秸秆还田对设施番茄产量和土壤磷素的影响

孙玉禄， 李 杨， 刘晓辉， 高晓梅， 敖 静， 白晓瑞

(1.辽宁省微生物科学研究院，辽宁 朝阳 122000；2.辽宁省现代农业生产基地建设工程中心， 辽宁 沈阳 110033)

近些年水体富营养化受到很多关注，而磷素在水体的汇集是水体富营养化的主要根源，国内外对土壤磷的流失形式进行了大量研究[1-2]，发现土壤表层中有效磷含量一旦超过60 mg/kg，就会造成磷素的淋失[3]。土壤裂隙和大孔隙所造成的优先流对氮磷淋失污染通量的贡献是国际上的研究热点[4]，国内研究主要关注农田氮磷淋洗及影响因素，发现农田土壤磷的径流和渗透淋失是导致受纳水体磷浓度升高的主要原因[5]。随着我国设施农业覆盖面的增加以及对效益的追求，各种肥料被不可避免地叠加使用，导致过度施肥现象时有发生，造成了土壤氮磷元素向地下流失与迁移，进而导致农业面源污染，尤其是磷素的渗透淋溶导致地表水体磷富集的问题日趋严重。因此，对磷素在土壤耕层的淋溶研究具有非常重要的意义[6]。由于秸秆还田能够改善土壤理化性状，增强土壤保水保肥能力，实现作物增产已成为研究的热点，近年来也逐渐得到了广大农户的认可，但是秸秆还田对设施土壤磷素淋溶研究方面鲜有报道。本研究选取北方典型的番茄大棚，研究了玉米秸秆还田配施肥料对番茄增产及磷淋溶的影响。力争在增产的同时，有效控制土壤水肥管理不当造成的水体污染。 磷在土壤中以多种形式存在，其中微生物量磷是土壤磷组分中最为活跃的形态，能够随着微生物自身不断更新而周转释放出来供植物和土壤中其他的微生物吸收利用[7]，能够反映土壤活性磷库的容量和周转强度[8]。而作物能直接利用的磷被称为有效磷，全磷含量高的土壤，有效磷不一定高。因此，测定微生物量磷和有效磷含量才能比较全面的说明土壤磷素肥力的供应情况[9]。在提高土壤磷素利用率方面，一些研究表明，秸秆还田可以减弱土壤的固磷能力[10]，提高土壤磷活化系数，使作物有效利用土壤中的磷素，防止过多的磷素流失以及在土壤中向下迁移[11]。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验田基本情况 试验地块位于辽宁省喀喇沁左翼蒙古族自治县水泉镇(119.89°44′55″ E，41.33°12′21″ N，海拔310 m)。土壤为褐土。土壤基本理化指标：pH值 7.76、有机质69.21 g/kg、容重1.31 g/cm3、全氮12.80 g/kg、全磷1.18 g/kg、有效磷465.46 mg/kg、速效钾147.22 mg/kg。

1.1.2 供试材料 ①番茄品种：汉姆1号(赤峰和润农业高新科技产业开发有限公司)；②上一年玉米秸秆；③过磷酸钙(钟祥市楚明磷化有限公司)。

1.1.3 主要试剂与仪器设备 硫酸、高氯酸、氢氧化钠、钼酸铵(国药集团化学试剂有限公司)；高氯酸(天津政成化学制品有限公司)。全自动流动注射分析仪(iFIA7-MAC3，北京吉天仪器有限公司)；紫外可见分光光度计(T6新悦，北京普析通用仪器有限责任公司)；消化炉(HYP-340，上海纤检仪器有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 ①定植：2020年7月12日试验采用双因素随机分组方法，设置秸秆用量和磷肥供应两个因素。底肥为有机肥(7 500 kg/hm2)和尿素(20 kg/hm2)，整地时均匀施入。玉米秸秆切成2～3 cm左右小段施于土层(25～30 cm)中，对照组(S0P0)不加秸秆段，不施磷肥；秸秆还田量(S)设置三个水平，分别为15 000(S1)、22 500(S2)和 30 000 kg/hm2(S3)；磷肥(过磷酸钙,P)设置三个水平，分别为100 (P1)、150 (P2)和200 kg/hm2(P3)与底肥同时施入。设计S0P0、S0P3、S1P3、S2P3、S3P3、S2P0、S2P1、S2P2共8个处理，每个处理重复3次，小区面积29.4 m2，每个小区种植4垄共96株，大垄双行定植，每个处理之间设置两垄保护行。其余肥料等以冲施方式作为追肥施入。小区间设定保护行。井水灌溉，每次滴灌15 mm。②淋溶液装置：采用渗漏池(lysmeter)[12]收集淋溶液，渗漏池长×宽×高=150 cm×80 cm×40 cm。土壤分0～20和20～40 cm两层挖出，渗漏池底部用塑料做防渗处理，在渗漏池中央塑料底部开一直径约15 cm小孔，小孔下方放置淋溶桶(直径40 cm，高40 cm)用于接淋溶液，淋溶桶盖均匀打20个直径2 cm孔，弧形向下盖于桶上，桶盖上方铺上装有细沙的100 目尼龙网袋用于过滤杂质，回填部分下层土壤，将玉米秸秆铺于25～30 cm土层处，两层土壤原位回填。

1.2.2 取样 ①土样采集：采用五点取样法采集10～20 cm剖面的土壤。②水样采集：真空泵分别抽取花期、膨果中期、膨果尾期、拉秧期四个阶段淋溶桶中的淋溶液，同时测量淋溶液量，取回部分淋溶液测试全磷、有效磷。

1.2.3 测定方法 ①参照《土壤农化分析》[9]中的方法测定各项指标。全氮含量采用浓硫酸-双氧水消煮凯氏定氮法，全磷采用硫酸、高氯酸酸溶-钼锑抗比色法，土壤微生物量磷(Microbial Biomass Phosphorus,MBP)采用氯仿熏蒸-碳酸氢钠溶液浸提-钼锑抗比色法，有效磷采用钒钼蓝比色法。②产量测定：详细记录每个小区番茄的数量及产量。

1.2.4 数据统计 采用 SPSS 21软件的单因素方差分析(ANOVA)方法，检验各指标在不同处理间的差异；WPS excel完成图表。 土壤磷活化系数(PAC)的计算公式：

2 结果与分析

2.1不同处理对土壤中磷素的影响

土壤中的磷素移动性较差，一般在耕作层积累，根据试验结果分析，土壤全磷含量1.80～2.56 g/kg，有效磷的含量365.14～398.18 mg/kg。无论单纯玉米秸秆还田或增施磷肥还是二者均有施用，各处理间均没有显著差异，但土壤全磷含量均显著高于对照组(S0P0),具有显著差异(P<0.05)，各处理间土壤有效磷含量差别明显。玉米秸秆还田后，土壤中有效磷含量增加，其中，磷肥量200 kg/hm2、秸秆量22 500 kg/hm2(S2P3)条件下土壤有效磷含量最高(图1)。与同样秸秆还田量条件下不增施磷肥组(S2P0)相比有效磷提高35.03%，达到显著差异(P<0.05)；与增施磷肥但不增施秸秆组(S0P3)相比有效磷提高55.20%，达到显著差异(P<0.05)。且均显著高于对照组(S0P0)。这可能是因为玉米秸秆的加入，增加了土壤中有机碳源，降低了土壤对磷素的吸附力，同时秸秆还田又促进了土壤微生物的呼吸作用，提高了土壤磷素的活性(图2)，更多地转化成可供作物直接利用的有效磷。这一结果与胡宏祥等[13]的研究结果相同。另外，添加玉米秸秆处理比单施磷肥处理能提高土壤中有效磷含量，而玉米秸秆量和磷肥施用量对土壤全磷的影响差异不显著，可能添加玉米秸秆处理在秸秆分解过程中产生的物质可活化土壤本身的磷素，使土壤有效磷含量增加[14]。

图1 土壤中全磷和有效磷含量变化Fig.1 Changes of total phosphorus and available phosphorus in soil不同字母表示处理间差异显著(P<0.05),下图同Different letters indicate significant differences between treatments(P<0.05)，the same below

2.2不同处理对微生物量磷的影响

土壤中的磷以多种形态存在。其中，微生物量磷在土壤中的含量较小，却是作物可利用磷的重要来源，也是土壤磷组分中最为活跃的形态。本研究中(图3)，S2P3和S3P3两个处理的微生物量磷明显高于S0P0和S2P0，具有显著差异(P<0.05)，其他处理间无显著差异，通过在微生物量磷和玉米秸秆用量、磷肥添加量之间进行SPSS 21关联性分析，微生物量磷和秸秆使用量的相关性r=0.507，P=0.011<0.05,说明土壤微生物量磷和玉米秸秆用量之间存在中等程度相关，玉米秸秆用量越大，土壤中微生物量磷的含量越高；微生物量磷和磷肥添加量的相关性r=0.629，P=0.001<0.01,说明土壤微生物量磷和磷肥添加量之间存在强相关，磷肥添加量越大，土壤中微生物量磷的含量越高。

图2 土壤磷活化系数变化Fig.2 Change of soil phosphorus activation coefficient

图3 土壤微生物量磷含量变化Fig.3 Change of soil microbial biomass phosphorus content

2.3 不同处理对磷素淋溶的影响

2.3.1 不同处理磷淋溶液浓度动态变化 番茄属于对磷反应敏感的喜磷作物。番茄生长周期中各阶段对磷元素的需求不同，磷淋溶流失也不尽相同。不同秸秆还田量与磷肥施用量处理的淋溶液全磷和有效磷浓度动态变化如图4、图5所示。 所有处理的淋溶液均为全磷和有效磷前期最高，随着番茄生长逐渐递减，拉秧期全磷和有效磷浓度又略有升高。其中，S0P3处理的全磷和有效磷的浓度均为最高，分别为6.27、3.12 mg/L。这可能由于耕作开始阶段，土壤内的大孔隙比较多，初期较易形成优势流，灌水时有相当数量的水分迅速通过大孔隙向下迁移，土壤中磷元素也同时向下迁移，此时土壤吸附饱和度比较高，导致淋溶液中的全磷浓度比较高。 从图4、图5中可以发现，同一时期添加等量磷肥的处理之间，随着玉米秸秆量的加大，有效磷的淋溶损失呈递减趋势，全磷的淋溶损失在膨果中期、膨果尾期和拉秧期也呈递减趋势，S0P3>S1P3>S2P3>S3P3，玉米秸秆还田量高的处理低于玉米秸秆还田量低的处理、低于无秸秆还田的处理，说明玉米秸秆还田能有效拦截全磷和有效磷向下迁移[15]；而添加等量玉米秸秆的处理之间，随着磷肥用量的增加，全磷的淋溶略有增加，有效磷的淋溶变化不显著。分析可能是在番茄的膨果期，养分消耗较大，有效磷已经更多的被根系利用。通过进行全磷淋溶量和有效磷淋溶量之间的SPSS关联性分析(Pearson法)，全磷和有效磷的相关性r=0.955，P=0.000<0.05,说明淋溶液中全磷和有效磷的流失比例存在高度相关，在土壤磷素向下淋溶过程中，全磷和有效磷的淋溶影响是一致的。

图4 淋溶液全磷浓度变化Fig.4 Change of total phosphorus concentration in leaching solution

图5 淋溶液有效磷浓度变化Fig.5 Change of available phosphorus concentration in leaching solution

2.3.2 不同处理磷累积淋溶量变化 各处理的全磷和有效磷淋溶损失量见图6、图7。不同处理间淋溶损失量差异显著(P<0.05)。施加等量磷肥的条件下，玉米秸秆还田可以将全磷的淋溶损失由玉米秸秆未还田的83.12 mg/m2降至42.30 mg/m2，而施加等量玉米秸秆的条件下，施加磷肥与否差异不显著，但添加玉米秸秆的处理，淋溶损失量均显著低于未添加玉米秸秆处理(S0P0、S0P3)。这表明玉米秸秆还田可显著降低全磷和有效磷的淋溶损失。

图6 全磷淋溶量变化Fig.6 Change of total phosphorus leaching

图7 有效磷淋溶量变化Fig.7 Change of available phosphorus leaching

2.4 不同处理对番茄产量的影响

由图8、图9可以看出,玉米秸秆还田量和磷肥添加量与番茄单果重和产量均呈正相关关系，玉米秸秆还田与番茄产量达到显著差异水平，处理组S2P3的产量最高，显著高于其他处理组；处理组S2P3和S3P3的平均单果重均显著高于其他处理组。

磷肥施用量对番茄单果重、产量影响显著，其中S2P3的单果重和产量在整个处理中最高，分别达到0.22 kg/果、11 651.33 kg/667 m2，单果重比S0P0、S0P3、S2P0分别提高51.02%、29.82%和24.72%，产量较S0P0、S0P3、S2P0显著提高44.45%、37.27%和32.08%。当磷肥施用量达到200 kg/hm2时，单果重和亩产量均未上升却略有下降，说明磷肥过量反而会导致番茄减产。这可能和磷肥供应过剩导致番茄徒长，影响坐果有关。

通过对土壤全磷、有效磷含量与产量之间的SPSS 21关联性分析发现，产量与土壤中全磷、有效磷含量的相关性达到了r=0.688，P=0.000<0.05,说明番茄产量与土壤中全磷、有效磷的含量存在强相关。土壤中全磷和有效磷的含量越大，番茄的产量越高。

图8 不同处理平均单果重变化Fig.8 Change of average single fruit weight in different treatments

图9 不同处理平均产量变化Fig.9 Change of average yield in different treatments

3 讨 论

玉米秸秆中含有大量的有机质及氮、磷、钾等元素，以往的研究表明，玉米秸秆还田可以明显增加土壤养分[16]，并对作物吸收营养元素起着积极作用，同时具有保水保肥功能[17]。本研究结果显示，玉米秸秆还田和磷肥施用均能改变磷元素在土壤耕作层中的分配，提高土壤中全磷和有效磷的含量，增加土壤中有效磷的比例，显著降低磷素的淋溶，有效减轻农业面源污染。

磷肥能直接增加土壤中磷素的含量，玉米秸秆还田能提高土壤中磷的活化系数，提高磷素利用率。玉米秸秆还田与磷肥同时施用既能提高土壤中磷素的含量，又提高了土壤微生物量磷的含量。提高了磷素的利用率，可以有效改善磷素缺乏土壤上的作物对磷素的利用。

淋溶是农田土壤磷流失的主要途径之一。土壤对磷素的吸附性强，一般磷素较氮素不易发生淋失,只有当土壤有效磷含量超过某一临界值后，磷才会随水向深层土壤迁移，磷素在土壤中的淋溶过程是由吸附-解吸-迁移交替缓慢发生的过程,不同土壤发生层的结构不同，引起土壤磷淋溶情况也有差异。除受磷肥施用量的影响外,还与土壤理化性质密切相关，磷素垂直向下淋溶主要是通过土壤中的大孔隙进行。本研究中，在花期淋溶液浓度最高，随着时间的推移，呈下降趋势，这可能和种植初期土壤空隙大而多有直接关系。

玉米秸秆还田降低了土壤对磷素的固定作用[18]，促进了土壤中全磷的利用率，这主要是由于秸秆还田后，土壤中有机碳源增加，从而降低了土壤对磷素的吸附力，同时玉米秸秆还田为土壤中的微生物提供了丰富的可溶性营养物质，促进土壤微生物大量繁殖，微生物又将土壤中的难溶性磷转化成有效磷，进一步提高了土壤磷活化系数，最终提高了土壤中的有效磷含量和磷素水平，玉米秸秆还田对磷素的循环具有积极的作用。