据FAO数据统计显示，我国已成为世界上最大的蔬菜生产国和消费国，2015年蔬菜种植面积占到整个农作物种植总面积的12.9%[1]。截至2014年，设施蔬菜种植面积达467万hm2，保障了农民增收和蔬菜供应[2]。磷是作物的粮食，是支撑作物生产、保障粮食安全的基本物质基础。而据全球农田磷素养分平衡状况分析，我国是土壤磷盈余最严重的国家之一[3]；2003-2011年，全国设施菜地磷盈余达到527.0 kg/hm2，大量磷素盈余导致土壤磷素累积高，环境风险突显[4]。据统计，设施菜地有效磷含量达179 mg/kg，有些设施土壤有效磷含量甚至高达400 mg/kg，远超过土壤磷素环境阈值46～58 mg/kg [5]。越来越多研究证明，化肥或有机肥长期过量投入，可能部分甚至完全导致土壤磷吸附量达到饱和，进而改变土壤中磷素转化的化学平衡，降低了土壤对磷的固持能力，导致磷素易随雨水和灌溉水流失，造成水体污染[6-8]。而传统观点认为，磷在土壤溶液中扩散速率较慢，且施入土壤的活性磷较短时间内被土壤颗粒吸附或者通过结合态磷被土壤固定，导致磷素移动性较差，不易从农田土壤中损失。如何挖掘设施土壤累积态磷高效活化及循环利用潜力，提高设施土壤累积态磷利用率，是实现国家战略-“双减”目标的有效途径。

由于受经济利益的驱动，菜农盲目使用粪肥和过量使用化肥日益严重，山东设施蔬菜土壤磷素平均投入量为2 375 kg/hm2，年养分盈余量达到 2 112 kg/hm2，为作物带走量的13倍[4]；同时设施蔬菜有机肥投入磷量为1 288 kg/hm2，占磷素投入总量的54.2%，有机肥中有机磷占总磷50%左右，导致设施土壤有机磷含量逐年增加，利用效率较低。由于我国集约化蔬菜产业和养殖业在发展历程和空间上的匹配性，以及高产菜田对粪肥的需求，导致大量粪肥进入集约化蔬菜生产体系中，土壤C/P下降，比值为 5.8～9.0，低于周围粮田土壤 C/P(9.1～10.2)[9]，说明设施菜地因土壤C/P失调、磷累积量高、周转慢导致土壤累积磷素利用率低，加之其高温高热的环境和绝对高量的有机磷累积，可能导致有机磷矿化速率较低。

微生物在土壤磷的生物化学循环中起着举足轻重的作用，其生命活动直接影响土壤磷素周转及肥力水平。研究表明，随种植年限增长，土壤细菌数量先上升后下降，放线菌数量先迅速升高后保持相对稳定，而真菌数量呈持续增加的趋势，表明随种植年限增长，设施菜地土壤微生物区系发生紊乱[10]。通过研究发现，随种植年限增加，设施菜地土壤有机磷/无机磷比值降低，而种植9年的设施菜地0～20 cm土壤NaHCO3提取的无机磷含量(162.5 kg /kg)低于有机磷含量(192 kg/kg)[11]。有机肥与磷肥高投入条件下设施菜地土壤磷素形态转化过程，特别是土壤微生物介导的磷素周转过程如何？在有机磷无效化增加趋势下，可以通过微生物量磷周转调控提高其利用效率，然而，针对土壤磷库盈余高的设施蔬菜种植体系，微生物量磷的周转及利用研究还很薄弱。

笔者提出的科学问题是：在高磷量及低C/P不同种植年限设施土壤中，微生物量磷周转调控过程如何？针对集约化设施蔬菜土壤磷肥施用量大、累积量高及环境风险大的特点，以山东寿光设施蔬菜土壤为研究对象，对不同年限、不同剖面深度设施土壤微生物量磷含量变化特征及相关性进行分析，以便为集约化设施蔬菜土壤磷肥施用限量标准的制定及磷肥增效调控方法的建立提供数据支撑。

1 材料和方法

1.1 样品采集

本研究以山东设施蔬菜主产市-寿光为研究区域，于2017年1-2月调查并采集150个设施蔬菜温室土壤样品，种植年限0-4年样本50个(n=50)、4-9年40个(n=40)、9年以上60个(n=60)。所采集的样品包括不同种植年限的设施菜地土样共150个，按照蔬菜种类进行布点，每10 hm2布置1～2个点进行采样，取样位置位于垅上，且在设施作物中间。每个样点用土钻取0～30 cm，30～60 cm，60～90 cm土壤。

1.2 样品处理

采集土壤样品一部分于4 ℃下保存，预处理后用于土壤微生物量碳、磷分析，一部分风干过2 mm 筛后保存，用于土壤全磷、有效磷、水溶性磷及微生物量磷以及水溶性碳、微生物量碳、有机质含量测定。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤微生物量磷和微生物量碳的测定 土壤微生物量磷采用氯仿熏蒸，0.5 mol/L NaHCO3溶液(水土比1∶20)浸提提取法测定[12]；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸，0.5 mol/L K2SO4溶液(土水比1∶4)浸提提取法测定[13]。

1.3.2 水溶性磷、水溶性碳测定 采用钼锑抗比色法 [14]，用蒸馏水浸提土壤中的磷，水土比为20∶1，滤液用钼锑抗比色法测定水溶性磷含量。

采用蒸馏水浸提土壤中的碳，水土比为20∶1滤液直接在liqui-TOC流动分析仪上测定土壤水溶性有机碳。

1.3.3 土壤pH、全磷、有效磷及有机质含量测定 土壤有效磷含量用Olsen法测定[15]，全磷含量用浓硫酸-高氯酸消煮钼锑抗比色法测定[16]，土壤pH(H2O)以1∶5 土水比提取，用pHS-3酸度计测定；土壤有机质用重铬酸钾外加热法测定[17]。

1.4 统计分析

采用Excel 软件对数据进行初级统计分析，采用SPSS 18.0软件对数据进行双因素相关性分析。采用Sigamplot 13.0软件对数据进行箱形图分析。

2 结果与分析

2.1 种植年限对设施蔬菜土壤不同剖面全磷含量的影响

图1-A结果表明，在0～30 cm土壤中，种植年限0-4年全磷含量为0.53～1.61 g/kg，均值为1.11 g/kg，47.62%土壤样本全磷含量>1.00 g/kg；种植年限4-9年土壤全磷含量为0.67～2.81 g/kg，均值为1.58 g/kg，58.82%土壤样本全磷含量>1.00 g/kg；种植年限在9年以上土壤全磷含量为1.29～3.09 g/kg，均值为2.17 g/kg，100%样本全磷含量>1.00 g/kg。随着种植年限增加，设施蔬菜0～30 cm耕层土壤全磷含量不断增加，种植年限9年以上的耕层土壤全磷较0-4年与4-9年含量普遍达显著水平(P<0.05)。

在30～60 cm的土壤剖面土层中，种植年限4-9年的土壤全磷含量与种植年限0-4年土壤全磷无显著性差异，但是两者低于种植年限在9年以上的设施土壤，表明随种植年限增加，在30～60 cm深度土壤全磷含量具有增加趋势(图1-B)；在60～90 cm的土壤剖面土层中，种植4-9年设施土壤全磷含量低于种植年限0-4年及9年以上的设施土壤全磷含量，而且前9年内所有60～90 cm土壤全磷含量基本都低于1.00 g/kg；且从箱形图看出，种植9年以上时在60～90 cm土壤剖面土层全磷含量其波动程度较大，均值为0.88 g/kg，表现随种植年限增加，深层土壤磷含量呈现增加趋势(图1-C)。

从种植年限0-4年来看，在0～30 cm土层土壤总磷含量与30～60 cm土层无显著性差异，但是两者高于60～90 cm；而在种植年限4-9年，0～30 cm土层土壤总磷含量高于30～60 cm，60～90 cm土层土壤全磷含量，但是后二者相差较小；而在种植年限9年以上时，0～30 cm土层土壤全磷含量最高，60～90 cm土层土壤全磷含量显著增加(图1)。上述结果表明，随着种植年限增加，整个土壤剖面中磷素大量累积，而且底层磷含量有增加趋势。

箱形图上方不同小写字母表示均值差在P<0.05差异显著；A.0～30 cm; B.30～60 cm; C.60～90 cm。图2-4同。

The mean difference of different small letters in the top of the box is significantly different in P < 0.05；A.0-30 cm; B.30-60 cm; C.60-90 cm.The same as Fig.2-4.

图1 种植年限对设施蔬菜土壤不同剖面全磷含量的影响
Fig.1 Effects of planting years on total P content indifferent depth of greenhouse vegetable soil

2.2 种植年限对设施蔬菜土壤不同剖面有效磷含量的影响

从图2-A可以看出，0～30 cm土壤剖面土层中，随着种植年限增加，土壤有效磷含量呈现增加趋势，但是在种植年限4-9年与种植年限9年以上时土壤有效磷含量无显著性差异；种植年限0-4年土壤有效磷变化为32.74～215.07 mg/kg，均值为99.39 mg/kg；种植年限4-9年土壤有效磷含量变化为70.99～332.63 mg/kg，均值为172.84 mg/kg；种植年限9年以上土壤有效磷变化为85.66～279.71 mg/kg，均值为179.01 mg/kg。

从图2-B可以看出，30～60 cm土壤剖面土层中，随着种植年限增加，土壤有效磷含量呈现增加趋势，但是种植年限在4-9年与种植年限9年以上时土壤有效磷含量无显著性差异；种植年限0-4年土壤有效磷变化为19.33～139.85 mg/kg，均值为99.39 mg/kg；种植年限4-9年土壤有效磷含量变化为36.59～123.679 mg/kg，均值为172.84 mg/kg；种植年限9年以上土壤有效磷变化为38.45～141.33 mg/kg，均值为179.01 mg/kg。

由图2-C可以看出，60～90 cm土壤剖面土层中，随着种植年限增加，土壤有效磷含量呈现先增加后趋于稳定，在种植年限在4-9年与9年以上土壤有效磷含量显著高于种植年限0-4年时土壤有效磷含量。上述结果表明，随种植年限增加，各土层中土壤有效磷含量呈现先增加后基本保持稳定的趋势，且随着土层的加深，土壤有效磷含量逐渐降低(图2)。

2.3 种植年限对设施蔬菜土壤不同剖面水溶性磷含量的影响

由图3可以得出，在0～30 cm土壤中，随种植年限增加，水溶性磷含量有增加趋势，种植年限9年以上时土壤水溶性磷含量分别是种植年限0-4年，4-9年的土壤水溶性磷含量1.92，1.67倍；分别在30～60 cm，60～90 cm土壤中，种植年限0-4年，4-9时水溶性磷含量无显著性差异，但是二者略低于种植年限9年以上时；在同一种植年限土壤中，水溶性磷含量随土壤剖面土层深度增加而降低；在同一剖面土壤内，随种植年限增加土壤水溶性磷含量呈上升趋势(图3)。相对种植年限0-4年，4-9年时，种植年限9年以上土壤水溶性有增加的趋势。

2.4 种植年限对设施蔬菜土壤不同剖面土壤微生物量磷含量的影响

从图4可以看出，在0～30 cm土壤中，随种植年限增加土壤微生物量磷含量呈现先增加后降低的趋势；在种植年限0-4年，4-9年，9年以上的土壤其微生物量磷含量变化分别为11.83～94.16 mg/kg，21.25～75.33 mg/kg，10.67～50.64 mg/kg；种植年限0-4年，4-9年的土壤微生物量磷含量变幅较大，且二者高于种植年限9年以上土壤微生物量磷含量，差异显著(P<0.05)(图4-A)。在30～60 cm，60～90 cm土壤中，种植年限0-4年土壤微生物量磷低于种植年限4-9年，9年以上，但三者无显著性差异(图4-B、C)。不同深度土壤同一种植年限内，种植年限分别在0-4年，4-9年时其土壤微生物量磷含量随土壤深度增加呈现降低的趋势，但种植年限9年以上时整个剖面土壤其微生物含量变化不大，约为20 mg/kg(图4)。

2.5 不同种植年限土壤微生物量磷与土壤有效磷及pH值、水溶性碳、有机质相关性分析

从表1可以看出，种植年限0-4年时土壤微生物量磷与pH值、TC/OP(总碳与有效磷比)、MC/MP(微生物碳磷比)呈显著或极显著负相关；与有机质、全磷、Olsen-P、水溶性碳、水溶性磷呈显著或极显著正相关，上述结果表明，土壤微生物量磷随有机质、全磷、Olsen-P、水溶性碳及水溶性磷增加而增加，而随土壤pH值增加呈降低趋势。表2结果表明，种植年限4-9年时土壤微生物量磷与微生物量碳、全磷、水溶性碳呈正相关关系，与有机质、Olsen-P、水溶性磷、微生物量碳极显著正相关(P<0.01)，与TC/OP呈现显著负相关。表3结果表明，种植年限9年以上时土壤微生物量磷与微生物碳呈极显著正相关。表1-3相关性分析表明，种植年限0-4年，4-9年时土壤微生物量磷与有效磷(Olsen-P)均呈极显著正相关，其相关系数(r)分别为0.725，0.724；而种植年限9年以上时土壤微生物量磷与有效磷(Olsen-P)相关系数仅为0.021。从图5可以看出，种植年限0-4年，4-9年时土壤有效磷与土壤微生物量磷含量具有显著正相关性，呈对数函数关系；而种植年限9年以上时呈现二项式函数关系。

3 讨论与结论

集约化设施蔬菜土壤磷肥施用限量标准的制定是从源头上控磷，在满足作物养分需求的基础上最大程度上减少土壤磷素的进一步累积。本研究表明，山东寿光设施蔬菜土壤随着种植年限增加，土壤耕层磷素大量累积，由于淋洗作用导致底层土壤磷含量呈增加趋势。种植年限9年以上在深度0～30 cm土壤中全磷含量高达2.17 g/kg，100%样本全磷含量>1.00 g/kg，全部样本达到极高水平。而有效磷含量随着种植年限的增加却呈现出先增加后降低的趋势，结果表明，如果肥料投入量不变，磷肥利用率将不断降低，导致磷素利用率降低，磷素大量累积在土壤剖面中、甚至淋洗进入地下水中。通过大量调研数据分析，为了保证当季蔬菜产量，在蔬菜生长过程中菜农间隔7～10 d通过水溶肥料的投入，使得磷肥利用率进一步降低，导致设施土壤磷素严重累积的恶性循环。大量研究表明，土壤磷素达到一定饱和度后，磷素就会淋洗进入深层土壤甚至是地下水；在水体环境中，如磷水平未达到临界水平(0.02 mg/L)，仅氮素超标不会引起富营养化，因此，在面源污染治理过程中，控制磷素淋洗比氮素更为关键[18]，长期连续大量施用粪肥所导致的磷素在土壤的累积及其对水体的污染问题已经成为全球面源污染控制关注的焦点。

注：*表示在置信度(双测)为 0.05 时，相关性是显著的；**表示在置信度(双测)为 0.01 时，相关性是显著的。表2-3同。

Note：* .The correlation is significant at a confidence level (double test) of 0.05; **.At a confidence level (double test) of 0.01，the correlation is excellent significant.The same as Tab.2-3.

未来解决农田累积态磷素高效、可持续利用的根本途径是通过调节作物-土壤-微生物相互作用提高磷素高效循环利用[19]。微生物在土壤磷的生物化学循环中起着举足轻重的作用，其生命活动直接影响土壤磷素周转及肥力水平。土壤磷转化与周转相关的功能微生物在有机磷和无机磷之间的转化和有效性中起着重要作用，微生物是增强土壤磷活化和利用的“发动机”[20]。在本研究中，随种植年限增加耕层土壤微生物量磷含量呈现先增加后降低的趋势。种植年限0-4年，4-9年的土壤微生物量磷变幅较大。在30～60 cm，60～90 cm土壤中，种植年限0-4年土壤微生物量磷低于种植年限4-9年，9年以上时，无显著性差异。上述结果从侧面进一步论证了随着种植年限的增加，土壤细菌数量先上升后下降，放线菌数量先迅速升高后保持相对稳定，而真菌数量呈持续增加的趋势[11]，表明随种植年限增长，设施菜地土壤微生物区系发生紊乱的理论。种植年限分别在0-4年，4-9年时其土壤微生物量磷含量随土壤深度增加呈现降低的趋势，但种植年限9年以上时整个剖面土壤其微生物含量在20 mg/kg，在各土层间差异不显著，表明多年种植后土壤剖面30～60 cm，60～90 cm中土壤微生物量磷含量有增加趋势。通过上述结果可以推测：在深层土壤中，累积的氮磷钾含量达到适宜微生物生长繁殖的浓度范围时，将导致土壤微生物量磷呈现增加趋势，需要进一步验证。而本研究结果也表明，种植年限为0-4年，4-9年时土壤有效磷与土壤微生物量磷含量具有显著正相关性，且呈对数函数关系；而种植年限为9年以上时呈现二项式函数关系。

在集约化设施蔬菜体系中，随着种植年限的增加，长期大量施用粪肥和磷肥，土壤磷素大量累积，设施土壤成为“碳限制性”种植体系。土壤有机磷周转过程取决于土壤微生物(特别是土壤解磷菌等)种类及土壤磷酸酶活性，二者与土壤管理措施密切相关[21]。调节土壤微生物生物量C/P，可以增加微生物生物量磷的周转量，提高土壤的供磷能力[22]。研究表明，施入C/P不同的有机物料，将影响土壤有机磷的矿化过程，磷的净固定和矿化过程分别发生在微生物C/P大于300和小于200时[23]。推测在C/P低的设施菜地(“碳限制性”生产体系)中，通过增加碳(秸秆还田)输入，不仅能够促进无机磷向有机磷转化，且对微生物量磷周转过程产生影响。如何通过耕层土壤碳磷比调节的优化设施土壤微生物群落结构与多样性，使土壤累积磷素通过微生物的转化与活化作用提高土壤磷素周转过程和利用率，既能保证作物磷素需求又能达到减磷增效的预期目标，同时减少磷素淋失，降低磷素对环境的污染。

随着种植年限增加，设施蔬菜0～30 cm，30～60 cm土壤全磷、有效磷、水溶性磷均呈现增加趋势，其中种植年限9年以上的耕层土壤全磷、水溶性磷含量均达高水平且仍呈上涨趋势，但是种植年限在4-9年土壤有效磷达到最高水平后，随着种植年限的增加含量基本保持恒定，而土壤微生物量磷含量则呈现先增加后降低的趋势；在0～30 cm土层土壤种植年限9年以上的土壤微生物量磷含量显著低于种植年限为9年以下的土壤，而30～60 cm，60～90 cm土层中各种植年限微生物量磷含量差异不显著，但4-9年限的土壤微生物量磷含量明显高于0-4年与9年以上的。

随着土壤剖面土层的加深，不同年限土壤的全磷、有效磷、水溶性、微生物量磷的含量都不同程度降低，而在种植年限4-9年时，土壤剖面分别在30～60 cm与60～90 cm有效磷含量差异不显著；种植年限9年以上时，整个剖面土壤其微生物含量变化不大。随着种植年限增加，整个土壤剖面中磷素大量累积，而且底层磷含量有增加趋势。

种植年限0-4年，4-9年时土壤有效磷与土壤微生物量磷含量具有显著正相关性，呈对数函数关系；而种植年限9年以上时呈现二项式函数关系。

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