设施农业土壤磷素累积迁移转化及影响因素

引用本文

方兵, 陈林, 王阳, 祝亚飞, 王瑞, 宋桂芳, 刘俊, 杨斌, 张世文. 设施农业土壤磷素累积迁移转化及影响因素[J]. 环境科学, 2023, 44(1): 452-462.

FANG Bing, CHEN Lin, WANG Yang, ZHU Ya-fei, WANG Rui, SONG Gui-fang, LIU Jun, YANG Bin, ZHANG Shi-wen. Accumulation, Migration, and Transformation of Soil Phosphorus in Facility Agriculture and Its Influencing Factors[J]. Environmental Science, 2023, 44(1): 452-462.

设施农业土壤磷素累积迁移转化及影响因素

方兵¹, 陈林¹, 王阳¹, 祝亚飞¹, 王瑞², 宋桂芳¹, 刘俊¹, 杨斌², 张世文¹

1. 安徽理工大学地球与环境学院, 淮南 232001;
2. 安徽理工大学空间信息与测绘工程学院, 淮南 232001

收稿日期: 2022-01-04; 修订日期: 2022-04-30

基金项目: 国家重点研发计划项目(2020YFC1908601); 第三次新疆综合科学考察项目(SQ2021xjkk03300)

作者简介: 方兵(1997~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为土壤磷素环境影响, E-mail：332441530@qq.com

通信作者: 张世文, E-mail: mamin1190@126.com

摘要: 为了科学合理施用磷肥, 减小对设施农业环境带来的污染风险, 以北京市大兴区设施农业集中区为研究对象, 通过对不同种植年限设施农业剖面土壤(0~100 cm)磷素含量的测定分析, 探究磷素累积与迁移转化特征.结果表明, 设施农业表层土壤全磷和有效磷含量变化范围大, 显著高于周边粮田土壤, 主要跟不同种植年限农户的施磷量相关, 随着土层深度的增加, 全磷和有效磷含量逐渐减小, 呈现表聚特征, 其中土壤ω(全磷)范围在0.38~2.58 g ·kg^-1, ω(有效磷)范围在1.60~256.00 mg ·kg^-1.随着种植年限的增加, 土壤全磷和有效磷含量呈现先增加后减小的趋势, 在15 a左右达到峰值, 随后逐渐减少, 趋于稳定, 总体处于较高水平.无机磷主要集中在设施农业表层土壤, 其中Ca-P占无机磷的比例最大, 达到了98.38%, Ca₁₀-P是最主要的Ca-P形态, 含量占Ca-P的78.70%, Ca₂-P占比最小, 仅占9.50%.不同形态无机磷含量呈现表层土壤富集, 向下减少的垂直分布特征; 不同土层深度, 不同形态无机磷占全磷比例变化存在差异, 其中Ca-P变化差异明显, 而Fe-P和O-P变化不显著, 表明设施农业土壤Fe-P和O-P迁移转化性差, 无机磷迁移转化主要以Ca-P为主.由相关性和通径分析可知, Ca₂-P对有效磷的直接通径系数最大(0.787), 是土壤有效磷的主要来源, 也是无机磷迁移转化的主要形态.设施栽培条件下, 土壤磷素呈现大量累积的趋势, Ca₁₀-P有效性低且累积量大, 如何提高这部分磷源的利用率, 是设施土壤磷素管理的关键.

关键词: 设施农业磷素累积迁移转化无机磷形态种植年限通径分析

Accumulation, Migration, and Transformation of Soil Phosphorus in Facility Agriculture and Its Influencing Factors

FANG Bing¹ , CHEN Lin¹ , WANG Yang¹ , ZHU Ya-fei¹ , WANG Rui² , SONG Gui-fang¹ , LIU Jun¹ , YANG Bin² , ZHANG Shi-wen¹

1. School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China;
2. College of Surveying and Mapping, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China

Abstract: The aim of this study was to apply phosphorus fertilizer scientifically and reasonably and reduce the pollution risk to the facility agricultural environment. Taking the facility agriculture concentration area in Daxing District of Beijing as the research object, the phosphorus content in soil (0-100 cm) of the facility agriculture profile with different planting years was measured and analyzed to explore the characteristics of phosphorus accumulation, migration, and transformation. The results showed that the contents of total phosphorus and available phosphorus in the surface soil of facility agriculture varied widely, which was significantly higher than that in the surrounding grain field soil, which was mainly related to the amount of phosphorus applied by farmers in different planting years. With the increase in soil depth, the contents of total phosphorus and available phosphorus decreased gradually, showing surface aggregation ω (total phosphorus) ranging from 0.38 to 2.58 g·kg^-1 and ω (available phosphorus) ranging from 1.60 to 256.00 mg·kg^-1. With the increase in planting years, the contents of soil total phosphorus and available phosphorus first increased and then decreased, reached a peak in approximately 15 years, then gradually decreased, tended to be stable, and generally remained at a high level. Inorganic phosphorus was mainly concentrated in the surface soil of the facility agriculture, in which Ca-P accounted for the largest proportion of inorganic phosphorus, up to 98.38%; Ca₁₀-P was the main form of Ca-P, up to 78.70% of Ca-P, and Ca₂-P accounted for the smallest proportion, only 9.50% of Ca-P. The contents of different forms of inorganic phosphorus showed the vertical distribution characteristics of enrichment in the surface soil and a decrease downward. There were differences in the proportion of different forms of inorganic phosphorus to total phosphorus in different soil depths, in which the change in Ca-P was obvious, whereas the change in Fe-P and 0-P was not significant, indicating that the migration and transformation of Fe-P and O-P in the facility agricultural soil was poor, and the migration and transformation of inorganic phosphorus was mainly Ca-P. According to the correlation and path analysis, the direct path coefficient of Ca₂-P to available phosphorus was the largest (0.787), which was not only the main source of soil available phosphorus but also the main form of inorganic phosphorus migration and transformation. Under the condition of protected cultivation, soil phosphorus showed a large accumulation trend, the availability of Ca₁₀-P was low, and the accumulation was large. How to improve this portion of phosphorus sources is the key to the management of protected soil phosphorus.

Key words: facility agriculture P accumulation migration and transformation inorganic phosphorus from planting years path analysis

设施农业能充分利用土地资源, 挖掘土壤、气温、水分和生物潜能, 在耕地资源稀缺的前提下获得高产和优质产品的现代化农业, 在我国发展迅速^[1].设施农业结构复杂, 改变了以往传统种植模式, 具有常年高温、养分投入大和环境密闭等特点^[2], 容易造成土壤板结和盐渍化等现象发生^[3], 不仅会危害作物的生长, 还会对周边环境造成污染风险^[4].

磷是作物生长所必需元素, 合理施用磷肥可以提高作物产量, 对于保障粮食安全至关重要^{[5, 6]}, 但是磷肥的当季利用率很低^[7], 仅为施入量10%~20%, 绝大部分会以无效态的形式长期或暂时滞留在土壤中^[8].设施栽培过程中, 农户为了获得高产量和效益, 往往会投入大量养分^[9].张怀志等^[10]通过调查津冀地区设施农业集中县养分投入现状, 结果表明：设施农业养分投入过量, N、P₂O₅和K₂O平均投入量分别超出了作物正常需求的2.5、10.4和2.5倍.王蓉等^[11]实地调查了江苏连云港市500个温室大棚的养分投入情况, 结果表明大多数温室大棚农户采用高氮、极高磷和高钾的生产模式, 养分投入极不平衡.此外磷素如何在设施土壤中迁移转化, 引起了学者的关注^[12~14].张大庚等^[15]的研究表明, 设施农业土壤磷素积累以Ca₈-P形态为主, Ca₂-P和Fe-P是磷素淋失的主要形态.田怡等^[16]的研究表明长期不施磷肥土壤磷素处于亏缺状态, Ca₈-P、Al-P可转化为Ca₂-P, 当年施P₂O₅超过50kg·hm^-2时, 磷素主要以Ca₂-P、Al-P和Ca₈-P在土壤中积累.余海英等^[17]分析了不同使用年限温室土壤剖面全磷及无机磷各组分含量, 结果表明Al-P和Fe-P是温室栽培耕层土壤(0~20 cm)磷素养分的主要累积形态.

目前针对设施农业养分高投入下土壤磷素循环与磷素有效性研究还鲜有报道, 本研究以北京市大兴区设施农业集中区为研究对象, 通过野外问卷调查和分析不同种植年限剖面土壤(0~100 cm)全磷、有效磷和无机磷含量分布特征, 探究磷素迁移转化规律并分析影响因素, 以期为指导农户科学利用磷肥和降低磷素流失污染风险提供一定的理论指导.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区地势自西向东南缓倾, 海拔处于14~52 m之间, 土壤类型分为褐土、沼泽土、潮土和风砂土4类, 其中潮土所占比例最大, 超过全区土地面积80%以上.研究区主要以设施农业为主, 主要种植瓜果蔬菜类.

1.2 土壤采集和测定方法

对研究区的设施农业展开采样调查, 按照“S形”采集设施农业表层土壤, 并选择周边相连粮田表层土壤作为对照, 同时对所在农户进行问卷调查, 调查的内容主要包括种植年限、肥料投入量、肥料种类和作物产量等内容.考虑到设施农业结构复杂, 具有高投入、高复种指数以及棚内种植作物、轮作方式和灌溉方式差异大的特点.在采样调查的过程中选取种植作物、轮作方式、养分投入方式和灌溉方式基本相同的设施农业(以冷棚为主), 按照一定的年限梯度(a)进行土壤剖面样品(每20 cm一层使用土钻采集0~100 cm剖面土壤)的采集.所有采集的土样在实验室内进行自然风干, 剔除里面的杂质后用球磨粉碎机磨碎, 过100 mm筛备用.

实验室样品测试严格按照国家规定的土壤农化分析方法进行.土壤pH采用HI98121酸度计测定(土水比1 ∶5); 土壤电导率在土水比1 ∶5条件下, 采用便携式电导率仪测定(DDBJ-350); 土壤有效磷采用0.5 mol·L^-1碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法测定; 土壤全磷采用HClO₄-H₂SO₄消化-钼锑抗比色法测定.采用鲁如坤^[18]提出的土壤无机磷分级测试方式, 根据石灰性土壤不同组成Ca-P化合物在性质和有效性存在的差异性, 通过配制相应的浸提剂, 从而将它们分离出来, 以达到测试的要求.称取1 g过筛的样品, 加入50 mL碳酸氢钠溶液[c(NaHCO₃)=0.25 mol·L^-1, pH7.5]浸提, 使土壤中活性较强的磷酸二钙(Ca₂-P)中的Ca²⁺生成CaCO₃沉淀, 将磷酸根浸提出来, 同时也包括水溶性磷等.然后继续用配制好的乙酸铵溶液[c(CH₃COONH₄)=0.5 mol·L^-1, pH4.2]浸提磷酸八钙(Ca₈-P).对于磷酸铁(Fe-P)浸提, 采用配制的氢氧化钠-碳酸钠混合溶液[c(NaOH)=0.1 mol·L^-1, c(1/2 Na₂CO₃)=0.1 mol·L^-1]做浸提剂, 闭蓄态磷(O-P)由柠檬酸钠-氢氧化钠溶液[c(Na₃C₆H₅O₇·2H₂O)=0.3 mol·L^-1, c(NaOH)=0.5 mol·L^-1]浸提, 磷灰石(Ca₁₀-P)由硫酸溶液[c(H₂SO₄)=0.5 mol·L^-1]浸提.为了避免实验误差, 测定土样设置3组重复, 测定结果取平均值进行分析.采用钼锑抗比色法测定磷浓度.

1.3 数据分析和处理

运用SPSS软件进行数据相关性分析, 运用R语言和Origin2018软件进行绘图.

2 结果与分析 2.1 设施农业养分投入现状分析

如表 1所示, 研究区设施农业N、P₂O₅和K₂O平均投入量分别为457.55、251.71和345.52 kg·hm^-2(所有养分投入折合纯养分进行计算), 投入比为1 ∶0.55 ∶0.76, 已经超过了作物所需的正常投入量^[19].不同种植年限设施农业养分投入差异较大, 其中1~5 a养分平均投入量最大, N、P₂O₅和K₂O投入量分别为594.74、326.26和394.24 kg·hm^-2, 投入比达到了1 ∶0.55 ∶0.66; 随着种植年限的增加, 养分投入逐渐降低, 无机肥占肥料总投入比例呈现上升的趋势, 1~5 a占总投入比例最小, 仅为26.97%, 11~20 a, 占比最高, 为34.48%(图 1).

表 1 不同种植年限设施农业养分投入量¹⁾ Table 1 Nutrient input of facility agriculture in different planting years

图 1 不同种植年限设施农业有机肥和无机肥投入变化趋势 Fig. 1 Change trend of organic and inorganic fertilizer input in facility agriculture in different planting years

2.2 设施农业土壤磷素累积与迁移转化 2.2.1 表层土壤全磷和有效磷含量分布特征

在土壤养分的研究中, 通常用全磷含量来评价土壤磷素库容的大小, 有效磷含量代表土壤的供磷能力^[20].如表 2所示, 设施农业表层土壤全磷和有效磷含量显著高于粮田, 其中冷棚全磷含量均值是粮田的1.99倍, 有效磷含量均值是粮田的3.12倍, 和前人研究结果保持一致^[21].表层土壤全磷和有效磷变异系数分别为30.44%和58.22%, 显著高于粮田土壤, 属于中等程度变异^[22], 说明设施农业较粮田更易受到人为扰动的影响.养分的大量投入给设施农业土壤带来了较多的速效养分, 已经在表层土壤中形成了富集, 磷素在土壤中移动性较差和土壤对磷的吸附固定能力强也是造成土壤中磷素含量偏高的原因^[23].

表 2 表层土壤有效磷和全磷含量统计¹⁾ Table 2 Statistics of available phosphorus and total phosphorus contents in topsoil

2.2.2 剖面土壤全磷和有效磷含量分布特征

如图 2和图 3所示, 设施农业剖面土壤ω(全磷)范围在0.38~2.58 g·kg^-1, ω(有效磷)范围在1.60~256.00 mg·kg^-1.随着土层深度的增加, 全磷和有效磷含量逐渐减小, 不同土层深度变化的幅度略有差异, 0~20 cm和20~40 cm减小幅度大于其他土层, 当土层深度>40 cm后, 全磷和有效磷含量变化不显著(图 2).

图 2 不同土层深度土壤全磷和有效磷含量变化趋势 Fig. 2 Variation trend of total phosphorus and available phosphorus in different soil depths

图 3 不同种植年限剖面土壤全磷和有效磷含量变化趋势 Fig. 3 Variation trend of soil total phosphorus and available phosphorus content in different planting years

不同种植年限设施农业土壤全磷和有效磷含量差异显著, 表层土壤变化范围大, 主要跟农户磷肥投入量存在差异相关(表 1).剖面土壤ω(全磷)分布呈现表层土壤聚集特征, 在15 a最高, 为2.58 g·kg^-1, 33 a最低, 为1.67 g·kg^-1. 0~20 cm和20~40 cm土壤全磷含量变化幅度最大, 其中4、7、15、21和33 a减幅分别为62.61%、60.09%、60.47%、57.36%和50.90%, 说明土壤全磷逐渐向深层土壤迁移; 60~80 cm和80~100 cm土壤全磷含量变化幅度较小, 4、7、15和33 a减幅分别为28.17%、23.53%、9.38%和9.52%, 21 a增幅达到了6.25%; 当土层深度>80 cm后, 含量基本保持稳定.

设施农业土壤ω(有效磷)主要集中在表层土壤, 15 a达到最大, 为256.00 mg·kg^-1, 33 a最小, 为144.00 mg·kg^-1, 表现出表聚特征.0~20 cm和20~40 cm土壤有效磷含量变化幅度最大, 4、7、15、21和33 a减幅分别为79.28%、73.46%、72.81%、67.46%和63.65%; 40~60 cm和60~80 cm土壤有效磷含量变化幅度较小, 在33 a减幅达到最大, 为59.16%, 7 a减幅最小, 为2.80%; 80~100 cm土壤ω(有效磷)在21 a达到最大值, 为18.67 mg·kg^-1, 在4 a达到最小值, 为1.60 mg·kg^-1(图 3).

2.2.3 设施农业土壤无机磷含量分布与迁移转化特征

土壤磷素分级可以用来评价土壤磷库大小和土壤磷素供应状况^{[24, 25]}, 土壤中有效磷易被植物吸收利用, 但含量较低, 因此土壤磷素累积的主体往往是无机磷.研究区土壤类型以潮土为主, 作为石灰性土壤, 富含碳酸钙等石灰性物质, 容易与磷酸结合形成钙磷酸盐, 这与张敬敏等^[26]的研究结果一致.

如图 4所示, 设施农业土壤无机磷含量呈现表层土壤富集, 向下减小的垂直分布特征^{[27, 28]}.无机磷主要集中在表层土壤, Ca-P占无机磷的比例最大, 达到了98.38%, 其中Ca₁₀-P是最主要的Ca-P形态, 达到了Ca-P的78.70%, Ca₂-P占比最小, 仅为Ca-P的9.50%; 不同形态无机磷含量占全磷的比例表现为：Ca₁₀-P(36.45%)>Ca₈-P(5.47%)>Ca₂-P(4.40%)>Fe-P(0.47%)>O-P(0.29%), Ca₁₀-P是占全磷比例最大的磷酸钙盐, 其次是Ca₈-P和Ca₂-P, 而Fe-P和O-P是占比较小的无机磷组分.

不同小写字母表示同一土层不同年限的差异显著, 大写字母表示所有年限不同土层间的差异显著(P < 0.05) 图 4 不同种植年限剖面土壤无机磷含量变化趋势 Fig. 4 Variation trend of soil inorganic phosphorus content in different planting years

不同种植年限设施农业土壤无机磷含量变化存在差异, 随着种植年限的增加, 表层土壤ω(Ca₈-P)、ω(Ca₁₀-P)、ω(Fe-P)和ω(Ca₂-P)呈现增加的趋势, 在15 a达到峰值, 分别为174.00、1240.00、15.67和185.75 mg·kg^-1, 其中ω(O-P)在21 a达到峰值, 为8.75 mg·kg^-1(图 4).O-P是土壤氧化膜包被的磷, 难以被植物吸收利用, 而Fe-P主要分布在Fe²⁺含量较多的酸性土壤中, 因此在石灰性土壤中, 无机磷迁移转化主要以Ca-P为主.磷肥投入土壤之后, 磷酸盐会很快被土壤中的钙固定, 转化为Ca₂-P、Ca₈-P、Fe-P和Ca₁₀-P等形态的无机磷, 随着农户每年磷肥的持续投入, 使得各形态无机磷都呈现增加的趋势^[29].当达到一定年限之后, 磷肥的投入减少, 加之土壤环境质量的改变, 土壤质地以及pH因素的影响, 造成各形态无机磷含量呈现下降的趋势, 总体上Ca-P含量仍然保持在较高的水平^[30].

随着土层深度的增加, 不同形态无机磷占全磷的比例逐渐减小, 表层土壤占比最大, 其中Ca₂-P、Ca₈-P和Ca₁₀-P占全磷比例分别为6.20%、6.82%和41.52%, Fe-P和O-P占比较小, 仅为0.45%和0.26%; 不同土层深度, 不同形态无机磷占全磷比例变化存在差异, 其中Ca-P变化差异明显, 而Fe-P和O-P变化不显著, 说明设施农业土壤Fe-P和O-P迁移转化性差, 无机磷迁移转化主要以Ca-P为主.

有研究指出土壤有效磷与某磷组分相关性愈大, 该磷组分的有效性愈大, 其相对有效性也愈高^[31].如图 5所示, Ca₁₀-P和有效磷相关系数最大, 达到了0.976 1, 其次是Ca₈-P, 而O-P和有效磷相关系数最小, 仅为0.389 9.通过通径分析, 进一步得到了不同形态无机磷对有效磷的作用大小.由表 3可知, 设施农业土壤不同形态无机磷对有效磷直接通径系数大小表现为：Ca₂-P(0.787)>Ca₈-P(0.427)>Ca₁₀-P(-0.029)>O-P(-0.061)>Fe-P(-0.133).其中Ca₂-P对有效磷的直接影响最大(0.787), 是土壤有效磷的主要来源, Ca₁₀-P、Fe-P和O-P对有效磷的贡献均为负值, 但是通过Ca₂-P也有较大的正通径链系数(Ca₁₀-P 0.749、Fe-P 0.712和O-P 0.560), 表明这些形态无机磷可以通过Ca₂-P对有效磷产生间接作用.由此可见, Ca₂-P是设施土壤中较为有效的磷源, 被作物吸收的程度较高, 其次是Ca₈-P.

图 5 土壤有效磷和不同形态无机磷含量关系 Fig. 5 Relationship between soil available P and inorganic P in different forms

表 3 设施农业土壤不同形态无机磷与有效磷通径分析 Table 3 Path analysis of different forms of inorganic phosphorus and available phosphorus in facility agriculture soil

有研究表明, 土壤Ca₂-P、Fe-P和Al-P的植物有效性最高^[32].本研究与前人研究的结果保持一致, 即Ca₂-P对植物是高度有效的, 可作为植物的有效磷源; Ca₈-P也有相当高的有效性, 可作为缓效磷源; Ca₁₀-P和O-P可作为植物的潜在磷源^[33].因此, 设施农业土壤Ca₂-P是无机磷转化的主要形态.随着磷肥的不断施加, Ca₁₀-P有效性低, 成为了土壤中累积量最大的无机磷形态, 如何提高这部分磷源的生物有效性, 是设施土壤磷素养分管理的关键.

2.3 设施农业土壤磷素迁移转化影响因素分析

如表 4所示, 种植年限与全磷、pH、Ca₈-P和Ca₁₀-P呈极显著正相关, 与电导率显著相关, 与有效磷和Fe-P相关性不显著.土壤全磷和有效磷与不同形态无机磷(除O-P)均达到极显著正相关.土壤pH与不同形态无机磷存在相关关系.有研究表明, pH在土壤磷素形态转化中起着重要的影响, 主要通过改变土壤中可溶性无机磷、抑制CaCO₃的形成和影响土壤中磷的吸附解吸能力实现^[32].研究区土壤受成土母质和潮土的影响, CaCO₃含量丰富, 土壤碱性强.pH降低有利于土壤中难溶性钙磷的有效性, 继而提高土壤中有效磷含量.如图 6所示, 随着土层深度的增加, pH逐渐增大, 说明深层土壤不利于难溶性钙磷的分解(图 2和图 4).土壤电导率与盐分含量有显著的相关关系, 电导率越大, 含盐量越高^[34].随着土层深度的增加, 土壤电导率呈现先减小后增大的趋势(图 6).相关性分析可知, 土壤电导率与pH达到极显著负相关, 与种植年限显著相关, 而与不同磷素形态无明显相关性.因此设施农业在种植管理超过一定年限后, 农户要警惕土壤次生盐渍化问题发生^[35].

表 4 不同种植年限、不同磷素形态和土壤理化因子相关性分析¹⁾ Table 4 Correlation analysis of different planting years, soil depth, different phosphorus forms and soil physical and chemical factors

	种植年限	全磷	有效磷	Ca₂-P	Ca₈-P	Ca₁₀-P	Fe-P	O-P	pH	电导率
种植年限	1	0.79^**	0.48	0.57^*	0.62^**	0.72^**	0.36	0.71^*	0.67^**	0.55^*
全磷		1	0.99^**	0.93^**	0.99^**	0.98^**	0.90^**	0.43	0.63^**	0.01
有效磷			1	0.93^**	0.99^**	0.99^**	0.88^**	0.46	-0.52^**	0.03
Ca₂-P				1	0.95^**	0.90^**	0.78^**	0.47	-0.35	-0.16
Ca₈-P					1	0.97^**	0.89^**	0.54^*	-0.55^**	0.01
Ca₁₀-P						1	0.91^**	0.57^*	-0.50^*	0.06
Fe-P							1	0.43	-0.71^**	0.06
O-P								1	-0.40	-0.14
pH									1	-0.51^**
电导率										1
1)^表示相关系数通过了P < 0.05的显著水平; ^*表示相关系数通过了P < 0.01的显著水平

图 6 不同土层深度土壤pH和电导率变化趋势 Fig. 6 Variation trend of soil pH and conductivity at different soil depths

从各形态磷的相关性来看, Ca₂-P与Ca₈-P、Ca₁₀-P和Fe-P呈极显著相关, 与O-P不相关; O-P与Ca₈-P和Ca₁₀-P相关性显著, 与Ca₂-P和Fe-P不相关(表 4).在进行土壤磷素养分的研究中, 不同形态的无机磷往往处于动态平衡变化中, 相互之间存在着一定的影响与制约关系.土壤中不同组分磷的含量分布和迁移转化将会对土壤有效磷含量产生影响.因此, 农户在养分投入过程中, 应充分考虑到磷肥投入土壤后的后效作用, 充分挖掘土壤中的缓效磷源与潜在磷源, 以达到减轻环境污染和提高磷肥利用率的目的.

选取一组对照组(冷棚和暖棚及垄间土壤, 种植年限、施肥种类、施肥习惯和施肥量等相同)作为研究对象.如表 5所示, 不同形态无机磷含量以Ca₁₀-P为主, Fe-P和O-P含量较少, 且集中在表层土壤; 不同种植模式表层土壤无机磷含量主要表现为：冷棚>暖棚>冷棚垄>暖棚垄.随着土层深度的增加, 不同形态无机磷含量呈现表层土壤累积, 向下减小的垂直分布特征; 不同种植模式不同形态无机磷占全磷的比例存在差异, 主要表现为冷棚高于暖棚, 冷棚垄间高于暖棚垄间.结果表明, 冷棚更有利于无机磷的迁移转化.

表 5 不同种植模式剖面土壤无机磷含量¹⁾/mg·kg^-1 Table 5 Soil inorganic phosphorus content in different planting patterns/mg·kg^-1

土层深度/cm	棚型	无机磷组分
土层深度/cm	棚型	Ca₂-P	Ca₈-P	Ca₁₀-P	Fe-P	O-P
0~20	冷棚	138.63(6.12)	157.00(6.92)	1042.50(45.72)	7.25(0.32)	5.00(0.22)
	暖棚	54.13(2.71)	56.50(2.83)	867.50(43.38)	5.00(0.25)	5.06(0.26)
	冷棚垄	36.13(3.69)	41.50(4.23)	231.50(23.62)	3.00(0.31)	4.65(0.47)
	暖棚垄	32.25(2.71)	35.00(2.94)	347.50(29.20)	5.50(0.46)	5.00(0.42)
20~40	冷棚	47.25(8.16)	50.50(5.55)	217.50(23.90)	4.00(0.44)	4.90(0.54)
	暖棚	35.75(4.11)	35.50(4.08)	154.75(17.87)	2.25(0.26)	5.00(0.57)
	冷棚垄	26.63(2.93)	30.50(3.35)	209.50(23.02)	4.00(0.44)	4.38(0.48)
	暖棚垄	24.38(2.28)	27.50(2.57)	252.50(23.60)	3.50(0.33)	2.50(0.23)
40~60	冷棚	32.88(4.77)	34.00(4.93)	69.50(10.07)	4.00(0.58)	4.35(0.63)
	暖棚	23.63(3.58)	24.00(3.64)	60.00(9.09)	2.25(0.34)	4.89(0.74)
	冷棚垄	20.63(3.17)	22.00(3.38)	59.50(9.15)	3.00(0.46)	2.50(0.38)
	暖棚垄	15.75(2.39)	17.50(2.65)	62.00(9.39)	2.00(0.30)	2.60(0.39)
60~80	冷棚	23.63(3.48)	25.50(3.75)	55.50(8.16)	2.25(0.33)	4.06(0.61)
	暖棚	23.06(3.78)	19.00(3.11)	56.00(9.18)	2.25(0.37)	4.36(0.71)
	冷棚垄	8.50(1.37)	10.00(1.61)	41.50(6.70)	2.25(0.36)	2.65(0.43)
	暖棚垄	10.38(1.65)	11.00(1.75)	71.50(11.35)	1.75(0.28)	3.25(0.56)
80~100	冷棚	6.00(0.97)	6.50(1.05)	38.00(6.13)	2.25(0.36)	3.26(0.53)
	暖棚	4.81(0.82)	4.50(0.76)	28.00(4.75)	1.25(0.21)	3.02(0.44)
	冷棚垄	5.38(0.90)	5.00(0.83)	39.00(0.65)	1.75(0.29)	2.08(0.35)
	暖棚垄	3.31(0.57)	4.00(0.69)	23.00(3.97)	1.75(0.30)	1.24(0.21)
1)括号内数字表示占比(%), 为不同形态无机磷与全磷的比值

表 5 不同种植模式剖面土壤无机磷含量¹⁾/mg·kg^-1 Table 5 Soil inorganic phosphorus content in different planting patterns/mg·kg^-1

3 讨论

本研究表明, 设施农业土壤全磷和有效磷含量随着种植年限的增加出现明显的波动性.农户磷肥主要投入表层和耕作层, 设施农业种植的初期, 土壤各项理化性质指标良好, 适宜作物的正常生长, 为了效益最大化, 农户会通过投入大量的养分来达到增产的目的, 使得土壤全磷和有效磷含量保持在较高的水平(表 2).当超过一定种植年限之后, 设施土壤环境质量开始恶化, 会出现土壤板结和盐渍化等问题发生^[35~37], 种植年限越高, 这些问题越突出, 和实地问卷调查的结果较为一致.农户为了减少损失, 便会采取相应的解决方案, 比如：揭棚、高温闷棚、翻耕和停种等, 待土壤条件得到改善后, 便会继续加大投入, 使全磷和有效磷含量分布出现一定的波动性(图 3).

冷棚和暖棚两种棚型结构差异显著, 冷棚结构简单, 不需要加盖草笘, 整体框架用一层塑料薄膜包裹, 没有用来采暖和保温的设备; 暖棚的后墙体以土墙或砌墙为主, 墙内带有泡沫等保温材料, 同时在棚膜上面设有保温措施.在野外调查采样的过程中, 暖棚温度显著高于冷棚.此外土壤中水分含量将会影响到离子发生扩散的曲折程度以及离子在土壤中发生的物理和化学变化过程^{[38, 39]}.这些因素共同导致了不同种植模式下土壤磷素的累积存在差异.

土壤类型和利用方式均会对土壤中各磷素比例产生影响^{[26, 33, 40]}.本研究结果表明设施农业土壤无机磷以Ca₁₀-P为主, 其次是Ca₂-P和Ca₈-P, 而Fe-P和O-P含量较小.此外, 有机肥和无机肥的不同配比投入会对土壤无机磷含量产生影响, 在相同磷素投入水平效果下, 与同等化学磷肥相比, 有机肥对于磷素的累积贡献更大, 有机肥的投入还可以促进磷素在土壤中的移动性^[41].陆欣春等^[42]的研究结果表明, 长期投入有机肥后, 会显著提高土壤Ca₂-P、Ca₈-P、Fe-P和Al-P含量, 但是O-P和Ca₁₀-P含量变化不显著. Song等^[43]通过连续4 a以不同方式施肥处理之后, 土壤无机磷含量差异显著, 其中有机肥的施用对Ca₂-P和Ca₈-P含量有显著的提高, 而无机肥对Fe-P和Al-P提高效果较好, 两种处理方式对O-P和Ca₁₀-P的影响不大.研究区农户以施用有机肥为主, 加大了Ca-P在土壤中的含量分布(图 1和图 4).因此, 农户在农业生产中要避免单一肥料的投入, 在保证作物能吸收利用的范围下, 多种肥料共同施用, 使得土壤磷素能够得到最充分的利用^{[44, 45]}.

4 结论

(1) 研究区设施农业N、P₂O₅和K₂O投入存在过量且比例失衡, 过多的磷肥投入造成表层土壤全磷和有效磷富集, 显著高于周边粮田土壤.

(2) 设施农业土壤磷素含量呈现表层土壤富集, 向下减小的垂直分布特征.随着种植年限的增加, 土壤磷素含量呈现波动和累积的趋势, 主要跟外源性磷肥的持续投入和农户管理相关.

(3) 设施农业土壤Ca-P占无机磷比例最大, Fe-P和O-P占比较小.结果表明：Ca₂-P是无机磷迁移转化的主要形态, Ca₁₀-P有效性低且累积量大, 如何提高这部分磷源的利用率, 是设施土壤磷素管理的关键.

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环境科学 2023, Vol. 44 Issue (1): 452-462	PDF