微润灌溉配合减量施肥阻控设施番茄土壤 有效磷淋失效果研究

魏 欢，姜长松，冯 煊，张小雪，张 惠，刘月涵，刘 猛，杨志新，李博文

（河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071000）

当前设施蔬菜大棚种植过程中传统灌溉用水量大，当土壤对磷的固定能力达到饱和后，水溶性磷和吸附磷就会随大量水流通过土壤空隙下移，造成土壤磷素严重的淋失现象［1］。土壤中过量磷的迁移和流失对地下水体和生态环境造成了严重威胁。面对这一环境问题，微润灌溉水肥一体化是目前国际上公认的节水灌溉技术，其用水量约为滴灌的20%～30%，节水达到 70%以上，是当前国内外节水技术发展的重要方向［2］。微润灌溉是利用功能性半透膜作为灌溉输水管，以膜内外水势差和土壤吸力作为水分渗出和扩散动力，并根据作物需水要求，以缓慢出流的方式为作物根区输送水分的地下微灌技术，可以达到自动实时供水的目的［3］。目前已有的微润灌溉研究主要集中在微润管埋深、间距、压力水头、交替周期等参数的变化对作物生长指标的影响、土壤水分分布以及硝态氮淋失等方面［4-7］。 研究已表明，微润灌溉条件下，适量减施氮肥可以有效促进大棚辣椒、空心菜的生长和提高土壤水分利用效率［8-9］；微润灌溉能显著提高苹果树的生长，其中根系增加最明显［10］；微润灌溉番茄的根系均匀分布于微润管周围且集中于土壤表层（0 ～ 30 cm），并且根系吸水能力增强，耗水量降低，水分利用效率提高［11］；微润灌溉条件下，0 ～30 cm土层的硝态氮累积量是30 ～60 cm 土层的3 倍左右，可降低硝态氮向下淋失的风险［12］。然而，目前有关微润灌溉条件下减量施肥对设施番茄土壤中有效磷的阻控影响尚不清楚，值得深入研究。因此，本研究针对河北设施蔬菜主产区传统种植模式大水大肥造成的有效磷淋溶问题，以设施番茄为主要研究对象，通过控制影响土壤有效磷含量变化的水分和养分因素，研究微润灌溉结合减量化肥阻控设施番茄土壤有效磷淋失的作用效果，为设施蔬菜安全生产提供科学的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于河北省廊坊市永清县瓦屋辛庄村，该地区为北温带半干旱，半湿润季风气候区，春秋短，冬夏长，四季分明。日平均气温13.1 ℃，最高气温42.8 ℃，最低气温-26.5 ℃。平均年降水量534 mm。大棚为2010 年建设的日光温室，采取半下沉式设计，低于地面50 cm，实际面积为666.7 m2，温室常年覆盖乙烯多功能复合膜。温室共有上风口和下风口2 个通风口用以调节棚内微气候，冬季使用保温被及草帘子保温。日照：年平均日照时数2 527 h。其土壤的基本理化性质如表1。

表1 供试土壤的基本理化性状Table 1 Basic physicochemical properties of soil samples

1.2 试验设计

番茄大棚试验共设置6 个处理，传统灌溉+传统施肥（CT）、传统灌溉+减量施肥（CY）、微润灌溉+减量施肥（WY）、微润灌溉+减量施肥+微生物菌剂（WYJ）、微润灌溉+不施肥（CK）。传统灌溉：即为传统水分处理，主要依据农户习惯确定每次的灌溉时间和灌溉量，全生育期总用水量约为323 mm；微润灌溉采用微润灌溉设备调节土壤含水量，控制灌溉时间和灌溉量，全生育期总用水量约为130 mm；传统施肥（农户传统习惯施肥）的氮、磷、钾用量分别为200 kg/hm2，70 kg/hm2，313 kg/hm2；减量施肥的氮、磷、钾用量分别为118 kg/hm2，54 kg/hm2，18 kg/hm2；微生物菌剂用量为15 L/hm2，每个处理3 次重复，共18 个小区，每个小区面积30 m2，采用随机区组布置。生物有机肥以底肥形式施入，并于2018 年10 月28 日定植番茄。供试番茄品种为‘普罗旺斯’，供试肥料为生物有机肥（有机质含量≥40%，有效活菌数≥0.2 亿/g，N、P、K 含量可忽略不记）、冲利丰肥料（N-P2O5-K2O，20-20-20）、冲利丰肥料（N-P2O5-K2O，15-5-30）、微生物菌剂由河北润沃生物技术有限公司生产。设施番茄不同施肥处理及其用量详见表2，各处理灌水情况见表3。为了确保定植期番茄幼苗的正常保苗及生长，定植期均采用农户传统的灌溉和底肥统一的管理模式，在此基础上，再利用各处理方案提供的灌溉和施肥用量进行。

表2 设施番茄不同施肥处理及其用量Table 2 Different fertilization treatments and dosages of facility tomatoes

表3 灌水量表Table 3 Irrigation

1.3 土壤淋溶桶和溶液提取器的安装

1.3.1 原位淋溶桶的安装 在番茄种植前，每个处理中间小区布设1 套淋溶桶，可接受土壤淋溶液面积为1.2 m2。淋溶桶内安装通气管和抽液管，分别延伸到地表，抽液管一端连接取样瓶，另一端连接真空泵。设备安装完毕后按土层回填操作坑，以尽快恢复土壤原状。

1.3.2 土壤溶液提取器的安装 每个小区安装3 套土壤溶液提取器，间隔15 cm。距地表垂直距离分别为30、60、90 cm。安装前将土壤溶液提取器浸水2 h，放入指定位置时灌入土浆，使土壤溶液提取器与土壤充分接触。

1.4 样品采集与制备

本研究重点在番茄开花期和果实期2 个时期采用五点取样法进行土壤采集，每个小区采集的土壤深度80 cm，每20 cm 采集一个土壤样品，并用无菌的密封袋保存，在实验室中剔除杂物，自然风干磨碎，过1 mm 筛子，用于检测土壤有效磷含量。

土壤溶液和土壤淋溶液的收集：利用真空泵和负压瓶将收集器中的液体样品抽吸到胶卷盒中冷藏保存，在实验室检测液体样品有效磷含量。

1.5 品测定指标和方法

土壤样品、土壤溶液以及土壤淋溶液中磷的测定均采用NaHCO3浸提—钼锑抗分光光度法。

1.6 数据处理与分析

采用SPSS20 统计软件、Microsoft Excel 2016 对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 设施番茄不同处理土壤有效磷含量的差异特征

图1 反映了设施番茄2 个关键生育期不同处理土壤有效磷含量的差异特征。结果表明，在番茄开花期0 ～20 cm 的表层土壤，CT 处理土壤有效磷均显著高于其他各处理。CY、WY、WYJ 处理土壤有效磷含量分别比CT 处理下降了22.5%、17.0%、26.5%。同时，WYJ 处理较WY 处理土壤有效磷含量降低了11.3%，这一结果反映出在土壤有效磷含量较高的条件下添加溶磷菌株不仅不能提高溶磷效果，反而使溶磷效果有所降低，可能与菌体对磷的吸附固定有关。在20 ～40 cm 土层CY、WY、WYJ 处理土壤有效磷含量同样比CT 处理有显著降低，分别下降了29.1%、25.5%、25.8%。说明了减量施肥比节水灌溉（微润灌溉）对0 ～40 cm 土层有效磷的降低效果表现更加突出。40 ～60 cm 土层CT 与CY 处理之间差异不显著，但微润灌WY、WYJ 处理较CT 处理分别降低了23.8%、22.7%；WY、WYJ 处理也比CY 处理降低了24.6%，该结果发现尽管土壤磷的移动性较差，但传统灌溉比微润灌明显增强了淋溶深度，有效磷含量在40 ～60 cm 显著增加。在60 ～80 cm 土层时，土壤有效磷含量在各处理间差异不显著，说明在开花期传统灌溉尚未使有效磷淋溶至80 cm 的深度。

番茄膨果期WY、WYJ、CY 处理在0 ～20 cm 土壤有效磷含量分别比CT 处理降低了13.0%、19.5%、13.7%。20 ～40 cm 土层CY、WY、WYJ 处理土壤有效磷含量比CT 处理显著降低了27.4%、38.2%、29.4%；40 ～60 cm 土层与0 ～20 cm 土层各处理表现出了相似的规律，CY、WY、WYJ 处理比CT 处理分别降低了28.7%、25.2%、24.6%，60 ～80 cm 土层各处理间土壤有效磷含量差异均不显著。

综上可以看出，在番茄开花期和膨果期微润灌溉处理的节水减肥措施（WY 和WYJ）可将土壤有效磷控制在0 ～40 cm 的根层土壤深度范围内，有效阻控了土壤有效磷向深层迁移。而传统灌溉的CT与CY 处理则使土壤有效磷淋溶至60 cm 土壤深层，淋溶显著。同时，减量施肥处理均显著降低了0 ～ 60 cm 深度土层的有效磷含量，有效控制了土壤中有效磷的流失。可见，在所有处理中，以微润灌配合减量施肥的模式更有利于阻控土壤磷向深度淋溶。

图1 设施番茄各生育期土壤有效磷含量Fig.1 Contents of available phosphorus in tomato soil

2.2 设施番茄不同深度土层及其溶液有效磷含量变化特征

2.2.1 设施番茄不同深度土层有效磷含量变化特征 设施番茄土壤有效磷含量随不同深度的变化如图1 所示。可以看出，所有处理土壤有效磷含量均随着土层深度的加深呈现降低趋势。番茄开花期CT、CY、WY、WYJ 处理0 ～20 cm 土层有效磷含量较60 ～80 cm 土层升高了53.3%、45.6%、52.9%、51.7%，20 ～40 cm 土层较60 ～80 cm 土层升高了41.9%、26.2%、34.9%、40.5%，40 ～60 cm 土 层较60 ～80 cm 分别升高了21.8%、12.2%、14.4%、23.2%、14.9%。番茄膨果期CT、CY、WY、WYJ 处理0 ～20 cm 土层有效磷含量较60 ～80 cm 土层升高了60.3%、65.2%、61.8%、57.3%，20 ～40 cm 土层较60 ～80 cm 土层分别升高了57.1%、58.7%、51.0%、49.5%，40 ～60 cm 土层分别升高了31.5%、27.3%、23.2%、21.2%。由此可见，各处理土壤有效磷主要富集在表层（0 ～40 cm），尤其以传统灌溉+ 传统施肥处理表现突出，40 cm 以下土层其含量急剧下降，土壤剖面各层土壤有效磷含量受人为施肥和灌溉方式影响较为明显。

2.2.2 设施番茄不同深度土壤溶液有效磷含量变化特征 番茄土壤溶液有效磷含量如表3 所示，在设施番茄开花期，使用传统灌溉的CT、CY 处理在30、60 和90 cm 深度土层均收集到了土壤溶液，但两处理之间溶液中磷的含量差异不显著，而微润灌处理WY、WYJ 没有收集到溶液。番茄膨果期，CT、CY两个处理也同样在3 个土壤深度采集到了土壤溶液；在30 cm 深度土层CY 处理比CT 处理土壤溶液有效磷含量降低了15.3%；60 cm 深度土层CY 处理比CT处理土壤有效磷含量降低了4.1%，但差异并不显著；90 cm 深度CY 与CT 处理差异不显著。综上所知，微润灌溉处理在30 cm 以下已经采集不到土壤溶液，说明微润灌溉将水分保持在了0 ～30 cm 土层，并未向下淋溶，有效阻控了土壤中有效磷向深层淋溶。

表3 施番茄不同生育期土壤溶液有效磷含量Table 3 Available phosphorus content in soil solutions of tomato plants at different growth stages

2.3 设施番茄全生育期土体磷淋失量的动态变化

通过计算设施番茄0 ～100 cm 土体土壤有效磷养分淋失量，结果表明，只有传统灌溉的CT、CY 2 个处理收集了淋溶液，番茄全生育期土体磷淋失量分别为5.1、3.7 kg/hm2，其中减量施肥比传统施肥的磷淋失量降低了27.4 %。土壤中的磷素虽然易被固定，但超过环境阈值的磷素依然会随水淋溶至下层土壤，所以60 ～80 cm 土层土壤速效磷含量差异并不显著，但表层土壤施入的未被土壤固定的磷肥依然会随土壤径流向下层淋溶，但土壤中有效磷的积累却并没有明显增加，这与土壤速效磷的移动性有关。而微润灌溉处理在整个生育期均未收集到土壤淋溶液。进一步证实了微润灌可以阻控土壤有效磷向深层淋溶的结果。

2.4 设施番茄产量分析

设施番茄全生育期产量如图2 所示。番茄全生育期平均产量为108.4 t/hm2，各处理产量之间差异并不显著。说明微润灌溉在在阻控土壤磷淋溶的同时不影响番茄产量。

图2 番茄产量 Fig. 2 Tomato yield

3 讨论

磷是作物必需的大量元素之一，对作物产量构成有重要作用［13］，磷素在土壤中易固定，移动性很小［14-15］，淋溶总量相对较低。然而设施蔬菜与一般农田系统不同，其有机肥、磷肥、灌水的投入量均较高，表层土壤有效磷富集严重［16-17］。本研究也证实了这样的结果，设施番茄土壤有效磷主要富集在表层（0 ～40 cm），远高于深层60 ～80 cm 的土壤，且40 cm 以下土层其含量急剧下降，各处理间差距逐渐缩小。

大量研究证实，菜田土壤有效磷含量超过环境阈值（P 80 mg/kg），磷素在土壤剖面发生明显的淋失现象，尤其在大量肥水模式下淋失更加强烈。如长期大量施用磷肥和有机肥，加上土壤对磷素的吸附能力是有限的，就会降低土壤对磷的吸附量，从而增加土壤的渗漏率［18］。化肥有机肥的高投入使设施菜地土壤磷素不断积累，但是不当的灌水措施会加剧土壤中磷的淋溶损失风险［19］。在传统水肥模式下，施入土壤的大量磷素在大水漫灌下逐渐淋溶出耕层土壤，严重污染环境［20］。面对土壤中过量磷素淋失的问题，前人的解决思路包括种植需磷量大的作物［21］，土壤中添加生物炭改良土壤性质［22］，减少种植过程中的施肥量［23］，采用不同灌溉模式［24］等各种方式。而本研究采用微润灌结合减量施肥模式探究土壤有效磷淋溶的阻控，效果显著。开花期0 ～40 cm 土壤有效磷含量比CT 处理下降了22.7%～29.3%，番茄膨果期下降了7.4%～26.3%。同时，在番茄整个生育期土体100 cm 深度未收集到土壤淋溶液，说明了土壤上层水分未淋失至深层。

本研究发现，在番茄生长初期需水肥量少，随着番茄生长，追肥及灌水次数增多，微润灌溉处理耕层土壤有效磷含量增加，而深层土壤有效磷含量增幅缓慢，这一结果进一步说明了微润灌溉措施直接切断了磷素向深层土壤随水淋失的途径。减量施肥显著减少了土壤剖面磷素的累积，微润灌溉阻控了磷素向土壤深层淋溶。微润灌结合减量施肥这一模式在设施番茄上的应用有效防控了因长期大量肥水带来土壤磷素淋失的安全风险，具有较强的生产应用和理论价值。

4 结论

（1）在开花期和膨果期，微润灌溉配合减量施肥处理均显著降低了设施番茄土壤有效磷含量。与传统水肥处理相比，在0 ～20 cm、20 ～40 cm、 40 ～60 cm 土层微润灌溉配合减量施肥处理土壤有效磷含量分别降低了13.04%～16.98%、25.51%～ 38.23%、23.81%～25.23%。

（2）设施番茄土壤有效磷含量随着土层深度加深呈逐渐降低的趋势。各处理土壤有效磷主要富集在表层，尤以传统水肥处理积累最明显，40 cm 以下土层其含量急剧下降，土壤剖面各层土壤有效磷含量受人为施肥和灌溉方式影响较为明显。

（3）番茄全生育期传统灌溉0 ～100 cm 土体有效磷淋失量为373.76 ～505.69 kg/hm2，其中，CY 处理比CT 土体磷淋失量降低了26.08%，而微润灌溉配合减量施肥处理未产生淋溶液，可有效阻控设施番茄土壤有效磷的纵向淋溶。