磷是不可再生资源,依靠现有开采技术,可供经济开采的磷矿只有50 a左右使用时间,人类正面临着地球磷资源不断枯竭的局面[1]。我国虽然拥有世界磷矿资源的8.3%,但主要为低品位磷矿,磷肥仍以进口为主,直接威胁到我国粮食安全。与此相对的是,大量有机肥及化肥磷的投入,使得我国设施蔬菜体系磷素盈余及其在土壤中的累积问题尤为突出。保守地估计,我国设施蔬菜每季磷素(P2O5)投入量可达600~1 000 kg/hm2[2],但吸收利用率低,经常不到15%,磷肥投入量远远大于作物需求量。袁丽金等[3]研究定州市设施番茄、黄瓜土壤剖面磷素累积特征发现,棚龄大于10 a的设施土壤速效磷和水溶性磷含量分别达到555.0,35.2 mg/kg,是对照农田的16.3,12.0倍。王新军等[4]调查河北藁城日光温室土壤表层速效磷含量分布在123.8~399.6 mg/kg,平均为267.4 mg/kg,是周边粮田的15.5倍。过量磷素投入不仅无法提高产量,产生的大量磷素积累反而容易引发土壤磷素向水体迁移,进而威胁水环境安全。近年来我国大力提倡有机肥替代化肥,特别是设施蔬菜生产体系,有机肥投入可占到肥料总投入的60%~80%,研究表明,有机肥可以改良土壤结构,降低土壤磷素吸附[5],并通过提高微生物特性促进磷素生物转化[6],进而提高土壤磷素有效性。并且,有机肥带入的有机态和胶体态磷在土壤中更易发生移动[7]。在每季灌水量可达9 000~9 750 m3/hm2的情况下,超量有机肥的施用势必造成更高的磷淋失风险。资源浪费的同时更造成了环境质量恶化,严重影响到我国蔬菜产业的绿色发展和可持续发展。
目前,磷素累积是设施蔬菜土壤的普遍现象,因此,确立土壤磷素的环境容量对于防控土壤磷素淋失尤为必要。英国洛桑试验站长期定位试验发现,当土壤中Olsen-P超过某一临界值(拐点值)时,土壤淋出液中磷浓度急剧增加,尽管不同土壤有所差异,但所排出的淋溶液足以引起水体富营养化[8]。此后,评估土壤磷淋失潜能成为研究热点[9-11]。近年来我国针对农田土壤磷素环境阈值研究也越来越多,研究表明,土壤磷环境阈值因区域、土壤类型和种植模式的变化而差异较大,其中,农田土壤Olsen-P的环境阈值大多集中在50~60 mg/kg[12-14];菜田土壤阈值稍高,集中在60~80 mg/kg[15-18],但针对设施蔬菜土壤磷素环境阈值研究极少[19-20],对设施蔬菜安全生产指导意义存在很大的局限性。
因此,本研究以设施蔬菜富磷土壤为研究对象,研究高度集约化体系磷素淋失环境阈值,通过研究不同水肥、有机无机配施等水肥管理措施对土壤磷素淋溶的影响效果,提出设施土壤基于磷素淋溶阈值的有机肥安全施用技术,为防控富磷土壤磷素淋失提供科学依据,促进设施蔬菜绿色、安全可持续发展。
试验设在河北衡水国家农业科技园区饶阳县(设施蔬菜种植面积22 667 hm2)的大尹村镇南北岩村,设施蔬菜种植规模近千公顷。该基地属冀中平原黑龙港流域,土壤类型为潮土,年均温12.2 ℃,年降雨量552.6 mm。种植模式为西红柿-甜瓜轮作。秋冬茬为番茄,平均产量为67 500~90 000 kg/hm2;冬春茬为甜瓜,平均产量约75 000 kg/hm2。土壤磷素淋失防控技术试验供试大棚棚龄10 a,土壤基本理化性状见表1。
表1 供试温室0~100 cm土层土壤基本理化性状
Tab.1 Soil properties in 0-100 cm soil depth in the experimental greenhouse
土层/cmSoil depth容重/(g/cm3)Bulk density黏粒/%<0.002Clay粉(砂)粒/%0.050~0.002Silt砂粒/%2.00~0.05Sand有机质/(g/kg)Organicmatter速效磷/(mg/kg)Olsen-P氯化钙磷/(mg/kg)CaCl2-P全磷/(g/kg)Total-P速效钾/(mg/kg)Available-K硝态氮/(mg/kg)NO-3-NpH0~201.3018.5047.4034.1019.84225.929.392.5278.0041.637.5420~401.2919.3043.6037.107.9466.163.570.9139.2010.308.3240~601.3420.5042.4037.108.8642.921.600.7126.8013.428.4060~801.3822.1038.4039.508.4432.520.540.793.0014.578.4380~1001.2530.5037.6031.9010.2820.640.230.7109.8018.858.35
于2016年9月和11月先后2次对该区典型设施大棚采样,共取土壤样品74个,测定土壤Olsen-P和CaCl2-P含量,分析提出该区土壤磷素淋失环境阈值。
土壤磷素淋失防控技术试验于2017年7月-2018年6月进行,西红柿-甜瓜周年轮作。设置7个处理:不施磷肥处理(T0)、常规施肥量+畦灌(T1)、减量施肥25%+畦灌(T2)、减量施肥25%+滴灌(T3)、减量施肥25%+水肥一体化(T4)、减量施肥25%(1/2有机肥+1/2无机肥)+畦灌(T5)、减量施肥25%(3/4有机肥+1/4无机肥)+畦灌(T6)。试验采用随机排列,每个处理3次重复,各处理养分投入量见表2,小区面积21.5 m2。
每个小区于90,110 cm处埋设负压式陶土头土壤溶液取样器,用于原位提取土壤渗漏液[21],研究设施土壤在不同水分、养分条件下磷素的淋失。
表2 各试验处理有机肥及化肥投入量
Tab.2 Manure and chemical fertilizer inputs in different treatments kg/hm2
处理Treatment底肥Base fertilizer追肥Topdressing有机肥P2O5OrganicP2O5化肥P2O5InorganicP2O5有机肥NOrganicN化肥NInorganicN有机肥K2OOrganicK2O化肥K2OInorganicK2O化肥P2O5InorganicP2O5化肥NInorganicN化肥K2OInorganicK2OT00(0)0(0)0(0)261.00(0)385.5054.0142.5(261.0)(385.5)T1180.0120.0243.0120.091.5120.091.570.5190.5(180.0)(120.0)(228.0)(120.0)(390.0)(120.0)T2135.090.0 183.090.0 69.090.0 69.054.0142.5(135.0)(90.0)(171.0)(90.0)(295.5)(90.0)T3135.090.0 183.090.0 69.090.0 69.054.0142.5(135.0)(90.0)(171.0)(90.0)(295.5)(90.0)T4135.090.0183.090.069.090.0 69.054.0142.5(135.0)(90.0)(171.0)(90.0)(295.5)(90.0)T5112.5112.5151.5121.557.0102.069.054.0142.5(112.5)(112.5)(142.5)(118.5)(246.0)(139.5)T6169.555.5229.543.587.072.0 69.054.0142.5(169.5)(55.5)(214.5)(46.5)(370.5)(16.5)
注:底肥西红柿季为牛粪(干基N、P2O5、K2O含量分别为2.22%,1.64%,0.83%),甜瓜季为羊粪(干基N、P2O5、K2O含量分别为1.54%,1.21%,2.66%),括号外为西红柿季底肥投入量,括号内为甜瓜季投入量,追肥量相同,追肥为平衡肥和高钾肥。
Note: The base fertilizer for tomato season is cow dung (the dry material content for N,P2O5,K2O are 2.22%,1.64%,0.83%, respectively). And the base fertilizer for melon season is sheep dung (the dry material content for N,P2O5,K2O are 1.54%,1.21%,2.66%, respectively). The input amount of base fertilizer for tomato season is in parenthesis, and the input amount of base fertilizer for melon season is out of parenthesis. The topdressing was balance fertilizer and high potassium fertilizer with the same amount for two seasons.
1.3.1 土壤样品采集与测定 西红柿种植前、西红柿拉秧后及甜瓜拉秧后,每小区按S形分0~20 cm,20~40 cm,40~60 cm,60~80 cm,80~100 cm 5层取3钻混合为一个土样。风干、过筛后待测。Olsen-P用0.5 mol/L NaHCO3(pH值8.5)溶液浸提(水土比20∶1)钼锑抗比色法测定[22];CaCl2-P用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提(水土比5∶1)钼锑抗比色法测定[8];全磷采用H2SO4-HClO4消煮钼锑抗比色法测定[23]。
1.3.2 土壤淋溶液样品采集与测定 在每次灌溉后2~3 d抽取土壤淋溶液,西红柿季共采集8次淋溶液样品,甜瓜季共采集9次淋溶液样品。土壤溶液于4 ℃以下冷藏保存,并在24 h之内测定,或者冷冻保存待测。土壤淋溶液全磷采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法,磷素淋失量根据Darcy定律计算[24-25]。由90,110 cm处测得的基质势,计算出100 cm处的水分通量:
式中,Kθ为非饱和导水率(mm/d);Kθ计算方法如下[26]:
式中,KS为饱和导水率(cm/d); θ为土壤在一定时间段90 cm 处土壤含水量( cm3/cm3 ) ;θr为土壤残留含水量;θS为饱和土壤含水量;孔隙连续度l取0.5,m为通过土体90~110 cm 的水分特征曲线所计算得到的水力学参数。
100 cm 土层的硝态氮淋洗量LP可由下式计算得出:
LP = q100×C100
式中,C100为土壤溶液全磷含量(mg/L)。
土壤磷素淋失“拐点”采用Sigmaplot 10.0的双线性模型进行分析拟合[12]。采用SPSS 18.0进行单因素方差分析及回归分析、数据拟合,作图采用Sigmaplot 10.0。
当土壤Olsen-P 含量小于磷淋溶拐点时,土壤磷淋失风险较低;反之,则磷淋失风险较高。结果表明(图1),在北方设施蔬菜石灰性土壤中存在Olsen-P和CaCl2-P的拐点,本研究如果采用2段直线拟合结果显示拐点Olsen-P含量为264.52 mg/kg(图1-A),远远大于现有的研究结果,同时即使是Olsen-P含量低于264.52 mg/kg,CaCl2-P的含量也明显增加,以264.52 mg/kg作为淋溶阈值显然不能防控磷素淋失。观察数据特性,采用3段直线拟合数据,显示2个拐点Olsen-P含量分别为58.39,257.45 mg/kg(图1-B),58.39 mg/kg与以往潮土和褐土露地蔬菜土壤的研究结果相近[4, 15]。257.45 mg/kg高于以往的阈值,但是研究结果显示当土壤Olsen-P含量增加到257.45 mg/kg以上时,土壤可溶性磷含量急剧增加,磷素淋失风险指数级增大。而土壤Olsen-P含量257.45 mg/kg远高于作物需求,确定为磷素投入控制阈值,即为防止严重环境污染状况发生,土壤Olsen-P含量达到260 mg/kg及以上土壤禁止施用磷肥。
图1 饶阳设施蔬菜土壤磷素淋溶阈值
Fig.1 Phosphorus threshold of greenhouse vegetable soils in Raoyang
饶阳地区典型大棚调查结果显示,棚龄大于4 a的所有设施蔬菜土壤表层Olsen-P含量均大于60 mg/kg,但每季仍需施用大量磷肥才能保障高产,因此,采用60 mg/kg数值作为水环境安全的阈值控制设施蔬菜生产体系的磷肥施用量显然有利于控制环境污染,但是对于蔬菜生产和农民实践并不现实。图1-B显示,当Olsen-P含量处于0~60 mg/kg时,土壤中水溶性磷含量较低,可以常规施用磷肥;当Olsen-P含量处于60~260 mg/kg时,CaCl2-P基本控制在10 mg/kg以下,水溶性磷随Olsen-P含量增加幅度也较小,如果通过防控措施能够降低土壤磷素淋失,就可以实现农业生产和环境保护的双赢。但是当土壤Olsen-P含量增加到260 mg/kg以上时,土壤水溶性磷含量急剧增加,磷素淋失风险指数级增大,很难有效控制磷素淋失对环境的污染风险。因此,土壤Olsen-P 260 mg/kg应作为磷素投入控制环境阈值,应作为本地区现阶段设施蔬菜生产磷肥施用的环境红线。
试验表明,西红柿季末,T2~T6处理土壤Olsen-P含量较常规施肥灌溉处理均有所下降,但除T0外,所有处理表层土壤Olsen-P含量均大于260 mg/kg的磷肥投入控制阈值(图2),且投入量越大残留量越大,仍存在极高的磷素淋失风险。
图2 土壤磷素淋失防控技术对西红柿-甜瓜
生育季末期表层0~20 cm土壤Olsen-P含量的影响
Fig.2 Olsen-P in 0-20 cm top soil at the end of growing
season of tomato and melon under different prevention
technology of soil phosphorus leaching
继续降低肥料投入后第2季调控作用显著,相对于常规施肥灌溉处理T1,T2~T6处理土壤磷素累积量显著降低,所有防控技术均可以将土壤Olsen-P含量控制在260 mg/kg以内,极大程度上降低了土壤磷素淋失风险(图2)。
试验结果显示,第1季西红柿季不同处理的P淋失量为0.60~2.49 kg/hm2,T0处理淋失量最低,T2、T3和T5处理相对于T1处理略有降低,T4和T6降低幅度较大,但差异不显著(图3)。
第2季甜瓜季T2~T6理磷素淋失量均较第1季有所下降,且T2~T6处理磷素淋失量显著低于T1处理,说明经过周年轮作,各磷素淋失防控技术效果明显(图3)。其中,T3、T4、T6防控效果最佳。
综合整个轮作周期, 趋势和单季作物结果相同,说明按照本研究提出的防控技术实施可以有效控制设施土壤磷素淋失。常规施肥灌溉模式下,土壤Olsen-P含量远大于260 mg/kg磷素投入控制阈值,仍然投入大量有机肥及化肥,西红柿-甜瓜轮作周年磷素淋失量可达4.91 kg/hm2。而T0处理土壤Olsen-P含量一直控制在260 mg/kg范围内,周年轮作磷素淋失量可下降到1.23 kg/hm2(图3),比常规施肥降低了近80%,再次强调了260 mg/kg环境红线控制作用的重要性。
周年轮作,T3、T4、T6处理磷素淋失量显著低于T1处理(图3)。在磷肥投入量降低25%的情况下,T2处理轮作周年磷素淋失量比T1仅降低了18.11%(图3)。而配合水分管理措施(滴灌或水肥一体化T3、T4)则能更好地控制磷素淋失,可以分别降低磷素淋失34.47%和44.07%(图3)。灌溉方式不变的情况下,有机无机磷肥配合施用,也能更好地满足作物生长并实现环境安全,其中调整有机无机磷投入比例为3/4有机肥配合1/4无机肥优化施用效果最佳,T6比T1可降低磷素淋失39.66%。
图3 西红柿-甜瓜周年轮作淋溶液磷素淋失量
Fig.3 Total P losses in tomato-melon annual rotation
试验结果表明,当土壤Olsen-P含量处在249~339 mg/kg时,降低磷素投入25%,甚至不施磷肥西红柿产量差异不显著(图4-A);当土壤Olsen-P含量在200~331 mg/kg时,降低磷素投入25%,甚至不施磷肥也不会对甜瓜产量造成显著影响(图4-B)。因此,本研究提出的基于磷素淋溶阈值和投入控制阈值的有机肥安全施用技术能保证生产与环保双赢。
图4 西红柿-甜瓜产量
Fig.4 Yield of tomato and melon
本研究在北方设施蔬菜石灰性土壤中拟合出2个Olsen-P和CaCl2-P的拐点,分别为58.39,257.45 mg/kg,研究推荐现阶段该地区使用土壤Olsen-P 60 mg/kg作为淋溶阈值,土壤Olsen-P 260 mg/kg作为磷肥投入控制阈值。以往露地蔬菜Olsen-P环境阈值大部分集中在60~80 mg/kg[15-18];然而,设施蔬菜土壤研究结果极少,分别为60 mg/kg[19]和81 mg/kg[20]。本研究得到的设施蔬菜土壤Olsen-P和CaCl2-P的突变点较以往不同,出现2个拐点,第一个拐点与以往研究结果相近,第2个拐点未见报道,可能与设施土壤有机质含量高密切相关[27-28],但仍需进一步确定其机理。
本研究得到的磷素淋溶量略大于刘建霞[29]测得的设施黄瓜磷素淋溶量(0.24~4.60 kg/hm2),可能由于本研究大棚基础土壤Olsen-P含量更高导致的。同时,本研究得到的磷素淋溶量是农田小麦-玉米磷素淋溶量的几倍甚至几十倍[15, 30-31]。由此可见,土壤磷素含量越高,淋失量越大,对于富磷土壤磷素淋失防控极其重要。
研究发现,当设施土壤Olsen-P含量高于淋溶阈值时,降低磷素投入是减少设施蔬菜土壤磷素淋失的有效措施,在磷素减投25%的基础上,配合滴灌周年轮作可有效降低总磷淋失34.47%;配合水肥一体化,可有效降低总磷淋失44.07%;或者调整有机无机配施比例为3∶1的情况下,可有效降低总磷淋失39.66%,而对蔬菜产量没有显著影响。与骆晓声等[32]提出降低磷素投入量30%的基础上配合沟灌,相对于常规施肥量+畦灌可以有效降低茄子-豆角轮作周期内淋溶液总磷含量36.2%,而不影响作物产量结果基本一致。有机无机配施是提高养分利用率,减少氮磷淋失的重要途径,但多以氮素为研究对象[33-35],而有机无机配施对磷素淋失的影响研究较少,尤其最佳比例和协同增效机理[36]。因此,提出设施土壤基于磷素淋溶阈值和投入控制阈值的有机肥安全施用技术,对设施蔬菜安全、绿色生产具有重要科学指导意义。
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