高碳有机物料对设施菜田土壤速效磷累积的影响

来源:用户上传      作者:石宁 李彦 宫志远 孙泽强 刘盛林

　　 摘要：设施菜田施用有机粪肥是改善土壤质量的重要手段，但是常年持续过量施用粪肥极易造成土壤磷的累积和淋失。本研究在持续施用鸭粪的设施大棚中投入不同C/N有机物料，研究其对西葫芦生长和土壤速效磷累积的影响。试验以鸭粪为习惯施肥处理，高碳有机物料分别是沼渣、菌渣、泥炭土、生物炭和麦秸，所有处理碳投入量相同。结果表明，常年施用鸭粪导致0～100 cm土层中速效磷严重累积，且向深层土壤运移现象明显;高碳有机物料的投入不仅实现了西葫芦稳产，而且增加了磷吸收量，有效缓减土壤中速效磷向深层土壤的迁移，改善土壤微生境从而促进土壤微生物生长，进而增加土壤磷有效性，提高其利用效率。
　　关键词：粪肥;有机物料;设施菜田;磷
　　中图分类号：S627：S141  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2020）11-0020-05
　　Effects of High-Carbon Organic Materials on Available Phosphorus
　　Accumulation in Greenhouse Vegetable Field
　　Shi Ning， Li Yan， Gong Zhiyuan， Sun Zeqiang， Liu Shenglin
　　（Institute of Agricultural Resources and Environment， Shandong Academy of Agricultural Sciences/
　　Key Laboratory of Agro-Environment of Huanghe-Huaihe-Haihe Plain， Ministry of Agriculture and Rural Affairs/
　　Shandong Provincial Key Laboratory of Agricultural Non-Point Source Pollution Control and Prevention/Scientific
　　Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation （Shandong），
　　Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Jinan 250100， China）
　　Abstract Organic manure application in greenhouse vegetable fields is important to improve soil quality， but continuous excess input can easily lead to the accumulation and leaching of soil phosphorus （P）. The experiment was conducted in greenhouse with continuous application of duck manure to study the effects of organic materials with different C/N value on growth of summer squash and available P accumulation in soil. Duck manure was set as the custom fertilization treatment， and biogas residue， mushroom residue， peat soil， biochar and wheat straw were selected for the high-carbon organic material treatments. The carbon input of all treatments were uniform. The results showed that continuous application of duck manure led to serious accumulation of available P in 0～100-cm soil layer and obvious migration to deep soil layer. High-carbon organic material input achieved stable yield and increased P absorption of summer squash， reduced the migration of available P to deep soil layers， improved soil micro-habitat to promote the growth of soil microorganisms， so the availability of P was improved， and its use efficiency was increased.
　　Keywords Manure; Organic material; Greenhouse vegetable field; Phosphorus
　　 目前设施菜田化肥投入量逐渐降低，施用比例越来越合理[1]，但有机肥投入量越來越大，尤其施用粪肥，已经成为设施菜田生产常态。粪肥中含有较多水溶态及有机态磷，极易在土壤中移动，因此，在设施菜田频繁灌溉的条件下，磷元素的累积和淋失严重[2，3]。科学合理施用有机肥能够改善土壤环境质量，但常年过量投入，不仅造成养分浪费和环境污染，而且降低土壤C/N值和微生物多样性，反而使土壤质量下降。有机肥的降解主要依靠土壤中的微生物来完成，其对不同C/N值有机肥的分解效率存在很大差异，C/N和C/P值适宜的土壤能增加微生物的生物量库容，加强对土壤磷养分的固持[4]，减少土壤中磷的累积，降低磷的淋溶风险。有研究表明，C/N值较高的有机肥投入能够增加土壤有机碳含量，改善土壤微生物环境，促进植物养分吸收和生长[5]。 　　 针对当前设施蔬菜生产中盲目大量使用粪肥导致的磷素累积和迁移等问题，本试验基于常年施用单一鸭粪的设施菜田，设置不同C/N值有机物料（鸭粪、沼渣、菌渣、泥炭土、生物炭和麦秸）投入，研究基施有机碳含量相同的不同有机物料再追施相同用量水溶肥的條件下，设施西葫芦产量、土壤磷素累积以及土壤微生物量磷的变化，旨在为设施蔬菜清洁生产中合理使用有机肥、降低土壤磷素累积及淋失风险提供理论参考。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验设计
　　 试验于2017年11月20日至2018年5月25日在山东省淄博市临淄区东科蔬菜大棚合作社的设施大棚中进行。所选大棚长105 m，宽14 m，种植年限为5年，一直施用鸭粪作为有机肥;试验期种植作物为西葫芦，畦宽1.7 m，一畦两行，每行20株西葫芦，株距75 cm;统一使用膜下滴灌灌水方式，西葫芦整个生育期共灌水8～9次。
　　 试验选用的有机物料为生物碳（BC，炭化原料为小麦秸秆）、小麦秸秆（WS）、泥炭土（PS）、沼渣（BR）、菌渣（MR），以鸭粪（DM）作为习惯施肥对照。试验开始前，测定各有机物料的有机碳和养分含量，具体见表1。每个处理设置3次重复，每小区面积50 m2，随机区组排列。有机物料施用量分别为DM 36.5 t·hm-2，BC 22.1 t·hm-2，WS 25.4 t·hm-2，PS 21.9 t·hm-2，BR 46.1 t·hm-2，MR 19.8 t·hm-2，化肥（水溶性复合肥，氮磷钾养分15-15-15）投入总量分别为N 375 kg·hm-2、P2O5 165 kg·hm-2和K2O 810 kg·hm-2。其中，有机物料和一半化肥作为基肥在作物移栽前施入，剩余化肥作为追肥分4次施入，并采用随水微灌。
　　1.2 样品采集与测定方法
　　 记录西葫芦采收阶段每个小区的果实产量。在盛果期采集西葫芦样品，烘干后测定果实养分含量。待成熟期收获整株作物，105℃杀青 30 min，60℃烘至恒重，称取干重。通过硫酸-过氧化氢消煮，钼锑抗比色法测定果实和植株样品的全磷。
　　 在西葫芦拉秧后随机取5钻0～100 cm土壤，每20 cm一层制备混合样，用于测定土壤养分含量。采集的鲜土用2 mol·L-1 KCl溶液（土水比1∶5）浸提，并通过氮素连续流动分析仪（TRAACS 2000，Bran and Luebbe，Norderstedt，Germany）测定硝态氮含量;土壤全氮采用凯氏定氮法测定;土壤pH值采用5∶1的水土比悬液酸度计法测定;土壤有机质含量采用重铬酸钾-浓硫酸氧化（外加热法）、硫酸亚铁溶液滴定法测定;速效磷（Olsen-P）含量采用0.5 mol·L-1 碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定;微生物量碳（MBC）含量采用氯仿熏蒸、K2SO4浸提后用碳氮流动分析仪测定;微生物量磷（MBP）含量采用氯仿熏蒸、NaHCO3浸提后用分光光度仪测定。
　　1.3 数据处理与统计分析
　　采用Microsoft Excel进行数据处理和绘图，采用SPSS 20.0进行多因素方差分析，多重比较采用Duncan’s法，显著性水平0.05。
　　 土壤C/N采用土壤有机碳和全氮的比值;土壤C/P采用土壤有机碳和速效磷的比值;土壤速效磷累积率=（P2-P1）/P1，式中，P2和P1分别表示收获后和种植前土壤速效磷含量。
　　2 结果与分析
　　2.1 有机物料投入对西葫芦产量和土壤pH值的影响
　　 按照有机碳含量相同折算出不同种类有机物料的使用量并投入土壤后，不同有机物料处理对西葫芦产量未产生显著影响（图1A），但菌渣处理的西葫芦磷吸收量显著高于鸭粪处理，其它有机物料处理对磷吸收量的影响与鸭粪处理没有显著差异（图1B）。投入有机物料后0～20 cm表层土壤pH发生了显著变化，其中，菌渣处理的土壤pH值最高，为7.63，显著高于其它处理;鸭粪常规处理的pH值最低，为6.89，与其它处理差异显著;其它有机物料处理的土壤pH值在6.89～7.35之间，处理间差异不显著（图2）。
　　2.2 有机物料投入对不同土层速效磷含量及累积率的影响
　　从西葫芦收获后0～100 cm土层中速效磷的分布可以看出，所有处理均有严重的速效磷累积现象，且随着土层加深而降低。在表层土壤中，沼渣处理的速效磷含量达到了307 mg·kg-1 ，显著高于其它处理（188～223 mg·kg-1 ）。即使在80～100 cm的深层土壤中，各处理速效磷含量也均在30 mg·kg-1 以上，其中沼渣处理高达79 mg·kg-1，显著高于其它处理（图3A）。
　　 在西葫芦收获后，不同有机物料处理速效磷在不同土层中均以累积为主，但是累积率变化各不相同。随着土层的加深，沼渣处理的速效磷累积率逐渐升高，在60～80 cm土层中达到最高值，在80～100 cm土层中又有所降低;鸭粪的速效磷累积率呈波动变化，40～60 cm土层累积率最高;菌渣和生物炭处理的磷累积率随土层加深呈现先增大后减小的变化趋势，分别在20～40、40～60 cm土层中达到最高;泥炭土和麦秸处理在20～40 cm中磷累积率最高，在深层（60～100 cm）土壤中磷累积率很低（图3B）。
　　
　　2.3 有机物料处理对表层土壤C/N、C/P以及MBC、MBP的影响
　　 由图4可以看出，习惯施肥（DM）处理的表层土壤C/N值显著低于其它有机物料处理，仅为7.41，其它物料处理间差异不显著;泥炭土和生物炭处理的表层土壤C/N值较高，分别达到9.37和9.10;沼渣处理表层土壤C/N值也高于鸭粪处理，达到了8.5（图4A）。有机物料处理对表层土壤C/P的影响较大，其中，生物炭和泥炭土处理的表层土壤C/P值较高，分别为134和115，显著高于其它处理;其次是菌渣和秸秆处理，分别为91和88;沼渣和鸭粪处理的表层土壤C/P值较低，分别只有53和66，显著低于其它处理（图4B）。 　　
　　 如图5所示，菌渣处理的表层土壤微生物量碳（MBC）含量显著高与其它处理，达到305 mg·kg-1;鸭粪处理的表层土壤MBC含量最低，只有68 mg·kg-1 ，显著低于其它处理;其余有机物料处理的表层土壤MBC含量在138～179 mg·kg-1 之间，差异较小。鸭粪处理的表层土壤微生物量磷（MBP）含量显著高于其它处理，达到161 mg·kg-1 ;C/P比较低的沼渣处理表层土壤MBP含量（75 mg·kg-1 ）显著低于鸭粪处理，但显著高于其它C/P较高的有机物料处理;菌渣和秸秆处理的表层土壤MBP含量相当，在36～39 mg·kg-1 之间，显著低于沼渣处理;泥炭土和生物炭处理的表层土壤MBP含量分别为17 mg·kg-1 和18 mg·kg-1 ，显著低于其它处理。
　　
　　3 讨论与结论
　　 雷宝坤[6]调查发现，全国菜田土壤C/N值为8.6，与粮田相比降低了1.71个单位;任涛[7]对我国设施蔬菜主要产区土壤C/N进行分析发现，主要省市蔬菜产区设施菜田0～20 cm土壤C/N平均值为10.1，其中56%低于10。这主要是因为设施菜田投入的有机肥大多是低C/N值的鸡粪、鸭粪和猪粪等对土壤有机碳贡献较小的有机肥，而且过量施用的化肥也导致土壤全氮含量的增长速率远超过有机质的提升速率，从而导致土壤C/N降低[7]。而土壤C/N值低，又会进一步增强土壤微生物对有机质的矿化，通过释放氮、磷提高其有效性，进一步增加了氮、磷的淋失风险。在本试验中，自身C/N值较低的有机物料短期内也会提高表层土壤的C/N，这可能是因为常年施用鸭粪的设施菜田土壤中已经形成了较稳定的土著微生物菌群，投入新的有机物料，即使C/N值较低，也会对土著微生物的繁殖生长产生一定影响，造成短期内土壤C/N值提高[8，9]。
　　 土壤微生物特性对土壤基质的变化非常敏感[10]。土壤C/P也是影响MBP动力学的重要因素，由于受碳的限制，土壤C/P较低时，MBP也会降低[11]。本试验中，鸭粪处理的表层土壤MBP含量较高，主要是因为设施菜田前期一直施用鸭粪，继续投入低C/N值的鸭粪不会对土壤微生物群落的稳定性产生影响，表层土壤中仍保持较低MBC含量和相对较高MBP含量的状态。而其它有机物料的投入必然会影响土壤微生物群落的结构，抑制其中的优势微生物[12]，同时又会激发非优势群落的微生物或者带入新的微生物群落，并使其在短时间内成为优势群落，从而增加了土壤MBC含量。有研究发现，在熟化程度较高的土壤中，土壤微生物的数量较多，细菌比例较高，而干旱及难分解物质含量较多的土壤中微生物总数较少[13]。Diacono和Montemurro[14]认为有机肥料的质量和数量是影响土壤微生物生长的重要因素。本试验中所用的菌渣已经过腐熟，自身微生物含量比较丰富，其MBC含量显著高于其它处理。同时，微生物活性的增加也导致了土壤P释放的增加，而随着作物根部对P的吸收及P向深层土壤的淋溶，土壤中的P含量快速下降，进而有机物料处理的C/P升高。在土壤不同养分的循环系统中，速效磷的周转受土壤pH、有机质及C/N、C/P等因素的影响，有效养分在微生物养分周转中也处于一个动态的平衡，之间存在相互制约和影响。有研究表明，施用牛粪和秸秆调节土壤C/N，会降低土壤总氮含量和硝态氮的淋失量[15]，英国洛桑试验站的长期研究结果也表明，土壤C/N值与土壤pH值呈显著正相关性，这说明通过投入有机肥调控土壤C/N进而影响氮、磷有效养分的周转是可行的。
　　 综上所述，在常年施用同一种有机粪肥的设施菜田中，0～100 cm土体中磷养分发生了严重的累积并已经向深层土壤发生运移;高C/N、C/P的有机物料投入会减缓土壤中速效磷向深层土壤的迁移，并会通过改善土壤C/N和C/P调控土壤微生物生长，增加土壤磷养分的有效性，提高其利用效率。
　　参 考 文 献：
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　　[2] 王敏锋， 严正娟， 陈硕， 等. 施用粪肥和沼液对设施菜田土壤磷素累积与迁移的影响[J]. 農业环境科学学报， 2016， 35（7）： 1351-1359.
　　[3] 严正娟， 陈硕， 周怀平， 等. 施用粪肥对农田土壤磷素累积和饱和度增加速率的影响[J]. 农业环境科学学报， 2016， 35（6）： 1110-1118.
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　　[5] 杨柳青， 杨超， 白百一， 等. 不同碳氮比有机肥对烤烟生长和土壤肥力的影响[J]. 西南大学学报， 2011， 33（7）： 87-92.
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