連續(xù)施用有機(jī)肥下設(shè)施土壤碳氮磷化學(xué)計量學(xué)特征及其與土壤有效磷的關(guān)系

王秋君 郭德杰 馬艷

摘要： 為闡明設(shè)施土壤中連續(xù)施用有機(jī)肥條件下土壤碳氮磷化學(xué)計量學(xué)特征的動態(tài)變化，并探討碳氮磷化學(xué)計量比對土壤磷素有效性的影響，通過定位試驗研究連續(xù)5季大棚辣椒栽培中不同處理（CK，空白對照;CF，單施化肥;OCF1，有機(jī)肥替代49%磷肥;OCF2，有機(jī)肥替代63%磷肥;OCF3，有機(jī)肥替代73%磷肥）對土壤碳氮磷化學(xué)計量比及不同形態(tài)磷的影響。結(jié)果表明，與單施化肥相比，3個施用有機(jī)肥處理均顯著增加了土壤全碳、全氮和全磷含量。OCF1處理的土壤碳氮比在5季辣椒栽培中都顯著高于CF處理，OCF3處理的土壤碳磷比僅在第5季中顯著高于CF處理。不同處理間的土壤氮磷比差異不顯著。此外，與CF處理相比，OCF3處理在第1季和第2季顯著增加了土壤有效磷含量，在第5季中OCF2處理顯著降低了土壤有效磷含量。相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤全磷含量、無機(jī)磷含量及其占比、總碳含量、全氮含量與有效磷含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），而有機(jī)磷占比、碳磷比和氮磷比與有效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。結(jié)果說明在設(shè)施蔬菜栽培中長期施用有機(jī)肥替代磷肥可能會降低土壤有效磷含量，其原因可能是提高了土壤的碳磷比，造成土壤中有效磷的生物固持。

關(guān)鍵詞： 設(shè)施土壤;有機(jī)肥;化學(xué)計量學(xué);有效磷

中圖分類號： S625.5+4?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A?? 文章編號： 1000-4440（2021）04-0893-09

Stoichiometric characteristics of soil carbon， nitrogen and phosphorus and their relationship with soil available phosphorus under continuous application of organic fertilizer for vegetable cultivation in greenhouse

WANG Qiu-jun1，2， GUO De-jie1， MA Yan1，2

（1.Institute of Agricultural Resource and Environment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China; 2.School of the Environment and Safety Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China）

Abstract： In order to clarify the dynamic changes of the stoichiometric characteristics of soil carbon， nitrogen and phosphorus under the condition of continuous application of organic fertilizer for vegetable cultivation soil in greenhouse， and to discuss the effect of stoichiometric ratio of carbon， nitrogen and phosphorus on the availability of soil phosphorus， a positioning experiment was conducted to study the effect of different treatments （CK， blank control; CF， single application of chemical fertilizer; OCF1， organic fertilizer instead of 49% phosphate fertilizer; OCF2， organic fertilizer instead of 63% phosphate fertilizer; OCF3， organic fertilizer instead of 73% phosphate fertilizer） on the stoichiometric ratio of soil carbon， nitrogen and phosphorus and different forms of phosphorus during pepper cultivation in the greenhouse for five consecutive seasons. The results showed that， compared with single application of chemical fertilizer， three organic fertilizer treatments all increased the contents of total carbon， total nitrogen and total phosphorus in the soil significantly. The soil carbon-nitrogen ratio of OCF1 treatment was significantly higher than that of CF treatment in all the five cultivation seasons of pepper， and the soil carbon-phosphorus ratio of OCF3 treatment was significantly higher than that of CF treatment only in the fifth season. There was no significant difference in soil nitrogen-phosphorus ratio among different treatments. In addition， compared with CF treatment， soil available phosphorus content increased significantly in the first and second seasons under OCF3 treatment， and decreased significantly in the fifth season under OCF2 treatment. Results of correlation analysis showed that， the total phosphorus content， inorganic phosphorus content and proportion， total carbon content， total nitrogen content in the soil were in extreme significant positive correlation （P<0.01） with soil available phosphorus content， while the proportion of organic phosphorus， carbon-phosphorus ratio and nitrogen-phosphorus ratio were in extreme significant negative correlation （P<0.01） with the soil available phosphorus content. The results indicate that， long-term application of organic fertilizer instead of phosphate fertilizer during vegetable cultivation in the greenhouse may reduce the soil available phosphorus content. The reason may be that the soil carbon-phosphorus ratio is improved， resulting in the biological fixation of soil available phosphorus.

Key words： facility soil;organic fertilizer;stoichiometry;available phosphorus

磷是作物生長所必需的大量元素之一，主要來源于土壤本身所含的磷及外源施入的磷肥。由于磷在土壤中易被固定，使得磷肥的當(dāng)季利用率較低（10%～20%）[1]。為滿足作物對磷素的需求，大量的磷肥被施入土壤，導(dǎo)致土壤中磷素發(fā)生過度累積，從而可能會通過徑流和淋洗途徑引起環(huán)境污染。相比于糧食作物，蔬菜生長過程中對養(yǎng)分的需求量較高，農(nóng)戶在種植設(shè)施蔬菜過程中施肥量更高，使得設(shè)施土壤中的富營養(yǎng)化現(xiàn)象更為嚴(yán)重。此外，由于設(shè)施土壤復(fù)種指數(shù)高，長期處于高溫高濕條件，且缺少降水淋洗，使其更易發(fā)生養(yǎng)分富集、土壤酸化和鹽漬化等[2]。有研究者發(fā)現(xiàn)，中國設(shè)施蔬菜P2O5的平均施用量超出推薦施用量的5.3倍[3]。中國日光溫室和塑料大棚土壤有效磷平均含量分別為201.1 mg/kg和140.3 mg/kg，且土壤有效磷含量大多大于100.0 mg/kg[4]。河北省部分設(shè)施蔬菜的磷肥施用量甚至為蔬菜需磷量的28.7倍，土壤有效磷含量高達(dá)205.4mg/kg[5]。陜西省設(shè)施蔬菜栽培中P2O5的平均施用量高達(dá)544.5～684.0 kg/hm2[3]。山西省南部地區(qū)的設(shè)施蔬菜栽培中P2O5的施用量為500～1 800 kg/hm2[6]。

據(jù)報道，在現(xiàn)有開采技術(shù)條件下，中國磷礦石儲量預(yù)計至21世紀(jì)中期枯竭[7]，因此，通過增施有機(jī)肥以替代部分磷肥勢必成為提供作物所需磷素的主要措施。有研究者發(fā)現(xiàn)，大量施用有機(jī)肥可通過降低土壤對磷的吸附從而提高土壤有效磷含量。韓曉飛等[8]發(fā)現(xiàn)在紫色土中通過施用豬糞有機(jī)肥替代20%的化肥磷可提高土壤有效磷含量和磷肥利用率。然而，近年來隨著有機(jī)肥替代化肥的大力提倡，有機(jī)肥的投入量明顯提高，尤其在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中有機(jī)肥投入量占總肥料投入的60%～80%[9]。有研究者發(fā)現(xiàn)，長期不合理地施用有機(jī)肥也會造成土壤中磷素的過度積累，且提高土壤磷的遷移性及磷素的淋溶強(qiáng)度。王敏鋒等[10]通過多年田間定位試驗研究了糞肥不同施用量對設(shè)施土壤磷素影響，發(fā)現(xiàn)土壤有效磷含量隨著糞肥施用量的增加而增加，且連續(xù)施用4年糞肥后磷素在土壤剖面的遷移可達(dá)90 cm土層。石寧等[11]也發(fā)現(xiàn)在設(shè)施蔬菜栽培中長期施用有機(jī)無機(jī)肥料會促進(jìn)土壤磷素的積累及遷移，在連續(xù)種植設(shè)施蔬菜5～10年的土壤中有效磷的積累主要發(fā)生在0～40 cm土層，在10～15年的土壤中則在40～100 cm土層發(fā)生有效磷積累。目前，關(guān)于有機(jī)肥替代磷肥對土壤磷素影響的研究對象大多為糧食作物，而在設(shè)施土壤中尤其是富磷的設(shè)施菜地中的相關(guān)研究較少。

土壤碳氮磷化學(xué)計量元素比是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，可表征多種因素影響下土壤碳氮磷元素平衡及循環(huán)特征[12-14]。土壤碳氮比（C∶N）的大小不僅可作為土壤有機(jī)質(zhì)降解的預(yù)測指標(biāo)[15]，還可用以衡量土壤中硝酸鹽淋溶風(fēng)險的閾值[16]。土壤碳磷比（C∶P）可被用以衡量土壤微生物對磷的固持作用及磷的有效性[17-18]。此外，土壤氮磷比（N∶P）也往往被用以預(yù)測土壤氮磷元素對作物的限制狀況[19]。土壤碳氮磷化學(xué)計量元素比的影響因素主要包括氣候狀況、植被類型、土壤類型及人類活動等[20-21]。宋亞輝等[22]也發(fā)現(xiàn)不同施肥方式也會影響土壤C∶N∶P。然而，目前關(guān)于不同施肥方式對土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計量比尤其是設(shè)施土壤中的相關(guān)研究較少。

本研究以設(shè)施蔬菜富磷土壤為研究對象，通過5季的定位試驗研究有機(jī)無機(jī)配施不同比例下土壤碳氮磷計量比的動態(tài)變化過程及其對有效磷含量的影響，為設(shè)施蔬菜富磷土壤的磷素管理提供新的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗地點為江蘇省淮安市一辣椒種植大棚。試驗時間為2016年8月至2019年1月，連續(xù)種植5茬辣椒。該地區(qū)氣候為北溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年降水量906.6 mm，年平均氣溫14.1～14.8 ℃。試驗區(qū)土壤類型為黃棕壤。土壤有機(jī)質(zhì)含量18.8 g/kg，全氮含量1.4 g/kg，全磷含量0.8 g/kg， pH5.8，礦質(zhì)態(tài)氮含量97.3 mg/kg，有效磷含量132.0 mg/kg，速效鉀含量196.0 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)5個處理。處理1：空白對照（CK），不施任何肥料;處理2：化肥（CF），單施化肥，不施有機(jī)肥;處理3：有機(jī)肥+化肥（OCF1），施用3.8 t/hm2有機(jī)肥并減施49%磷肥;處理4：有機(jī)肥+化肥（OCF2），施用4.9 t/hm2有機(jī)肥并減施63%磷肥;處理5：有機(jī)肥+化肥（OCF3），施用5.6 t/hm2有機(jī)肥并減施73%磷肥。所有施肥處理的化肥施用種類一致。各處理養(yǎng)分施用量見表1。各處理除施肥外，其他田間管理一致。每個處理設(shè)4個重復(fù)小區(qū)，各小區(qū)隨機(jī)排列。每個小區(qū)長6.2 m，寬3.3 m，面積20.5 m2。

1.3 供試材料

供試作物為辣椒，品種為先紅一號，株距為35 cm，行距為55 cm。連續(xù)種植5季，每年種植2季，春季種植時間為3月-7月，秋季種植時間為8月-第2年1月。

供試有機(jī)肥為豬糞有機(jī)肥，其性狀為：有機(jī)質(zhì)含量42.6%，N含量2.9%，P2O5含量1.8%，K2O含量0.9%，pH7.9，電導(dǎo)率3.5 mS/cm，含水量16.5%。

1.4 測定指標(biāo)及方法

1.4.1 土壤樣品采集 土壤樣品采集時間為每季辣椒收獲后，采用梅花形5點采樣法采集每小區(qū)混合土樣。采樣深度為20 cm。土壤樣品采集后風(fēng)干。風(fēng)干后剔除石塊、植物殘渣等后研磨，使其全部過20目篩。過篩后的土壤采用四分法取一部分土壤進(jìn)一步研磨過100目篩。將過篩的樣品寫好標(biāo)簽并密封保存，以供后續(xù)測定。

1.4.2 土壤化學(xué)性狀測定 采用NaHCO3浸提-鉬藍(lán)比色法測定有效磷含量，采用元素分析儀測定全碳和全氮含量，用高氯酸-硫酸消煮后利用全自動化學(xué)分析儀法測定土壤全磷含量，采用灼燒后0.2 mol/L H2SO4浸提法測定土壤有機(jī)磷含量，全磷與有機(jī)磷含量的差值即為土壤無機(jī)磷含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析比較不同處理間差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤碳氮磷化學(xué)計量學(xué)特征的影響

從圖1可以看出，在每季試驗中，與化肥處理相比，3個施用有機(jī)肥處理均顯著增加了土壤全碳含量。與化肥處理相比，在第3季中，OCF2處理顯著增加了土壤全氮含量，而在其他季中，3個施用有機(jī)肥處理均顯著增加了土壤全氮含量。此外，在第4季中，OCF3處理的土壤全氮含量顯著高于其他2個施用有機(jī)肥處理。從圖1還可看出，在每季辣椒種植中，所有施用有機(jī)肥處理的土壤全磷含量均顯著高于化肥處理。在不同種植季中，各施肥處理對土壤碳氮比的影響也不同。與化肥處理相比，在第1季和第3季中OCF1處理的碳氮比顯著增加，在第2季和第4季中3個施用有機(jī)肥處理的碳氮比均顯著增加，在第5季中OCF1和OCF3處理的碳氮比顯著增加。各施肥處理間土壤碳磷比的差異較小。與化肥處理相比，在第5季中，OCF3處理的碳磷比顯著增加。在所有種植季中，與化肥處理相比，施用有機(jī)肥處理未顯著影響土壤氮磷比。

對連續(xù)5季辣椒栽培中土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計量比的動態(tài)變化進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，隨著辣椒種植季次的增加，OCF3處理的土壤總碳、全磷含量和碳氮比增加趨勢顯著（P<0.05）。

2.2 不同施肥處理對土壤不同形態(tài)磷含量的影響

不同處理的土壤有效磷、有機(jī)磷、無機(jī)磷含量及其占全磷含量比例的動態(tài)變化如圖3所示。與化肥處理相比，在第1季中OCF1和OCF3處理顯著增加了土壤有效磷含量，在第2季中OCF2和OCF3處理顯著增加了土壤有效磷含量，而在第5季中OCF2處理顯著降低了土壤有效磷含量。與化肥處理相比，在第3季中，OCF1處理顯著降低了土壤有效磷占比，在第4季和第5季中，3個施用有機(jī)肥處理均顯著降低了有效磷占比。

在不同種植季中，各施肥處理對土壤有機(jī)磷含量的影響不同。在第1季中OCF2處理的土壤有機(jī)磷含量顯著高于CF處理，而在第2季中OCF2處理的土壤有機(jī)磷含量顯著低于CF處理，在第3季中OCF1和OCF3處理的土壤有機(jī)磷含量顯著低于CF處理，在第4季中OCF2和OCF3處理的土壤有機(jī)磷含量顯著低于CF處理。各施肥處理對土壤有機(jī)磷占全磷比例也有顯著影響，尤其在第2季和第4季中，與化肥處理相比，OCF2和OCF3處理的土壤有機(jī)磷占比顯著降低。

各施肥處理對土壤無機(jī)磷含量也有顯著影響。與化肥處理相比，在第1季中OCF1處理顯著增加了無機(jī)磷含量，在第2季中OCF2處理顯著增加了無機(jī)磷含量，在第3季中OCF1和OCF3處理顯著增加了無機(jī)磷含量，在第4季和第5季中3個施用有機(jī)肥處理均顯著增加了無機(jī)磷含量。各處理間無機(jī)磷占比差異不同于無機(jī)磷含量差異。在第3季中OCF3處理的無機(jī)磷占比顯著高于化肥處理，在第4季中OCF2和OCF3處理的無機(jī)磷占比顯著高于CF處理。

對連續(xù)5季辣椒栽培中土壤有效磷、有機(jī)磷和無機(jī)磷含量及其占比的動態(tài)變化進(jìn)行線性擬合。從圖4可知，隨著辣椒種植季次的增加，CF處理的土壤有效磷含量及其占比增加趨勢顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）。此外，CK處理的土壤有機(jī)磷占比增加趨勢和無機(jī)磷占比降低趨勢均達(dá)顯著水平（P<0.05）。

2.3 土壤有效磷含量與其他指標(biāo)的相關(guān)性

對所有處理中土壤有效磷與其他指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析。從圖5可以看出，土壤全磷含量、無機(jī)磷含量及其占比、總碳含量、全氮含量與有效磷含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），而有機(jī)磷占比、碳磷比和氮磷比與有效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

3 討論

本研究結(jié)果表明，與單施化肥相比，在大棚辣椒栽培中施用有機(jī)肥磷替代部分化肥磷可增加土壤有效磷含量，且不同替代比例對有效磷含量的影響效果也不同。在大棚辣椒第1季和第2季栽培中，施用有機(jī)肥磷替代70%化肥磷處理（OCF3）顯著增加了土壤有效磷含量，這與很多研究者的研究結(jié)果相似。很多研究者發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥可提高土壤有效磷含量，其機(jī)理主要包括5個方面[23-26]：有機(jī)肥本身所含水溶性磷和有效態(tài)磷施入土壤可增加土壤有效磷含量;有機(jī)肥經(jīng)土壤微生物礦化分解后可產(chǎn)生有機(jī)陰離子，可與土壤中磷酸根競爭固相表面的專型吸附位點，從而減少土壤中磷的吸附并提高其有效性;有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)降解所產(chǎn)生的有機(jī)酸可溶解土壤中難溶態(tài)磷;有機(jī)肥中的腐殖質(zhì)通過在鐵、鋁氧化物等膠體表面形成保護(hù)膜而減少土壤對磷酸根的吸附;有機(jī)肥中有機(jī)物在土壤中降解產(chǎn)生的CO2溶于水形成的碳酸可增加土壤中鈣、鎂磷酸鹽的溶解度;在酸性土壤中施用有機(jī)肥可通過提高土壤pH促使鐵、鋁形成氫氧化物沉淀，從而減少其對磷的吸附固定。本研究發(fā)現(xiàn)3個施用有機(jī)肥的處理均顯著增加了土壤全碳含量，且土壤全碳含量與有效磷含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這證實了施用有機(jī)肥可通過提高土壤有機(jī)質(zhì)含量而間接提高土壤磷的有效性。

有研究者認(rèn)為，施用有機(jī)肥還可增加土壤有機(jī)磷含量，且通過土壤微生物對有機(jī)磷的礦化作用而提高有效磷的含量[27-28]。然而，本研究卻發(fā)現(xiàn)，與單施化肥相比，施用有機(jī)肥并未顯著增加土壤有機(jī)磷含量及其所占全磷比例（除了OCF2處理在第1季中顯著增加了土壤有機(jī)磷含量），且相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤有效磷與有機(jī)磷所占全磷比例呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與有機(jī)磷含量未呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性。這可能是因為施用有機(jī)肥在增加土壤有機(jī)磷含量的同時也提高土壤微生物活性及其對有機(jī)磷的礦化，從而未表現(xiàn)出有機(jī)肥對土壤有機(jī)磷的顯著增加效果。

然而，本研究中隨著大棚辣椒栽培次數(shù)的增加，單施化肥處理的土壤有效磷含量增加趨勢達(dá)顯著水平（P<0.05），而3個有機(jī)肥磷替代化肥磷處理的土壤有效磷含量表現(xiàn)出降低趨勢，且在第5季辣椒栽培中，有機(jī)肥磷替代60%和70%化肥磷處理均降低了土壤有效磷含量，這說明設(shè)施土壤中的有效磷含量可能隨著有機(jī)肥施用年限的增加而降低。這與其他學(xué)者的研究結(jié)果不同。許多研究者認(rèn)為，長期施用有機(jī)肥可提高土壤磷的有效性。王敏鋒等[10]通過多年田間定位試驗發(fā)現(xiàn)，長期施用糞肥可顯著增加土壤有效磷含量。本研究中的相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤有效磷含量與土壤C∶P、N∶P均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，且連續(xù)施用5季有機(jī)肥后OCF1和OCF2 2個處理的土壤C∶P和N∶P均高于CF處理，這說明在本試驗中連續(xù)施用有機(jī)肥可能通過提高土壤C∶P和N∶P從而逐漸降低土壤磷的有效性。有研究者發(fā)現(xiàn)土壤中有效磷含量隨著土壤C∶P的增加而降低[29-30]。姜一等[31]發(fā)現(xiàn)當(dāng)施入土壤中的有機(jī)物料C∶P>300時，則土壤微生物對磷進(jìn)行生物固定，從而降低磷的有效性。

4 結(jié)論

在大棚辣椒連續(xù)5季種植中，與單施化肥相比，施用有機(jī)肥替代49%～73%磷肥均可顯著提高土壤全碳、全氮和全磷含量。然而，施用有機(jī)肥處理僅在第1季和第2季顯著增加了土壤有效磷含量，甚至在第5季中施用有機(jī)肥替代63%磷肥顯著降低了土壤有效磷含量。在連續(xù)種植5季后，施用有機(jī)肥替代73%磷肥的處理顯著提高了土壤C∶P，且土壤C∶P與有效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。這說明在設(shè)施蔬菜栽培中長期施用有機(jī)肥替代磷肥可能會通過提高土壤C∶P而降低土壤有效磷含量。

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（責(zé)任編輯：張震林）

收稿日期：2020-12-29

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目 （2017YFD0800405）; 江蘇省重點研發(fā)計劃項目（BE2017379）

作者簡介：王秋君（1983-），男，山西萬榮人，博士，副研究員，主要從事土壤養(yǎng)分管理研究。（E-mail）wangqiujun461@163.com

通訊作者：馬 艷，（E-mail）myjaas@sina.com