李婠婠，滕艷敏，李 季

(中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193)

1980 年以來，我國設施蔬菜種植面積逐年遞增，2016 年已達到391.5 萬hm2[1]。截至2015 年底，我國有機蔬菜種植面積為14.8 萬hm2[2]。設施蔬菜生產能夠高效使用非耕地土地，提高蔬菜產量和質量[1]。但也存在著化肥和有機肥施入過量、養(yǎng)分不平衡和溫室氣體排放等問題[3]。研究表明，長期大量施入磷肥或有機肥會污染地下水，引起水體富營養(yǎng)化[4]。

1989 年，蔣柏藩和顧益初[5]在張守敬和Jackson法的基礎上提出了一套適用于石灰性土壤無機磷分級的新體系，把石灰性土壤中的無機磷分為二鈣磷(Ca2-P)、八鈣磷(Ca8-P)、十鈣磷型(Ca10-P)、鋁磷(Al-P)、鐵磷(Fe-P)和閉蓄態(tài)磷(O-P)。土壤中的各種磷形態(tài)處于不斷轉化的過程中，影響無機磷固定和活化的因素有施肥，土壤pH，土壤中Al、Fe、Ca、Mg 的含量，磷灰石等礦物的表面積等；影響土壤有機磷礦化和固定的主要因素是土壤微生物，特別是土壤磷酸酶的活性及細菌和原生動物的活動[6-7]，而微生物活動和磷酸酶活性又受施肥、農藥及土壤pH 等因素的影響。研究結果表明，施用有機肥能夠提高土壤中的磷素含量并促進磷素循環(huán)。張建軍等[12]對玉米地的研究發(fā)現(xiàn)，隨有機肥施用量的增加，黑壚土中Ca2-P、Al-P 和Ca10-P 含量增加，而Ca8-P、Fe-P 和O-P 含量降低，其中Ca10-P 所占比例最大，可達到80% 左右。很多研究結果認為，有機肥施用促進土壤中的無機磷向有效態(tài)磷轉化[13-14]。施肥年限對土壤中各無機磷形態(tài)的含量與分布有顯著影響。王勁松等[15]研究了溫室大棚種植年限對石灰性土壤各無機磷形態(tài)的影響，結果表明，隨施肥年限增加，Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P 和Ca10-P 的含量均增加，經過15 a 的種植，Ca8-P 占總無機磷的比例達到50%，Ca2-P占無機磷的比例提高到8% 左右，之后趨于穩(wěn)定。施用有機肥會提高土壤中有機磷的含量。楊艷菊等[16]研究結果表明，大量施用有機肥相比不施肥處理提高土壤中有機磷含量201.5%，其中活性有機磷含量增加最多，對速效磷的貢獻最大。

目前，國內外的研究主要集中于短期單施肥或長期混合施肥對土壤磷形態(tài)的影響，對長期溫室蔬菜大棚施用有機肥如何影響石灰性土壤中磷素形態(tài)轉化的研究很少。本研究以中國農業(yè)大學曲周試驗站有機、綜合與常規(guī)種植3 種蔬菜日光溫室長期定位試驗為基礎，研究不同施肥年限3 種生產體系下土壤剖面磷素形態(tài)及其含量分布，探究土壤中磷素的轉化過程，評價土壤的供磷能力及其對環(huán)境的影響，探尋合理的調控措施，在提高作物生產力的同時，最大限度地降低環(huán)境污染，為設施蔬菜生產和有機蔬菜種植的肥料管理提供依據(jù)，為發(fā)展規(guī)模化、專業(yè)化、標準化的有機農業(yè)設施蔬菜種植模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于河北省邯鄲市曲周縣北部中國農業(yè)大學曲周試驗站(36o52′N，115o01′E)，試驗于2002年3 月開始，是針對有機蔬菜生產進行的長期定位研究。試驗采用的日光溫室為拱圓式，長52 m、寬7 m，占地面積約0.04 hm2。供試土壤為治理后的鹽化潮褐土，試驗前為多年菜田。

1.2 試驗設計

試驗設有機、綜合和常規(guī)種植3 個處理，分別為：①有機種植模式(ORG)：采用有機蔬菜生產方式，只施用有機肥，病蟲害防治以生物和物理防治為主，并輔以生物藥劑防治；②綜合種植模式(INT)：結合有機和常規(guī)蔬菜生產方式，施用減半有機肥及減半化肥，病蟲害防治以生物和物理防治為主，比較嚴重時少量使用一些低毒低殘留農藥；③常規(guī)種植模式(CON)：采用常規(guī)蔬菜種植方法，施用化肥和少量有機肥，追施尿素，病蟲害防治以化學防治為主，使用國家規(guī)定的高效低毒農藥控制病蟲害?；手械蕿槟蛩兀追蕿檫^磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀，有機肥由當?shù)仞B(yǎng)殖場生產的牛糞、雞糞(牛糞約6 000 kg，雞糞約3 000 kg)添加北京沃土天地生物有限公司生產的VT 菌劑后堆置而成。3 種蔬菜種植模式分別在3 個溫室進行，每個溫室內平分為3 個小區(qū)，每個小區(qū)約120 m2，作為3 個重復。種植作物為芹菜、番茄、茄子、茴香等。每年的養(yǎng)分投入量見表1。

表 1 不同生產模式投入養(yǎng)分量(kg/hm2)Table 1 Nutrients input under different production modes

1.3 樣品采集與指標測定

于2017 年4 月取樣，每個處理分為3 個取樣小區(qū)，于植株行正中間用土鉆采集土樣，取樣深度為0 ～40 cm，每20 cm 為一層，每個小區(qū)按“X”字形取5鉆，混勻。土樣取回后剔除石礫和植物殘根等雜物后風干保存，另外，收集2013—2016 年4 月份土壤樣品，用于磷形態(tài)測定。有機磷測定采用灼燒法，無機磷形態(tài)測定采用蔣柏藩和顧益初[5]無機磷分級浸提法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)由Microsoft Excel 2010 程序進行整理，變異性及方差分析使用SPSS 20.0 程序。

2 結果與分析

2.1 土壤無機磷動態(tài)變化及影響因素

由圖1 可知，在表層土壤(0 ～ 20 cm)中，Ca8-P含量最高，常規(guī)、綜合和有機種植模式最高分別達1 457.91、1 097.25、1 599.68 mg/kg。隨著施肥時間延長，3 種種植模式的Ca2-P、Ca8-P、Fe-P 含量不斷升高，2013—2017 年常規(guī)種植模式的增幅分別為102%、31%、97%，綜合種植模式的增幅分別為42%、23%、67%，有機種植模式的增幅則分別為 25%、50%、73%；且有機種植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P 平均含量均顯著大于常規(guī)和綜合種植模式，其中，2017年Ca2-P較常規(guī)和綜合種植模式增幅為84%、80%，Ca8-P 增幅為10%、46%，F(xiàn)e-P 增幅為13%、38%。隨施肥時間延長，Al-P、O-P、Ca10-P 的含量波動變化，2013—2017 年，常規(guī)種植模式Al-P 含量在228.22 ～369.60 mg/kg，O-P 含量在119.59 ～ 240.34 mg/kg，Ca10-P 含量在365.64 ～ 528.67 mg/k；綜合種植模式Al-P 含量在197.34 ～ 311.60 mg/kg，O-P 含量在130.77 ～ 388.24 mg/kg，Ca10-P 含量在316.03 ～ 426.42 mg/kg；有機種植模式Al-P 含量在189.04 ～ 357.12 mg/kg，O-P 含量在44.92 ～ 176.00 mg/kg，Ca10-P 含量在296.69 ～ 441.31 mg/kg，O-P 及Ca10-P 含量略低于常規(guī)和綜合種植模式。

圖1 不同溫室蔬菜種植模式土壤無機磷形態(tài)含量變化Fig. 1 Inorganic P fractions in soils under different production modes of greenhouse vegetables

在亞表層土壤(20 ～ 40 cm)中，同樣Ca8-P 含量最高，常規(guī)、綜合和有機種植模式最高分別可達503.23、417.00、567.25 mg/kg(圖1)。隨著施肥時間延長，Ca2-P、Ca8-P、Fe-P 含量呈上升趨勢，2013—2017 年常規(guī)種植模式的增幅分別為 297%、54%、64%，綜合種植模式的增幅分別為156%、35%、67%，有機種植模式的增幅分別為 27%、43%、83%；且有機種植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P 平均含量均大于常規(guī)和綜合種植模式，2017 年Ca2-P 較之增幅為122%、46%，Ca8-P增幅為13%、36%，F(xiàn)e-P 增幅為45%、37%。隨施肥時間延長，Al-P、O-P、Ca10-P 的含量波動變化，2013—2017年，常規(guī)種植模式Al-P 含量在55.91 ～ 135.91 mg/kg，O-P 含量在83.95 ～ 132.78 mg/kg，Ca10-P 含量在364.32 ～ 449.83 mg/kg；綜合種植模式Al-P 含量在63.10 ～ 138.73 mg/kg，O-P 含量在84.02 ～ 201.38 mg/kg，Ca10-P 含量在347.13 ～ 490.07 mg/kg；有機種植模式Al-P 含量在92.92 ～ 248.52 mg/kg，O-P 含量在43.77 ～140.60 mg/kg，Ca10-P 含量在373.4 ～ 527.92 mg/kg。

由圖2 可知，隨著施肥時間的延長，在0 ～ 20 cm土層中Ca2-P 所占比例先上升后穩(wěn)定，Ca8-P 所占比例穩(wěn)定在50% 左右，F(xiàn)e-P 的比例穩(wěn)定在4.5% 左右，Al-P 和O-P 的比例略有下降，常規(guī)和有機種植模式Ca10-P 比例下降，而綜合種植模式略有上升；在20 ～40 cm 土層中，Ca2-P、Ca8-P 所占比例逐漸上升，Al-P和Fe-P 的比例分別穩(wěn)定在9% 和4.5% 左右，O-P的比例略有下降，常規(guī)和綜合種植模式Ca10-P 所占比例上升，而有機種植模式略有下降。有機種植模式Ca2-P 所占比例高于常規(guī)和綜合模式，O-P、Ca10-P所占比例幾乎均低于常規(guī)和綜合種植模式，Ca8-P、Fe-P 和Al-P 比例無明顯差異。整體看來，表層土各磷素占比：中等活性磷源(Ca8-P、Fe-P、Al-P)＞潛在磷源(O-P、Ca10-P)＞有效磷源(Ca2-P)。亞表層土各磷素占比：2013—2014 年潛在磷源(O-P、Ca10-P)＞中等活性磷源(Ca8-P、Fe-P、Al-P)＞有效磷源(Ca2-P)，2015—2017 年中等活性磷源(Ca8-P、Fe-P、Al-P)＞潛在磷源(O-P、Ca10-P)＞有效磷源(Ca2-P)。

圖2 不同溫室蔬菜種植模式土壤不同形態(tài)磷占無機磷的比例Fig. 2 Proportion of different P fractions in total inorganic P under different production modes of greenhouse vegetables

由表2 可知，除亞表層Ca10-P 外，種植模式及施肥年限對其余形態(tài)磷素含量均有顯著影響；除表層土的Fe-P 和亞表層土的Ca8-P 外，種植模式與施肥年限的交互作用均顯著影響其余磷組分。說明種植模式及施肥年限共同影響土壤中無機磷形態(tài)的含量分布。

2.2 土壤有機磷動態(tài)變化及影響因素

由圖3、表3 可知，種植模式及施肥年限對有機磷含量均有顯著的影響，且種植模式與施肥年限的交互作用亦顯著。隨著施肥時間的增加，土壤中有機磷含量顯著提高，表層土常規(guī)、綜合和有機種植模式有機磷含量最高分別可達450.52、714.19、840.74 mg/kg，2017 年比 2013 年增幅為 117.10%、215.28%、133.55%；亞表層土中常規(guī)、綜合和有機種植模式有機磷含量最高分別可達92.08、110.64、146.51 mg/kg，2017 年比2013 年增幅為18.13%、42.72%、54.93%。有機種植模式下土壤有機磷含量幾乎全都高于常規(guī)和綜合種植模式，2017 年表層土分別比常規(guī)及綜合種植模式高出87.61%、17.71%，亞表層土則分別高出59.11%、32.42%。

表2 土壤無機磷變異來源方差分析Table 2 ANVOA results of variation sources of soil inorganic P

圖3 不同溫室蔬菜種植模式有機磷含量變化Fig. 3 Organic P in soils under different production modes ofgreenhouse vegtables

表3 土壤有機磷變異來源方差分析Table 3 ANVOA results of variation sources of soil organic P

由圖4 可知，在表層土中有機磷占全磷的8% ～23%，在亞表層土中有機磷占全磷的6% ～ 13%；表層土中有機磷所占比例逐年升高，且有機種植模式均高于常規(guī)和綜合種植模式；亞表層土中有機磷所占比例穩(wěn)定在8% 左右，3 種種植模式間沒有顯著性差異。

圖4 不同溫室蔬菜種植模式土壤有機磷與無機磷占全磷的比例Fig.4 Proportion of inorganic and organic P in soils under different production modes of greenhouse vegetables

2.3 土壤各形態(tài)磷組分的相關性

由表4 統(tǒng)計分析可知，在0 ～ 20 cm 土層，常規(guī)種植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、有機磷含量兩兩呈現(xiàn)明顯的線性相關關系，表明兩種磷形態(tài)之間存在一定的轉化關系。綜合種植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、O-P含量兩兩呈現(xiàn)明顯的線性相關關系，有機磷與Ca8-P、Fe-P 含量均存在明顯的線性相關關系，但Ca2-P 與Ca10-P 含量呈顯著負相關關系。有機種植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、O-P、有機磷含量兩兩呈現(xiàn)明顯的線性相關關系(Ca2-P 與Ca10-P 除外)，說明有機種植模式土壤中無機磷形態(tài)之間、有機磷與無機磷之間的轉化更活躍，有機種植模式促進了土壤磷素之間的轉化過程。

在20 ～ 40 cm 土層，常規(guī)種植模式Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P 含量兩兩呈現(xiàn)明顯的線性相關關系；綜合種植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、Ca10-P 含量兩兩呈現(xiàn)明顯的線性相關關系，O-P 與Ca2-P、Fe-P 含量呈明顯的負相關關系；有機種植模式Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P 含量兩兩呈現(xiàn)明顯的線性相關關系(Ca2-P 與Al-P 除外)。相比于0 ～ 20 cm 土層，20 ～ 40 cm 土層無機磷之間的轉化更弱，但增加了Al-P 的轉化，說明土壤不同土層的無機磷形態(tài)含量與轉化過程不盡相同。3 種種植模式有機磷含量與其他無機磷形態(tài)幾乎沒有明顯的相關性，說明有機磷幾乎沒有參與磷素的轉化過程。

表4 土壤各形態(tài)磷組分的相關性Table 4 Correlation between P fractions under different production modes of greenhouse vegetables

3 討論

本研究表明，種植模式及施肥年限對各形態(tài)無機磷含量均有顯著影響，且交互作用顯著。隨著施肥時間延長，3 種種植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P 含量不斷升高，Al-P、O-P、Ca10-P 含量呈現(xiàn)不規(guī)則變動，差異較??；有機種植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P 含量均高于常規(guī)和綜合種植模式，O-P、Ca10-P 含量略小于常規(guī)和綜合種植模式。Ca2-P 對植物具有高度有效性，是作物的有效磷源。Ca2-P 與有機質含量呈顯著正相關關系，說明土壤有機質含量的提高會降低土壤中磷的吸附，原因可能是有機肥施入土壤后提高了土壤有機質含量，改變了土壤的物理性質[15]，同時有機肥中也含有大量的活性磷[17]，且通過礦化作用及分解作用釋放出部分磷素、通過腐殖酸與Ca、Fe 和Al等螯合降低土壤中磷的吸附，從而導致土壤中 Ca2-P含量的增加[18]。大量施用有機肥及土壤中有效磷含量過多會促進 Ca2-P 向Ca8-P 方向轉化[16]，這是因為土壤對于有效磷的承載是有限的，當超過某一閾值后，磷素會加速移動、流失或轉化，從而提高土壤中Ca8-P 的含量。陸欣春等[20]研究發(fā)現(xiàn)，長期施用有機肥會顯著提高Ca2-P、Ca8-P、Al-P 和Fe-P 的含量，但O-P、Ca10-P 含量變化不顯著。王勁松等[15]研究了栽培年限為0 ～ 15 a 的溫室土壤，結果發(fā)現(xiàn)隨種植年限增加，土壤無機磷形態(tài)的Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P和 Ca10-P 含量均明顯增加，種植4 ～ 5 a 后，無機磷中Ca8-P 占到50%。宋付朋[21]研究了化肥與有機肥配施下石灰性菜田土壤無機磷形態(tài)，結果表明土壤中Ca2-P、Ca8-P 和Fe-P 含量在表層強烈富集，下層含量驟減，趨勢與本研究結果一致。本研究結果表明，3 種種植模式土壤中Ca2-P 含量呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定的趨勢，Ca8-P 含量所占比例穩(wěn)定在50% 左右，F(xiàn)e-P的比例穩(wěn)定在4.5% 左右，Al-P、O-P 及Ca10-P 的比例略有下降，這是因為Ca2-P、Ca8-P、Fe-P 含量的上升導致總無機磷含量上升，而Al-P、O-P 及Ca10-P的含量幾乎不變。在表層及亞表層土壤中，無論施肥年限多長，有機種植模式的Ca2-P 所占比例均高于常規(guī)和綜合種植模式，這可能是因為大量的有機肥施入攜帶了大量的活性磷，每年的持續(xù)輸入使Ca2-P 維持在較高水平，且活性磷含量過高，垂直移動性增強，增加了亞表層土中的含量。李中陽等[22]研究了有機無機肥料配施對潮土的影響，結果表明長期施肥處理提高了土壤Ca2-P、Ca8-P 的比例，降低了O-P、Ca10-P的比例，與本研究結果一致。

本研究結果表明，隨著施肥時間的增加，土壤中有機磷含量顯著提高，有機種植模式下土壤有機磷含量幾乎全都高于常規(guī)和綜合種植模式。楊艷菊等[16]研究結果表明，大量施用有機肥相比不施肥處理提高土壤中有機磷含量201.5%，其中活性有機磷含量增加最多，對速效磷的貢獻最大。有機肥含有大量磷素，施入土壤后會擴大土壤磷庫，改變土壤的物理、化學、生物性質，從而影響土壤中磷素的轉化過程。有機肥中腐殖酸不僅能和Ca、Al、Fe 螯合，吸附于鐵礦石表面，而且會形成腐殖酸-(Fe/Al)-P 復合體，這些過程會釋放磷素，并增強磷素移動[18]。有機肥中含有很多Ca 元素，有機肥長期使用會提高土壤中Ca-P的含量，并提高其比例。有機肥中含有許多微生物、酶及生物能源物質，可促進土壤中微生物增長，改變微生物群落結構，提高土壤團聚體含量和土壤孔隙度，有利于養(yǎng)分積累[23]。

在0 ～ 20 cm 土層中，3 種種植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、有機磷含量之間兩兩呈現(xiàn)明顯的線性相關關系，有機種植模式下磷形態(tài)之間的相關性更強，說明有機種植模式促進了土壤無機磷之間、有機磷與無機磷之間的轉化過程。因有機肥中大部分磷都是有機磷，所以有機磷的水解程度直接關系到有機肥的利用效率，Criquet 和Braud[24]指出，有機肥中的有機磷需在水解酶的作用下才能水解為無機磷供作物吸收。其中，磷酸酶是土壤中廣泛存在的一種水解酶，能夠催化磷酸酯和磷酸酐的水解反應，促進土壤有機磷的礦化。孟娜等[25]通過微區(qū)桶試驗研究了施用磷肥和有機肥對土壤中有機磷、磷酸酶活性的影響，結果表明施用有機肥能夠顯著增加土壤中有機磷的含量、提高磷酸酶的活性，而有機磷含量與磷酸酶活性有顯著的正相關關系，施用有機肥能夠促進磷酸酶對有機磷的水解作用，使有機磷向無機磷轉化。

4 結論

種植模式及施肥年限對溫室蔬菜種植土壤各形態(tài)無機磷含量均有顯著影響，且交互作用均顯著。隨著施肥時間延長，3 種種植模式土壤有機磷含量及無機磷形態(tài)Ca2-P、Ca8-P、Fe-P 含量顯著升高，Al-P、O-P、Ca10-P 含量呈現(xiàn)不規(guī)則變動，差異較小；有機種植模式有機磷含量及無機磷形態(tài)Ca2-P、Ca8-P、Fe-P 含量顯著高于常規(guī)和綜合種植模式，O-P、Ca10-P略小于常規(guī)和綜合種植模式，F(xiàn)e-P 含量沒有顯著性差異。整體來看，各磷素占比：中等活性磷源(Ca8-P、Fe-P、Al-P)＞潛在磷源(O-P、Ca10-P)＞有效磷源(Ca2-P)。表層土中有機磷占全磷的8% ～ 23%，亞表層土中有機磷占全磷的6% ～ 13%。有機種植模式促進了土壤無機磷之間、有機磷與無機磷之間的轉化過程，且0 ～ 20 cm 土層的磷素轉化比20 ～ 40 cm 更活躍。