减施磷肥提高设施番茄氮磷钾生理效率并减少土壤速效磷累积

赵 伟，杨圆圆，蒋丽媛，张 凯，陈志杰，周建斌，杨兆森*

（1 渭南市农业技术推广中心，陕西渭南 714000；2 陕西省生物农业研究所，陕西西安 710043；3 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100）

磷是作物必需的大量元素之一，对作物生长发育和产量构成有重要作用[1]。蔬菜和果树是仅次于粮食作物的第二大养分需求作物，其氮磷钾养分需要量占全国农业生产总需求的20.8%[2]。为追求高效益，菜地施肥量远超过蔬菜生长需求，养分比例存在严重不合理的现象[3-5]。在全面实施平衡施肥的情况下，普遍存在磷肥投入过量[2,6]。2014—2015年我们对渭南地区10个县区50多个代表性园区种植户的施肥情况进行调查发现，当时多数农户采用大水漫灌的灌水方式，化肥投入的P2O5达1245 kg/hm2，比当地推荐值高出4～5倍。根据科学施肥指标，陕西省设施番茄磷肥过量施用比例为67.4%[7]；磷肥过量在山东寿光、河北等设施栽培中均普遍存在[8-9]。过量施磷造成西安郊区设施蔬菜表层土壤速效磷含量平均为159 mg/kg，最高值高达450 mg/kg[3]，关中地区设施蔬菜表层土壤速效磷含量为227 mg/kg[10]。长期过量施肥，造成土壤盐分积累、土壤板结[11]等土壤环境问题和水环境污染，影响设施土壤的可持续利用和农产品质量[12-15]。控制磷肥投入，有效管理土壤磷养分已成为当今蔬菜生产中亟待解决的关键问题之一。

目前，对设施蔬菜磷肥的研究相对较多。有研究发现，磷肥用量与番茄、辣椒产量表现为典型的抛物线关系，当P2O5用量低于225 kg/hm2时，随磷肥用量的增加，番茄、辣椒产量增加，当P2O5用量高于225 kg/km2时，进一步增加磷肥用量导致产量下降[16-17]。黄楠等[18]发现，适当地减施磷肥不影响番茄产量和品质，反而还有所提高。目前对设施蔬菜磷肥的研究主要集中在单季产量、品质和土壤养分，鲜见连续多季减磷施肥对番茄养分吸收分配的相关研究。因此本研究从番茄养分吸收和分配入手，探索维持土壤磷素有效贡献的磷肥用量范围。本研究在一年减磷试验基础上继续开展第二年田间定位试验，分析连续两年降低磷肥用量对番茄产量、干物质累积、养分吸收及分配的影响，从而明确关中地区设施番茄的减磷潜力，为设施蔬菜科学施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2015年4—8月、2016年3—6月在渭南市陕西省科学院现代农业科技示范基地塑料大棚进行。本试验为定点试验，番茄收获后不再种植其他作物。供试土壤为土，耕层土壤含有机质11.37 g/kg、全氮0.489 g/kg、全磷0.740 g/kg、全钾21.4 g/kg、矿质态氮25.4 mg/kg、速效磷221 mg/kg、速效钾224 mg/kg，田间饱和持水量24.7%、土壤容重1.26 g/cm3。塑料大棚长70 m、宽8 m，2014年2月建成。

1.2 试验设计

田间试验进行了两年，依据第一年试验结果，第二年处理稍有变动。2015年试验设置3个磷肥水平，以当地农民习惯N-P2O5-KO2施用量850-891-1215为基础 (CK)，设减磷肥用量50% (P1)和减磷70% (P2) 两个处理，P2处理用量同当地推荐磷肥用量[19]，2016年N、K2O施用量改为当地推荐用量，试验处理依然为3个磷用量，增设不施磷处理(P0)。2015、2016年各处理氮、磷、钾肥投入量见表1。2015年基施风干牛粪112.5 t/hm2，2016年基施风干牛粪80 t/hm2。有机肥和磷肥全部基施，氮、钾分5次追施，追肥时间分别为定植期、前4穗果膨大期，定植期施肥为肥料总量的10%，其他膨果期分别为总量的22.5%。试验所用化肥为尿素 (N 46%)、过磷酸钙 (P2O512%)、硫酸钾 (52%)。各处理重复3次，采用完全随机排列，小区面积为12.96 m2(3.6 m × 3.6 m)，每小区栽植42株。2015年采用番茄品种为‘金鹏11号’，4月定植，8月中旬拉秧，2016年为‘金鹏M6011’，3月10日定植，6月30日拉秧。2016年灌水方式采用窄行间膜下滴灌，田间管理同常规管理。

表1 各施肥处理养分用量Table 1 The fertilizer rates of different treatments

1.3 测定指标与方法

番茄产量用电子称记录各小区整个生长周期的果实产量，核算单位面积产量。在定植前、盛果期和拉秧期用土钻取0—20 cm、20—40 cm和40—60 cm土层土壤，风干后测土壤速效磷含量。在膨果期和盛果期每小区采集3株代表性植株，分别测定根、茎、叶、果实生物量，及植株氮磷钾养分含量。土壤速效磷和植株氮磷钾养分的测定均采用常规方法[20]。

1.4 数据处理和分析

数据用SAS Verion 8.1进行方差分析，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 减施磷肥对番茄产量的影响

由表2可见，减磷施肥处理与CK相比番茄产量差异不显著，2015年番茄产量在53.9～55.1 t/hm2；2016年P0处理番茄产量为51.8 t/hm2，与各施磷处理无显著差异。

表2 减施磷肥对番茄产量的影响 (t/hm2)Table 2 Effect of phosphorus reduction on tomato yield

2.2 减施磷肥对番茄干物质累积与分配的影响

膨果期不同施肥处理番茄根、茎、叶、果干物质量差异不显著，此时番茄生长中心为叶片，叶片干物质分配率为62.8%～65.7%。盛果期，与CK处理相比，各减磷处理显著降低番茄茎、叶干物质量和叶片干物质分配率，降幅分别为12%～17%、17%～24%和8%～13%，显著提高果实干物质分配率，增幅为11%～16% (表3)。膨果期和盛果期番茄地上部生物量为2844～2974 kg/hm2和9310～10692 kg/hm2，不同处理间差异不显著，但随磷肥用量的减少呈降低趋势。

2.3 减施磷肥对植株养分含量的影响

膨果期 (图1-A、B、C) P1处理番茄根、茎、叶氮含量最高，P2处理最低 (P ＜ 0.05)；P0处理番茄根、叶磷含量分别为0.187%和0.288%，显著低于其他施肥处理，茎磷含量高于其他处理。CK处理番茄叶、果钾含量分别为2.30%和3.75%，显著高于其他施肥处理。

盛果期 (图1-D、E、F) P0处理番茄根、茎和叶磷、钾含量显著低于其他处理。P1处理番茄叶片磷含量为0.352%，显著高于其他处理。番茄根系和果实钾含量随磷肥用量减少而降低，CK处理番茄根、叶、果钾含量显著高于其他处理。盛果期根、茎、叶、果氮磷钾养分含量较膨果期均有所降低。

2.4 减施磷肥对养分累积和分配的影响

2.4.1 氮素 从表4可见，膨果期不同处理番茄氮素累积量差异不显著，番茄叶、茎、果、根氮素累积量分别为 59.7～65.3 kg/hm2、10.8～12.6 kg/hm2、9.3～10.9 kg/hm2和2.6～2.9 kg/hm2。盛果期，随磷肥用量降低，番茄根系氮累积量有降低趋势；与CK相比，P1和P2处理显著降低番茄叶片氮素累积量和分配率，提高果实氮素分配率。此时，氮素累积主要集中在果实和叶片，两者分配率之和为84.6%～86.7%。

2.4.2 磷素 由表5可知，膨果期P2处理番茄根系磷累积量最高，为0.40 kg/hm2。与CK处理相比，各减磷施肥处理均显著降低叶片磷累积量，降幅为12.2%～18.7%。番茄叶、茎、果、根磷素累积量分别为 5.51～6.77 kg/hm2、2.41～2.84 kg/hm2、1.49～1.79 kg/hm2、0.32～0.40 kg/hm2。P2 处理较CK处理显著提高番茄根系磷素分配率。各减磷处理较CK处理显著降低磷素在叶片中的分配率，提高磷素在果实中分配率。

盛果期，P1处理番茄根系和茎磷素累积量和分配率均最低。与CK处理比，各减磷处理显著降低番茄叶片磷素累积量，降幅为11.1%～22.8%，提高果实磷素累积量和分配率，增幅为7.7%～14.5%和20.1%～23.0%。

2.4.3 钾素 由表6可知，膨果期P2处理番茄根系钾素累积量和分配率最高，CK处理最低。P2处理番茄茎钾素分配率最高为29.4%。与CK处理相比，各减磷处理显著降低番茄叶片钾素累积量和分配率，降幅为9.4%～20.5%和3.3%～8.7%；增加了果实钾素分配率，增幅为10.4%～30.0%。

盛果期，CK处理番茄根、茎、叶、果的钾素累积量均最高。与CK处理相比，各减磷处理均显著提高果实钾素分配率，增幅为9.8%～12.4%，降低叶片钾素分配率，降幅为18.2%～29.9%。

表3 减施磷肥对番茄不同时期干物质量和分配率的影响Table 3 Effect of phosphorus reduction on dry matter accumulation in tomato at different periods

2.4.4 养分总累积量 不同施肥处理对膨果期番茄植株氮、磷和钾的累积量无显著影响，此时番茄氮、磷、钾的累积量分别为83.2～89.9 kg/hm2、10.3～11.1 kg/hm2、75.0～85.9 kg/hm2。盛果期，CK处理番茄吸收钾显著高于各减磷处理；此时番茄氮、磷、钾的携出量分别为197～226 kg/hm2、33～37 kg/hm2、200～247 kg/hm2(图 2)。

表5 减施磷肥对番茄不同生育期磷素累积量和分配率的影响Table 5 Effect of phosphorus reduction on P accumulation and allocation rate in tomato at different periods

表6 减施磷肥对番茄不同生育期钾素累积量和分配率的影响Table 6 Effect of phosphorus reduction on K accumulation and alloction rate in tomato at different periods

2.5 减磷施肥对土壤速效磷含量的影响

由图3可见，2016年种植前土壤速效磷主要集中在0—20 cm土层。CK处理0—20 cm和20—40 cm土层土壤速效磷含量分别为253 mg/kg和41.5 mg/kg，显著高于其他处理；40—60 cm土层土壤速效磷含量为6.2～10.2 mg/kg，各处理间差异不显著。膨果期0—20 cm土层土壤速效磷含量较种植前均下降，减少量为27.0～60.9 mg/kg，而20—60 cm土壤速效磷含量均呈上升趋势，增量为11.8～50.1 mg/kg，减磷处理显著降低20—60 cm土壤速效磷增加量，可见速效磷在土壤剖面发生向下迁移，减磷施肥可减少磷素向下迁移量；此时CK处理0—20 cm和20—40 cm土层土壤速效磷含量均最高，P0处理最低。拉秧期，P0处理0—20 cm土壤速效磷含量最低为163 mg/kg，P2和P1次之，CK处理最高，可见降低磷肥用量可有效降低土壤速效磷含量，但此时土壤速效磷含量仍处于较高水平。

图2 减施磷肥对不同时期番茄养分吸收的影响Fig. 2 Effect of phosphorus fertilization on nutrient uptake of tomato at different periods[注（Note）：柱上不同小写字母表示处理间养分吸收差异显著 (P ＜ 0.05)Different small letters above the bars indicate significantly different among treatments (P ＜ 0.05).]

图3 减施磷肥番茄不同时期土壤速效磷含量Fig. 3 Soil Olsen-P contents in different tomato growing periods under phosphorus reduction

3 讨论

3.1 减磷施肥对番茄产量、养分吸收的影响

磷是作物必需的大量元素之一，对作物产量构成有重要作用[1]。对基础速效磷含量低 (约5 mg/kg)的灌淤土研究发现，番茄产量与施磷量呈典型的抛物线关系[17]。而对基础速效磷含量中等 (40 mg/kg) 的壤质石灰性潮土研究发现，连续3年较农民常规施肥 (675 kg/hm2) 减磷60%或不施磷并未降低番茄产量[21]。本试验对基础速效磷含量较高 (约220 mg/kg)的土研究发现，连续两年减磷70%或一年不施磷肥不影响番茄产量，这与郑杰[22]研究结果一致，可见在关中地区设施番茄减磷潜力较大。

作物干物质累积与养分累积吸收有着密切的关系，养分累积吸收是干物质累积的基础[23]。本研究发现，减施磷肥较农民习惯施肥降低盛果期番茄茎、叶干物质量，提高果实全磷含量，而不同处理番茄膨果期和盛果期磷素总累积吸收量无显著差异，可见降低磷肥用量并未影响番茄对磷素的吸收。这与前人研究结果较接近。李若楠等[21]研究表明，连续3年减施磷肥或不施磷不影响番茄对磷素的吸收。

本研究中农民习惯施肥处理盛果期番茄钾素吸收量显著高于其他处理，这与该处理盛果期果实和叶片钾含量高，同时叶片干物质量大有关。李青军等[24]研究也表明，减磷处理降低加工番茄茎、叶的吸钾量。过量施磷造成钾吸收量增加的机理尚待研究。

3.2 减磷施肥对番茄养分分配的影响

植物器官干物质和养分的分配比例反映了植物的生长中心[25]。本研究发现，膨果期62.8%～65.7%干物质分配于叶片，此时番茄叶片和茎杆是养分的主要累积部位，茎叶氮、磷、钾分配率之和分别为84.4%～86.4%、79.4%～83.4%、76.9%～82.3%，番茄氮、磷、钾吸收比例为1∶0.12∶0.84～0.96，此时钾的吸收量已较高，因此在农业生产中应注意前期钾的投入。盛果期43.0%～44.6%和37.0%～44.6%的干物质分配于果实和叶片，此时番茄果实和叶片为养分主要累积部位，果实和叶片氮、磷、钾分配率之和84.6%～86.7%、78.5%～82.7%、81.4%～83.9%。本研究中每生产1000 kg果实养分吸收量为N 3.8～4.3 kg、P2O50.64～0.69 kg、K2O 3.9～4.1 kg。该结果与他人研究结果相比氮和钾的携出量偏高[26]，这可能与本研究采用的番茄品种、栽培茬口及植株长势有关。

本研究发现，过量施磷增加了干物质和养分在叶片中的分配比例，降低了在果实中分配比例。减少磷肥用量，可增加干物质和养分在果实中的分配，优化养分分配，这验证了植物可根据生长和养分供应情况进一步调节矿质元素在各器官的转运和分配，有利于促进器官间养分的循环利用[27-28]。

3.3 减磷施肥对土壤速效磷含量的影响

之前较多大田研究表明，磷素在土壤中易固定，移动性很小[29-30]，然而设施蔬菜与一般农田系统不同，其有机肥、磷肥、灌水的投入量均较高，表层土壤速效磷富集严重[31-33]，土壤Ca8-P、Ca2-P在无机磷所占的比例高[15]，土壤磷素有效性增强[34]，20—40 cm土层磷素也均有不同幅度增加[26,35]，即磷素发生向下迁移。有研究表明，菜田土壤速效磷含量超过环境阈值 (P 80 mg/kg)，磷素在剖面发生明显的淋失现象[31]。本试验土壤基础速效磷含量较高，经过两年的减磷处理，表层土壤速效磷累积量显著降低，土壤环境得到改善[18]。

4 结论

在基础速效磷含量较高的土壤上，将农民习惯施磷量连续两年减少70%，番茄磷素的吸收量没有下降，还显著增加了盛果期氮磷钾和干物质在果实中的分配比例，番茄产量并未受到影响，显著提高氮磷钾的生理利用率。

连续两年减少70%的磷肥投入，膨果期0—20 cm土层土壤速效磷含量较种植前减少，而减磷处理20—60 cm土层土壤速效磷含量的增加量显著低于习惯施磷量。减施磷肥有助于将耕层土壤有效磷快速降低到较为适宜的水平，同时减少磷的向下迁移。