孫玉祿， 李 楊， 劉曉輝， 高曉梅， 敖 靜， 白曉瑞

(1.遼寧省微生物科學研究院，遼寧 朝陽 122000；2.遼寧省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地建設工程中心， 遼寧 沈陽 110033)

近些年水體富營養(yǎng)化受到很多關注，而磷素在水體的匯集是水體富營養(yǎng)化的主要根源，國內(nèi)外對土壤磷的流失形式進行了大量研究[1-2]，發(fā)現(xiàn)土壤表層中有效磷含量一旦超過60 mg/kg，就會造成磷素的淋失[3]。土壤裂隙和大孔隙所造成的優(yōu)先流對氮磷淋失污染通量的貢獻是國際上的研究熱點[4]，國內(nèi)研究主要關注農(nóng)田氮磷淋洗及影響因素，發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤磷的徑流和滲透淋失是導致受納水體磷濃度升高的主要原因[5]。隨著我國設施農(nóng)業(yè)覆蓋面的增加以及對效益的追求，各種肥料被不可避免地疊加使用，導致過度施肥現(xiàn)象時有發(fā)生，造成了土壤氮磷元素向地下流失與遷移，進而導致農(nóng)業(yè)面源污染，尤其是磷素的滲透淋溶導致地表水體磷富集的問題日趨嚴重。因此，對磷素在土壤耕層的淋溶研究具有非常重要的意義[6]。由于秸稈還田能夠改善土壤理化性狀，增強土壤保水保肥能力，實現(xiàn)作物增產(chǎn)已成為研究的熱點，近年來也逐漸得到了廣大農(nóng)戶的認可，但是秸稈還田對設施土壤磷素淋溶研究方面鮮有報道。本研究選取北方典型的番茄大棚，研究了玉米秸稈還田配施肥料對番茄增產(chǎn)及磷淋溶的影響。力爭在增產(chǎn)的同時，有效控制土壤水肥管理不當造成的水體污染。 磷在土壤中以多種形式存在，其中微生物量磷是土壤磷組分中最為活躍的形態(tài)，能夠隨著微生物自身不斷更新而周轉(zhuǎn)釋放出來供植物和土壤中其他的微生物吸收利用[7]，能夠反映土壤活性磷庫的容量和周轉(zhuǎn)強度[8]。而作物能直接利用的磷被稱為有效磷，全磷含量高的土壤，有效磷不一定高。因此，測定微生物量磷和有效磷含量才能比較全面的說明土壤磷素肥力的供應情況[9]。在提高土壤磷素利用率方面，一些研究表明，秸稈還田可以減弱土壤的固磷能力[10]，提高土壤磷活化系數(shù)，使作物有效利用土壤中的磷素，防止過多的磷素流失以及在土壤中向下遷移[11]。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗田基本情況 試驗地塊位于遼寧省喀喇沁左翼蒙古族自治縣水泉鎮(zhèn)(119.89°44′55″ E，41.33°12′21″ N，海拔310 m)。土壤為褐土。土壤基本理化指標：pH值 7.76、有機質(zhì)69.21 g/kg、容重1.31 g/cm3、全氮12.80 g/kg、全磷1.18 g/kg、有效磷465.46 mg/kg、速效鉀147.22 mg/kg。

1.1.2 供試材料 ①番茄品種：漢姆1號(赤峰和潤農(nóng)業(yè)高新科技產(chǎn)業(yè)開發(fā)有限公司)；②上一年玉米秸稈；③過磷酸鈣(鐘祥市楚明磷化有限公司)。

1.1.3 主要試劑與儀器設備 硫酸、高氯酸、氫氧化鈉、鉬酸銨(國藥集團化學試劑有限公司)；高氯酸(天津政成化學制品有限公司)。全自動流動注射分析儀(iFIA7-MAC3，北京吉天儀器有限公司)；紫外可見分光光度計(T6新悅，北京普析通用儀器有限責任公司)；消化爐(HYP-340，上海纖檢儀器有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 ①定植：2020年7月12日試驗采用雙因素隨機分組方法，設置秸稈用量和磷肥供應兩個因素。底肥為有機肥(7 500 kg/hm2)和尿素(20 kg/hm2)，整地時均勻施入。玉米秸稈切成2～3 cm左右小段施于土層(25～30 cm)中，對照組(S0P0)不加秸稈段，不施磷肥；秸稈還田量(S)設置三個水平，分別為15 000(S1)、22 500(S2)和 30 000 kg/hm2(S3)；磷肥(過磷酸鈣,P)設置三個水平，分別為100 (P1)、150 (P2)和200 kg/hm2(P3)與底肥同時施入。設計S0P0、S0P3、S1P3、S2P3、S3P3、S2P0、S2P1、S2P2共8個處理，每個處理重復3次，小區(qū)面積29.4 m2，每個小區(qū)種植4壟共96株，大壟雙行定植，每個處理之間設置兩壟保護行。其余肥料等以沖施方式作為追肥施入。小區(qū)間設定保護行。井水灌溉，每次滴灌15 mm。②淋溶液裝置：采用滲漏池(lysmeter)[12]收集淋溶液，滲漏池長×寬×高=150 cm×80 cm×40 cm。土壤分0～20和20～40 cm兩層挖出，滲漏池底部用塑料做防滲處理，在滲漏池中央塑料底部開一直徑約15 cm小孔，小孔下方放置淋溶桶(直徑40 cm，高40 cm)用于接淋溶液，淋溶桶蓋均勻打20個直徑2 cm孔，弧形向下蓋于桶上，桶蓋上方鋪上裝有細沙的100 目尼龍網(wǎng)袋用于過濾雜質(zhì)，回填部分下層土壤，將玉米秸稈鋪于25～30 cm土層處，兩層土壤原位回填。

1.2.2 取樣 ①土樣采集：采用五點取樣法采集10～20 cm剖面的土壤。②水樣采集：真空泵分別抽取花期、膨果中期、膨果尾期、拉秧期四個階段淋溶桶中的淋溶液，同時測量淋溶液量，取回部分淋溶液測試全磷、有效磷。

1.2.3 測定方法 ①參照《土壤農(nóng)化分析》[9]中的方法測定各項指標。全氮含量采用濃硫酸-雙氧水消煮凱氏定氮法，全磷采用硫酸、高氯酸酸溶-鉬銻抗比色法，土壤微生物量磷(Microbial Biomass Phosphorus,MBP)采用氯仿熏蒸-碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法，有效磷采用釩鉬藍比色法。②產(chǎn)量測定：詳細記錄每個小區(qū)番茄的數(shù)量及產(chǎn)量。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計 采用 SPSS 21軟件的單因素方差分析(ANOVA)方法，檢驗各指標在不同處理間的差異；WPS excel完成圖表。 土壤磷活化系數(shù)(PAC)的計算公式：

2 結(jié)果與分析

2.1不同處理對土壤中磷素的影響

土壤中的磷素移動性較差，一般在耕作層積累，根據(jù)試驗結(jié)果分析，土壤全磷含量1.80～2.56 g/kg，有效磷的含量365.14～398.18 mg/kg。無論單純玉米秸稈還田或增施磷肥還是二者均有施用，各處理間均沒有顯著差異，但土壤全磷含量均顯著高于對照組(S0P0),具有顯著差異(P<0.05)，各處理間土壤有效磷含量差別明顯。玉米秸稈還田后，土壤中有效磷含量增加，其中，磷肥量200 kg/hm2、秸稈量22 500 kg/hm2(S2P3)條件下土壤有效磷含量最高(圖1)。與同樣秸稈還田量條件下不增施磷肥組(S2P0)相比有效磷提高35.03%，達到顯著差異(P<0.05)；與增施磷肥但不增施秸稈組(S0P3)相比有效磷提高55.20%，達到顯著差異(P<0.05)。且均顯著高于對照組(S0P0)。這可能是因為玉米秸稈的加入，增加了土壤中有機碳源，降低了土壤對磷素的吸附力，同時秸稈還田又促進了土壤微生物的呼吸作用，提高了土壤磷素的活性(圖2)，更多地轉(zhuǎn)化成可供作物直接利用的有效磷。這一結(jié)果與胡宏祥等[13]的研究結(jié)果相同。另外，添加玉米秸稈處理比單施磷肥處理能提高土壤中有效磷含量，而玉米秸稈量和磷肥施用量對土壤全磷的影響差異不顯著，可能添加玉米秸稈處理在秸稈分解過程中產(chǎn)生的物質(zhì)可活化土壤本身的磷素，使土壤有效磷含量增加[14]。

圖1 土壤中全磷和有效磷含量變化Fig.1 Changes of total phosphorus and available phosphorus in soil不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下圖同Different letters indicate significant differences between treatments(P<0.05)，the same below

2.2不同處理對微生物量磷的影響

土壤中的磷以多種形態(tài)存在。其中，微生物量磷在土壤中的含量較小，卻是作物可利用磷的重要來源，也是土壤磷組分中最為活躍的形態(tài)。本研究中(圖3)，S2P3和S3P3兩個處理的微生物量磷明顯高于S0P0和S2P0，具有顯著差異(P<0.05)，其他處理間無顯著差異，通過在微生物量磷和玉米秸稈用量、磷肥添加量之間進行SPSS 21關聯(lián)性分析，微生物量磷和秸稈使用量的相關性r=0.507，P=0.011<0.05,說明土壤微生物量磷和玉米秸稈用量之間存在中等程度相關，玉米秸稈用量越大，土壤中微生物量磷的含量越高；微生物量磷和磷肥添加量的相關性r=0.629，P=0.001<0.01,說明土壤微生物量磷和磷肥添加量之間存在強相關，磷肥添加量越大，土壤中微生物量磷的含量越高。

圖2 土壤磷活化系數(shù)變化Fig.2 Change of soil phosphorus activation coefficient

圖3 土壤微生物量磷含量變化Fig.3 Change of soil microbial biomass phosphorus content

2.3 不同處理對磷素淋溶的影響

2.3.1 不同處理磷淋溶液濃度動態(tài)變化 番茄屬于對磷反應敏感的喜磷作物。番茄生長周期中各階段對磷元素的需求不同，磷淋溶流失也不盡相同。不同秸稈還田量與磷肥施用量處理的淋溶液全磷和有效磷濃度動態(tài)變化如圖4、圖5所示。 所有處理的淋溶液均為全磷和有效磷前期最高，隨著番茄生長逐漸遞減，拉秧期全磷和有效磷濃度又略有升高。其中，S0P3處理的全磷和有效磷的濃度均為最高，分別為6.27、3.12 mg/L。這可能由于耕作開始階段，土壤內(nèi)的大孔隙比較多，初期較易形成優(yōu)勢流，灌水時有相當數(shù)量的水分迅速通過大孔隙向下遷移，土壤中磷元素也同時向下遷移，此時土壤吸附飽和度比較高，導致淋溶液中的全磷濃度比較高。 從圖4、圖5中可以發(fā)現(xiàn)，同一時期添加等量磷肥的處理之間，隨著玉米秸稈量的加大，有效磷的淋溶損失呈遞減趨勢，全磷的淋溶損失在膨果中期、膨果尾期和拉秧期也呈遞減趨勢，S0P3>S1P3>S2P3>S3P3，玉米秸稈還田量高的處理低于玉米秸稈還田量低的處理、低于無秸稈還田的處理，說明玉米秸稈還田能有效攔截全磷和有效磷向下遷移[15]；而添加等量玉米秸稈的處理之間，隨著磷肥用量的增加，全磷的淋溶略有增加，有效磷的淋溶變化不顯著。分析可能是在番茄的膨果期，養(yǎng)分消耗較大，有效磷已經(jīng)更多的被根系利用。通過進行全磷淋溶量和有效磷淋溶量之間的SPSS關聯(lián)性分析(Pearson法)，全磷和有效磷的相關性r=0.955，P=0.000<0.05,說明淋溶液中全磷和有效磷的流失比例存在高度相關，在土壤磷素向下淋溶過程中，全磷和有效磷的淋溶影響是一致的。

圖4 淋溶液全磷濃度變化Fig.4 Change of total phosphorus concentration in leaching solution

圖5 淋溶液有效磷濃度變化Fig.5 Change of available phosphorus concentration in leaching solution

2.3.2 不同處理磷累積淋溶量變化 各處理的全磷和有效磷淋溶損失量見圖6、圖7。不同處理間淋溶損失量差異顯著(P<0.05)。施加等量磷肥的條件下，玉米秸稈還田可以將全磷的淋溶損失由玉米秸稈未還田的83.12 mg/m2降至42.30 mg/m2，而施加等量玉米秸稈的條件下，施加磷肥與否差異不顯著，但添加玉米秸稈的處理，淋溶損失量均顯著低于未添加玉米秸稈處理(S0P0、S0P3)。這表明玉米秸稈還田可顯著降低全磷和有效磷的淋溶損失。

圖6 全磷淋溶量變化Fig.6 Change of total phosphorus leaching

圖7 有效磷淋溶量變化Fig.7 Change of available phosphorus leaching

2.4 不同處理對番茄產(chǎn)量的影響

由圖8、圖9可以看出,玉米秸稈還田量和磷肥添加量與番茄單果重和產(chǎn)量均呈正相關關系，玉米秸稈還田與番茄產(chǎn)量達到顯著差異水平，處理組S2P3的產(chǎn)量最高，顯著高于其他處理組；處理組S2P3和S3P3的平均單果重均顯著高于其他處理組。

磷肥施用量對番茄單果重、產(chǎn)量影響顯著，其中S2P3的單果重和產(chǎn)量在整個處理中最高，分別達到0.22 kg/果、11 651.33 kg/667 m2，單果重比S0P0、S0P3、S2P0分別提高51.02%、29.82%和24.72%，產(chǎn)量較S0P0、S0P3、S2P0顯著提高44.45%、37.27%和32.08%。當磷肥施用量達到200 kg/hm2時，單果重和畝產(chǎn)量均未上升卻略有下降，說明磷肥過量反而會導致番茄減產(chǎn)。這可能和磷肥供應過剩導致番茄徒長，影響坐果有關。

通過對土壤全磷、有效磷含量與產(chǎn)量之間的SPSS 21關聯(lián)性分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量與土壤中全磷、有效磷含量的相關性達到了r=0.688，P=0.000<0.05,說明番茄產(chǎn)量與土壤中全磷、有效磷的含量存在強相關。土壤中全磷和有效磷的含量越大，番茄的產(chǎn)量越高。

圖8 不同處理平均單果重變化Fig.8 Change of average single fruit weight in different treatments

圖9 不同處理平均產(chǎn)量變化Fig.9 Change of average yield in different treatments

3 討 論

玉米秸稈中含有大量的有機質(zhì)及氮、磷、鉀等元素，以往的研究表明，玉米秸稈還田可以明顯增加土壤養(yǎng)分[16]，并對作物吸收營養(yǎng)元素起著積極作用，同時具有保水保肥功能[17]。本研究結(jié)果顯示，玉米秸稈還田和磷肥施用均能改變磷元素在土壤耕作層中的分配，提高土壤中全磷和有效磷的含量，增加土壤中有效磷的比例，顯著降低磷素的淋溶，有效減輕農(nóng)業(yè)面源污染。

磷肥能直接增加土壤中磷素的含量，玉米秸稈還田能提高土壤中磷的活化系數(shù)，提高磷素利用率。玉米秸稈還田與磷肥同時施用既能提高土壤中磷素的含量，又提高了土壤微生物量磷的含量。提高了磷素的利用率，可以有效改善磷素缺乏土壤上的作物對磷素的利用。

淋溶是農(nóng)田土壤磷流失的主要途徑之一。土壤對磷素的吸附性強，一般磷素較氮素不易發(fā)生淋失,只有當土壤有效磷含量超過某一臨界值后，磷才會隨水向深層土壤遷移，磷素在土壤中的淋溶過程是由吸附-解吸-遷移交替緩慢發(fā)生的過程,不同土壤發(fā)生層的結(jié)構不同，引起土壤磷淋溶情況也有差異。除受磷肥施用量的影響外,還與土壤理化性質(zhì)密切相關，磷素垂直向下淋溶主要是通過土壤中的大孔隙進行。本研究中，在花期淋溶液濃度最高，隨著時間的推移，呈下降趨勢，這可能和種植初期土壤空隙大而多有直接關系。

玉米秸稈還田降低了土壤對磷素的固定作用[18]，促進了土壤中全磷的利用率，這主要是由于秸稈還田后，土壤中有機碳源增加，從而降低了土壤對磷素的吸附力，同時玉米秸稈還田為土壤中的微生物提供了豐富的可溶性營養(yǎng)物質(zhì)，促進土壤微生物大量繁殖，微生物又將土壤中的難溶性磷轉(zhuǎn)化成有效磷，進一步提高了土壤磷活化系數(shù)，最終提高了土壤中的有效磷含量和磷素水平，玉米秸稈還田對磷素的循環(huán)具有積極的作用。