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近 30 年来，我国土地利用方式发生了巨大转变。受经济利益的驱使及对果蔬等农产品需求的日益增大，大量农田栽培转变为高投入、高产出的日光温室蔬菜栽培[1-2]。相对于农田，设施蔬菜因经济效益好、集约化程度高、管理措施频繁等特点，导致磷肥施用过量问题普遍[3-4]。在我国，设施菜地单季磷肥（P2O5）平均施用量高达 1308 kg/hm2，为蔬菜需磷量的 13 倍之多[5]。设施菜地磷肥“供远大于求”的高量投入导致磷肥利用率低下，如在山东寿光，磷肥利用率仅为 8%[6]，大量磷肥盈余在土壤中或损失至环境中，带来环境风险[7-10]。
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磷素通常被认为在土壤中不易移动，但近些年有研究发现，当土壤磷素累积超过饱和吸附点后易产生淋溶损失[10-12]，且过量磷肥施用及不合理灌溉也极大地促进了磷素的淋失[13-14]。因此，土壤中磷素的过量累积是影响水体环境的潜在威胁因素。蔬菜作物根系分布较浅，且日光温室灌溉量大，存在较大的淋溶损失风险[15]。严正娟[16] 研究表明，我国设施菜地磷素淋溶损失明显，20～100 cm 土层土体水溶性磷含量明显增加，且种植年限显著影响磷素的淋溶损失。因此，了解土壤中磷素的累积及其在土壤剖面中的分布状况，对于制定合理的磷肥管理措施及环境保护具有重要作用。尽管当前日光温室土壤磷素的有效性、累积状况及其环境风险已有相关研究，但主要集中于 1 m 以上的土层[13，16-18]，对深层土壤磷素的累积及分布状况研究还少见报道。而探究深层土壤剖面磷素累积对评价磷素有效性及环境风险具有重要意义。
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山西省地处黄土高原东部，光照充足，为黄土高原夏秋蔬菜主产区之一。近年来，随着人民生活水平的提高以及农业现代进程的推进和种植结构的调整，设施蔬菜栽培发展相当迅速。但在实际生产中，农民为获得更高的利益，盲目施肥问题严重[19]。本研究通过对山西省大同市农田及日光温室进行深层土壤剖面采样分析，评价两种不同土地利用方式下深层土壤剖面磷素的累积及分布状况，阐明由农田向日光温室转变后对土壤磷素累积及淋溶损失的影响，为设施菜地磷肥合理施用及环境保护提供理论依据。
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1 材料与方法
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1.1 研究区概况
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研究区位于山西省大同市阳高县（113°28′ 36″—114°6′15″E；39°49′50″—40°31′10″N），地处山西省东北部，北隔长城与内蒙古自治区相邻，总面积为 1598.3 km2，该县粮食播种面积为 50443 hm2，以玉米种植为主，占粮食总播种面积的 55%。自 1994 年开始日光温室蔬菜栽培，2008 年开始大面积发展，大量农田转变为日光温室。当前，该县蔬菜种植总面积约为 3910 hm2，以日光温室蔬菜栽培为主，产量达 23.3 万 t，成为晋北地区主要蔬菜生产基地。研究区气候为中温带大陆性半干旱季风气候，年平均气温 7.8℃，近 5 年平均无霜期约 167 d，年降水量 400 mm，年平均日照时数 2543 h，土壤类型为栗褐土。
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1.2 施肥调查与土样采集
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为探究农田及日光温室磷肥投入和盈余状况及土壤剖面磷素累积及分布情况，本研究于 2021 年 11 月在山西省大同市阳高县龙泉镇选取具有代表性的 3 个农田和 5 个日光温室，采用问卷调查形式，调查农田及日光温室种植制度、养分投入状况、灌溉情况、农作物产量等。研究区农田种植作物为玉米，养分投入以化肥为主，无有机肥投入，化肥分基肥和追肥两次施用，氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）肥年平均用量分别为 241、96 和 154 kg/hm2，无灌溉水投入。日光温室建于 2008 年，均由玉米农田建设而来，以番茄-豆角或西葫芦-豆角轮作为主。日光温室施肥为有机-无机配施，其中有机肥一般作基肥施用，以羊粪为主，平均施用量为 68.6 t/hm2；化肥以复合肥施用为主，主要随水追施，年氮（N）、磷（P2O5） 和钾（K2O） 肥平均用量分别为 781、575 和 1192 kg/hm2，灌溉方式以大水漫灌为主。同时，分别于所选农田及日光温室进行 0～400 cm 土层土壤剖面样品采集，每 20 cm 为一层，分层采样。同一农田或果园采集 3 点，相同土层均匀混合组成混合样。采集土壤带回实验室后，置于阴凉处自然风干，磨细后封存。
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1.3 土壤样品测定与分析
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土壤容重及养分测定采用常规方法进行：土壤容重采用环刀法测定；土壤 Olsen-P 含量采用 0.5 mol/L NaHCO3 溶液浸提（水土比 20∶1），钼锑抗比色法测定[20]；CaCl2-P 含量采用 0.01 mol/L CaCl2 溶液浸提（水土比 10∶1），钼锑抗比色法测定[21]。
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1.4 计算方法
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磷表观平衡计算：
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磷表观平衡 = 输入项（化肥磷＋有机肥磷）-输出项（作物携出量）
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其中，输入项：化肥根据实际调查用量和种类及不同种类化肥所标识的养分含量进行计算；有机肥根据调查的实际用量和《中国有机肥养分志》[22] 提供的标准值计算。
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输出项：玉米农田氮肥携出项包括籽粒收获和秸秆携出，携出量按照籽粒产量和秸秆总量以及各自的养分含量计算所得，其中籽粒和秸秆养分含量参考 Lu 等[23]研究结果；日光温室番茄、西葫芦和豆角养分携出量均按照当季产量及每生产 100 kg 果实所吸收养分含量计算所得[24-25]。
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土壤 Olsen-P 和 CaCl2-P 累积量根据以下公式计算：
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Olsen-P/CaCl2-P 累积量（kg/hm2）=BDi ×di ×Ci /10
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其中，BDi 为农田及日光温室各土层 i 的土壤容重（g/cm3），di 为各土层i 的采样深度（cm）， Ci为农田及日光温室各土层 i 的土壤 Olsen-P/ CaCl2-P 含量（mg/kg）。分别对选取的农田及日光温室测定 0～20、20～40 及 40～60 cm 土层土壤容重，每个农田或日光温室测定 3 点，相同土层取平均值。考虑到 60 cm 以下土层受根系及人为活动影响较小，因此，60 cm 以下各土层土壤容重均按照 40～60 cm 土层容重来计算。
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1.5 数据处理
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采用 Excel 2016 和 SAS 9.0 进行数据处理和统计分析；采用 Sigmaplot 对数据进行绘图。
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2 结果与分析
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2.1 农田和日光温室磷肥投入和盈余
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研究区日光温室磷肥（P2O5）年均投入量为 897 kg/hm2，显著高于农田（P<0.05），为农田磷肥投入量的 9.3 倍。日光温室化肥磷投入量平均为 575 kg/hm2，有机肥磷投入量平均为 322 kg/hm2，化肥磷投入量远高于有机肥磷投入量（图1a）。过量磷肥投入导致日光温室大量磷盈余，日光温室磷盈余量平均为 679 kg/hm2，超过磷肥年投入量的 75.0%，显著高于农田磷盈余量（P<0.05），为农田的 10.9 倍（图1b）。
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由农田及日光温室磷肥投入与磷盈余量相关性分析（图2）可以发现，土壤磷盈余量与磷肥投入呈显著的正相关关系（P<0.01），表明土壤磷盈余与磷肥投入密切相关。
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图1 农田及日光温室磷肥表观平衡
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图2 农田及日光温室磷盈余与 0～100 cm 土壤剖面 Olsen-P 累积量的相关性
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注：** 表示在 0.01 水平上显著相关。下同。
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2.2 农田和日光温室土壤 Olsen-P 累积及分布
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农田和日光温室土壤剖面 Olsen-P 含量存在显著差异。农田 0～400 cm 土层土壤剖面 Olsen-P 含量为 5.6～15.9 mg/kg，各土层间差异不显著；日光温室土壤剖面 Olsen-P 含量为 12.0～400.5 mg/kg，土壤表层 0～20 cm 含量最高，为 400.5 mg/kg，随土层深度加深，Olsen-P 含量逐渐降低；从土壤 Olsen-P 含量在剖面的分布可以看出，日光温室 0～100 cm 土层土壤剖面各土层 Olsen-P 含量及累积量均显著高于农田土壤（图3）。
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日光温室 0～40、40～100、100～200、200～300、300～400 和 0～400 cm 土壤剖面 Olsen-P 累积量分别为 1637、443、277、378、258 和 2993 kg/hm2，分别为农田对应土层 Olsen-P 累积量 （41、54、122、174、163 和 554 kg/hm2）的 40.0、8.2、 2.3、2.2、1.58 和 5.4 倍，其中，0～40、40～100、 100～200、200～300 cm 各土层 Olsen-P 累积量均显著高于农田（P<0.05）；40 cm 以下土层 Olsen-P 累积量为 1356 kg/hm2，占整个 0～400 cm 土层土壤剖面累积量的 45.3%（图4）。
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2.3 农田及日光温室磷盈余与土壤 Olsen-P 累积量相关性分析
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由农田及日光温室磷盈余与土壤 Olsen-P 累积量相关性分析（图5）可以发现，土壤 0～100 cm 剖面 Olsen-P 累积量随土壤磷盈余量的增加而增加，二者表现为显著的正相关关系（P<0.01）。
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2.4 农田和日光温室土壤 CaCl2-P 累积及分布
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农田和日光温室 0～400 cm 土层土壤剖面 CaCl2-P 含量存在显著差异。农田 0～400 cm 土层土壤剖面 CaCl2-P 含量为 0.45～1.34 mg/kg，日光温室土壤剖面 CaCl2-P 含量为 0.63～20.01 mg/kg，土壤表层 0～20 cm 含量最高，为 20.01 mg/kg，随土层深度加深，CaCl2-P 含量逐渐降低； 从 CaCl2-P 含量在土壤剖面的分布可以看出，日光温室 0～100 cm 土层土壤剖面各土层 CaCl2-P 含量及累积量均显著高于农田土壤（P<0.05）（图6）。
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日光温室 0～40、40～100、100～200、200～300、300～400 和 0～400 cm 土壤剖面 CaCl2-P累积量分别为 95.3、40.9、17.4、11.8、12.5 和 177.9 kg/hm2，其中，0～40、40～100 cm 土层显著高于农田对应土层（4.0、5.6 kg/hm2），分别为其累积量的 23.8、7.3 倍（P<0.05）。日光温室 40 cm 以下土层 CaCl2-P 累积量为 82.6 kg/hm2，占整个 0～400 cm 土层土壤剖面累积量的 46.4% （图7）。
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2.5 农田及日光温室土壤剖面 CaCl2-P 与 Olsen-P 相关性分析
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由农田及日光温室 0～40 cm 土层土壤剖面 CaCl2-P 与 Olsen-P 含量的相关性（图8）可以看出，土壤 CaCl2-P 含量均随 Olsen-P 含量的增加而增加，二者表现为显著的正相关关系（P<0.01）。
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图3 农田及日光温室 0～400 cm 土层土壤剖面 Olsen-P 含量及累积分布
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图4 农田及日光温室 0～400 cm 土壤剖面 Olsen-P 累积分布
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注：小写字母不同表示同一土层深度农田与日光温室间差异显著 （P<0.05）。下同。
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图5 农田及日光温室磷盈余与 0～100 cm 土层土壤剖面 Olsen-P 累积量的相关性
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图6 农田及日光温室 0～400 cm 土层土壤剖面 CaCl2-P 含量及累积分布
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图7 农田及日光温室 0～400 cm 土层土壤剖面 CaCl2-P 累积分布
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图8 农田及日光温室 0～40 cm 土层土壤剖面 CaCl2-P 与 Olsen-P 含量的相关性
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3 讨论
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3.1 不同土地利用方式下磷素盈余和累积
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研究区农田与日光温室土壤磷素盈余和累积存在显著差异。与农田相比，日光温室年磷素盈余量达 679 kg/hm2，为农田的 10.9 倍，土壤 Olsen-P 累积量显著高于农田，尤其在 0～40 cm 土层，累积量高达 1637 kg/hm2，为农田对应土层的 40 倍。该研究结果印证了本研究提出的假设，认为该区域土地利用方式转变对土壤磷素盈余及累积产生了显著影响。这主要与日光温室过量施肥有关。相对于农田而言，日光温室蔬菜栽培能够获取更高的经济利益，因此，受高收入的驱使，菜农往往投入大量肥料以保证果实产量，致使日光温室蔬菜栽培中过量施用磷肥成为非常普遍且突出的问题[3，26]。过量磷肥投入远超作物生长发育对磷素的需求[27]，导致大量磷素盈余和累积。如在山东寿光，设施菜地磷肥（P2O5）平均投入量为 2174 kg/hm2，盈余量高达 1959 kg/hm2，0～20 cm 土层 Olsen-P 含量为当地农田的 85 倍[13]；在陕西关中，日光温室每季作物通过有机肥及化肥投入的磷肥（P2O5）平均用量分别为 703 和 625 kg/hm2，养分表观盈余量达 1248 kg/hm2[24]；在山西，新建日光温室磷肥投入量高达 2705 kg/hm2[19]。本研究对农田及日光温室磷盈余量和 0～100 cm 土层土壤 Olsen-P 累积量分析发现，二者呈显著的正相关关系，表明日光温室过量磷肥施用导致磷素大量盈余是引起土壤剖面磷累积的主要原因。因此，在该区域日光温室蔬菜栽培中优化磷肥施用量迫在眉睫。
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3.2 不同土地利用方式下磷素分布及淋溶损失
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一般认为，磷肥施入土壤后会与土壤固相发生吸附、固持反应，不易发生淋溶损失。但本研究发现，农田向日光温室的转变不仅增加了土壤磷素累积，同时还增加了土壤磷素的淋溶损失。这与其他研究结果类似，如吕福堂等[28]研究发现，种植 10～14 年的日光温室土壤磷素已淋溶迁移至 100 cm 深。在日光温室蔬菜栽培中，由于蔬菜作物根系相对较浅，且磷肥施用量高、灌溉量大，存在较大的磷素淋溶损失风险[29-30]。但已有的关于日光温室土壤磷素累积及淋洗的研究多集中于 100 cm 以上土层[13，16-18]，而对深层土壤磷素的累积及分布情况少有研究。本研究显示，日光温室 40～100、100～200、200～300 cm 土层土壤 Olsen-P 累积量均显著高于农田，40 cm 以下土层 Olsen-P 累积量为 1356 kg/hm2，占整个 0～400 cm 土层土壤剖面累积量的 45.3%，若以 40 cm 土层作为磷素的淋溶损失界线，则有超过 45% 的磷难以被作物吸收利用而累积于深层土壤，甚至继续淋溶损失至地下水。CaCl2 浸提的磷为公认的环境指标，较易发生淋溶损失。目前，不少研究发现，土壤 CaCl2-P 与 Olsen-P 之间有显著的相关性，CaCl2-P 含量随 Olsen-P 含量的增加而显著增加[11-13]，这与本研究结果一致。同时，一些研究发现，土壤磷存在淋溶损失突变点，即当 Olsen-P 含量增加至某一值时，CaCl2-P 淋溶损失量明显增加[31-33]，如席雪琴[34]对全国不同区域 18 个典型土壤的研究发现，磷素淋溶损失的 Olsen-P“突变点”在 14.9～119.2 mg/kg。然而，在本研究中，并未发现明显的“突变点”，这可能与研究区土壤为砂壤土，砂粒含量较高有关。土壤磷素淋溶损失阈值受土壤质地影响很大，如王荣萍等[35]对几种土壤磷素淋溶损失临界值的研究发现，砂质壤土临界值最低，淋溶损失风险最大。在本研究区日光温室 0～40、40～100 cm 土层土壤剖面 CaCl2-P 累积量显著高于农田，40 cm 以下土层 CaCl2-P 累积量占整个 0～400 cm 土层土壤剖面累积量的 46.4%，同样表明土壤累积的磷素发生了明显向深层土壤淋溶损失的现象。土壤水分运动是土壤磷素淋溶损失的主要驱动力，与农田相比，研究区日光温室仍采用传统大水漫灌方式，灌溉量大、灌溉频次高，每 6～8 d 灌溉一次。因此，日光温室大量水分投入引起土壤磷素不断淋溶迁移至深层土壤。
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3.3 减少土壤磷素累积及淋溶损失的措施
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研究区土地利用方式的转变显著增加了土壤磷素盈余、累积及淋溶损失风险。因此，采取有效措施如优化施肥、减少磷肥投入、降低磷素盈余，对于减少磷素累积及损失十分必要[36]。骆晓声等[37] 研究发现，在茄子-豆角轮作体系中，于农户常规施肥基础上减肥 30% 有效降低了磷淋溶损失且未对蔬菜产量造成影响。李若楠等[29]在华北平原日光温室研究中发现，较农民常规施肥减少 60% 可显著降低磷素盈余和淋溶损失，并保证蔬菜产量处于中高产水平。除此之外，采用水肥一体化、降低灌溉水投入、施用生物有机肥等均为减少土壤磷素淋溶损失的有效措施[36]。同时，要加强菜农的环境保护意识，加强科学施肥培训和宣传，这对于减少土壤磷素累积和淋溶损失也同等重要。
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4 结论
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与农田相比，日光温室磷肥过量投入问题突出，年均投入量为 897 kg/hm2，为农田的 9.3 倍。过量磷肥投入导致土壤大量磷素累积，尤其在 0～20 cm 土层，Olsen-P 平均含量为农田的 44 倍。日光温室 0～400 cm 土层土壤剖面 Olsen-P 累积量为 2993 kg/hm2，其中有超过 45.3% 的 Olsen-P 累积于 40 cm 以下土层。Olsen-P 的大量累积显著增加了 CaCl2-P 的累积及向土壤深层的淋溶损失。结果表明，由农田向日光温室转变显著影响了土壤剖面磷素的累积及向土壤深层的淋溶损失，对地下水环境构成潜在威胁。因此，在当前日光温室蔬菜栽培中，要注重磷素的管理，减少磷肥的施用，以既要满足作物正常生长发育对磷素的需求，又要保证其在环境风险值以内为原则；同时，要采取新技术如水肥一体化等措施，提高水肥利用效率，降低磷素损失。
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摘要
鉴于日光温室和农田两种土地利用施肥和农艺措施的差异，研究由农田向日光温室转变后深层土壤磷素累积及分布，为评价磷素有效性及淋失状况，指导日光温室磷肥合理施用，降低磷素损失提供理论参考。对黄土高原东北部日光温室及农田磷肥投入和携出状况调查，同时，采集 0 ～ 400 cm 土层土壤剖面样品，测定土壤 Olsen-P 和 CaCl2-P 含量，比较两种土地利用方式下养分平衡及深层土壤剖面磷素的累积及分布状况。结果显示，日光温室磷肥年均投入量为 897 kg/hm2 ，显著高于农田，磷盈余量平均为 679 kg/hm2 ，为农田的 10.9 倍。日光温室 0 ～ 20 cm 土层土壤 Olsen-P 含量高达 400.5 mg/kg，为农田对应土层的 44 倍；0 ～ 40、40 ～ 100、100 ～ 200、 200 ～ 300、300 ～ 400 和 0 ～ 400 cm 土层土壤剖面 Olsen-P 累积量分别为 1637、443、277、378、258 和 2993 kg/hm2 ，显著高于农田对应土层累积量（41、54、122、174、163 和 554 kg/hm2 ）；40 cm 以下土层 Olsen-P 累积量占整个 0 ～ 400 cm 土层土壤剖面累积量的 45.3%，磷素出现了明显的淋溶损失现象。土壤剖面各土层 CaCl2 -P 含量均随 Olsen-P 含量的增加而增加，二者表现为显著的正相关关系。结果表明，研究区由农田向日光温室转变显著增加了土壤磷素的累积及向深层土壤的淋溶损失。因此，日光温室降低磷肥投入，改善管理措施十分必要。
Abstract
In view of the differences in fertilization and agronomic practices between greenhouse and farmland，accurate estimates of the distribution，accumulation and leaching losses of phosphorus（P）in deep soil profiles are crucial for efficient P utilization and employing measures to reduce its losses. Hence，to assessed the effects of land-use change from farmlands to greenhouses on P surplus，accumulation and vertical distribution of soil P in deep profiles in the northeastern Loess Plateau，by investigating the input and output of P in solar greenhouses and farmland，and collecting soil profile samples of 0～400 cm layer. The contents of Olsen-P and CaCl2-P in the soil were measured. The results showed excessive P fertilization（P2O5 897 kg/hm2 ）resulted in an excessive annual P surplus（P2O5 679 kg/hm2 ）in greenhouses，which was 10.9 times higher than that in farmlands. The average Olsen-P content in the 0～20 cm layer in greenhouse was 400.5 mg/ kg，which was 44 times higher than that in the farmland. The accumulation of Olsen-P at 0～40，40～100，100～200， 200～300，300～400 and 0～400 cm layer soil profiles in greenhouse were 1637，443，277，378，258 and 2993 kg/hm2 ， respectively，which were significantly higher compared to those of the farmland（41，54，122，174，163 and 554 kg/hm2 ）. More than 45.3% of Olsen-P accumulation in the soil profile（0～400 cm layer）of greenhouses were below a soil depth of 40 cm，indicating high rate of P leaching loss. Regression analysis revealed that the vertical distribution of soil CaCl2-P was significant positively regulated by Olsen-P. The insights gained on Olsen-P and CaCl2-P accumulation and movement within deep soil profiles highlight that the land-use change from farmland to greenhouse significantly increased the soil P accumulation and leaching loss. It is urgent to optimize the P application rate and adopt better P management practices in the greenhouse vegetable production system to avoid further accelerate in these losses.
Keywords
Loess Plateau ； land-use change ； soil profile ； Olsen-P ； P leaching loss