设施土壤是高度集约化管理条件下发育的一种 人为作用强烈的旱地土壤，由于其长期处于“高温、 高湿、高度连作、连续大量施肥、无降水淋洗”等条件 下，设施土壤往往表现出养分富集、结构板结和酸化 盐渍化等特性^{[1, 2]}。稻草和草炭是设施蔬菜种植实践 中常用于改良土壤的两种典型有机物料。这是因为稻 草易地还田、覆盖设施作物，可有效改善土壤结构、 调节土壤的温度和水分、强化有机质积累^[3]；草炭属 于生物质炭，具有高度稳定性，其有机质含量高、孔 隙率大（达80%耀90%）、比表面积大（200 m²·g^-1 以上） 等优点^{[4, 5, 6]}，在改善设施土壤次生盐渍化和酸化问题上 效果明显^[1]。另外，盲目大量施肥在设施栽培这种高 投入、高产出的生产模式中相当普遍，尤其是磷肥的 施用，而磷肥对当季作物的利用率仅有10%耀25%， 导致磷在菜地土壤中的大量积累^{[1, 2]}。设施栽培的微 环境虽然相对封闭，但其水分管理中灌排措施仍会 引起土壤磷素流失到周边地表水中，引发水体富营 养化^{[7, 8, 9]}。设施栽培中土壤中磷的积累浪费了磷矿资 源，还会影响设施蔬菜种植区域的水生态环境。因 此，如何保证设施菜地土壤的磷素供应能力，同时降 低其磷素流失风险，是涉及到设施农业的可持续发 展和区域生态平衡的重要问题。稻草和草炭两种有 机物料对土壤磷库有着重要的调节作用。稻草也是 重要的生物营养源，比如稻草还田不仅能明显提高 稻田0耀5 cm 土层全磷和有效磷的含量^[10]；而且能促 进水旱轮作土壤微生物生物量碳和磷的形成^{[11, 12]}，微 生物所利用的磷约有30%以上的无机磷被转化到有 机磷库中^[11]。稻草含碳量高达40%以上，降解时能产生 多种有机酸^[4]，有利于活化土壤固定态磷^[13]。草炭含有 氨基酸、腐植酸、氮磷钾等多种养分^[4]，它不仅能维持 土壤水分和提高土壤团聚性^{[4, 5, 6]}，还能促进土壤养分 循环^[14]。有研究结果显示，添加生物炭后增加旱地麦 田土壤无机磷组分中的Ca-P 和Al-P 含量，同时降 低了Fe-P含量^[6]。可见，目前有机物料对土壤磷素转 化的研究，主要集中在露天自然的草地、水田或旱地 土壤上，而对富磷的设施菜地土壤而言，所见报道并 不多见。事实上，由于设施菜地受人为作用强烈，其 化学过程往往不同于自然条件下的土壤^[1]。

本研究以武汉近郊的富磷设施土壤为研究对 象，分别向土壤中添加不同量的稻草或草炭，探讨两 种实际生产中所用的有机物料对磷素转化的影响规 律及其差异，以期为设施菜地土壤磷素的管理和有 机物料的施用，改善区域环境提供理论依据。

供试土壤采自武汉市东西湖区石榴红村具有代 表性的设施蔬菜种植基地，该基地蔬菜种植历史有 20 多年，其设施面积近70 hm²。供试土壤为设施菜地 的表层（0耀20 cm）土壤，时至采样时其连续设施种植 年限达5 年。为保证土壤及其蔬菜种植的相对均一 性，供试土壤在同一大棚（规格为8 m伊150 m）内按 “S”形线路随机多点（采样点总数超过50）采集混合 而成。采得的土样装入无菌塑料袋中带回实验室及时 研磨，过10目分析筛后置入4 益冰箱保存备用。该设 施土壤为中性灰潮土，其pH 值为7.18，可溶性盐分 含量0.58 g·kg^-1，有效磷含量55.18 mg·kg^-1，全磷含量 2.73 g·kg^-1，有机碳含量9.97 g·kg^-1。供试的稻草和草 炭分别取自湖北荆州和武汉，均在105 益下烘干后磨 碎过100 目筛备用。稻草全磷含量0.67 g·kg^-1，有机 碳含量439.37 g·kg^-1；草炭全磷含量0.11 g·kg^-1，有机 碳含量419.45 g·kg^-1。

将供试土壤用蒸馏水调节土壤含水量到田间持 水量的45%，然后置于25依1 益恒温恒湿的条件下进 行7 d的预培养。称取若干份1 kg（以烘干基计）预培 养过的新鲜土壤，进行添加稻草和草炭的处理。根据 当地生产中两种有机物料的常规用量（一般在5100~ 5400 kg·hm-2 之间），本研究对稻草和草炭的添加量 强化了2~4倍，即添加量分别为稻草2 gC·kg^-1（S2）、 稻草4 gC·kg^-1（S4）和草炭2 gC·kg^-1（B2）、草炭4 gC· kg^-1（B4），同时设不添加有机物料的对照（CK），并加 入1%硫酸铵溶液以保证所有处理碳氮比和含水量相 同，即所有处理土壤的碳氮比为10颐1，水分含量为土 壤田间持水量的50%。各处理土壤充分混匀后，加盖 密封置于（25依1）益恒温恒湿培养箱中，每3 d揭盖换 气一次以保证土壤微生物氧气供应充足。每个处理均 设3 次重复，培养期按实践一茬设施作物最短周期 （约3 个月）来设定，在培养期0、3、6、10、15、20、30、 45、60 和90 d 分别取样分析，并对培养结束时所有处 理土壤磷各组分进行相关性分析。

本研究使用的紫外-可见分光光度计为龙尼柯仪 器有限公司厂生产的WF2UV-2000型。所使用的化 学药品均为国药集团生产，规格为分析纯。

土壤全磷（TP）的测定采用HClO₄-H₂SO₄ 溶液 消化法^[15]，微生物生物量磷（MBP）采用熏蒸提取法^[16]； 有效磷（Olsen-P）用NaHCO₃（0.5 mol·L^-1，pH=8.5） 提取，本研究中采用未熏蒸提取的磷；易解吸磷 （CaCl₂-P）用0.01 mol·L^-1 CaCl₂提取^[17]；磷组分测定中， 无机磷采用改进的Chang-Jackson 法^[18]，分为铝结合 态磷（A1-P）、铁结合态磷（Fe-P）、闭蓄态磷（O-P）和钙 结合态磷（Ca-P）4 个组分；有机磷分级采用Bowman- Cole 法^[19]，分为活性有机磷（LOP）、中等活性有机磷 （MLOP）、中等稳定性有机磷（MROP）和高等稳定性有 机磷（HROP）4 个组分。以上所有溶液中的磷均采用 钼锑抗-抗坏血酸比色法测定^[15]。

本研究采用Microsoft Office 与SPSS17.0 进行数 据处理分析及相关制图。用t 检验来分析处理间的差 异显著性，用Pearson 相关系数来判断两个变量线性 相关的程度。

图 1 表示了添加有机物料后土壤MBP 的变化。 在90 d的培养期内，稻草和草炭均可增加土壤MBP 含量，且随其添加量的增加而增加。S2处理（图 1A） 土壤MBP在第3 d比S4 处理的要高，其含量分别达 102.88、84.41 mg·kg^-1，较CK分别增加了3.0倍和2.3 倍，而之后的培养期间内其趋势发生逆转，S4处理土 壤MBP 均显著高于S2，培养结束时，S2 和S4 处理 MBP 含量较CK 分别增加了1.3 倍和2.2 倍（P< 0.01）。添加草炭后设施土壤MBP的变化趋势与稻草 的影响有所不同，即添加草炭后土壤MBP 在前6 d 与CK的差异不显著。在第6 d，B2和B4处理的土壤 MBP较CK分别增加了5.94、36.93 mg·kg^-1，此后B4 处理土壤MBP 含量均显著高于B2（见图 1B）。培养 结束时，B2 和B4 处理土壤MBP 较CK 仅增加了 53.9%和100.0%。

A为添加稻草处理，B 为添加草炭处理。下同 FiguresA and B indicate rice straw and peat amendments，respectively. The same below 图 1 设施土壤微生物生物量磷含量动态变化 Figure 1 EDynamics of microbial biomass phosphorus in greenhouse soil cucumber seedlings

图选项

由图 2 可以看出，培养期间CK 的Olsen-P 含量 在44.22耀71.03 mg·kg^-1间波动。与CK 对比，添加稻 草后的第3 d，土壤Olsen-P 含量显著下降，且S2 和 S4 处理的土壤Olsen-P分别降低了36.1%和19.8%； 第10~45 d，S2 和S4 处理的土壤Olsen-P 含量分别 降低了10.7%和21.8%，且S4 处理的土壤Olsen-P含 量低于S2 处理（见图 2A）。而添加草炭处理后的土壤 Olsen-P 在前30 d与CK 无明显差异（P>0.05），45 d 后，B2 处理的土壤Olsen-P 显著低于B4 和CK，90 d 时，B2 处理的土壤Olsen -P 较CK 明显降低了 10.1%，而B4 处理土壤Olsen-P 与CK 的差异并不显 著（见图 2B）。值得注意的是，在90 d 的培养期内，添 加有机物料虽降低了土壤Olsen-P含量，但所有土壤 Olsen-P 一直维持在29.95 mg·kg^-1 以上,且前30 d同 种有机物料两种添加量间土壤Olsen-P 含量的差异 均不显著。

图 2 设施土壤有效磷含量动态变化 Figure 2 Dynamics of Olsen-P content in greenhouse soil

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分析土壤CaCl₂-P的动态变化（图 3）可知，CK处 理的CaCl₂-P含量由培养开始时的5.32 mg·kg^-1至培 养结束下降到5.09 mg·kg^-1。与CK处理相比，添加稻 草和草炭后土壤CaCl₂-P含量均明显下降。稻草处理 土壤CaCl₂-P 含量在第20 d降至最低，90 d时S2 和 S4 的稻草处理CaCl₂-P 含量显著低于CK，S2 和S4 较CK 平均降低了21.3%（见图 3A）。草炭处理的 CaCl₂-P含量变化趋势与稻草处理相似，第90 d时， B2 和B4 处理土壤CaCl₂-P 含量较CK 平均降低了 10.9%（图 3B）。不同的是，在第30耀60 d 的培养期内， 稻草处理的CaCl₂-P含量有回升趋势，而草炭处理呈 持续下降趋势。整个培养期间，比较添加两种有机物 料后同一时间点上的土壤CaCl₂-P 含量，稻草处理的 土壤CaCl₂-P含量总体上比草炭处理的略低。比较同 种有机物料不同添加量间的差异，2种有机物料添加 量对土壤CaCl₂-P 含量的影响不同，稻草处理土壤 CaCl₂-P 含量的差异在20 d后则达显著性水平（P< 0.05），其土壤CaCl₂-P含量总体上随有机物料用量的 增加有所增加，而草炭处理土壤CaCl₂-P含量差异总 体上不显著。

图 3 设施土壤易解吸磷含量动态变化 Figure 3 Dynamics of CaCl2-P content in greenhouse soil

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表 1 为培养结束时各处理土壤磷组分占全磷的 比例。设施土壤（CK）无机磷以Ca-P为主，占全磷的21.92%，其次为O-P，占9.46%，而Al-P和Fe-P分别 占7.21%和5.41%。稻草和草炭均能降低土壤无机磷 中的Al-P、Fe-P和O-P，而对Ca-P影响不显著。稻 草对土壤Fe-P的影响最大，S2 和S4 处理的Fe-P较 CK 分别降低了7.93%和12.29%；而草炭对土壤O-P 的影响最大，B2 和B4 处理土壤O-P 较CK 分别降低 了8.99%和11.70%。

设施土壤（CK）的有机磷以MLOP 组分为主（占 全磷的37.51%），其次是HROP（占全磷的1.63%），而 MROP和LOP分别仅占全磷的0.58%和0.29%。添加 稻草和草炭后土壤LOP和MROP占全磷的比例均较 CK 有所提高，不同之处在于LOP 的增幅随添加量的 增加而降低，而MROP 的增幅则随添加量的增加而 增加。稻草和草炭均能降低土壤MLOP 和HROP 占 全磷的比例，但MLOP的降幅为稻草处理大于草炭处 理（S2和S4 处理MLOP占全磷的比例较CK分别降 低了23.16%和10.72%，B2 和B4 处理MLOP 占全磷 的比例较CK 分别降低了4.67%和1.15%），而HROP 的降幅则是稻草处理小于草炭处理（S2 和S4 处理 29.4%，而B2和B4 处理HROP占全磷的比例较CK 分别降低了52.14%和41.10%）。

表 1 培养结束时设施土壤磷各组分占全磷的百分数（%） Table 1 Percentages of various fractions to total phosphorus in greenhouse soil at the end of incubation

表选项

土壤MBP、Olsen-P 和CaCl₂-P 与磷各组分间的 相关性见表 2。除土壤MBP与无机磷中的Ca-P呈正 相关（但不显著）外，MBP 与其他各无机磷组分呈负 相关关系，且仅与Fe-P 的相关系数达到显著水平 （P<0.05）。Olsen-P 和CaCl₂-P 与4 种无机磷组分均 呈正相关，Olsen-P 与Fe-P 的关系达到极显著（P< 0.01）水平，CaCl₂-P与Al-P和Fe-P的相关系数分别 为0.779 和0.784，均达到显著水平（P<0.05）。

MBP与有机磷各组分的线性关系中，与LOP和 MROP呈正相关，且与MROP的相关系数达到显著正 相关（P<0.05）。Olsen-P 和CaCl₂-P 与有机磷各组分 的线性关系基本一致，即两者均与LOP、MROP呈负 相关关系，而与MLOP、HROP 和有机磷总量呈正相 关，但仅有CaCl₂-P与MLOP、有机磷总量的相关性达 到显著性水平（P<0.05）。

表 2 设施土壤微生物生物量磷、有效磷及易解吸磷与各组分磷间的线性相关系数 Table 2 Correlation coefficients between microbial biomass P，Olsen-P，CaCl2-P and P fractions in greenhouse soil

表选项

土壤微生物是土壤有机质和养分循环转化的驱 动者，对土壤养分的供应起重要作用。土壤MBP周转 速率快，可迅速参与循环而成为植物有效磷的重要来 源^{[11, 12, 14]}。有研究显示，在土壤Olsen-P不足8 mg·kg^-1 的稻田土壤上，较高的土壤MBP有利于维持作物的 磷素供应^[12]。在高磷的设施土壤（全磷为2.73g·kg^-1， Olsen-P为55.18 mg·kg^-1）中，添加稻草和草炭均能使 土壤MBP含量大幅增加。这是因为添加有机物料后 对土壤微生物存在激发效应：一方面土壤微生物因短 期内得到充分的碳源物质而在快速生长繁殖，其间会 吸收大量磷（主要是Olsen-P）来构建其生命组分，并 以MBP的形式固定在体内；另一方面外源性有机物 的添加提高了土壤微生物或磷酸酶的活性，从而加速 了微生物对有机物料中有机磷的分解和利用。稻草对 土壤MBP形成的促进作用显著大于草炭，且稻草添 加量为2 gC·kg^-1 处理（S2）的MBP 含量还略高于草 炭4 gC·kg^-1 处理（B4）的。原因可能在于由稻草和草 炭输入到设施土壤中磷的总量与形态不同所致。稻草 含磷量（0.67 g·kg^-1）是草炭（0.11 g·kg^-1）的近6 倍；而 在磷的组成上，稻草中的磷几乎全为有机磷，而草炭 是在有过多水分的缺氧条件下，死亡植物残体长期 积累转化形成的较稳定的有机-无机复合体，其磷组 分大部分为有机磷，也有部分的无机磷。有研究显 示，土壤微生物可能优先利用有机物料释放的磷而 形成MBP^{[11, 16]}。

土壤磷素组成存在多种形态，且处于各种动态平 衡中。土壤Olsen-P包括水溶态磷和交换态磷（主要 是后者），它是土壤中植物最易利用的部分，其含量的 高低能反映土壤磷素对植物的有效性，是磷素供应水 平高低和指导施用磷肥的重要指标^{[11, 12, 13]}。本研究中，稻 草和草炭的添加均能降低高磷（全磷为2.73 g·kg^-1）设 施土壤Olsen-P 含量，但土壤Olsen-P 含量仍可维持 在29.95 mg·kg^-1以上，足以满足作物对磷的需求^{[2, 8]}。 土壤Olsen-P 含量的变化与微生物对土壤磷素的固 定与释放有关，主要受外源有机物碳磷比（C/P）的影 响。当有机物C/P大于300，固持速率大于矿化速率， 出现微生物对磷的净固持；当有机物料C/P 低于 200，有机物分解释放的磷一般超过微生物的需求，从 而表现为磷的净释放而使土壤有效磷提高^{[11, 12]}。在高 风化低磷（全磷为0.530 g·kg^-1）水田土壤中，稻草对 Olsen-P的影响很小，就是由于添加稻草C/P 高（高达 128）所致^[11]。本研究中稻草和草炭的C/P分别为656 和3813，其值均远高于300，其添加会引起土壤微生 物对有效磷的净固持而使土壤Olsen-P 含量显著下 降。本研究中稻草处理土壤Olsen-P的含量均低于草 炭处理，可能是由于稻草的成分以纤维素、半纤维素 和木质素为主，微生物在90 d内对稻草难以矿化分 解利用，而草炭含有大量的氨基酸和腐植酸等有机 酸^[4]，可直接活化土壤中的固定态磷，短期内可能更容 易被土壤微生物利用，故添加草炭可减小土壤有效磷 含量的降低幅度。

CaCl₂-P几乎全部是水溶态磷，它能表征土壤固 相磷向液相释放的难易程度，作为土壤磷素流失的重 要指标^{[7, 8, 9, 17, 20]}。CaCl₂-P是土壤磷酸盐沉淀与溶解、吸 附与解吸、矿化与固定等反应平衡的结果，其大小与 土壤粘粒含量、有机质、交换性钙镁、活性铁铝及土壤 磷吸附饱和度等土壤性质有关^{[9, 20]}。添加稻草和草炭 均降低了设施土壤CaCl₂-P的含量，且稻草的这种降 低作用更为显著。这说明对富磷设施土壤而言，施用 有机物料可减少土壤磷流失风险，在控制高磷设施土 壤磷流失的应用实践中，稻草和草炭的添加可为行之 有效的措施，且稻草的控制效果比草炭的要好。有机 物料降低土壤CaCl₂-P 含量的原因可能在于施用有 机物料降低了土壤水溶性磷的比例^{[20, 21]}。草炭与稻草 的总有机碳含量虽相近，但其有机碳的具体组成差别 甚大，草炭本身富含的有机酸提高了土壤磷的水溶 性，在90 d 的培养期内不利于降低土壤CaCl₂-P。有 研究表明，土壤CaCl₂-P与其交换性钙镁呈显著负相 关^[20]，而草炭的钙镁离子丰富^[4]，可能是草炭添加降低 设施土壤CaCl₂-P含量的幅度比稻草低的另一原因。比较土壤MBP、Olsen-P和CaCl₂-P的变化规律来看， 在设施土壤磷素高积累（全磷为2.73 g·kg^-1）条件下， 土壤MBP 的含量明显高于Olsen-P 和CaCl₂-P，且 稻草和草炭均可增加设施土壤MBP，降低Olsen-P 和 CaCl₂-P，表明土壤有效磷供应充足状况下（如 Olsen-P 达到55.18 mg·kg^-1时），稻草和草炭可通过 促进土壤微生物固定有效磷来减少磷素的流失，并可 能通过微生物生物量磷的快速周转来维持作物的磷 素供应。

通过Chang-Jackson法^[18]和Bowman-Cole 法^[19]测 得的土壤无机磷和有机磷之和占全磷的比例为 73.78%耀84.00%，此范围与对石灰性土壤的研究结 果^[22]较为一致，这是由于这两种方法在土壤磷素分级 过程中有不能被提取的超高稳性磷^[19]。向设施土壤添 加有机物料后，这2 种分级方法测得的各处理土壤无 机磷与有机磷之和占全磷的比例降低，原因可能在于 有机物料可使设施土壤中超高稳性磷含量增加。土壤 中Al-P和Fe-P是有效磷的重要潜在供给源，而土 壤O-P和大部分的Ca-P为植物难利用的磷^{[12, 22, 23]}。添 加稻草和草炭均能降低设施土壤无机磷中的Al-P、 Fe-P 和O-P，增加LOP 和MROP 的比例，而降低有 机磷中MLOP 和HROP 的比例，说明在高有机质高 磷的设施土壤中，有机物料可能促进土壤Al-P、Fe-P 和O-P等无机磷向有机态的LOP和MROP转化。这 一点与低磷的稻田土壤^{[11, 12]}明显不同。添加有机物料 能增加土壤LOP的比例，减少MLOP 比例，但随其用 量的增加，LOP比例反而降低，而MLOP比例则增加。 这可能与研究中设置的有机物料添加水平（2 gC·kg^-1 和4 gC·kg^-1）或土壤磷偏高有关，其原因值得进一步 细化研究证实。

土壤MBP 与Fe-P 和MROP 分别呈显著的正相 关和负相关，由此推断设施土壤Fe-P和MROP是影 响微生物对磷素转化的重要途径，其中Fe-P可能抑 制MBP的形成，MROP则对MBP具有促进作用。有 人研究稻田土壤MBP 与各形态磷的相关性^[11]与本研 究的结果并不一致，原因可能是设施土壤和稻田土壤 在磷素组成等理化性质上差异太大。Olsen-P与Fe-P 呈极显著正相关，而与其他无机磷形态关系并不显 著，说明设施土壤中的有效磷可能主要来源于无机磷 中的Fe-P 部分，这也印证了Fe-P是土壤有效磷的 重要潜在源的说法^{[12, 23]}。CaCl₂-P与无机态的Al-P和 Fe-P、有机态MLOP 及有机磷总量均呈显著正相关， 说明从磷素形态转化的角度来控制设施土壤磷素流失，促使Al-P、Fe-P和有机磷（尤其是MLOP）向其他 形态转化可能是最直接的途径。总之，Fe-P可能是影 响设施土壤MBP、Olsen-P 和CaCl₂-P 含量最重要的 磷素形态。

（1）稻草和草炭两种有机物料均使土壤MBP含量 增加而促进土壤磷素的周转，使土壤Olsen-P含量降 低但维持在作物需求水平上，且能降低CaCl₂-P含量 以控制磷素的流失，说明添加稻草和草炭有利于设施 土壤磷素的管理，且稻草的效果总体上比草炭好。

（2）设施土壤磷素形态的变化受有机物料种类及 其用量的影响。就各形态磷素占全磷的比例来看，稻 草和草炭均能降低设施土壤无机磷中Al-P、Fe-P 和 O-P，增加有机磷中LOP 和MROP，而降低MLOP 和 HROP，说明在高磷的设施土壤中，有机物料可能促 进土壤Al-P、Fe-P和O-P等无机磷向有机态的LOP 和MROP转化。

（3）从设施土壤磷素各组分与土壤MBP、Olsen-P 和CaCl₂-P的相关性分析来看，Fe-P和MROP是影响 土壤MBP含量变化的重要形态，Fe-P 对Olsen-P 影 响最大，而Fe-P、Al-P和MLOP均是影响CaCl₂-P含 量变化的重要形态，表明Fe-P 是综合影响设施土壤 MBP、Olsen-P和CaCl₂-P含量变化的重要形态。