磷是植物生长发育不可或缺的营养元素之一^[1],但是由于土壤胶体的吸附作用及磷本身迁移性弱和易被固定等特点，磷在土壤中的有效性比较低。植物可以分泌柠檬酸等低分子量有机酸促进土壤磷的释放^[2],但这种过程为耗能过程，且有机酸的产生量有限，因此外源添加柠檬酸则具有明显的研究价值。

在作物生产，尤其是温室蔬菜生产中，由于肥料投入量大和复种指数高，导致大量投入的磷肥超过植物生长需求，造成磷在土壤中累积^{[3, 4]}.在华北平原，大部分土壤属于石灰性土壤，施入磷肥后，随着磷肥的溶解扩散，磷极易与阳离子发生络合反应，生成难溶性磷而被固定，导致磷肥有效性下降，当季利用率仅为10%~25%^{[5, 6, 7]}.如何充分利用这些累积的土壤磷素，使其转换成可以供作物吸收利用的磷，减少磷肥的施用量已经引起了植物营养学家的关注。有研究表明，通过使用硫酸、磷酸等可降低土壤pH以提高磷的有效性^[8],但是这种方法耗材使用量巨大，成本昂贵，且功能单一，很难推广应用。柠檬酸对活化土壤磷素的研究已有一些报道，柠檬酸能够促进菜地土壤磷的释放^{[9, 10]},提高土壤磷素的有效性^{[11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22]}和磷肥利用率，但以室内培养居多，应用在实际生产尤其是温室蔬菜生产中的研究很少。

本文以温室番茄土壤为研究对象，通过外源添加柠檬酸，对番茄生长期中土壤有效磷时空变化动态进行研究，目的是明确柠檬酸对土壤磷和磷肥的活化效用，为减少磷肥使用和提高番茄产量提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 研究区概况与试验设计

试验于2011年2月22日至7月3日在北京市顺义区农科所综合实验基地进行。该地区属于温带半湿润大陆季风性气候，年均降雨和光照分别为625 mm和2750 h.供试土壤为砂壤质冲积物潮褐土，土壤的基础肥力状况如表 1所示。

表 1 土壤背景值 Table 1 Basic conditions of soil fertility

表选项

参照之前提供蔬菜施肥基准^[23],设置磷肥用量分别为0（P0）、96（P1）、168（P2）、240（P3）kg·hm^-2 4个水平，采用完全随机试验设计。供试磷肥为磷酸二铵（Diammonium phosphate简写为P,含P₂O₅ 46%,含N18%,pH为8.0）.在不影响番茄生长的前提下，参照已测土壤柠檬酸含量（表 1）,适当增加柠檬酸浓度。供试柠檬酸（Citric acid,简写CA）,用量分别为0（CA0）、0.42（CA1）、0.84（CA2）、1.26（CA3）kg·hm^-2 4个水平，柠檬酸为工业级，易溶于水。共16个处理，每个处理重复3次。

番茄对磷肥需求量大，且生长和收获同时进行。根据这一特性，结合磷肥可移动性低的特点，为满足番茄生长的需要，以及降低磷肥与土壤接触面积的原则，磷肥采用少量多次方式，分为基肥和追肥，两者比例为1∶1,施用地点为番茄根际，基肥在种植时施入，追肥分四次施入，分别为2011年4月25日（始穗果）、5月12日（二穗果）、5月29日（三穗果）、6月12日（四至五穗果）.每次施用肥料后立即灌溉，持续2 d,灌溉方式为滴灌，每次灌溉量相同且为10 t·hm^-2（农户推荐量）,并将柠檬酸按平均分为4次溶于水中。其他肥料和相应施肥量分别为：尿素，300 kg·hm^-2,硫酸钾，150 kg·hm^-2,有机肥（干基的全N含量1.5%,P₂O₅含量为25.3%,商业名称为”美施美“）.在2011年2月22日定植，7月3日拉秧。每小区面积20.7 m²（长5.4 m,宽3.8 m）,番茄栽种的株距和行距分别为40 cm和60 cm.其他管理措施按照农户传统方法进行。 1.2 样品的采集和处理

土样采样时间分别为追肥前一天及施肥后两天。采用土钻法S形采样，5次重复。风干土壤研磨过20目筛，充分混匀后备用。

土壤pH测定采用梅特勒托利多pH计测定。

分批次摘取番茄果实，称重后累加计算总产量。 1.3 样品测定与分析

土壤有效磷测定采用Olson法，用Smartchem（Smartchem 200,USA）间断性化学分析仪测定有效磷含量。

数据采用SAS V8 进行方差分析，用LSD法进行多重比较，用Microsoft Excel 2007整理作图。 2 结果与分析 2.1 柠檬酸和磷肥对土壤pH的影响

收获后对温室0~20 cm土壤pH值分析结果见图 1,柠檬酸显着降低了土壤pH（P＜0.05）.对比各处理发现，对于同一施磷处理，施加柠檬酸后温室番茄地土壤0~20 cm土层pH呈下降趋势，且随着柠檬酸施用量的增加pH下降，柠檬酸施用量与pH成反比，最大下降0.62个单位；对于同一柠檬酸处理，施加磷肥（磷酸氢二铵，水溶液呈微碱性，pH=8.0）后，土壤pH变化不一致：CA0和CA1处理，pH随施肥量增加先升高后下降，P2和P3处理变化不大；CA2处理，pH随施肥量增加先降低后升高；CA3处理，pH随施肥量增加逐渐上升。但总体规律是磷肥施用量越大，pH随柠檬酸施用量的增加下降的越少，pH越趋近于8.0.采用多因子方差分析可知，磷肥和柠檬酸及其互作对pH都具有极显着影响（P＜0.01）.进一步进行磷肥各水平、柠檬酸各水平、磷肥与柠檬酸水平组合处理下pH平均数LSD多重比较发现，CA3P0组合处理pH极显着低于其他组合（P＜0.01）,使土壤pH由8.16降低到7.54,降低了0.62.

图 1 不同试验处理对的土壤pH的影响 Figure 1 Effects of different treatments on soil pH

图选项

从2011年4月27日施加柠檬酸处理开始，研究不同柠檬酸施用量对番茄土壤0~20 cm土层中有效磷的影响，结果如图 2所示。不施磷时，不施加柠檬酸（CA0P0）土壤有效磷含量随着时间延长而逐渐下降，番茄生长消耗土壤中的磷，土壤中有效磷含量呈逐渐下降趋势，其间有不同程度的波动，可能与温度和灌溉有关；施加柠檬酸后，土壤有效磷含量较对照CA0处理显着增加（P＜0.05）,CA1、CA2、CA3处理与对照CA0相比，土壤有效磷含量分别增加了6.58、11.49、13.88 mg·kg^-1.不施磷时，土壤有效磷随着番茄生长被逐渐吸收利用或被固定，其含量逐渐下降，柠檬酸的施入抑制了土壤有效磷下降的趋势，增加了土壤有效磷的含量，说明柠檬酸能够活化土壤库中固定的磷，且活化程度与柠檬酸施用量成正比。这与梁玉英等^[9]和陆文龙等^[23]的研究结果相一致。

图 2 不同柠檬酸水平对不施磷处理土壤有效磷含量的影响 Figure 2 Effects of different levels of citric acid on available phosphorus contentin soil without phosphate fertilizer during the whole season

图选项

柠檬酸对番茄施肥后土壤有效磷的时间变化影响如图 3所示。施加磷肥P1后，在不同柠檬酸处理下，0~20 cm土层中有效磷含量随着时间的变化基本不大，变化幅度在85~132 mg·kg^-1之间，各个时期土壤有效磷含量差异不显着（P＜0.05）,6月1日和6月14日CA3P1,CA2P1和CA1P1处理土壤有效磷含量较CA0P1高，说明在这一时期柠檬酸提高了土壤有效磷含量；P2水平下各土壤有效磷动态变化与P1基本相似，但是CA3P2处理在坐果后期（6月14日）有效磷含量突然增加至215 mg·kg^-1;P3处理土壤有效磷呈波浪状变化，前期（5月14日）有效磷含量较P1和P2处理同期有效磷含量增加，可能与施肥量大有关，而后期（6月14日）各柠檬酸水平下有效磷都有所增加，可能与磷肥施用量和番茄需求量之间的平衡及磷与土壤之间动态平衡有关，P3处理超过了番茄生长后期对磷的需求，造成有效磷的累积。

图 3 不同磷肥水平下柠檬酸对土壤有效磷随时间变化的影响 Figure 3 Effects of different levels of citric acid on available phosphorus contentin soil with different levels of phosphate fertilizer

图选项

综合以上结果发现，土壤有效磷含量随柠檬酸施用量的不同而呈现不同的变化规律，但总体上（除CA3P3外）是CA3对土壤有效磷含量的提高效果最明显，CA2次之，CA1和CA0最小。CA3P3处理下有效磷大部分时间（除7月1日外）低于CA2P3和CA1P3,但高于CA0P3处理，造成这种现象的原因有可能是过量的磷肥被柠檬酸溶解破坏了磷素的供需平衡和吸附解吸平衡，导致大量的磷素随灌溉向下层运移。温室菜地中由于大量施肥导致磷素累积，继续过量施用磷肥既造成资源的浪费，还有可能造成环境污染；施用柠檬酸既减少了磷肥的施用量，又可以活化土壤固定的磷，但是对下层土壤磷素的影响还需要进行有效磷剖面分布分析。 2.3 柠檬酸对土壤有效磷剖面分布的影响

图 4显示不同磷肥和柠檬酸处理，番茄地土壤中的有效磷含量在收获后土壤中的剖面分布。结果表明，土壤有效磷含量随土壤深度增加依次递减，其含量在0~20 cm和20~40 cm之间差异达到了极显着水平（P＜0.01）.土壤有效磷在表层富集，0~20 cm土层有效磷含量占其在0~100 cm土层中的比例为51%~60%;而0~40 cm土层有效磷占其在0~100 cm土层中的比例高达91%~95%;40~100 cm土壤有效磷含量很少，仅占5%~9.03%.土壤有效磷在表层和亚表层富集的现象有利于植物根系的吸收与利用。CA3P3处理有效磷40~60 cm和60~80 cm土层无显着性差异，说明过量施肥和柠檬酸使土壤磷素有向下运移的趋势。过量施用磷肥（P3）,柠檬酸溶解了磷肥并提高土壤中有效磷的含量，提高了磷的可移动性，柠檬酸施用量越大产生的效果越明显。

图 4 不同柠檬酸施用量对土壤有效磷空间动态影响 Figure 4 Spatial dynamics of available phosphoruson different levels of citric acid

图选项

通过多因子方差分析可知，在收获后土壤表层0~20 cm,单施磷肥或柠檬酸对土壤有效磷含量均无显着性影响，但其交互作用对土壤有效磷含量有显着性影响（P＜0.01）,其中CA3P3处理极显着（P＜0.01）低于其他处理（除CA0P0外）,CA3P0、CA2P1、CA3P2组合之间差异不显着但都显着（P＜0.05）高于其他组合，说明柠檬酸和磷肥配施可以极显着地增加土壤中有效磷的含量，但过多施用磷肥和柠檬酸反而降低土壤表层有效磷含量。 2.4 柠檬酸对番茄产量的影响

柠檬酸和磷肥配施增加了番茄产量（表 2）.不施加磷肥时，番茄产量与柠檬酸施用量成正比，CA3P0,CA2P0和CA1P0处理与CA0P0处理相比番茄产量增加分别为2%、5%、11%;施加磷肥后，不同柠檬酸处理与CA0P0处理相比番茄产量增幅随磷肥施用量的增加逐渐增加，当产量增加到一定程度后（CA2P2和CA1P3）,继续增加柠檬酸施用量，番茄产量不再上升。CA2P2处理番茄产量最高，达到6.1 t·hm^-2,相比于P3处理，CA2P2处理在增产的同时减少30%的磷肥施用量。

表 2 磷肥和柠檬酸在番茄上的产量效应 Table 2 Yields response of tomato to phosphate fertilizer and citric acid

表选项

过量投入磷肥及高复种指数导致温室土壤磷素累积^{[3, 4]},施加柠檬酸可以作为一种有效的措施，在没有施加磷肥的时候，提高了温室番茄生长过程中土壤有效磷的含量，提高了番茄的产量。柠檬酸和磷肥配施后，一方面活化了磷肥，提高了土壤有效磷的含量，另一方面降低了磷肥的施用量，减少了资源的浪费并增加了番茄的产量。

有机酸活化土壤磷的主要机理：①酸化土壤^{[15, 17, 21]},通过改变土壤pH提高土壤有效磷含量；②与土壤中钙、铁等金属离子发生络合作用，改变土壤胶体表面性质，减少磷酸根的吸附位点^[25];③与磷酸根相互竞争专性吸附^[25];④影响土壤磷的解吸，促进难溶性磷肥的溶解^{[21, 26]}.

本试验结果表明，磷肥和柠檬酸及其互作对pH都具有极显着影响（P＜0.01）.柠檬酸显着降低了土壤0~20 cm的pH,证明了根系分泌有机酸降低土壤pH以活化土壤磷的观点，与杨绍琼等^[18]研究结果一致。柠檬酸对pH的影响程度随着磷肥的增加而减弱，有可能归于呈微碱性的磷酸氢二铵。pH值的改变有可能会影响土壤的微生物活性^[27].一般认为，pH为6.0~7.5时适合番茄生长且对肥料的吸收利用最有效。从本实验中可以得出，施加柠檬酸后显着降低了土壤的pH,尤其是CA3处理后降低0.62个pH,使土壤pH接近7.5,因此可以证明上述柠檬酸能够活化土壤磷的机理①是正确的。

研究表明，施加柠檬酸和磷肥处理与对照相比，有效磷含量明显提高，说明柠檬酸促进了磷肥的溶解，提高了有效磷含量^{[28, 29]}.本实验中，对收获后不同处理下土壤有效磷含量进行方差分析得出，单施柠檬酸或磷肥都没有显着提高有效磷的含量，只有在柠檬酸和磷肥一起混施时才显着提高了土壤有效磷含量。磷肥施加到土壤中后会被土壤吸附，土壤中有效磷的含量会随着作物吸收和土壤吸附而降低，添加柠檬酸后有可能与磷发生竞争专性吸附，导致土壤有效磷含量增加。柠檬酸有可能通过上述机理②③④的综合作用，提高土壤有效磷含量。本试验在华北平原的温室菜地中进行，土壤大多属于石灰性土壤，石灰性土壤中以碳酸钙盐为主，能够吸收磷，没有施加磷肥处理时，土壤有效磷随着柠檬酸的施加而增加，说明柠檬酸可以活化原先土壤库中所吸附或固定的磷，进一步证明机理④的合理性。

庞荣丽^[26]的研究表明，表层中阳离子含量比较多，柠檬酸含有阴离子，两者在表层中迅速结合，导致柠檬酸在土壤表层存留时间比较短，在亚表层中保存时间相对较长，从而对亚表层中吸附的磷素具有较强的释放能力。本试验中20~40 cm土壤有效磷在P0、P1和P2处理下都随着有机酸的增加而增加（图 4）,证明了柠檬酸可以在亚表层中存留较长，但是在亚表层中活化的磷素如果不能够被番茄及时吸收利用，则有可能逐渐累积甚至随水向下运移。

番茄产量随着柠檬酸使用量的增加而增加。庞荣丽^[26]研究表明，等量磷肥处理，施加外源柠檬酸能有效提高小麦株高，增加根重和生物总量。王庆仁等^[29]通过试验证明，施加柠檬酸与否对小麦产量有显着影响，合理配施磷肥和柠檬酸可以减少磷肥的土壤固定，提高磷肥有效性和利用率。本试验研究表明，当磷肥使用量增加至168 kg·hm^-2（P2）时，继续增加磷肥番茄产量不增反降，与贾可等^[30]、鲁剑巍等^[31]、姜宗庆等^[32]研究发现过量施磷会导致作物产量下降一致。本试验中磷肥施用量为P2和P3时，产量增加比率先增后减，在CA2P2处取得最大产量，且与CA1P3处理产量相差不大，但是比CA1P3处理减少了30%的磷肥施用量，说明柠檬酸既可以加强磷肥的产量效益，又可以降低磷肥的施用量，节约资源。

在使用柠檬酸时应该注意柠檬酸的施用量，一方面，柠檬酸对土壤磷活化的同时有可能导致土壤磷向深层土壤运移流失，另一方面也会增加不必要的成本。本试验在CA3P3处理中发现土壤60~80 cm有效磷含量有增加的趋势。综合以上结果，在同时施用柠檬酸0.84 kg·hm^-2和磷肥168 kg·hm^-2时可以增加土壤有效磷的含量，提高番茄产量。 4 结论

（1）磷肥和柠檬酸及其互作对pH都具有极显着影响（P＜0.01）.柠檬酸显着降低了土壤0~20 cm的pH,CA3P0处理降低了0.62个单位pH.

（2）未施加磷肥时，促进磷的解吸，提高了土壤有效磷的含量。施加磷肥时，柠檬酸可以溶解磷肥，提高土壤有效磷含量。

（3）柠檬酸可以在亚表层（20~40 cm）中存留，提高亚表层中有效磷含量。

（4）柠檬酸和磷肥施用量分别为0.84、168 kg·hm^-2时，既可以提高土壤有效磷含量，增加番茄产量，又可以减少30%的磷肥施用量，节约成本，合理施用磷肥和柠檬酸可以降低磷素向深层运移的风险。