土壤是农业生产赖以发展的基础。近年来,集约化设施农田成为我国蔬菜生产的重要基地,其发展极为迅速,至2015年我国设施蔬菜种植面积达到了535万hm2,占蔬菜种植面积的23.6%[1]。而集约化种植体系下蔬菜根系分布较浅,根系发育不发达,过量磷肥施用易导致大量磷素在土壤中积累[2-3]。石宁等[4]2015-2016年调查山东设施菜田207个样点土壤有效磷含量显示,设施菜田耕层土壤中有效磷含量达到了345 mg/kg。当磷在土壤中的吸附累积量超过了土壤本身磷饱和程度,在大水漫灌或夏季雨季极易产生淋失,造成土壤磷面源污染[5-9]。有文献表明,夏季设施菜田休闲期间种植深根系、耐高温且生物量大的C4作物可以有效地吸收土壤中积累的磷素,阻控磷素移动[10-12],但填闲作物种植密度、生物量与磷素吸收转化的相关研究不够深入。
本研究通过在夏季设施菜田休闲期种植不同栽培密度的深根系填闲作物来研究土壤过多磷素吸收、转化与阻控运移以及后茬作物生长初期土壤有效磷、水溶性磷含量和磷酸酶活性变化,筛选出设施菜田适宜的填闲作物种植密度,旨在为设施菜田控制磷素面源污染提供可靠的生物技术途径。
1 材料和方法
1.1 试验区概况
该研究在天津市武清区大孟庄镇的设施蔬菜生产基地(E116°57′27.03″-116°57′51.87″,N39°32′8.24″-39°32′51.81″)进行。基地设施温室棚龄约16 a,大棚占地面积在666.7～1 333.4 m2。大棚冬春茬栽培以果菜类、秋冬茬以叶菜类为主,夏季7，8月份为休闲季,揭膜歇棚。2009-2016年武清区7，8月份平均降水量在280 mm以上,占全年平均降水量50%以上[13]。试验大棚土壤类型为中壤质潮土。试验前耕层土壤养分状况:土壤有效磷平均含量为527.39 mg/kg,有效磷含量远远超过了磷素环境风险临界值(50 mg/kg)[14],具有极大环境风险。
1.2 供试材料
糯玉米,品种为澳早60,生育期为65～68 d,大田常规种植株行距为44 cm×50 cm,适宜夏季休闲期间种植,具有较高鲜食经济价值；饲用甜高粱,品种为甜杂2号,生育期在130～140 d,大田常规种植株行距为25 cm×50 cm,在夏季休闲期间种植,生物量大,具有较高饲用价值；后茬种植西兰花。
1.3 试验处理与管理
该试验在2018年冬春茬番茄收获后开展。试验分为6个处理,每个处理3次重复,小区面积约27 m2(4.2 m×6.4 m)。试验设计在2017年填闲试验基础上进行,试验常规密度依据大田种植条件进行,分别设计糯玉米4.95万,7.50万,9.90万株/hm2和饲用甜高粱6.75万,10.50万,13.50万株/hm2,试验密度生物量和磷素吸收量结果未出现波峰[15],因此,2018年调高了种植密度,如表1所示。
表1 田间试验处理
Tab.1 Field experiment treatments
作物种类Crop type处理/(株/hm2)Treatment株行距/cmPlant spacing糯玉米67 500(NY1)30×50Waxy corn105 000(NY2)19×50135 000(NY3)15×50饲用甜高粱105 000(TG1)19×50Feeding sweet sorghum150 000(TG2)13×50210 000(TG3)9.5×50
整个试验过程不施用任何肥料。5月底播种,灌水除次日灌出苗水外,生长期间因揭膜,当季降水充足,未进行灌溉,生长期间进行定期除草,8月中旬采收,测定生物量,同时采集植物样,填闲作物种植前和采收后采集0～30 cm,30～60 cm,60～90 cm土样,测定植物样和土样磷素等指标。8月底移栽定植西兰花,在定植半月和1个月后分别采集各处理0～30 cm土样。
1.4 测试方法
1.4.1 生物量 收获时分区收获小区鲜植株实际生物量,其中根生物量为土壤0～20 cm土层根质量,再随机取出5株长势一致的植株,将根和地上部分开称质量,计算根和地上部的鲜质量比率,以折算小区的根和地上部总鲜质量。同时在105 ℃下烘1 h杀青,再到75 ℃烘至恒质量,并制备相应样品,测定不同部位含水量,最后计算不同部位干生物量(下文所有生物量均为干生物量质量)。
1.4.2 植物全磷含量 采用浓硫酸-H2O2消煮-钒钼黄比色法测定植物各部位全磷含量,并计算各部位吸磷量(吸磷量=生物量×全磷含量)。
1.4.3 土壤总磷、有效磷、水溶性磷含量和碱性磷酸酶活性 土壤总磷采用浓硫酸-高氯酸消煮-钼蓝比色法测定；土壤有效磷采用碳酸氢钠溶液浸提-钼蓝比色法测定；土壤水溶性磷采用氯化钙溶液浸提-钼蓝比色法测定；土壤碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定。
1.5 数据处理
试验数据采用Microsoft Excel 2013方法进行数据处理和图表制作,采用SPSS 22.0软件进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 不同处理2种填闲作物生物量和设施土壤磷素吸收状况
如表2所示,填闲糯玉米总生物量随种植密度增大先增后减,其中NY2处理最大,为(28 811.67± 1 453.68) kg/hm2,显著高于NY1和NY3处理,说明设施菜田种植填闲糯玉米NY2处理可以收获较高的生物量。填闲糯玉米种植生物量主要集中在地上部,占总生物量的92%以上,其中NY2处理地上部生物量和根部生物量显著高于NY1和NY3处理,说明适宜种植密度能同时增大地上部和根部生物量。填闲糯玉米磷素(P)总吸收量以NY2处理最大,为(128.80±15.22) kg/hm2,显著高于NY3处理。填闲糯玉米磷素吸收量也主要集中在地上部,占总吸磷量的92%以上。从填闲糯玉米生物量和磷素吸收量来看,NY2处理对设施土壤磷素负荷降低较好。
填闲饲用甜高粱总生物量以TG2处理最大,为(28 700.63±2 450.97) kg/hm2,显著高于TG1处理。各处理地上部占总生物量的比重均在83%以上,且TG2和TG3处理显著高于TG1处理,说明种植密度增大可以显著提高饲用甜高粱地上部生物量。填闲饲用甜高粱磷素吸收量趋势同生物量变化,TG2处理总吸磷量最大,为(150.03±10.63) kg/hm2。磷素吸收也主要集中在地上部,占总吸磷量的86%以上。从填闲饲用甜高粱生物量和磷素吸收量情况看,TG2处理对设施土壤磷素负荷降低有较好的效果。
综合2种填闲作物磷吸收量看,饲用甜高粱处理平均吸磷量高于糯玉米处理,因此,TG2处理对降低土壤磷素负荷更明显。
表2 不同处理填闲作物生物量和磷素吸收状况
Tab.2 Biomass and phosphorus uptake of catch crops in different treatments kg/hm2
处理Treatment生物量Biomass吸磷量Phosphorus uptake根Root地上部Shoot总计Total 根Root地上部Shoot总计Total NY11 183.57±196.10b24 159.51±676.01b25 343.07±756.77b4.95±1.56a114.75±8.90a119.69±9.25aNY22 269.82±337.43a26 541.85±1 224.13a28 811.67±1 453.68a9.64±3.33a119.16±18.40a128.80±15.22aNY31 307.32±85.69b17 715.65±505.63b19 022.98±591.32c4.80±0.31a85.25±2.46b90.05±2.77bTG13 885.81±673.91a19 994.29±363.99b23 880.11±881.17b17.92±3.35a111.64±3.67b129.56±3.09bTG24 734.16±559.81a23 966.48±1 910.60a28 700.63±2 450.97a20.00±1.59a130.03±9.04a150.03±10.63aTG33 881.89±252.04a22 822.03±748.60a26 703.92±932.95ab17.18±1.77a125.24±2.97a142.41±2.00ab
注:同列同种作物数值后不同字母表示差异达5%显著水平。表中数值表示平均值±标准偏差。
Note: Different letters in the same column of the same species indicate a difference of 5% significant level.The data in the table represent the mean ± standard deviation.
2.2 不同处理2种填闲作物对设施土壤磷素含量变化的影响
2.2.1 不同处理对设施表层土壤总磷的影响 不同处理填闲作物种植对表层设施土壤总磷含量的影响如图1所示。填闲糯玉米不同密度处理土壤总磷含量种植后与种植前比较均有显著降低,降幅15.2%～19.7%,但各密度处理间差异未达显著水平,说明种植填闲糯玉米有利于表层设施土壤磷素降低,但试验范围内增加种植密度对设施土壤表层总磷含量没有显著影响。填闲饲用甜高粱TG1、TG2处理较种植前总磷含量均有显著降低,分别降低了10.7%和10.9%,而TG3对土壤总磷降低未达显著水平,可能是种植密度过大且根系发达,导致土壤表层根系残留较多,土壤有机磷含量增加。说明合理密度种植填闲饲用糯玉米和甜高粱有利于降低土壤表层总磷含量。
图中不同小写字母表示差异达5%显著水平。图2-3同。 Different lowercase letters in the figure indicate that the difference reaches a significant level of 5%. The same as Fig.2-3.
图1 不同处理填闲作物种植前后设施表层土壤总磷含量
Fig.1 Total phosphorus content in greenhouse surface soils before and after planting with different catch crops
2.2.2 不同处理对设施土壤磷素向下移动的影响 不同处理对设施土壤各土层有效磷和水溶性磷含量的影响如图2-3所示。填闲糯玉米不同密度处理均能降低0～30 cm土层的有效磷含量,但未达显著水平；NY1、NY2、NY3处理30～60 cm,60～90 cm土层的有效磷含量较种植前没有显著差异；各处理0～30 cm土层水溶性磷含量较种植前有显著降低,分别降低了35.1%,28.4%,41.0%；30～60 cm土层水溶性磷含量各处理没有显著变化；60～90 cm土层NY1处理水溶性磷含量显著增加,NY2处理没有显著变化,NY3处理有显著降低。综合各土层有效磷和水溶性磷含量看,NY3处理对控制和降低各土层磷素含量效果最好,其次是NY2处理。
填闲饲用甜高粱不同密度处理土壤有效磷含量种植后与种植前比较,TG3处理土壤各土层有效磷含量均有显著增加,TG1、TG2处理对各土层有效磷含量均没有显著影响。各密度处理0～30 cm土层水溶性磷含量较种植前均有显著降低,分别降低了26.1%,24.0%,16.2%,30～60 cm,60～90 cm土层水溶性磷含量变化趋势与有效磷含量一致。综合各土层有效磷和水溶性磷含量变化来看,填闲饲用甜高粱处理中TG1、TG2处理对降低设施土壤磷素风险效果较好。
从各土层有效磷和水溶性磷含量来看,2种填闲作物在适宜种植密度内均可以有效降低土壤磷含量。
2.3 不同处理填闲作物种植对后茬初期土壤磷素和碱性磷酸酶活性的影响
2.3.1 土壤有效磷和水溶性磷状况 填闲糯玉米不同密度种植后,在西兰花定植半个月时土壤有效磷较定植前有所增加,且NY2和NY3处理达到显著水平,但各密度处理间没有显著差异；定植一个月后NY2、NY3处理有效磷含量显著高于NY1处理,可能是土壤缓效态磷释放和有机磷矿化引起的。NY1和NY2处理水溶性磷含量各时期间没有显著变化,NY3处理各时期较前一时期均有显著增加,且定植一个月后水溶性磷含量NY3处理显著高于NY1处理。填闲饲用甜高粱不同密度种植后,TG1和TG2处理各时期间有效磷和水溶性磷含量均没有显著变化,TG3处理土壤有效磷含量各时期较前一时期均有显著降低,水溶性磷含量先降低后增加,说明TG3处理能降低后茬初期土壤磷素环境风险。在定植一个月后,TG1处理水溶性磷含量显著低于TG3处理,但TG2处理与TG3没有显著差异,说明TG2、TG3处理土壤水溶性磷含量相对较高,有利于西兰花后期生长(表3)。
图2 不同处理填闲作物种植前后各土层有效磷含量
Fig.2 Effective phosphorus content of each soil layer before and after planting of different catch crops
图3 不同处理填闲作物种植前后各土层水溶性磷含量
Fig.3 Water-soluble phosphorus content of each soil layer before and after planting of different catch crops
2.3.2 土壤碱性磷酸酶活性 土壤磷酸酶主要是根系和微生物产生,能参与并控制土壤有机磷化合物矿化,其活性的高低直接影响土壤中有机磷的转化和生物有效性[16-19]。目前国外对土壤磷素酶的研究一般分为酸性磷酸酶和碱性磷酸酶,土壤中磷酸酶活性高低与土壤酸碱性有关,碱性土壤中碱性磷酸酶占优势[20-21]。我国北方土壤多为石灰性土壤,土壤呈碱性,因此,本研究只测定了碱性磷酸酶。如图4所示,填闲糯玉米不同密度种植在后茬西兰花定植前土壤碱性磷酸酶活性NY1、NY2处理显著高于NY3处理,说明增加密度种植填闲糯玉米能降低土壤碱性磷酸酶活性,可以减缓设施土壤有机磷的矿化,降低设施土壤磷素潜在环境风险；在西兰花定植半个月时NY1、NY2处理土壤碱性磷酸酶活性较定植前没有显著增加,定植一个月后土壤碱性磷酸酶活性均有增加,增大了土壤有机磷矿化速率,为西兰花后期生长提供了有效磷源,密度处理间表现为NY3显著高于NY1和NY2。填闲饲用甜高粱增加种植密度对土壤碱性磷酸酶活性没有显著影响,但各处理在西兰花定植半月时较定植前均有显著增加,说明种植填闲饲用甜高粱能增加后茬作物生长初期土壤碱性磷酸酶活性。
表3 不同处理填闲作物后茬初期土壤磷素状况
Tab.3 Status of soil phosphorus in the early stage after planting different catch crops mg/kg
处理Treatment有效磷Available phosphorus水溶性磷Water soluble phosphorus定植前Before planting定植半月Colonization for half a month定植一月Colonization for one month定植前Before planting定植半月Colonization for half a month定植一月Colonization for one monthNY1495.69±31.99bA559.61±46.37abA555.14±6.83bA76.40±8.26bcA85.95±4.34abA89.16±6.10cANY2456.05±67.70bB617.98±61.23aA630.03±54.17aA84.24±9.46abcA96.89±6.59abA94.88±5.53bcANY3476.42±6.45bC571.28±1.61abB673.99±4.48aA69.39±0.56cC99.97±2.94aB104.31±1.37abATG1473.66±72.49bA535.51±15.67bA538.60±34.4bA86.99±4.42abA85.96±7.33abA85.45±8.84cATG2566.93±96.83abA509.63±32.51bA550.88±27.68bA89.43±14.77abA69.99±13.35bA97.81±8.46abcATG3671.17±15.45aA544.56±10.88abB475.72±4.68cC98.61±1.01aB83.40±1.17abC109.85±2.36aA
注:同列数值后不同小写字母表示差异达5%显著水平；同行同一指标数值后不同大写字母表示差异达5%显著水平。
Note: Different lowercase letters after the same column value indicate a significant difference of 5%； Different uppercase letters after the same indicator value indicate a significant 5% difference.
图中图柱上同一时期不同字母表示各处理差异达5%显著水平。 Different letters in the same period on the graph bar in the figure indicate that the difference in treatments is a significant level of 5%.
图4 不同处理后茬初期土壤碱性磷酸酶活性
Fig.4 Soil alkaline phosphatase activity in the early stage after different treatment
3 结论与讨论
3.1 填闲作物生物量与吸磷量
作物合理密植是构建良好生育群体,优化群体结构,协调群体和个体发育,发挥群体生产力的基础[22]。本次研究在设施菜田种植不同密度的2种填闲作物,其总生物量和总吸磷量均随种植密度增大先增大后减小,糯玉米总生物量在密度处理间差异达到显著水平,磷素吸收在NY1和NY2与NY3差异亦显著；饲用甜高粱TG2和TG3处理生物量和吸磷量没有显著差异,但显著高于TG1处理。本研究种植密度高于杨楠等[23]和于永静等[24]研究,高粱在4.50万～10.50万株/hm2种植密度范围内,随种植密度增加生物量也增加。与高粱对磷素的吸收也受种植密度的影响研究结果一致[25]。可能是设施菜田肥力较高,对填闲作物生长限制范围增大,或饲用甜高粱收获时未成熟引起的差异。
3.2 填闲作物种植与设施土壤磷素及磷酸酶活性
试验发现,种植填闲糯玉米可以显著降低土壤表层总磷含量,饲用甜高粱TG1、TG2处理也能显著降低土壤表层总磷含量；2种填闲作物均能显著降低土壤表层水溶性磷含量,且NY2、NY3、TG1、TG2处理对阻控下层土壤水溶性磷移动效果较好；在后茬西兰花生长初期,填闲糯玉米处理土壤碱性磷酸酶没有显著增加,可以减缓土壤有机磷矿化,TG2处理在西兰花定植半个月时可降低土壤水溶性磷含量,避免因后茬作物生长初期需磷较少,土壤有效磷积累,造成的设施土壤磷素环境风险增大；NY3处理能显著降低0～30 cm,60～90 cm土层水溶性磷含量,然而在未施任何肥料条件下,后茬西兰花生长初期土壤表层水溶性磷含量呈增长趋势,说明NY3处理能降低设施土壤各土层磷素含量,且西兰花生长初期需磷量较小,土壤自身转化的水溶性磷含量高于西兰花生长需要的。引起设施土壤磷素各土层磷素降低的原因可能是作物对磷素吸收,因为玉米为深根作物,根长可达230 cm[12],还有可能是夏季雨量较多造成了磷素淋洗。后茬西兰花生长初期表层土壤水溶性磷含量增大的原因可能是土壤中缓效态磷素转化造成的,也可能与土壤碱性磷酸酶活性有明显增加和土壤微生物活动有关[26-27]。雷学军等[28]研究甜高粱根际溶磷菌能力试验,结果显示甜高粱根际溶磷菌可以增加难溶性磷溶解。本试验中TG3处理吸磷量高于TG1处理,但土壤总磷并没有显著降低,各层有效磷含量和下层水溶性磷含量均有显著增加,可能是夏季雨量较多,且TG3处理地势较低，上层土壤中磷素向下移动或根系分泌物促使了难溶性磷溶解造成的。填闲作物种植可以吸收土壤中积累的磷素养分。本次试验可以看出,种植2种填闲作物能较好地阻控下层土壤有效磷和水溶性磷含量。
综合填闲作物吸磷量、设施土壤各土层磷素含量和后茬作物生长初期土壤磷素含量来看,设施菜田填闲糯玉米的适宜密度为10.50万株/hm2(NY2),填闲饲用甜高粱适宜种植密度为15.00万株/hm2(TG2),且甜高粱TG2处理对设施土壤磷素吸收有优势。因此,NY2和TG2处理对降低设施土壤磷素环境风险较好,且TG2处理较有优势。
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