2020, Vol. 52
1980年以来，我国设施蔬菜种植面积逐年递增，2016年已达到391.5万hm2[1]。截至2015年底，我国有机蔬菜种植面积为14.8万hm2[2]。设施蔬菜生产能够高效使用非耕地土地，提高蔬菜产量和质量[1]。但也存在着化肥和有机肥施入过量、养分不平衡和温室气体排放等问题[3]。研究表明，长期大量施入磷肥或有机肥会污染地下水，引起水体富营养化[4]。
1989年，蒋柏藩和顾益初[5]在张守敬和Jackson法的基础上提出了一套适用于石灰性土壤无机磷分级的新体系，把石灰性土壤中的无机磷分为二钙磷(Ca2-P)、八钙磷(Ca8-P)、十钙磷型(Ca10-P)、铝磷(Al-P)、铁磷(Fe-P)和闭蓄态磷(O-P)。土壤中的各种磷形态处于不断转化的过程中，影响无机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，磷灰石等矿物的表面积等；影响土壤有机磷矿化和固定的主要因素是土壤微生物，特别是土壤磷酸酶的活性及细菌和原生动物的活动[6-7]，而微生物活动和磷酸酶活性又受施肥、农药及土壤pH等因素的影响。研究结果表明，施用有机肥能够提高土壤中的磷素含量并促进磷素循环。张建军等[12]对玉米地的研究发现，随有机肥施用量的增加，黑垆土中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，可达到80%左右。很多研究结果认为，有机肥施用促进土壤中的无机磷向有效态磷转化[13-14]。施肥年限对土壤中各无机磷形态的含量与分布有显著影响。王劲松等[15]研究了温室大棚种植年限对石灰性土壤各无机磷形态的影响，结果表明，随施肥年限增加，Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P和Ca10-P的含量均增加，经过15 a的种植，Ca8-P占总无机磷的比例达到50%，Ca2-P占无机磷的比例提高到8%左右，之后趋于稳定。施用有机肥会提高土壤中有机磷的含量。杨艳菊等[16]研究结果表明，大量施用有机肥相比不施肥处理提高土壤中有机磷含量201.5%，其中活性有机磷含量增加最多，对速效磷的贡献最大。
目前，国内外的研究主要集中于短期单施肥或长期混合施肥对土壤磷形态的影响，对长期温室蔬菜大棚施用有机肥如何影响石灰性土壤中磷素形态转化的研究很少。本研究以中国农业大学曲周试验站有机、综合与常规种植3种蔬菜日光温室长期定位试验为基础，研究不同施肥年限3种生产体系下土壤剖面磷素形态及其含量分布，探究土壤中磷素的转化过程，评价土壤的供磷能力及其对环境的影响，探寻合理的调控措施，在提高作物生产力的同时，最大限度
地降低环境污染，为设施蔬菜生产和有机蔬菜种植的肥料管理提供依据，为发展规模化、专业化、标准化的有机农业设施蔬菜种植模式提供参考。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验地位于河北省邯郸市曲周县北部中国农业大学曲周试验站(36· 52xN，115· 01xE)，试验于2002年3月开始，是针对有机蔬菜生产进行的长期定位研究。试验采用的日光温室为拱圆式，长52 m、宽7 m，占地面积约0.04 hm2。供试土壤为治理后的盐化潮褐土，试验前为多年菜田。
1.2 试验设计试验设有机、综合和常规种植3个处理，分别为：①有机种植模式(ORG)：采用有机蔬菜生产方式，只施用有机肥，病虫害防治以生物和物理防治为主，并辅以生物药剂防治；②综合种植模式(INT)：结合有机和常规蔬菜生产方式，施用减半有机肥及减半化肥，病虫害防治以生物和物理防治为主，比较严重时少量使用一些低毒低残留农药；③常规种植模式(CON)：采用常规蔬菜种植方法，施用化肥和少量有机肥，追施尿素，病虫害防治以化学防治为主，使用国家规定的高效低毒农药控制病虫害。化肥中氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾，有机肥由当地养殖场生产的牛粪、鸡粪(牛粪约6 000 kg，鸡粪约3 000 kg)添加北京沃土天地生物有限公司生产的VT菌剂后堆置而成。3种蔬菜种植模式分别在3个温室进行，每个温室内平分为3个小区，每个小区约120 m2，作为3个重复。种植作物为芹菜、番茄、茄子、茴香等。每年的养分投入量见表 1。
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表 1 不同生产模式投入养分量(kg/hm2) Table 1 Nutrients input under different production modes |
于2017年4月取样，每个处理分为3个取样小区，于植株行正中间用土钻采集土样，取样深度为0 ~ 40 cm，每20 cm为一层，每个小区按“X”字形取5钻，混匀。土样取回后剔除石砾和植物残根等杂物后风干保存，另外，收集2013—2016年4月份土壤样品，用于磷形态测定。有机磷测定采用灼烧法，无机磷形态测定采用蒋柏藩和顾益初[5]无机磷分级浸提法。
1.4 数据处理与分析数据由Microsoft Excel 2010程序进行整理，变异性及方差分析使用SPSS 20.0程序。
2 结果与分析 2.1 土壤无机磷动态变化及影响因素由图 1可知，在表层土壤(0 ~ 20 cm)中，Ca8-P含量最高，常规、综合和有机种植模式最高分别达1 457.91、1 097.25、1 599.68 mg/kg。随着施肥时间延长，3种种植模式的Ca2-P、Ca8-P、Fe-P含量不断升高，2013—2017年常规种植模式的增幅分别为102%、31%、97%，综合种植模式的增幅分别为42%、23%、67%，有机种植模式的增幅则分别为25%、50%、73%；且有机种植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P平均含量均显著大于常规和综合种植模式，其中，2017年Ca2-P较常规和综合种植模式增幅为84%、80%，Ca8-P增幅为10%、46%，Fe-P增幅为13%、38%。随施肥时间延长，Al-P、O-P、Ca10-P的含量波动变化，2013—2017年，常规种植模式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；综合种植模式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；有机种植模式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含量略低于常规和综合种植模式。
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图 1 不同温室蔬菜种植模式土壤无机磷形态含量变化 Fig. 1 Inorganic P fractions in soils under different production modes of greenhouse vegetables |
在亚表层土壤(20 ~ 40 cm)中，同样Ca8-P含量最高，常规、综合和有机种植模式最高分别可达503.23、417.00、567.25 mg/kg(图 1)。随着施肥时间延长，Ca2-P、Ca8-P、Fe-P含量呈上升趋势，2013—2017年常规种植模式的增幅分别为297%、54%、64%，综合种植模式的增幅分别为156%、35%、67%，有机种植模式的增幅分别为27%、43%、83%；且有机种植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P平均含量均大于常规和综合种植模式，2017年Ca2-P较之增幅为122%、46%，Ca8-P增幅为13%、36%，Fe-P增幅为45%、37%。随施肥时间延长，Al-P、O-P、Ca10-P的含量波动变化，2013—2017年，常规种植模式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；综合种植模式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；有机种植模式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。
由图 2可知，随着施肥时间的延长，在0 ~ 20 cm土层中Ca2-P所占比例先上升后稳定，Ca8-P所占比例稳定在50%左右，Fe-P的比例稳定在4.5%左右，Al-P和O-P的比例略有下降，常规和有机种植模式Ca10-P比例下降，而综合种植模式略有上升；在20 ~ 40 cm土层中，Ca2-P、Ca8-P所占比例逐渐上升，Al-P和Fe-P的比例分别稳定在9%和4.5%左右，O-P的比例略有下降，常规和综合种植模式Ca10-P所占比例上升，而有机种植模式略有下降。有机种植模式Ca2-P所占比例高于常规和综合模式，O-P、Ca10-P所占比例几乎均低于常规和综合种植模式，Ca8-P、Fe-P和Al-P比例无明显差异。整体看来，表层土各磷素占比：中等活性磷源(Ca8-P、Fe-P、Al-P) > 潜在磷源(O-P、Ca10-P) > 有效磷源(Ca2-P)。亚表层土各磷素占比：2013—2014年潜在磷源(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) > 潜在磷源(O-P、Ca10-P) > 有效磷源(Ca2-P)。
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图 2 不同温室蔬菜种植模式土壤不同形态磷占无机磷的比例 Fig. 2 Proportion of different P fractions in total inorganic P under different production modes of greenhouse vegetables |
由表 2可知，除亚表层Ca10-P外，种植模式及施肥年限对其余形态磷素含量均有显著影响；除表层土的Fe-P和亚表层土的Ca8-P外，种植模式与施肥年限的交互作用均显著影响其余磷组分。说明种植模式及施肥年限共同影响土壤中无机磷形态的含量分布。
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表 2 土壤无机磷变异来源方差分析 Table 2 ANVOA results of variation sources of soil inorganic P |
由图 3、表 3可知，种植模式及施肥年限对有机磷含量均有显著的影响，且种植模式与施肥年限的交互作用亦显著。随着施肥时间的增加，土壤中有机磷含量显著提高，表层土常规、综合和有机种植模式有机磷含量最高分别可达450.52、714.19、840.74 mg/kg，2017年比2013年增幅为117.10%、215.28%、133.55%；亚表层土中常规、综合和有机种植模式有机磷含量最高分别可达92.08、110.64、146.51 mg/kg，2017年比2013年增幅为18.13%、42.72%、54.93%。有机种植模式下土壤有机磷含量几乎全都高于常规和综合种植模式，2017年表层土分别比常规及综合种植模式高出87.61%、17.71%，亚表层土则分别高出59.11%、32.42%。
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图 3 不同温室蔬菜种植模式有机磷含量变化 Fig. 3 Organic P in soils under different production modes of greenhouse vegtables |
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表 3 土壤有机磷变异来源方差分析 Table 3 ANVOA results of variation sources of soil organic P |
由图 4可知，在表层土中有机磷占全磷的8% ~ 23%，在亚表层土中有机磷占全磷的6% ~ 13%；表层土中有机磷所占比例逐年升高，且有机种植模式均高于常规和综合种植模式；亚表层土中有机磷所占比例稳定在8%左右，3种种植模式间没有显著性差异。
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图 4 不同温室蔬菜种植模式土壤有机磷与无机磷占全磷的比例 Fig. 4 Proportion of inorganic and organic P in soils under different production modes of greenhouse vegetables |
由表 4统计分析可知，在0 ~ 20 cm土层，常规种植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、有机磷含量两两呈现明显的线性相关关系，表明两种磷形态之间存在一定的转化关系。综合种植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、O-P含量两两呈现明显的线性相关关系，有机磷与Ca8-P、Fe-P含量均存在明显的线性相关关系，但Ca2-P与Ca10-P含量呈显著负相关关系。有机种植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、O-P、有机磷含量两两呈现明显的线性相关关系(Ca2-P与Ca10-P除外)，说明有机种植模式土壤中无机磷形态之间、有机磷与无机磷之间的转化更活跃，有机种植模式促进了土壤磷素之间的转化过程。
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表 4 土壤各形态磷组分的相关性 Table 4 Correlation between P fractions under different production modes of greenhouse vegetables |
在20 ~ 40 cm土层，常规种植模式Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P含量两两呈现明显的线性相关关系；综合种植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、Ca10-P含量两两呈现明显的线性相关关系，O-P与Ca2-P、Fe-P含量呈明显的负相关关系；有机种植模式Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P含量两两呈现明显的线性相关关系(Ca2-P与Al-P除外)。相比于0 ~ 20 cm土层，20 ~ 40 cm土层无机磷之间的转化更弱，但增加了Al-P的转化，说明土壤不同土层的无机磷形态含量与转化过程不尽相同。3种种植模式有机磷含量与其他无机磷形态几乎没有明显的相关性，说明有机磷几乎没有参与磷素的转化过程。
3 讨论本研究表明，种植模式及施肥年限对各形态无机磷含量均有显著影响，且交互作用显著。随着施肥时间延长，3种种植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P含量不断升高，Al-P、O-P、Ca10-P含量呈现不规则变动，差异较小；有机种植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P含量均高于常规和综合种植模式，O-P、Ca10-P含量略小于常规和综合种植模式。Ca2-P对植物具有高度有效性，是作物的有效磷源。Ca2-P与有机质含量呈显著正相关关系，说明土壤有机质含量的提高会降低土壤中磷的吸附，原因可能是有机肥施入土壤后提高了土壤有机质含量，改变了土壤的物理性质[15]，同时有机肥中也含有大量的活性磷[17]，且通过矿化作用及分解作用释放出部分磷素、通过腐殖酸与Ca、Fe和Al等螯合降低土壤中磷的吸附，从而导致土壤中Ca2-P含量的增加[18]。大量施用有机肥及土壤中有效磷含量过多会促进Ca2-P向Ca8-P方向转化[16]，这是因为土壤对于有效磷的承载是有限的，当超过某一阈值后，磷素会加速移动、流失或转化，从而提高土壤中Ca8-P的含量。陆欣春等[20]研究发现，长期施用有机肥会显著提高Ca2-P、Ca8-P、Al-P和Fe-P的含量，但O-P、Ca10-P含量变化不显著。王劲松等[15]研究了栽培年限为0 ~ 15 a的温室土壤，结果发现随种植年限增加，土壤无机磷形态的Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P和Ca10-P含量均明显增加，种植4 ~ 5 a后，无机磷中Ca8-P占到50%。宋付朋[21]研究了化肥与有机肥配施下石灰性菜田土壤无机磷形态，结果表明土壤中Ca2-P、Ca8-P和Fe-P含量在表层强烈富集，下层含量骤减，趋势与本研究结果一致。本研究结果表明，3种种植模式土壤中Ca2-P含量呈现先上升后稳定的趋势，Ca8-P含量所占比例稳定在50%左右，Fe-P的比例稳定在4.5%左右，Al-P、O-P及Ca10-P的比例略有下降，这是因为Ca2-P、Ca8-P、Fe-P含量的上升导致总无机磷含量上升，而Al-P、O-P及Ca10-P的含量几乎不变。在表层及亚表层土壤中，无论施肥年限多长，有机种植模式的Ca2-P所占比例均高于常规和综合种植模式，这可能是因为大量的有机肥施入携带了大量的活性磷，每年的持续输入使Ca2-P维持在较高水平，且活性磷含量过高，垂直移动性增强，增加了亚表层土中的含量。李中阳等[22]研究了有机无机肥料配施对潮土的影响，结果表明长期施肥处理提高了土壤Ca2-P、Ca8-P的比例，降低了O-P、Ca10-P的比例，与本研究结果一致。
本研究结果表明，随着施肥时间的增加，土壤中有机磷含量显著提高，有机种植模式下土壤有机磷含量几乎全都高于常规和综合种植模式。杨艳菊等[16]研究结果表明，大量施用有机肥相比不施肥处理提高土壤中有机磷含量201.5%，其中活性有机磷含量增加最多，对速效磷的贡献最大。有机肥含有大量磷素，施入土壤后会扩大土壤磷库，改变土壤的物理、化学、生物性质，从而影响土壤中磷素的转化过程。有机肥中腐殖酸不仅能和Ca、Al、Fe螯合，吸附于铁矿石表面，而且会形成腐殖酸-(Fe/Al)-P复合体，这些过程会释放磷素，并增强磷素移动[18]。有机肥中含有很多Ca元素，有机肥长期使用会提高土壤中Ca-P的含量，并提高其比例。有机肥中含有许多微生物、酶及生物能源物质，可促进土壤中微生物增长，改变微生物群落结构，提高土壤团聚体含量和土壤孔隙度，有利于养分积累[23]。
在0 ~ 20 cm土层中，3种种植模式Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、有机磷含量之间两两呈现明显的线性相关关系，有机种植模式下磷形态之间的相关性更强，说明有机种植模式促进了土壤无机磷之间、有机磷与无机磷之间的转化过程。因有机肥中大部分磷都是有机磷，所以有机磷的水解程度直接关系到有机肥的利用效率，Criquet和Braud[24]指出，有机肥中的有机磷需在水解酶的作用下才能水解为无机磷供作物吸收。其中，磷酸酶是土壤中广泛存在的一种水解酶，能够催化磷酸酯和磷酸酐的水解反应，促进土壤有机磷的矿化。孟娜等[25]通过微区桶试验研究了施用磷肥和有机肥对土壤中有机磷、磷酸酶活性的影响，结果表明施用有机肥能够显著增加土壤中有机磷的含量、提高磷酸酶的活性，而有机磷含量与磷酸酶活性有显著的正相关关系，施用有机肥能够促进磷酸酶对有机磷的水解作用，使有机磷向无机磷转化。
4 结论种植模式及施肥年限对温室蔬菜种植土壤各形态无机磷含量均有显著影响，且交互作用均显著。随着施肥时间延长，3种种植模式土壤有机磷含量及无机磷形态Ca2-P、Ca8-P、Fe-P含量显著升高，Al-P、O-P、Ca10-P含量呈现不规则变动，差异较小；有机种植模式有机磷含量及无机磷形态Ca2-P、Ca8-P、Fe-P含量显著高于常规和综合种植模式，O-P、Ca10-P略小于常规和综合种植模式，Fe-P含量没有显著性差异。整体来看，各磷素占比：中等活性磷源(Ca8-P、Fe-P、Al-P) > 潜在磷源(O-P、Ca10-P) > 有效磷源(Ca2-P)。表层土中有机磷占全磷的8% ~ 23%，亚表层土中有机磷占全磷的6% ~ 13%。有机种植模式促进了土壤无机磷之间、有机磷与无机磷之间的转化过程，且0 ~ 20 cm土层的磷素转化比20 ~ 40 cm更活跃。
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