不同磷源对设施菜田土壤速效磷及其淋溶阈值的影响*

牛君仿, 冯俊霞, 张喜英**



不同磷源对设施菜田土壤速效磷及其淋溶阈值的影响*

牛君仿1, 冯俊霞2, 张喜英1**

(1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室 石家庄 050022; 2. 石家庄学院化工学院 石家庄 050035)

土壤中磷的移动性不仅取决于磷的数量且与磷肥形态有关。了解不同磷源(有机肥和化肥)对设施菜田土壤磷素的影响对于指导科学施肥和面源污染防治至关重要。本文选取河北省饶阳县3种不同磷含量的农田土壤(未种植过蔬菜的土壤、种植蔬菜30年的塑料大棚土壤和种植蔬菜4年的日光温室土壤)为研究对象, 采用室内培养试验和数学模型模拟方法研究有机无机磷源对设施菜田土壤磷素的影响, 确定无机肥和有机肥源土壤磷素淋溶的环境阈值。结果表明添加有机肥和无机磷肥都会显著增加3种不同种植年限设施菜田土壤速效磷(Olsen-P)和氯化钙磷(CaCl2-P)含量, 但增加速度不同。对于未种植过蔬菜的低磷对照土壤, 磷投入量高于50 mg∙kg-1(干土)后, 无机肥比有机肥显著提高了土壤Olsen-P含量。对于已种植蔬菜30年的塑料大棚土壤, 高磷投入时[300 mg∙kg-1(干土)和600 mg∙kg-1(干土)], 无机肥比有机肥显著提高了土壤Olsen-P含量, 低于此磷投入量时有机肥和无机肥处理之间没有显著差异。3种不同农田土壤CaCl2-P的含量所有处理均表现出无机肥显著高于有机肥处理, 尤其是在高磷量[>300 mg∙kg-1(干土)]投入时表现更加明显。两段式线性模拟结果表明, 设施菜田土壤有机肥源磷素和无机肥源磷素淋溶阈值分别为87.8 mg∙kg-1和198.7 mg∙kg-1。随着土壤Olsen-P的增加, 添加无机肥源磷对设施菜田土壤CaCl2-P含量的增加速率是有机肥源磷的两倍。因此, 建议在河北省高磷设施菜田应减少无机磷肥的投入, 特别是土壤速效磷高于198.7 mg∙kg-1的设施菜田应禁止使用化学磷肥和有机肥, 在土壤速效磷低于198.7 mg∙kg-1的设施菜田应加大有机肥适度替代无机肥技术的推广。

设施蔬菜;有机肥; 无机肥; 速效磷; CaCl2-P; 淋溶阈值

高肥水投入是我国设施蔬菜种植体系的重要特征。近年来中国设施蔬菜生产快速增长, 估计每年超过50%的畜牧业废弃物被循环利用到约占全国12%耕地的蔬菜生产中[1]。快速增长的畜牧业和大量的粪便废弃物在耕地中的施用导致农田土壤磷素的大量累积[2]。在蔬菜生产中, 农民往往忽略了粪肥在养分供应方面的作用, 在大量施用粪肥的基础上, 仍然施用大量化肥, 同时设施菜田灌溉具有灌水量大和频率高的特点, 导致该体系下磷素盈余和累积更高, 环境和可持续问题更加严重。在设施蔬菜生产体系中连续的磷素盈余导致高的土壤磷素含量, 日光温室0~20 cm表层土壤有效磷(Olsen-P)含量平均为179 mg∙kg-1, 有些地方40~60 cm土层Olsen-P和土壤氯化钙提取磷(CaCl2-P)含量增加并出现磷淋溶现象[2]。

关于土壤磷素淋溶的研究主要集中在淋溶损失特征及影响因素、土壤磷素淋溶阈值及影响因素等方面, 研究方法主要分为两类: 一方面通过室内土柱模拟试验或田间试验, 测定土壤淋洗液中不同形态磷含量的方法研究土壤磷素淋溶损失特征。另一方面通过室内培养试验, 测定土壤Olsen-P和CaCl2-P含量, 确定土壤CaCl2-P随土壤Olsen-P含量的增加存在的“突变点”, 即土壤磷素淋溶阈值表征土壤磷素的淋溶风险[3-4]。土壤Olsen-P、CaCl2-P是表征土壤供磷能力和确定磷肥用量及流失风险的重要指标。在中国, 以表层土Olsen-P为指标, 约92%和87%的设施菜田土壤超过农学阈值58 mg∙kg-1和环境阈值80 mg∙kg-1(以P计)[2]。因此, 设施菜田过量施肥造成的土壤磷素淋溶问题不容忽视。

施用化学磷肥和有机肥是提高土壤磷素含量的有效途径。化肥具有肥效快、易被作物吸收等特点, 而有机肥肥效缓慢[5-6]。磷的有效性与土壤类型有关[7]。土壤中磷的移动性不仅取决于磷的数量, 而且与施用的磷肥形态有关[8-14]。有机肥的施用可以促进磷素移动性的增加, 有机肥磷比化肥磷更容易淋洗到深层土壤[8]。因此了解无机有机磷肥对不同设施菜田土壤磷素的影响对于指导科学施肥和面源污染防治至关重要。土壤磷淋溶阈值因区域、土壤类型和种植模式的变化而差异较大[15-17]。近年来我国研究者针对农田土壤磷素环境阈值做了很多研究, 其中我国菜田土壤Olsen-P的淋溶阈值集中在50~80 mg∙kg-1(以P计)[2,18], 但很多文献中均是采用无机磷肥作为磷源测定的结果, 并没有区分有机肥源磷和无机肥源磷。本文通过研究添加有机肥和无机肥源磷对河北省典型设施菜田土壤Olsen-P和CaCl2-P含量的影响, 提出河北省设施菜田的土壤磷素淋溶阈值, 为河北省设施菜田土壤磷素淋溶风险评价和预测、有机肥的合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 土壤培养试验

本试验选用3种不同种植年限的设施菜田土壤为试验材料, 采样地点为河北省设施蔬菜大县衡水市饶阳县。包括①对照土壤: 未种植蔬菜的温室旁土壤, 速效磷含量较低(4.8 mg∙kg-1), 取自饶阳县尹村镇南北岩村, 以S1表示; ②塑料大棚土壤: 已种植蔬菜30年的塑料大棚土壤, 土壤速效磷含量很高(187.7 mg∙kg-1), 取自饶阳县大尹村镇北流满村, 以S2表示; ③日光温室土壤: 已种植蔬菜4年的日光温室土壤, 速效磷含量较高(159.4 mg∙kg-1), 取自饶阳县绿科示范园区, 以S3表示。3种土壤全部取自0~20 cm的表层土壤。土壤样品风干后过1 mm筛, 称取260 g, 加入不同量的有机肥和无机磷肥并混合均匀, 放入直径5 cm、高8 cm的塑料瓶中。不同种植年限的设施土壤性质见表1。

表1 3种供试土壤的基本物理化学性质

S1: 对照土壤; S2: 种植蔬菜30年的塑料大棚土壤; S3: 种植蔬菜4年的日光温室土壤。S1: soil next to the greenhousewithout planting vegetables; S2: plastic greenhouse soil with 30 years vegetables planting; S3: solar greenhouse soil with 4 years vegetables planting.

有机肥以M表示, 无机肥以F表示。设置6个磷水平(以P计): ①对照(不施肥, CK); ②50 mg∙kg-1(干土)(M50和F50); ③100 mg∙kg-1(干土)(M100和F100); ④150 mg∙kg-1(干土)(M150和F150); ⑤300 mg∙kg-1(干土)(M300和F300); ⑥600 mg∙kg-1(干土)(M600和F600)。每个处理设置3个重复。有机肥采用风干腐熟猪粪, 全氮、全磷、全钾含量分别为17.1 g∙kg-1、16.8 g∙kg-1、13.7 g∙kg-1, 碳含量为181.9 g∙kg-1, C∶N和C∶P分别为10.0和10.8。无机磷肥采用KH2PO4。每个塑料瓶瓶口覆盖膜, 膜上有两个孔保障空气流通, 然后将塑料瓶放置培养箱中(25±1) ℃恒温培养。水分控制在土壤饱和含水量的50%, 4 d后风干再加水至约50%的饱和持水量, 同上培养4 d后再风干, 如此进行4次干湿交替, 使得磷在土壤中的吸附解析达到平衡, 试验持续28 d后土壤风干待测。在试验进行之前测定3种土壤的饱和土壤含水量。将风干土装在100 cm3的环刀中, 按照1.3 g∙cm-3的容重装土, 环刀底部有孔的一端放一张滤纸, 放在一盆水中过夜, 然后拿出放置半天后, 称重, 接着烘干称重, 测定3种土壤S1、S2和S3的土壤饱和含水量()分别为38.0%、39.4%和40.7%。所以本试验培养3种土壤保持的土壤含水量()分别为19.0%、19.7%和20.4%。试验结束后风干土壤过2 mm筛, 测定土壤Olsen-P和CaCl2-P含量。

1.2 测定项目及方法

土壤基本物理化学性质中各项指标如pH、电导率、全氮、全磷、全钾和土壤硝态氮含量按照土壤常规分析方法进行测定[19]。土壤质地采用比重计法测定。有机肥全碳和全氮釆用碳氮分析仪测定。有机肥全磷全钾用浓硫酸-H2O2消煮后分别采用钒钼磺比色法和原子吸收光谱法测定。土壤有机质釆用重铬酸钾氧化法。土壤Olsen-P和CaCl2-P含量分别用0.5 mol∙L-1NaHCO3(pH8.5, 土水比1∶20)和0.01 mol∙L-1CaCl2(土水比为1∶5)浸提后钼锑抗比色法测定。

1.3 数据处理与统计分析

利用WPS 2016和Sigma Plot (12.5, Systat Software Inc.)进行数据和图表处理。数据方差分析采用SAS(8.0, SAS Institute)进行。土壤磷素阈值采用Sigma Plot 12.5软件两段式直线模型进行模拟分析, 确定土壤磷素淋溶阈值。

2 结果与分析

2.1 不同磷源对设施菜田土壤速效磷(Olsen-P)含量的影响

从整体来看, 由于速效磷基础值的差异, 无论加入有机肥还是无机肥, 对土壤速效磷都呈现出塑料大棚土壤>日光温室土壤>对照土壤的趋势。日光温室土壤除添加50 mg∙kg-1有机肥源磷处理外, 其他处理增施磷肥都显著提高了土壤Olsen-P含量; 同一磷水平处理中, 土壤Olsen-P含量施无机肥处理显著高于施有机肥处理(图1)。对于低磷对照土壤, 投入低量磷时(50 mg∙kg-1), 有机肥和无机肥处理土壤Olsen-P含量没有显著差异。磷投入量高于50 mg∙kg-1后, 与有机肥处理相比, 无机肥处理显著提高了土壤Olsen-P含量。对于塑料大棚土壤, 磷投入量低于150 mg∙kg-1时, 有机肥和无机肥对土壤Olsen-P含量没有显著差异; 高磷投入时(300 mg∙kg-1和600 mg∙kg-1), 与施有机肥相比, 无机肥施用显著提高了土壤Olsen-P含量。对于日光温室土壤, 所有磷投入量处理无机肥显著高于有机肥处理。

图1 施用有机肥和无机肥对不同设施菜田土壤速效磷的影响

CK、M和F分别代表不施肥、有机肥和无机肥处理, 其后面的数字代表施肥量[mg(P)∙kg-1(干土)]; S1、S2和S3分别代表对照土壤、已种植30年蔬菜的塑料大棚土壤和种植4年蔬菜的日光温室土壤。每个数值为3个重复的平均值±SD。不同字母表示同一土壤类型不同施肥处理之间差异显著(≤0.05)。CK, M and F denote no fertilizer, manure and inorganic fertilizer treatments, respectively. Numbers following M and F indicate fertilization levels [mg(P)∙kg-1(dry soil)]. S1, S2 and S3 indicate the control soil next to the greenhouse without planting vegetables, plastic greenhouse soil with 30 years vegetables planting and solar greenhouse soil with 4 years vegetables planting. Bars represent the standard deviation of three replicates. Means of different fertilization treatments of the same soil type with different letters are significantly different at≤ 0.05.

2.2 不同磷源对设施菜田土壤氯化钙提取磷(CaCl2-P)含量的影响

不同处理土壤CaCl2-P含量为0~60 mg∙kg-1, 远远低于土壤Olsen-P含量。从整体来看, 3种不同设施菜田土壤CaCl2-P的含量均表现为同一施肥量无机肥处理显著高于有机肥处理, 尤其是在高磷投入量(>300 mg∙kg-1)时表现更加明显(图2)。3种不同设施土壤添加无机肥源磷各处理较对照均显著增加了土壤CaCl2-P(图2)。对于低磷对照土壤, 磷投入量≤150 mg∙kg-1时, 添加有机肥对土壤CaCl2-P含量没有显著影响, 高于此值时土壤CaCl2-P含量显著升高。对于塑料大棚土壤, 有机肥源磷投入量高于100 mg∙kg-1时土壤CaCl2-P磷显著增加。对于日光温室土壤而言, 添加有机肥源磷所有处理CaCl2-P含量较对照均显著增加。

2.3 不同磷源下设施菜田土壤磷素增速及其模拟

分别以土壤Olsen-P和CaCl2-P的增加量为纵坐标, 磷添加量为横坐标作图来模拟磷投入量与土壤速效磷和CaCl2-P含量增加速率的关系, 如图3所示。对于3种不同磷含量的设施菜田土壤, 无论施用有机肥还是无机肥土壤Olsen-P含量都呈线性增加的趋势, 且都达显著相关水平(图3a和表2)。有机肥源磷对土壤Olsen-P的增加速率远远低于无机肥处理(图3a)。但是不同设施菜田土壤Olsen-P增速不同。从模拟线性回归方程的斜率来看, 斜率越小土壤Olsen-P的增速越慢。对于添加有机肥源磷来说, 磷投入量低于300 mg∙kg-1时, 土壤Olsen-P的增加量表现为塑料大棚土壤>对照土壤>日光温室土壤; 当磷添加量为600 mg∙kg-1时, 对照土壤Olsen-P增加量最大。对于添加无机磷肥来说, 土壤Olsen-P的增加速率表现为塑料大棚土壤>日光温室土壤>对照土壤(图3a和表2)。

图2 施用有机肥和无机肥对不同设施菜田土壤氯化钙磷的影响

CK、M和F分别代表不施肥、有机肥和无机肥处理, 其后面的数字代表施肥量[mg(P)∙kg-1(干土)]; S1、S2和S3分别代表对照土壤、种植30年蔬菜的塑料大棚土壤和种植4年蔬菜的日光温室土壤。每个数值为3个重复的平均值±SD。不同字母表示同一土壤类型不同施肥处理之间差异显著(≤0.05)。CK, M and F denote no fertilizer, manure and inorganic fertilizer treatments, respectively. Numbers following M and F indicate fertilization levels [mg(P)∙kg-1(dry soil)]. S1, S2 and S3 indicate the control soil next to the greenhouse without planting vegetables, plastic greenhouse soil with 30 years vegetablesplanting and solar greenhouse soil with 4 years vegetables planting. Bars represent the standard deviation of three replicates. Means of different fertilization treatments of the same soil type with different letters are significantly different at≤0.05.

添加不同磷源后设施菜田土壤CaCl2-P的增加量表现趋势与土壤Olsen-P表现不同。整体来看添加无机肥源磷后CaCl2-P的增加量要远远高于有机肥源磷处理(图3b)。添加有机肥源磷后3种不同设施菜田土壤CaCl2-P均表现出线性增加的趋势, 塑料大棚土壤和日光温室土壤CaCl2-P增加速率相近, 且均高于对照土壤(图3b和表2)。添加无机肥源磷土壤CaCl2-P的变化与Olsen-P的变化不同: 日光温室土壤和塑料大棚土壤添加无机肥源磷后CaCl2-P增加量远远高于对照土壤, 在磷添加量小于300 mg∙kg-1时, 土壤CaCl2-P含量随着土壤无机肥源磷量的增大呈快速增加的趋势, 当无机肥源添加量高于300 mg∙kg-1时, 土壤CaCl2-P含量随着无机肥源磷的增加增速变缓, 呈抛物线模式(图3b和表2)。无机肥源磷对3种设施菜田土壤CaCl2-P的差异高于有机肥源磷处理(图3b和表2)。

图3 施用有机肥和无机肥对不同设施菜田土壤Olsen-P(a)和氯化钙提取磷(CaCl2-P)(b)增加量的影响

S1、S2和S3分别代表对照土壤、种植30年蔬菜的塑料大棚土壤和种植4年蔬菜的日光温室土壤, M和F分别代表有机肥和无机肥处理。S1, S2 and S3 indicate the control soil next to the greenhouse without planting vegetables, plastic greenhouse soil with 30 years vegetablesplanting and solar greenhouse soil with 4 years vegetables planting. M and F denote manure and inorganic fertilizer treatments, respectively.

表2 添加有机肥和无机肥对不同设施菜田土壤Olsen-P和氯化钙提取磷(CaCl2-P)增量的模拟

S1、S2和S3分别代表对照土壤、种植30年蔬菜的塑料大棚土壤和种植4年蔬菜的日光温室土壤。S1, S2 and S3 indicate the control soil next to the greenhouse without planting vegetables, plastic greenhouse soil with 30 years vegetablesplanting and solar greenhouse soil with 4 years vegetables planting.

2.4 不同磷源对设施菜田土壤磷素淋溶阈值的影响

由于所取3种土壤属于同种土壤类型, 以所有添加有机肥源磷处理的土壤Olsen-P作为横坐标, 土壤CaCl2-P为纵坐标, 利用Sigmaplot软件两段式直线模型进行模拟分析, 找出拐点确定土壤磷素淋溶阈值, 如图4a所示。按照同样的方法将所有添加无机肥源磷处理数据作图如图4b所示。从图4a可知, 添加有机肥源, 当土壤Olsen-P小于87.8 mg∙kg-1时, 土壤CaCl2-P增加缓慢, 土壤Olsen-P每增加1个浓度单位, 土壤CaCl2-P增加0.028 mg∙kg-1; 当土壤Olsen-P大于87.8 mg∙kg-1时, 土壤CaCl2-P快速增加, 土壤Olsen-P每增加1个浓度单位, 土壤CaCl2-P增加0.056 mg∙kg-1, 即饶阳县设施菜田有机肥源磷土壤淋溶阈值为87.8 mg∙kg-1。从图4b可知, 添加无机肥源磷与有机肥源磷处理不同, 随着土壤Olsen-P的增加, 土壤CaCl2-P的增加速率远远高于有机肥源磷处理。当土壤Olsen-P小于198.7 mg∙kg-1时, 随着土壤Olsen-P含量的增加土壤CaCl2-P增速较慢, 土壤Olsen-P每增加1个浓度单位, 土壤CaCl2-P增加0.06 mg∙kg-1, 当土壤Olsen-P大于198.7 mg∙kg-1时, 土壤Olsen-P每增加1个浓度单位, 土壤CaCl2-P增加0.11 mg∙kg-1, 其增速是有机肥源磷处理的2.0倍。

图4 添加有机肥磷(a)和无机肥磷(b)条件下设施菜田土壤Olsen-P含量和CaCl2-P含量的关系

3 讨论与结论

3.1 不同磷源对不同设施菜田土壤Olsen-P和CaCl2-P的影响

施用化学磷肥和有机肥是提高了土壤Olsen-P含量的有效途径。化肥具有肥效快、易被作物吸收等特点, 而有机肥肥效缓慢, 不能及时满足作物关键生育时期对养分的需求[5]。许多研究表明有机肥磷的有效性低于KH2PO4-P[6-7], 且磷的有效性与土壤类型有关[7]。本试验中无论施用无机肥还是有机肥都显著增加了3种设施菜田土壤Olsen-P含量, 且有机肥源磷对土壤Olsen-P的增加速率远远低于无机肥。添加有机肥后对不同设施菜田土壤上Olsen-P增速不同。当投入量低于300 mg∙kg-1时, 添加有机肥源磷土壤Olsen-P的增加量表现为塑料大棚土壤>对照土壤>日光温室土壤。在石灰性设施菜田土壤上连续4年的研究结果表明, 连续施用有机肥和化肥造成土壤表层土壤磷的累积, 养分投入量相同的情况下, 施用有机肥蔬菜产量低于施用化肥, 作物磷带走量少, 造成土壤磷素累积比施用化肥严重[20]。也有研究结果不同, 注射液体有机肥到土壤中磷的有效性高于KH2PO4-P[21]。本文中有机肥磷的有效性低于化肥与选用的风干腐熟猪粪作为有机肥有关。

有机肥磷的相对有效性随着土壤pH和砂粒含量的增加而增加[6]。曹文超等[22]对寿光地区设施菜田土壤的研究结果表明, 各土层土壤pH随着种植年限的增加而下降。本文中种植30年蔬菜的塑料大棚土壤pH低于种植4年蔬菜的日光温室土壤, 温室旁未种植蔬菜的土壤pH最高。低pH是已种植30年蔬菜的塑料大棚土壤施用有机肥后土壤Olsen-P增速快的原因之一。

土壤有机质或者添加秸秆, 腐殖酸等有机物质可以提升肥料磷的有效性[23-26]。30年塑料大棚土壤有机质含量大大高于日光温室土壤和对照土壤, 高有机质含量也是已种植30年蔬菜的塑料大棚土壤施用有机肥后土壤Olsen-P增速快的原因之一。

3.2 设施菜田土壤磷素淋溶阈值

土壤磷水平是决定农田磷素流失的首要因素, 在一定程度上可以反映出土壤磷素流失的潜能。采用水或0.01 mol∙L-1CaCl2-P溶液提取的水溶性磷与磷素流失具有显著的正相关关系, 是评价磷素损失的有效指标[27-28]。已有研究表明, 土壤中有效磷含量与CaCl2-P之间存在一个迅速增加的拐点值, 此拐点值则为土壤磷的环境阈值, 可用于预测土壤磷素的淋失风险[3-4]。土壤磷环境阈值因区域、土壤类型和种植模式的变化而差异较大[15-17]。Olsen-P是我国广泛运用的土壤有效磷测定方法。近年来我国研究者针对农田土壤磷素环境阈值做了很多研究, 其中我国菜田土壤Olsen-P的环境阈值集中在50~80 mg∙kg-1(以P计){王新军, 2006 #2094;Yan, 2013 #1888}[2,18], 但很多文献中均采用无机磷肥作为磷源测定的结果, 并没有区分有机肥磷源和无机肥源磷。本文结果表明河北省典型设施菜田土壤有机肥源磷素淋溶阈值为87.8 mg∙kg-1, 与已报到的文献结果基本一致, 但是无机肥源磷素淋溶阈值为198.7 mg∙kg-1, 其结果高于其他已发表的淋溶阈值。土壤中磷素的移动性取决于土壤中磷素的数量和形态, 且有机肥的施用可以促进磷素移动性的增加, 有机肥磷比化肥磷更容易淋洗到深层土壤[8]。与无机肥和复合肥相比, 高的有机肥投入显著增加了磷饱和度[10,12-14], 磷的吸附强度降低[9,14]。一般而言, 与无机磷相比, 水溶性或胶体态有机磷不易被土壤固定, 是低磷饱和度土壤中磷素在剖面移动的主要形态, 但是在高磷饱和度土壤上两者的移动性差异下降[29]。而在本试验中涉及的设施菜田土壤是磷素含量很高的石灰性土壤, 属于磷高饱和土壤, 投入相同量磷的条件下, 施用无机肥对土壤CaCl2-P的提升速率要远远高于有机肥处理。虽然无机肥源磷淋溶阈值大大高于无机肥源磷处理, 但无机肥源磷带来的淋溶风险要远远高于有机肥。因此笔者认为在河北省高磷设施土壤应减少无机磷肥的投入, 特别是在速效磷高于198.7 mg∙kg-1设施菜田土壤上应禁止施用化学磷肥和有机肥, 在土壤速效磷低于198.7 mg∙kg-1的设施菜田中加大有机肥适度替代无机肥的推广更能实现磷的面源污染防控。

许多肥料推荐和研究运用养分平衡技术和肥料效应回归函数来计算合适的磷投入量, 从而达到最大的作物产量和经济效益。但是该方法不能正确评价农业生态系统中磷肥施用的潜在环境风险。有机肥推荐施肥既要基于产量又要考虑到有效性和潜在面源污染风险。在设施菜田磷肥管理满足植物需求并不是唯一的必备条件, 必须考虑肥料种类, 特别是有机磷可能加重负面的环境效应[13]。土壤磷素淋溶阈值低只是说明其淋失的环境风险较高, 实际的淋溶量还受环境条件特别是水分条件等影响, 需要综合考虑土壤所在区域的气候和水文条件等[30]。大量资料证明, 高有机质含量、粗质地、频繁耕作、高有效磷水平和高灌溉量都是引起土壤磷素大量淋失的主要原因[1,28]。由于设施菜田的灌溉比较勤, 特别是大水漫灌, 沟灌没有实现水肥一体化的设施菜田土壤磷淋失风险更高。必须要区分种植较长时间的棚室和新棚室的管理模式, 老棚由于常年大水大肥的高度集约化管理模式造成土壤酸化, 有机质含量提升, 土壤速效磷含量超高, 有利于土壤磷素活化, 施肥后土壤速效磷和CaCl2-P提升速度快, 加大了土壤磷素的淋溶风险。应该重视区分有机肥和无机肥在不同土壤上对土壤磷素的增加规律, 明确增施有机肥的利弊, 切勿盲目地推进有机肥替代化肥计划, 特别是在高磷累积的设施菜田上, 应该增施如秸秆及微生物肥料、腐殖酸肥料等低磷含量有机肥, 增加有机质含量, 从而提升地力和土壤中磷的活性, 更好地指导设施菜田土壤磷素科学管理, 制定和优化管理措施, 实现设施菜田土壤面源污染防控。

本文通过土壤培养和数学模型模拟的方法确定了河北省典型设施菜田土壤有机肥源磷和无机肥源磷磷素淋溶阈值分别为87.8 mg∙kg-1和198.7 mg∙kg-1。添加有机肥和无机磷肥都会显著增加3种不同种植年限设施菜田Olsen-P和CaCl2-P含量, 但增加速度不同。随着土壤Olsen-P的增加, 添加无机肥源磷对设施菜田土壤CaCl2-P的增加速率是施有机肥源磷处理的两倍。因此, 建议在河北省高磷设施菜田应减少无机磷肥的投入, 特别是土壤速效磷高于198.7 mg∙kg-1的设施菜田应禁止使用化学磷肥和有机肥, 在土壤速效磷低于198.7 mg∙kg-1的设施菜田中加大有机肥适度替代无机肥的推广, 必须区分新老棚室的管理模式, 有助于实现磷的面源污染防控。由于本试验为室内土壤培养试验的结果, 结论仍需在大田试验中进一步验证。

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Available phosphorus status and critical threshold for leaching in greenhouse soils influenced by different fertilizer sources*

NIU Junfang1, FENG Junxia2, ZHANG Xiying1**

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Water-Saving Agriculture, Shijiazhuang 050022, China; 2. School of Chemical Engineering, Shijiazhuang University, Shijiazhuang 050035, China)

It is significant to study soil phosphorus (P) leaching resulted from excessive inputs of manure or chemical fertilizer in greenhouse soils. Soil P movement not only depends on content but also on forms of P supplied by fertilizers. Therefore, research on soil P status influenced by manure and chemical fertilizers is important for scientific fertilization and preventing non-point source pollution. In this paper, laboratory soil incubation experiment was conducted to investigate soil available P (Olsen-P) and calcium chloride extracts P (CaCl2-P) contents influenced by manure and inorganic P sources at different rates [0, 50, 100, 150, 300, 600 mg(P)∙kg-1(dry soil)] in three soils with different planting years in Raoyang County, Hebei Province. The three soils included soil next to the greenhouse without planting vegetables (control), plastic greenhouse soil with 30 years of planting vegetables (plastic greenhouse soil) and solar greenhouse soil with 4 years of planting vegetables (solar greenhouse soil). The main purpose was to study the effects on available P content in greenhouse soils and determine the threshold of P leaching under manure and inorganic fertilizers application by mathematical stimulation. The results showed that both organic and inorganic P input increased soil Olsen-P and CaCl2-P contents significantly in three soils. For the control soil with low Olsen-P content, inorganic fertilizer improved Olsen-P content more greatly compared to manure when the fertilizer rate was more than 50 mg(P)∙kg-1(dry soil). But for the plastic greenhouse soils, only under higher P input [300 and 600 mg(P)∙kg-1(dry soil)], inorganic fertilizer showed more significantly Olsen-P-increasing effect than manure. And there was no significant difference between inorganic and organic fertilizers at low P supply. In general, soil CaCl2-P content was higher under inorganic fertilizer treatments than organic fertilizer treatments in three types of soil, especially under high P input rate [>300 mg(P)∙kg-1(dry soil)]. Two segment linear regression analyses results showed that the critical soil P leaching thresholds under organic and inorganic P addition in greenhouse soils were 87.8 mg∙kg-1and 198.7 mg∙kg-1, respectively. With the increase of soil Olsen-P, the increment rate of soil CaCl2-P with inorganic P addition was twice as much as that with organic P addition. Therefore, in the high P greenhouse soils in Hebei Province, the input of inorganic P fertilizer should be reduced. All P input from manure and inorganic fertilizers should be prohibited in greenhouses soil with Olsen-P content exceeding 198.7 mg∙kg-1. In vegetable greenhouses with soil Olsen-P below 198.7 mg∙kg-1, manure replacement of inorganic fertilizer should be intensified.

Greenhouse vegetable; Organic fertilizer; Inorganic fertilizer; Olsen-P; CaCl2-P; Critical leaching threshold

, E-mail: xyzhang@sjziam.ac.cn

Oct. 12, 2018;

Dec. 25, 2018

S14; S19

A

2096-6237(2019)05-0686-08

10.13930/j.cnki.cjea.180909

牛君仿, 冯俊霞, 张喜英. 不同磷源对设施菜田土壤速效磷及其淋溶阈值的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(5): 686-693

NIU J F, FENG J X, ZHANG X Y. Available phosphorus status and critical threshold for leaching in greenhouse soils influenced by different fertilizer sources[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(5): 686-693

* 国家重点研发计划项目(2016YFD0801005)资助

张喜英, 主要从事农田节水技术与机理研究。E-mail: xyzhang@sjziam.ac.cn

牛君仿, 主要从事农田水肥高效利用方面研究。E-mail: niujf@sjziam.ac.cn

2018-10-12

2018-12-25

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0801005).