增碳控磷對土壤微生物量(a)及微生物量碳磷比(b)的影響Fig.4 Effects of increasing C with P reduction on soil microbial biomass (a) and MBC/MBP (b)

增碳控磷處理對土壤堿性和酸性磷酸酶活性影響的結(jié)果見圖5。可知:不同施肥處理土壤堿性磷酸酶活性為65.6～120.0 nmol/(g · h),其中S20P0>S0P0>S20P52>S0P52,稻殼還田不施用磷肥處理S20P0顯著高于其它處理,稻殼還田配施磷肥處理S20P52和稻殼不還田且不施用磷肥處理S0P0顯著高于稻殼不還田施用磷肥處理S0P52;不同施肥處理土壤酸性磷酸酶活性為336.0～467.0 nmol/(g·h),其中S0P52>S20P0>S0P0>S20P52,稻殼不還田施用磷肥處理S0P52顯著高于稻殼還田配施磷肥處理S20P52和稻殼不還田且不施用磷肥處理S0P0。

圖5 增碳控磷對土壤堿性(a)和酸性(b)磷酸酶活性的影響Fig.5 Effects of increasing C with P reduction on soil alkaline (a) and acid (b) phosphatase activities

2.5 土壤磷組分與相關(guān)土壤性質(zhì)的關(guān)系

以土壤磷的不同形態(tài)(Olsen-P、MBP、HCl-P、Citrate-P、Enzyme-P和CaCl2-P)為響應(yīng)變量,土壤pH、DOC、SOC、MBC、ACP和ALP等土壤測試指標(biāo)為解釋變量進(jìn)行冗余分析(圖6),結(jié)果表明RDA第一排序軸和第二排序軸分別解釋了上述測試指標(biāo)對土壤磷組分含量變化影響程度的36.2%和19.1%。其中:MBC對土壤磷組分的影響最顯著,解釋了土壤磷變化的20.5%;其次是ACP(12.0%)、OC(11.4%)和ALP(11.1%)。

3 討 論

3.1 增碳控磷影響設(shè)施番茄產(chǎn)量、磷素盈余和土壤理化性質(zhì)分析

本研究發(fā)現(xiàn)不同施肥處理番茄產(chǎn)量無顯著差異且均達(dá)到了目標(biāo)產(chǎn)量120 t/hm2(圖1),這表明即使不施用磷肥,糞肥所含有的磷素,以及稻殼對土壤磷素的活化作用,已經(jīng)能夠滿足整個(gè)生育期內(nèi)作物生長的需求,這與Yu等[30]的研究結(jié)果一致。即使降低化學(xué)磷肥的投入(S0P0、S20P0)也能保持番茄產(chǎn)量,主要原因有:首先,設(shè)施蔬菜長期處于相對較高的溫度、水分和頻繁的干濕交替環(huán)境中,有利于提高土壤磷素有效性[17];其次,稻殼的施用也可以通過提高微生物量磷(圖4)和堿性磷酸酶活性(圖5)來提升微生物對磷素的周轉(zhuǎn)進(jìn)而在一定程度上提高了殘留磷的利用[31]。不同處理磷素表觀盈余均存在顯著差異(圖1),與稻殼不還田且不施用磷肥處理S0P0相比施用稻殼和磷肥都會(huì)顯著提高土壤磷素表觀盈余,其中稻殼還田配施磷肥S20P52最為明顯,稻殼還田不施用磷肥S20P0和稻殼不還田施用磷肥S0P52次之,這主要是因?yàn)榉柿系耐度霝橥寥缼肓瞬糠滞庠戳姿?。且在稻殼還田配施磷肥的基礎(chǔ)上減少磷肥,即稻殼還田不施用磷肥處理S20P0能在保證番茄產(chǎn)量的基礎(chǔ)上降低土壤磷素盈余。

土壤理化性質(zhì)能夠反映土壤環(huán)境和對植物的養(yǎng)分供應(yīng)能力。與稻殼不還田且不施用磷肥處理S0P0相比,增碳控磷(S20P0、S20P52)處理可以改變土壤pH,并顯著提高了土壤有機(jī)碳和速效磷含量(表2),這種變化一方面是肥料投入的養(yǎng)分差異性造成的,另一方面是這種差異性帶動(dòng)土壤內(nèi)部養(yǎng)分循環(huán)改變造成的。本研究中施磷和不施磷條件下施用稻殼即增碳顯著提高表層土壤有機(jī)質(zhì)含量,這與Yu等[30]研究結(jié)果一致。例如Luan等[33]的研究通過10年長期試驗(yàn)驗(yàn)證了有機(jī)物料的添加能夠促進(jìn)土壤有機(jī)碳封存,而單獨(dú)施用化肥則不利于土壤有機(jī)碳的積累。這主要是因?yàn)榈練な且环N高C/P比有機(jī)物料,在土壤有機(jī)碳為主要限制因子的設(shè)施菜田土壤體系中,稻殼施用能在顯著提升高活性有機(jī)碳含量的同時(shí)增加穩(wěn)定性有機(jī)碳的比例,協(xié)調(diào)有機(jī)碳的礦化與固持,增加有機(jī)碳固存[32]。

3.2 增碳控磷影響土壤磷素有效性分析

在施磷條件下,增碳顯著提高土壤全磷和速效磷含量(表2)。一方面,施用稻殼能夠提高土壤團(tuán)聚體含量,改善土壤結(jié)構(gòu)[34],這在一定程度上影響著土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化;另一方面,稻殼施用極大地增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量,對于促進(jìn)磷素的循環(huán)以及在活化土壤磷的生物與非生物過程起著直接或間接的作用,最終提高了土壤磷有效性[35]。而不施磷肥條件下稻殼的施用對于土壤速效磷含量的影響不大,這與 Yang等[36]的部分研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)?施用稻殼后,促進(jìn)了微生物的生長代謝,微生物會(huì)進(jìn)一步利用磷素來合成自身的微生物生物量,因此微生物會(huì)與植物根系競爭土壤中可利用的磷素[37]。

DGT技術(shù)所測得的土壤中經(jīng)擴(kuò)散的可溶性磷的量可以比較準(zhǔn)確地反映植物對磷的需求[38]。增碳顯著提高表層土壤DGT-P含量(圖2),可能是由于稻殼覆蓋提高土壤保水控肥能力,降低磷移動(dòng)性[20];稻殼還田不施用磷肥處理S20P0對DGT-P含量影響不顯著,可證明該措施是降低磷投入的可行措施。Deluca 等[21]和蔡觀等[22]基于生物利用磷素難易程度提出了基于磷素生物有效性的分級(jí)方法,利用不同的提取劑區(qū)分磷的生物活性。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中磷含量表現(xiàn)為:CaCl2-P

施磷條件下增碳顯著提高了Enzyme-P含量(圖3),這說明稻殼還田主要增加了土壤有機(jī)磷庫,更有利于土壤中磷素的持續(xù)供應(yīng)[17];另外一方面,稻殼還田經(jīng)微生物分解產(chǎn)生易溶的淀粉、氨基酸和糖類等提供豐富的易利用碳含量,因此微生物代謝活動(dòng)加強(qiáng),微生物量庫尤其是微生物量碳的含量顯著提升(圖4)[40],同時(shí)進(jìn)一步刺激了土壤堿性磷酸酶活性(圖5),促進(jìn)有機(jī)磷礦化為無機(jī)磷。因此在增碳控磷模式下微生物量碳解釋了土壤磷含量變化的20.5%。此外,稻殼具有較高的表面積,可以吸附酶促反應(yīng)的底物從而增加堿性磷酸酶活性[41]。而減施磷肥的情況下,施用稻殼顯著提高土壤HCl-P含量,這是因?yàn)槲⑸锖透捣置诋a(chǎn)生的大量質(zhì)子(H+)活化了土壤中難溶性礦物質(zhì)磷,使得HCl-P含量顯著提升,且稻殼還田不施用磷肥處理S20P0顯著提高了土壤微生物量磷含量和堿性磷酸酶活性,磷酸酶活性的增加是對缺磷的重要應(yīng)答機(jī)制[42]。在缺磷土壤中,稻殼的施用顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)水平,為微生物活動(dòng)提供了豐富的碳源和能源。微生物分配更多的資源用于磷素的轉(zhuǎn)化,因此會(huì)增強(qiáng)對土壤磷素的生物固定,提高微生物量磷含量,并分泌更多的磷酸酶,將有機(jī)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為供植物吸收利用的無機(jī)養(yǎng)分,從而在不施磷肥下維持土壤磷素有效性水平。因此,在增碳控磷模式下,微生物量、磷酸酶活性和土壤有機(jī)質(zhì)是影響土壤磷素變化的顯著因子。

4 結(jié) 論

本研究旨在探究外加碳源的同時(shí)控制磷肥投入對設(shè)施番茄產(chǎn)量及土壤磷素盈余、土壤基本理化性質(zhì)和磷素有效性的影響。主要結(jié)論如下:在稻殼還田條件下,與施用磷肥處理相比,不施磷肥處理在保證番茄產(chǎn)量的同時(shí)能夠通過降低磷肥的施用量,從源頭上減少磷素投入而維持土壤有機(jī)質(zhì)水平,使土壤中的磷素含量不同程度地降低,磷素盈余量從153.0 kg/hm2降至47.3 kg/hm2。因此,該措施在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,特別是在高投入和灌水量較高的集約化生產(chǎn)體系中,為磷素管理提供了新的思路。無論是施磷肥或不施磷肥情況下,稻殼還田都顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量。施磷肥和不施磷肥情況下,稻殼還田對于土壤磷含量的影響存在差異:在施用磷肥條件下,增碳使表層土壤TP含量提高了2.15倍,表層土壤Olsen-P含量提高了1.66倍,表層土壤 Enzyme-P含量提高了1.78倍而其它生物有效性磷組分和土壤 MBP含量無顯著變化; 在不施磷肥條件下,增碳主要是通過提高HCl-P含量(1.15倍)和土壤MBP含量(4.93倍)增加了土壤磷素盈余。稻殼還田不施用磷肥處理S20P0通過顯著提高M(jìn)BP和堿性磷酸酶活性,加快土壤有機(jī)磷的礦化周轉(zhuǎn)過程,維持CaCl2-P、Enzyme-P和HCl-P水平,滿足作物生長需求。稻殼還田不施用磷肥模式下影響土壤磷素含量變化的主要因素是土壤MBC(20.5%)和ACP(12.0%)。

土壤磷庫具有十分巨大的利用潛力,通過改變施肥物料的碳磷投入,緩解設(shè)施菜田碳限制狀況,調(diào)節(jié)微生物生物量庫,促進(jìn)其分泌更多與磷素循環(huán)相關(guān)的磷酸酶,是活化土壤磷素的重要過程。增碳有助于提高磷素生物有效性,而增碳條件下不施磷肥則是在此基礎(chǔ)上兼顧土壤健康,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的有效措施。