从1980年到2009年,我国蔬菜种植面积和产量分别增加了5.8倍和9.2倍[1]。调查表明蔬菜生产中普遍存在磷肥过量、土壤磷素积累现象[2–4]。设施蔬菜P2O5平均用量767.9 kg/hm2,是需要量的3.9~7.9倍,且日光温室 > 大棚 > 露地[5–8]。磷素的盈余导致土壤有效磷大幅度增加[9–10],其中露地菜田土壤Olsen-P高达100 mg/kg,超过粮田的5倍[11]。
围绕菜地土壤磷素的安全管理和环境风险进行了大量研究[12–14]。土壤磷素安全管理主要基于维持土壤磷的供应水平 (主要以Olsen-P为指标)[12]。土壤有效磷变化可在一定程度上反映土壤磷素的收支平衡状况[15]。随着土壤磷素的积累,土壤全磷、有效磷及各形态无机磷随之增加[16–18]。80年代末,蒋柏藩和顾益初提出石灰性土壤无机磷分级方法,对评价石灰性土壤积累磷的有效性提供依据[19–20]。已有研究表明,在种植大田作物的石灰性土壤上,长期过量施用磷肥土壤各形态无机磷均有不同程度的积累,主要是Ca-P积累[21–23]。在菜地土壤,长期施用磷肥导致土壤中无机磷积累,且有效性较高的Ca-P、Al-P积累量高于有效性较低的O-P、Fe-P[16, 24–26]。
本文通过蔬菜上施用不同水平磷肥长期定位试验研究了不同施磷水平下磷肥的产量效应、磷素去向及其动态转化,旨在为土壤磷素积累背景下磷素科学管理提供依据。
1 材料与方法 1.1 试验地点基本情况试验地位于河北省保定市河北农业大学标本园内,东经115°26′42″,北纬38°49′24″,属暖温带半湿润大陆性季风气候,年均温度12℃,无霜期200 d左右,年均降雨量575.4 mm。
土壤类型为潮褐土,质地为中壤,土壤基本理化性状:pH 7.5、有机质10.40 g/kg、全氮1.00 g/kg,全磷600.08 mg/kg、有效磷20.12 mg/kg、速效钾170.81 mg/kg。
1.2 试验设计试验始于 2003 年,采用露地蔬菜栽培方式,一年种植春秋两茬蔬菜,单茬蔬菜磷肥 (P2O5) 用量分别为:0 (P0)、180 (P1)、360 (P2)、540 (P3)、720 (P4) kg/hm2(即年用量为0、360、720、1080、1440 kg/hm2),共5个处理,3次重复,各处理随机排列。小区面积为 6.3 m2(1.8 m × 3.5 m),2012年春对试验小区进行了平移,将0~20 cm土层全部平移到新的标本园,新小区面积为 4 m2(2.0 m × 2.0 m)。
2003~2015年每年4~7月种植情况:2004年种植青椒 (中椒7号)、2005年伏白菜 (夏阳)、2006年为青椒 (牛角椒一号),2007~2015年均为菜豆 (2007年为陆峰地豆王,2008~2012年为地豆王二号,2013~2015年为美国冠军地豆)。8~11月中旬种植大白菜 (2003~2012年为秋绿75,2013~2015年为神农绿帮菜)。
大白菜和伏白菜氮 (N)、钾 (K2O) 用量分别为450、300 kg/hm2,青椒为450、450 kg/hm2,菜豆分别为75、450 kg/hm2。
1.3 田间管理春茬蔬菜:采用垄作方式,每小区起垄3个。青椒移栽后定苗24株/区,伏白菜直播后定苗30株/区,菜豆直播后定苗72株/区。其中辣椒种植中全部磷、钾肥和2/3氮肥做底肥,1/3氮肥在“四母斗期”作追肥施入;伏白菜种植中全部磷、钾肥和2/3氮肥做底肥,1/3氮肥在“团棵期”作追肥施入;菜豆种植中全部肥料做底肥。
秋茬蔬菜:采用垄作方式,每小区起垄3个,大白菜在每年立秋3天前后直播,定苗24株/区。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。
1.4 样品采集与分析青椒和菜豆果实分次收获,每次收获时除称量各小区果实重量外,采集代表性植株 (青椒3株、菜豆6株)和果实 (500 g左右),称量其鲜重,烘干后测定其水分、全氮磷钾养分含量;大白菜 (和伏白菜) 全区收获并采集代表性植株,称量其鲜重,烘干后测定其水分、全氮磷钾养分含量。植物的含水量和全氮、磷、钾含量采用常规分析方法。
青椒和菜豆的产量为分次采收的果实重量之和;大白菜和伏白菜全区收获后称重计算产量。
蔬菜收获后,分别在垄沟、垄背各3点取土混合后成为一份样品,每小区采集2份样品。土壤有效磷 (Olsen-P)、全磷采用常规分析方法;无机磷分级采用蒋柏藩和顾益初的分级方法[19]。
数据分析采用SAS 7.0统计软件。
2 结果与分析 2.1 长期不同磷肥用量对蔬菜产量影响及土壤磷素收支表观平衡基于磷肥在4种蔬菜上的产量效应趋于相同,以种植时间最长的大白菜和菜豆为例分析对磷肥的产量响应 (图1)。结果表明,在连续种植的11年间,相同处理的大白菜和菜豆产量年际间变异较大,其中,大白菜产量的年际变异系数为19.9%~26.0%,菜豆产量的年际变异系数高达73.9%~84.8%,后者如此高的年际变异系数主要由不同年份温度、病虫害发病强度等因素所致。为了系统比较不同处理在连续种植11年的产量差异,本研究对同年各处理的数据进行统计分析,结果与各处理产量多年平均值的统计结果相同,因此本研究计算试验期间每个小区的产量平均值,在此基础上分析各处理之间的差异。
11年间各处理蔬菜的平均产量结果表明,P1~P4处理 (180~720 kg/hm2) 的大白菜和菜豆的平均产量比不施肥处理分别增加了24.0%~31.6%和27.7%~35.4%,分别平均增加27.2%和29.6%,差异均达到显著水平。各施肥处理间 (P1、P2、P3和P4) 大白菜和菜豆的平均产量均无显著性差异。这表明基于试验中大白菜和菜豆产量需求,P1磷肥用量 (180 kg/hm2) 能满足大白菜和菜豆生长对磷素需求。
从不同处理土壤磷素收支表观平衡状况 (表1) 可以看出,不施磷肥处理土壤磷素年均亏缺71.3 kg/hm2。磷肥年输入量P 157.2~628.8 kg/hm2 (P1~P4处理),年积累量为P 41.2~478.7 kg/hm2,分别占施磷量的26.2%、57.0%、70.1%和76.1%。可见,连续每年施用P 157.2 kg/hm2 (P1) 以上的磷肥即可导致土壤磷素的大量累积。
图2表明,连续11年不施磷肥土壤年均亏缺P 71.3 kg/hm2,土壤全磷、有效磷含量均逐渐降低。与基础土比较,种植2、5、8、11年后土壤全磷含量下降了63.9、113.2、96.6、102.4 mg/kg,降低幅度依次为10.6%、18.9%、16.1%、17.1%,年均降幅依次为31.9、22.6、12.1和9.3 mg/kg。有效磷含量也分别降低了5.1、8.4、10.1、12.4 mg/kg,相应的降幅为25.3%、41.9%、50.4%、61.8%,年均降幅依次为2.5、1.1、0.8和0.6 mg/kg。随着种植年限的增加,全磷、有效磷含量降低速率呈逐渐变缓趋势。
P2O5年施用量为360 kg/hm2时,土壤磷素年均盈余40.1 kg/hm2。与基础土比较,种植2、5、8、11年后,土壤全磷含量分别增加了87.0、106.9、321.6、516.9 mg/kg,增幅依次为14.5%、17.8%、53.6%、86.2%,在第8年和第11年差异均达到显著水平;土壤有效磷含量也分别增加了8.8、4.6、5.6和9.7 mg/kg,增幅分别达43.6%、23.1%、27.9% 和48.3%,在第5年和第11年的差异均达到显著水平。P2O5年投入量达到720、1080、1440 kg/hm2时、土壤磷素年均盈余分别为179.1、330.5、478.7 kg/hm2,与基础土比较,11年后土壤全磷、有效磷含量分别增加了154.0%、257.9%、329.9% 和104.7%、184.8%、229.5%,全磷年均增加84.0、140.7、179.9 mg/kg,有效磷年均增加1.9、3.4、4.2 mg/kg。可见,随着磷肥用量以及施肥年限的增加,土壤中积累磷量逐渐增大,土壤全磷和有效磷含量也随之显著提高。且随着施肥时间延长,土壤全磷、有效磷的年增加速率呈逐渐变缓趋势。例如,与基础土相比,P2处理施肥2、8和11年后,全磷、有效磷年均增加126.1、114.4、91.3和13.7、4.7、3.4 mg/kg。
从图3可以看出,与基础土相比,连续11年不施用磷肥处理,土壤无机磷总量逐渐降低,种植3、6、11年后分别降低了33.5、83.9、115.6 mg/kg (降幅为 5.3%、13.3%、18.3%),其中6年和11年差异均达到显著水平。当P2O5年投入量达到360 kg/hm2,土壤磷素年均盈余40.1 kg/hm2时,与基础土比较,种植3、6、11年后土壤无机磷总量分别增加了96.5、133.2、229.7 mg/kg (降幅为15.3%、21.1%、36.4%),6年和11年的差异均达到显著水平。可见,长期施用磷肥显著提高土壤无机磷总量,而且随种植时间延长增加量呈逐渐增大的趋势。如与基础土相比,种植3、6、11年后P3处理无机磷总量分别增加了350.0、543.2、1172.6mg/kg,增幅分别为55.4%、86.0%和185.7%。
从土壤各形态无机磷的变化 (图4) 可以看出,与基础土相比,种植11年后不施磷肥处理土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P和O-P含量分别降低了14.6、16.3、38.5、18.0和27.8 mg/kg (62.4%、16.8%、54.4%、32.7%和25.0%),差异均达到显著水平。但在此期间,各形态磷素含量随时间的变化特点不尽相同,如种植蔬菜3、6、11年Ca2-P分别年均降低2.5、1.7、1.3 mg/kg。而Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P年降幅有逐渐增大趋势,其中3、6、11年Ca8-P年均降幅分别为0.21、1.46、1.85 mg/kg。此外Ca10-P含量在种植过程中无显著变化,含量稳定在273.3 mg/kg 左右。整体来看,不同形态无机磷的年均降幅表现为Al-P > O-P > Fe-P、Ca8-P > Ca2-P。
连续11年施用磷肥,土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P含量均显著增加,但O-P和Ca10-P无显著变化。与基础土相比,连续11年施用P2O5 360、720、1080、1440 kg/hm2,土壤Ca2-P含量增加了11.4、51.5、110.4、134.2 mg/kg (48.7%、220.1%、471.8% 和573.5%),Ca8-P含量分别增加了136.0、473.9、734.6和933.0 mg/kg (139.9%、487.5%、755.8% 和959.9%);Al-P、Fe-P含量分别增加了39.3和33.2、107.7和52.6、226.7和88.9、224.6和98.9 mg/kg (55.5%和60.4%、152.1%和95.6%、320.2%和161.6%、317.2%和179.8%)。相同磷肥 (P2O5) 用量不同形态无机磷的年均增幅表现为Ca8-P > Al-P > Fe-P > Ca2-P。随着种植时间的延长,土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P积累速率不断增加。如与基础土比较,年施用P2O5 360 kg/hm2时,施肥3、6、11年后土壤Ca2-P含量年均增加1.0、1.5、2.3 mg/kg,同样土壤Ca8-P、Al-P和Fe-P分别年均增加2.3、8.6、10.3 mg/kg,7.5、19.8、22.1 mg/kg和11.0、19.5、26.8 mg/kg。
基于表1中的年均磷素盈余量与图2、图4中土壤有效磷、各形态无机磷的年际变化量,计算土壤有效磷、Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P增加量与土壤磷素盈余的相关关系,发现其呈显著正相关关系 (表2)。即土壤磷素每盈余100 kg/hm2,有效磷、Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P含量分别增加1.13、2.41、15.27、4.14、1.37 mg/kg,不同形态磷素的积累率表现为Ca8-P > Al-P > Ca2-P > Fe-P > 有效磷。
从不同磷肥用量下土壤有效磷占全磷比例以及Ca2-P、Ca8-P、Al-P占无机磷总量比例的变化 (图5)可以看出,连续11年不施磷肥处理,随着土壤磷素逐年亏缺,有效磷含量逐年降低,有效磷占全磷的比例呈逐渐降低趋势,从最初的2.8%降到了1.1%。相同施肥年限下,随着磷肥用量的增加,土壤有效磷占全磷的比例逐渐增加。例如连续8年施用P2O5360、720、1080、1440 kg/hm2 (P1、P2、P3、P4),有效磷占全磷比例分别为2.5%、3.1%、3.6%、4.3%。但是连续11年有效磷占全磷比例为2.3%、2.7%、2.2%、2.3%,比2年时的4.2%、4.0%、5.4%、5.3%有所降低。由此可见,随着种植年限的增加,施肥与不施肥处理的土壤有效磷占全磷比例均呈逐渐降低趋势,但两者的原因并不相同,前者主要是由于全磷的增加幅度大于有效磷的增幅,而后者则是由于有效磷的降低幅度高于全磷的降幅所致。
随着磷肥用量的增加和种植时间的延长,土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P占无机磷的比例逐渐增加,Fe-P的比例无变化,基本保持在8.4%左右,O-P、Ca10-P的比例随着无机磷总量的增加呈逐渐降低趋势。与基础土相比,连续11年施用P2O5360、720、1080、1440 kg/hm2,Ca2-P、Ca8-P、Al-P占无机磷比例分别从试验开始前的3.7%、15.4%、11.2%分别增加到4.0%、5.7%、7.4%、7.8%,27.1%、43.3%、46.1%、50.8%,12.8%、13.5%、16.5%、14.6%,平均增加了2.5、26.4和3.1个百分点,增幅表现为Ca8-P > Al-P > Ca2-P。结合图4,相同磷肥用量下不同形态无机磷的年均增幅为Ca8-P > Al-P > Fe-P > Ca2-P,得出不同形态磷素的积累率表现为Ca8-P > Al-P > Ca2-P > Fe-P > 有效磷。可见,随着磷肥用量的增加和种植时间的延长,盈余磷素主要以Ca8-P、Al-P和Ca2-P (Fe-P) 形式在土壤中积累,积累磷的有效性逐渐增加。
3 讨论 3.1 基于植物对磷肥产量响应计算推荐施磷量的局限性施用磷肥是蔬菜增产的重要手段,本研究表明,与长期不施磷肥处理比较,每茬蔬菜P2O5用量180~720 kg/hm2时,蔬菜产量显著增加,但当施磷量超过180 kg/hm2时,随磷肥用量增加大白菜和菜豆的产量增加幅度逐渐下降。同样,张淑霞等[27]研究结果也表明,磷肥用量为0、90、180、270 kg/hm2时,大白菜产量随施磷量增加呈先增加再下降的趋势,二者关系符合 y = 155622.33 + 225.9x – 1.06x2,相关系数为0.9679。但也有研究表明,在施磷量为0、125、250、375 kg/hm2,白菜产量随磷肥施用量增加而增加,在磷肥施用量最大时产量达到最大值[28],这可能与不同地区试验位点土壤肥力差异等因素相关。
大量研究表明,蔬菜生产中过量施用磷肥和菜地土壤磷素大量积累、土壤有效磷含量高已成事实,菜地科学施用磷肥已成为大家关注和研究的对象,而科学推荐施肥量的计算方法成为问题的关键。近年来,基于土壤磷素的恒量监控逐渐成为推荐大田作物磷肥用量的主要方法,旨在通过对磷肥施用量的调控,将土壤耕层有效磷水平逐渐调整至相对合理的范围[29–30]。曹宁[31]以土壤有效磷40 mg/kg为目标对未来30年大田磷肥用量进行了预测;Tang 等[32]也通过研究提出,为了获得高产,磷肥管理时需要将磷肥用量、长期磷素投入产出平衡和作物目标产量结合起来,这对于节约磷肥资源具有重要作用。但不同土壤类型、质地、降水、作物和产量水平、土壤有机质含量下需维持的有效磷含量水平等尚需进行进一步深入研究。
本研究发现,当施磷量超过180 kg/hm2时,随磷肥用量增加大白菜和菜豆上的产量响应“迟钝”甚至有下降的趋势。因此文中用“一元二次”肥料效应函数拟合时,超过180 kg/hm2后肥料效应曲线“平缓”类似于“平台”。本项目组证实在过量施用磷肥时,大白菜、油菜、辣椒等作物产量响应迟钝[33–35],由此用“一元二次”肥料效应函数计算出大白菜最高产量偏高 (P2O5用量为357~596 kg/hm2)。许多研究也发现,在同一试验条件下,不同肥料效应函数所获得的磷肥推荐量存在很大的差异,例如Carrijo发现在低磷量 (Mehlich-1 P 9 mg/kg) 条件下,用线性平台模型估算的土豆最高产量施磷量为61 kg/hm2,而二次平台模型的最高施磷量为37 kg/hm2,在磷素水平较高 (Mehlich-1 P 48 mg/kg) 条件下,线性平台模型估算的施磷量为25 kg/hm2,而在高磷量 (Mehlich-1 P 85 mg/kg) 条件下施肥对产量没有影响[36]。
本研究基于土壤养分平衡法计算给出的推荐磷肥用量更符合实际。磷肥年用量360 kg/hm2时土壤磷素表观盈余41.2 kg/hm2,土壤有效磷、Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P有所增加。可见,基于本试验中山前平原地貌、洪冲积母质、土壤全磷约600 mg/kg,春季种植菜豆类蔬菜,秋季种植大白菜方式下,土壤有效磷25 mg/kg左右,大白菜磷肥P2O5推荐用量为180 kg/hm2 (产量约75 t/hm2),菜豆类为270 kg/hm2 (产量约22.5 t/hm2)。施肥量应根据产量变化、土壤肥力进行调整,蔬菜产量提高或有机质降低、春茬种植甜椒等茄果类蔬菜时建议适量增加磷肥用量。
3.2 长期过量施磷下土壤积累磷的转化特点及其有效性已有资料表明,石灰性土壤中,Ca2-P、Ca8-P、Al-P和Fe-P是作物的有效磷源[37],其有效性Ca2-P > Ca8-P、Al-P > Fe-P,Ca-P占无机磷的80%左右,其中Ca10-P占Ca-P的70%以上,Ca8-P占10%左右,Ca2-P仅占1%左右[23]。田间定位试验结果表明,长期大量施用磷肥和秸秆还田主要增加土壤Ca2-P、Ca8-P含量,增幅为64.5%~435.8%和42.0%~129.3%[38]。在潮土、潮褐土、褐土区菜地耕层土壤中Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P含量分别为相邻粮田的4.9、2.5、1.6、1.0倍,而且有效磷源Ca2-P、Ca8-P、Al-P占无机磷比重显著高于相邻粮田[39]。不同土壤类型、种植方式下长期施用磷肥土壤各形态无机磷累积量各有不同,棕壤上玉米–玉米–大豆轮作系统中连续15年施用磷肥,土壤中Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P含量分别增加了4.2、1.3、3.6和0.3倍,主要以Ca2-P、Al-P形态积累[40];黑土上大豆–玉米轮作中连续13年施用磷肥,主要以Al-P和Fe-P形态积累[41];黄绵土上,与露地菜地相比,设施蔬菜土壤无机磷含量增加149.58 mg/kg,以Ca8-P增幅最大,其次为Ca2-P;各形态无机磷随种植年限增加均有增加趋势,Ca2-P、Ca8-P增加量较大,Al-P增加量较小,而Fe-P在前6年表现增加趋势8~13年略有下降[42–43]。土壤各形态无机磷变化也受土壤类型、有机质含量等因素的影响。第四纪黄土母质发育的红壤上的菜园土中无机磷占全磷的79.8%,O-P和Fe-P占无机磷的57.7%;由河流沉积物母质发育的红壤上的菜园土中无机磷占全磷的89.0%,Fe-P占无机磷36.6%;由湖积物发育的潮土上的菜园土中无机磷占全磷为85.0%,Ca-P占无机磷88.1%[44]。石灰性菜园土中土壤Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P含量与土壤有机质之间存在极显著正相关关系[26];水稻土上对Al-P影响最大的是有机质,对O-P影响最大的是pH,而对Ca2-P影响最大的粘粒含量[45]。
本研究表明,在潮褐土 (洪冲积母质) 上,11年连续过量施用磷肥土壤各形态无机磷的积累量表现为Ca8-P > Al-P、Ca2-P > Fe-P。随种植时间和磷肥用量增加,Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P含量及其占无机磷比例逐渐升高,这说明施入磷肥主要以有效态积累在土壤中。土壤磷素化学组成影响各形态磷的积累量,但随着土壤磷积累量的增加或土壤磷水平的增加,有效态磷积累比例在逐渐增加,也就是说随着土壤磷水平的增加,单位积累磷量的有效性呈增加趋势。
分析土壤磷大量积累或土壤全磷水平较高条件下有效磷比例增加原因是土壤磷素大量积累导致土壤磷的吸附饱和度 (DPS) 增加,土壤磷最大缓冲容量 (MBC) 降低,土壤对磷的固定能力降低,土壤有效磷比例逐渐增加[46]。南京市25~30年集约化菜地表层DPS约为30%[47],福州市郊12~30年菜地DPS平均为23.1%[48],接近或超过土壤环境敏感指标临界值 (25%)。可见,随着土壤磷逐渐积累,磷在土壤中运移性增加[49–51],土壤积累磷环境风险逐渐增大。基于上述已有研究结果,关于土壤磷形态特征、积累规律和影响因素,各影响因素对土壤磷积累量影响程度,及积累磷对磷肥推荐用量的影响等尚需进一步深入研究。
4 结论1) 施用磷肥显著增加大白菜、菜豆的产量,单季P2O5用量180 kg/hm2,大白菜、菜豆产量分别增加24.0%、27.7%,在此基础上增施2~4倍磷肥,大白菜、菜豆产量无显著变化。
2) 长期不施磷肥,土壤磷素亏缺 (年均P亏缺 71.3 kg/hm2)。随着种植时间的延长,土壤有效磷、Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P含量逐渐降低,年均降低1.3~3.5 mg/kg,Ca10-P无显著变化。
3) 随着磷肥用量增加,土壤磷积累量逐渐增加,P2O5年用量360~1440 kg/hm2,土壤年均积累磷41.2~478.7 kg/hm2,理论上土壤年均每积累100 kg/hm2磷素,土壤有效磷、Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P分别提高1.13、2.41、15.27、4.14、1.37 mg/kg。随着土壤磷积累年限和磷肥用量的增加,无机磷中的有效磷源Ca2-P、Ca8-P、Al-P占无机磷比例均逐渐增加。过量施用磷肥11年,土壤O-P、Ca10-P含量无显著变化。
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