长期施用磷肥和有机肥对菜地土壤磷素有效性的影响

郭玉冰，刘建玲，郭巨秋，廖文华，吴 晶，谢 娇

（河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000）

土壤磷素中的全磷和有效磷分别反映土壤磷库的大小和可供作物当季吸收利用的磷素水平，其中有效磷是评价土壤供磷能力的重要指标［1-2］，其受土壤理化、生物性质及施肥状况［2-3］等的影响。有机磷的矿化过程是土壤有效磷素的主要来源，不同形态有机磷的有效性存在着一定的差异［4］，并且受施肥条件影响会发生变化。冯跃华等研究发现，施用磷肥对活性有机磷影响较小［5］，而高天一等研究发现施用生物炭后活性有机磷对有效磷的贡献率显著增高［6］。土壤磷酸酶是有机磷转化为有效磷的关键酶，其活性高低直接影响着土壤有机磷的矿化、水解作用［7］。杨艳菊等研究表明，长期施用化肥或有机肥后土壤碱性磷酸酶活性的增加可促进有机磷（尤其是中等活性有机磷）的转化，进而提高了土壤磷的有效性［4］。耿玉清等研究也表明，磷酸酶可通过活化有机磷来提高有效磷含量［7］。另外当土壤中微生物活性较高时，不仅能提高土壤微生物量磷含量，还能更有效的活化土壤中难溶的有机或无机磷酸盐，提高土壤磷素的有效性［8］。王会等研究表明，施用化肥会降低微生物量磷含量，施用有机肥则相反［9］。陈桂芳等研究也表明，施用有机肥更能增加土壤微生物量磷含量，并且与有效磷显著相关［10］。由此可见土壤磷素有效性与有机磷、磷酸酶、微生物量磷存在着密切的相关性，尤其是不同施肥条件下这些关系会发生重要的改变。

我国蔬菜生产中盲目大量施用磷肥的现象十分严重，其用量远高于蔬菜需求量［11］。资料显示，磷肥过量施用造成其当季利用率只有10%～20%［12-13］，且过量施用的磷肥使土壤中的磷素趋向盈余［14-15］。针对化肥过量施用问题国家提出化肥施用零增长，扩大果菜茶有机肥替代化肥的指导方针。有机肥不仅可以直接提供磷素营养，还可以通过增加土壤有益微生物的数量、诱导磷酸酶的产生，进而提高土壤有效磷含量［7］。同时，有机肥在分解过程中产生的有机酸有螯合增溶作用，从而提高难溶性磷酸盐的有效性［16］。林诚等和王琼等研究结果表明，有机无机肥配施比单施化肥能显著提高土壤全磷、有效磷含量，同时土壤磷活化系数也显著提高［17-18］。在栗褐土上长期有机肥与化肥配施，土壤碱性磷酸酶活性提高，并且其与土壤有效磷、有机磷等相关性达到极显著水平［4］。许多研究都表明施用有机肥能提高土壤有效磷含量，并且对磷素活化有促进作用，但长期化肥有机肥配施条件下，对于土壤有效磷与有机磷、微生物量磷和碱性磷酸酶的变化及相关关系研究较少。由此，本研究采用长期田间定位试验，分析菜地土壤中有机肥与磷肥配施对土壤不同形态磷素的影响，探讨土壤活性有机磷、微生物量磷和碱性磷酸酶与有效磷的关系，为菜地有机肥的合理施用及土壤磷素的高效管理提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验于2003—2018 年在河北省保定市莲池区河北农业大学教学基地（38°37′N，115°21′E）进行。该地属暖温带半湿润半干旱季风气候，年均温度12.2 ℃，年均日照2 710 h，无霜期165 ～210 d，年均降雨量575.4 mm，蒸发量1 758 mm。

1.2 供试材料

供试土壤为潮褐土，质地为中壤偏重，2003 年试验开始前0 ～20 cm 土壤的基本性状列于表1。

表1 土壤基本理化性状Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

供试植物：2003—2018 年采用露地蔬菜栽培方式，每年种植春秋两茬蔬菜，上半年种植情况如下：2004 年种植‘中椒7 号’青椒，2005 年为‘夏阳’伏白菜，2006 年为‘牛角椒一号’青椒，2007—2018 年为菜豆（2007 年为‘陆锋’地豆角，2008—2012 年为‘地豆王二号’，2013—2018 年为‘美国冠军’地豆）。下半年种植情况如下：2003—2012年种植‘秋绿75’大白菜，2013—2018 年种植‘神农绿帮’大白菜。

2012 年春因城市规划问题对小区进行了平移，平移前后2 块试验地距离约为5 km，土壤类型结构基本无差异；根据前期试验结果发现各试验处理仅0 ～20 cm 土层磷素养分发生显著变化，故只平移了0 ～20 cm 土层的土壤；为去掉原小区边界部分的干扰将平移面积缩减为4 m2；预先已挖好并用砖和ABS 防水卷材隔成2.0 m×2.0 m×0.2 m 的空间，将各处理土壤充分混匀后进行装填，形成新的小区。

1.3 试验设计

单茬蔬菜磷肥（P2O5）用量分别为0（P0）、180（P1）、360（P2）kg/hm2，有机肥用量（鲜重）分别为0（M0）、75（M1）、150（M2）t/hm2，完全试验设计，分别为P0M0、P0M1、P0M2、P1M0、P1M1、P1M2、P2M0、P2M1 和P2M2，共9 个处理，3 次重复，随机区组排列。其中，有机肥从2003 年开始隔年施用，有机肥为腐熟的牛粪，其平均水分含量65.0%，养分含量（干重）平均为N 1.40%、P2O50.65%、K2O 0.80%，化肥品种：尿素（N 46%），硫酸钾（K2O 51%），过磷酸钙（P2O516%）。

春茬辣椒氮肥（N）、钾肥（K2O）用量均为450 kg/hm2，全部的钾肥和1/3 氮肥作底肥，2/3 氮肥作追肥施入；伏白菜种植中氮肥（N）、钾肥（K2O）用量分别为450 kg/hm2、300 kg/hm2，全部磷、钾肥和2/3 氮肥做底肥，1/3 氮肥在团棵期作追肥施入；豆角氮肥（N）、钾肥（K2O）用量分别为75、 450 kg/hm2，作底肥施入。秋茬的大白菜氮肥（N）、钾肥（K2O）用量分别为450 kg/hm2、300 kg/hm2，有机肥和磷钾肥作底肥，2/3 氮肥作底肥，1/3 氮肥在团棵期作追肥施入。

1.4 样品采集与分析

土壤样品的采集：2018 年11 月秋季白菜收获后取土测定，按“S”形曲线在每个小区0 ～20 cm的土层选择6 个点（垄和沟各3 个点），混合为一个样品。

土壤全磷（TP）、有效磷（Olsen-P）、有机质采用常规农化分析方法测定［19］，活性有机磷（LOP） 采用Bowman-Cole 法测定［20］，碱性磷酸酶（AP）采用磷酸苯二钠比色法测定［21］，微生物量磷（MBP） 采用氯仿熏蒸，0.5 mol/L NaHCO3溶液（水土比1∶20） 浸提钼锑抗比色法测定［22］。土壤磷活化系数(%) =［有效磷含量(mg/kg)］/［全磷含量(g/kg)×1 000］×100。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 与SPSS 21 进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 长期不同磷肥和有机肥用量下土壤全磷、有效磷的变化

如表2 所示，连续16 年不施肥，土壤全磷和有效磷呈下降趋势，与试验前土壤相比，土壤全磷和有效磷含量分别降低了0.12 g/kg 和12.3 mg/kg，下降了20.00%和61.19%。与P0M0 相比，施用磷肥和有机肥显著增加土壤全磷和有效磷含量分别为0.24 ～0.80 g/kg 和7.27 ～24.06 mg/kg。有机肥用量相同条件下，施用磷肥的土壤全磷和有效磷含量均显著增加，且磷肥用量间差异显著。如与P0M2相比，P1M2、P2M2 处理土壤全磷和有效磷含量分别 增 加 了28.74%、72.41% 和35.69%、77.18%。同样在磷肥用量相同时，施用有机肥土壤全磷、有效磷含量也显著增加。如与P2M0 相比， P2M1、P2M2 处理土壤全磷和有效磷含量增加了5.47%、17.19%和75.51%、110.71%。

表3 所示，与对照处理相比，施用磷肥和有机肥均能显著提高土壤磷活化系数，约增加了0.23 ～2.03 个百分点。有机肥用量相同条件下，施用磷肥土壤磷活化系数显著增加，但磷肥不同用量间无显著差异。如与P0M1 相比，P1M1、P2M1 处理土壤磷活化系数增加了0.20 个百分点和0.23 个百分点。同样在磷肥用量相同时，施用有机肥土壤磷活化系数显著增加，且不同有机肥用量间差异显著。如与P2M0 相比，P2M1 和P2M2 增加了1.39 个百分点和1.67 个百分点。

表2 各处理土壤全磷、有效磷含量Table 2 Content of total phosphorus and available phosphorus in different treatments

表3 各处理土壤磷活化系数Table 3 Phosphorus activity coefficient in different treatments

2.2 长期不同磷肥和有机肥用量下土壤活性有机磷、有机质的变化

如表4 所示，与P0M0 相比，施用有机肥能显著增加土壤活性有机磷和有机质含量，分别增加1.90 ～4.10 mg/kg 和7.25 ～11.77 g/kg。仅施用磷肥对土壤活性有机磷和有机质含量无显著影响。磷肥用量相同条件下，施用有机肥能显著增加土壤活性有机磷和有机质含量，且不同有机肥用量间差异显著。如与P2M0 相比，P2M1、P2M2 处理土壤活性有机磷和有机质分别增加了84.58%、165.61%和47.43%、75.23%。

表4 各处理土壤活性有机磷、有机质含量Table4 Content of organic matter and labile organic phosphorus in different treatments

2.3 长期不同磷肥和有机肥用量下土壤碱性磷酸酶、微生物量磷的变化

磷肥和有机肥施用对土壤碱性磷酸酶和微生物量磷的影响如表5 所示，与P0M0 处理相比，施用磷肥和有机肥均能显著增加土壤碱性磷酸酶和微生物量磷含量，分别增加了0.41 ～4.75 ［P mg/(100 g·2 h)］ 和3.91 ～12.00 mg/kg。有机肥用量相同条件下，施用磷肥能显著增加土壤碱性磷酸酶和微生物量磷含量，但磷肥不同用量间无显著差异。如与P0M1 相比，P1M1、P2M1 处理土壤碱性磷酸酶和微生物量磷分别增加13.70%、16.91%和34.72%、46.63%。磷肥用量相同的条件下，施用有机肥土壤碱性磷酸酶、微生物量磷均显著提高，且随有机肥用量增加而显著增加。与P2M0 相比， P2M1、P2M2 处理土壤碱性磷酸酶和微生物量磷分别增加了68.21%、101.78%和21.28%、100.19%。

表5 各处理土壤碱性磷酸酶、微生物量磷含量Table 5 Content of alkaline phosphatase and microbial phosphorus in different treatments

2.4 不同形态磷素之间的相关性分析

对5 个磷素相关指标与有效磷进行逐步回归分析得到相关系数（见表6），长期施用磷肥有机肥下土壤有效磷与有机质、全磷、碱性磷酸酶、活性有机磷和微生物量磷之间存在极显著正相关关系，各指标与有效磷的相关系数依次为碱性磷酸酶（0.875）＞全磷（0.863）＞微生物量磷（0.860）＞活性有机磷（0.803）＞有机质（0.797），这说明增加土壤有机质、全磷、碱性磷酸酶、活性有机磷和微生物量磷在一定程度上可提高土壤有效磷含量。并且发现5 个磷素相关指标并非独立作用于土壤有效磷，它们之间也存在着一定的相关性。由此进行逐步回归分析得出方程：y = -27.777+ 4.292x1+ 27.418x2-0.321 x3(R2= 0.979)，式中，x1、x2、x3、y分别代表碱性磷酸酶、全磷、微生物量磷和有效磷含量，结果表明土壤中碱性磷酸酶和全磷含量的增加更能促进有效磷的积累。

表6 有效磷与有机质、全磷、活性有机磷、微生物量磷、碱性磷酸酶的相关系数Table 6 Correlation coefficients of available phosphorus with organic matter, total phosphorus, labile organic phosphorus, microbial biomass phosphorus and alkaline phosphatase

为进一步明确各相关指标对土壤有效磷的影响进行通径分析（见表7）。全磷、碱性磷酸酶和活性有机磷对土壤有效磷的直接通径系数分别是0.590、0.703 和0.131，表明全磷、碱性磷酸酶和活性有机磷对有效磷的直接影响为正效应，即全磷、碱性磷酸酶和活性有机磷含量增加促进有效磷增加。有机质和微生物量磷对有效磷的直接通径系数分别是-0.143 和-0.156，表明有机质和微生物量磷对有效磷的直接影响为负效应。由于有机质与有效磷的相关系数（0.797）等于其直接通径系数（-0.143）与间接通径系数（0.261、0.684、0.128、-0.132）的总和，所以有机质主要通过影响碱性磷酸酶（0.684）、全磷（0.261）及活性有机磷（0.128）而间接作用于有效磷；另外微生物量磷与有效磷的相关系数（0.860）等于其直接通径系数（-0.156）与间接通径系数（-0.121、0.406、0.613、0.118）的总和，同样得出微生物量磷主要通过影响碱性磷酸酶（0.613）、全磷（0.406）及活性有机磷（0.118）而间接作用于有效磷。由此得出，有机质和微生物量磷主要是通过碱性磷酸酶、全磷和活性有机磷而与有效磷产生间接影响，其分解有利于有机磷、全磷向有效磷的转化过程，从而表征出其对有效磷含量变化的贡献程度。

表7 土壤有机质、全磷、活性有机磷、微生物量磷和碱性磷酸酶对有效磷的通径分析Table 7 Path analysis of soil organic matter, total phosphorus, labile organic phosphorus, microbial biomass phosphorus, and alkaline phosphatase to available phosphorus

3 讨论与结论

土壤有效磷直接反映磷素被植物当季吸收的能力，能反映土壤磷素平衡状况。本研究发现连续16年不施磷肥有机肥（P0M0 处理）土壤磷素平衡处于亏缺状态，年均亏缺79.39 kg/hm2［23］，有效磷含量也呈耗竭状态，与试验前土壤相比，有效磷含量降低了12.30 mg/kg，年均降低量为0.77 mg/kg，土壤全磷年均降低了7.50 mg/kg，差异均达到显著水平。仅施用有机肥75 t/hm2（P0M1 处理）土壤磷素基本处于持平状态，土壤有效磷与试验前土壤无显著差异。施用磷肥＞180 kg/hm2、有机肥150 t/hm2及磷肥有机肥配施土壤磷素均处于盈余状态，与试验前土壤相比，有效磷含量增加了6.69 ～ 36.35 mg/kg，年均增加0.42 ～2.27 mg/kg。本试验的前期结果也表明，表观磷素盈余每增加100 kg/hm2可提高土壤有效磷1.07 mg/kg［23］，也就是说提高土壤有效磷1 mg/kg 需要磷素（P2O5）盈余量为214.02 kg/hm2。磷素积累提高了土壤有效磷及全磷含量，对于磷活化系数不同肥料的影响却表现不一。单施化学磷肥，土壤磷活化系数显著增加，但不同磷肥用量间无显著差异，分析其原因，一方面施用磷肥直接补充土壤全磷和有效磷；另一方面，土壤通过化学固定、吸附固定等降低磷肥的有效性。当磷肥用量过大时，土壤吸附位点处于饱和状态，土壤固磷能力减弱，可能造成磷素向下淋失［11］。本研究发现无论单施有机肥还是磷肥基础上增施有机肥，土壤磷活化系数均随有机肥用量的增加而显著提高。一方面施用有机肥产生的有机酸促进了土壤中磷酸钙、磷酸铝（铁）中的磷酸根离子的释放，另外有机酸与磷酸根的竞争也减少土壤固磷量，从而增加了土壤有效磷含量及磷活化系数［24］。戚瑞生等［25］在黄土上的试验结果也表明，有机肥在分解过程中产生的有机酸能活化土壤中的磷素，而有机肥中的碳水化合物可掩蔽土壤对磷素的吸附位。李娜［14］等在棕壤上的研究也表明，有机肥中的有机酸可在铁铝氧化物表面形成保护膜，减少对磷酸根的吸附。

有效磷作为土壤供磷能力的重要指标，其包括无机态磷和有机态磷，普遍认为Ca2-P、Ca8-P 和Al-P 是无机态有效磷源，活性有机磷、中等活性有机磷是有机态有效磷源［25］。有研究表明，土壤有效磷与各种磷素指标间存在着相关关系［4,26-27］。高天一等研究表明，中等活性有机磷、Ca2-P、Ca8-P 通过影响活性有机磷和Al-P 的含量进而影响有效磷含量［6］。本研究结果也表明，有效磷与活性有机磷和微生物量磷等指标间存在显著正相关关系，这与张亚丽等在潮土上获得的有效磷与活性有机磷的相关性［26］及费超等在设施蔬菜中获得的有效磷与微生物量磷的相关性［27］一致。本文经通径分析得出土壤全磷、碱性磷酸酶和活性有机磷含量直接影响有效磷含量，且碱性磷酸酶对有效磷的影响较大。机理可能为：石灰性土壤上碱性磷酸酶是催化土壤磷酸脂类或磷酸酐水解的酶，一方面它能将有机磷矿化为活性较高的无机磷（Ca2-P、Ca8-P）；另一方面它能促进难溶性有机磷向活性有机磷的转化，特别是中活性有机磷和中稳性有机磷向活性有机磷的转化，从而提高了土壤磷的有效性［4］，本研究中碱性磷酸酶与活性有机磷的相关系数（0.964）大于其与有效磷的相关系数（0.875）也证实了以上的结论。而土壤有机质和微生物量磷间接影响有效磷含量也与碱性磷酸酶存在着重要的关系，一方面有机质含量的高低可影响土壤C/N，C/N 较高时土壤微生物迅速繁殖，能更有效的活化土壤中难溶的磷酸盐，同时分泌碱性磷酸酶催化有机磷的水解［28］。本研究初步发现施用不同肥料种类对碱性磷酸酶及活性有机磷的影响有所不同。单施磷肥，土壤碱性磷酸酶含量显著增加但活性有机磷的增幅未达到显著水平，提高磷肥用量，碱性磷酸酶和活性有机磷含量均未显著变化，经分析土壤碱性磷酸酶对有效磷的直接通径系数为-0.208。单施有机肥，土壤碱性磷酸酶和活性有机磷含量均显著提高，且随有机肥用量增加差异达到显著水平，土壤碱性磷酸酶对有效磷的直接通径系数为3.589。比较发现同样提供100 kg/hm2P2O5施用有机肥或化肥，土壤碱性磷酸酶、活性有机磷和有效磷分别增加0.7 ［P mg/（100 g·2 h）］或 0.07［P mg/（100 g·2 h）］，0.6 mg/kg或0.03 mg/kg， 3.53 mg/kg 或2.64 mg/kg。表明与单施磷肥相比，施用有机肥更能增加土壤碱性磷酸酶、活性有机磷及有效磷含量，提高磷素有效性。除此以外，本文发现隔年施用有机肥75 t/hm2和150 t/hm2时，土壤有机质年均增加量分别为0.69 g/kg 和1.26 g/kg，即提高土壤有机质1 g/kg 需要施用54.4 ～59.5 t/hm2有机肥（腐熟牛粪）1 年。在长期轮作露天菜地中，土壤有效磷与全磷、活性有机磷、碱性磷酸酶、有机质、微生物量磷存在显著正相关关系，其中全磷、碱性磷酸酶和活性有机磷对有效磷产生直接影响。施用磷肥能显著增加土壤全磷、有效磷、碱性磷酸酶和微生物量磷含量；施用有机肥及磷肥有机肥配施还能显著增加土壤有机质、活性有机磷的含量，且随有机肥用量的增加各项土壤磷素指标均显著提高。由此得出，增施有机肥更有益于增加土壤有效磷、活性有机磷、碱性磷酸酶、微生物量磷和磷活化系数，提高了土壤磷素有效性。