山西曲沃设施蔬菜施肥现状及土壤氮磷累积与分配特征

孙晓姝, 王立革, 郭珺, 王劲松, 武爱莲, 董二伟, 焦晓燕,*

山西曲沃设施蔬菜施肥现状及土壤氮磷累积与分配特征

孙晓姝1, 王立革2, 郭珺2, 王劲松2, 武爱莲2, 董二伟2, 焦晓燕2,*

1. 山西大学生物工程学院, 太原 030006 2. 山西省农业科学院农业环境与资源研究所, 太原 030031

在山西省南部调查了种植年限为1、7、10、13、16年的越冬长茬设施蔬菜生产施肥现状，研究了不同种植年限设施蔬菜土壤剖面硝态氮、Olsen-P和CaCl2-P的分配特征和规律，为控制设施蔬菜生产对农业面源污染的影响提供参考。结果表明：不同种植年限设施养分投入差异较大，新建设施氮、磷和钾投入量高达6088.3、2705.4和3287.2 kg·hm-2，随后养分投入量明显降低N、P和K的养分投入水平在1591.1—2943、619.4—1195.6和877.5—2026.3 kg·hm-2，80%的氮和90%磷在移栽前投入。过量养分投入和施肥与作物需肥不耦合增加了NO3--N在土壤剖面的迁移，种植1年200 cm土壤剖面的NO3--N通体大于30.00 mg·kg-1，随种植年限增加NO-3-N向下移动明显，种植16年0—60 cm NO3--N含量达110—203 mg·kg-1，土层180—200 cm接近60 mg·kg-1；设施土壤0—20 cm的 Olsen-P和CaCl2-P累积明显，种植1年分别达138.0 和2.7 mg·kg-1，而后累积至300 mg·kg-1和7.6 mg·kg-1左右，随种植年限增加Olsen-P和CaCl2-P在土壤剖面明显下移。该区域土壤Olsen-P与CaCl2-P的突变点为46.70 mg·kg-1，土壤NO3--N含量与EC值显著正相关（= 0.624,<0.01），CaCl2-P/Olsen-P与有机质含量表现出显著的正相关（=0.317，<0.05）。这表明EC值能够较好地表征NO3--N污染状况，由于CaCl2-P为易淋洗磷，故土壤Olsen-P含量>46.70 mg·kg-1时易出现磷的淋洗，土壤有机质提升增加了磷淋洗的风险。

设施蔬菜; 磷突变点; 氮磷淋溶; 养分投入; 土壤养分

0 前言

氮和磷是作物生长发育必需的大量元素, 合理施用氮肥和磷肥能够增加作物产量, 对提高我国粮食单产和保障粮食安全起到重要作用[1]。实际生产中粮食作物过量施肥程度可达70%, 水稻、小麦和玉米肥料利用率仅为30%[2–3], 尤其设施蔬菜施肥量是全国农作物化肥养分用量的4.1倍, 其中设施黄瓜和番茄的养分用量分别高达3234.0 kg·hm-2和2554.5 kg·hm-2[4–6]; 不同区域下养分用量明显高于推荐量, 磷肥更为突出[6–7]。山西设施蔬菜越冬长茬氮肥用量达1500—2400 kg·hm-2, 磷肥用量为370—620 kg·hm-2[7], 存在施肥过量的现象。农田中的氮和磷一方面会随地表径流进入水体, 另一方面会随水在土壤中淋溶, 导致水体富营养化和土壤质量下降等农业面源污染问题[8]。因此, 明确设施蔬菜氮磷施肥现状、土壤氮磷污染负荷对防控设施蔬菜生产中的农业面源污染有重要意义。

过量的氮在土壤中以硝态氮的形式存在, 大量灌溉极易引起硝态氮在土壤剖面迁移; 土壤中磷的迁移则与表层土壤中磷累积量、土壤磷吸附饱和度、土壤钙含量及质地等因素有关[9]。Olsen-P通常作为表征土壤中磷含量的指标, 其含量超过某个临界值时, CaCl2-P含量开始迅速增加, 此时相对应的Olsen-P值被称为磷素淋溶的“突变点”[10], 主要受土壤pH、有机质、活性Fe、活性Al及有效磷含量的影响[11], 且不同地区差异较大[12]。已有研究分析过山西省设施蔬菜施肥现状和耕层土壤养分变化特征[7], 鲜少涉及不同种植年限设施蔬菜施肥特异性、土壤剖面磷空间分布特征及土壤磷素淋失临界值。综上所述, 本研究通过调查不同种植年限设施土壤施肥差异, 并测定其养分含量, 进而分析了种植年限与土壤剖面氮磷污染负荷的相关性, 为控制本区域设施蔬菜生产对农业面源污染影响提供依据。

1 材料和方法

1.1 调查方法与内容

试验地位于山西省曲沃县, 海拔1100米, 属温带大陆性气候,年均气温12.7 ℃, 土壤质地为壤质黏土, 土壤类型为褐土性土。调查区域主要种植模式为越冬长茬, 一年一季, 种植蔬菜为黄瓜, 通常10月下旬种植, 次年6月拉秧。2018年7月对山西曲沃磨盘岭日光温室园区温室年限分别为1、7、10、13和16年的38个棚户进行设施蔬菜施肥现状实地调查, 并进行土样的采集, 该园区总面积约为1000公顷。调查信息包括种植年限、底肥中有机肥种类及施用量、化学肥料的种类和施用量、生育期内每次追肥种类及其氮、磷、钾的养分含量、产量等信息。农户施用氮、磷、钾养分含量的计算依据课题组测定的各类有机肥的养分含量, 计算有机肥提供的养分量; 在实际生产中调查区域同一种植年限的农户施肥水平相当, 所以本论文将同一种植年限的施肥量视为该种植年限的施肥水平; 化学肥料中养分含量采用包装上的标示量计算, 总养分投入为有机肥和化学肥料的总和。

1.2 土壤样品的采集

对调查的38个棚户进行土壤剖面样品采集。每个棚按S形采点, 每20 cm一层采集0—200 cm土壤样品, 每个棚室采四钻, 相同层次的土壤混合为一个样品, 在室内条件下风干, 剔除里面的石块和树枝等杂物后磨碎, 过2 mm筛备用。

1.3 测定方法

土壤pH(土水比1:2.5)用电极法测定; 土壤电导率(土水比1:5)用便携式电导率仪测定; 土壤有机质用重铬酸钾-硫酸外加热法测定; 土壤硝态氮含量用2 mol·L-1KCl(土水比1:10)浸提, 连续流动分析仪(Auto Analyzer3-AA3, SEAL, Germany)测定; 土壤Olsen-P用0.5 mol·L-1NaHCO3(pH 8.5)溶液浸提, 钼蓝比色法测定; 土壤CaCl2-P用0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提1 h, 钼蓝比色法测定[10]。

1.4 数据统计及分析

数据采用Minitab 14进行统计分析, Pearson进行相关性分析; 用Sigmaplot 12.5或Excel 2007绘图。

2 结果与分析

2.1 设施蔬菜养分投入现状

不同种植年限日光温室施肥量差异较大, 第一年新建温室氮、磷和钾的平均投入量高达6088.3、2705.4和3287.2 kg·hm-2, 最高的分别达到7639.2、3459.2和4160.7 kg·hm-2, 三种养分投入的变异系数分别为18.1%、21.7%和16.8%; 随后养分投入量明显降低, 氮、磷和钾的养分投入水平在1591.1—2943、619.4—1195.6和877.5—2026.3 kg·hm-2(表1)。对于新建设施, 底肥氮和磷投入分别高达5704.52和2573.17 kg·hm-2, 占氮和磷养分总投入量的93%—94%左右(图1); 有机肥投入的氮占总投入氮素的89.7%, 有机肥投入的磷占总投入磷素的88.4%(图2)。种植一年后的设施, 底肥投入的氮占生育期氮总投入量的80%—90%, 磷占90%—95%, 有机肥投入氮占总氮投入总量的80%—90%, 有机肥投入的磷占总投入磷的70%—80%(图1和图2)。

2.2 土壤剖面硝态氮累积特征

在采集设施土壤的同时采集设施周边的露地(粮田)剖面土壤, 粮田0—20 cm土层硝态氮含量为6.76—26.06 mg·kg-1, 20 cm以下土壤剖面的硝态氮含量1.49—9.77 mg·kg-1。图3表明种植1年后不仅0—20 cm和20—40 cm处的硝态氮含量分别增至125.50 mg·kg-1和42.96 mg·kg-1, 整个剖面的硝态氮含量均大于 30.00 mg·kg-1, 180—200 cm土层硝态氮含量高达37.38 mg·kg-1; 随种植年限的增加, 硝态氮在土壤剖面表现出向下移动的趋势, 种植10年后120—140 cm处硝态氮含量达到54.69 mg·kg-1, 种植13年后160—180 cm处硝态氮含量达到50.88 mg·kg-1, 种植16年后180—200 cm处硝态氮含量达到58.90 mg·kg-1。

表1 不同年限日光温室N、P、K施用量

注： 表中数据均为平均值±标准误。

图1 不同种植年限底肥和追肥中N和P投入量

Figure 1 Input of N and P before and after transplanting for different planting years.

图2 不同种植年限有机肥和无机肥中N和P投入量

Figure 2 Input of N and P as manure and chemical fertilizers for different planting years.

图3 不同种植年限土壤剖面NO3--N含量

Figure 3 Distribution of NO3--N content in soil profiles of different planting years

2.3 土壤剖面Olsen-P、CaCl2-P变化特征

Olsen-P表征土壤可供植物吸收利用的有效磷的状况。粮田0—20 cm土层Olsen-P含量为4.00—24.20 mg·kg-1, 土壤剖面其它层次的Olsen-P含量小于8.0 mg·kg-1。从图4可看出种植1年后0—20 cm土层的Olsen-P含量急剧增加, 是露地土壤Olsen-P含量的数十倍, 20—40 cm的Olsen-P含量也增加至17.42 mg·kg-1; 种植7年后20—40 cm土层Olsen-P含量均大于100 mg·kg-1, 种植13年和16年后40—60 cm土层Olsen-P含量分别达到40.32和65.14mg·kg-1, 种植16年后60—80 cm土层Olsen-P含量达21.03mg·kg-1。

CaCl2-P是土壤磷素淋溶的重要指标之一, 由图4看出, 尽管种植1年, 0—20 cm土壤CaCl2-P含量高为2.66 mg·kg-1, 种植7年以后则高达7.31—7.58 mg·kg-1; 随种植年限的增加, 土壤剖面CaCl2-P出现淋溶现象, 种植13年和16年20—40 cm土层的CaCl2-P含量分别为3.675和3.571 mg·kg-1, 土层40—60 cm的CaCl2-P含量分别为0.896和1.147 mg·kg-1。

图4 不同种植年限土壤剖面Olsen-P和CaCl2-P含量

Figure 4 Distribution of Olsen-P and CaCl2-P content in soil profiles of different planting years

由于CaCl2-P与土壤磷淋洗具有较好的相关性[10], 当土壤Olsen-P含量小于46.7 mg·kg-1时, 随Olsen-P 含量增加, CaCl2-P含量增加缓慢, 拟合方程CaCl2-P= 0.0143 Olsen-P+0.1849(2=0.364); 但Olsen-P含量大于46.7 mg·kg-1时, 随Olsen-P含量增加CaCl2-P含量也急剧增加, 二者拟合方程为CaCl2-P= 0.0271Olsen-P- 0.4127(2=0.846), 因此土壤中被称为磷素淋溶“突变点”的Olsen-P值为46.7 mg·kg-1, 此时土壤CaCl2-P含量约为0.852 mg·kg-1(图5)。

2.4 土壤N和P负荷风险分析

为明确设施土壤N、P淋洗污染风险, 以0—20 cm土壤NO3--N、Olsen-P、CaCl2-P以及PCaCl2-P/Olsen-P比值为N、P负荷指标, 分析其与土壤EC值、pH和有机质含量的相关性, 结果表明:随EC值增加, 土壤NO3--N增加, 二者呈极显著的正相关(=0.624,<0.01); 虽然Olsen-P和CaCl2-P含量均随EC值亦有增加的趋势, 但相关关系不显著, Olsen-P与EC的相关系数=0.192(>0.05), CaCl2-P与EC的相关系数=0.178(>0.05) (图6), 这表明设施土壤EC值与设施土壤氮污染风险具有较好的相关性。

CaCl2-P/Olsen-P比值与土壤EC、pH和有机质含量相关分析结果显示(图7), 基本没有相关关系(= -0.026); 虽然CaCl2-P/Olsen-P比值与pH相关性不显著(= -0.112,>0.05), 但表现出随pH降低, CaCl2-P/Olsen-P比值降低; CaCl2-P/Olsen-P比值与土壤有机质含量呈显著正相关(=0.317,<0.05)。

3 讨论

3.1 山西设施蔬菜施肥特点

蔬菜产量对农民收入有显著[13]。为了获得较高的经济收入, 设施蔬菜施肥过量的现象十分普遍[14], 在满足蔬菜高产所需养分的基础上, 减少施肥量是减少施肥对环境污染的重要措施[15]。在全国范围内设施蔬菜种植蔬菜多种化、种植茬口种类多样化的情况下, 设施蔬菜氮、磷和钾的平均施用量分别为202、83和123 kg·hm-2[6], 山东设施蔬菜黄瓜和番茄的氮、磷和钾的投入量分别为710—1033、219.7—334.1和643.1—886.3 kg·hm-2, 且黄瓜的施肥量高于番茄[5]。山西省的施肥量远远高于全国平均水平和山东施肥水平, 氮、磷和钾的投入量分别达到1741—6088、619—2705和877—3287 kg·hm-2(表1 ), 这可能是由于调查区域主要是越冬长茬种植模式, 生育期长达200—250 d; 由于新建温室施工原因造成土壤结构和养分含量较低以及受到传统施肥观念的影响, 调查区菜农在新建温室(种植一年)种植前投入大量导致种植一年温室的养分投入量最高; 在不考虑新棚养分投入情况下, 与本课题组2008年调查的结果比较[7]施肥量稍有下降; 但本区域目前产量水平下N、P吸收累积量分别约为639和119 kg·hm-2[7], 氮和磷的投入量约为需肥量的3—10倍, 因此设施土壤的养分管理现状对土壤氮和磷污染负荷有着重要的影响。

图5 土壤Olsen-P与CaCl2-P含量的关系

Figure 5 Relationship between Olsen-P and CaCl2-P content in soil.

图6 土壤NO3--N、Olsen-P及CaCl2-P含量与EC值关系

Figure 6 Relationship between EC value and NO3—N, Olsen-P and CaCl2-P contents in soil.

图7 土壤CaCl2-P/Olsen-P与土壤EC、pH和有机质含量的关系

Figure 7 Relationship between CaCl2-P/Olsen-P and EC, pH and organic matter content in soil.

山西设施蔬菜施肥的不合理性不仅表现在总量过高, 且施肥时空也表现出明显的不合理, 80%的氮和90%的磷在移栽前投入, 而越冬长茬定植后适逢冬季低温, 植物生长缓慢, 移栽后90 d内蔬菜氮和磷的吸收累积量仅为总吸收量的20%[16], 结合定植时大水漫灌, 过高投入基础养分, 势必加剧养分淋洗, 增加氮和磷的污染风险; 新建设施氮磷投入量是正常种植大棚2—3倍(表1), 所以新建设施的氮磷污染风险不容忽视。

3.2 设施土壤氮磷负荷时空变化

设施条件下氮素挥发所占的氮损失较低[17], 新建设施氮投入量高达6000 kg·hm-2(表1), 因此即使种植一年也会有大量的氮素滞留在土壤中, 结合大水漫灌, 势必导致土壤剖面NO3--N的大量淋洗, 180—200 cm土层NO3--N含量高达37 mg·kg-1(图1); P在土壤中的移动性较弱[18], 土壤对磷的吸附作用是控制土壤磷移动的主要机制[19], 在种植1年后, 尽管0—20 cm土层Olsen-P含量高达138.0 mg·kg-1, 但在土壤剖面移动不明显, 但随种植年限的增加, 也在土壤剖面表现出明显的淋溶移动的现象(图1)。设施蔬菜根系通常分布较浅, 主要在0—30 cm[20], 种植7年后50—60 cm土层中Olsen-P含量达到15 mg·kg-1。所以说该区域日光温室的过量施肥导致硝态氮在土壤剖面根层以下及深层的累积; 过量施磷不仅导致耕层土壤无机P 各组分(包括Ca2-P, Ca8-P, Ca10-P, Al-P, Fe-P)的含量[21], 也显著提升了耕层土壤Olsen-P含量, 造成磷肥的浪费。

表层土壤磷的浓度与犁底层及其排水中磷的移动有关[22], 研究和建立预测土壤磷淋洗风险可测定的土壤磷指标也是研究磷污染风险的热点之一[23–24]。10 mM CaCl2浸提土壤3 h和1 h的磷(CaCl2-P)与磷淋洗有着很强的关联度[10], 由于浸提1 h省时, 故本试验分析了浸提1 h的CaCl2-P与Olsen-P的关系, Olsen-P突变点因土壤类型和土壤性质有所差异, 已有报道表明Olsen-P突变点为 63.7[10]、80.3[22]、47.8 mg·kg-1[23]和53 mg·kg-1[25], 研究区域发生磷淋溶的土壤Olsen-P含量突变点为46.7 mg·kg-1, 对应CaCl2-P的浓度为0.852 mg·kg-1(图5)。即当土壤Olsen-P含量>46.7 mg·kg-1或CaCl2-P的浓度>0.852 mg·kg-1时, 会发生磷淋溶。为此种植1年土壤0~20 cm的磷会发生淋溶, 种植10年时40 cm土层和种植1年时60 cm的土层中的磷会发生淋洗。

3.3 设施土壤氮磷负荷与土壤化学性质关系

耕层土壤NO3--N含量与EC值呈显著正相关(=0.624), 说明土壤中NO3--N累积对土壤可溶盐的贡献率达到62%; 虽然施肥也提高了耕层土壤的Olsen-P及CaCl2-P的含量, 但二者与EC值的相关性均未达到显著水平(图6), 说明设施土壤EC能较好地预测土壤氮污染负荷, 但对磷污染负荷的预期较差。影响水分移动的因素会影响磷的移动[26], 土壤物化特性均会影响磷的转化和移动, 例如土壤pH、有机质及可交换性铁等因素[27]。虽然CaCl2-P/Olsen-P的比值(即Olsen-P中CaCl2-P所占比例)与EC和pH相关性不显著, 但与pH有一定的负相关, 由于随栽培年限增加设施土壤pH呈下降趋势[28], 因此设施土壤的酸化更会加剧土壤磷淋溶的风险; 有机肥能够促进磷转化[28], 有机质累积也能提升CaCl2-P/ Olsen-P比值(图7), 这说明即使在相同Olsen-P情况下, 土壤有机质增加亦会增加磷淋洗的风险, 故在提升设施土壤有机质的情况下运筹磷的养分管理降低磷的污染十分重要。

4 结论

山西南部设施蔬菜养分投入总量过高, 尤其新建温室表现更为明显; 基础养分投入过高, 与蔬菜需肥规律耦合较差, 加剧了氮和磷污染负荷, 因此设施蔬菜生产氮磷投入总量需结合养分迁移规律, 以控制氮磷污染; 该区域新建设施土壤NO3--N淋洗严重至200 cm土体, 表层Olsen-P累积明显; 发生磷淋溶的土壤Olsen-P含量突变点为46.7 mg·kg-1, 结合根系能够利用0—40 cm土层磷, 认为种植10年会出现磷淋洗污染风险; 有机质含量的提升也增加了磷的淋溶风险。

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Nutrient input of vegetables and potential loss of nitrogen and phosphorus for in solar greenhouse of southern of Quwo, Shanxi

SUN Xiaoshu1, WANG Lige2, GUO Jun2, WANG Jinsong2, WU Ailian2, DONG Erwei2, JIAO Xiaoyan2,*

1. School of Bioengineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China 2. Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China

The vegetable nutrient managements of different cultivation years, which covered 1, 7, 10, 13 and 16-year had been investigated in southern of Shanxi. In this area, the vegetables are transplanted in October and harvested in next June or July usually. The contents of NO3--N, Olsen-P and P extracted by CaCl2for 1 h (CaCl2-P) were analyzed to explore their temporal distribution in soil profile further. It was found that the inputs of N, P and K were so high as 6088.3, 2705.4 and 3287.2 kg·hm-2, respectively for new built greenhouse; whereas the average applied amount of N, P and K was 1591.1-2943, 619.4-1195.6 and 877.5-2026.3 kg·hm-2. It should be highlighted that 80%-90% of N and P was applied before transplanting. Such overdose fertilization and nutrient management which was unmatched with nutrient requirement by vegetable promoted accumulation and leaching N and P. The NO3--N concentration was higher than 30.00 mg·kg-1for 0-200 cm soil profile ever planting for one year. Its leaching was enhanced with the increase of cultivation year. NO3--N concentration in 0-60 cm and 180-200 cm reached 110-203 mg·kg-1and 60 mg· kg-1respectively, after 16-year cultivation. Accumulation of Olsen-P and CaCl2-P in 0-20 cm soil layer was clearly high and their concentrations were 138.0 and 2.7 mg·kg-1, respectively, after one year cultivation. Afterward the concentrations of Olsen-P and CaCl2-P reached to 300mg·kg-1and 7.6mg·kg-1respectively, in the 0-20 cm soil layer. The leaching of both Olsen-P and CaCl2-P in soil profile was noticeable. Change point of soil Olsen-P against CaCl2-P, which could be used to predict P loss, was 46.7mg·kg-1. Accumulation of NO3--N was significantly related to EC (= 0.624,<0.01). The ratio of CaCl2-P/Olsen-P had strong relationship with soil organic matter(=0.317·<0.05). Thus EC can be used as predictor for N pollution in greenhouse. P leaching are promoted by high soil organic matter under conditions of certain Olsen-P concentration. The information obtained can be used to mitigation of N and P mobility in solar greenhouse.

greenhouse vegetable; phosphorus change-point; nitrogen and phosphorus leaching; nutrient input; soil nutrient

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.06.022

S-3

A

1008-8873(2019)06-149-08

2019-07-09;

2019-08-21

国家重点研发计划项目(2017YFD0800405); 山西省重点研发计划项目(201703D211020-1); 山西省煤基重点科技攻关项目(FT201402-15)

孙晓姝(1993—), 女, 山西交城人, 硕士研究生, 从事施肥与环境方面的研究, E-mail: 583051968@qq.com

焦晓燕(1964—), 女, 山西临猗人, 研究员, 主要从事植物营养与生态环境研究, E-mail: xiaoyan_jiao@126.com

孙晓姝, 王立革, 郭珺, 等. 山西曲沃设施蔬菜施肥现状及土壤氮磷累积与分配特征[J]. 生态科学, 2019, 38(6): 149-155.

SUN Xiaoshu, WANG Lige, GUO Jun, et al. Nutrient input of vegetables and potential loss of nitrogen and phosphorus for in solar greenhouse of southern of Quwo, Shanxi[J]. Ecological Science, 2019, 38(6): 149-155.