西藏不同年限耕地土壤磷素分級研究

王瑞,李曉忠,周志宇,秦彧,姜文清,田發益,陳菊蘭

（1.蘭州大學草地農業科技學院,甘肅蘭州 730020；2.西藏自治區農科院,西藏拉薩 850000；3.西藏農牧學院,西藏 林芝 860000；4.內蒙古阿拉善盟畜牧研究所,內蒙古巴彥浩特 750306）

耕地作為農業生產活動的主要對象和最重要的物資基礎,乃是人類賴以生存和繁衍的最基本自然資源。但據報道,全世界13.19億hm2耕地中約有43%缺磷,我國1.07億hm2耕地中約74%缺磷[1]。而西藏自治區是全國土壤墾植指數最低的省（區）之一,其耕地面積為223.1萬hm2,占全自治區土壤資源總面積的0.39%,占實控區土壤資源面積的0.42%,是全區面積最小的土壤利用類型[2]。由于土壤磷素是植物生長發育必不可少的大量營養元素之一[3],是土壤肥力和農業生產不可缺少的營養,對保持土壤肥力起著重要的作用。因此,對西藏地區進行磷素狀況的研究是非常必要的。磷的地球生物化學性質的科學研究時常要將磷庫分為不穩定組分和難吸收組分,特別是要考慮到植物可利用的土壤磷[4]。但由于磷在土壤中的形態很復雜[5],不同形態的可利用性和有效性不同,因此采用磷素分級方法來研究土壤中磷素的形態和有效性,針對土壤中磷的不同形態進行定量研究,對揭示耕地土壤磷素狀況和土壤磷素循環特點具有重要意義。土壤磷素分級的目的是評價土壤有效磷庫大小和土壤磷素供應狀況[6],它常用于研究耕作條件下土壤中磷素的耗竭[7-8],不同管理措施對土壤磷素分布的影響[9],微生物活動對土壤磷素的影響[10-11],土壤磷素的遷移與轉化[12]等。現在磷素分級研究多采用Guppy等[6]、Sui等[13]以及Tiessen和Moir[14]修正后的Hedley土壤磷素分級體系。該方法克服了Chang和Jackson等[15]的磷分級法的缺陷,是目前較為合理、較具說服力的土壤磷素分級方法,已被越來越多的學者采用[6,14-18]。但國內采用此法對土壤磷素進行分級的研究甚少,并且針對西藏地區磷素研究尚處于空白階段,因此本研究選擇 Sui等[13]1999年修正后的 Tiessen和Moir[14]1993年發表的磷素分級方法對西藏不同開墾年限的耕地以及放牧草地土壤磷素進行分級,旨在揭示土壤磷素形態特征,這對于指導耕地土壤的養分利用及土壤—植物養分循環過程的理論和實際應用具有十分重要的價值。

1 材料與方法

1.1 研究區概況日喀則地區位于青藏高原西南部 ,82°00′～90°20′E,27°23′～ 31°49′N,平均海拔4 000 m以上,南與尼泊爾、不丹、錫金三國接壤,全地區面積18.2萬 km2。空氣稀薄,氣壓低,氧氣少,太陽輻射強,日照時間長（年日照時數3 240.3 h）,日照率73%,溫差大,氣溫較低（年平均氣溫6.3℃）,最低日氣溫-14℃,最高日氣溫14.5℃,年極端最低氣溫-25.1℃,年極端最高氣溫28.2℃,0℃以上年積溫2 706℃·d。生長季平均氣溫 10.6℃。降水少（年降水量為431.2 mm）,蒸發強（年蒸發量 2 353.2 mm）,比較干燥,干燥系數為8.6。年平均相對濕度42%。

山南地區地處青藏高原岡底斯山-念青唐古拉山脈以南的雅魯藏布江中下游,北接西藏首府拉薩,西與日喀則地區毗鄰,東與林芝地區相連,南與印度、不丹兩國接壤,地理位置為 90°04′～94°21′E,26°51′～ 29°47′N 。面積 7.35 萬 km2。平均海拔在3 700 m左右。山南地區屬溫帶干旱性氣候,年均降水量不到450 mm,雨季多集中在6-9月。年蒸發量2 356.2 mm,是年降水量的6倍。全地區全年日照時間為2 600～3 300 h,年平均氣溫最低為6℃,最高為8.8℃；最高氣溫31℃,最低氣溫-37℃。風期主要集中在12月至次年3月。

本研究地區耕地大多為灌叢草原土、灰褐土等,旱作一年一熟,少數為兩年三熟。種植方式普遍為青稞（Avena nuda）、小麥（Triticum aestivum）、豌豆（Pisum sativum）、油菜（Brassica campestris）4種作物之間的輪作和混播,蔬菜以土豆（Solanum tuberosum）為主,在高寒區基本為青稞或油菜單一種植,土壤閑置,輪歇是調整種植業機構的傳統方式。但由于施肥水平一直不高,有些地方根本不用有機肥,土壤缺氮、磷、鉀素,嚴重影響生產產量。山南瓊結地區的草地類型為高寒草地,以多年生草本植物為建群種,主要建群種為青藏苔草（Carex moorcrof tii）、針茅（Stipacapillata）、矮生嵩草（Kobresia humilis）、白頭苔草（C.oxyleuca）等。羊為主要放牧家畜。

1.2 土壤樣品采集與研究方法

1.2.1土壤采集 2008年8月至9月,對不同開墾年限的土壤進行采集。因研究區地形多平坦、土壤較為均勻,故采用現在較為通用的五點取樣法。在每個樣地中,按梅花形取5個樣點,在每個樣點取3個重復,取耕層土壤0～20 cm的樣品12 kg,如數量太多可用四分法將多余土壤棄去。將所采土樣充分混勻后裝入布袋或聚乙烯塑料袋。

1.2.2土壤樣品的分析 所采土壤樣品經自然風干后,揀去動植物殘體、雜質、根系和石塊,研細并過0.5 mm篩。土壤磷素分級采用Sui等[13]1999年修正后的Tiessen和Moir[14]磷素分級方法,測定流程見圖1。pH值測定用電極法[19]（水土比為2.5∶1）,土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀氧化法測定[20]。

1.2.3數據處理 數據均使用SPSS進行統計分析,各樣地指標采用單因素方差分析比較,采用相關分析的方法確定各磷組分之間的相關關系。所有圖表均使用EXCEL軟件進行繪制。

圖1 土壤磷的分級流程圖

2 結果和分析

2.1 土壤無機磷組分的特征按照連續浸提法分級,將無機磷分為:H2O-Pi（水溶性磷）、NaHCO3-Pi（0.5 mol/L NaHCO3提取無機磷）、NaOH-Pi（0.1 mol/L NaOH 提取無機磷）、Dil.HCl-Pi（1 mol/L HCl提取無機磷）和Conc.HCl-Pi（濃HCl提取無機磷）,其生物有效性逐級降低。江孜、瓊結土壤無機磷含量特征如表1、2所示,土壤無機磷庫含量總體排序為:Dil.HCl-Pi＞Conc.HCl-Pi＞NaOH-Pi＞NaHCO3-Pi＞H2OPi。其中有效無機磷（H2O-Pi、NaHCO3-Pi）含量相對較少,Dil.HCl-Pi是最主要的無機磷素形態,占無機磷總量的 50%左右；隨著耕種時間的延長,各無機磷組分都出現增加的趨勢,有效無機磷增加不顯著。Dil.HCl-Pi和Conc.HCl-Pi的增幅相對較大；江孜10年耕地 H2O-Pi、NaHCO3-Pi含量較高,在無機磷總量中比例也較高,而Conc.HCl-Pi含量相對較低；瓊結47年NaOH-Pi含量較低,Dil.HCl-Pi在無機磷重量中比例相對較高；瓊結草地的無機磷組分都顯著低于耕地,與11年耕地相比,除Dil.HCl-Pi以外,其余各組分都是11年耕地的50%左右,Dil.HCl-Pi的比重更少；各無機磷在前10年的積累非常顯著,10年以上積累相對變慢。

表1 瓊結土壤無機磷素特征 mg/kg

表2 江孜土壤無機磷素特征 mg/kg

2.2 土壤有機磷組分特征土壤有機磷分為:NaHCO3-Po（0.5 mol/L NaHCO3提取有機磷）、NaOH-Po（0.1 mol/L NaOH提取有機磷）和Conc.HCl-Po（濃 HCl提取有機磷）。NaHCO3浸提的有機磷為活性磷,而NaOH浸提的有機磷相對比較穩定,稱為穩定態有機磷,或在某些地區稱為潛在活性磷[21]。NaHCO3-Po隨耕種時間的延長而下降（表3、表4）,但50年以上的耕地卻有上升的趨勢,即呈“V”字型趨勢；使用年限在50年以內的耕地,NaOH-Po與 NaHCO3-Po相似,也隨耕種時間的延長明顯下降,但在50年以上的耕地呈上升趨勢。Conc.HCl-Po是較穩定性有機磷,與NaOH-Po有相同的趨勢（表3）,草地的各有機磷含量除與瓊結11年相比,Conc.HCl-Po含量有所增加以外,其余各有機磷含量減少近60%（表4）；江孜3年各有機磷組分除NaOH-Po外都明顯偏低。有機磷總量在前50年以內呈下降趨勢,在50年以上又呈上升趨勢,與NaHCO3-Po、NaOH-Po和Conc.HCl-Po的變化趨勢相同。

2.3 土壤有機碳（SOC）與pH值SOC與pH值如表5所示,放牧草地的有機碳含量最高,草地開墾后有機碳迅速減少,但隨著耕種年限的增加,有機碳呈增加趨勢。瓊結放牧草地土壤顯弱酸性,不同種植年限耕地土壤呈弱堿性,變化范圍為7.5～8.1。由表6可以看出,江孜土壤有機碳與瓊結有相似的趨勢,都隨耕種時間的增加而增加,pH值為8.1～8.5,隨時間的變化不大。

表3 瓊結土壤有機磷素特征mg/kg

表4 江孜土壤有機磷素特征mg/kg

表5 瓊結不同開墾年限耕地和部分草地表層土壤有機碳及pH值特征

表6 江孜不同開墾年限耕地表層土壤有機碳及pH值特征

2.4 土壤磷庫的動態特征由圖2、圖3可以看出,瓊結和江孜的土壤無機磷庫、有機磷庫、殘余磷庫及總磷庫隨著耕種年限的增加存在相似的趨勢。土壤總磷庫、無機磷庫、殘余磷庫都隨時間的延長而呈增加的趨勢；土壤有機磷庫先隨耕種時間的增加而減少,但在種植50年后又開始呈上升趨勢；土壤無機磷庫是耕作土壤中最主要的磷庫；放牧草地殘余磷相對較高,而其無機磷含量卻相對較低。

圖2 瓊結土壤磷庫動態

圖3 江孜土壤磷庫動態

2.5 土壤磷庫的相關性各磷素形態與SOC、pH值相關性分析如表7所示,NaOH-Po與Dil.HCl-Pi呈極顯著（P＜0.01）負相關,與 SOC呈極顯著（P＜0.01）正相關；Conc.HCl-Po與Conc.HCl-Pi呈顯著（P＜0.05）正相關；SOC與Dil.HCl-Pi呈顯著（P＜0.05）負相關；pH值與Dil.HCl-Pi呈極顯著（P＜0.01）正相關,與NaOH-Po和SOC呈極顯著（P＜0.01）負相關。

表7 磷組分相關系數矩陣

3 討論與結論

3.1 無機磷庫特征西藏耕地（除瓊結放牧草地以外）都存在一定的使用年限,其無機磷庫Dil.HCl-Pi＞Conc.HCl-Pi＞NaOH-Pi＞NaHCO3-Pi＞H2O-Pi,并且隨耕種年限的延長各無機磷組分含量明顯增加。Dil.HCl-Pi和Conc.HCl-Pi幾乎為總磷的80%,可見穩定無機磷占土壤磷庫的大部分,有效無機磷（H2O-Pi、NaHCO3-Pi）含量相對較少,說明隨著耕種時間的延長,由于土壤中磷的礦化和微生物的分解,形成了較多次生磷礦物,穩定磷庫積累較明顯,與吳貴榮等[5]研究結果相似。江孜開墾10年的土壤有效無機磷和有機磷含量都較高,說明開墾初期磷庫遭到破壞,土壤侵蝕使有機質礦化速度相對較快,釋放出較多的活性磷[5]。瓊結草地的無機磷組分都顯著低于耕地,表明有機磷礦化率低,無機磷庫來源少,雖然草地的有機磷含量高（表5）,但其在草地有機質中比例小,因此其分解過程中將不發生有機磷的凈礦化作用,甚至可發生微生物對土壤有效無機磷的同化作用從而起到相反的作用[22-23]；并且草地生態環境相對穩定,可能影響微生物多樣性和數量；草地生物量大、生長周期短、生長快等特點使其對活性無機磷庫的吸收轉化較快,本研究結果與高文星等[24],馬斌和周志宇[25]研究結果相似；耕種施肥以無機磷肥為主,可顯著的增加土壤無機磷庫的大小。50年以上的樣地無機磷積累緩慢,而該時段有機磷庫也上升,可見有機磷的礦化速度可能隨使用年限的延長而降低。無機磷庫的增加可能是由于:1）有效有機磷庫的礦化；2）磷肥的大量使用；3）土壤理化性質的變化導致其固定。

3.2 土壤有機磷庫特征西藏土壤磷的分級研究發現,NaHCO3-Po隨耕種年限的延長呈“V”字型趨勢,說明NaHCO3-Po隨耕種年限的增加可能趨于平衡或增加,合理施肥可以保證其持續的供應。江孜 3年耕地NaHCO3-Po明顯偏低,說明草地土壤開墾后平衡被破壞,微生物活性提高,加之作物的栽培,加強了對有效有機磷的吸收和轉化。NaOH-Po也有相似的變化趨勢,但其在50年以上的耕地上升趨勢明顯,說明該有機磷組分相對穩定,有機磷肥更能促使其得到積累。Conc.HCl-Po是較穩定性有機磷,其變化趨勢同前。由此可見,土壤開墾有機磷活性不僅沒有提高,還使較難分解的有機磷庫增加,與吳貴榮等[5]土壤開墾使磷素次生化的研究結果相似。放牧草地的有機磷含量明顯高于耕地（表3）,說明土壤的開墾會降低有機磷的含量,這是由于草地有機磷庫主要來自植物殘體,適當的放牧增加了對草地的踐踏以及家畜糞便的補給,耕地的種植方式使作物在收獲后植物殘體大量被移除,土壤磷素也由此而大量流失,并且草地生長周期短等特點使得有機磷積累較顯著。因此仿效草地,將作物殘體作為綠肥,既可以肥地又可以減少農業投入。

3.3 土壤有機碳、pH值狀況以及磷庫動態特征及相關性土壤有機碳含量的變化會影響植物對水分和營養元素的吸收,進而影響植物產量[26]。植被的根系分泌物和殘落物是土壤有機碳的主要來源[27],草地自身的生長更新方式,使得其能積累大量的有機碳,SOC的含量與進入土壤的植物凋落物和地上生物量呈線性正相關關系[28-30]。土壤開墾以后,土壤有機磷迅速降低,主要是由于草地的生態平衡被打破,微生物種類和活性增加,農作物的吸收等。此后有機碳含量又隨耕種時間的增加而增加,這與各種農業肥料的使用有關。開墾后pH值由酸性變為堿性,這與有機碳的分解是密不可分的,這一系列的土壤理化性質的變化,影響著土壤磷庫的變化情況。

通過分析得出,磷庫的積累存在一定的相關性,各有機磷庫可以相互轉化和補充,其程度與磷素的有效性有關。有效無機磷的 H2O-Pi和NaHCO3-Pi之間存在極顯著（P＜0.01）正相關；而穩定無機磷之間,以及穩定無機磷與穩定有機磷之間亦存在極顯著（P＜0.01）正相關,表明穩定無機磷與穩定有機磷能相互促進積累。Dil.HCl-Pi與SOC呈顯著（P＜0.05）負相關,而與pH值呈極顯著（P＜0.01）正相關,并且SOC與pH值呈極顯著（P＜0.01）負相關,有機質的礦化導致pH值的變化,pH值的變化亦能促進有機質的分解,可以在一定程度上補充土壤中Dil.HCl-Pi的含量。NaOH-Po與 SOC呈極顯著（P＜0.01）正相關,說明土壤有機碳含量嚴重影響著活性有機磷NaOH-Po的含量,因此SOC也影響土壤磷肥力。土壤總磷庫與無機磷庫都隨時間的延長而呈增加的趨勢；土壤有機磷庫先隨時間的增加而減少,但在50年左右又開始呈上升趨勢；土壤無機磷庫占總磷庫的絕大部分,表明有機磷多經礦化后轉化為無機磷,其礦化速度大于其積累速度,但礦化速度隨耕種年限的延長而減小,因此50年左右的耕地有機磷有上升趨勢；土壤總磷庫的增加主要是無機磷庫的增加。放牧草地殘余磷相對較高,表明草地開墾后能促進殘余磷的轉化和利用。而施加的磷肥由于土壤和磷肥之間的作用,肥料中的磷已不再是原來的形態,而是轉化成各種形態,但轉化的程度不同；長期過量施肥導致磷庫的固定與積累；氣候干燥寒冷降低了微生物的活性等。有研究表明,影響土壤磷素轉化與有效性的因素十分復雜,凡影響土壤中磷素化學過程的各種因素都會影響土壤不同形態磷之間的轉化及其對植物的有效性,這些因素主要包括土壤理化性質,環境因子（溫度、水分）與種植方式等。但在該方面還需要做更多的工作,以此為農業生產和施肥提供指導,合理施肥。單艷紅等[31]的研究表明,土壤長期過量的磷肥（包括化肥和有機肥）投入導致土壤磷素水平的提高,從而加大了土壤磷素流失的風險,因此在降低農業投入的情況下提高磷肥利用率和農業產量,減少磷肥的積累、浪費和流失,從而為防止富營養化、保護環境、維持農業的可持續發展做出貢獻。

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