賈萌萌,劉國明,黃 標
設施菜地利用強度對土壤磷形態(tài)分布及其有效性的影響——以江蘇省水耕人為土和潮濕雛形土為例①
賈萌萌1,2,劉國明1,2,黃 標1*
(1 中國科學院土壤環(huán)境與污染修復重點實驗室(南京土壤研究所),南京 210008;2 中國科學院大學,北京 100049)
以江蘇省水耕人為土和潮濕雛形土兩種土壤類型為對象,研究了設施菜地利用強度對土壤磷形態(tài)分布及其有效性的影響。結果表明:隨利用強度增加,兩種土壤類型的各磷形態(tài)含量均有所增加,以水溶態(tài)磷和鋁結合態(tài)磷(Al-P)增加最為顯著(<0.05)。而水耕人為土閉蓄態(tài)磷(O-P)占總磷百分比和潮濕雛形土殘渣態(tài)磷占總磷百分比隨利用強度增加則表現出顯著降低的趨勢(<0.05)?;貧w分析結果表明,水耕人為土有效磷主要來自于鐵結合態(tài)磷(Fe-P)和Al-P;潮濕雛形土有效磷主要來自于水溶態(tài)磷和鈣結合態(tài)磷(Ca-P),且以前者更為重要。另外,設施蔬菜生產增加了土壤磷淋失的風險,尤其是潮濕雛形土。水–旱輪作并結合減少施肥量可能是降低設施土壤磷淋失風險的一個有效措施。
設施蔬菜;水耕人為土;潮濕雛形土;磷有效性;磷形態(tài)
磷(P)是植物生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素之一。植物吸收利用的磷主要來源于土壤[1]。土壤中的磷主要分為有機態(tài)磷和無機態(tài)磷兩大類,后者又包括礦物態(tài)磷、吸附態(tài)磷和土壤溶液中的磷[2]。植物吸收利用的磷主要為土壤溶液中的磷與有機態(tài)磷礦化分解產生的小分子有機態(tài)磷或無機態(tài)磷[3]。不同磷形態(tài)的植物有效性明顯相同。土壤中磷的形態(tài)分布和轉化方向對其生物有效性起著決定性作用[4]。因此,研究磷形態(tài)分布對于評價土壤供磷狀況,了解土壤–植物磷遷移過程具有重要意義。
因反季節(jié)種植、復種指數和經濟效益較高等特點,設施蔬菜在我國發(fā)展迅速。至2016年,全國設施蔬菜種植面積達391.5萬hm2,產量為2.5億t,約占蔬菜總產量的30.5%[5]。高產出、高收益的同時,也必然伴隨著各種肥料的過量投入,尤其是有機肥。以山東壽光市為例,設施蔬菜單位種植面積的施肥量是小麥-玉米輪作模式的6倍~ 14倍[6]。設施蔬菜種植過程中,往往以蔬菜氮需求作為肥料施用量的條件,加之肥料中磷普遍偏高,而作物對磷的利用率很低(5% ~ 15%)[7],所以,大量的磷素殘留下來,磷積累成為設施蔬菜土壤的一個典型特征[8]。對于露天菜地,施用有機肥可以增加土壤中活性、中等活性磷的含量,降低穩(wěn)定態(tài)磷的含量[9]。王伯仁等[10]發(fā)現,長期施用有機肥有利于紅壤旱地鈣結合態(tài)磷(Ca-P)和鋁結合態(tài)磷(Al-P)的積累,而閉蓄態(tài)磷(O-P)則保持相對穩(wěn)定。設施蔬菜生產條件下,土壤其他理化性質變化程度也異常劇烈,例如酸化現象明顯[11]、有機質(OM)含量顯著增加[12]等,這些對磷形態(tài)分布及其轉化過程起著重要的作用。與普通農田土壤相比,設施蔬菜土壤磷形態(tài)轉化過程可能有所不同。另外,設施蔬菜土壤磷過度積累,可能通過徑流或淋溶的方式離開土體,進而導致周圍水體環(huán)境污染[13]。
江蘇省是我國設施蔬菜的一個重要生產區(qū)域。受成土母質、地球化學過程、人為活動等因素的影響[14],不同類型土壤的磷形態(tài)分布可能會存在明顯差異,但迄今為止關于這方面的報道仍較為少見。因此,本文以江蘇省水耕人為土和潮濕雛形土上的設施菜地為對象,研究了不同利用強度下土壤磷形態(tài)分布特征及其有效性,以期了解設施蔬菜種植過程中土壤磷形態(tài)分布及其有效性的變化規(guī)律,查明土壤磷有效性的主要影響因素,為選擇適宜的設施蔬菜肥料管理方式及避免地下水體污染提供理論依據。
土壤樣品采自江蘇省兩個典型設施蔬菜種植區(qū)域:南京市江寧區(qū)谷里村(31.89° N,118.67 ° E)和徐州市銅山區(qū)下湖村(34.15° N,117.25° E)。其中,谷里村土壤是由下蜀黃土母質發(fā)育形成的水耕人為土;下湖村土壤則是由河流沖積物發(fā)育形成的潮濕雛形土[15]。谷里村設施類型為塑料大棚,種植年限在12 a左右,全年種植蔬菜,施肥以有機肥為主,年均用量為14.9 t/hm2;下湖村設施類型包括日光溫室和塑料大棚兩種,種植年限長達30 a之久,種植方式包括全年種植蔬菜或蔬菜–水稻輪作,年均有機肥用量介于121 ~ 447 t/hm2。兩個地區(qū)復合肥年均用量類似,均在3 t/hm2左右。
采樣區(qū)域內,將谷里村種植年限 >10、5 ~ 10、1 ~ 5 a的設施大棚和下湖村種植年限 >20、10 ~ 20、1 ~ 10 a的設施大棚分別確定為強度、中度和輕度3種利用強度。每個利用強度選擇4個蔬菜大棚為重復,即每個種植區(qū)域內確定12個設施大棚為采樣點。每個大棚內,在3 m × 4 m范圍內采用梅花型5點法采集表層(0 ~ 20 cm)土壤,混合均勻后,按照四分法留取1 kg左右土樣帶回實驗室,土樣經自然風干,剔除根系、石礫、磚瓦等雜物后,利用木槌研磨過2.0 mm尼龍篩備用。然后取其中約50 g土壤,用瑪瑙研缽研磨過0.149 mm尼龍篩,分別用于不同土壤屬性的測定分析。
pH采用電位法測定(1∶2.5土水比);OM采用外加熱重鉻酸鉀–硫酸消化法測定;全氮(TN)采用半微量凱氏法測定;土壤粒徑分布采用吸管法測定;全磷(TP)采用HClO4-HF-HCl消煮,鉬銻抗比色法測定;有效磷(Olsen-P)采用0.5 mol/L NaHCO3溶液提取,鉬銻抗比色法測定,具體步驟見《土壤調查實驗室分析方法》[16]。
土壤磷形態(tài)測定參考《土壤農化分析》[17],主要步驟見表1。其中,有機態(tài)磷(Or-P)灼燒提取的同時,另外稱取相同質量的土壤樣品,未經灼燒。灼燒與未經灼燒的土壤含磷量的差值,即為Or-P含量。土壤TP含量與上述磷形態(tài)相減之后得到的值即為殘渣態(tài)磷(Re-P)。每個土壤樣品的提取設置3個重復,提取液中的磷濃度采用鉬銻抗比色法測定。
采用IBM Statistics SPSS20.0軟件進行數據統(tǒng)計分析,Sigmaplot 12.5軟件進行作圖。通過單因素方差分析(One-Way ANOVA)和LSD(最小顯著性差異法)對數據進行差異顯著性檢驗和多重比較(<0.05)。
表1 土壤磷形態(tài)連續(xù)提取主要步驟
供試水耕人為土pH呈酸性,黏粒含量在258.90 ~ 333.41 g/kg,屬粉砂質黏壤土;OM和TN含量分別在20.01 ~ 28.37 g/kg和1.22 ~ 1.55 g/kg。潮濕雛形土pH呈中性至堿性,黏粒含量在138.71 ~ 185.53 g/kg,屬粉砂質壤土。OM和TN含量分別在22.03 ~ 28.95 g/kg和1.40 ~ 1.92 g/kg。隨設施菜地利用強度增加,兩種土壤類型的OM和TN含量呈明顯上升趨勢,且達到顯著水平(<0.05),而潮濕雛形土pH表現為顯著下降(<0.05)(表2)。
表2 不同設施菜地利用強度土壤基本理化性質
注:表中不同小寫字母表示同一類型土壤上不同利用強度設施菜地在<0.05水平上存在顯著差異。
供試水耕人為土TP和Olsen-P含量分別為0.78 ~ 1.45 g/kg和47.85 ~ 120.02 mg/kg,潮濕雛形土TP和Olsen-P含量分別為1.12 ~ 3.23 g/kg和126.70 ~ 682.02 mg/kg。強度利用條件下,水耕人為土和潮濕雛形土TP平均含量分別是輕度利用條件下的1.86倍和2.88倍;Olsen-P平均含量分別是輕度利用條件下的2.51倍和5.38倍(表2)。方差分析結果表明,隨設施菜地利用強度增加,兩種土壤類型的TP和Olsen-P含量均表現為顯著增加(< 0.05)。
供試水耕人為土和潮濕雛形土各磷形態(tài)含量及其占TP的百分比如圖1所示。水耕人為土各磷形態(tài)含量呈以下分布規(guī)律:Fe-P>O-P>Or-P>Ca-P> Re-P>Al-P>W-P。其中,Fe-P、O-P和Or-P含量分別為219.32 ~ 412.17、192.91 ~ 244.17 和146.88 ~ 212.58 mg/kg,分別占TP的22.06% ~ 34.41%、15.15% ~ 25.18% 和10.93% ~ 23.65%;W-P和Al-P含量分別為0.69 ~ 4.20 和48.37 ~175.04 mg/kg,僅占到TP的0.09% ~ 0.28% 和6.03% ~ 11.72%。潮濕雛形土各磷形態(tài)以Ca-P優(yōu)勢最為明顯,其含量為302.25 ~ 1 300.66 mg/kg,占TP的28.52% ~ 41.77%;W-P、Al-P和Or-P含量分別在45.91 ~ 475.51、68.81 ~ 349.04和141.94 ~ 472.34 mg/kg,分別占TP的4.22% ~ 14.84%、5.80% ~ 10.73% 和11.01% ~18.32%。
土壤各磷形態(tài)含量隨設施蔬菜利用強度增加基本呈增加趨勢。由圖1A、1B可知,強度利用條件下,水耕人為土W-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca-P、Or-P和Re-P平均含量分別是輕度利用條件下的6.09倍、3.62倍、1.88倍、1.27倍、1.86倍、1.45倍和2.58倍;潮濕雛形土W-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca-P、Or-P和Re-P平均含量分別是輕度利用條件下的10.36倍、5.07倍、2.18倍、2.72倍、3.05倍、3.33倍和0.91倍。方差分析結果表明,與輕度利用相比,強度利用條件下水耕人為土W-P、Al-P、Fe-P和Re-P含量顯著增加(<0.05),潮濕雛形土W-P、Al-P、O-P、Ca-P和Or-P含量增加也達到顯著水平(<0.05)。
然而,各磷形態(tài)占TP百分比的變化規(guī)律則有所不同(圖1C、1D)。與輕度利用相比,強度利用條件下水耕人為土O-P和潮濕雛形土Re-P分別下降了7.41% 和18.79%,且其下降量達到顯著水平(<0.05);而水耕人為土W-P和Al-P分別增長了0.19% 和5.69%,潮濕雛形土W-P和Al-P分別增長了10.62% 和4.92%,兩種土壤類型W-P和Al-P的增長量也都達到顯著水平(<0.05)。
水耕人為土和潮濕雛形土的Olsen-P含量與各形態(tài)磷含量相關分析結果分別如表3和表4所示。水耕人為土Olsen-P含量與W-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca-P、Re-P含量呈極顯著正相關(<0.01);潮濕雛形土Olsen-P含量與W-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca-P和Or-P含量呈極顯著正相關關系(<0.01)。除Or-P之外,水耕人為土其他各磷形態(tài)相關性均達到顯著(<0.05)或極顯著水平(<0.01)。同樣地,潮濕雛形土除Re-P外,其他各磷形態(tài)之間相關性也都達到了顯著(<0.05)或極顯著(<0.01)水平。這可能與過量肥料投入導致各磷形態(tài)含量均有所增加有關。
表3 水耕人為土土壤磷形態(tài)與Olsen-P的相關分析
注:**表示在<0.01水平上顯著相關(雙側),*表示在<0.05水平上顯著相關(雙側);下同。
表4 潮濕雛形土土壤磷形態(tài)與Olsen-P的相關分析
為進一步篩選出對設施菜地土壤Olsen-P含量有顯著影響的磷形態(tài),建立“最優(yōu)”回歸方程以便對Olsen-P含量進行有效預測和控制,本文以Olsen-P含量為因變量,W-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca-P、Or-P和Re-P含量為自變量,進行逐步回歸分析(表5)。結果表明,水耕人為土Olsen-P含量大小主要受Al-P和Fe-P含量的影響(<0.001),而潮濕雛形土Olsen-P水平主要受W-P和Ca-P含量的影響(<0.001),且W-P含量效果較為顯著。
表5 土壤Olsen-P與各磷形態(tài)逐步回歸分析結果
設施菜地土壤OM、TN、TP和Olsen-P含量均表現為隨利用強度增加而顯著增加(<0.05)。已有研究表明,設施菜地種植一段時間之后,土壤OM含量明顯增加(<0.001)[18],TP和Olsen-P含量分別可達普通農田土壤的2倍[19]和5倍[20]左右。這主要是由于設施蔬菜種植過程中,過量肥料(尤其是有機肥)的投入,遠遠超過了蔬菜本身所需量,導致土壤出現養(yǎng)分積累現象[12,21]。除營養(yǎng)元素之外,化學肥料也向土壤中帶入了大量的Cl–、SO2– 4等強酸性離子,使得pH呈下降趨勢[22]。另外,銨鹽的硝化作用也會促進土壤酸化過程[23],這與本文中潮濕雛形土pH隨利用強度增加而顯著降低(<0.05)的結果相一致。同樣地,Kong等[24]也指出,與鄰近露天土壤相比,設施菜地土壤pH下降了0.86個單位。
一般情況下,無機態(tài)磷是農田土壤磷的主要部分,約占TP的60% ~ 80%[25]。本研究中,水耕人為土和潮濕雛形土無機磷總量分別占TP含量的70.93% ~ 71.39% 和60.70% ~ 77.33%。根據所結合的主要陽離子,通常將無機態(tài)磷分為Fe-P、Al-P、O-P和Ca-P四種形態(tài)[26]。其中,Fe-P和Al-P是酸性土壤無機態(tài)磷的主要成分,Ca-P是石灰性土壤無機態(tài)磷的主要形態(tài)[3]。由圖1可知,Fe-P和O-P是水耕人為土無機態(tài)磷的主要形態(tài),而Al-P所占比例相對較小,這可能與酸性富鐵環(huán)境下Al-P向Fe-P轉化有關[27];在潮濕雛形土中,Ca-P是最為主要的無機態(tài)磷,這主要是由于江蘇蘇北土壤多來自黃泛沖積物,母質鈣含量較高,加之旱作條件下,鈣淋失程度較低所致。各磷形態(tài)中,W-P是含量最低的一種,在水耕人為土中尤其偏低(0.09% ~ 0.28%),這主要與該類型土壤鐵、鋁氧化物和黏粒含量較高,對磷的吸附固定能力較強有關[28]。土壤Or-P含量的大小與多種因素有關,例如:成土母質、風化過程、土壤性質、土地利用方式等,一般認為,TP含量越高的土壤,Or-P含量也越高[29]。本文中,水耕人為土和潮濕雛形土Or-P占TP的百分比較為接近,表明TP有可能是決定Or-P含量的主要因素。
設施蔬菜種植過程中,土壤各磷形態(tài)含量存在不同程度的增加(圖1A、B),以W-P和Al-P含量增加最為明顯,其占TP的百分比隨利用強度增加而顯著增加(<0.05)(圖1 C、D)。然而,水耕人為土O-P和潮濕雛形土Re-P占TP的百分比則表現為相反的變化規(guī)律,即隨利用強度增加而顯著下降(<0.05)。這與多方面因素有關,一方面,施肥在向土壤中帶入少量活性磷的同時[30],也導致了OM的積累。OM在分解過程中釋放的有機酸、腐殖質酸等物質會通過競爭吸附或螯合等方式,抑制礦物對磷的吸附或沉淀反應[31-32];另一方面,設施菜地土壤酸化可以增加土壤中磷酸鹽的溶解度,促進難溶態(tài)磷向可利用態(tài)磷的轉化,抑制難溶態(tài)磷的生成[33]。與上述幾種磷形態(tài)不同,Or-P占TP的百分比保持在一個相對穩(wěn)定的水平。這是由于長期施用有機肥會導致土壤氮磷比(N/P)下降,成為一個氮限制體系,不利于Or-P的積累[34]。本研究中,水耕人為土和潮濕雛形土N/P比分別為1.09和0.78,明顯低于全國和江蘇省土壤N/P比(1.23和1.58),恰好也證實了這一猜測。此外,設施蔬菜高溫、高熱生產條件下,也有可能會加速Or-P的礦化過程。以上分析表明設施蔬菜種植過程中,施肥不僅增加了土壤中各磷形態(tài)的含量,而且改變了磷形態(tài)的分布特征,即W-P和Al-P的比重明顯增加。
土壤中磷的生有效性取決于磷的形態(tài)分布及其轉化方向。魯如坤[35]指出,酸性水耕人為土Olsen-P水平主要是由Fe-P含量多少決定的。但是,盆栽試驗結果表明,隨磷肥施用時間的延長,水耕人為土Al-P逐漸向Fe-P轉化,水稻吸收的磷主要來源于Al-P和Fe-P[36]。不僅如此,有機肥礦化分解釋放的小分子有機酸也有可能活化Al-P和Fe-P,使其被植物吸收利用[37]。結合本文中Olsen-P與各磷形態(tài)逐步回歸分析結果,本研究認為,水耕人為土Olsen-P的主要來源為Fe-P和Al-P。對于潮濕雛形土,Olsen-P含量大小主要受W-P和Ca-P的影響,且W-P的作用最為顯著,這與已有的研究結果略有區(qū)別。顧益初和欽繩武[38]將Ca-P進一步劃分為Ca2-P、Ca8-P和Ca10-P后,發(fā)現Ca2-P是石灰性土壤Olsen-P的最主要來源,Al-P、Fe-P和Ca8-P可以作為緩效磷源。在本研究中,由于未將Ca-P進行進一步劃分,尚不能夠解釋Ca2-P、Ca8-P和Ca10-P對潮濕雛形土Olsen-P的貢獻情況,這將是下一步的研究工作。水耕人為土中,W-P對Olsen-P作用并不顯著,這可能是由于W-P含量極低所導致的。
設施蔬菜種植過程中,過量施肥導致土壤磷含量不斷增加,活性較高的W-P含量增加尤為顯著,若是灌水措施不恰當,就有可能增加磷淋失的風險。已有研究表明,水耕人為土和潮濕雛形土Olsen-P的淋溶閾值分別為82.7 mg/kg[39]和40.0 mg/kg[40],當Olsen-P含量超過該值時,磷就會以淋溶的方式離開土體。本研究中,潮濕雛形土Olsen-P含量在126.70 ~ 682.07 mg/kg,已明顯超出其對應的淋溶臨界值;水耕人為土只有在強度利用條件下,才有可能存在磷淋失風險。這與Kalkhajeh等[41]研究結果相一致:隨設施菜地利用強度增加,潮濕雛形土磷淋失量呈指數增加。兩種土壤類型磷淋失風險存在明顯差異,除了與其土壤性質有關之外,可能與其種植年限也有關系。除此之外,N/P比下降,會影響作物對磷的吸收利用,更多的磷積累在土壤中,從而有可能出現土壤磷吸附量趨向飽和狀態(tài)[42]。加之設施蔬菜生產體系本身具有高灌溉、強淋溶的特點,土壤磷淋失的風險也隨之增加[43]。因此,在設施蔬菜種植過程中,應密切關注土壤磷淋失情況,尤其是潮濕雛形土。針對上述情況,于潮濕雛形土而言,可以通過水-旱輪作并結合減少施肥量的方式,提高土壤磷的生物有效性,降低磷淋失風險,實現設施蔬菜高效、可持續(xù)發(fā)展。
1)設施蔬菜種植過程中,土壤OM、TN、TP和Olsen-P積累顯著(<0.05),潮濕雛形土酸化現象明顯(<0.05)。
2)水耕人為土中,Fe-P、O-P和Or-P含量較高,潮濕雛形土中以Ca-P優(yōu)勢最為明顯。
3)設施蔬菜種植過程中,過量施肥導致土壤各磷形態(tài)含量明顯增加,尤其以W-P和Al-P增加程度最為劇烈,而水耕人為土O-P和潮濕雛形土Re-P相對含量隨利用強度增加卻顯著降低(<0.05)。
4)水耕人為土中,Fe-P和Al-P是Olsen-P的主要來源;潮濕雛形土中,Olsen-P來自于W-P和Ca-P,且以W-P效果最為顯著。
5)設施蔬菜種植有可能增加了土壤磷淋失的風險,尤其是潮濕雛形土。
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Effects of Greenhouse Vegetable Cultivation on Fractionations and Bioavailability of Soil Phosphorus—A Case Study on Paddy Soil and Fluvo-aquic Soil in Jiangsu Province
JIA Mengmeng1,2, LIU Guoming1,2, HUANG Biao1*
(1 Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
In order to understand the influence of management strategies of greenhouse vegetable production (GVP) on the fractions and bioavailability of soil phosphorus(P), soil samples encompassing a wide range of P status were collected in two typical GVP bases in Jiangsu Province: one with paddy soil in Guli Village of Nanjing City and one with fluvo-aquic soil in Xiahu Village of Xuzhou City, and the basic physiochemical properties and P fractions of the soil samples were analyzed. It was shown that Fe-P, O-P and organic P predominated in the paddy soil, while Ca-P contributed the most in the fluvo-aquic soil. With the increase of utilization intensity, the concentrations of soil available P, soluble P, Al-P, Fe-P, organic P and residual P in the paddy soil, the concentrations of soil available P, soluble P, Al-P, O-P, Ca-P and organic P in the fluvo-aquic soil, the percentages of W-P and Al-P to total P for both soil types were increased significantly (<0.05), but O-P in paddy soil and residual P in fluvo-aquic soil were decreased significantly (<0.05). Stepwise regression analyses revealed that Olsen-P was mainly contributed by Fe-P and Al-P in paddy soil, while by W-P and Ca-P in fluvo-aquic soil. It was worth noting that intensive agricultural inputs in GVP might increase the risk of P loss, especially for fluvo-aquic soil. Therefore, appropriate management strategies, such as paddy-upland rotation and lower fertilizer rate, are necessary to improve the bioavailability of soil P and achieve a sustainable progress of GVP.
Greenhouse vegetable production; Paddy soil; Fluvo-aquic soil; P bioavailability; P fractions
S153.6
A
10.13758/j.cnki.tr.2021.01.005
賈萌萌, 劉國明, 黃標. 設施菜地利用強度對土壤磷形態(tài)分布及其有效性的影響——以江蘇省水耕人為土和潮濕雛形土為例. 土壤, 2021, 53(1): 30–36.
國家自然科學基金項目(41473073)和環(huán)保公益性行業(yè)科研專項項目(201409044)資助。
(bhuang@issas.ac.cn)
賈萌萌(1987—),女,河北曲周人,博士研究生,主要從事土壤元素地球化學過程研究。E-mail: mmjia@issas.ac.cn